ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

Τ.Ε,Ι ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΛΙΟΓΚΑΣ ΒΑΣΙΛΗΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ : ΤΣΑΚΙΡΗ ΧΡΙΣΤΙΝΑ ΑΚΑΝΤΖΙΛΙΩΤΗΣ ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2010 1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περιεχόμενα 2 Συμβολισμοί 5 1. Πρόλογος 7 1.1 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας 8 1.2 Νομοθετικό πλαίσιο(νόμος 3468/2006: παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ) 9 2. Γενικά 9 2.1 Άνεμος 9 2.2 Αιολική ενέργεια 10 2.3 Κατάταξη Αιολικών Μηχανών 10 2.3.1 Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα 11 2.3.2 Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα 12 2.4 Η δομη μιας ανεμογεννητριας 13 3. Αεροδυναμικη γεννητριων οριζοντιου αξονα 17 3.1 Αρχή λειτουργίας ανεμογεννήτριας 17 3.2 Θεωρία του δίσκου ενέργειας (Rankine-Froude) 18 3.3 Εφαρμογή των νόμων διατήρησης 17 3.3.1 Διατήρηση μάζας 20 3.3.2 Διατήρηση της ορμής 20 3.3.3 Ενεργειακός ισολογισμός 21 4. Όριο του Betz 23 5. Επίδραση περιστροφής του όμορρου 25 6. Θεωρία στοιχείων πτερύγωσης 27 7. Εφαρμογές των Ανεμογεννητριών 35 2

7.1 Η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας παγκοσμίως 36 7.2 Ανάπτυξη και προοπτικές της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα Εφαρμογές 37 7.3 Το υβριδικό πάρκο της Κύθνου 38 7.4 Το αιολικό πάρκο της Άνδρου 38 7.5 Η κατάσταση στην υπόλοιπη Ελλάδα 38 8. Επιλογή θέσης εγκατάστασης 40 8.1 Εισαγωγικά 40 8.2 Παράμετροι που επηρεάζουν την επιλογή τοποθεσίας 41 8.3 Συνοπτική περιγραφή της διαδικασίας επιλογής θέσης για την εγκατάσταση ανεμοκινητήρων 45 8.4 Δείκτες αιολικού δυναμικού 49 9. Βασικοί υπολογισμοί 50 10.Πρακτικά στοιχεία επιλογής Α/Κ 53 10.1 Εκτίμηση ύπαρξης αιολικού δυναμικού 53 10.2 Θέση εγκατάστασης Α/Κ 54 10.3 Εκτίμηση των ενεργειακών αναγκών 54 10.4 Εκτίμηση των γενικών διαστάσεων του Α/Κ 55 10.5 Παρεχόμενη ισχύς από Α/Κ 62 11. Οικονομικά μεγέθη ανεμοκινητήρων 66 11.1 Κόστος ανεμοκινητήρα 66 11.2 Κόστος γης και υποδομής 68 11.3 Αιολικό δυναμικό-συντελεστής χωρητικότητας Α/Κ 69 11.4 Κόστος kwh σημβατικών ενεργειακών σταθμών 71 11.5 Διάρκεια ζωής ανεμοκινητήρα 72 11.6 Κόστος χρήματος 72 3

11.7 Κόστος συντήρησης και λειτουργίας Α/Κ 72 11.8 Ειδική επένδυση 73 11.9 Οικονομική βιωσιμότητα επένδυσης 75 11.10 Θεσμικό και τιμολογιακό πλαίσιο 77 Βιβλιογραφία 78 4

ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ Α Επιφάνεια ρότορα (m 2 ) Αproj Προβολική επιφάνεια ρότορα (m 2 ) A Συντελεστής αξονικής επαγωγής (m 2 ) Β Αριθμός πτερυγίων (-) C d Συντελεστής αντίστασης (m/s) C f Συντελεστής δύναμης (-) C I Συντελεστής άνωσης (-) C T Συντελεστής ώσης (-) D Διάμετρος ρότορα (m) Er Απόσταση από το κέντρο βάρους του στροφέα στον άξονα περιστροφής (-) F zb Αξονική δύναμη στο φτερό (Nt) F x-shaft Δύναμη ώσης (Nt) I B Ροπή αδράνειας (Nt) G Γεννήτρια (-) g Βαρυτική επιτάχυνση: 9,806 (m/s 2 ) L rt Απόσταση του Κ.Β. του ρότορα από τον άξονα προσανέμισης (m) L rb Απόσταση του Κ.Β. του ρότορα από το πρώτο ρουλεμάν (m) M xb, M yb Ροπή κάμψης (Ntm) M x-shaft Ροπή στρέψης (Ntm) m B Μάζα φτερού (kg) m r Μάζα ρότορα συν τη μάζα πλήμνης (kg) n Ταχύτητα ρότορα (r.p.m.) P Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς ( W) Q Ροπή ρότορα (Ntm) R Ακτίνα ρότορα (m) T Χρονική διάρκεια Ριπής ανέμου (s) t Χρόνος (s) V Ταχύτητα ανέμου (m/s) V z Ταχύτητα ανέμου σε ύψος Ζ (m/s) V ave Ετήσια μέση ταχύτητα αέρα στο ύψος πλήμνης (m/s) V design Ταχύτητα ανέμου που χρησιμοποιείται κατά τη σχεδίαση (m/s) V hub Μέση δεκάλεπτη ταχύτητα ανέμου στο ύψος της πλήμνης (m/s) V in Ταχύτητα αέρα cut in (m/s) V out Ταχύτητα ανέμου cut out (m/s) V max Μέγιστη ταχύτητα ανέμου (m/s) V ref Μέση δεκάλεπτη αναφορική ταχύτητα ανέμου (m/s) V tip Ταχύτητα ακροπτερυγίου (m/s) W Ροπή αντίστασης (m 3 ) R cog η Ακτινική απόσταση μεταξύ του Κ.Β. του φτερού και του κέντρου του ρότορα (m) Βαθμός απόδοσης μεταξύ ρότορα και παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος (-) λ Λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (-) ρ Πυκνότητα αέρα (kgr/m 3 ) σ 1 Τυπική απόκλιση αξονικής ταχύτητας ανέμου (m/s) σ 2 Τυπική απόκλιση κατακόρυφης ταχύτητας ανέμου (m/s) 5

σ 3 Τυπική απόκλιση εγκάρσιας ταχύτητας ανέμου (m/s) σ d Τάση σχεδιασμού (MPa) ω n Ταχύτητα περιστροφής του ρότορα (rad/s) ω yaw Ταχύτητα προσανέμισης (rad/s) Συντομογραφίες: Ave average Μέσος όρος B Blade φτερά Design σχεδίαση Max maximum μέγιστο r rotor ρότορας x in the x-direction στον χ-άξονα y in the y-direction στον y-άξονα z in the z-direction στον z-άξονα Συντμήσεις: a.c. d.c. εναλλασσόμενο ρεύμα συνεχές ρεύμα 6

1.ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η ενέργεια αποτελεί σημαντική παράμετρο της τεχνολογικής προόδου και πρωταρχικός μοχλός ανάπτυξης, τόσο σε κοινωνικό όσο και ατομικό επίπεδο. Η αιολική βιομηχανία, ήταν η περισσότερο αναπτυγμένη ανανεώσιμη ενεργειακή τεχνολογία στην Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) τα τελευταία χρόνια και συνεχίζει να είναι μέχρι και σήμερα. Η αιολική ενέργεια αποτελεί μια μορφή ενέργειας ανταγωνιστική και με προοπτικές αρκεί να αναλογιστούμε ότι το θεωρητικό αιολικό δυναμικό της Ευρώπης, θα μπορούσε να καλύψει τις συνολικές ανάγκες της σε ηλεκτρισμό. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστημα στη χώρα μας, παρά την ανάπτυξη της τα τελευταία χρόνια, βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα σε σχέση με την υπόλοιπη Ευρώπη. Αυτό σχετίζεται κυρίως με την απουσία υποδομής, τις γραφειοκρατικές διαδικασίες για την έγκριση τέτοιων συστημάτων και την έλλειψη επιδοτήσεων, αφού το αιολικό δυναμικό στη χώρα μας είναι αρκετά υψηλό. Πίνακας 1: Εγκατεστημένη ισχύς αιολικών πάρκων σε λειτουργία σε χώρες της Ε.Ε (MW) Πηγή: WINDPOWER MONTHLY, ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2005 (*ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2005) 7

1.1 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας Τα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας σε σχέση με τις συμβατικές μορφές είναι: o Περιβαλλοντικά Είναι ιδιαίτερα φιλική στο περιβάλλον Οι επιδράσεις στη πανίδα είναι πρακτικώς αμελητέες Είναι ανανεώσιμη και επομένως ανεξάντλητη Έχει ελάχιστες απαιτήσεις γης o Οικονομικά Έχει χαμηλό λειτουργικό κόστος Τα συστήματα παραγωγής ενέργειας έχουν μικρές απώλειες Είναι ανεξάρτητη από κεντρικά δίκτυα διανομής o Κοινωνικά Συντελεί στη δημιουργία πολλών νέων θέσεων εργασίας o Ενεργειακά Η αιολική ενέργεια συνεισφέρει σημαντικά στην ηλεκτροπαραγωγή, σε τοπικό και διεθνές επίπεδο Εξοικονόμηση ενέργειας από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών Τα μειονεκτήματά της εντοπίζονται: Στη διακύμανση που παρουσιάζει ως προς την απόδοση ισχύος Στη χαμηλή πυκνότητα που παρουσιάζει ως μορφή ενέργειας Στο χρόνο που απαιτείται για την έρευνα και τη χαρτογράφηση του αιολικού δυναμικού μεγάλων περιοχών Στο σχετικά υψηλό κόστος έρευνας και εγκατάστασης Στις επιπτώσεις που έχουν για το περιβάλλον (ηχορύπανση) Ως πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας σε σχέση με τις άλλες ΑΠΕ είναι: Το πλούσιο εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό Το συνεχώς μειούμενο κόστος κατασκευής των ανεμογεννητριών Οι οικονομίες κλίμακας, όταν κατασκευάζονται αιολικά πάρκα με σημαντικό αριθμό ανεμογεννητριών Παράλληλα ως μειονεκτήματά της εντοπίζονται από τη βιβλιογραφία: Στο θόρυβο από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών Στις σπάνιες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές Στην άμεση εξάρτηση από την ύπαρξη ικανοποιητικών ταχυτήτων ανέμου 8

