Συντελεστής ισχύος C p σαν συνάρτηση της ποσοστιαίας μείωσης της ταχύτητας του ανέμου (v 0 -v 1 )/v 0 19
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Ταχύτητα έναρξης λειτουργίας: Παραγόμενη ισχύς = 0 Ταχύτητα ονομαστική: Παραγόμενη ισχύς = Ονομαστική Ταχύτητα αποσύνδεσης: Παραγόμενη ισχύς = 0 C p 1 ρsv 2 3 Stall regulation: Παραγόμενη ισχύς = Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς: 1 Pηλ = nmnc e p ρsv 2 n m : Συντελεστής μηχανικής μετατροπής (~90%) n e : Συντελεστής ηλεκτρικής μετατροπής (~95%) () 1 Cp v ρsv 2 3 3 20
Κριτήρια επιλογής-εφαρμογής Θέση του άξονα περιστροφής σχετικά με τη διεύθυνση του ανέμου (κάθετος παράλληλος) Η κυρίαρχη δύναμη (δυναμική άνωση ιξώδης αντίσταση) Η πυκνότητα των πτερύγων της έλικας (solidity) Εφαρμογή που θα χρησιμοποιηθεί (ηλεκτρισμός μηχανικό έργο) Συχνότητα περιστροφής (σταθερή - μεταβαλλόμενη) o Σταθερή περιστροφή συνεπάγεται άμεση σύνδεση με το δίκτυο o Μεταβαλλόμενη περιστροφή συνεπάγεται αποδοτικότερη σύζευξη με τη μεταβαλλόμενη ταχύτητα του ανέμου Σύζευξη με την ηλεκτρογεννήτρια ή παρεμβολή ενεργειακής αποθήκης Αποθήκευση συνεπάγεται καλύτερη σύζευξη της ανεμογεννήτριας με τον άνεμο και της γεννήτριας με το φορτίο 21
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (50Hz) 1. Πτερύγιο έλικας 7. Μηχανικό φρένο 13. Υδραυλικό σύστημα 2. Κεφαλή έλικας 8. Σύνδεσμος ηλεκτρογεννήτριας 14. Κινητήρας περιστροφής ατράκτου 3. Βάση ατράκτου 9. Ηλεκτρογεννήτρια 15. Ρουλεμάν περιστροφής ατράκτου 4. Ρουλεμάν έλικας 10. Σύστημα ψύξης 16 Κάλυμμα ατράκτου 5 Άξονας έλικας 11. Ανεμόμετρα 17. Πύργος στήριξης ατράκτου 6. Κιβώτιο γραναζιών 12. Σύστημα ελέγχου Έλεγχος της συχνότητας περιστροφής της έλικας ώστε η ηλεκτρογεννήτρια να έχει σταθερή συχνότητα (1000 ή 1500 rpm): ρύθμιση γωνίας των πτερύγων, ελάττωση του C p (pitch-control) ελάττωση της παραγόμενης ισχύος όσο αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου (stall-control) εναλλακτικά χρησιμοποίηση κινητήρων δύο ταχυτήτων (για υψηλές ή χαμηλές ταχύτητες ανέμου Μεταβλητή συχνότητα περιστροφής για επίτευξη μέγιστης ισχύος: παραγωγή συνεχούς ρεύματος και στη συνέχεια μετατροπή του σε εναλλασσόμενο 50 Hz 22
23
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από τον άνεμο γίνεται με ~95% απόδοση Η παραγωγή θερμότητας είναι ανεξάρτητη των μεταβολών της συχνότητας ή της τάσης αλλά η τροφοδοσία του δικτύου με ηλεκτρικό ρεύμα απαιτεί συγκεκριμένες προδιαγραφές Η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας μεγιστοποιείται όταν η συχνότητα περιστροφής μεταβάλλεται για να διατηρηθεί σταθερό το λ Όμως η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος είναι πιο αποδοτική όταν έχουμε σταθερή συχνότητα περιστροφής Ο μηχανικός έλεγχος της συχνότητας περιστροφής είναι περίπλοκος και δαπανηρός. Η ελεγχόμενη μεταβολή του ηλεκτρικού φορτίου είναι πιο συμφέρουσα Μόνο οι μικρές ανεμογεννήτριες (διαμέτρου ~2 μ) μπορούν να συζευχθούν απευθείας με ηλεκτρογεννήτριες. Οι μεγάλες ανεμογεννήτριες απαιτούν μετατροπή της συχνότητας περιστροφής με γρανάζια 24
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ v z z d = V ln zo d: μετατόπιση του μηδενικού επιπέδου (λόγω των φυσικών ή τεχνητών εμποδίων) z o : μήκος τραχύτητας (roughness length) V: Χαρακτηριστική τιμή της ταχύτητας Μετεωρολογικές μετρήσεις γίνονται συνήθως σε ύψος 10 m z vz = v10 m, z < 50m 10m b=0.14 για ελεύθερες εμποδίων περιοχές b Ύψος πάνω από το έδαφος Ύψος τοπικών εμποδίων Ταχύτητα ανέμου (m s -1 ) 25
ΧΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ Επιλογή περιοχών με συνέχεια στο αιολικό δυναμικό Αποφυγή περιοχών με εκτεταμένες περιόδους νηνεμίας Εμπειρικός κανόνας Ασύμφορες περιοχές όταν η μέση ταχύτητα είναι μικρότερη από 5 ms -1 Συμφέρουσες περιοχές όταν η μέση ταχύτητα είναι μεγαλύτερη από 8 ms -1 26
Φ max <v> Ταχύτητα ανέμου (m s -1 ) Πιθανότητα Φ>v Πιθανότητα Ταχύτητα ανέμου (m s -1 ) Ισχύς kw m -2 Κατανομή Ισχύος Wm -2 / ms -1 Πιθανότητα Φ>v Ταχύτητα ανέμου (m s -1 ) 27
ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ (ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΚΑΙ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ) f c = E 8760 P R ΕΠΙΛΟΓΗ ΘΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Κορυφή απομονωμένων λόφων με ομαλό σχήμα Περιοχές με επίπεδο περίγυρο για αρκετές εκατοντάδες μέτρα (πεδιάδες, θάλασσα, λίμνες) Τοποθέτηση της έλικας όσο το δυνατόν ψηλότερα από το έδαφος 28
ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ανάγκη για αποθήκευση απορρέει από την μεγάλη μεταβλητότητα (χρονική και ποσοτική) των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας + Περιορισμός των απωλειών ενέργειας στο περιβάλλον + Βελτίωση της διαθεσιμότητας ενέργειας Απώλειες ενέργειας λόγω των ενδιάμεσων μετασχηματισμών Απώλειες από μακροχρόνια αποθήκευση Κόστος αποθήκευσης ΤΡΟΠΟΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Θερμική ενέργεια (θερμοσυσσώρευση, θερμότητα τήξης υλικών) Χημική αποθήκευση (ηλεκτρικά στοιχεία, διάσπαση ενώσεων, φωτοχημικά στοιχεία) Παραγωγή καυσίμων (υδρογόνο) Μηχανική ενέργεια (τροφοδότηση φραγμάτων, συμπίεση αέρα, σφόνδυλοι) Ηλεκτρική ενέργεια (πυκνωτές, μαγνήτες) 29