Ανεµογεννήτριες. Γιάννης Κατσίγιαννης

Transcript

1 Ανεµογεννήτριες Γιάννης Κατσίγιαννης

2 Ισχύςαέριαςδέσµης Ηισχύς P air µιαςαέριαςδέσµηςείναιίσηµε: P air 1 = ρ 2 A V 3 όπου: ρ: πυκνότητααέρα Α: επιφάνεια (για µια ανεµογεννήτρια αντιστοιχεί στην επιφάνεια σάρωσης των πτερυγίων της) V: ταχύτητα του ανέµου Η τιµή της πυκνότητας ρ του αέρα εξαρτάται από την ατµοσφαιρική πίεση P και την (απόλυτη) θερµοκρασία Τ του µέρους που θέλουµε να µελετήσουµε σύµφωνα µε το νόµο των ιδανικών αερίων: ρ = P R T όπου R είναι η παγκόσµια σταθερά των αερίων

3 Ανεµογεννήτριες (Α/Γ) Οι ανεµογεννήτριες (Α/Γ) µετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέµου σε ηλεκτρική ενέργεια ΟιΑ/Γµπορείναείναιδύοτύπων: Οριζόντιου άξονα Κατακόρυφου άξονα Οι Α/Γ οριζόντιου άξονα παρουσιάζουν τα περισσότερα πλεονεκτήµατα και έχουν κυριαρχήσει στην πράξη Οι Α/Γ κατακόρυφου άξονα µπορούν να εγκατασταθούν κοντά στο έδαφος (π.χ. σε ταράτσες κτιρίων) και συµπεριφέρονταικαλύτεραστιςαλλαγέςδιεύθυνσηςανέµου. Αποτελούν µια ενδιαφέρουσα εναλλακτική για εφαρµογές στον τοµέα των κτιρίων

4 ΤαξινόµησηµεγεθώνΑ/Γ οριζόντιουάξονα Μέγεθος Ισχύς εξόδου Ύψος πύργου ιάµετρος ρότορα Επιφάνεια Α/Γ (kw) (m) (m) σάρωσης (m 2 ) micro Μικρότερη από 1 - Μικρότερη από 1 Μικρότερη από 1 Μικρό 1 µε 50 5 µε 30 1 µε 16 1 µε 200 Μεσαίο 50 µε µε µε µε 2400 Μεγάλο Πάνω από 1000 Πάνω από 50 Πάνω από 55 Πάνω από 2400

5 ΤµήµαταΑ/Γοριζόντιουάξονα

6 micro Α/Γ

7 ΜικρήΑ/Γ

8 ΜεγάληΑ/Γ (5 MW)

9 ΑντιπροσωπευτικάµεγέθηΑ/Γ

10 Αντιπροσωπευτικάµεγέθη µικρώνα/γ

11 Αξιοποίησηαιολικούδυναµικού απόα/γ Οι πηγές πληροφόρησης για το αιολικό δυναµικό µιας περιοχής προέρχονται κυρίως από: Χάρτες αιολικού δυναµικού ΚΑΠΕ ΡΑΕ ΕΜΥ Μετρήσεις αιολικού δυναµικού Μακροσκοπικά µοντέλα µετεωρολογικών προβλέψεων Κατηγοριοποίηση του αιολικού δυναµικού µέσης ετήσιας τιµής ανέµου: Ανεπαρκές: < 4 m/sec Χαµηλό: 4 5,5 m/sec Μέσο: 5,5 7 m/sec Υψηλό: 7 9 m/sec Πολύυψηλό: > 9 m/sec Η εγκατάσταση Α/Γ παρουσιάζει επενδυτικό ενδιαφέρον σε περιοχές τουλάχιστον µέσου αιολικού δυναµικού (>5,5 m/sec)

12 Επιλογήπεριοχώνγια εγκατάστασηα/γ Περιοχές µε υψηλή µέση ταχύτητα αέρα και οµαλή ροή όπως: Περιοχές κοντά στις ακτές Περιοχές µε οµαλό πεδίο (µικρή τραχύτητα) Οµαλές κορυφογραµµές

