1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ
Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας
Υπεράκτιες Ανεμογεννήτριες
Ζητήματα Διασύνδεσης τους στο Δίκτυο
Βραχίμης Μιχαήλ
Ξωνίκης Αχιλλέας
Παπιγκιώτης Μιχαήλ
Επιβλέπων καθηγητής: Αλεξιάδης Μηνάς
Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2010
2. Ευχαριστίες
Πρωτίστως θέλουμε να ευχαριστήσουμε τις οικογένειές μας που μας
στήριξαν σε όλα τα χρόνια της φοιτητικής μας ζωής.
Ευχαριστούμε θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μας κ. Μηνά Αλεξιάδη για
την καθοδήγηση, την εξαιρετική συνεργασία που είχαμε μαζί του και την ευκαιρία
που μας έδωσε να ασχοληθούμε με ένα θέμα, μη γνώριμο στην ελληνική
πραγματικότητα.
Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλουμε να δώσουμε στην υποψήφια διδάκτορα
Ιουλία Παπαϊωάννου για τη βοήθεια της σε τυχόν απορίες που προέκυπταν και
ήταν πάντα διαθέσιμη να μας τις λύσει, καθώς και τον υποψήφιο διδάκτορα
Ιωάννη Παναπακίδη για τη συμπαράσταση και την υπομονή του.
Τέλος, οφείλουμε πολλά στους τελειόφοιτους συμφοιτητές μας Μανώλη
Μπακιρτζή και Στέλιο Βαγρόπουλο που με υπομονή και προθυμία μοιράστηκαν
μαζί μας τις εμπειρίες τους από τη μοντελοποίηση στο πρόγραμμα PSIM και μας
βοήθησαν να ξεπεράσουμε πολλούς σκοπέλους κατά τη διπλωματική μας
εργασία.
3. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ ............................................................... 6
1.1 Αντικείμενο και δομή της εργασίας..................................................................6
1.2 Γενικά για Α.Π.Ε..............................................................................................6
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 – ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ................................................ 8
2.1 Αιολικό δυναμικό.............................................................................................8
2.1.1. Άνεμος ............................................................................................................... 8
2.1.2. Το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα...................................................................... 9
2.1.3. Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου.............................................................. 10
2.1.3.1. Μεταβολή ταχύτητας ανέμου με το ύψος ................................................10
2.1.3.2. Μεταβολή ταχύτητας ανέμου σε σύνθετη τοπογραφία ...........................11
2.1.3.3. Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το χρόνο...................................12
2.1.4. Μέτρηση αιολικού δυναμικού και ροδόγραμμα ανέμου.................................. 12
2.1.5. Θεωρητικός υπολογισμός συχνοτήτων κατανομής ταχυτήτων ανέμου ......... 13
2.1.6. Ενέργεια και Ισχύς του ανέμου ....................................................................... 15
2.2 Αιολική ενέργεια: Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα .......................................15
2.3 Αιολική ενέργεια στην αγορά.........................................................................17
2.3.1. Η αιολική ενέργεια στην παγκόσμια ενεργειακή αγορά .................................. 17
2.3.2. Η αιολική ενέργεια στην ελληνική αγορά ........................................................ 18
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 – ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ............................................ 20
3.1 Τύποι Ανεμογεννητριών................................................................................20
3.1.1. Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου άξονα................................................................. 20
3.1.2. Ανεμογεννήτριες Κατακόρυφου άξονα............................................................ 22
3.2 Λειτουργικά χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών..............................................23
3.3 Κύρια δομικά στοιχεία του συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας .......24
3.3.1. Δρομέας........................................................................................................... 24
3.3.2. Μηχανικό σύστημα οδήγησης......................................................................... 25
3.3.3. Ηλεκτρικό σύστημα – Τύποι γεννητριών......................................................... 26
3.4 Παραγωγή ενέργειας.....................................................................................32
3.4.1. Καμπύλη ισχύος .............................................................................................. 32
3.4.2. Παραγωγή ενέργειας ....................................................................................... 33
3.5 Αιολικά Πάρκα...............................................................................................34
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 – ΥΠΕΡΑΚΤΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ..................... 36
4.1 Ιστορική αναδρομή και εξέλιξη ......................................................................36
4.1.1. Η υπεράκτια αιολική ενέργεια στην αγορά...................................................... 38
4.2 Ωκεανογραφικές συνθήκες και αιολικοί πόροι...............................................39
4.3 Διαδικασία χορήγησης αδειών ......................................................................42
4.3.1. Νομική Κατάσταση .......................................................................................... 42
4.3.2. Κριτήρια Αδειοδότησης ................................................................................... 42
4.4 Τεχνολογία και εγκατάσταση των υπεράκτιων Α/Γ........................................44
4.4.1. Τεχνικές απαιτήσεις για τις ανεμογεννήτριες .................................................. 45
4.4.2. Θεμελίωση στον πυθμένα της θάλασσας ....................................................... 47
4.4.3. Ηλεκτρικές Υποδομές...................................................................................... 50
4.4.4. Μεταφορά και εγκατάσταση ............................................................................ 55
4. - 2 -
4.5 Λειτουργία και Διαχείριση του αιολικού πάρκου ............................................58
4.6 Οικονομικοί Παράγοντες ...............................................................................60
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 – ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ HVDC light ............................... 61
5.1 Εισαγωγή......................................................................................................61
5.2 Η τεχνολογία της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ .......................................62
5.2.1 Μαγνητικά πεδία από τα καλώδια ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ .................................... 64
5.3 Περιγραφή Διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ ................................................65
5.4 Μέθοδος Διαμόρφωσης Πλάτους Παλμών (PWM)........................................66
5.5 Αρχές Λειτουργίας των ΜΠΤ.........................................................................68
5.6 Εφαρμογές της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ..........................................70
5.6.1 Σύνδεση ΑΠ στο κεντρικό δίκτυο εναλλασσομένου ρεύματος ........................ 70
5.6.2 Τροφοδότηση απομακρυσμένων φορτίων ...................................................... 71
5.6.3 Πολυτερματικά δίκτυα ΣΡ................................................................................. 71
5.6.4 Τροφοδότηση κέντρων πόλεων....................................................................... 71
5.7 Συστήματα μεταφοράς ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ σε λειτουργία..............................72
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΑΜΦΙΔΡΟΜΗΣ ΡΟΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ . 74
6.1 Εισαγωγή......................................................................................................74
6.2 Εφαρμογή – Προσομοίωση...........................................................................74
6.3 Ροή Ισχύος από την Εγκατάσταση Υψηλής Τάσης (HVDC) προς την
Ανεμογεννήτρια...................................................................................................78
6.3.1 Pοπή σταθερή και ίση με 5550 Nm.................................................................. 78
6.3.2. Pοπή μεταβαλλόμενη...................................................................................... 84
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 – ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ............................... 93
7.1 Τριφασικός Αντιστροφέας Γέφυρας...............................................................93
7.2 Τριφασικός Αντιστροφέας που χρησιμοποιεί την τεχνική SPWM..................97
7.3 Φίλτρο για την απαλοιφή των αρμονικών στην έξοδο του αντιστροφέα ......101
7.3.1 Αναγκαιότητα φίλτρου .................................................................................... 101
7.3.2 Επιλογή στοιχείων φίλτρου ............................................................................ 102
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι............................................................................. 104
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ............................................................................ 120
ΧΡΗΣΙΜΕΣ ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΕΣ ........................................................... 121
5. 3
Περιεχόμενα Σχημάτων
Σχήμα 2.1 Ιδανική κίνηση ανέμου αν η γη δεν περιστρεφόταν
Σχήμα 2.2 Κύριες κατευθύνσεις του ανέμου στην Ευρώπη
Σχήμα 2.3 Ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα
Σχήμα 2.4 Άνεμος σε λοφοσειρά
Σχήμα 2.5 Ροδόγραμμα ανέμου
Σχήμα 2.6 Κατανομή Weibull
Σχήμα 2.7 Εξέλιξη εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ελλάδα (ΡΑΕ)
Σχήμα 3.1 Κύρια μέρη ατράκτου ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα 600 kW
Σχήμα 3.2 Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας
Σχήμα 3.3 Γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού απευθείας συνδεδεμένη στο
δίκτυο
Σχήμα 3.4 Γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα
Σχήμα 3.5 Γεννήτρια διπλής τροφοδότησης
Σχήμα 3.6 Σύνδεση σύγχρονης γεννήτριας δακτυλιοφόρου δρομέα ή γεννήτριας
μονίμων μαγνητών με το δίκτυο.
Σχήμα 3.7 Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας
Σχήμα 3.8 Ομορρούς ανεμογεννήτριας
Σχήμα 3.9 Έλλειμμα ταχύτητας στον ομόρρου ανεμογεννήτριας
Σχήμα 4.1 Λογαριθμικό προφίλ της αύξησης της ταχύτητας του ανέμου με το
ύψος για ανεμογεννήτρια σε ομαλή στεριά και υπεράκτια.
Σχήμα 4.2 Απεικόνιση εξωτερικών φορτίσεων υπεράκτιας Α/Γ
Σχήμα 4.3 Επίπεδα νερού στη Βόρεια Θάλασσα σε σχέση με το ύψος πύργου
μιας ανεμογεννήτριας
Σχήμα 4.4 Θεμελίωση βαρύτητας
Σχήμα 4.5 Θεμελίωση μονού πυλώνα
Σχήμα 4.6 Θεμελίωση με τρίποδο
Σχήμα 4.7 Ηλεκτρική εγκατάσταση στο υπεράκτιο αιολικό πάρκο Horns Rev
Σχήμα 4.8 Σχέδιο του υπεράκτιου υποσταθμού που χρησιμοποιείται και ως
κεντρική πλατφόρμα υπηρεσιών
Σχήμα 4.9 Αξιοπιστία ανεμογεννητριών
Σχήμα 5.1 Μαγνητικό πεδίο από διπολικό καλώδιο 300 MW διασύνδεσης
ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ
Σχήμα 5.2 Τυπική διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ.
Σχήμα 5.3 (α) Γέφυρα ενός ΜΠΤ (β) Δομή μιας βαλβίδας ενός ΜΠΤ.
Σχήμα 5.4 Μία φάση του ΜΠΤ.
