ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ
Σπουδαστές Επιβλέπων Καθηγητής
ΧΙΩΤΙΝΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Α.Ε.Μ:3354 ΚΑΡΑΚΟΥΛΙΔΗΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ ΣΟΦΙΑΝΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Α.Ε.Μ:3329
ΚΑΒΑΛΑ 2009
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ
ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ
Σπουδαστές Επιβλέπων Καθηγητής
ΧΙΩΤΙΝΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Α.Ε.Μ:3354 ΚΑΡΑΚΟΥΛΙΔΗΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ ΣΟΦΙΑΝΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Α.Ε.Μ:3329
ΚΑΒΑΛΑ 2009
ΠΡΟΛΟΓΟΣ
Η σημερινή κατάσταση στον τομέα της ενέργειας απαιτεί οσο ποτέ την ανάπτηξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας , μια από τις οποίες είναι και η παραγωγή ενέργειας χρησιμοποιόντας την αιολική δύναμη . Η εργασία αυτή μας δίνει την δυνατότητα να αναλύσουμε την τεχνολογία των ανεμογεννητριών , τις δυνατότητες βελτίωσης αυτής της μεθόδου,τις μεθόδους ελέγχου τους καθώς και τα πλεονεκτήματα της.Το σύνολο της εργασίας είναι σύμφωνα με τα Δανίκα πρότυπα για την τεχνολογία των ανεμογεννητρίων ,μια χώρα η οποία βασίζει ,σε μεγάλο ποσοστό, τις ενεργειακές της ανάγκες σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και κυρίως την αιολική ενέργεια.
Η εργασία αυτή αποτελείται από δημοσιευμένες εκθέσεις για τα πρότυπα και τις στρατιγικές ελέγχου για 3 διαφορετικές έννοιες αιολικών πάρκων, τα αποτελέσματα των οποίων αναλύονται παρακάτω.Το πρόγραμμα πραγματοπιήθηκε σε συνεργασία μεταξύ του εθνικού εργαστηρίου Riso ,του τεχνικού πανεπηστημίου της Δανίας, του πανεπηστημίου του Άαλμποργκ και του Energy E2.
ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ
Ιστορική εξέλιξη
1.1 Ιστορική εξέλιξη 1
1.2 Είδη και τεχνολογίες ανεμογεννήτριας 4
1.3 Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών 5
1.4 Μικρές ανεμογεννήτριες 8
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΛΕΥΤΕΡΟ
Η ανεμογεννήτρια
2.1 Γενικά για την ανεμογεννήτρια 9
2.2 Κυριότερες κατηγορίες ανεμογεννήτριας 9
2.2.1 Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα 10
2.2.2 Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα 12
2.3 Βασικά τμήματα ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα 14 2.4 Η μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική 18 2.5 Βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη ανεμογεννήτριας 20 2.6 Πρότυπη καμπύλη λειτουργίας ανεμογεννήτρια 24 2.7 Προβλήματα στη βιομηχανική κατασκευή των ανεμογεννητριών 25
ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ
Μοντέλα αιολικών πάρκων και στρατηγικές ελέγχου
3.1 Εισαγωγή 27
3.2 Έρευνα για ευκαιρίες 28
3.3 Πρόβλεψη 29
3.4 Ολοκλήρωση δικτύου 32
3.4.1 Έλεγχος ισχύος και συχνότητας 33
3.4.2 Έλεγχος αντιδραστικής ισχύος και τάσης 38
3.5 Δομικά φορτία 40