13 Προσήνεµηκαιυπήνεµηδιάταξη Α/Γοριζόντιουάξονα Η κατηγοριοποίηση αυτή των Α/Γ οριζόντιου άξονα σχετίζεται µε τη θέση των πτερυγίων σε σχέση µε τον πυλώνα. Υπάρχουν δύο κατηγορίες διατάξεων: Προσήνεµη διάταξη: Όταν η Α/Γ λειτουργεί ο άνεµος συναντάει πρώτα τα πτερύγια και µετά τον πυλώνα. Οι Α/Γ αυτές αποτελούν την πλειονότητα των Α/Γ που κυκλοφορούν στην αγορά Υπήνεµη διάταξη: Όταν η Α/Γ λειτουργεί ο άνεµος συναντάει πρώτα τον πυλώνα και µετά τα πτερύγια. Οι Α/Γ αυτές δεν χρειάζονται ουρά για να λειτουργήσουν. Μπορεί να παρουσιαστεί πρόβληµα στη λειτουργία τους αν ο άνεµος αλλάξει απότοµα στην αντίθετη κατεύθυνση

14 Προσήνεµηκαιυπήνεµηδιάταξη Α/Γοριζόντιουάξονα Προσήνεµη Υπήνεµη

15 ΣυστήµαταΑ/Γ Μηχανικό σύστηµα: Περιλαµβάνει τον ανεµοκινητήρα (σύστηµα µετατροπής της κινητικής ενέργειας του ανέµου σε µηχανική). Κύρια µέρη του συστήµατος είναι η έλικα µε το σύστηµα ελέγχου του βήµατός της (αν υπάρχει). Συνήθως µεταξύ του ανεµοκινητήρα και της γεννήτριας µεσολαβεί ένας πολλαπλασιαστής στροφών (κιβώτιο ταχυτήτων) Ηλεκτρικό σύστηµα: Περιλαµβάνει τη γεννήτρια και ενδεχοµένως ένα µετατροπέα ισχύος (π.χ., AC/DC/AC), που παρεµβάλλεται µεταξύ της γεννήτριας και του φορτίου Σύστηµα ελέγχου Α/Γ: Προσαρµόζει τη λειτουργία της προς της εκάστοτε συνθήκες ανέµου, επιτηρεί την ασφάλεια και µεγιστοποιεί την απόδοσή της

16 Θάλαµοςµηχανισµώνµεγάλης Α/Γοριζόντιουάξονα

17 ΤµήµαταΑ/Γκατακόρυφουάξονα Darrieus

18 Α/Γκατακόρυφουάξονα H-Rotor Savonius

19 Συντελεστήςισχύος ανεµογεννήτριας Στην πραγµατικότητα η Α/Γ εκµεταλλεύεται ένα ποσοστό από την ισχύ του αέρα. Το ποσοστό αυτό καθορίζεται από τον συντελεστή ισχύος C p της Α/Γ, ο οποίος αποτελεί στην ουσία τον αεροδυναµικό βαθµό της πτερωτής. Ακόµα και για µια ιδανική πτερωτή, ο συντελεστής ισχύος δεν µπορεί να υπερβεί το όριο του Betz (59,3%), δηλαδή: C p (16/27) = 0,593 Ηισχύς P Α/Γ πουαποδίδειηα/γείναιτελικά: 1 3 P Α/Γ = C p ρ A V nh / M 2 όπου n Η/Μ είναι ο ηλεκτρικός και µηχανικός βαθµός απόδοσης της Α/Γ