1.2 Νομοθετικό πλαίσιο(νόμος 3468/2006: παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ) Ο νόμος του ελληνικού κράτους 3468/2006 για την Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης και λοιπές διατάξεις (ΦΕΚ Α 129/27.06.2006) είναι ο νόμος που διέπει τις προϋποθέσεις για τη δημιουργία μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Βασικές ρυθμίσεις του νόμου είναι ότι επιτρέπεται σε ιδιώτες η δημιουργία μονάδας παραγωγής ηλεκτρισμού με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αλλά απαιτεί κατά κανόνα άδεια από το Υπουργείο Ανάπτυξης και ότι ο διαχειριστής του δικτύου διανομής ηλεκτρικού ρεύματος είναι υποχρεωμένος να αγοράζει την ενέργεια που παράγουν νόμιμα αδειοδοτημένες μονάδες. Ο νόμος μεταγράφει μεταξύ άλλων και την Οδηγία 2001/77/ΕΚ της Ευρωπαϊκής Κοινότητας. Ο 3468 προδιαγράφει τις άδειες (παραγωγής, εγκατάστασης, λειτουργίας, δόμησης) και τις εγκρίσεις (περιβαλλοντικών όρων, εργασιών μικρής κλίμακας από την αρμόδια πολεοδομική υπηρεσία) που απαιτούνται (ή δεν απαιτούνται) ανάλογα με την εγκατεστημένη ισχύ της μονάδας (κατηγορία) και την περιοχή στην οποία δημιουργείται. Αξίζει εδώ να αναφερθεί ότι ανεξαρτήτως της κατηγορίας ενός έργου, απαιτείται έγκριση περιβαλλοντικών όρων αν το έργο βρίσκεται σε περιοχή Ramsar, Natura 2000, εθνικούς δρυμούς και αισθητικά δάση. Ο ίδιος νόμος καθορίζει τις συμβάσεις (αγοραπωλησίας ηλεκτρικής ενέργειας με ΔΕΣΜΗΕ ή ΔΕΗ) και τις τιμές πώλησης (σε Ευρώ/μεγαβατώρα) της ενέργειας που παράγεται στον ΔΕΣΜΗΕ ή στη ΔΕΗ αντίστοιχα. Σημειώνεται εδώ ότι η σύμβαση πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας ισχύει για 10 έτη και μπορεί να παρατείνεται για 10 επιπλέον έτη, μονομερώς, με έγγραφη δήλωση του παραγωγού, εφόσον αυτή υποβάλλεται τρεις τουλάχιστον μήνες πριν από τη λήξη της αρχικής σύμβασης. Ας σημειωθεί ότι ένα επενδυτικό σχέδιο ΑΠΕ ύψους 100.000 Ευρώ και άνω μπορεί να ενταχθεί στο καθεστώς του αναπτυξιακού Ν. 3299/04 με τις τροποποιήσεις του επενδυτικού Νόμου 3522/2006 και να επωφεληθεί από κρατική ενίσχυση σε ποσοστό έως και 60%. Τέλος, οι τιμές πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας που καθορίζονται στον 3468, ισχύουν και για τον ιδιώτη-καταναλωτή της ΔΕΗ: εφόσον εγκαταστήσει στην κατοικία του διασυνδεδεμένο με τη ΔΕΗ σύστημα παραγωγής από ΑΠΕ (π.χ. ένα φωτοβολταϊκό σύστημα ή μια ανεμογεννήτρια), μπορεί να πουλήσει τυχόν πλεόνασμα ενέργειας και να επωφεληθεί και αυτός. 2. ΓΕΝΙΚΑ 2.1 ΑΝΕΜΟΣ Άνεμος είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας που κινείται σε σχέση με την επιφάνεια της γης. Χαρακτηρίζεται είτε ως γενικός άνεμος όταν εκτείνεται επάνω από περιοχές μεγάλης έκτασης και εμφανίζει ημιμόνιμη διεύθυνση πνοής είτε ως τοπικός άνεμος όταν πνέει σε συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή με κάποιον γενικό άνεμο. Πρωταρχική γενεσιουργός αιτία του ανέμου είναι η διαφορά της θερμοκρασίας του αέρος που με τη σειρά της δημιουργεί υπό ορισμένες προϋποθέσεις, διαφορές βαρομετρικής πίεσης μεταξύ παρακείμενων τόπων. Αν δύο συνεχόμενες περιοχές συμβεί να μην έχουν την ίδια θερμοκρασία, τότε η ατμοσφαιρική πίεση της περισσότερο ψυχρής θα είναι μεγαλύτερη της άλλης (της θερμότερης), με αποτέλεσμα να κινηθεί αέρια μάζα από τη ψυχρότερη στη θερμότερη περιοχή. 9

2.2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Γενικά αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Η ενέργεια αυτή χαρακτηρίζεται ως ήπια μορφή ενέργειας και περιλαμβάνεται στις «καθαρές» πηγές ενέργειας όπως συνηθίζονται να λέγονται οι πηγές ενέργειας που δεν εκπέμπουν ή δεν προκαλούν ρύπους. Η αρχαιότερη μορφή εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας ήταν τα ιστία(πανιά) των πρώτων ιστιοφόρων πλοίων και πολύ αργότερα οι ανεμόμυλοι στη ξηρά. Ονομάζεται αιολική γιατί στην ελληνική μυθολογία ο Αίολος ήταν ο θεός του ανέμου. Η αιολική ενέργεια αποτελεί σήμερα μια ελκυστική λύση στο πρόβλημα της ηλεκτροπαραγωγής. Το «καύσιμο» είναι άφθονο, αποκεντρωμένο και δωρεάν. Δεν ελκύονται αέρια θερμοκηπίου και άλλοι ρύποι και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον είναι μικρές σε σύγκριση με τα εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής από συμβατικά καύσιμα. Επίσης τα οικονομικά οφέλη μιας περιοχής από την ανάπτυξη της αιολικής βιομηχανίας είναι αξιοσημείωτα. Η κινητική ενέργεια του ανέμου οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία και περίπου το 2% της ενέργειας που προσπίπτει στον πλανήτη μας μετατρέπεται σε αιολική ενέργεια. Η ισχύς των ανέμων σ όλη τη γη υπολογίζεται σε 3,610 9 MW. Ενδεικτικά οι ενεργειακές ανάγκες των ΗΠΑ είναι μόλις το 10% της ενέργειας των ανέμων που πνέουν εκεί, γεγονός που αποδεικνύει πόσο πλούσια ενέργεια είναι ο άνεμος. Η ισχύς του ρεύματος γενικά είναι ανάλογη της πυκνότητάς του και του κύβου της ταχύτητάς του. Έτσι για την ίδια ταχύτητα και διατομή ένα ρεύμα αέρα θα έχει περίπου 800 φορές μικρότερη ενέργεια από μια αντίστοιχη δέσμη νερού. Δηλαδή είναι μικρή η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα χρόνου που μπορεί να δεσμευτεί σε κάθε τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας που προσβάλλεται από τον άνεμο. Για παράδειγμα, άνεμος εντάσεως 5 μποφόρ, περίπου 9,5 m/sec έχει ισχύ 500 W ανά τετραγωνικό μέτρο προσβαλλόμενης επιφάνειας, ενώ ένας ανεμοκινητήρας (Α/Κ) μπορεί στην καλύτερη περίπτωση να δεσμεύει το 40% αυτής της ισχύος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ανάγκη κατασκευής μονάδων μεγάλων διαστάσεων. Σ αυτό το μειονέκτημα ανταπεξέρχεται με επιτυχία η σημερινή τεχνολογία, με την κατασκευή ανεμοκινητήρων μεγάλων διαστάσεων που ανταγωνίζονται οικονομικά τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Παράλληλα η αιολική ενέργεια χαρακτηρίζεται από το πλεονέκτημα ότι δίνει απευθείας μηχανική ενέργεια μία αναβαθμισμένη κατά την τεχνική ορολογία, μορφή ενέργειας που με πολύ υψηλό βαθμό απόδοσης και με απλά μέσα μετατρέπεται σε οποιαδήποτε άλλη μορφή ενέργειας. Η αιολική ενέργεια αποτελεί συνεπώς μια αστείρευτη πηγή ενέργειας με αξιοσημείωτο δυναμικό και δωρεάν πρώτη ύλη στη διάθεση της ανθρωπότητας και προβάλλει σήμερα μια από τις πιο κατάλληλες εναλλακτικές πηγές για την παραγωγή ηλεκτρισμού αλλά και για άλλη χρήση. 2.3 ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Αιολική μηχανή λέγεται κάθε σύστημα που μπορεί να εκμεταλλευτεί την αιολική ενέργεια για να παράγει έργο. Οι αιολικές μηχανές αποτελούν ανθρώπινες επινοήσεις που έχουν σαν σκοπό την αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας του ανέμου. Μέχρι σήμερα έχει προταθεί και δοκιμασθεί ένας μεγάλος αριθμός ανεμογεννητριών, χωρίς όμως να επιτευχθεί ο επιθυμητός βαθμός εκμετάλλευσης 10

