lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες...

48
ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Διδάσκων: Δρ.Ριζιώτης Βασίλης Αιολικό Δυναμικό

Transcript of lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες...

Page 1: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

ΕΘΝΙΚΟΜΕΤΣΟΒΙΟΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΤΜΗΜΑΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝΜΗΧΑΝΙΚΩΝΤΟΜΕΑΣΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣΔΙΟΙΚΗΣΗΣΚΑΙΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗΣΕΡΕΥΝΑΣ

ΑΙΟΛΙΚΗΕΝΕΡΓΕΙΑΔιδάσκων:Δρ.ΡιζιώτηςΒασίλης

ΑιολικόΔυναμικό

Page 2: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

ΆδειαΧρήσης

ΤοπαρόνεκπαιδευτικόυλικόυπόκειταισεάδειεςχρήσηςCreativeCommons.Γιαεκπαιδευτικόυλικό,όπωςεικόνες,πουυπόκειταισεάδειαχρήσηςάλλουτύπου,αυτήπρέπεινααναφέρεταιρητώς.

Page 3: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Η Αιολική Ενέργεια

u Ηαιολικήενέργειαείναι προϊόντηςηλιακήςενέργειαςu 2%τηςηλιακήςακτινοβολίαςμετατρέπεταισεάνεμους.u Ηαιολικήενέργειαείναιηκινητικήενέργειατουκινούμενουαέρα.u Αιτία:Ηακανόνιστηθέρμανσητηςεπιφάνειαςτηςγηςαπότονήλιο.

Page 4: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Ο Άνεμος

Οιάνεμοιείναιαέριεςμάζεςπουκινούνταιεξαιτίαςτωνδιαφορετικώνβαρομετρικώνπιέσεωνπουπροκαλούνταικυρίωςαπότηνάνισηθέρμανσητωνδιαφόρωνπεριοχώντηςγηςαπότονήλιο.

u Διαφορετικόγεωγραφικόπλάτοςu Στεριά– θάλασσαu Επίδρασηπεριστροφήςτηςγης

Page 5: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Ανομοιόμοφη θέρμανση της γης

Εξαιτίας της καμπυλότητας της επιφάνειας της γης οι ακτίνες του ήλιου πέφτουν όλο και πιο πλάγια, καθώς πηγαίνουμε σε όλο και μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη όπου οι ακτίνες του ήλιου έχουν να διανύσουν όλο και μεγαλύτερη απόσταση μέσα στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ηλιακή ενέργεια να απορροφηθεί πριν φτάσει στην επιφάνεια της γης.

Επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας – Ιούλιος 1984 (Πηγή: Nasa)

Page 6: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Ο Άνεμος – Κατακόρυφη μεταφορά

ΙδανικήκίνησητουανέμουανηΓηδενπεριστρεφόταν.

Ένα στρώμα αέρα, που θα έρθει σεεπαφή με τη γήινη επιφάνεια θαθερμανθεί και θα ανέλθει (~10km). Τηθέση του θα καλύψει ένα στρώμαψυχρότερου αέρα, που με τη σειρά τουθα θερμανθεί και θα ανέλθει (ο θερμόςαέρας έχει μικρότερη πυκνότητα απότον ψυχρό).Αυτή η κυκλική-ανοδική-καθοδικήκίνηση θερμών και ψυχρών ρευστώνμαζών, ονομάζεται Κατακόρυφημεταφορά.

Επίδραση της περιστροφής της Γης (Coriolis)

Page 7: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Επίδραση της περιστροφής της γης

Ο άνεμος θερμαίνεται γρηγορότερα στον ισημερινό και ανυψώνεται και κινείται προς τα βόρια και νότια. Στον ισημερινό υπάρχει χαμηλή πίεση, ενώ στους πόλους υψηλή πίεση. Οι άνεμοι λειτουργούν ως παγκόσμιος εναλλάκτης θερμότητας εμποδίζοντας την περαιτέρω θέρμανση του ισημερινού και ψύξη των πόλων.