3.6 Ενεργειακή παραγωγή 42
3.7 Συμπεράσματα 50
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ
Λειτουργική περιγραφή των εγκαταστάσεων αιολικής ενέργειας
4.1 Έλεγχος ισχύος και συχνότητας 51
4.2 Αντιδραστικός έλεγχος ισχύος και τάσης 56
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ
Μοντέλα προσομοίωσης
5.1 Επιλεγμένο σχεδιάγραμμα αιολικών πάρκων 58
5.2 Πρότυπα ανεμοκινητήρων 59
5.2.1 Πρότυπος άνεμος 60
5.2.2 Μηχανικό μοντέλο 61
5.2.3 Αεροδυναμικό μοντέλο 62
5.2.4 Έλεγχος ανεμοκινητήρων ενεργού κρατήματος τύπου COMBI 62 5.2.5 Έλεγχος κλίσης των διπλά τροφοδοτούμενων ανεμοκινητήρων 71 5.2.6 Σχεδιασμός και εφαρμογή του ελεγκτή ταχύτητας 74 5.2.7 Έλεγχος ενεργού ισχύος(στο τμήμα ρότορα-ελεγκτή μετατροπής) 75
5.3 HVDC/ VSC 76
5.3.1 Ενσωματωμένο πρότυπο του μεταφορέα PWM σε DIgSILENT 78
5.3.2 Ανάλυση ροής φορτίων 79
5.3.3 Πρότυπο σταθερότητας (RMS) 81
5.3.4 Έλεγχος για το σταθμό Α (τερματικός σταθμός αποστολής) 84 5.3.5 Έλεγχος για το σταθμό Β (τερματικός σταθμός λήξης) 86
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ
Στρατηγικές ελέγχου αιολικών πάρκων
6.1 Ελεγχόμενοι ανεμοκινητήρες COMBI, ενεργού κρατήματος, μετάδοση
εναλλασσόμενο ρεύματος (AC) 92
6.2 Διπλά τροφοδοτούμενη ανεμοκινητήρες ελεγχόμενης κλίσης, μετάδοσης
εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) 96
6.3 Μετάδοση HVDC/ VSC και ελεγχόμενοι ανεμοκινητήρες ενεργού κρατήματος
τύπου COMBI 99
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΒΔΟΜΟ
Παραδείγματα προσομοίωσης
7.1 Ανεμοκινητήρες COMBI ή ελεγχόμενοι ανεμοκινητήρες ενεργού κρατήματος
εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) 100
7.2 Έλεγχος κλίσης των διπλά τροφοδοτούμενων ανεμοκινητήρων εναλλασσόμενου
ρεύματος (AC) 107
7.3 Ανεμοκινητήρες ενεργού κρατήματος ή ανεμοκινητήρες COMBI HVDC/VSC
μετάδοσης 108
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΓΔΟΟ
Συμπεράσματα
8.1 Τα κύρια συμπεράσματα 115
ΤΡΙΤΟ ΜΕΡΟΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΝΑΤΟ
9.1 Εισαγωγή 117
9.2 Ανεμοκινητήρας 118
9.3 Συνολικά αποτελέσματα 120
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ
Έλεγχος μέσω VES
10.1 Εργαλείο προσομοίωσης: DIgSILENT 123
10.2 Πρότυπος κινητήρας 123
10.2.1 Πρότυπος άνεμος 124
10.2.2 Μηχανικό πρότυπο 125
10.2.3 Αεροδυναμικό πρότυπο 126
10.2.4 Έννοια και πρότυπο 127
10.3 Πρότυπο ελέγχου 129
10.4 Αποτελέσματα προσομοίωσης 138
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΝΔΕΚΑΤΟ
Έλεγχος μέσω AED
11.1 Γενικές πληροφορίες για τον κώδικα HAWC 147 11.1.1 Δοκιμή του δυναμικού προτύπου ιχνών σε HAWC 148
11.2 Διαμόρφωση στροβίλων. 154
11.2.1 Φυσικές συχνότητες στροβίλων και μορφές σχημάτων 154
11.3 Σχεδιασμός ελεγκτών 157
11.4 Αποτελέσματα 160
11.4.1 Απάντηση βημάτων 160
11.4.2 Ταραχώδης προσομοιώσεις 161
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΩΔΕΚΑΤΟ
Έλεγχος μέσω DTU
12.1 Σύντομη περιγραφή του κώδικα FLEX 5 172