της ενέργειας του ανέμου. Βασικές παράμετροι των ανεμοκινητήρων, εκτός της αποδιδόμενης ισχύος, είναι η παράμετρος περιστροφής, η στιβαρότητα της πτερωτής, η διάμετρος, η ταχύτητα περιστροφής και το ύψος τοποθέτησης. Οι μηχανές τύπου έλικας είναι πλέον καθιερωμένος τύπος των μηχανών οριζοντίου άξονα και αποτελούνται κατά κύριο λόγο από την πτερωτή, τον άξονα της κίνησης, το κιβώτιο μετάδοσης, τα συστήματα πέδησης, το σύστημα προσανεμισμού, την ηλεκτρική γεννήτρια και τον πύργο στήριξης. Οι υπόλοιπες κατασκευές οριζοντίου άξονα είναι ο παραδοσιακός αμερικάνικος ανεμόμυλος τύπου Andreau-Enfield, οι ανεμογεννήτριες με χρήση διαφόρων τύπων επιταχυντών καθώς και οι παραδοσιακοί ανεμόμυλοι με πτερύγια από πανί ή nylon. Οι μηχανές των Darrieus και Savonius αποτελούν τους πλέον ανταγωνιστικούς ανεμοκινητήρες κατακόρυφου άξονα. Οι μηχανές αυτής της μορφής έχουν αυτόματο προσανατολισμό προς τη διεύθυνση του ανέμου, είναι φθηνότερες και έχουν το σύστημα μετάδοσης κίνησης στο έδαφος, αλλά έχουν και μικρότερο αεροδυναμικό βαθμό απόδοσης και προβλήματα κατά την εκκίνηση τους. Οι μηχανές τύπου Tornado, τύπου Lebost, τύπου Musgrove, τύπου Gyromill και το σύστημα Cyclonico αποτελούν ενδιαφέρουσες προτάσεις για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας. Οι επικρατέστεροι τύποι ανεμογεννητριών ταξινομούνται σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου. Οι πλέον διαδεδομένοι τύποι κινητήρων είναι: i) κατακόρυφου άξονα περιστροφής, ο οποίος παραμένει σταθερός και είναι κάθετος προς την επιφάνεια του εδάφους. ii) οριζόντιου άξονα περιστροφής, όπου ο δρομέας είναι τύπου έλικα και βρίσκεται συνεχώς παράλληλος με την κατεύθυνση του ανέμου και του εδάφους. Η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας εξαρτάται από το μέγεθος της και την ταχύτητα του ανέμου. Το μέγεθος είναι συνάρτηση των αναγκών που καλείται να εξυπηρετήσει και ποικίλει από μερικές εκατοντάδες μέχρι μερικά εκατομμύρια Watt. Οι τυπικές διαστάσεις μιας ανεμογεννήτριας 500KW είναι: διάμετρος δρομέα 40μέτρα και ύψος 40-50μέτρα, ενώ αυτής των 3 MW οι διαστάσεις είναι 80 και 80-100μέτρα αντίστοιχα. 2.3.1 Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Εμφανίζουν το σημαντικό πλεονέκτημα της αυτόματης προσαρμογής στη διεύθυνση του ανέμου, δεδομένου ότι ο άξονας τους είναι κάθετος στην διεύθυνση του και στην επιφάνεια της γης. 11

Επίσης έχουν επινοηθεί και άλλοι τύποι ανεμοκινητήρων, για παράδειγμα ανεμογεννήτριες τύπου μεταφοράς, αποτελούμενες από οχήματα που κινούνται σε μία καθορισμένη διαδρομή και είναι συνδεδεμένα με ηλεκτρογεννήτριες. 2.3.2 Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Παρόλο που δεν υφίσταται κανένας καθοριστικός λόγος, εκτός ίσως από την εμφάνιση, στην αγορά έχουν επικρατήσει αποκλειστικά οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα με δύο ή τρία πτερύγια. Μια τυπική ανεμογεννήτρια, οριζοντίου άξονα αποτελείται από τα εξής μέρη: Το δρομέα που αποτελείται από δύο ή τρία πτερύγια από ενισχυμένο πολυεστέρα. Τα πτερύγια προσδένονται πάνω σε μια πλήμνη είτε σταθερά είτε με τη δυνατότητα να περιστρέφονται γύρω από το διαμήκη άξονα τους μεταβάλλοντας το βήμα. το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, αποτελούμενο από τον κύριε άξονα, τα έδρανα του και το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών, το οποίο προσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στη σύγχρονη ταχύτητα της ηλεκτρογεννήτριας. Η ταχύτητα περιστροφής παραμένει σταθερή κατά την κανονική λειτουργία της μηχανής. την ηλεκτρική γεννήτρια, σύγχρονη ή επαγωγική με 4 ή 6 πόλους η οποία συνδέεται με την έξοδο του πολλαπλασιαστή μέσω ενός ελαστικού ή υδραυλικού συνδέσμου και μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική και βρίσκεται συνήθως πάνω στον πύργο της ανεμογεννήτριας. Υπάρχει και το σύστημα πέδης το οποίο είναι ένα συνηθισμένο δισκόφρενο που τοποθετείται στον κύριο άξονα ή στον άξονα της γεννήτριας το σύστημα προσανατολισμού, αναγκάζει συνεχώς τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου τον πύργο, ο οποίος στηρίζει όλη την παραπάνω ηλεκτρομηχανολογική εγκατάσταση. Ο πύργος είναι συνήθως σωληνωτός ή δικτυωτός και σπανίως από οπλισμένο σκυρόδεμα τον ηλεκτρονικό πίνακα και τον πίνακα ελέγχου, οι οποίοι είναι τοποθετημένοι στη βάση του πύργου. Το σύστημα ελέγχου παρακολουθεί, συντονίζει και ελέγχει όλες τις λειτουργίες της ανεμογεννήτριας, φροντίζοντας για την απρόσκοπτη λειτουργία της. 12

2.4 Η ΔΟΜΗ ΜΙΑΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Τα βασικά δομικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας που απεικονίζεται στο σχήμα είναι τα εξής : 1. Κουβούκλιο: Το κουβούκλιο περιέχει όλα τα βασικά στοιχεία της ανεμογεννήτριας, συμπεριλαμβανομένου του κιβωτίου ταχυτήτων, και της ηλεκτρικής γεννήτριας. Πρόσβαση στο εσωτερικό της ανεμογεννήτριας επιτρέπεται μέσω του πύργου. Αριστερά από το κουβούκλιο φαίνονται στο Σχ.3.2 τα κινούμενα μέρη της ανεμογεννήτριας (τα πτερύγια και η κεφαλή). 2. Πτερύγια: Τα πτερύγια συλλαμβάνουν τον αέρα και μεταφέρουν την ισχύ του στην κεφαλή του ρότορα. Σε μια μοντέρνα ανεμογεννήτρια 1000kW κάθε πτερύγιο έχει μήκος 27 m και είναι σχεδιασμένο περίπου όπως ένα φτερό αεροπλάνου. 3. Κεφαλή: H κεφαλή του ρότορα είναι συνδεδεμένη με το διαφορικό χαμηλής ταχύτητας της ανεμογεννήτριας. 13

Κουβούκλιο Ανεμογεννήτριας 4. Διαφορικό χαμηλών ταχυτήτων: Το διαφορικό χαμηλών ταχυτήτων συνδέει την κεφαλή του ρότορα με το κιβώτιο ταχυτήτων. Σε ανεμογεννήτρια 1000 kw ο ρότορας περιστρέφεται σχετικά αργά, περίπου 19 με 30 περιστροφές ανά λεπτό (rpm). Το διαφορικό περιέχει σωλήνες για το υδραυλικό σύστημα ώστε να μπορεί να λειτουργήσει το αεροδυναμικό φρένο. 5. Κιβώτιο ταχυτήτων: Το κιβώτιο ταχυτήτων έχει το διαφορικό χαμηλών στροφών από αριστερά και μεταφέρει την κίνηση στο διαφορικό υψηλών στροφών (από δεξιά) κάνοντάς το να περιστρέφεται με ταχύτητα 50 φορές μεγαλύτερη από αυτή του διαφορικού χαμηλών στροφών. 6. Διαφορικό υψηλών ταχυτήτων: Το διαφορικό υψηλών ταχυτήτων περιστρέφεται περίπου με 1500 στροφές ανά λεπτό (rpm) και οδηγεί την ηλεκτρική γεννήτρια. Το διαφορικό είναι εξοπλισμένο με ένα δισκόφρενο σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης. Το μηχανικό φρένο χρησιμοποιείται σε περίπτωση που το αεροδυναμικό φρένο υποστεί βλάβη ή η ανεμογεννήτρια επισκευάζεται. 7. Ηλεκτρική γεννήτρια: Η ηλεκτρική γεννήτρια είναι μια σύγχρονη ή μια ασύγχρονη γεννήτρια. Στις τελευταίες ανεμογεννήτριες η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς είναι μεταξύ 600 και 3000 kw. 8. Μηχανισμός περιστροφής: Ο μηχανισμός περιστροφής χρησιμοποιεί ηλεκτρικές μηχανές (κινητήρας περιστροφής) για να στρέφει το κουβούκλιο απέναντι στον άνεμο. Ο μηχανισμός περιστροφής ελέγχεται από ηλεκτρονικό ελεγκτή ο οποίος αντιλαμβάνεται τη διεύθυνση του ανέμου χρησιμοποιώντας τον ανεμοδείκτη. 9. Ηλεκτρονικός ελεγκτής: Περιέχει ένα υπολογιστή που παρακολουθεί διαρκώς την κατάσταση της ανεμογεννήτριας και ελέγχει τον μηχανισμό περιστροφής. Σε κάθε περίπτωση επιπλοκής, π.χ. υπερθέρμανση του κιβωτίου ταχυτήτων ή της γεννήτριας, σταματά αυτόματα την ανεμογεννήτρια και καλεί τον υπολογιστή του ελεγκτή της ανεμογεννήτριας μέσω μιας τηλεφωνικής σύνδεσης. 10. Ανεμόμετρο & ανεμοδείκτης: Το ανεμόμετρο και ο ανεμοδείκτης χρησιμοποιούνται για να μετρούν την ένταση και τη διεύθυνση του ανέμου. Τα ηλεκτρικά σήματα του ανεμόμετρου 14

