Ανεµογεννήτριες

Γιάννης Κατσίγιαννης

Ισχύς αέριας δέσµης

Η ισχύς Pairµιας αέριας δέσµης είναι ίση µε:

όπου:

ρ: πυκνότητα αέρα

Α: επιφάνεια (για µια ανεµογεννήτρια αντιστοιχεί στην επιφάνεια σάρωσηςτων πτερυγίων της)

V: ταχύτητα του ανέµου

3

2

1VAPair ⋅⋅⋅= ρ

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:

TR

P

⋅=ρ

όπου R είναι η παγκόσµια σταθερά των αερίων

Ανεµογεννήτριες (Α/Γ)

Οι ανεµογεννήτριες (Α/Γ) µετατρέπουν την κινητική ενέργειατου ανέµου σε ηλεκτρική ενέργεια

Οι Α/Γ µπορεί να είναι δύο τύπων: Οριζόντιου άξονα

Κατακόρυφου άξονα

Οι Α/Γ οριζόντιου άξονα παρουσιάζουν τα περισσότεραπλεονεκτήµατα και έχουν κυριαρχήσει στην πράξη

Οι Α/Γ κατακόρυφου άξονα µπορούν να εγκατασταθούνκοντά στο έδαφος (π.χ. σε ταράτσες κτιρίων) καισυµπεριφέρονται καλύτερα στις αλλαγές διεύθυνσης ανέµου. Αποτελούν µια ενδιαφέρουσα εναλλακτική για εφαρµογέςστον τοµέα των κτιρίων

Ταξινόµηση µεγεθών Α/Γοριζόντιου άξονα

Μέγεθος

Α/Γ

Ισχύς εξόδου

(kW)

Ύψος πύργου

(m)

∆ιάµετρος ρότορα

(m)

Επιφάνεια

σάρωσης (m2)

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 1000 30 µε 70 16 µε 55 200 µε 2400

Μεγάλο Πάνω από 1000 Πάνω από 50 Πάνω από 55 Πάνω από 2400

Τµήµατα Α/Γ οριζόντιου άξονα

micro Α/Γ

Μικρή Α/Γ

Μεγάλη Α/Γ (5 MW)

Αντιπροσωπευτικά µεγέθη Α/Γ

Αντιπροσωπευτικά µεγέθη

µικρών Α/Γ

Αξιοποίηση αιολικού δυναµικού

από Α/Γ

Οι πηγές πληροφόρησης για το αιολικό δυναµικό µιας περιοχήςπροέρχονται 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 Πολύ υψηλό: > 9 m/sec

Η εγκατάσταση Α/Γ παρουσιάζει επενδυτικό ενδιαφέρον σε περιοχέςτουλάχιστον µέσου αιολικού δυναµικού (>5,5 m/sec)

Επιλογή περιοχών για

εγκατάσταση Α/Γ

Περιοχές µε υψηλή µέση ταχύτητα αέρα καιοµαλή ροή όπως:

Περιοχές κοντά στις ακτές

Περιοχές µε οµαλό πεδίο (µικρή τραχύτητα) Οµαλές κορυφογραµµές

Προσήνεµη και υπήνεµη διάταξη

Α/Γ οριζόντιου άξονα

Η κατηγοριοποίηση αυτή των Α/Γ οριζόντιου άξονασχετίζεται µε τη θέση των πτερυγίων σε σχέση µε τονπυλώνα. Υπάρχουν δύο κατηγορίες διατάξεων:

Προσήνεµη διάταξη: Όταν η Α/Γ λειτουργεί ο άνεµοςσυναντάει πρώτα τα πτερύγια και µετά τον πυλώνα. Οι Α/Γαυτές αποτελούν την πλειονότητα των Α/Γ πουκυκλοφορούν στην αγορά

Υπήνεµη διάταξη: Όταν η Α/Γ λειτουργεί ο άνεµοςσυναντάει πρώτα τον πυλώνα και µετά τα πτερύγια. Οι Α/Γαυτές δεν χρειάζονται ουρά για να λειτουργήσουν. Μπορείνα παρουσιαστεί πρόβληµα στη λειτουργία τους αν οάνεµος αλλάξει απότοµα στην αντίθετη κατεύθυνση