12.2 Στοιχεία στροβίλων 173
12.3 Πρότυπο κλίσης SERVO 173
12.4 Πρότυπο γεννητριών 173
12.5 Σύστημα ελέγχου 174
12.6 Αποτελέσματα 179
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΤΡΙΤΟ
Πρότυπο περιορισμού της δυναμικής των γεννητριών DFIG
13.1 Δυναμική γεννητριών 188
13.2 Μειω μένο πρότυπο 195
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΤΕΤΑΡΤΟ
Αριθμητική βελτιστοποίηση του ελεγκτή PI
14.1 Μεθοδολογία 201
14.2 Αποτελέσματα 202
14.3 Συμπεράσματα 209
ΤΕΤΑΡΤΟ ΜΕΡΟΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΠΕΜΠΤΟ
Λειτουργία και έλεγχος των μεγάλων ανεμοκινητήρων και των αιολικών πάρκων
15.1 Πρόβλεψη των διακυμάνσεων αέρα 210
15.1.1 Δεδομένα 210
15.2 Ανάλυση 212
15.3 Πρότυπο 214
15.4 Πρόβλεψη απόδοσης 214
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΕΚΤΟ
Έλεγχος ανεμοκινητήρων και αιολικών πάρκων
16.1 Πρότυπα ανεμοκινητήρων 216
16.2 Πρότυπα ελεγκτών αιολικών πάρκων 223
16.2.1 Ενεργό κράτημα ανεμοκινητήρων E.P (AC) 223
16.2.2 Ανεμοκινητήρες DFIG 227
16.2.3 HVDC Σύνδεση ανεμοκινητήρων ενεργού κρατήματος 230 16.3 Παραδείγματα προσομοίωσης σε κύρια σύνδεση δικτύου. 231
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΕΒΔΟΜΟ
Αναθεωρημένες λειτουργικές στρατηγικές για τα αιολικά πάρκα
17.1 Ερευνητική μέθοδος 240
17.2 Ανάλυση σεναρίου για την προσέγγιση επανασχεδιασμών 243
17.3 Σενάριο με μεταβλητό χρόνο ζωής 245
17.4 Ανάλυση σεναρίου για την προσέγγιση υπάρχοντος σχεδιασμού 250
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΟΓΔΟΟ
Αποτελέσματα
18.1 Πρόβλεψη των διακυμάνσεων αέρα 256
18.2 Έλεγχος ανεμοκινητήρων και αιολικών πάρκων 257 18.3 Αναθεωρημένες λειτουργικές στρατηγικές για τα αιολικά πάρκα 258
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 260
ΜΕΡΟΣ Α
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
1.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ [1]
Η αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας του ανέμου ξεκίνησε από τα πρώιμα ιστορικά χρόνια και έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας με τη χρήση της τόσο στη ναυτιλία όσο και στην άρδευση, καθώς και στις αγροτικές καλλιέργειες. Η αναφορά της ελληνικής μυθολογίας στο Θεό «Αίολο», ο οποίος με τη βοήθεια των οκτώ βοηθών Θεών (των οκτώ πρωτευόντων ανέμων, Βορέα, Καικία, Απηλιώτη, Εύρο, Νότο, Λίψ, Ζέφυρο και Σκίρωνα) θεωρείται ο διαχειριστής των ανέμων (βλ. «... άνοιξε τους ασκούς του Αιόλου»), υπογραμμίζει τη σημασία της αιολικής ενέργειας στην οικονομική και παραγωγική δραστηριότητα εκείνων των χρόνων.
Οι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι επιχείρησαν από τα πολύ παλαιά χρόνια να θεμελιώσουν τις γνωσωλογικές βάσεις των φυσικών προβλημάτων. Πρώτος ο Αναξιμένης τον 6ο π.Χ. αιώνα παρατηρώντας τη φύση υποστήριξε ότι η αρχή των όντων είναι ο αέρας, ο οποίος μετατρέπεται σε πυρ, όταν αραιώνεται, ενώ, όταν συμπυκνώνεται, μετατρέπεται σε νέφη, νερό, γη και λίθους.