20 Λόγοςταχύτηταςακροπτερυγίουλ Για µια δοσµένη ταχύτητα ανέµου, η απόδοση της πτερωτής είναι συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής της πτερωτής Αν η πτερωτή περιστρέφεται πολύ αργά, η απόδοση µειώνεται σηµαντικά, επειδή τα πτερύγια της Α/Γ αφήνουν πάρα πολύ µεγάλη ποσότητα αέρα να περάσει ανεπηρέαστη Αν η πτερωτή περιστρέφεται πολύ γρήγορα, η απόδοση µειώνεται καθώς ο στροβιλισµός που προκαλείται από ένα πτερύγιο επηρεάζει αυξητικά το επόµενο πτερύγιο Ο συνήθης τρόπος παρουσίασης της απόδοσης της πτερωτής είναι να την εκφράσουµε ως συνάρτηση του (αδιάστατου) λόγου της ταχύτητας ακροπτερυγίου του δροµέα λ, η οποία ορίζεται ως: R λ= ω V όπου R η ακτίνα της πτερωτής, V η ταχύτητα του ανέµου, και ω η γωνιακή ταχύτητα

21 ΑπόδοσηΑ/Γδιαφόρωντύπων (συσχέτισηµεταξύ C p καιλ)

22 Ωφέλιµηαιολικήισχύς Εκτός από τα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, υπάρχουν και άλλοι περιορισµοί που µειώνουν σηµαντικά το πραγµατικά αξιοποιήσιµο αιολικό δυναµικό µιας περιοχής από µία Α/Γ: Για µικρές ταχύτητες ανέµου η ανεµογεννήτρια δεν περιστρέφεται επειδή οι απώλειες κενού φορτίου (τριβές στον άξονα, µειωτήρα, κλπ) είναι µεγαλύτερες από την παραγόµενη ισχύ της µηχανής. Η ταχύτητα στην οποία αρχίζει η λειτουργία της Α/Γ ονοµάζεται ταχύτητα έναρξης λειτουργίας V in (τυπικέςτιµές V in : 2 5 m/sec) Από µια τιµή της ταχύτητας του ανέµου και µετά η ωφέλιµη ισχύς της Α/Γ παραµένει για λειτουργικούς λόγους περίπου σταθερή, µε αποτέλεσµα να χάνεται ένα σηµαντικό µέρος της ενέργειας του ανέµου ιδιαίτερα σε υψηλές ταχύτητες. Η µικρότερη ταχύτητα του ανέµου στην οποία έχουµε ονοµαστική ισχύ της µηχανής ονοµάζεται ονοµαστική ταχύτηταλειτουργίας V R (συνήθως V R =10 15 m/sec) Λόγοι ασφάλειας της εγκατάστασης επιβάλουν τη διακοπή λειτουργίας της µηχανής σε πολύ υψηλές ταχύτητες ανέµου. Η ταχύτητα διακοπής λειτουργίας V out κυµαίνεταιµεταξύ 20 m/secκαι 25 m/sec

23 ΑρχέςελέγχουΑ/Γ Για τον έλεγχο ισχύος της Α/Γ είναι απαραίτητη είτε η ρύθµιση του βήµατός της, είτε ο κατάλληλος αεροδυναµικός σχεδιασµός και η αξιοποίηση του φαινοµένου «απώλειας στήριξης» Με τη διαδικασία ρύθµισης βήµατος (pitch control) επιχειρείται η περιστροφή του πτερυγίου γύρω από το διαµήκη άξονά του, µε σκοπό την επίτευξη της επιθυµητής γωνίας προσβολής κατά το µήκος του πτερυγίου ώστε να υλοποιούνται οι απαιτήσεις ισχύος της µηχανής Ο µηχανισµός απώλειας στήριξης (stall control) βασίζεται στο αεροδυναµικό φαινόµενο της αποκόλλησης του οριακού στρώµατος από τµήµα ή το σύνολο του πτερυγίου, εφόσον η γωνία προσβολής του πτερυγίου ξεπεράσει ορισµένα αεροδυναµικά όρια. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε απότοµη µείωση της ισχύος της µηχανής