Page 8: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Τοπικοί άνεμοι – στεριά θάλασσα

Κατά τη διάρκεια της νύχτας η θάλασσα είναιθερμότερη από την ξηρά. Ο αέρας που είναι σεεπαφή με τη θάλασσα θερμαίνεται, ανέρχεται καιαντικαθίσταται από ψυχρότερο που προέρχεταιαπό την στεριά.

Η ξηρά την ημέρα είναι θερμότερη από τηθάλασσα, με αποτέλεσμα ψυχρότερες αέριεςμάζες να μετακινούνται από τη θάλασσα προς τηνξηρά για να αντικαταστήσουν τις θερμές μάζεςπου ανέρχονται και δημιουργούν με τον τρόποαυτό τη γνωστή θαλάσσια αύρα.

Η ξηρά έχει μικρότερη θερμοχωρητικότητα από την θάλασσα, κι αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να ψύχεται και να θερμαίνεται πιο γρήγορα από την θάλασσα.

Page 9: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Τοπικοί άνεμοι – βουνά κοιλάδες

Ταβουνά κατά τη διάρκεια της ημέρας θερμαίνονταιγρηγορότερα από τις γειτονικές κοιλάδες. Έτσι οαέραςπου έρχεται σε επαφή με την πλαγιά θερμαίνεται,καιθερμαινόμενος ανέρχεται για να αντικατασταθεί απότις ψυχρότερες μάζες της κοιλάδας. Έτσι κατά τηνδιάρκεια της μέρας έχουμε τοπικά άνεμους πουπνέουν από την κοιλάδα προς το βουνό.

Page 10: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

ΧρονικήΜεταβλητότηταΑνέμου

Πηγή:Ανεμοκινητήρες ,ΜπεργελέςΓ.,εκδόσεις Συμεών

Page 11: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Στο κατώτατο τμήμα τηςατμόσφαιραςλόγω τουιξώδους του αέραδημιουργείται ένα στρώμααέρα,το ατμοσφαιρικόοριακό στρώμα,μέσα στοοποίο ησχετική ταχύτηταμεταβάλλεται από μηδένπάνω στην επιφάνεια της Γης,μέχρι μεγαλύτερες τιμές.Ταχαρακτηριστικά τουατμοσφαιρικού οριακούστρώματος,καθορίζονταικυρίως από την μορφή τηςεπιφάνειας της Γης(τραχύτητα εδάφους),αλλάκαι από τον άνεμο και τηνκατάσταση της ατμόσφαιρας.

ΑτμοσφαιρικόΟριακόΣτρώμαΠηγή:Ανεμοκινητήρες ,ΜπεργελέςΓ.,εκδόσεις Συμεών

Page 12: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

ΑτμοσφαιρικόΟριακόΣτρώμαΜεταβολήτουύψοςμετηντραχύτητατουεδάφους

Πηγή:Ανεμοκινητήρες ,ΜπεργελέςΓ.,εκδόσεις Συμεών

Page 13: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Οι εκφράσεις που χρησιμοποιούμε για να υπολογίσουμε την διανομή της ταχύτητας μέσα στο επιφανειακό στρώμα είναι:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

0

*

zzln

kUU(z) λογαριθμικόςνόμος

α

00 z

z)U(zU(z) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅= εκθετικός νόμος

Όπου: U(z) η ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z, U* η ταχύτητα τριβής, εξαρτώμενη από την τραχύτητα της επιφάνειας και την πυκνότητα του ανέμουk η σταθερά von Karman (k=0.35) και z0 η παράμετρος τραχύτητας ή μήκος τραχύτητας

α ο εκθέτης του εκθετικού νόμου, δείχνει τη μορφή της επιφάνειας του εδάφους π.χ: α=0.17 για ανοικτά πεδία, (θάλασσα ή ο χώρος ενός αεροδρομίου),α=0.20 για μικρές πόλεις και χωριάα=0.25 για πόλεις με μεγάλες και πολυώροφες κατασκευές.