Προσήνεµη και υπήνεµη διάταξη

Α/Γ οριζόντιου άξονα

Προσήνεµη Υπήνεµη

Συστήµατα Α/Γ

Μηχανικό σύστηµα: Περιλαµβάνει τον ανεµοκινητήρα(σύστηµα µετατροπής της κινητικής ενέργειας του ανέµουσε µηχανική). Κύρια µέρη του συστήµατος είναι η έλικα µετο σύστηµα ελέγχου του βήµατός της (αν υπάρχει). Συνήθως µεταξύ του ανεµοκινητήρα και της γεννήτριαςµεσολαβεί ένας πολλαπλασιαστής στροφών (κιβώτιοταχυτήτων)

Ηλεκτρικό σύστηµα: Περιλαµβάνει τη γεννήτρια καιενδεχοµένως ένα µετατροπέα ισχύος (π.χ., AC/DC/AC), που παρεµβάλλεται µεταξύ της γεννήτριας και του φορτίου

Σύστηµα ελέγχου Α/Γ: Προσαρµόζει τη λειτουργία τηςπρος της εκάστοτε συνθήκες ανέµου, επιτηρεί την ασφάλειακαι µεγιστοποιεί την απόδοσή της

Θάλαµος µηχανισµών µεγάλης

Α/Γ οριζόντιου άξονα

Τµήµατα Α/Γ κατακόρυφου άξονα

Darrieus

Α/Γ κατακόρυφου άξονα

H-Rotor Savonius

Συντελεστής ισχύος

ανεµογεννήτριας

Στην πραγµατικότητα η Α/Γ εκµεταλλεύεται ένα ποσοστόαπό την ισχύ του αέρα. Το ποσοστό αυτό καθορίζεται απότον συντελεστή ισχύος Cp της Α/Γ, ο οποίος αποτελεί στηνουσία τον αεροδυναµικό βαθµό της πτερωτής. Ακόµα καιγια µια ιδανική πτερωτή, ο συντελεστής ισχύος δεν µπορείνα υπερβεί το όριο του Betz (59,3%), δηλαδή:

Cp ≤ (16/27) = 0,593

Η ισχύς PΑ/Γ που αποδίδει η Α/Γ είναι τελικά:

MHpΑ/Γ nVACP/

3

2

1⋅⋅⋅⋅⋅= ρ

όπου nΗ/Μ είναι ο ηλεκτρικός και µηχανικός βαθµόςαπόδοσης της Α/Γ

Λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ

Για µια δοσµένη ταχύτητα ανέµου, η απόδοση της πτερωτής είναισυνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής της πτερωτής

Αν η πτερωτή περιστρέφεται πολύ αργά, η απόδοση µειώνεταισηµαντικά, επειδή τα πτερύγια της Α/Γ αφήνουν πάρα πολύ µεγάληποσότητα αέρα να περάσει ανεπηρέαστη

Αν η πτερωτή περιστρέφεται πολύ γρήγορα, η απόδοση µειώνεταικαθώς ο στροβιλισµός που προκαλείται από ένα πτερύγιο επηρεάζειαυξητικά το επόµενο πτερύγιο

Ο συνήθης τρόπος παρουσίασης της απόδοσης της πτερωτής είναι νατην εκφράσουµε ως συνάρτηση του (αδιάστατου) λόγου της ταχύτηταςακροπτερυγίου του δροµέα λ, η οποία ορίζεται ως:

όπου R η ακτίνα της πτερωτής, V η ταχύτητα του ανέµου, και ω η

γωνιακή ταχύτητα

V

R⋅=ω

λ

Απόδοση Α/Γ διαφόρων τύπων

(συσχέτιση µεταξύ Cp και λ)

Ωφέλιµη αιολική ισχύς

Εκτός από τα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, υπάρχουν και άλλοιπεριορισµοί που µειώνουν σηµαντικά το πραγµατικά αξιοποιήσιµοαιολικό δυναµικό µιας περιοχής από µία Α/Γ:

Για µικρές ταχύτητες ανέµου η ανεµογεννήτρια δεν περιστρέφεταιεπειδή οι απώλειες κενού φορτίου (τριβές στον άξονα, µειωτήρα, κλπ) είναι µεγαλύτερες από την παραγόµενη ισχύ της µηχανής. Η ταχύτηταστην οποία αρχίζει η λειτουργία της Α/Γ ονοµάζεται ταχύτητα έναρξηςλειτουργίας Vin (τυπικές τιµές Vin: 2÷5 m/sec)

Από µια τιµή της ταχύτητας του ανέµου και µετά η ωφέλιµη ισχύς τηςΑ/Γ παραµένει για λειτουργικούς λόγους περίπου σταθερή, µεαποτέλεσµα να χάνεται ένα σηµαντικό µέρος της ενέργειας του ανέµουιδιαίτερα σε υψηλές ταχύτητες. Η µικρότερη ταχύτητα του ανέµου στηνοποία έχουµε ονοµαστική ισχύ της µηχανής ονοµάζεται ονοµαστικήταχύτητα λειτουργίας VR (συνήθως VR=10÷15 m/sec)

Λόγοι ασφάλειας της εγκατάστασης επιβάλουν τη διακοπή λειτουργίαςτης µηχανής σε πολύ υψηλές ταχύτητες ανέµου. Η ταχύτητα διακοπήςλειτουργίας Vout κυµαίνεται µεταξύ 20 m/sec και 25 m/sec

Αρχές ελέγχου Α/Γ

Για τον έλεγχο ισχύος της Α/Γ είναι απαραίτητη είτε η ρύθµισητου βήµατός της, είτε ο κατάλληλος αεροδυναµικός σχεδιασµόςκαι η αξιοποίηση του φαινοµένου «απώλειας στήριξης»

Με τη διαδικασία ρύθµισης βήµατος (pitch control) επιχειρείταιη περιστροφή του πτερυγίου γύρω από το διαµήκη άξονά του, µεσκοπό την επίτευξη της επιθυµητής γωνίας προσβολής κατά τοµήκος του πτερυγίου ώστε να υλοποιούνται οι απαιτήσεις ισχύοςτης µηχανής

Ο µηχανισµός απώλειας στήριξης (stall control) βασίζεται στοαεροδυναµικό φαινόµενο της αποκόλλησης του οριακούστρώµατος από τµήµα ή το σύνολο του πτερυγίου, εφόσον ηγωνία προσβολής του πτερυγίου ξεπεράσει ορισµένααεροδυναµικά όρια. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε απότοµη µείωσητης ισχύος της µηχανής

Μηχανισµός ρύθµισης βήµατος

Καµπύλη ισχύος Α/Γ µε

µηχανισµό ρύθµισης βήµατος

Καµπύλη ισχύος Α/Γ µε

µηχανισµό απώλειας στήριξης

Καµπύλες λειτουργίας Α/Γ ελέγχου

βήµατος και απώλειας στήριξης

∆ιάκριση Α/Γ ανάλογα µε τις αρχές

λειτουργίας και ελέγχου τους

Σταθερών στροφών: Λειτουργούν σε ένα στενό εύροςταχύτητας περιστροφής, λίγο πάνω από τη σύγχρονηταχύτητα (που σχετίζεται µε τη συχνότητα του δικτύου). Ησύνδεση Α/Γ αυτού του τύπου µε το δίκτυο γίνεταιαπευθείας και δεν υπάρχει άµεσος έλεγχος της ποιότηταςισχύος που εγχύεται στο δίκτυο

Μεταβλητών στροφών: Λειτουργούν σε µεγάλο εύροςστροφών πάνω και κάτω από τη σύγχρονη ταχύτητα. Ηταχύτητα περιστροφής βελτιστοποιείται µε βάση την τιµήτου εισερχόµενου ανέµου µε στόχο την αύξηση τηςενεργειακής απόδοσης. Για το σκοπό αυτό είναι απαραίτητηη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος (AC/DC/AC µετατροπέα)