24 Μηχανισµόςρύθµισηςβήµατος

25 ΚαµπύληισχύοςΑ/Γµε µηχανισµόρύθµισηςβήµατος

26 ΚαµπύληισχύοςΑ/Γµε µηχανισµόαπώλειαςστήριξης

27 ΚαµπύλεςλειτουργίαςΑ/Γελέγχου βήµατοςκαιαπώλειαςστήριξης

28 ιάκρισηα/γανάλογαµετιςαρχές λειτουργίαςκαιελέγχουτους Σταθερών στροφών: Λειτουργούν σε ένα στενό εύρος ταχύτητας περιστροφής, λίγο πάνω από τη σύγχρονη ταχύτητα (που σχετίζεται µε τη συχνότητα του δικτύου). Η σύνδεση Α/Γ αυτού του τύπου µε το δίκτυο γίνεται απευθείας και δεν υπάρχει άµεσος έλεγχος της ποιότητας ισχύος που εγχύεται στο δίκτυο Μεταβλητών στροφών: Λειτουργούν σε µεγάλο εύρος στροφών πάνω και κάτω από τη σύγχρονη ταχύτητα. Η ταχύτητα περιστροφής βελτιστοποιείται µε βάση την τιµή του εισερχόµενου ανέµου µε στόχο την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης. Για το σκοπό αυτό είναι απαραίτητη η χρήση ηλεκτρονικών ισχύος (AC/DC/AC µετατροπέα)

29 Α/Γσταθερώνστροφώνµε ασύγχρονηγεννήτρια

30 Α/Γµεταβλητώνστροφώνµεασύγχρονη γεννήτριαδιπλήςτροφοδότησης

31 Α/Γµεταβλητώνστροφώνµε σύγχρονηγεννήτρια Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απλούστερο ή δεν υπάρχει Πολύ φιλικότερες στο δίκτυο

32 Α/Γ DC µεµόνιµουςµαγνήτες Συνήθως συναντάται σε µικρές Α/Γ έως 10kW Η παροχή DC χρειάζεται µετατροπέα για σύνδεση στο δίκτυο Χρειάζεται προσοχή στη µεταφορά διότι αν χτυπηθεί η Α/Γ µπορεί να προκληθεί βλάβη στους µόνιµους µαγνήτες

33 Παραγωγήισχύος απόµικρή DC Α/Γ

34 ΑποδοτικότηταµικρώνΑ/Γ καιονοµαστικήισχύς Σε αντίθεση µε τα φωτοβολταϊκά συστήµατα, οι ονοµαστική ισχύς των µικρών Α/Γ δεν αναφέρεται σε τυποποιηµένες συνθήκες. Πολλές φορές αυτό έχει ως αποτέλεσµα δύο διαφορετικές Α/Γ να αποδίδουν ίδια ονοµαστική ισχύ σε ταχύτητες ανέµου που διαφέρουν κατά πολύ µεταξύ τους (π.χ., 11 m/sκαι 15 m/s) Για το λόγο αυτό πρέπει να αποφεύγεται η χρήση της ονοµαστικής ισχύος της Α/Γ ως κριτήριο αποδοτικότητας Ένα πολύ πιο αντιπροσωπευτικό κριτήριο είναι τα στοιχεία ετήσιας παραγωγής ενέργειας που δίνουν οι κατασκευαστές Α/Γ για δεδοµένες ταχύτητες ανέµου. Βάσει αυτών των στοιχείων, µπορούν να παρατηρηθούν διαφορές στην ενεργειακή παραγωγή Α/Γ ίδιας ονοµαστικής ισχύος ακόµα και µεγαλύτερες του 25%! Σε περίπτωση που δεν είναι διαθέσιµα τα στοιχεία ετήσιας παραγωγής ενέργειας, η διάµετρος της Α/Γ (εφόσον αναφερόµαστε σε Α/Γ αντίστοιχου είδους) αποτελεί αντιπροσωπευτικότερο κριτήριο από την ονοµαστική ισχύ