ρτ 0

*U =

ΑτμοσφαιρικόΟριακόΣτρώμα

Page 14: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου

5/3

2

5/62

4 /( )

(1 6 / )( )4 /

( )(1 70.8( / ) )

⎧⎪ +⎪

= ⎨⎪⎪ +⎩

K

K

vU

v

nL u KaimalnL unS nnL u

vonKarmannL u

σ

u(t) u u (t)ʹ= +

t

0

1u u (t) dt 0t

ʹ ʹ= ⋅ =∫

( )σ = − ⋅∫t

22U

0

1 u(t) u dtt

:n συχνότητα

:L κλίμακαμήκους

:u μέσηταχύτητα

( ) :S n φάσμαανέμου

Page 15: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου

0.001

0.01

0.1

1

0.001 0.01 0.1 1 10

frequency

nS(n)/σ^2

von KarmanKaimal 2

2

( ) ( )

( ) ( )

−∞

∞−

−∞

=

=

i n t

i n t

H n u t e dt

u t H n e dn

π

π

2 2( ) ( ) ( ) 0= + − ≤ < ∞S n H n H n n

Πυκνότηταενέργειαςφάσματος

Page 16: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου /Παράδειγμα

2 5/62

4 /( )(1 70.8( / ) )

=+

v

U v

nL unS nnL uσ

8 /=u m s

0.8 /=U m sσ50=vL m

0.0100

0.1000

1.0000

0.00100 0.01000 0.10000 1.00000

n*S(n)/σu^2

n[hz]

vonKarman

αδιάστατοφάσμα

Page 17: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.00100 0.01000 0.10000 1.00000

S(n)[(m/s)^2]

n[hz]

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου /Παράδειγμα

2 5/62

4 /( )(1 70.8( / ) )

=+

v

U v

nL unS nnL uσ

8 /=u m s

0.8 /=U m sσ50=vL m

vonKarman

Διαστατόφάσμα

Page 18: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 100 200 300 400 500 600u[m

/s]

time[s]

n=0.00167Hz

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.00100 0.01000 0.10000 1.00000

S(n)[(m/s)^2]

n[hz]

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου /Παράδειγμα

Page 19: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 100 200 300 400 500 600u[m

/s]

time[s]

n=0.01Hz

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.00100 0.01000 0.10000 1.00000

S(n)[(m/s)^2]

n[hz]

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου /Παράδειγμα

Page 20: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 100 200 300 400 500 600u[m

/s]

time[s]

n=0.1Hz

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.00100 0.01000 0.10000 1.00000

S(n)[(m/s)^2]

n[hz]

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου /Παράδειγμα

Page 21: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 100 200 300 400 500 600u[m

/s]

time[s]

sum3frequencies

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.00100 0.01000 0.10000 1.00000

S(n)[(m/s)^2]

n[hz]

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου /Παράδειγμα

άθροισμα3συχνοτήτων

Page 22: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 100 200 300 400 500 600

u[m

/s]

time[s]

sumallfrequencies

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.00100 0.01000 0.10000 1.00000

S(n)[(m/s)^2]

n[hz]

Αιολικό Δυναμικό

Χαρακτηριστικάτύρβηςτουανέμου /Παράδειγμα

συνεισφοράόλωντωνσυχνοτήτων

2

2

( ) ( )

( ) ( )

−∞

∞−

−∞

=

=

i n t

i n t

H n u t e dt

u t H n e dn

π

π

2 2( ) ( ) ( ) 0= + − ≤ < ∞S n H n H n n

Page 23: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

ΕπίδρασητηςΑνώμαλης τοπογραφίας

Σε μια ανώμαλη τοπογραφία,ηταχύτητα του ανέμουμπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά μεταξύ κοντινώνπεριοχών.Οθεωρητικός υπολογισμός των επιδράσεων τηςανώμαλης τοπογραφίας στην ταχύτητα του ανέμουμπορεί να γίνει πολύ δύσκολα και μόνο με την χρήσηηλεκτρονικών υπολογιστών καιεργαλείωνπουλύνουντιςεξισώσειςπουπεριγράφουντηνροή.