Α/Γ σταθερών στροφών µε

ασύγχρονη γεννήτρια

Α/Γ µεταβλητών στροφών µε ασύγχρονη

γεννήτρια διπλής τροφοδότησης

Α/Γ µεταβλητών στροφών µε

σύγχρονη γεννήτρια

Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απλούστερο ή δεν υπάρχει

Πολύ φιλικότερες στο δίκτυο

Α/Γ DC µε µόνιµους µαγνήτες

Συνήθως συναντάταισε µικρές Α/Γ έως10kW

Η παροχή DC χρειάζεται µετατροπέαγια σύνδεση στο δίκτυο

Χρειάζεται προσοχήστη µεταφορά διότι ανχτυπηθεί η Α/Γ µπορείνα προκληθεί βλάβηστους µόνιµουςµαγνήτες

Παραγωγή ισχύος

από µικρή DC Α/Γ

Αποδοτικότητα µικρών Α/Γ

και ονοµαστική ισχύς

Σε αντίθεση µε τα φωτοβολταϊκά συστήµατα, οι ονοµαστική ισχύς τωνµικρών Α/Γ δεν αναφέρεται σε τυποποιηµένες συνθήκες. Πολλές φορέςαυτό έχει ως αποτέλεσµα δύο διαφορετικές Α/Γ να αποδίδουν ίδιαονοµαστική ισχύ σε ταχύτητες ανέµου που διαφέρουν κατά πολύ µεταξύτους (π.χ., 11 m/s και 15 m/s)

Για το λόγο αυτό πρέπει να αποφεύγεται η χρήση της ονοµαστικήςισχύος της Α/Γ ως κριτήριο αποδοτικότητας

Ένα πολύ πιο αντιπροσωπευτικό κριτήριο είναι τα στοιχεία ετήσιαςπαραγωγής ενέργειας που δίνουν οι κατασκευαστές Α/Γ για δεδοµένεςταχύτητες ανέµου. Βάσει αυτών των στοιχείων, µπορούν ναπαρατηρηθούν διαφορές στην ενεργειακή παραγωγή Α/Γ ίδιαςονοµαστικής ισχύος ακόµα και µεγαλύτερες του 25%!

Σε περίπτωση που δεν είναι διαθέσιµα τα στοιχεία ετήσιας παραγωγήςενέργειας, η διάµετρος της Α/Γ (εφόσον αναφερόµαστε σε Α/Γαντίστοιχου είδους) αποτελεί αντιπροσωπευτικότερο κριτήριο από τηνονοµαστική ισχύ

Αποδοτικότητα µικρών Α/Γ

και ονοµαστική ισχύς

Για πιο ρεαλιστικούς υπολογισµούς, σε σχέση µετην παραγωγή ενέργειας που δηλώνει οκατασκευαστής, χρειάζεται να ληφθεί υπόψη ηµείωση εξαιτίας της παρουσίας στροβιλισµών

Μια ρεαλιστική επιλογή των συντελεστών µείωσηςλόγω στροβιλισµών είναι:

15% για µια περιοχή χωρίς σηµαντικά εµπόδιατριγύρω

20% για περιοχή µε φράχτες και χαµηλά κτίρια

25% για µια πιο πυκνοκατοικηµένη περιοχή, που έχειτριγύρω δέντρα, σπίτια και άλλα κτίρια

Τύποι στήριξης μικρών Α/Γ

ΜονόςΜονόςσωλήναςσωλήνας μεμεστήριξηστήριξη

καλωδιώσεωκαλωδιώσεων

Πύργος μεστήριξη

καλωδιώσεων

Στήριξηδικτυωτούπύργου

Στήριξημονούσωλήνα

Στήριξη«σπαστού»

μονούσωλήνα

Τυπική εγκατάσταση µικρής Α/Γοριζοντίου άξονα

Στήριξη «σπαστού» µονού

σωλήνα µε στήριξη

καλωδιώσεων

Θόρυβος µικρών Α/Γ

Οι µικρές Α/Γ παράγουν θόρυβο, και καθώς η ταχύτητα τουανέµου αυξάνει, αυξάνεται και ο θόρυβος