Σχήμα 5.5 Περιγραφή της λειτουργίας της μεθόδου PWM με συχνότητα
παλμοδότησης ίση με 9 φορές τη θεμελιώδη.
Σχήμα 5.6 Το ένα άκρο της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ
Σχήμα 6.1 Δομικό Διάγραμμα Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας από
Ανεμογεννήτριες προς Εγκατάσταση Υψηλής Τάσης DC (HVDC).
Σχήμα 6.2 Κύκλωμα προσομοίωσης ανεμογεννήτριας
Σχήμα 6.3 Σχηματικό Διάγραμμα Κυκλώματος Προσομοίωσης για την Μεταφορά
Ισχύος από Εγκατάσταση Υψηλής Τάσης DC προς Ανεμογεννήτρια με
Εφαρμογή Τεχνικής SPWM στο Τριφασικό Αντιστροφέα
6. 4
Σχήμα 6.4 Στροφές μηχανής
Σχήμα 6.5 Τεχνική SPWM για την παραγωγή παλμών έναυσης του τριφασικού
αντιστροφέα.
Σχήμα 6.6 Φασική Τάση εξόδου και Πολική Τάση εξόδου αντιστροφέα
Σχήμα 6.7 Φάσμα Συχνοτήτων Φασικής και Πολικής Τάσης εξόδου αντιστροφέα.
Σχήμα 6.8 Ενεργός και Άεργος ισχύς μετά την ανεμογεννήτρια.
Σχήμα 6.9 Τάση και Ρεύμα στην dc πλευρά
Σχήμα 6.10 Look-up tables για σήματα αναφοράς
Σχήμα 6.11 Ταχύτητα ανέμου για χρονικό διάστημα 10 sec (α’ περίπτωση)
Σχήμα 6.12 Ροπή άξονα και στροφές μηχανής.
Σχήμα 6.13 Ροπή άξονα Α/Γ και ροή άεργου ισχύος στην ανεμογεννήτρια
Σχήμα 6.14 Ροπή άξονα ανεμογεννήτριας και ρεύμα DC στην εγκατάσταση ΥΤ.
Σχήμα 6.15 Ταχύτητα ανέμου για χρονικό διάστημα 10 sec (α’ περίπτωση)
Σχήμα 6.16 Ροπή άξονα Α/Γ και Στροφές Μηχανής
Σχήμα 6.17 Ροπή άξονα ανεμογεννήτριας, ενεργή και άεργη ισχύς.
Σχήμα 6.18 Ροπή άξονα ανεμογεννήτριας και συνεχές ρεύμα dcI
Σχήμα 7.1 Κύκλωμα Τριφασικού Αντιστροφέα
Σχήμα 7.2 Τριφασικός Αντιστροφέας. α-στ) Παλμοί Έναυσης Ημιαγωγικών
Διακοπτών. ζ-ια) Τάσεις Εξόδου Αντιστροφέα
Σχήμα 7.3 Τάσεις Εξόδου Τριφασικού Αντιστροφέα. α) Τάση Εξόδου VAN και
θεμελιώδης αυτής VAN,1. β) Τάση Εξόδου VAB και θεμελιώδης αυτής VAΒ,1.
Σχήμα 7.4 Φάσμα Συχνοτήτων Τάσεων Εξόδου Τριφασικού Αντιστροφέα
Σχήμα 7.5 Τεχνική SPWM για τριφασικό αντιστροφέα. α) Κυματομορφές
τριγωνικού φορέα και ημιτονοειδών αναφορών. β-ζ) Παλμοί ημιαγωγικών
διακοπτών SW1 – SW6 αντίστοιχα.
Σχήμα 7.6 Κύκλωμα προσομοίωσης τριφασικού αντιστροφέα με την τεχνική
SPWM.
Σχήμα 7.7 Τάσεις Εξόδου Τριφασικού Αντιστροφέα με τεχνική SPWM
α) Τάση Εξόδου UAN (φασική) β) Τάση Εξόδου UAB (πολική)
Σχήμα 7.8 Φάσμα Συχνοτήτων Τάσεων Εξόδου Τριφασικού Αντιστροφέα με
εφαρμογή της τεχνικής SPWM.
Σχήμα 7.9 Τάσεις Εξόδου Τριφασικού Αντιστροφέα με τεχνική SPWM
α) Τάση Εξόδου VAN (φασική) και β) Τάση Εξόδου VAB (πολική)
Σχήμα 7.10 Κύκλωμα προσομοίωσης τριφασικού αντιστροφέα με την τεχνική
SPWM και φίλτρο LC στην έξοδό του
Σχήμα 7.11 Φασική τάση στην έξοδο του αντιστροφέα μετά την τοποθέτηση
φίλτρου
7. 5
Περιεχόμενα Πινάκων
Πίνακας 2.1 Εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας των 20 πρώτων χωρών
(WWEA)
Πίνακας 5.1 Σύγκριση κλασικής διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ και διασύνδεσης
ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ.
Πίνακας 5.2 Συστήματα μεταφοράς ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ σε λειτουργία
Πίνακας 6.1 Στοιχεία της ανεμογεννήτριας που χρησιμοποιείται στη
προσομοίωση
Περιεχόμενα Χαρτών
Χάρτης 2.1 Αιολικός χάρτης της Ευρώπης
Χάρτης 2.2 Αιολικός χάρτης της Ελλάδας (ΚΑΠΕ)
Χάρτης 4.1 Ευρωπαϊκός υπεράκτιος χάρτης αιολικών πόρων
Περιεχόμενα Εικόνων
Εικόνα 4.1 Υπεράκτιο αιολικό πάρκο κοντά στο Vindeby στα ανοικτά των ακτών
του Lolland (Δανία), 1991
Εικόνα 4.2 Αιολικό πάρκο Yttre Stengrund στη Βαλτική Θάλασσα στο Gutland
της Σουηδίας
Εικόνα 4.3 Υπεράκτιο Αιολικό Πάρκο Middelgrunden στη δανική ακτή κοντά στην
Κοπεγχάγη
Εικόνα 4.4 Πλατφόρμα ελικοπτέρου σε υπεράκτια ανεμογεννήτρια στο αιολικό
πάρκο Horns Rev
Εικόνα 4.5 Υπεράκτιος υποσταθμός του αιολικού πάρκου Nysted Rodsand
Εικόνα 4.6 Τριφασικό καλώδιο υψηλής τάσης
Εικόνα 4.7 Τοποθέτηση καλωδίων
Εικόνα 4.8 Μεταφορά προσυναρμολογημένου στροφέα (70 μέτρα διάμετρος) για
τοποθέτηση στο αιολικό πάρκο Yttre Stengrund
Εικόνα 4.9 Μεταφορά τμημάτων υπεράκτιας Α/Γ
Εικόνα 4.10 Εγκατάσταση Α/Γ στο αιολικό πάρκο Yttre Stengrund
Εικόνα 4.11 Εργασίες συντήρησης στο αιολικό πάρκο Yttre Stengrund
8. 6
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΗ
1.1 Αντικείμενο και δομή της εργασίας
Στη παρούσα εργασία ερευνήθηκαν ζητήματα σχετικά με την όλο και
αυξανόμενη εφαρμογή της τεχνολογίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω
Υπεράκτιων Ανεμογεννητριών.
Στα πρώτα τρία κεφάλαια γίνεται μια εισαγωγή σε θέματα αιολικής
ενέργειας όπως χαρακτηριστικά ταχυτήτων ανέμου, εκτίμηση και αξιοποίηση
αιολικού δυναμικού. Αναφέρονται και περιγράφονται οι βασικοί τύποι
ανεμογεννητριών (οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα) και οι συνηθέστερες
διατάξεις ελέγχου και οδήγησης των Α/Γ.
Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται οι ιδιαιτερότητες των υπεράκτιων Α/Γ.
Επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα (υψηλό αιολικό δυναμικό, στρωτή ροή ανέμου)
και τα μειονεκτήματα τους (αυξημένο κόστος κατασκευής, δυσκολίες θεμελίωσης
και πρόσβασης, περιβαλλοντικές επιπτώσεις).
Στο κεφάλαιο 5 γίνεται περιγραφή της σύγχρονης τεχνολογίας
διασύνδεσης υπερακτίων αιολικών πάρκων ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ (μετατροπείς
πηγής τάσης) (HVDC Light, HVDC Plus). Αναφέρονται εφαρμογές αυτού του
τύπου διασύνδεσης. (Στο παράρτημα 1 δίνονται λεπτομέρειες για πραγματικά
συστήματα που χρησιμοποιούν αυτή την τεχνολογία)
Στο κεφάλαιο 6 εξετάζονται και προσομοιώνονται οι Μετατροπείς
Αμφίδρομης Ροής Ενέργειας για Υπεράκτια Αιολικά Πάρκα με Επαγωγικές
Γεννήτριες για διάφορες συνθήκες ανέμου .
Στο κεφάλαιο 7 εξετάζονται και προσομοιώνονται οι Τριφασικοί
Αντιστροφείς. Στα κεφάλαια 6 και 7 γίνονται προσομοιώσει στο πρόγραμμα Psim
της POWERSIM.
1.2 Γενικά για Α.Π.Ε.
Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.) απασχολούν ιδιαίτερα την
ανθρωπότητα τα τελευταία χρόνια. Ως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.) ή
«ήπιες μορφές ενέργειας» ορίζονται οι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που
προέρχονται από φυσικές διαδικασίες και υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας
περιβάλλον, όπως ο ήλιος, ο άνεμος, η γεωθερμία, η ροή υδάτων και άλλες. Τα
κυριότερα είδη Α.Π.Ε. είναι:
• Αιολική ενέργεια: μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε
μηχανική και ηλεκτρική ενέργεια.
• Υδραυλική ενέργεια: αξιοποίηση των υδατοπτώσεων για παραγωγή
ηλεκτρικής ενέργειας.
• Ηλιακή ενέργεια: αξιοποίηση μέσω συστημάτων της θερμότητας και των
ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του ηλίου. Διακρίνονται σε:
9. 7
1. Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα: μετατροπή ηλιακής ακτινοβολίας σε
θερμότητα
2. Παθητικά Ηλιακά και Υβριδικά Συστήματα: βελτιστοποίηση της
απευθείας εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας για θέρμανση,
κλιματισμό ή φωτισμό
3. Φωτοβολταϊκά Ηλιακά Συστήματα: άμεση μετατροπή της ηλιακής
ενέργειας σε ηλεκτρική.