Page 24: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

ΕπίδρασητηςΑνώμαλης τοπογραφίας

Page 25: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Εξετάζοντας μια λοφοσειρά, ο άνεμος που τη συναντάει, επιταχύνεται στην κορυφή και επιβραδύνεται στους πρόποδες.

Page 26: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Όταν η ροή του ανέμου συναντάει κάποιο εμπόδιο, δημιουργείται μια αναταραχή, δηλαδή η ροή γίνεται τυρβώδης, με κύρια χαρακτηριστικά τη μείωση της μέσης ταχύτητας του ανέμου και την αύξηση της τύρβης. Η τοποθέτηση και λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας κατάντι ενός εμποδίου έχει ως αποτέλεσμα εκτός από τη μειωμένη αποδοτικότητα, και τη μείωση στη διάρκεια ζωής της μηχανής λόγω της ανεπιθύμητης επιπλέον καταπόνησης, λόγω της τυρβώδους ροής.

Περιοχή διαταραγμένης ροής πίσω από εμπόδιο

Περιοχή µεγάλων διαταραχών ροής

Κύριος άνεµος

Page 27: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Περιοχή διαταραγμένης ροής πίσω από εμπόδιο

Πλάγια όψη

Κάτοψη

Page 28: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Η µέση ταχύτητα του ανέµου υπολογίζεται δεδοµένης µιας σειράς µετρήσεων από την σχέση:

όπου η µέση ταχύτητα ανέµου, Vn η ταχύτητα του ανέµου στο n σηµείο των µετρήσεων και n=1,2,…,N ο αριθµός των µετρήσεων. Η τυπική απόκλιση σ δείχνει πόσο οι µετρήσεις αποκλίνουν από τη µέση τιµή του ανέµου:

και ονοµάζεται ένταση της τύρβης.Μέτρο της έντασης της τύρβης αποτελεί η ποσότητα (αδιάστατη τιµή):

Με τον όρο τύρβη ονοµάζουµε τη διαταραχή της ταχύτητας του ανέµου (διαφορέςστιγµιαίας ταχύτητας από τη µέση τιµή ταχύτητας) και έχει ιδιαίτερη σηµασία γιατην απόδοση των αιολικών µηχανών, αλλά και τον υπολογισµό της αντοχής λόγωτων εναλλασσόµενων φορτίων που αναπτύσσονται και που οδηγούν στην κόπωσητων υλικών της µηχανής.

∑⋅=N

1nvN

1v

( )Ν 2

n1

1σ v vΝ-1

= ⋅ −∑

σIv

=

Στατιστικά χαρακτηριστικά ανέμου

Page 29: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Οκτ-03

2003

Μαϊ-03

0

2

4

6

8

10

12

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

m/s

Εποχική μεταβολή της μέσης ταχύτητας του ανέμου

Page 30: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

0

2

4

6

8

10

12

14Ιαν

Φεβρ

Μαρτ

Απρ

ΜαϊοςΙουν

ΙουλΑυγ

Σεπτ

Οκτ

Νοεμ

Δεκ Ιαν

Φεβρ

Μαρτ

Απρ

ΜαϊοςΙουν

ΙουλΑυγ

Σεπτ

Οκτ

Νοεμ

Δεκμέ

ση μ

ηνια

ία τ

αχύτ

ητα

ανέμ

ου (m

/s)

Page 31: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

• Μετρήσεις αποδεικνύουν ότι η μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου κάθε χρόνο διαφέρει από μέρος σε μέρος και από χρόνο σε χρόνο.

• Θεωρείται απαραίτητο να υπάρχουν ανεμολογικές μετρήσεις τουλάχιστον 12μηνών στη θέση εγκατάστασης (νομοθεσία).

• Συσχέτιση με μακροχρόνιες μετρήσεις στην ευρύτερη περιοχή

• Εκτός από τη γνώση της μέσης ετήσιας ταχύτητας, χρήσιμο είναι να είναι γνωστή και η εποχιακή διακύμανση της ταχύτητας του ανέμου, καθώς και η διάρκεια πνοής του ανέμου.