35 ΑποδοτικότηταµικρώνΑ/Γ καιονοµαστικήισχύς Για πιο ρεαλιστικούς υπολογισµούς, σε σχέση µε την παραγωγή ενέργειας που δηλώνει ο κατασκευαστής, χρειάζεται να ληφθεί υπόψη η µείωση εξαιτίας της παρουσίας στροβιλισµών Μια ρεαλιστική επιλογή των συντελεστών µείωσης λόγωστροβιλισµώνείναι: 15% για µια περιοχή χωρίς σηµαντικά εµπόδια τριγύρω 20% για περιοχή µε φράχτες και χαµηλά κτίρια 25% για µια πιο πυκνοκατοικηµένη περιοχή, που έχει τριγύρω δέντρα, σπίτια και άλλα κτίρια

36 Τύποι στήριξης μικρών Α/Γ Μονός σωλήνας με στήριξη καλωδιώσεων Πύργος με στήριξη καλωδιώσεων Στήριξη δικτυωτού πύργου Στήριξη μονού σωλήνα Στήριξη «σπαστού» μονού σωλήνα

37 ΤυπικήεγκατάστασηµικρήςΑ/Γ οριζοντίουάξονα Στήριξη «σπαστού»µονού σωλήνα µε στήριξη καλωδιώσεων

38 ΘόρυβοςµικρώνΑ/Γ Οι µικρές Α/Γ παράγουν θόρυβο, και καθώς η ταχύτητα του ανέµου αυξάνει, αυξάνεται και ο θόρυβος Ο θόρυβος µιας Α/Γ παράγεται κυρίως από τα περιστρεφόµενα πτερύγια και δευτερευόντως από τη γεννήτρια Ο ανεπιθύµητος θόρυβος µπορεί να µειωθεί µε την επιλογή Α/Γ που λειτουργεί σε χαµηλές στροφές λειτουργίας. Επιπλέον, η επιλογή αυτή αυξάνει και τη διάρκεια ζωής της Α/Γ Ένας άλλος τρόπος µείωσης του θορύβου είναι η εγκατάσταση της Α/Γ σε µεγαλύτερο ύψος

39 ΝοµικόπλαίσιοµικρώνΑ/Γ (Νόµος 3851/2010) Αιολικές εγκαταστάσεις µε εγκατεστηµένη ηλεκτρική ισχύ µικρότερη ή ίση των εκατό 100 kw εξαιρούνται από την υποχρέωση να λάβουν άδεια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Αιολικές εγκαταστάσεις έως 20 kw εξαιρούνται από την υποχρέωση έκδοσης Έγκρισης Περιβαλλοντικών Όρων (Ε.Π.Ο.)

40 ΤιµολόγησηΑ/Γ (Νόµος 3851/2010)

41 ΧρόνοςαπόσβεσηςΑ/Γ Ο χρόνος απόσβεσης της εγκατάστασης αποτελεί τον πιο κοινό δείκτη αξιολόγησης µιας επένδυσης Μια απλοποιηµένη προσέγγιση στην εκτίµηση του χρόνου απόσβεσης αποτελεί ο υπολογισµός του χρόνου όπου τα συνολικά ετήσια έσοδα γίνονται ίσα ή ξεπερνούν τα έξοδα συντήρησης προστιθέµενα στο κόστος αγοράς και εγκατάστασης έως τη συγκεκριµένη χρονιά Ο παραπάνω υπολογισµός δε λαµβάνει υπόψη τη χρονική µεταβολή των οικονοµικών µεγεθών και ως εκ τούτου δεν µπορεί να δώσει ακριβή αποτελέσµατα