• Βιομάζα: εκμετάλλευση της αποθηκευμένης ηλιακής ενέργειας που
δεσμεύτηκε από φυτικούς οργανισμούς κατά τη φωτοσύνθεση.
• Γεωθερμική ενέργεια: η φυσική θερμική ενέργεια της γης που προέρχεται
από το εσωτερικό της γης και συναντάται σε φυσικούς ατμούς, σε
επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα.
• Κυψέλες καυσίμου: απευθείας μετατροπή χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική
με χρήση κατάλληλων διατάξεων ηλεκτρολυτών.
• Ενέργεια από κύματα και παλίρροιες: εκμετάλλευση της κινητικής
ενέργειας των κυμάτων.
• Αστικά απορρίμματα: αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχομένου τους.
Το ενδιαφέρον για τις Α.Π.Ε. εμφανίστηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1970
εξαιτίας της πετρελαϊκής κρίσης και παγιώθηκε την τελευταία δεκαετία, μετά τη
συνειδητοποίηση των παγκόσμιων περιβαλλοντικών προβλημάτων. Είναι
γνωστό ότι τα αποθέματα στερεών καυσίμων, αργού πετρελαίου και φυσικού
αερίου υπολογίζεται πώς θα εξαντληθούν σε μερικές δεκαετίες. Εάν σε αυτό
συνυπολογίσουμε και την έκλυση δισεκατομμυρίων τόνων ρύπων στην
ατμόσφαιρα από την καύση των ορυκτών και συμβατικών καυσίμων (άνθρακας,
πετρέλαιο, φυσικό αέριο) καταλήγουμε ότι είναι επιτακτική για την ανθρωπότητα
η στροφή στις Α.Π.Ε. ώστε να απεξαρτοποιηθεί από τους εξαντλήσιμους
ενεργειακούς πόρους.
Αρχικά οι εγκαταστάσεις των Α.Π.Ε. αποτελούσαν πειραματικές
εφαρμογές και είχαν ιδιαίτερα υψηλό κόστος. Η αύξηση της παγκόσμιας
εγκατεστημένης ισχύος τους όμως έχει επιφέρει συνεχή βελτίωση των
εφαρμοζόμενων τεχνολογιών και μείωση του κόστους παραγωγής του τελικού
προϊόντος. Ειδικά η αιολική, η υδροηλεκτρική ενέργεια και η βιομάζα
ανταγωνίζονται πλέον σε μεγάλο βαθμό παραδοσιακές πηγές ενέργειας όπως ο
άνθρακας και η πυρηνική ενέργεια.
10. 8
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 – ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
2.1 Αιολικό δυναμικό
2.1.1. Άνεμος
Από τη φυσική είναι γνωστό ότι όταν μια αέρια μάζα θερμανθεί,
εκτονώνεται, γίνεται πιο ελαφριά και κινείται προς τα πάνω. Ο ατμοσφαιρικός
αέρας θερμαίνεται κυρίως από την επαφή του με τη θερμή επιφάνεια της γης. Ο
θερμός αέρας είναι ελαφρύτερος και έχει μικρότερη πυκνότητα από τον ψυχρό.
Ένα στρώμα αέρα, που θα έρθει σε επαφή με τη γήινη επιφάνεια θα θερμανθεί
και θα ανέλθει. Τη θέση του θα καλύψει ένα στρώμα ψυχρότερου αέρα, που με
τη σειρά του θα θερμανθεί και θα ανέλθει. Αυτή η κυκλική- ανοδική-καθοδική
κίνηση θερμών και ψυχρών ρευστών μαζών, ονομάζεται κατακόρυφη μεταφορά.
Σχήμα 2.1. Ιδανική κίνηση ανέμου αν η γη δεν περιστρεφόταν [2]
Είναι αναμενόμενο οι περιοχές γύρω από τον Ισημερινό να θερμαίνονται
πολύ περισσότερο από τους πόλους. Σε περίπτωση λοιπόν που η γη δεν
περιστρεφόταν γύρω από τον άξονα της, η κίνηση του αέρα θα ακολουθούσε τη
διαδικασία της κατακόρυφης μεταφοράς από τους πόλους στον σημερινό και
πάλι πίσω στους πόλους (σχήμα 2.1). Η περιστροφή όμως της γης έχει ως
αποτέλεσμα την εκτροπή των ανέμων και περιπλέκει την κυκλοφορία τους στην
ατμόσφαιρα. Σε αυτό συνεισφέρει και η ανομοιομορφία στην τοπολογία του
εδάφους, όπου μπορεί να προκληθούν τοπικά φαινόμενα. Συνεπώς οι άνεμοι
είναι αέριες μάζες που κινούνται λόγω των διαφορετικών βαρομετρικών πιέσεων
που προκύπτει από την άνιση θέρμανση των διαφόρων περιοχών της γης από
τον ήλιο.
Η στεριά έχει μικρότερη θερμοχωρητικότητα από τη θάλασσα, άρα
ψύχεται και θερμαίνεται πιο γρήγορα. Την ημέρα η στεριά είναι προφανώς
θερμότερη από τη θάλασσα και έτσι οι ψυχρότερες αέριες μάζες μετακινούνται
από τη θάλασσα προς τη στεριά για να αντικαταστήσουν τις θερμές μάζες που
ανέρχονται. Αυτή είναι η γνωστή θαλάσσια αύρα. Κατά τη διάρκεια της νύχτας
συμβαίνει το αντίθετο αφού η θάλασσα είναι πιο ζεστή από τη στεριά. Επιπλέον
11. 9
την ημέρα τα βουνά θερμαίνονται πιο γρήγορα από τις γειτονικές κοιλάδες.
Δημιουργούνται έτσι τοπικοί άνεμοι από κοιλάδα προς την πλαγιά. Το αντίθετο
συμβαίνει τη νύχτα. Επομένως παρατηρείται μια διαρκής κίνηση του
ατμοσφαιρικού αέρα κυρίως λόγω των παρακάτω παραμέτρων:
• Η ακτινοβολία του ηλίου και ο τρόπος που φτάνει στη γη
• Η ανομοιογένεια του ανάγλυφου της γης
• Η περιστροφική κίνηση της γης.
Στην ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης οι άνεμοι επηρεάζονται από τα
ανατολικά ρεύματα του Ατλαντικού ωκεανού, τα ψυχρά βόρεια ρεύματα και τα
θερμά τοπικά ρεύματα της Σαχάρας. Έτσι οι επικρατούντες άνεμοι είναι για το
χειμώνα οι Νοτιοδυτικοί και για το καλοκαίρι οι Δυτικοί και Βορειοδυτικοί άνεμοι
(Σχήμα 2.2). [2]
Σχήμα 2.2. Κύριες κατευθύνσεις του ανέμου στην Ευρώπη [2]
2.1.2. Το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα
Καθώς η ατμόσφαιρα βρίσκεται σε σχετική κίνηση με τη γη, στο κατώτατο
τμήμα της λόγω του ιξώδους του αέρα δημιουργείται ένα στρώμα αέρα, το
ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα, μέσα στο οποίο η σχετική ταχύτητα μεταβάλλεται
από μηδέν πάνω στην επιφάνεια της γης μέχρι μεγαλύτερες τιμές (Σχήμα 2.3).
Τα χαρακτηριστικά του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος καθορίζονται κυρίως
από τη μορφή της επιφάνειας της γης (τραχύτητα εδάφους) και από τον άνεμο.
Για ομαλό έδαφος και αδύναμο άνεμο το πάχος του οριακού στρώματος μπορεί
να είναι της τάξης των 200 μέτρων, ενώ για ανώμαλη επιφάνεια (μεγάλη
τραχύτητα) και έντονο άνεμο είναι δυνατό να φθάσει μέχρι 2000 μέτρα. Έτσι όταν
12. 10
έχουμε στοιχεία για τη μέση ταχύτητα του ανέμου σε μια περιοχή ή έχουμε
διαθέσιμες μετρήσεις του ανέμου πρέπει να γνωρίζουμε και το ύψος στο οποίο
αναφέρονται, ώστε να μπορούμε να τα ανάγουμε στο ύψος που μας ενδιαφέρει.
[2]
Σχήμα 2.3. Ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα [2]
2.1.3. Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου
2.1.3.1. Μεταβολή ταχύτητας ανέμου με το ύψος
Για τον υπολογισμό της διανομής της ταχύτητας μέσα στο επιφανειακό
στρώμα χρησιμοποιούμε τους παρακάτω τύπους:
0
*
( ) ln λογαριθμικός νόμος (2.1)
U z
U z
k z
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
= ⋅
0
0
( ) ( ) εκθετικός νόμος (2.2)
a
z
U z U z
z
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
= ⋅
όπου U(z) η ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z, U* η ταχύτητα τριβής, α ο εκθέτης
του εκθετικού νόμου, k η σταθερά von Karman (k=0.35) και z0 η παράμετρος
τραχύτητας ή μήκος τραχύτητας. Στα μετεωρολογικά προβλήματα
χρησιμοποιείται ο εκθετικός νόμος λόγω της απλότητας του. Ο εκθέτης α
αποτελεί μια ένδειξη της μορφής της επιφάνειας του εδάφους. Υπάρχουν πίνακες
που δίνουν τιμές για τον εκθέτη α και βασίζονται σε πειραματικές προσεγγίσεις.
Ενδεικτικές τιμές για το εκθέτη α είναι α=0.17 για ανοικτά πεδία, όπως είναι η
θάλασσα ή ο χώρος ενός αεροδρομίου, α=0.20 για μικρές πόλεις με χαμηλές
κατασκευές και α=0.25 για πόλεις με μεγάλες και πολυώροφες κατασκευές.