Page 32: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Καμπύλη διάρκειας - Πυκνότητα πιθανότητας πνοής ανέμου

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Ταχύτητα ανέμου (m/sec)

χρόν

ος σ

ε π

οσοσ

τό %

του

έτο

υς

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

ταχύτητα ανέμου (m/sec)

χρόν

ος σ

ε π

οσοσ

τό %

του

έτο

υς

Καµπύλη διάρκειας πνοής ανέµου Πυκνότητα πιθανότητας πνοής ανέµου

Page 33: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

k 1 kk V Vf(V) expc c c

− ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

Πυκνότητα πιθανότητας κατανομής μέσης ταχύτητας

Weibull

Page 34: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

k 1 kk V Vf(V) expc c c

− ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

Η διάρκεια πνοής ανέμου δίνεται από την σχέση:

( ) ( )kU

0

UP V U f V dV 1 expc

⎡ ⎤⎛ ⎞≤ = = − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

Page 35: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Η διάρκεια πνοής ανέμου δίνεται από την σχέση:

( ) ( )kUQ V U =1 P V U exp

c⎡ ⎤⎛ ⎞> − ≤ = −⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

kUlnQ=c

⎛ ⎞− ⎜ ⎟⎝ ⎠

( )kUln lnQ =ln

c⎛ ⎞− ⎜ ⎟⎝ ⎠

( )ln lnQ =k lnU k lnc− − 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 5 10 15 20 25 30 35 40

διάρ

κειαπνοήςQ=1-F

windspeed[m/s]

Page 36: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

-2 -1 0 1 2 3 4ln(-lnQ

)

lnU

Αιολικό Δυναμικό

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 5 10 15 20 25 30 35 40

διάρ

κειαπνοήςQ=1-F

windspeed[m/s]

( )ln lnQ =k lnU k lnc− −

Page 37: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Συσχέτιση με πειραματικά δεδομένα

Page 38: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Η μέση ταχύτητα του ανέμου μπορεί να υπολογιστεί όταν δίνονται οι παράμεροι c και k της κατανομής Weibull από την σχέση:

V 0

V V f (V)dV∞

=

= ⋅∫

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ +⋅=k11ΓcV

Μέσηταχύτηταανέμου

( ) 1 0.5 31 22 3

0

1 2 3 4

2 1 ... ,

1 1 139 571, , , ,...12 288 51840 2488320

x x x x aa ax t e dx x ex x x

a a a a

π∞

− − − − ⎛ ⎞Γ = ≈ + + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠

= = = − = −

∫Συνάρτηση Γ

Page 39: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Ρόδοανέμου

Μεταβολέςστηνκατεύθυνσητουανέμου

Πηγή:Ανεμοκινητήρες ,ΜπεργελέςΓ.,εκδόσεις Συμεών

Page 40: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

ΔιερεύνησηΑιολικούΔυναμικούΠεριοχής

Page 41: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Υπολογισμόςπαραγόμενηςενέργειας

Page 42: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Cp συντελεστής Ισχύος

Vcut-in η ταχύτητα έναρξης λειτουργίας

VF ηταχύτηταδιακοπήςλειτουργίας

VR ηονομαστικήταχύτητα

Μέσηετήσιαπαραγόμενηισχύς:

3VΑρ21P ⋅⋅⋅⋅=Cp

∫∫=

=

⋅=⋅=25

3V0V

P(V)dVf(V)P(V)dVf(V)P

∫∫==

⋅+⋅=25

31VR

13

3V

f(V)dVPP(V)dVf(V)

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30Ταχύτητα ανέµου (m/sec)

Ισχύς(kW)

Vcut-in

300

200

100

0

VR VF

PR

Page 43: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Ταχύτητα ανέμου (m/s)

Παραγόμενη Ισχύς (kW)

P(V)0 01 02 03 44 275 666 1207 1978 2959 421

10 57511 73612 86613 94314 98715 1000

16 100017 100018 100019 100020 100021 100022 100023 100024 100025 1000

Καμπύληισχύος1000kW

Page 44: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

Ταχύτητα ανέμου (m/s) Συχνότητα εμφάνισης ανέμου f(V)