χρησιμοποιούνται από τον ηλεκτρονικό ελεγκτή της ανεμογεννήτριας για να αρχίσει την λειτουργία της όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει μια ελάχιστη τιμή. Ο υπολογιστής σταματά τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας αυτόματα αν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί ένα ανώτατο όριο προκειμένου να προστατεύσει την ανεμογεννήτρια και το περιβάλλον αυτής. Τα σήματα του ανεμοδείκτη χρησιμοποιούνται από τον ηλεκτρονικό ελεγκτή της ανεμογεννήτριας για να στρέφει αυτήν απέναντι στον άνεμο, μέσω του μηχανισμού περιστροφής. 11. Πύργος: Ο πύργος της ανεμογεννήτριας στηρίζει το κουβούκλιο και τα κινούμενα μέρη της. Γενικά είναι πλεονέκτημα ο πύργος να είναι ψηλός, αφού οι ταχύτητες του ανέμου αυξάνονται όσο απομακρύνεται από το έδαφος. Μια σύγχρονη ανεμογεννήτρια 1000 kw θα έχει ένα πύργο μεταξύ 50 και 80 μέτρων (το ύψος ενός κτιρίου 17 έως 27 ορόφων). 12. Μονάδα ψύξης: Η μονάδα ψύξης περιέχει ένα ηλεκτρικό ανεμιστήρα που χρησιμοποιείται για να ψύχει την ηλεκτρική γεννήτρια. Επιπλέον περιέχει μια μονάδα ψύξης με λάδι η οποία χρησιμοποιείται για να ψύχει το λάδι στο κιβώτιο ταχυτήτων. Μερικές ανεμογεννήτριες έχουν υδρόψυκτες γεννήτριες. 13. Υδραυλικό σύστημα: Το υδραυλικό σύστημα χρησιμοποιείται για να επαναφέρει τα αεροδυναμικά φρένα της ανεμογεννήτριας. Μορφή πτερυγίων Τα πτερύγια σε μεγάλες ανεμογεννήτριες περιστρέφονται κατά μήκος του άξονά τους. Το πτερύγιο δέχεται τον άνεμο κατά μήκος του υπό διαφορετικές γωνίες. Η γωνία πρόσπτωσης αυξάνεται προς τη βάση του πτερυγίου. Οι πολύ μεγάλες γωνίες δεν έχουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Προκειμένου να υπάρχει ενιαία γωνία πρόσπτωσης κατά μήκος του πτερυγίου, το πτερύγιο έχει μορφή περιστροφική. Ο μηχανισμός περιστροφής της ανεμογεννήτριας Ο μηχανισμός περιστροφής της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιείται για να στρέφει το δρομέα της ανεμογεννήτριας απέναντι στον αέρα. Η ανεμογεννήτρια λέγεται ότι έχει σφάλμα περιστροφής, αν ο δρομέας δεν είναι κάθετος στη διεύθυνση του ανέμου. Το σφάλμα περιστροφής συνεπάγεται ότι θα αξιοποιείται από την ανεμογεννήτρια μικρότερο μέρος της ενέργειας του ανέμου. Αν όμως αυτό ήταν το μόνο που συνέβαινε, τότε ο έλεγχος περιστροφής θα ήταν ένας εξαιρετικός τρόπος ελέγχου της ισχύος εισόδου στο ρότορα της ανεμογεννήτριας. Εκείνο το μέρος του ρότορα,όμως, που βρίσκεται πλησιέστερα στη διεύθυνση από την όποια φυσάει θα δέχεται μεγαλύτερη δύναμη απ ότι το υπόλοιπο μέρος του ρότορα. Απ τη μια αυτό συνεπάγεται ότι ο ρότορας θα έχει την τάση να στρέφεται απέναντι στον αέρα αυτόματα. Απ την άλλη, σημαίνει ότι τα πτερύγια θα γέρνουν μπρος και πίσω σε μια ταλαντωτική κίνηση σε κάθε περιστροφή του ρότορα. Οι ανεμογεννήτριες που λειτουργούν με σφάλμα περιστροφής δέχονται μεγαλύτερα φορτία κόπωσης απ ότι ανεμογεννήτριες που είναι στραμμένες σε μια διεύθυνση κάθετη στον αέρα. Κιβώτια ταχυτήτων Η ενέργεια της περιστροφής του δρομέα της ανεμογεννήτριας μεταφέρεται στην γεννήτρια μέσω του άξονα χαμηλών ταχυτήτων, του κιβωτίου ταχυτήτων και του άξονα υψηλών ταχυτήτων. Στην περίπτωση που γινόταν χρήση μιας ηλεκτρικής τριφασικής γεννήτριας, απευθείας συνδεμένης με το τριφασικό δίκτυο η οποία είχε ένα, δύο, ή τρία ζεύγη 15

πόλων, τότε η γεννήτρια αυτή θα έπρεπε να περιστρέφεται από 1000 ως 3000 στροφές ανά λεπτό. Αν υποτεθεί ότι ο ρότορας της ανεμογεννήτριας έχει διάμετρο 43 μέτρα τότε θα έπρεπε να περιστρέφεται με δυο φορές την ταχύτητα του ήχου. Ένα ακόμη ενδεχόμενο είναι να κατασκευαστεί μια αργόστροφη γεννήτρια με πολλά ζεύγη πόλων. Αν όμως η γεννήτρια αυτή συνδεόταν απευθείαςμε το δίκτυο, θα έπρεπε να έχει 100 ζεύγη πόλων για να φτάνει μια αξιοπρεπή ταχύτητα των 30 στροφών ανά λεπτό. Ένα ακόμα πρόβλημα είναι ότι η μάζα του ρότορα πρέπει να είναι ανάλογη στο μέγεθος της ροπής το οποίο δέχεται. Έτσι λοιπόν μια απευθείας οδηγούμενη γεννήτρια θα έπρεπε να είναι σε κάθε περίπτωση βαριά, γεγονός που σημαίνει υψηλό κόστος. Η πρακτική λύση είναι η χρήση ενός κιβωτίου ταχυτήτων. Κιβώτιο ταχυτήτων ανεμογεννήτριας κατά την κατασκευή του Το κιβώτιο ταχυτήτων σε μια ανεμογεννήτρια δεν «αλλάζει» ταχύτητες. Συνήθως έχει ένα λόγο ταχυτήτων ανάμεσα στην περιστροφή του δρομέα και της γεννήτριας. Για μια μηχανή 600 ή 750kW, ο λόγος ταχυτήτων είναι περίπου 1 προς 50. Πύργοι στήριξης Οι πύργοι των ανεμογεννητριών στηρίζουν το κουβούκλιο και τον ρότορα, μπορεί να είναι είτε χαλύβδινοι σωληνοειδείς πύργοι είτε δικτυωτοί πύργοι. Χαλύβδινοι σωληνοειδείς πύργοι: Οι περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουν τέτοιου είδους πύργους, είναι κωνικοί, η διάμετρός τους δηλαδή αυξάνει προς τη βάση, προκειμένου να είναι ευσταθείς και να μειωθεί το χρησιμοποιούμενο υλικό. 16

Ανεμογεννήτριες με χαλύβδινους σωληνοειδείς πύργους Δικτυωτοί πύργοι: Οι πύργοι αυτοί κατασκευάζονται με χαλύβδινα δικτυώματα. Το βασικό πλεονέκτημά τους είναι το μειωμένο κόστος, αφού απαιτεί το μισό υλικό απ ότι ο προηγούμενος. Το βασικό μειονέκτημά τους είναι η εμφάνισή τους. Για αισθητικούς λόγους οι πύργοι αυτοί έχουν εκλείψει. 3.ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ 3.1 Αρχή λειτουργίας ανεμογεννήτριας Η ισχύ που αποδίδει, κατ επέκταση και η ενέργεια που παράγει, μια ανεμογεννήτρια είναι συνάρτηση του κύβου της ταχύτητας του ανέμου, της πυκνότητας του ανέμου και των τεχνικών χαρακτηριστικών του συγκροτήματος. Η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος και γι αυτό οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται πάντα στην κορυφή υψηλών πύργων στήριξης. Παρ όλα αυτά οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι για την παραγωγή ωφέλιμου έργου μπορεί να αξιοποιηθεί μόνο το 53,9% της συνολικής ενέργειας του ανέμου. Η ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα με πτερύγια ανταποκρίνεται στις μεταβολές τα ταχύτητας του ανέμου με αυτόματη αλλαγή της κλίσης των πτερυγίων. Ο άξονας της παραλληλίζεται αυτόματα προς τη διεύθυνση του ανέμου έτσι ώστε ο άνεμος να προσβάλλει κάθετα την επιφάνεια που διαγράφουν τα πτερύγια. Μ αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται τελικά η βέλτιστη παραγωγή ενέργειας από το άνεμο με συντελεστή μέχρι 46 έως 48% και εξασφαλίζονται ικανοποιητικά όρια στα χαρακτηριστικά της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Η μηχανική ισχύς που αναπτύσσεται στον άξονα των πτερυγίων από τον άνεμο μεταδίδεται στην ηλεκτρική γεννήτρια με τις κατάλληλες στροφές. Η γεννήτρια, που μπορεί να είναι σύγχρονη ή ασύγχρονη, παράγει την ηλεκτρική ενέργεια και τροφοδοτεί την κατανάλωση. 17

Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι χρονικά ασυνεχής, επειδή ακολουθεί τη δίαιτα του άνεμου, ενώ η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από τις ώρες της ημέρας, την εποχή, την οικονομική και κοινωνική δομή των καταναλωτών, κτλ. Το αποτέλεσμα είναι στις ανεμογεννήτριες να παρουσιάζονται σημαντικές ταλαντώσεις ισχύος ακόμη και σε μικρά χρονικά διαστήματα, ενώ όταν επικρατεί άπνοια ή πολύ ισχυρός άνεμος παύει η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον σχεδιασμό ενός αυτόνομου αιολικού ηλεκτρικού συστήματος θα πρέπει να προβλεφθεί αποθήκευση. Ο συνηθέστερος τρόπος είναι η εγκατάσταση συσσωρευτών, αλλά στο μέλλον ίσως χρησιμοποιηθούν και άλλοι μέθοδοι, όπως υδροδυναμική εκμετάλλευση, πεπιεσμένου αέρας, παραγωγή υδρογόνου, κλπ. 3.2 Θεωρία του δίσκου ενέργειας (Rankine-Froude) Σύμφωνα με τη θεωρία του δίσκου ενέργειας ο μηχανισμός δέσμευσης της κινητικής ενέργειας του ανέμου από το δρομέα του ανεμοκινητήρα θεωρείται ιδανικός, δηλαδή χωρίς απώλειες. Ο δρομέας εξετάζεται σαν ένα «μαύρο κουτί» δια μέσου του οποίου περνάει ο αέρας που υφίσταται μεταβολή της ενέργειάς του, μεταβολή που ουσιαστικά εκφράζεται με την πτώση της στατικής του πίεσης. Επιπλέον ο δρομέας θεωρείται σαν ένας δίσκος που ενεργεί πάνω στο ρευστό γι αυτό και η ονομασία του «δίσκος ενέργειας». Το σχήμα δείχνει το ροϊκό σωλήνα ανεμοκινητήρα που ορίζεται από τη διάμετρο του δρομέα. Ο αέρας πολύ μακριά (στο άπειρο) πριν από το δίσκο (ανάντι) έχει στατική πίεση p και πλησιάζει με ταχύτητα U. ο δίσκος αφαιρεί ενέργεια από τον αέρα και συνεπώς πολύ μακριά μετά από το δίσκο (κατάντι) όπου η πίεση του αέρα θα έχει αποκατασταθεί στην πίεση του περιβάλλοντος p, η 18

ταχύτητα του ανέμου V θα είναι μικρότερη από την U. για λόγους διατήρησης της μάζας μέσα στο ροϊκό σωλήνα, θα πρέπει η διατομή άρα και η διάμετρος του ροϊκού σωλήνα να μεγαλώνει πίσω από το δρομέα, δηλαδή να υπάρχει διαστολή του ρεύματος του αέρα (ομόρου) του ανεμοκινητήρα, όπως ακριβώς διαγραμματικά παριστάνεται στο σχήμα. Το ρευστό μετά το δίσκο έχει μικρότερη ενέργεια από αυτή πριν το δίσκο και επειδή η αξονική ταχύτητα του ρευστού πάνω στο δίσκο και οριακά λίγο πριν και λίγο μετά από το δίσκο παραμένει ίδια για λόγους διατήρησης της μάζας (η διαφορά κινητικής ενέργειας του ανέμου πριν και μετά το δίσκο δεσμεύτηκε από τον ιδανικό δρομέα του ανεμοκινητήρα) τότε η στατική πίεση του ρευστού μετά το δίσκο θα είναι μικρότερη από τη στατική πίεση του ρευστού πριν από το δίσκο. Συνεπώς ο δίσκος ο δίσκος αποτελεί μια επιφάνεια ασυνέχειας πίεσης, αλλά συνέχειας όμως της αξονικής ταχύτητας και ασυνέχειας της περιφερειακής ταχύτητας. Τυπική μεταβολή της αξονικής ταχύτητας και πίεσης του ανέμου κατά μήκος του άξονα του ροϊκού σωλήνα παρουσιάζεται στο σχήμα. Για τη μελέτη του αεροδυναμικού πεδίου γύρω από το δίσκο θα εφαρμοστούν οι γνωστοί νόμοι της Μηχανικής των Ρευστών και πιο συγκεκριμένα: Η εξίσωση διατήρησης της μάζας Η εξίσωση διατήρησης της ορμής Ενεργειακός ισολογισμός Η εξίσωση της ροπής της ορμής Σε πρώτη προσέγγιση επίλυσης του προβλήματος γίνονται οι ακόλουθες παραδοχές: a. Η εναλλαγή ενέργειας μεταξύ ρευστού και δίσκου γίνεται χωρίς απώλειες. b. Ομοιόμορφη κατανομή της ταχύτητας στο δίσκο c. Η φόρτιση (διαφορά πίεσης πριν και μετά) πάνω σε ολόκληρο το δίσκο είναι σταθερή. d. Ο δίσκος δεν περιστρέφει τη φλέβα ροής. Η παραδοχή αυτή μπορεί πρακτικά να επιτευχθεί με την ύπαρξη δύο αντίθετα στρεφόμενων δρομέων ενώ οι παραδοχές 2 και 3 απαιτούν αριθμό και πτερύγια κατάλληλης σχεδίασης. Στην συνέχεια ορίζονται και τα μεγέθη p και U ως η στατική πίεση και η ταχύτητα του ανέμου στο άπειρο ανάντι του δίσκου, p - και p +, η στατική πίεση του ρευστού πριν και μετά το δίσκο, πάνω στο δίσκο, V s η ταχύτητα του ρευστού δια μέσου του δίσκου και τέλος p και V η στατική πίεση (πλήρης ανάκτηση πίεσης) και η ταχύτητα του ρευστού στο άπειρο, κατάντι του δίσκου ενέργειας. 19

3.3 Εφαρμογή των νόμων διατήρησης 3.3.1 Διατήρηση μάζας Η μάζα που ρέει μέσα στο ροϊκό σωλήνα διατηρείται σταθερή ίση με: Όπου p η πυκνότητα του ρευστού, Α δ η διατομή του ροϊκού σωλήναπάνω στο δίσκο (επιφάνεια δίσκου) ακτίνας R και V s η ταχύτητα του ρευστού δια μέσου του δίσκου. 3.3.2 Διατήρηση της ορμής Το θεώρημα διατήρησης της ορμής θα εφαρμοσθεί στον κυλινδρικό όγκο ισολογισμού ΑΒΓΔ ο οποίος περιβάλλει το ροϊκό σωλήνα ΕΖΗΘ. Η παράπλευρη επιφάνεια του κυλίνδρου (ΑΒ-ΓΔ) τοποθετείται πολύ μακριά από το δίσκο ώστε εκεί η στατική πίεση του ρευστού να είναι ίση με την πίεση περιβάλλοντος, δηλαδή την ατμοσφαιρική. Η παροχή Q δια μέσου της παράπλευρης επιφάνειας του κυλινδρικού όγκου ισολογισμού είναι Το ρευστό εισέρχεται στον όγκο ισολογισμού (αυστηρά εξέρχεται, προσοχή στο πρόσημο) με αξονική ταχύτητα ίση με U. Εφαρμόζοντας το θεώρημα της διατήρησης της ορμής, δηλαδή η ώση ισούται με την εν θέση μεταβολή της ροής της ορμής προκύπτει ότι 20

ή (η θετική τιμή της ωστικής δύναμης Τ, επειδή U>V, δηλώνει ότι το ρευστό εξασκεί πάνω στο δρομέα δύναμη προς την κατεύθυνση κίνησης του ανέμου που συμπίπτει με τη θετική φορά του άξονα των χ). Ας σημειωθεί ότι η συμβολή των δυνάμεων πίεσης στην παράπλευρη επιφάνεια του κυλίνδρου είναι μηδενική (παντού επικρατεί πίεση p). Αν είχε εφαρμοσθεί ο ισολογισμός της ορμής πάνω στο ροϊκό σωλήνα, τότε προκειμένου να προκύψει το ίδιο αποτέλεσμα θα έπρεπε η συνεισφορά των δυνάμεων πίεσης κατά τον άξονα των χ να είναι μήδεν, γεγονός που βέβαια ισχύει αλλά δεν είναι τόσο προφανές για να αποδειχθεί. 3.3.3 Ενεργειακός ισολογισμός Το ρεύμα στερείται συστροφής ανάντι από το δρομέα, έγινε δε η υπόθεση ότι στερείται συστροφής και κατάντι. Κατά συνέπεια, υπάρχει διατήρηση ενέργειας του ρευστού (εξίσωση Bernoulli) στους δύο ανεξάρτητους υποχώρους πριν και μετά το δίσκο μέσα στο ροϊκό σωλήνα όχι όμως και μεταξύ των δύο υποχώρων γιατί ο δίσκος αφαιρεί ανέργεια από το ρευστό. συνεπώς για τον υποχώρο ανάντι απο τον δρομέα ισχύει: Ενώ για τον υποχώρο κατάντι από το δρομέα ισχύει Αφαιρώντας τις ενεργειακές σχέσεις του Bernoulli κατά μέλη προκύπτει Η εξίσωση της ώσης Προσδιορίζει την ειδική ώση 21