13. 11
2.1.3.2. Μεταβολή ταχύτητας ανέμου σε σύνθετη τοπογραφία
Σε μια σύνθετη τοπογραφία, η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να
μεταβάλλεται σημαντικά μεταξύ κοντινών περιοχών. Έτσι έχουμε τη δυνατότητα
να μεγιστοποιήσουμε την απόδοση μιας μηχανής ή ενός αιολικού πάρκου, από
την άλλη όμως υπάρχει κίνδυνος αποτυχίας ολόκληρης της επένδυσης αν δεν
γίνει προσεκτική επιλογή της θέσης. Ο θεωρητικός υπολογισμός των
επιδράσεων της ανώμαλης τοπογραφίας στην ταχύτητα του ανέμου είναι
ιδιαίτερα δύσκολος και γίνεται μόνο με την χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών. Τα
αποτελέσματα που προκύπτουν είναι αποδεκτά για περιπτώσεις τοπογραφίας με
μικρές κλίσεις, ενώ για απότομες κλίσεις δεν υπάρχει ακόμα αξιόπιστο μοντέλο.
Παρά την δυσκολία που υπάρχει στον υπολογισμό του ανέμου σε ανώμαλη
τοπογραφία, σε απλούστερες περιπτώσεις υπάρχουν εμπειρικοί κανόνες που
μπορούν να εφαρμοστούν και να δώσουν ποιοτικές και ποσοτικές εκτιμήσεις. Σε
μια λοφοσειρά (Σχήμα 2.4), ο άνεμος που τη συναντάει, επιταχύνεται στην
κορυφή και επιβραδύνεται στους πρόποδες. Έστω Η το ύψος του λόφου και L το
πλάτος του λόφου σε ύψος Η/2. Υπάρχει ένα ύψος l πάνω από την κορυφή,
όπου η σχετική επιτάχυνση, ΔS γίνεται μέγιστη:
Σχήμα 2.4. [2]
όπου l το ύψος πάνω από την κορυφή του λόφου, ενώ z0 είναι το ύψος
τραχύτητας που εξαρτάται από τη μορφή της επιφάνειας του εδάφους. Το προφίλ
της ταχύτητας αποτελείται από τρία μέρη: Ανάμεσα στο επίπεδο της γης και το
ύψος l το προφίλ είναι λογαριθμικό, ανάμεσα στο ύψος l και 2L ένα
διαφοροποιημένο λογαριθμικό προφίλ, ενώ από το ύψος 2L και πάνω το προφίλ
του ανέμου παραμένει αμετάβλητο, ΔS=0 (ίδιο με το προφίλ πριν από τον λόφο):
0.67
0
0
0.3 (2.3)
L
l z
z
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
= ⋅ ⋅
1 2 (2.4)
l
S
L
Δ = ⋅
2
ln( )
22 (2.5)
ln( 2 )
0
h
L
H
h LS
L l L
⎧
⋅⎪
⎪
⎪⎪
Δ = ⋅ ⋅⎨
⎪
⎪
⎪
⎪⎩
14. 12
2.1.3.3. Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το χρόνο
Σε μία ορισμένη θέση στο χώρο η ταχύτητα του ανέμου δεν παραμένει
σταθερή στο χρόνο, αλλά μεταβάλλεται κατά μέγεθος και διεύθυνση. Σημαντικά
μεγέθη είναι η μέση ταχύτητα ανέμου, η τυπική απόκλιση και ο βαθμός της
τύρβης.
Η μέση ταχύτητα του ανέμου υπολογίζεται δεδομένης μιας σειράς
μετρήσεων από τη σχέση:
1
1
(2.6)nν ν
Ν
= ⋅
Ν ∑
όπου ν η μέση ταχύτητα του ανέμου, νn η ταχύτητα του ανέμου στο n σημείο των
μετρήσεων και n=1,2,…,N ο αριθμός των μετρήσεων.
Η τυπική απόκλιση σ δείχνει πόσο αποκλίνουν οι μετρήσεις από τη μέση
τιμή του ανέμου:
2
1
1
( ) (2.7)
1 νσ ν ν
Ν
= ⋅ −
Ν − ∑
Τύρβη ονομάζουμε τη διαταραχή της ταχύτητας του ανέμου (διαφορές
στιγμιαίας ταχύτητας από τη μέση τιμή ταχύτητας) και έχει ιδιαίτερη σημασία για
την απόδοση των αιολικών μηχανών, αλλά και τον υπολογισμό της αντοχής
λόγω των εναλλασσόμενων φορτίων που αναπτύσσονται και οδηγούν στην
κόπωση των υλικών της μηχανής. Ο βαθμός της τύρβης S (αδιάστατη τιμή της
έντασης της τύρβης) ορίζεται ως η τυπική απόκλιση της πρώτης μέτρησης από
τη μέση τιμή των 10 λεπτών:
(2.8)S
σ
ν
=
Τέλος απαραίτητο στοιχείο για τον υπολογισμό της παραγόμενης
ενέργειας μιας μηχανής είναι η καμπύλη διάρκειας πνοής του ανέμου που δείχνει
το ποσοστό του χρόνου που πνέει άνεμος ταχύτητας μεγαλύτερης μιας
συγκεκριμένης τιμής. [2]
2.1.4. Μέτρηση αιολικού δυναμικού και ροδόγραμμα ανέμου
Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του αιολικού δυναμικού
είναι τα ανεμόμετρα. Αυτά καταγράφουν την ταχύτητα και την κατεύθυνση του
ανέμου, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια του αέρα σε μηχανική ροπή που
στρέφει έναν άξονα συνδεδεμένο με μια μετρητική συσκευή. Υπάρχουν άλλες
διατάξεις όπως τα ανεμόμετρα ‘Sonic’, laser Doppler και άλλα που μετράνε τη
θερμική ενέργεια που μεταφέρεται από τον αέρα, σε ένα ηλεκτρισμένο καλώδιο
15. 13
εκτεθειμένο στον άνεμο. Οι μηχανικές διατάξεις είναι οι πιο διαδεδομένες λόγω
της απλότητας της κατασκευής τους και της μικρής κατανάλωσης ενέργειας. Οι
πιο συνηθισμένες μονάδες μέτρησης είναι: μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/sec),
χιλιόμετρα ανά ώρα (km/hour), ναυτικά μίλια ανά ώρα (mph). Ισχύει:
1mph=0.51m/s=1.836km/h. Οι μετρήσεις αιολικού δυναμικού, συνήθως γίνονται
ανά 10 λεπτά, αλλά είναι αποδεκτή και η χρήση δεδομένων που λαμβάνονται σε
ωριαία βάση.
Μία ακόμα σημαντική πληροφορία είναι η συχνότητα εμφάνισης κάθε
κατεύθυνσης. Το διάγραμμα αυτό ονομάζεται ροδόγραμμα ανέμου και δίνει
αμέσως την κατεύθυνση και τη διάρκεια πνοής του ανέμου σε συγκεκριμένη
περιοχή. Στο κέντρο εμφανίζεται το ποσοστό άπνοιας ετησίως. Για τη δημιουργία
του ροδογράμματος πρέπει να γίνουν μετρήσεις μεγάλης χρονικής διάρκειας
(τουλάχιστον 10 ετών), ώστε να θεωρηθούν αξιόπιστες. [2]
Σχήμα 2.5 Ροδόγραμμα ανέμου [2]
2.1.5. Θεωρητικός υπολογισμός συχνοτήτων κατανομής ταχυτήτων ανέμου
Η πυκνότητα πιθανότητας κατανομής ταχύτητας μπορεί να περιγραφεί με
καλή προσέγγιση από την κατανομή Weibull. Η κατανομή Weibull είναι μια
διπαραμετρική κατανομή πυκνότητα πιθανότητας με παραμέτρους c και k και
ορίζεται ως:
16. 14
1
( ) exp (2.9)
k k
k V V
f V
c c c
−
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
= ⋅ ⋅ −
όπου V η ταχύτητα του ανέμου.
Η παράμετρος k καθορίζει το ύψος της κατανομής Weibull, ενώ η
παράμετρος c επηρεάζει την κατανομή κατά τον οριζόντιο άξονα (Σχήμα 2.6).
Σχήμα 2.6 Κατανομή Weibull [2]
Η μέση ταχύτητα του ανέμου μπορεί να υπολογιστεί όταν δίνονται οι
παράμετροι c και k της κατανομής Weibull από την σχέση:
0
( ) (2.10)
V
V V f V dV
∞
=
= ⋅∫
οπότε εκτέλεση πράξεων οδηγεί στη σχέση:
1
1 (2.11)V c
k
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
= ⋅Γ +
όπου Γ είναι η συνάρτηση Γάμα.
Τέλος η διάρκεια πνοής ανέμου δίνεται από τη σχέση:
0
( ) ( ) 1 exp (2.12)
X kV
X
X
V
P V V f V dV
c
⎡ ⎤⎛ ⎞
⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
≤ = = − −∫
και εκφράζει την πιθανότητα να φυσάει άνεμος με ταχύτητα μικρότερη της VX ή
αλλιώς το ποσοστό του χρόνου που φυσάει άνεμος ταχύτητας μικρότερης της VX.
Οι παράμετροι κλίμακας ταχύτητας c και μορφής k της κατανομής Weibull
μπορούν να υπολογιστούν αν υπάρχουν μετεωρολογικές μετρήσεις στην
17. 15
περιοχή, προσαρμόζοντας με ελάχιστα τετράγωνα την αναλυτική σχέση στα
πειραματικά δεδομένα. [2]
2.1.6. Ενέργεια και Ισχύς του ανέμου
Η ισχύς ορίζεται ως ο ρυθμός χρήσης ή μετατροπής της ενέργειας και άρα
εκφράζεται ως ενέργεια ανά μονάδα χρόνου (1Watt=1Joule/sec). Η ενέργεια που
μεταφέρεται από τον άνεμο είναι κινητική και δίνεται από τον τύπο:
21
(2.13)
2
m VΚΙΝΕ = ⋅ ⋅
και μετριέται σε N.m. Γνωρίζοντας ότι η μάζα του αέρα ανά δευτερόλεπτο που
διέρχεται από μία επιφάνεια Α ισούται με το γινόμενο της πυκνότητας του αέρα
επί τον όγκο ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή: m Vρ= ⋅Α⋅ , προκύπτει:
31
2
VρΚΙΝΕ = ⋅ ⋅Α⋅ , η οποία προφανώς είναι η ισχύς αφού έχουμε ενέργεια ανά
δευτερόλεπτο, άρα:
31
(2.14)
2
VρΡ = ⋅ ⋅Α⋅
Μία σημαντική παρατήρηση είναι ότι η ισχύς του ανέμου είναι ανάλογη της
διερχόμενης επιφάνειας καθώς και του κύβου της ταχύτητας. [2]
2.2 Αιολική ενέργεια: Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα
Η αιολική ενέργεια ανήκει στις ήπιες ή ανανεώσιμες μορφές ενέργειας.