0 0.001 0.022 0.043 0.064 0.075 0.086 0.087 0.088 0.089 0.0810 0.0711 0.0612 0.0513 0.0514 0.0415 0.03

16 0.0317 0.0218 0.0219 0.0120 0.0121 0.0122 0.0023 0.0024 0.0025 0.00

k 1 kk V Vf(V) expc c c

− ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

k=1.9 m/s c=10 m/s

Ανεμολογικάδεδομένα

Page 45: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

ΥπολογισμόςΕνέργειας

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0

1200.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

power(kW)

windspeed(m/s)

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0prob

abilityden

sity

windspeed(m/s)

0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.00

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

power(kW)

windspeed(m/s)

Page 46: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

ΥπολογισμόςΕνέργειας

windspeed(m/s) probabilitydensity power(kW) f(V)*P(V) Integration0.0 0.00 0.0 0.00 01.0 0.02 0.0 0.00 02.0 0.04 0.0 0.00 03.0 0.06 4.0 0.23 14.0 0.07 27.0 1.89 45.0 0.08 66.0 5.14 76.0 0.08 120.0 9.86 137.0 0.08 197.0 16.34 208.0 0.08 295.0 23.83 289.0 0.08 421.0 32.09 3610.0 0.07 575.0 40.19 4311.0 0.06 736.0 45.96 4712.0 0.05 866.0 47.15 4513.0 0.05 943.0 43.74 4114.0 0.04 987.0 38.15 3515.0 0.03 1000.0 31.54 2816.0 0.03 1000.0 25.22 2217.0 0.02 1000.0 19.77 1718.0 0.02 1000.0 15.20 1319.0 0.01 1000.0 11.46 1020.0 0.01 1000.0 8.49 721.0 0.01 1000.0 6.17 522.0 0.00 1000.0 4.41 423.0 0.00 1000.0 3.09 324.0 0.00 1000.0 2.13 225.0 0.00 1000.0 1.45

MeanPower= 433 kW

Page 47: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Αιολικό Δυναμικό

• Ηδιαθεσιμότητατηςμηχανήςεκφράζειτοποσοστότουχρόνουπουείναιδιαθέσιμηηανεμογεννήτριαγιαναλειτουργήσεικαιεκφράζεταιμετονσυντελεστήδιαθεσιμότητας(Σ.Δ.)

• Οιαπώλειεςμεταφοράς• Οβαθμόςαπόδοσηςτουαιολικούπάρκου

εκφράζειτιςαπώλειεςπουέχουμελόγωαλληλεπίδρασηςανεμογεννητριώνσεαιολικάπάρκα,καιοφείλεταικατάκύριολόγοστοέλλειμματηςταχύτηταςπουπαρουσιάζεταιστονομόρρουτηςανεμογεννήτριας

Οσυντελεστήςεκμεταλλευσιμότηταςτηςανεμογεννήτριαςορίζεταιως:

όπου

RR PP

EECF == RR P8760E ⋅=

Ένας ικανοποιητικός συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας είναι της τάξεως από 0.25 έως 0.35.

Παράγοντεςπουεπηρεάζουντηνπαραγόμενηενέργεια

Page 48: lecture wind potential - ocw.aoc.ntua.gr · Οι άνεμοι είναι αέριες μάζες που κινούνται εξαιτίας των διαφορετικών βαρομετρικών

Χρηματοδότηση

Τοπαρόνεκπαιδευτικόυλικόέχειαναπτυχθείσταπλαίσιατουεκπαιδευτικούέργουτουδιδάσκοντα.Τοέργο«ΑνοικτάΑκαδημαϊκάΜαθήματα»τουΕΜΠέχειχρηματοδοτήσειμόνοτηναναδιαμόρφωσητουυλικού.ΤοέργουλοποιείταιστοπλαίσιοτουΕπιχειρησιακούΠρογράμματος«ΕκπαίδευσηκαιΔιαΒίουΜάθηση»καισυγχρηματοδοτείταιαπότηνΕυρωπαϊκήΈνωση(ΕυρωπαϊκόΚοινωνικόΤαμείο)καιαπόεθνικούςπόρους.