Η οποία δεν είναι τίποτα άλλο παρά η σταθερή φόρτιση του δίσκου Οπότε προκύπτει ή Η σχέση αυτή δηλώνει ότι η ταχύτητα του ανέμου πάνω στο δίσκο είναι το ημιάθροισμα των ταχυτήτων του ανέμου πολύ πριν και πολύ μετά το δίσκο. Έχει επικρατήσει η εισαγωγή του συντελεστή αξονικής επαγωγής που ορίζεται ως: Ο συντελεστής αξονικής επαγωγής (θετική ποσότητα) εκφράζει την ποσοστιαία επιβράδυνση του αέρα πάνω στο δίσκο. από τη σχέση αυτή προκύπτει ότι: 22

Η τελευταία σχέση δηλώνει ότι η ποσοστιαία απιβράδυνση του ρευστού μακριά κατάντι του δίσκου είναι διπλάσια της ποσοστιαίας επιβράδυνσης του ρευστού στο επίπεδο του δίσκου. Ο άνεμος του ροϊκού σωλήνα που πλησιάζει το δίσκο έχει ισχύ Ενώ κατάντι του δίσκου έχει μικρότερη ισχύ Η απώλεια ισχύος από το ρεύμα του ροϊκού σωλήνα είναι και αυτή ισούται με την ισχύ που δέσμευσε ο δίσκος. Εκτέλεση πράξεων στην τελευταία σχέση δίνει ότι Σχέση που δηλώνει ότι η ισχύς που δεσμεύεται από τον ανεμοκινητήρα ισούται με την ώση που το ρευστό εξασκεί πάνω στο δίσκο επί την ταχύτητα ολίσθησης του ανέμου πάνω στο δίσκο. 4. Όριο του Betz Οι προηγούμενες σχέσεις για την ισχύ του δρομέα και την ώση μπορούν, μετά την εισαγωγή του συντελεστή αξονικής επαγωγής να γραφούν ως: Ορίζονται συντελεστές ισχύοςκαι αντίστασης του δρομέα: 23

Η πρώτη σχέση υποδηλώνει το ποσοστό της ενέργειας που έχει ο άνεμος που πλησιάζει το δίσκο (λίγο πριν από το δίσκο) και που μετατρέπεται σε ισχύ πάνω στο δρομέα (1/2 ρ V s 3 Α δ είναι η ισχύς που έχει ο άνεμος ταχύτητας V s που περνάει από επιφάνεια Αδ) ενώ η δεύτερη εκφράζει τον συντελεστή αντίστασης που παρουσιάζει ο δρομέας στη ροή (μέγεθος χρήσιμο για τον υπολογισμό της δύναμηςανατροπής του πύργου στήριξης του ανεμοκινητήρα). Με εκτέλεση πράξεων προκύπτει ότι Η σχέση για τον συντελεστή ισχύος δηλώνει ότι αυτή έχει ακρότατο για τιμή συντελεστή αξονικής επαγωγής Στην περίπτωση αυτή ο συντελεστής ισχύος παίρνει μέγιστη τιμή ίση με 24

μέγιστη τιμή που καλείται όριο Betz. Προκύπτει λοιπόν ότι ο βέλτιστος δρομέας και κάτω από ιδανικές συνθήκες λειτουργίας μπορεί να δεσμεύει μόνο το 59% της ισχύος του ανέμου. Το όριο αυτό είναι κατά κάποιο τρόπο ο μέγιστος βαθμός απόδοσης του συστήματος για ιδανική έλικα, ανάλογος με το βαθμό απόδοσης Carnot των θερμοδυναμικών κύκλων. Στην περίπτωση αυτή της βέλτιστης λειτουργίας η ταχύτητα U του ανέμου μειώνεται στα 2/3 πάνω στο δίσκο και στα U/3 πολύ μακριά κατάντι από το δίσκο. Είναι δηλαδή: 5. Επίδραση περιστροφής του όμορρου Ο όρος «όμορρους» χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει το ρεύμα του αέρα, που περνώντας τον ανεμοκινητήρα, διαστέλλεται μέχριτο άπειρο. Η προηγούμενη ανάλυση βασίστηκε στην υπόθεση ότι ο ομόρρους του πεδίου ροής (πεδίο ροής πίσω από τον δίσκο) στερείται συστροφής, πράγμα που αληθεύει όταν ο ανεμοκινητήρας έχει δύο αντίθετα στρεφόμενους δρομείς. Στην πράξη όμως έχει έναν δρομέα και ο ομόρρους ακόμα και στην ιδανικότερη των περιπτώσεων περιπτώσεων λειτουργίαςτου ανεμοκινητήρα έχει συστροφή που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση του ρεύματος του αέρα και του δρομέα. 25

Ο δρομέας έχει μικρή φόρτιση και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο ομόρρους να εχει πολύ μικρή συστροφή. Η κινητική ενέργεια που έχει το ρευστό μετά το δρομέα αποτελείται από την κινητκί ενέργεια που οφείλεται στην αξονική ταχύτητατου ανέμου και την περιφερειακή κινητική ενέργεια. Η δεύτερη γενικά δεν μπορεί να ανακτηθεί στο άπειρο μακριά από το δρομέα και να γίνει στατική πίεση και ως εκ τούτου αποτελεί ενεργειακή απώλεια του συστήματος. Η ενεργειακή αυτή απώλεια μειώνει τον συνολικό βαθμό απόδοσης του ανεμοκινητήρα. Να σημειωθεί ότι το ρευστό ανάντι του δίσκου στερείται συστροφής οπότε η κινητική του ενέργεια οφείλεται μόνο στην αξονική μεταφορική κίνησή του. Το θεώρημα διατήρησης της ροπής της ορμής εφαρμοζόμενο σε όγκο ισολογισμού που δεν περιβάλλει τον δίσκο ενέργειας οδηγεί στο συμπέρασμα διατήρησης της συστροφής για το πεδίο ροής κατάντι του δίσκου συνεπώς η περιφερειακή ταχύτητα του ρευστού στην ανάντι επιφάνεια του δίσκου είναι μηδέν είναι δε V θ πάνω στην κατάντι επιφάνεια του και παραμένει η ίδια Vθ μακριά κατάντι στο άπειρο και φυσικά στην ίδια ακτινική απόσταση από τον άξονα. Άρα η περιφερειακή ταχύτητα του ρευστού πάνω στο δίσκο ισούται με το μισό του αθροίσματος της περιφερειακής ταχύτητας του στις δύο πλευρές του δίσκου, δηλαδή το μισό της περιφερειακής ταχύτητας του ρευστού κατάντι στο άπειρο. Ορίζεται συντελεστής περιφερειακής επαγωγής η ποσότητα a Όπου Ω η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα Με βάση τον παραπάνωορισμό προκύπτουν οι σχέσεις 26

6. Θεωρία στοιχείων πτερύγωσης Η θεωρία των στοιχείων πτερύγωσης χωρίζει το πτερύγιο του δρομέα σε στοιχειώδεις λωρίδες πλάτους Δ r και συνδέει τις δυνάμεις και ροπές που το ρευστό εξασκεί κατά τη διέλευση του δια μέσου του δακτυλιοειδούς τμήματος του δίσκου πάχους Δr πάνω στο δίσκο με τις αεροδυνάμεις που αναπτύσσονται πάνω στις λωρίδες πτερυγίου του δρομέα. Κάθε δακτυλειοειδης ροϊκός σωλήνας τέμνει τα πτερά του δρομέα που είναι Β το πλήθος και τα οποία πάνω στην κυλινδρική επιφάνεια του ροϊκού σωλήνα αφήνουν ίχνος που έχει τη μορφή της αεροτομής. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται το ανάπτυγμα της κυλινδρικής επιφάνειας του ροϊκού σωλήνα με το ίχνος της τομής της με ένα πτερύγιο του δρομέα. Γεωμετρικό τρίγωνο ταχυτήτων Για παρατηρητή που κινείται με το πτερύγιο η αεροτομή βρίσκεται σε ένα πεδίο ταχυτήτων που έχει αξονική συνιστώσα U (1-a) και περιφερειακή συνιστώσα Ω r (1+a ) (το θετικό πρόσημο δηλώνει ότι η συνιστώσα αυτή έχει φορά αντίθετη προς τη κατεύθυνση περιστροφής του δρομέα). Η συνισταμένη ταχύτητα W είναι: 27

Πραγματικό τρίγωνο ταχυτήτων Δυνάμεις που αναπτύσσονται στην αεροτομή του Α/Κ Η δε αεροτομή βρίδκεται σε γωνία πρόσπτωσης α ως προς την ταχύτητα W. Η αλληλεπίδραση της ροής και της στοιχειώδους λωρίδας πτέρυγας οδηγεί στην εμφάνιση των δυνάμεων άνωσης και αντίστασης. Οι εκφράσεις των δυνάμεων αυτών σύμφωνα με την αεροδυναμική είναι: 28

Όπου C l και C d οι συντελεστές άνωσης και αντίστασης της αεροτομής και C η χορδή της αεροτομής. Τυπικές μεταβολές των συντελεστών άνωσης και αντίστασης της αεροτομής φαίνονται στα παρακάτω σχήματα όπου διαπιστώνεται η γραμμικότητα της σχέσης συντελεστή άνωσης γωνίας πρόσπτωσης και οι χαμηλές τιμές συντελεστή αντίστασης γύρω από μία ευρεία περιοχή τιμών γωνιών πρόσπτωσης γύρω από τη γωνία πρόσπτωσης χωρίς κρούση. Οι δύο στοιχειώδεις δυνάμεις άνωσης και αντίστασης αναλύονται κατά την αξονική και την περιφερειακή κατεύθυνση (x και t) και δίνουν τις εκφράσεις: 29

