Υδροµετεωρολογία Αιολική ενέργεια

Υδροµετεωρολογία Αιολική ενέργεια Νίκος Μαµάσης και ηµήτρης Κουτσογιάννης Τοµέας Υδατικών Πόρων Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα 6 ΙΑΡΘΡΩΣΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 1

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΟΑίολοςήτανσύµφωνα µε την ελληνική µυθολογία ο θεός διαχειριστής των ανέµων, µαζί µε τους οκτώ βοηθούς του (Βορέας, Καικίας, Απηλιώτης, Εύρος, Νότος, Λιψ, Ζέφυρος, Σκίρων) που απεικονίζονται στον πύργο των Αέρηδων (κτίσµα του ου π.χ. αιώνα) στην Πλάκα. Η πρώτη χρήση αιολικής ενέργειας έγινε στη ναυσιπλοία, ενώ οι πρώτοι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν για άλεσµα δηµητριακών και άντληση νερού. Οι αρχαιότεροι ανεµόµυλοι (κατακόρυφου άξονα) κατασκευάστηκαν στην Περσία τον 6 ο έως τον 9 ο αιώνα µ.χ., ενώ η πρώτη γραπτή αναφορά γίνεται στην Κίνα το 13 ο αιώνα µ.χ. Στην Ευρώπη αναπτύχθηκαν διάφορα είδη ανεµόµυλου (οριζόντιου άξονα) από τον 13 ο αιώνα και πιθανόν οι νερόµυλοι να αποτέλεσαν πρότυπο για την κατασκευή τους. Το 17 ο αιώνα η τεχνολογία µεταφέρεται στην Αµερική όπου οι ανεµόµυλοι χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για άντληση νερού. Ο πρώτος ανεµόµυλος για παραγωγή ηλεκτρισµού κατασκευάστηκε το 1888 στο Cleveland του Ohio. Είχε διάµετρο πτερωτής 17 µέτρα και ισχύ 1 kw. Σήµερα η ανία χώρα πλούσια σε αιολικό δυναµικό έχει τα πρωτεία στην κατασκευή αλλά και στην χρήση ανεµογεννητριών. Στην Ελλάδα (ειδικότερα στο Αιγαίο) η χρήσηανεµοµύλων χρονολογείται από το 13 ο αιώνα. Το 196 υπήρχαν 1 ανεµόµυλοι στο Οροπέδιο Λασιθίου, 5 στην υπόλοιπη Κρήτη, και 6 στη Ρόδο Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 3 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ Αντίγραφο του πρώτου Περσικού µύλου Μεσογειακός Αµερικάνικος (18 oς αιώνας) Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 4

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ανικός Ολλανδικός Αγγλικός Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 5 ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ Θεωρητική αιολική ισχύς I= E / t = (1/) m V / t = (1/) ρ LAV / t = (1/) ραv 3 I αιολική ισχύς (W) E κινητική eνέργεια (J) t χρόνος (s) m µάζα αέρα (kg) V ταχύτητα ανέµου (m/s) ρ πυκνότητα αέρα (kg/m 3 ) A επιφάνεια αναφοράς (m ) L διαδροµήανέµου σε χρόνο t (m) A (m ) V (m/s) L (m) Ονοµαστική ισχύς ανεµογεννήτριας I = (1/) C η Μ η Ε ραv 3 C η Μ η H συντελεστής ισχύος βαθµός απόδοσης µηχανικού συστήµατος βαθµός απόδοσης ηλεκτροµηχανικής µετατροπής Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 6 3

ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Οριζοντίου άξονα Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 7 Κοπεγχάγη Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 8 4

ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Κατακορύφου άξονα Η κατακόρυφη ανεµογεννήτρια του σχήµατος είναι η πιο διαδεδοµένη. Ονοµάζεται Darrieus από τον Γάλλο µηχανικό που την κατοχύρωσε το 1931. Πλεονεκτήµατα δεν χρειάζονται σύστηµα προσανατολισµού ηηλεκτρική γεννήτρια είναι στο έδαφος Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 9 Μειονεκτήµατα εκµεταλλεύονται µικρότερες ταχύτητες ανέµου (αφού είναι κοντά στο έδαφος) έχουν µικρότερο συντελεστή ισχύος η στερέωση στο έδαφος απαιτεί εγκαταστάσεις που καταλαµβάνουν µεγάλο εµβαδόν ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Χαρακτηριστικά µεγέθη 1. ιάµετρος της πτερωτής D. Ύψος τοποθέτησης Η Συνήθως 1<Η/D<1.5 3. Πλήθος των πτερυγίων Έχουν επικρατήσει οι αιολικές µηχανές µε 3 πτερύγια. Με λιγότερα πτερύγια ( ή 1) απαιτείται µεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής για το ίδιο ενεργειακό αποτέλεσµα που συνεπάγεται περισσότερο θόρυβο και φθορές, µε µόνο πλεονέκτηµα τοµικρότερο κόστος. 4. Είδος των πτερυγίων (πάχος, υλικό) Οι πολύ συµπαγείς πτερωτές (πολλά ή φαρδιά πτερύγια) σηµαίνει ότι ξεκινάνε τη λειτουργία τους µε µικρές ταχύτητες ανέµου αλλά θα πρέπει να βγαίνουν εκτός λειτουργίας στις µεγάλες ταχύτητες Κλασικό παράδειγµα τέτοιωνανεµοµύλων αποτελούν οι αµερικανικοί του 18 ου αιώνα οι οποίοι αντλούσαν σταθερά µικρή ποσότητα νερού όλο το χρόνο. 5. Ονοµαστική ταχύτητα περιστροφής Συνδέεται µε παράγοντες όπως η συχνότητα του ηλεκτρικού δικτύου και η αντοχή των πτερυγίων σε φυγόκεντρες τάσεις. 6. Συντελεστής ισχύος C Υπολογίζεται από το πηλίκο της παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος προς την εισερχόµενη ενέργεια του αέρα. Ουσιαστικά είναι ο αεροδυναµικός βαθµός απόδοσης πτερωτής και έχει µέγιστο όριο την τιµή C<=16/7=.593 (όριο Betz, 1919). Πρακτικά στην περίπτωση καλού σχεδιασµού ο συντελεστής κυµαίνεται στο.35. 7. Ονοµαστική ισχύς Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 1 5

ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Παραγωγή µηχανικής ενέργειας (αλευρόµυλοι, άντληση υπόγειων νερών, αποστράγγιση) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ανεξαρτησία από ορυκτά καύσιµα (δεν επιβαρύνει το περιβάλλον µεαέριους ρύπους, παρέχει προστασία έναντι της αστάθειας τιµών των ορυκτών καυσίµων) Τεχνολογικά ώριµη, οικονοµικά ανταγωνιστική, γρήγορη και τυποποιηµένη στην εφαρµογή της, φιλική προς το περιβάλλον Ελεύθερη, άφθονη και ανεξάντλητη πηγή ενέργειας Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήµατος µειώνοντας απώλειες µεταφοράς ενέργειας Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία κάθε χώρας ηµιουργεί θέσεις απασχόλησης στην περιφέρεια ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Θόρυβος Υποβάθµιση της αισθητικής του τοπίου Επίδραση στις γεωργικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες Επιπτώσεις στον πληθυσµότωνπουλιών Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 11 ΧΡΗΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ Παγκόσµια εγκατεστηµένη αιολική ισχύς 4791 MW (4) και 5898 MW (5) ΧΩΡΑ Γερµανία Ισπανία ΗΠΑ ανία Ινδία Ιταλία Ολλανδία Ιαπωνία Βρετανία Κίνα Σύνολο ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) 4 5 1669 1848 863 17 675 9149 314 318 3 443 165 1717 178 119 896 14 888 1353 764 16 463 51751 ΠΟΣΟΣΤΟ ΣΥΜΜΕΤΟΧΗΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ανία 19% Αυστραλία 1.5% Γερµανία 5.5% Ιρλανδία % ΗΠΑ.4% Ελλάδα.35% Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 1 6

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΡΓΟΥ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εκτίµηση αιολικού δυναµικού Εκτίµηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων Άδεια κατασκευής Σχεδιασµός έργου Κατασκευή Ανεµογεννήτριας Οδικής πρόσβασης Γραµµής µεταφοράς ηλεκτρικού ρεύµατος Υποσταθµού ηλεκτρικού ρεύµατος Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 13 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Καµπύλεςισχύοςανεµογεννήτριας 3 5 Ταχύτητα που η γεννήτρια αρχίζει να παράγει ρεύµα ΙΣΧΥΣ (kw) 15 1 5 5 1 15 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Ταχύτητα που σταµατάει η πτερωτή να περιστρέφεται για να µην καταστραφεί Οι καµπύλες ισχύος συνήθως εκτιµώνται εµπειρικά, από µετρήσεις πεδίου της ταχύτητας ανέµου µε ανεµόµετρο και της παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος. Υπάρχουν αβεβαιότητες στην εκτίµηση των καµπυλών που σχετίζονται µε: (α) τη µέτρηση της ταχύτητας και (β) την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στην πτερωτή Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 14 7

ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας Μελέτη για τον προσδιορισµό της διεύθυνσης και της ταχύτητας των επικρατούντων ανέµων Εντοπισµόςτωνφυσικώνκαιτεχνητώνεµποδίων Εκτίµηση της τραχύτητας του εδάφους Καταγραφή του υπάρχοντος στην περιοχή ηλεκτρικού δικτύου Εκτίµηση της ευκολίας υλοποίησης κατασκευών (πρόσβαση στη θέση, µορφολογία εδάφους) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Όταν ο αέρας έχει φύγει από ανεµογεννήτρια έχει χάσει την ενέργειά του και έτσι στην περίπτωση των αιολικών πάρκων οι αποστάσεις µεταξύ δύο ανεµογεννητριών πρέπει να είναι 5-9 φορές την διάµετρο της πτερωτής (στη διέυθυνση των επικρατούντων ανέµων) και 3-5 φορές (κάθετα στη επικρατούσα διεύθυνση). Γενικά σε αιολικά πάρκα οι απώλειες κυµαίνονται από 5 έως 15% Όταν ο αέρας βρει άνοιγµα, ηταχύτητατουµπορεί να αυξηθεί έως και 5% (tunnel effect) Η ταχύτηταανέµου αυξάνεται στις κορυφές λόφων (hill effect) Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 15 ΑΙΟΛΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Επιλογή θέσης ανεµογεννητριας σε σχέση µεεµπόδιο Η Επικρατών άνεµος Περιοχή έντονα διαταραγµένης ροής ανέµου Η Η Η Η Σηµαντική επίδραση έχει η ανεµοπερατότητα (porosity) του εµποδίου. Η ανεµοπερατότητα ενός συµπαγούς εµποδίου (π.χ. κτιρίου) έχει την τιµή, ενώ στην περίπτωση µη συµπαγούς εµποδίου (π.χ. συγκροτήµατος κτιρίων) υπολογίζεται ως το πηλίκο της ανοικτής επιφάνειας προς τη συνολική επιφάνεια. Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 16 8

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Υψοµετρική µεταβολή της ταχύτητας ανέµου u = u 1 z ln z z ln z 1 όπου u 1, u ηταχύτηταανέµου σε ύψη z 1 και z αντίστοιχα z ηπαράµετρος τραχύτητας Τυπικές τιµές της παραµέτρου τραχύτητας z για διάφορες φυσικές επιφάνειες (cm) Πάγος.1 Ασφαλτοστρωµένη επιφάνεια. Υδάτινη επιφάνεια.1-.6 Χλόη ύψους µέχρι 1cm.1 Χλόη ύψους µέχρι 1-1 cm.1-. Χλόη-σιτηρά κλπ ύψους 1-5 cm -5 Φυτοκάλυψη ύψους 1- m ένδρα ύψους 1-15 m 4-7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος, 1999 Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 17 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Προσαρµογή θεωρητικής κατανοµής Συνάρτηση κατανοµής Weibull: F( x) = 1 e k ( x / c) 1 µ = cγ(1 + ) k σ = c 1 Γ(1 + ) Γ(1 + ) k k µ, σ µέση τιµή και τυπική απόκλιση του δείγµατος c, κ παράµετροι της κατανοµής Weibull Γ(x) συνάρτηση Γάµα Εκτίµηση παραµέτρων µε τηµέθοδο των ροπών Γ(1 + ) σ µ + 1 = k c = 1 µ 1 Γ(1 + ) Γ(1 + ) k k Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 18 9

3 5 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΜΠΥΛΗ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ WINCON W5/9 ΙΣΧΥΣ (kw) 15 1 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ (% 5 1 4 7 1 13 16 19 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 1 8 6 4 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (MWh/ΕΤΟΣ) 1 8 6 4 ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 1 4 7 1 13 16 19 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) 1 4 7 1 13 16 19 5 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥ (m/s) Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 19 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Βιβλία-Άρθρα Αλεξάκης Α., Αιολική ενέργεια, Εκδόσεις Σιδέρη, Αθήνα, 1993. Καλδέλλης Ι., ιαχείριση της Αιολικής Ενέργειας, Εκδόσεις Σταµούλης, Αθήνα 1999. Κουτσογιάννης,. και Θ. Ξανθόπουλος, Τεχνική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1999. Κουτσογιάννης,., Στατιστική Υδρολογία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1999. Νοµίδης., Αξιοποίηση της Αιολικής Ενέργειας στα νησιά του νότιου Αιγαίου, ελτίο ΠΣ ΜΗ, Αθήνα, 1999. Gipe P., Wind energy basics: a guide to small and micro wind systems, Chelsea Publishing Co., 1999. Walker J., Wind energy technology, John Wiley & Sons, 1997. Ιστοσελίδες www.worldweb.com www.cogreenpower.org www.telosnet.com/wind Υδροµετεωρολογία-Αιολική ενέργεια, 1