Προέρχεται από τη μετατροπή ενός πολύ μικρού ποσοστού (~0,2%) της ηλιακής
ενέργειας που φθάνει στη γη. Οι πλέον ευνοημένες περιοχές από πλευράς
αιολικού δυναμικού είναι οι χώρες της πολικής και εύκρατης ζώνης, ιδιαίτερα
κοντά στις ακτές.
Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την αιολική ενέργεια είναι:
• Είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Συνεπώς δεν εξαντλείται σε
αντίθεση με τα συμβατικά καύσιμα.
• Αποτελεί μια καθαρή μορφή ενέργειας, ήπια προς το περιβάλλον. Η
χρήση της δεν επιβαρύνει το περιβάλλον των περιοχών εγκατάστασης
ενώ αντικαθιστά και τις ιδιαίτερα ρυπογόνες πηγές ενέργειας.
• Είναι εγχώρια πηγή ενέργειας και βοηθά στην ενίσχυση της ενεργειακής
ανεξαρτοποίησης και ασφάλειας της χώρας
• Οδηγεί στην αποκέντρωση αφού είναι διάσπαρτη γεωγραφικά. Με τον
τρόπο αυτό μπορούν να καλυφθούν ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και
18. 16
περιφερειακό επίπεδο ενώ παράλληλα αποφορτίζονται τα συστήματα
υποδομής και μειώνονται οι απώλειες από τη μεταφορά ενέργειας.
• Συνήθως έχει χαμηλό λειτουργικό κόστος.
• Μέσω επενδύσεων στον τομέα της αιολικής ενέργειας προκύπτει
αξιόλογος αριθμός νέων θέσεων εργασίας, κυρίως σε τοπικό επίπεδο.
• Ειδικότερα η χώρα μας (κυρίως τα νησιά του Αιγαίου) διαθέτει υψηλό
αιολικό δυναμικό αφού εμφανίζονται άνεμοι σημαντικής ταχύτητας και
διάρκειας σχεδόν ολόκληρο το έτος.
Τα κυριότερα μειονεκτήματα που αποδίδονται στην αιολική ενέργεια είναι:
• Δε μπορεί να γίνει ακριβής πρόβλεψη της ταχύτητας και της διεύθυνσης
του ανέμου με αποτέλεσμα οι αιολικές μηχανές να χρησιμοποιούνται σαν
εφεδρικές πηγές ενέργειας σε συνδυασμό με κάποια άλλη πηγή ενέργειας.
• Επειδή η παραγόμενη ενέργεια δεν πληρεί πάντα τις απαιτήσεις του
δικτύου η διασύνδεση προϋποθέτει τοποθέτηση αυτοματισμών ελέγχου,
μηχανήματα ρύθμισης τάσεως και συχνότητας, καθώς και έλεγχο της
άεργης ισχύος. Επίσης λόγω των μεταβατικών φαινομένων μας
απασχολούν οι διαδικασίες ζεύξης-απόζευξης των αιολικών μηχανών στο
ηλεκτρικό δίκτυο.
• Τέλος πρέπει να τονισθεί ότι από την απορροφούμενη ενέργεια μίας
ανεμογεννήτριας, μόνο ένα περιορισμένο μέρος της μετατρέπεται σε
ωφέλιμη ενέργεια λόγω των αεροδυναμικών και των μηχανικών
απωλειών.
Υπάρχει βέβαια και η άποψη πως η αιολική ενέργεια επιφέρει αρνητικές
επιπτώσεις στο περιβάλλον:
• Αρχικά όσον αφορά την πιθανή αισθητική υποβάθμιση από εγκαταστάσεις
που βρίσκονται στην ξηρά πρέπει να τονισθεί ότι μέσα στο αιολικό πάρκο
μπορούν να αντικατασταθούν οι εναέριες γραμμές, οι όποιες όντως
αποτελούν άσχημη εικόνα, με υπόγειες. Επίσης αποφεύγεται η ανοιχτή
θέαση των μετασχηματιστών, με τη βοήθεια σκέπαστρου, που είναι
ιδιαίτερα ακαλαίσθητη.
• Λόγω της ήπιας μορφής του έργου οι επιπτώσεις στην πανίδα και στη
χλωρίδα της περιοχής δε θεωρούνται σοβαρές. Ειδικά για τα πουλιά τα
ποσοστά θνησιμότητας σε αιολικά πάρκα είναι ασήμαντα συγκριτικά με
άλλους ανθρώπινους παράγοντες.
• Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση δημιουργείται εξαιτίας της ανάκλασης
των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων πάνω στα περιστρεφόμενα πτερύγια.
Για το λόγο αυτό αποφεύγονται περιοχές με τηλεπικοινωνιακές κεραίες και
αναμεταδότες.
• Η ακουστική όχληση και το τρεμοσβήσιμο σκιάς λόγω των πτερυγίων της
μηχανής δεν είναι σημαντικά. Αν ληφθεί υπόψη και το γεγονός ότι η
εγκατάσταση αιολικών πάρκων γίνεται κυρίως σε απομονωμένες περιοχές
τότε γίνεται αντιληπτό πως δε δημιουργείται κανένα πρόβλημα. [8]
19. 17
2.3 Αιολική ενέργεια στην αγορά
2.3.1. Η αιολική ενέργεια στην παγκόσμια ενεργειακή αγορά
Η μεγάλη ανάπτυξη αιολικών πάρκων για ηλεκτροπαραγωγή κατά την
τελευταία δεκαετία παράλληλα με την ευαισθητοποίηση για το περιβάλλον
οδήγησαν την αιολική ενέργεια σε σημαντικό κομμάτι του ενεργειακού ισοζυγίου.
Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς των αιολικών το 2009 έφτασε τα
159.213,3 MW, εκ των οποίων προστέθηκαν τον τελευταίο χρόνο 38.312 MW.
Συνεπώς η αιολική ενέργεια παρουσίασε μία αύξηση της τάξης του 31.7%, η
μεγαλύτερη που έχει σημειωθεί από το 2001. Το 2008 η εγκατεστημένη ισχύς
ήταν 120.902,9 MW, ενώ το 2007 ήταν 93.926,8 MW. Θα πρέπει να τονισθεί ότι
αυτή τη στιγμή ο συγκεκριμένος τομέας απασχολεί 550.000 εργαζόμενους
παγκοσμίως με την προοπτική να φτάσουν το 2012 τους 1.000.000. Στην
παγκόσμια αγορά την πρώτη θέση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω
του ανέμου καταλαμβάνουν οι Η.Π.Α., ενώ ακολουθούν η Κίνα και η Γερμανία.
Ακολουθεί ο Πίνακας 2.1 όπου φαίνεται η εγκατεστημένη ισχύς αιολικής
ενέργειας των 20 πρώτων χωρών, καθώς και ο αιολικός χάρτης της Ευρώπης
(χάρτης 2.1).
Πίνακας 2.1. Εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας των 20 πρώτων χωρών
(WWEA)
ΘΕΣΗ ΧΩΡΑ
ΣΥΝΟΛΙΚΗ
ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ
ΙΣΧΥΣ ΣΤΟ ΤΕΛΟΣ
ΤΟΥ 2009 [MW]
ΡΥΘΜΟΣ
ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ
ΤΟ 2009 [%]
ΣΥΝΟΛΙΚΗ
ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ
ΙΣΧΥΣ 2008 [MW]
ΣΥΝΟΛΙΚΗ
ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ
ΙΣΧΥΣ 2007 [MW]
1 Η.Π.Α. 35.159,0 39,3 25.237,0 16.823,0
2 Κίνα 26.010,0 113,0 12.210,0 5.912,0
3 Γερμανία 25.777,0 7,9 23.897,0 22.247,4
4 Ισπανία 19.149,0 14,7 16.689,0 15.145,1
5 Ινδία 10.925,0 14,0 9.587,0 7.850,0
6 Ιταλία 4.850,0 29,8 3.736,0 2.726,1
7 Γαλλία 4.521,0 32,8 3.404,0 2.455,0
8 Ην.Βασίλειο 4.092,0 28,1 3.195,0 2.389,0
9 Πορτογαλία 3.535,0 23,5 2.862,0 2.130,0
10 Δανία 3.497,0 10,6 3.163,0 3.125,0
11 Καναδάς 3.319,0 40,1 2.369,0 1.846,0
12 Ολλανδία 2.240,0 0,2 2.235,0 1.747,0
13 Ιαπωνία 2.056,0 9,4 1.880,0 1.528,0
14 Αυστραλία 1.877,0 25,6 1.494,0 817,3
15 Σουηδία 1.579,0 48,0 1.066,9 831,0
16 Ιρλανδία 1.260,0 22,7 1.027,0 805,0
17 Ελλάδα 1.109,0 12,0 989,7 873,3
18 Αυστρία 995,0 0,0 994,9 981,5
19 Τουρκία 796,5 138,9 333,4 206,8
20 Πολωνία 666,0 41,1 472,0 276,0
21. 19
Σχήμα 2.7 Εξέλιξη εγκατεστημένης αιολικής ισχύος στην Ελλάδα (Πηγή: Ρ.Α.Ε.)
Οι πρώτες δραστηριότητες για την ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας στην
χώρα μας άρχισαν το 1975, με την πραγματοποίηση από τη Δ.Ε.Η. μετρήσεων
των ανεμολογικών στοιχείων σε αρκετές περιοχές. Το 1989 ιδρύεται το Κέντρο
Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.) που συνέβαλε σημαντικά στην
προώθηση και την εξέλιξη των ΑΠΕ. [8]
Χάρτης 2.2 Αιολικός χάρτης της Ελλάδας [Πηγή: Κ.Α.Π.Ε.]