Τυπική μεταβολή C L με γωνία πρόσπτωσης Τυπική μεταβολή C D με γωνία πρόσπτωσης Όπου φ=α+β και β η γωνία θέσης του πτερυγίου ως προς το επίπεδο περιστροφής του δρομέα. Ορίζονται συντελεστές αξονικής και περιφερειακής δύναμης οι Οπότε οι σχέσεις για την αξονική και περιφερειακή δύναμη γράφονται Από το τρίγωνο ταχυτήτων προκύπτει ότι 30

Οπότε οι σχέσεις για τη στοιχειώδη αξονική και περιφερειακή δύναμη γράφονται Αν Β είναι το πλήθος των πτερυγίων του δρομέα, τότε στον στοιχειώδη ροϊκό σωλήνα ακτίνας r και πάχους Δ r λόγω αλληλεπίδρασης με το δρομέα αναπτύσσονται η αξονική δύναμη ΒΔF x και η περιφερειακή δύναμη ΒΔF t. Η περιφερειακή δύναμη ΒΔFt παράγει έργο του ανεμοκινητήρα δημιουργώντας την στοιχειώδη ροπή Και την στοιχειώδη ισχύ Η αξονική δύναμη καθώς και η ροπή συσχετίζονται μέσω των νόμων διατήρησης της ορμής και της ροπής της ορμής με τις αλλαγές των κινηματικών μεγεθών του ρευστού μέσα στον στοιχειώδη ροϊκό σωλήνα. Η εξίσωση των εκφράσεων για την στοιχειώδη δύναμη και ροπή οδηγεί αντίστοιχα στις σχέσεις για τους συντελεστές αξονικής και περιφερειακής επαγωγής 31

Στις σχέσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε και η σχέση Η οποία προκύπτει από το τρίγωνο ταχυτήτων. Οι προηγούμενες 3 σχέσεις μπορούν να αδιαστατοποιηθούν με την εισαγωγή της στερεότητας σ 32

Οι σχέσεις αυτές επαρκούν για να υπολογισθεί η αεροδυναμική απόδοση-συμπεριφορά δρομέα σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας. Οι 3 εξισώσεις έχουν σε κάθε ακτινική θέση χ αγνώστους τουσ συντελεστές αξονικής επαγωγής a, περιφερειακής επαγωγής a και το συντελεστή άνωσης C l. Συνεπώς με μια επαναληπτική διαδικασία αριθμιτκών δοκιμών είναι δυνατόν σε κάθε ακτινική θέση να επιλυθεί το σύστημα των εξισώσεων και να προκύψει η αεροδυναμική κατάσταση του δρομέα. Μια τέτοια επαναληπτική διαδικασία υπολογισμού των λειτουργικών παραμέτρων του δρομέα σε κάθε αδιάστατ ακτινική θέση θα μπορούσε να ακολουθήσει τα εξής στάδια Υποθέτουμε τιμές των a και a Υπολογίζουμε το φ Υπολογίζουμε τη γωνία πρόσπτωσης α από την εξίσωση α=φ-β και κατόπιν τους συντελεστές Cl και Cd Ενημερώνουμε τις τιμές των συντελεστών a και a από τις εξισώσεις και επαναλαμβάνεται η επαναληπτική διαδικασία μέχρι σύγκλισης Μετά τη σύγκλιση υπολογίζονται στη συγκεκριμένη ακτινική θέση οι στοιχειώδεις δυνάμεις και ο τοπικός συντελεστής ισχύος και Τα προηγούμενα βήματα επαναλαμβάνονται για όλες τις ακτινικές θέσεις από χ=0 ως χ=1 Η δύναμη, η ροπή, ο βαθμός απόδοσης και άλλα μεγέθη προκύπτουν τότε από την εφαρμογή των αντίστοιχων σχέσεων. Η συνολική δύναμη που ενεργεί στο δρομέα θα είναι: Η συνολική ροπή που ενεργεί στο δρομέα θα είναι: 33

Η συνολική ισχύς του δρομέα είναι ενώ ο συντελστής ισχύος του δρομέα προκύπτει από τη σχέση Τα προηγούμενα ολοκληρώματα υπολογίζονται αριθμιτικά χωρίζοντας την ακτίνα του δρομέα σε ένα πλήθος λωρίδων πλάτους Δ r (πχ Δr=R/20). Είναι φανερό ότι τα αποτελέσματα της ολοκλήρωσης εξαρτώνται μόνο από μία παράμετρο, την ταχύτητα ακροπτερυγίου λ, οπότε η επανάληψη της προηγούμενης διαδικασίας για άλλες τιμές ταχύτητας ακροπτερυγίου θα οδηγήσει στις καμπύλες λειτουργίας του δρομέα αντιπρόσωπος των οποίων είναι η σχέση συντελεστή ισχύος και ταχύτητας λ, με τυπική μορφή αυτή του παρακάτω διαγράμματος. 34

7. Εφαρμογές των Ανεμογεννητριών Η σημαντικότερη οικονομικά εφαρμογή των ανεμογεννητριών είναι η σύνδεσή τους στο ηλεκτρικό δίκτυο μίας χώρας, για την απόδοση σ' αυτό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Στην περίπτωση αυτή, μία συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, εγκαθίσταται και λειτουργεί σε μία συγκεκριμένη θέση με υψηλό αιολικό δυναμικό και διοχετεύει το σύνολο της παραγωγής του στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η εφαρμογή αυτή επιτρέπει τη μαζική εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας και είναι ιδιαίτερα απλή, δεδομένου ότι η σύνδεση του αιολικού πάρκου με το υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο γίνεται μέσω υποσταθμού, στον οποίο τοποθετούνται οι μετασχηματιστές ανυψώσεως της τάσης και τα υπόλοιπα αναγκαία συστήματα προστασίας. Κατ' αυτόν τον τρόπο δεν απαιτείται η ανάπτυξη ιδιαίτερου συστήματος διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας και ελέγχου του συστήματος, το οποίο προσφέρει όλη την ενέργεια στο ηλεκτρικό δίκτυο. Υπάρχει βέβαια και η δυνατότητα οι ανεμογεννήτριες να λειτουργούν αυτόνομα, για ηλεκτροπαραγωγή σε περιοχές που δεν ηλεκτροδοτούνται, για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας χρήσιμης σε αντλιοστάσια, καθώς και για την παραγωγή θερμότητας. Όταν οι ενεργειακές απαιτήσεις είναι μικρές, όπως σε απομονωμένες αγροτικές ή εξοχικές κατοικίες κλπ., χρησιμοποιούνται μικρές ανεμογεννήτριες συνεχούς ρεύματος, σε συνδυασμό, συνήθως, με συστοιχία συσσωρευτών για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας και χρήση της όταν επικρατούν συνθήκες άπνοιας. Στις περισσότερες εφαρμογές, η εγκατάσταση συνοδεύεται παράλληλα από ντηζελογεννήτρια, η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη παροχή ρεύματος. Σε κάθε περίπτωση όμως, οι εφαρμογές εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας και ειδικότερα, η επιλογή του χώρου εγκατάστασης των ανεμογεννητριών πρέπει να γίνεται με προσοχή ώστε να μην διαταράσσεται, καθ' οιονδήποτε τρόπο, η ποιότητα του περιβάλλοντος της ευρύτερης περιοχής. Προβλήματα όπως αυτό του θορύβου σήμερα έχουν ουσιαστικά αντιμετωπισθεί, δεδομένου ότι, με τη ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια, έχει καταστεί πρακτικά αθόρυβη η λειτουργία των ανεμογεννητριών. Παράλληλα, αξίζει να σημειωθεί ότι, 35

ο σχεδιασμός των αιολικών πάρκων γίνεται πλέον με τρόπο τέτοιο που να επιτυγχάνεται η κατά το δυνατόν αρμονικότερη συνύπαρξη εγκατάστασης και τοπίου. Η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας παγκοσμίως Από τα μέσα της δεκαετίας του '70, οπότε άρχισε η εγκατάσταση των πρώτων ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, μέχρι τα τέλη του 1995, η συνολική εγκατεστημένη ισχύς σε όλο τον κόσμο ξεπέρασε τα 4900 Μεγαβάτ. Από αυτά, τα 1770 Μεγαβάτ βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, κυρίως στην Καλιφόρνια. Το 1994, οι χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης υποσκέλισαν τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής σε συνολική εγκατεστημένη ισχύ, με πρωτοπόρες τη Δανία, την Ολλανδία και την Αγγλία. Η Γερμανία εισήλθε δυναμικά στο χώρο και, από 60 Μεγαβάτ το 1990, έφθασε τα 1550 Μεγαβάτ εγκατεστημένης ισχύος στο τέλος του 1996. Μεγάλη πρόοδο έχει σημειώσει και η Ισπανία, η οποία, έχοντας προγραμματίσει την εγκατάσταση. 80 Μεγαβάτ μέχρι το τέλος του 1995, εγκατέστησε τελικά 46 Μεγαβάτ παραπάνω από τα προβλεπόμενα. 36