42 ΤεχνικήδιαθεσιµότηταΑ/Γ Η τεχνική διαθεσιµότητα " " µιας εγκατάστασης εκφράζει την ικανότητα ασφαλούς λειτουργίας της εγκατάστασης από τεχνικής σκοπιάς και δε συνδέεται άµεσα µε το διαθέσιµο αιολικό δυναµικό της περιοχής Η εµφάνιση ισχυρής έντασης ανέµων αυξάνει την πιθανότητα βλάβης των εγκαταστάσεων και κυρίως εµποδίζει τη γρήγορη και αποτελεσµατική αποκατάσταση πιθανών βλαβών Επιπλέον, σε νησιωτικές (αποµονωµένες) περιοχές, η επιδείνωση των καιρικών συνθηκών µπορεί να καθυστερήσει τη µετάβαση των εξειδικευµένων συνεργείων συντήρησης Μια αιολική εγκατάσταση δεν είναι τεχνικά διαθέσιµη, ακόµα και αν φυσούν άνεµοι ικανής έντασης, σε περιπτώσεις τυχαίων βλαβών, προγραµµατισµένης συντήρησης, λειτουργίας µηχανισµών αυτοπροστασίας αλλά και αδυναµίας του τοπικού ηλεκτρικού δικτύου να απορροφήσει την αποδιδόµενη ενέργεια, όταν η Α/Γ είναι διασυνδεδεµένη Στις µικρές εγκαταστάσεις Α/Γ η τεχνική διαθεσιµότητα κυµαίνεται µεταξύ 0,7 0,9

43 ΣυντελεστήςφορτίουΑ/Γ Η πραγµατική αποδοτικότητα µιας Α/Γ υπολογίζεται µέσω του συντελεστή φορτίου (ΣΦ). Ο ΣΦ αναφέρεται σε ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα. Ο ετήσιος ΣΦ διαιρεί την ενέργεια που παράγει η Α/Γ σε ένα χρόνο E WTyear (σε kwh) µε την ενέργεια που θα παρήγαγε θεωρητικά η ΑΓ εάν λειτουργούσε στην ονοµαστική της ισχύ P R (σε kw) και για τις 8760 ώρες του έτους. Στον υπολογισµό της E WTyear έχει ληφθεί υπόψη η τεχνική διαθεσιµότητα " " της αιολικής εγκατάστασης Ετήσιος ΣΦ = P R E WTyear 8760 h

44 ΤοποθέτησηΑ/Γστον περιβάλλονταχώροκτηρίου

45 Επίπεδοδέντρωνκαιεπιλογή ύψουςµικρώνα/γ

46 ΤοποθέτησηΑ/Γ επάνωσεκτήρια

47 ΕνσωµάτωσηΑ/Γσεκτήρια

48 Α/Γκατακόρυφουάξονα: Ευκολίαστηνεγκατάσταση Απευθείας στερέωση Στερέωση σε βάση

49 ΕνσωµάτωσηΑ/Γ κατακόρυφουάξονα

50 Αιολικόπάρκο

51 Υπεράκτιοαιολικόπάρκο

52 Ενεργειακήαπόδοσηαιολικούπάρκου Η ενεργειακή απόδοση αιολικού πάρκου εξαρτάται από το ρυθµό ανάπτυξης όµορου και την ενέργεια του οµόρου όταν φτάσει στην πίσω αιολική µηχανή

53 ΑλληλεπίδρασηΑ/Γ Η Α/Γ επιβραδύνει τον αέρα που προσπίπτει σε αυτή και δηµιουργείται ένας όµορος χαµηλής ταχύτητας που ανοίγει βαθµιαία λόγω συνεκτικής και τυρβώδους ανάµιξης Αναυτότορεύµααέρασυναντήσει δεύτερη ανεµογεννήτρια πριν ολοκληρωθεί η επαναφορά του στις τιµές πριν από την πρόσπτωση µε την ανεµογεννήτρια, τότε η απόδοση της δεύτερης Α/Γ µειώνεται αισθητά Η απόδοση της δεύτερης µηχανής εξαρτάταιαπότηθέσητηςωςπρος την πρώτη

54 Χωροθέτησηανεµογεννητριών Η θέση εγκατάστασης αιολικών µηχανών, η διάταξη µεταξύ τους και σε σχέση µε την επικρατούσα διεύθυνση ανέµου αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα αντικείµενα µελέτης Ο κενός χώρος σε µια συστοιχία δεν πρέπει να είναι µικρότερος από 2-4 διαµέτρους σαρωτής και ο κενός χώρος µεταξύ των συστοιχιών δεν πρέπει να είναι µικρότερος από 7-10 διαµέτρους σαρωτής

55 Χρήσιµα sites