22. 20
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 – ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ
3.1 Τύποι Ανεμογεννητριών
Οι ανεμογεννήτριες ουσιαστικά αποτελούν τους σύγχρονους
‘ανεμόμυλους’ και διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες: τις μηχανές οριζόντιου
και τις μηχανές κατακόρυφου άξονα. Τα μεγέθη τους ποικίλουν από μηχανές που
παράγουν μερικές ή εκατοντάδες Watt και φτάνουν τα μερικά MW. Η διαφορά
στην αρχή λειτουργίας των παραδοσιακών ανεμόμυλων με τις σύγχρονες
ανεμογεννήτριες είναι χαρακτηριστική. Έτσι οι παραδοσιακοί ανεμόμυλοι
κινούνται με τη βοήθεια της αντίστασης των πτερυγίων τους στον άνεμο ή με την,
όχι και τόσο καλή, εκμετάλλευση της άνωσης που ασκείται πάνω τους. Στις
σύγχρονες ανεμογεννήτριες η κίνηση οφείλεται στην άνωση, η οποία μπορεί να
γίνει υπερδεκαπλάσια της αντίστασης. Ο ευρύτερα διαδεδομένος τύπος
ανεμοκινητήρα είναι τύπου δρομέα οριζόντιου άξονα. Ο βαθμός απόδοσης CP
χαρακτηρίζει τους ανεμοκινητήρες και ονομάζεται και συντελεστή ισχύος.
Ορίζεται ως:
3
(3.1)
1
2
P
P
C
Vρ
=
⋅ ⋅Α⋅
όπου Ρ η ισχύς που αποδίδεται από την ανεμογεννήτρια και στον παρονομαστή
είναι η ισχύς που έχει ο άνεμος. Ο συντελεστής ισχύος εξαρτάται από τα
γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής και είναι συνάρτηση της αδιάστατης
ταχύτητας ακροπτερυγίου λ:
R
V
ω
λ
⋅
= , όπου ω η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα
και R η ακτίνα του. [2]
3.1.1. Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου άξονα
Αποτελούνται στη συντριπτική τους πλειοψηφία από δύο ή τρία πτερύγια
και θυμίζουν ιδιαίτερα έλικα αεροπλάνου. Ανεμογεννήτριες με μεγαλύτερο αριθμό
πτερυγίων εμφανίζονται ως πολύ στιβαρές κατασκευές και βρίσκουν εφαρμογές
σε ειδικές συνθήκες για άντληση νερού σε αγροκτήματα. Οι σύγχρονες
ανεμογεννήτριες διαθέτουν μοντέρνα αεροδυναμική σχεδίαση, που οφείλεται
στην πρόοδο του σχεδιασμού των αεροπορικών πτερυγίων και ελίκων. Οι
μηχανές που έχουν την μεγαλύτερη εμπορική επιτυχία είναι τρίπτερες ή δίπτερες
μεγέθους περίπου μέχρι 1MW και κατασκευάζονται στη Δανία, τις ΗΠΑ, την
Αγγλία, την Ολλανδία, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Ισπανία, το Βέλγιο, την
Ιαπωνία, την Αυστρία και την Κίνα. Μονόπτερες μηχανές κατασκευάζονται
κυρίως στη Γερμανία και την Ιταλία. Παρά την ασυνήθιστη εμφάνιση τους, οι
ένθερμοι υποστηρικτές τους πιστεύουν ότι η εξέλιξη τους μπορεί να δώσει πιο
φθηνές, ελαφριές και με μικρότερες καταπονήσεις μηχανές. Τα κύρια μέρη των
ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα (σχήμα 3.1) είναι ο δρομέας, το σύστημα
23. 21
αύξησης στροφών (κιβώτιο ταχυτήτων), το σύστημα πέδησης, τα έδρανα του
άξονα και οι ελαστικοί σύνδεσμοι, η ηλεκτρική γεννήτρια, το σύστημα
προσανατολισμού, ο πύργος στήριξης και τα θεμέλια. [2]
1. Πλήμνη δρομέα 12. Υδραυλικά
2. Πτερύγια δρομέα 13. Ελαστικός σύνδεσμος
3. Κάλυμμα ατράκτου 14. Αναρτήσεις γεννήτριας
4. Φωταγωγός 15. Σύστημα προσανατολισμού
5. Ράβδος ασφαλείας 16. Θυρίδα επισκόπησης
6. Εξαγωγή αέρα 17. Εξέδρα
7. Αλεξικέραυνο και 18. Στεφάνη ρουλεμάν συστήματος
μετρητής ταχύτητας ανέμου προσανατολισμού
8. Γεννήτρια 19. Φρένο συστήματος
9. Κιβώτιο ταχυτήτων προσανατολισμού
10. Δισκόφρενα δρομέα 20. Αποζεύκτης θορύβου
11. Εφεδρικό φρένο 21. Πύργος
Σχήμα 3.1 Κύρια μέρη ατράκτου ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα 600 kW [4]
Ο δρομέας αποτελείται από την πλήμνη και τα πτερύγια. Το πτερύγιο έχει
αεροδυναμικό σχήμα και μπορεί να είναι ενιαίο ή να διαθέτει ακροπτερύγιο. Τα
γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πτερυγίων (αριθμός πτερυγίων, κατανομή
πλάτους, επιλογή αεροτομής, συστροφή) προκύπτουν από την βελτιστοποίηση
της αεροδυναμικής σχεδίασης. Η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να είναι ασύγχρονη
24. 22
ή σύγχρονη γεννήτρια. Γενικά προτιμούνται οι ασύγχρονες γεννήτριες λόγω της
απλότητας της κατασκευής τους, αν και οι σύγχρονες έχουν καλύτερη
συμπεριφορά σε αδύνατα δίκτυα. Το σύστημα προσανατολισμού είναι ένας
σερβοκινητήρας ο οποίος ελέγχεται από τον ανεμοδείκτη του ανεμογράφου και
αναγκάζει το δρομέα να παρακολουθεί την κατεύθυνση του ανέμου και να
παραμένει κάθετος σε αυτήν. Ο πύργος της ανεμογεννήτριας στηρίζει τη νασέλλα
και το δρομέα. Μπορεί να είναι τύπου δικτυώματος, σωληνωτός και σπανιότερα
από σκυρόδεμα. Η θεμελίωση γίνεται με οπλισμένο σκυρόδεμα πάνω στο οποίο
τοποθετείται με βίδες ο πύργος. Ο πύργος έχει σχήμα κώνου που εξυπηρετεί
στην αύξηση της αντοχής και στην εξοικονόμηση υλικών με τη διάμετρο να
αυξάνεται όσο πλησιάζουμε τη βάση. Μεγάλης σημασίας είναι η γείωση που
πρέπει να έχει η μεταλλική κατασκευή της ανεμογεννήτριας. [2]
3.1.2. Ανεμογεννήτριες Κατακόρυφου άξονα
Τα βασικά πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών αυτού του τύπου είναι:
1. Η κατακόρυφη συμμετρία συνεπάγεται αυτόματο προσανατολισμό
του δρομέα προς τον άνεμο.
2. Το μηχανικό έργο μεταφέρεται μέσω του κατακόρυφου άξονα στο
έδαφος όπου είναι τοποθετημένο το σύστημα μετατροπής σε άλλη
μορφή ενέργειας.
3. Απλή κατασκευή του πύργου στήριξης και γενικότερα απλούστερη
κατασκευή.
Οι μηχανές κατακόρυφου άξονα στηρίζονται στις ιδέες του Georges
Darrieus και τις επινοήσεις του γύρω στο 1925. Ακολουθούν εικόνες με
ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα μονόπτερη, δίπτερη, τρίπτερη, με πολλά
πτερύγια και δύο εικόνες ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα. [2]
Μονόπτερη Α/Γ Δίπτερη Α/Γ
25. 23
Τρίπτερη Α/Γ Α/Γ με πολλά πτερύγια
Α/Γ κατακόρυφου άξονα Α/Γ κατακόρυφου άξονα (τύπου Η)
3.2 Λειτουργικά χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών
Εδώ θα αναφερθούν τέσσερις βασικές παράμετροι μιας ανεμογεννήτριας:
• Ταχύτητα εκκίνησης: είναι η ταχύτητα του ανέμου στην οποία η
ανεμογεννήτρια αρχίζει να παράγει καθαρή ισχύ. Αυτή η ταχύτητα είναι
μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για να αρχίσουν να στρέφονται τα
πτερύγια.
26. 24
• Ταχύτητα αποκοπής: για αποφυγή υπερφόρτισης της ανεμογεννήτριας,
διακόπτεται η λειτουργία της μόλις η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει την
ταχύτητα αποκοπής.
• Ονομαστική Ισχύς: είναι η μέγιστη ισχύς που μπορεί να παραχθεί
συνεχώς κατά την κανονική λειτουργία.
• Ονομαστική ταχύτητα: η ταχύτητα του ανέμου υπό την οποία παράγεται η
ονομαστική ισχύς.
Στο σχήμα 3.2 βρίσκεται η καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας όπου
διακρίνονται όλες οι παραπάνω παράμετροι και απεικονίζει την καθαρή
παραγόμενη ισχύ ως συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου στο ύψος του άξονα.
[4]
Σχήμα 3.2 Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας [4]
3.3 Κύρια δομικά στοιχεία του συστήματος μετατροπής αιολικής
ενέργειας
Τα κύρια δομικά στοιχεία του συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας
σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική, είναι ο δρομέας, το μηχανικό
σύστημα οδήγησης και το ηλεκτρικό σύστημα, το οποίο περιλαμβάνει την
γεννήτρια και το σύστημα σύνδεσης της γεννήτριας με το δίκτυο. Ακολουθεί μια
σύντομη περιγραφή αυτών των συνιστωσών.
3.3.1. Δρομέας
Οι κύριοι παράμετροι για το σχεδιασμό του δρομέα είναι:
• η διάμετρος
• η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής
• ο αριθμός των πτερυγίων
• η αεροδυναμική συμπεριφορά.