Ανάπτυξη και προοπτικές της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα Εφαρμογές. Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό και η αιολική ενέργεια μπορεί να γίνει σημαντικός μοχλός ανάπτυξής της. Από τις πλέον πρόσφορες περιοχές για την εγκατάσταση ανεμoγεννητριών είναι οι παράλιες περιοχές της ηπειρωτικής Ελλάδας και, κυρίως, τα νησιά του Αιγαίου, στα οποία συχνά πνέουν ισχυροί άνεμοι, πολλές φορές εντάσεως 8 και 9 Μποφόρ. Οι πρώτες δραστηριότητες για την ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα άρχισαν το 1975, με την πραγματοποίηση από τη ΔΕΗ μετρήσεων των ανεμολογικών στοιχείων σε πολλές περιοχές της χώρας. Η κίνηση αυτή ήταν η ενδεδειγμένη, δεδομένου ότι η ύπαρξη καλών ανεμολογικών στοιχείων για μια σειρά πιθανών περιοχών εγκατάστασης, είναι βασικός παράγοντας για την ορθή επιλογή της θέσης των αιολικών πάρκων. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων της ΔΕΗ, που αφορούν το αιολικό δυναμικό σε διάφορες νησιωτικές περιοχές της Ελλάδας. Από τα στοιχεία του πίνακα προκύπτει ότι η χώρα μας διαθέτει ορισμένες από τις καλύτερες παγκοσμίως θέσεις για εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου Από το 1982, οπότε εγκαταστάθηκε από τη ΔΕΗ το πρώτο αιολικό πάρκο στην Κύθνο, μέχρι το τέλος του 1996, έχουν κατασκευαστεί στη χώρα εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο συνολικής ισχύος 27 Μεγαβάτ, από τα οποία τα 24 ανήκουν στη ΔΕΗ και τα υπόλοιπα 3 σε ιδιώτες. Στη συνέχεια γίνονται εφαρμογές της αιολικής ενέργειας στη χώρα μας, αλλά και σε κάποια έργα που έχουν προγραμματισθεί να ξεκινήσουν σύντομα. 37

Το υβριδικό πάρκο της Κύθνου Στην Κύθνο η ΔΕΗ έχει προχωρήσει στην πρώτη εφαρμογή στην Ελλάδα υβριδικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Οι ανεμογεννήτριες του αιολικού πάρκου, καθώς και τα φωτοβολταϊκά συστήματα που έχουν εγκατασταθεί εκεί, συνεργάζονται με το συμβατικό σταθμό του νησιού, ο οποίος, καταναλώνοντας πετρέλαιο ως καύσιμο, παράγει ηλεκτρικό ρεύμα με τη βοήθεια ηλεκτροπαραγωγών ζευγών. Το αιολικό πάρκο της Κύθνου εγκαταστάθηκε το 1982 και, στην αρχή, αποτελούντων από 5 ανεμογεννήτριες των 20 Κιλοβάτ. Το 1990, πέντε νέες ανεμογεννήτριες, των 33 Κιλοβάτ η κάθε μία, εγκαταστάθηκαν στη θέση των προηγούμενων. Το αιολικό πάρκο της Άνδρου Η Άνδρος έχει πολύ υψηλό αιολικό δυναμικό. Στο βόρειο τμήμα της, κοντά στο χωριό Καλυβάρι, όπου η μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου είναι της τάξης των 9,7 μέτρων το δευτερόλεπτο, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, λειτουργεί αιολικό πάρκο της ΔΕΗ, συνολικής εγκατεστημένης ισχύος περίπου 1,6 Μεγαβάτ, που αποτελείται από επτά ανεμογεννήτριες. Ο μέσος ετήσιος συντελεστής ισχύος του πάρκου αυτού είναι της τάξεως του 35% και, είναι γεγονός ότι, αιολικά πάρκα με αποδόσεις συγκρίσιμες με αυτή του πάρκου της ΔΕΗ στην Άνδρο δε βρίσκονται εύκολα στον υπόλοιπο κόσμο. Η κατάσταση στην υπόλοιπη Ελλάδα Εκτός από την Κύθνο και την Άνδρο, η ΔΕΗ έχει προχωρήσει στην εγκατάσταση αιολικών πάρκων και σε άλλα νησιά του Αιγαίου, όπως στην Εύβοια (συνολικής ισχύος 5,1 Μεγαβάτ), τη Λήμνο (1,1 Μεγαβάτ), τη Λέσβο (2 Μεγαβάτ), τη Χίο (3,5 Μεγαβάτ), τα Ψαρά (2 Μεγαβάτ), τη Σάμο (2,9 Μεγαβάτ) και την Κρήτη. Στη Μεγαλόνησο, ιδιαίτερα ευνοϊκή από ανεμολογικής απόψεως είναι η ανατολική της πλευρά. Η ΔΕΗ έχει εγκαταστήσει από το 1992 και, στη συνέχεια, έχει επεκτείνει αιολικό πάρκο συνολικής ισχύος 6,6 Μεγαβάτ στην περιοχή της Ιεράς Μονής Τοπλού. Σύντομα, εξάλλου, αναμένεται να εγκαταστήσει άλλα 10 Μεγαβάτ στην ίδια περιοχή, ως πρώτο μέρος του προγράμματός της για την ανάπτυξη στη χώρα αιολικών πάρκων συνολικής ισχύος 30-40 Μεγαβάτ. Μεγάλο ενδιαφέρον, όμως, δείχνει και ο ιδιωτικός τομέας για την ανάπτυξη έργων εκμετάλλευσης της αιολική ς ενέργειας στην Κρήτη. Στα πλαίσια αυτά, το Υπουργείο Ανάπτυξης έχει ήδη εκδώσει άδειες εγκατάστασης. για νέα αιολικά πάρκα. Η μη ικανοποιητική ανάπτυξη των εφαρμογών αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα οφειλόταν, ως ένα βαθμό, και στο ισχύον μέχρι το 1994 νομοθετικό πλαίσιο. Ήδη, ο Νόμος 2244/94 δημιουργεί μεγάλες ελπίδες για την επέκταση της εκμετάλλευσης της Αιολικής Ενέργειας, όπως και όλων των άλλων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, στη χώρα 38

μας. Ο νόμος αυτός δίνει τη δυνατότητα σε ιδιώτες να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από τον άνεμο, με σκοπό αφ' ενός την κάλυψη των αναγκών τους και αφ' ετέρου την πώληση της περίσσειας της παραγόμενης ενέργειας στη ΔΕΗ. 39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

9.ΒΑΣΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ 50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

11. ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΕΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Εισαγωγή Η οικονομική βιωσιμότητα μιας αιολικής ενεργειακής μονάδας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες οι κυριότεροι των οποίων είναι : 1. Το κόστος αγοράς του Α/Κ 2. Το κόστος γης υποδομής 3. Το αιολικό δυναμικό της περιοχής 4. Ο συντελεστής χωρητικότητας της μηχανής 5. Το κόστος της kwh που παράγεται από συμβατικούς ενεργειακούς σταθμούς 6. Η διάρκεια ζωής του Α/Κ 7. Το κόστος χρήματος Και άλλοι μικρότερης σημασίας παράγοντες. Όλοι οι παραπάνω οικονομικοί παράγοντες εμπλέκονται κατά την διαδικασία ελέχγου της οικονομικής βιωσιμότητας της επένδυσης σε αιολικό ενεργειακό σταθμό, γεγονός που επιβάλλει την αναγκαία σοβαρότητα στην οικονομική μελέτη. Πολλοί από τους παραπάνω οικονομικούς παράγοντες έχουν μεγαλύτερο η μικρότερο περιθώριο αβεβαιότητας και ως εκ τούτου η σταθμιστική τους επίδραση στην οικονομική βιωσιμότητα της επένδυσης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη. Στην συνέχεια εξετάζονται, κατ ανάγκην σύντομα μέσα στα πλαίσια ενός γενικού βιβλίου, ξεχωριστά κάθε οικονομικός παράγοντας από τους παραπάνω και παρουσιάζεται μια απλή σχετικά μεθοδολογία ελέγχου της οικονομικής βιωσιμότητας της επένδυσης. Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι γίνεται εκτεταμένη χρήση στατιστικών στοιχείων με βάση τους ανεμοκινητήρες που βρίσκονται σε λειτουργία τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Αμερική. 11.1 Κόστος ανεμοκινητήρα Το κόστος πώλησης ενός ανεμοκινητήρα εξαρτάται κυρίως από την τυποποίηση της κατασκευής της μηχανής και το πλήθος των μηχανών που κατασκευάζονται και πωλούνται. Δεν είναι ασυνήθης η περίπτωση μείωσης του κατασκευαστικού κόστους του ανεμοκινητήρα στο ¼ του κόστους κατασκευής της πρωτοτύπου μονάδας μετά από παραγωγή τυποποίηση της πρώτης εκατοντάδας ανεμοκινητήρων. Ειδικότερα η στατιστική επεξεργασία του κόστους ανεμοκινητήρων στην αγορά της Καλιφόρνιας έδωσε το Σχήμα 11.1 όπου διαπιστώνεται ότι το κόστος Α/Κ ανά KW ισχύος ενώ το 1981 ήταν 3100 δολλάρια ΗΠΑ ( $ ), το 1987 είχε πέσει στα 1.100$ με τάση περαιτέρω 66

μείωσης. Η μείωση αυτή του κόστους των ανεμοκινητήρων προήλθε από την τυποποίηση της κατασκευής και την αύξηση των πωλήσεων Α/Κ. Στο Σχήμα 11.2 φαίνεται ότι ο αριθμός των εγκαταστημένων ανεμοκινητήρων που το 1981 ήταν μόλις 1500 μονάδες ενώ το 1988 οι συνολικές εγκαταστημένες μονάδες ανεμοκινητήρων μόνο στην Καλιφόρνια είχαν φθάσει τις 15.605 με συνολική εγκαταστημένη ισχύ 1370 MW, ( Σχ.11.3 ) 67

68