Ο θόρυβος µιας Α/Γ παράγεται κυρίως από ταπεριστρεφόµενα πτερύγια και δευτερευόντως από τηγεννήτρια

Ο ανεπιθύµητος θόρυβος µπορεί να µειωθεί µε την επιλογήΑ/Γ που λειτουργεί σε χαµηλές στροφές λειτουργίας. Επιπλέον, η επιλογή αυτή αυξάνει και τη διάρκεια ζωής τηςΑ/Γ

Ένας άλλος τρόπος µείωσης του θορύβου είναι ηεγκατάσταση της Α/Γ σε µεγαλύτερο ύψος

Νοµικό πλαίσιο µικρών Α/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.)

Τιµολόγηση Α/Γ

(Νόµος 3851/2010)

Χρόνος απόσβεσης Α/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

Τεχνική διαθεσιµότητα Α/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

Συντελεστής φορτίου Α/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 EWTyear (σε kWh) µε την ενέργεια που θα

παρήγαγε θεωρητικά η ΑΓ εάν λειτουργούσε στην ονοµαστική της

ισχύ PR (σε kW) και για τις 8760 ώρες του έτους. Στον υπολογισµό

της EWTyear έχει ληφθεί υπόψη η τεχνική διαθεσιµότητα "∆" της

αιολικής εγκατάστασης

h8760ΣΦ Ετήσιος

⋅=

R

WTyear

P

E

Τοποθέτηση Α/Γ στον

περιβάλλοντα χώρο κτηρίου

Επίπεδο δέντρων και επιλογή

ύψους µικρών Α/Γ

Τοποθέτηση Α/Γ

επάνω σε κτήρια

Ενσωµάτωση Α/Γ σε κτήρια

Α/Γ κατακόρυφου άξονα:Ευκολία στην εγκατάσταση

Απευθείας στερέωση

Στερέωση σε βάση

Ενσωµάτωση Α/Γ

κατακόρυφου άξονα

Αιολικό πάρκο

Υπεράκτιο αιολικό πάρκο

Ενεργειακή απόδοση αιολικού πάρκου

Η ενεργειακή απόδοση αιολικού πάρκου εξαρτάται από τορυθµό ανάπτυξης όµορου και την ενέργεια του οµόρου ότανφτάσει στην πίσω αιολική µηχανή

Αλληλεπίδραση Α/Γ

Η Α/Γ επιβραδύνει τον αέρα πουπροσπίπτει σε αυτή καιδηµιουργείται ένας όµορος χαµηλήςταχύτητας που ανοίγει βαθµιαίαλόγω συνεκτικής και τυρβώδουςανάµιξης

Αν αυτό το ρεύµα αέρα συναντήσειδεύτερη ανεµογεννήτρια πρινολοκληρωθεί η επαναφορά του στιςτιµές πριν από την πρόσπτωση µετην ανεµογεννήτρια, τότε ηαπόδοση της δεύτερης Α/Γµειώνεται αισθητά

Η απόδοση της δεύτερης µηχανήςεξαρτάται από τη θέση της ως προςτην πρώτη

Χωροθέτηση ανεµογεννητριών

Η θέση εγκατάστασης αιολικώνµηχανών, η διάταξη µεταξύ τους καισε σχέση µε την επικρατούσαδιεύθυνση ανέµου αποτελεί ένα απότα σηµαντικότερα αντικείµενα µελέτης

Ο κενός χώρος σε µια συστοιχία δενπρέπει να είναι µικρότερος από 2-4 διαµέτρους σαρωτής και ο κενόςχώρος µεταξύ των συστοιχιών δενπρέπει να είναι µικρότερος από 7-10 διαµέτρους σαρωτής

Χρήσιµα sites

http://www.cres.gr

http://www.rae.gr

http://www.ypeka.gr

http://www.ewea.org

http://www.eletaen.gr

http://www.wel.teicrete.gr