27. 25
Η επιλογή της διαμέτρου γίνεται σύμφωνα με την απαιτούμενη ονομαστική
ισχύ της μηχανής και το αιολικό δυναμικό της περιοχής που θα τοποθετηθεί η
ανεμογεννήτρια. Η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα επιλέγεται έτσι ώστε ο λόγος
ταχύτητας του ακροπτερυγίου λ να βρίσκεται στην περιοχή της βέλτιστης τιμής
του αεροδυναμικού συντελεστή ισχύος Cp για την μέση τιμή της ταχύτητας του
ανέμου στην περιοχή που θα εγκατασταθεί η ανεμογεννήτρια. Ο αριθμός των
πτερυγίων για τους ανεμοκινητήρες οριζοντίου άξονα είναι δύο ή τρία και
εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες. Αρχικά δύο πτερύγια έχουν σίγουρα
χαμηλότερο κόστος από τρία. Ο δρομέας όμως ενός ανεμοκινητήρα με δύο
πτερύγια περιστρέφεται με μεγαλύτερες γωνιακές ταχύτητες από έναν ισοδύναμο
από πλευράς ενεργειακής απόδοσης που έχει τρία πτερύγια. Σαν αποτέλεσμα τα
πτερύγια του πρώτου ανεμοκινητήρα πρέπει να είναι ελαφρύτερα και
περισσότερο δύσκαμπτα από αυτά του δεύτερου, ανεβάζοντας σημαντικά το
κόστος τους. Η αεροδυναμική συμπεριφορά των πτερυγίων σχετίζεται με την
βέλτιστη εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, την αντοχή σε μηχανικά φορτία
και την ρύθμιση της μηχανικής ισχύος του ανεμοκινητήρα σε περίπτωση
λειτουργίας του σε ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες από την ονομαστική, ώστε να
μην υπερφορτίζεται. Ο έλεγχος και ο περιορισμός της μηχανικής ισχύος γίνεται
με δύο κύριους τρόπους:
(α) Με μεταβολή της γωνίας βήματος (γωνίας προσανατολισμού) των
πτερυγίων.
(β) Με απώλεια στήριξης.
Στην πρώτη περίπτωση, μόλις η ισχύς ξεπεράσει την ονομαστική της τιμή,
το σύστημα ελέγχου μεταβάλει κατάλληλα την κλίση των πτερυγίων. Έτσι
μειώνεται ο συντελεστής Cp και κατά συνέπεια η ισχύς που απομαστεύεται από
τον άνεμο για ταχύτητες του ανέμου μεγαλύτερες από την ονομαστική. Ο
δεύτερος τρόπος εφαρμόζεται όταν η γωνία βήματος των πτερυγίων είναι
σταθερή. Επειδή στο δεύτερο έλεγχο δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη αναφέρεται
ως παθητικός έλεγχος. [4]
3.3.2. Μηχανικό σύστημα οδήγησης
Η μηχανική ισχύς που παράγεται στον άξονα του ανεμοκινητήρα,
μεταδίδεται στην γεννήτρια μέσω του μηχανικού συστήματος οδήγησης. Αυτό
περιλαμβάνει ένα κιβώτιο ταχυτήτων, ένα σύστημα πέδησης το οποίο
ενεργοποιείται για να ακινητοποιήσει τον δρομέα σε καταστάσεις εκτάκτου
ανάγκης και έναν υδραυλικό συμπλέκτη. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απαραίτητο
για την προσαρμογή του χαμηλού αριθμού στροφών του δρομέα του
ανεμοκινητήρα, από περίπου 15 ως 30 rpm, σε αυτόν της γεννήτριας, περίπου
1000 ως 1500 rpm. Το μηχανικό σύστημα μεταφοράς πρέπει να είναι κατάλληλα
σχεδιασμένο γιατί δέχεται ιδιαίτερα έντονες καταπονήσεις λόγω των
διακυμάνσεων της αεροδυναμικής ισχύος. Μερικοί κατασκευαστές μειώνουν
αυτές τις καταπονήσεις προσθέτοντας ελαστικές συνδέσεις και αναρτήσεις στο
σύστημα οδήγησης. Αυτό συναντάται κυρίως στις μεγάλες ανεμογεννήτριες,
όπου τα μηχανικά φορτία είναι πιο μεγάλα. [4]
28. 26
3.3.3. Ηλεκτρικό σύστημα – Τύποι γεννητριών
Το ηλεκτρικό σύστημα μπορεί να περιλαμβάνει τη γεννήτρια, το
διακοπτικό εξοπλισμό, τον εξοπλισμό προστασίας, μετασχηματιστές, γραμμές
μεταφοράς καθώς και ένα σύστημα εποπτείας και ελέγχου. Η πρόοδος στην
τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος, προσφέρει τη δυνατότητα επιλογής
ανάμεσα σε διαφορετικές τοπολογίες ελέγχου ισχύος των ανεμογεννητριών,
ανάλογα με την εφαρμογή. Οι δύο κύριες κατηγορίες των τοπολογιών αυτών
είναι:
• οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας (fixed speed wind turbines)
• οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας (variable speed wind turbines).
Στην περίπτωση των ανεμογεννητριών σταθερής συχνότητας, ανεξάρτητα
από την ταχύτητα του ανέμου, η ταχύτητα του ρότορα είναι σταθερή και
καθορίζεται από τη συχνότητα του συνδεόμενου δικτύου, τη σχέση του κιβωτίου
ταχυτήτων και το σχεδιασμό της γεννήτριας. Σχεδιάζονται ώστε να παρουσιάζουν
βέλτιστη αεροδυναμική απόδοση σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Οι
ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας αποτελούνται από μια επαγωγική
γεννήτρια που συνδέεται κατευθείαν στο δίκτυο με μια διάταξη ομαλής εκκίνησης
(soft starter) και μια συστοιχία πυκνωτών, για τη μείωση της κατανάλωσης
άεργου ισχύος. Είναι απλές κατασκευαστικά, στιβαρές και αξιόπιστες. Επίσης το
κόστος των ηλεκτρικών της μερών είναι χαμηλό. Τα μειονεκτήματά της είναι η
έλλειψη ελέγχου της άεργου ισχύος, οι μηχανικές καταπονήσεις και τα
προβλήματα ποιότητας ισχύος. Επειδή λειτουργούν σε σταθερή ταχύτητα, όλες οι
ταλαντώσεις της ταχύτητας του ανέμου μεταδίδονται ως ταλαντώσεις στη
μηχανική ροπή και στη συνέχεια ως ταλαντώσεις στην ηλεκτρική ισχύ στο
συνδεόμενο δίκτυο.
Για τους παραπάνω λόγους επικρατεί η τοπολογία της λειτουργίας των
ανεμογεννητριών με μεταβλητές στροφές. Αυτές σχεδιάζονται ώστε να
επιτυγχάνουν βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής συμπεριφοράς σε ένα μεγάλο
εύρος ταχυτήτων του ανέμου. Μέσω της λειτουργίας με μεταβλητές στροφές
γίνεται εφικτό να προσαρμόζεται η γωνιακή ταχύτητα του ρότορα της
ανεμογεννήτριας σε κάθε ταχύτητα ανέμου. Με τον τρόπο αυτό, ο λόγος
ταχύτητας ακροπτερυγίου λ διατηρείται σταθερός σε μία προκαθορισμένη τιμή
που αντιστοιχεί στον συντελεστή μέγιστης αεροδυναμικής απόδοσης. Σε
αντίθεση με τη διάταξη σταθερών στροφών, η διάταξη μεταβλητών στροφών
διατηρεί τη ροπή της γεννήτριας σχεδόν σταθερή και οι διακυμάνσεις του ανέμου
αποσβένονται μέσω της αλλαγής της ταχύτητας της γεννήτριας. Το ηλεκτρικό
σύστημα μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών είναι πιο πολύπλοκο από
το αντίστοιχο των σταθερών στροφών. Συνήθως αποτελείται από μια επαγωγική
ή σύγχρονη γεννήτρια που συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός μετατροπέα ισχύος.
Τα πλεονεκτήματά αυτής της διάταξης είναι η αυξημένη απομάστευση
ισχύος, η βελτιωμένη ποιότητα ισχύος και η μειωμένη καταπόνηση των
μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας. Τα μειονεκτήματά της είναι οι απώλειες
στους μετατροπείς ισχύος, η πολυπλοκότητα και το αυξημένο κόστος. [4]
29. 27
Τύποι γεννητριών
Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να περιέχουν διάφορους τύπους γεννητριών,
σύγχρονες ή ασύγχρονες (επαγωγικές).
Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη ανεμογεννήτρια είναι η ασύγχρονη.
Πλεονεκτήματά της είναι η στιβαρότητα, η κατασκευαστική απλότητα και το
χαμηλό κόστος. Το κύριο μειονέκτημά της είναι ότι ο στάτης χρειάζεται ένα άεργο
ρεύμα μαγνήτισης. Η ασύγχρονη μηχανή δεν περιέχει μόνιμους μαγνήτες και
κύκλωμα διέγερσης. Το απαιτούμενο ρεύμα διέγερσης το λαμβάνει από μια άλλη
πηγή, απορροφώντας άεργο ισχύ. Η άεργος ισχύς μπορεί να παρέχεται από το
δίκτυο ή από μια διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος. Το μαγνητικό πεδίο της
γεννήτριας αναπτύσσεται μόνο όταν συνδέεται με ένα ενεργό δίκτυο
εναλλασσόμενου ρεύματος. Στην περίπτωση που υπάρχει τέτοια διέγερση, το
δημιουργούμενο μαγνητικό πεδίο περιστρέφεται με μια ταχύτητα που καθορίζεται
από τον αριθμό των πόλων στα τυλίγματα και τη συχνότητα του ρεύματος, τη
σύγχρονη ταχύτητα. Έτσι αν ο ρότορας περιστρέφεται με μια ταχύτητα που
ξεπερνά τη σύγχρονη ταχύτητα, ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται ανάμεσα στο
πεδίο του ρότορα και το στρεφόμενο πεδίο του στάτη, ανάλογο με τη σχετική
ταχύτητα (ολίσθηση), που προκαλεί τα ρεύματα στα τυλίγματα του ρότορα. Η
αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου του ρότορα με αυτό του στάτη έχει σαν
αποτέλεσμα τη ροπή που ασκείται στο ρότορα. Οι ασύγχρονες γεννήτριες μπορεί
να είναι:
• βραχυκυκλωμένου κλωβού (squirrel cage)
• δακτυλιοφόρου δρομέα (wound rotor)
Ασύγχρονες γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού
Οι γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού επιλέγονται συχνά για αιολικές
εφαρμογές, επειδή εμφανίζουν μηχανική απλότητα, υψηλή απόδοση και μικρές
απαιτήσεις σε συντήρηση. Χρησιμοποιούνται σε διατάξεις είτε σταθερών είτε
μεταβλητών στροφών. Σε διατάξεις σταθερών στροφών συνδέονται κατευθείαν
στο δίκτυο όπως φαίνεται στο σχήμα 3.3. Σε αυτήν την περίπτωση η ταχύτητά
τους αλλάζει μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό στις αλλαγές του ανέμου. Όπως
αναφέρθηκε και παραπάνω, οι διακυμάνσεις στην ταχύτητα του ανέμου
μεταδίδονται κατευθείαν στο δίκτυο. Αυτές οι διακυμάνσεις είναι ιδιαίτερα
κρίσιμες κατά τη διάρκεια της σύνδεσης της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο, όπου το
ρεύμα εκκίνησης είναι περίπου 7-8 φορές μεγαλύτερο του ονομαστικού. Σε ένα
ασθενές δίκτυο αυτό το μεγάλο ρεύμα εκκίνησης μπορεί να προκαλέσει σοβαρές
διαταραχές στην τάση. Για το λόγο αυτό η σύνδεση μιας τέτοιας γεννήτριας στο
δίκτυο θα πρέπει να γίνεται σταδιακά ώστε να περιοριστεί το ρεύμα εκκίνησης.
Στις γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού, υπάρχει μια μοναδική
αναλογία ανάμεσα στην πραγματική ισχύ, την άεργο ισχύ, την τερματική τάση και
την ταχύτητα του ρότορα. Αυτό σημαίνει ότι σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου η
ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει παραπάνω πραγματική ισχύ μόνο αν η
γεννήτρια τραβήξει από το δίκτυο παραπάνω άεργο ισχύ. Για τη γεννήτρια
βραχυκυκλωμένου κλωβού που είναι απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο, η
30. 28
ποσότητα της απορροφούμενης άεργου ισχύος είναι ανεξέλεγκτη διότι ποικίλει
ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Αν δεν υπάρχουν ηλεκτρικά στοιχεία για να
παρέχουν την άεργο ισχύ, αυτή θα πρέπει να απορροφηθεί από το δίκτυο. Η
άεργος ισχύς που απορροφάται από το δίκτυο προκαλεί επιπρόσθετες απώλειες
μεταφοράς και σε μερικές περιπτώσεις αστάθεια στο δίκτυο. Στην περίπτωση
αυτή μπορούν να χρησιμοποιηθούν συστοιχίες πυκνωτών και σύγχρονοι
μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος για τη μείωση της απορρόφησης άεργου
ισχύος από το δίκτυο. Στην περίπτωση που η γεννήτρια βραχυκυκλωμένου
κλωβού χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών, τα
εναλλασσόμενα μεγέθη μεταβλητής συχνότητας που παράγονται από τη
γεννήτρια, μετατρέπονται στα αντίστοιχα της επιθυμητής, σταθερής συχνότητας
του δικτύου με τη χρήση μετατροπέων ισχύος.
Σχήμα 3.3 Γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού απευθείας συνδεδεμένη στο
δίκτυο [4]
Ασύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα
Στην περίπτωση των γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα τα ηλεκτρικά
χαρακτηριστικά του ρότορα μπορούν να ελεγχθούν εξωτερικά και με το τρόπο
αυτό να επηρεαστεί η τάση του ρότορα. Τα τυλίγματα του ρότορα μπορούν να
συνδεθούν εξωτερικά μέσω δακτυλιδιών και ψηκτρών ή μέσω εξοπλισμού
ηλεκτρονικών ισχύος, ο οποίος μπορεί να απαιτεί ή όχι δακτυλίδια και ψήκτρες.
Τα κύρια μειονεκτήματά της είναι το κόστος και η όχι και τόσο στιβαρή
κατασκευή.
Οι κύριοι τύποι γεννητριών δακτυλιοφόρου δρομέα που χρησιμοποιούνται
σήμερα είναι:
• οι γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα
(σύστημα optislip)
• οι γεννήτριες διπλής τροφοδότησης (double fed).
Οι γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα έχουν ως
σκοπό να ελαχιστοποιηθεί το φορτίο στις ανεμογεννήτριες κατά τη διάρκεια
ριπών ανέμου. Με τον τρόπο αυτό, η γεννήτρια έχει τη δυνατότητα να μεταβάλει
31. 29
την ολίσθησή της (σε ένα μικρό εύρος τιμών) και να οδηγηθεί στη βέλτιστη
ολίσθηση, εξασφαλίζοντας μικρότερες ταλαντώσεις στη ροπή εισόδου και στην
ισχύ εξόδου. Οι γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα
είναι γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα με μια μεταβλητή εξωτερική αντίσταση
που συνδέεται στα τυλίγματα του δρομέα (Σχήμα 3.4). Η ολίσθηση του δρομέα
αλλάζει μεταβάλλοντας τη συνολική αντίσταση του ρότορα μέσω ενός
μετατροπέα, ο οποίος συνδέεται στον άξονα του ρότορα. Ο στάτης της
γεννήτριας συνδέεται κατευθείαν στο δίκτυο. Η μεταβλητή ολίσθηση είναι ένας
απλός, αξιόπιστος και οικονομικός τρόπος για να μειωθεί το φορτίο στην
περίπτωση ριπών.
Τα μειονεκτήματά της είναι ότι το εύρος στο οποίο μεταβάλλεται η
ταχύτητα περιορίζεται στο 0-10%, καθώς εξαρτάται από το μέγεθος της
μεταβλητής αντίστασης του στάτη και ότι ο έλεγχος πραγματικής και άεργου
ισχύος που επιτυγχάνεται δεν είναι αρκετά ικανοποιητικός. Επίσης ένα ποσοστό
ισχύος καταναλώνεται στη μεταβλητή αντίσταση του ρότορα.
Σχήμα 3.4 Γεννήτρια με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα [4]
Η γεννήτρια διπλής αποτελείται από μια γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα
με τα τυλίγματα του στάτη απευθείας συνδεδεμένα στο δίκτυο εναλλασσόμενου
ρεύματος και τα τυλίγματα του ρότορα συνδεδεμένα σε μια διάταξη διασύνδεσης
Εναλλασσόμενου Ρεύματος /Συνεχούς Ρεύματος /Εναλλασσόμενου Ρεύματος
(ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) με μετατροπείς πηγής τάσης (Σχήμα 3.5). Ο όρος «διπλής
τροφοδότησης» αναφέρεται στο γεγονός ότι η τάση στο στάτη εφαρμόζεται από
το δίκτυο και η τάση στο ρότορα εφαρμόζεται από τον μετατροπέα ισχύος. Αυτό
το σύστημα επιτρέπει τη λειτουργία υπό μεταβλητή ταχύτητα σε ένα μεγάλο,
αλλά περιορισμένο, εύρος. Ο μετατροπέας αντισταθμίζει τη διαφορά ανάμεσα
στη μηχανική και την ηλεκτρική συχνότητα εκχύοντας στο ρότορα ένα ρεύμα με
μεταβλητή συχνότητα. Έτσι, κατά την κανονική λειτουργία αλλά και κατά τη
διάρκεια σφαλμάτων, η συμπεριφορά της γεννήτριας ελέγχεται από τον
32. 30
μετατροπέα ισχύος και τους ελεγκτές του. Η διάταξη των μετατροπέων
αποτελείται από δύο μετατροπείς πηγής τάσης, ο ένας στην πλευρά του ρότορα
και ο άλλος στην πλευρά του δικτύου, οι οποίοι ελέγχονται ανεξάρτητα ο ένας
από τον άλλο. Ο μετατροπέας που βρίσκεται στην πλευρά του ρότορα ελέγχει
την πραγματική και την άεργο ισχύ ελέγχοντας τις συνιστώσες του ρεύματος του
ρότορα, ενώ ο μετατροπέας από την πλευρά του δικτύου ελέγχει την τάση ΣΡ
ώστε η άεργος ισχύς που απορροφάται από το δίκτυο να είναι ίση με μηδέν.
Ανάλογα με την κατάσταση λειτουργίας στο σύστημα οδήγησης, η ισχύς
τροφοδοτείται στο ρότορα ή απορροφάται από αυτόν. Σε μια υπερσύγχρονη
κατάσταση λειτουργίας, η ισχύς οδηγείται από το ρότορα μέσω του μετατροπέα
στο δίκτυο, ενώ στην υποσύγχρονη κατάσταση λειτουργίας η κατεύθυνση της
ισχύος είναι από το δίκτυο προς το ρότορα. Και στις δύο καταστάσεις ο στάτης
τροφοδοτεί με ενέργεια το δίκτυο.
Σχήμα 3.5 Γεννήτρια διπλής τροφοδότησης [4]
Η γεννήτρια διπλής τροφοδότησης παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα.
Έχει την ιδιότητα να ελέγχει ανεξάρτητα την πραγματική από την άεργο ισχύ
μέσω του ρεύματος στο ρότορα. Δεν είναι αναγκαίο να μαγνητιστεί από το δίκτυο,
καθώς μπορεί να μαγνητιστεί και από το δίκτυο του ρότορα. Έχει επίσης την
ικανότητα να παράγει άεργο ισχύ, η οποία τροφοδοτείται στο δίκτυο μέσω του
μετατροπέα που βρίσκεται προς την πλευρά του δικτύου. Παρόλα αυτά αυτός ο
μετατροπέας υπό κανονικές συνθήκες λειτουργεί υπό μοναδιαίο συντελεστή
ισχύος και δεν εμπλέκεται σε ανταλλαγή άεργου ισχύος ανάμεσα στην
ανεμογεννήτρια και το δίκτυο. Στην περίπτωση που το δίκτυο είναι ασθενές με
διακυμάνσεις στην τάση, η γεννήτρια διπλής τροφοδότησης μπορεί να ρυθμιστεί
ώστε να παράγει ή να καταναλώνει ένα ποσό άεργου ισχύος με σκοπό τον
έλεγχο της τάσης. Το μέγεθος του μετατροπέα δεν σχετίζεται με τη συνολική ισχύ
της γεννήτριας, αλλά με το επιλεγμένο εύρος ταχυτήτων και άρα με την
ολίσθηση. Η επιλογή του εύρους ταχυτήτων βασίζεται στην οικονομική
βελτιστοποίηση και στην αυξημένη απόδοση.