Αργότερα ο Εμπεδοκλής (5ο π.Χ. αιώνα) θεμελίωσε τη στοιχειακή θεωρία, θεωρώντας ότι ο κόσμος αποτελείται από τέσσερα πρωταρχικά στοιχεία, δηλαδή
«Πυρ, Αήρ, Ύδωρ και Γη». Ο Πλάτων, απέδωσε στα στοιχεία γεωμετρικές ιδιότητες και θεώρησε ότι τα τέσσερα στοιχεία του Εμπεδοκλή προέρχονται από την ίδια πρωταρχική ουσία, την «ύλη». Σύμφωνα δε με τη διαμόρφωση της επιφάνειάς τους έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Γη (κύβος), Αήρ (οκτάεδρο), Ύδωρ (είκοσι- τετράεδρο) και Πυρ (τετράεδρο). Ο Αριστοτέλης, τέλος, παραδέχεται ότι δεν υπάρχει διαφορά στη φύση των στοιχείων του Εμπεδοκλή, αλλά τα θεωρεί ενσωματώσεις ιδιοτήτων που συνδυάζονται μεταξύ τους κατά διαφορετικό τρόπο. Οι ιδιότητες θερμό, ξηρό, ψυχρό και υγρό συνενώνονται στα στοιχεία, έτσι ώστε τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του αέρα να είναι κατά τον Αριστοτέλη το υγρό και το θερμό.
Η αιολική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε αρχικά από τον άνθρωπο για την κίνηση των ιστιοφόρων πλοίων. Οι ιστορικές και αρχαιολογικές αναφορές υποστηρίζουν επίσης ότι αιολικές μηχανές (ανεμόμυλοι) χρησιμοποιήθηκαν από τους σημαντικότερους αρχαίους λαούς, τους Κινέζους, τους Πέρσες και τους Αιγυπτίους.
Κύριο υλικό κατασκευής τους ήταν το ξύλο, τα πανιά καθώς και ειδικές λιθόκτιστες κατασκευές.
Για παράδειγμα, στην Αίγυπτο διατηρούνται οι πέτρινες βάσεις ανεμόμυλων με ηλικία μεγαλύτερη των τριών χιλιάδων ετών, ενώ σύμφωνα με τις ιστορικές μαρτυρίες ήδη τον 7ο π.Χ. αιώνα στη Βαβυλωνία ανεμόμυλοι έδιναν την απαραίτητη ενέργεια για την άρδευση της Μεσοποταμίας. Λέγεται μάλιστα ότι ο βασιλιάς Χαμουραμπί της Βαβυλωνίας, ήδη από τον 17ο αιώνα π.Χ., είχε συλλάβει κάποιο σχέδιο, προκειμένου να αρδεύει την πεδιάδα της Μεσοποταμίας με τη βοήθεια της αιολικής ενέργειας.
Παράλληλα, αρχαιολογικές ανασκαφές στις αρχές του 2Οου αιώνα στο Αφγανιστάν έφεραν στο φως σημαντικό αριθμό από ανεμόμυλους καθέτου άξονα στα Σείστρα και στην περιοχή της Βακτρίας, η οποία αποικίσθηκε κυρίως από Έλληνες της στρατιάς του Μεγάλου Αλεξάνδρου. Σύμφωνα με τις υπάρχουσες ενδείξεις, οι χρησιμοποιούμενοι ανεμόμυλοι τόσο στη Βαβυλωνία (ο ανεμόμυλος των Περσών, σχήμα 1.1), όσο και στην ήταν κατακόρυφου άξονα. Αργότερα, τον 3ο π.Χ.
αιώνα ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς σχεδίασε τον κατά πάσα πιθανότητα πρώτο ανεμόμυλο οριζοντίου άξονα με Τέσσερα πτερύγια.
Η χρήση των ανεμόμυλων για την άλεση των δημητριακών και την άρδευση συνεχίσθηκε στις χώρες της Ανατολής, στη Μικρά Ασία και στο Αιγαίο και κατά τη Βυζαντινή εποχή. Στην Ευρώπη υποστηρίζεται ότι σι ανεμόμυλοι εμφανίσθηκαν Περίπου το 1200 μ.Χ. και μετεφέρθηκαν από τους σταυροφόρους κατά την επιστροφή τους από τα Ιεροσόλυμα. Η πρώτη γραπτή αναφορά των ευρωπαϊκών ανεμόμυλων οριζόντιου άξονα δίνεται σε ένα Γαλλικό φορολογικό έγγραφο του 1125 μ.Χ., ενώ το πρώτο γνωστό σκίτσο ευρωπαϊκού ανεμόμυλου βρίσκεται σε ένα εκκλησιαστικό Ψαλτήριο του 12ου αιώνα. Έτσι, την εποχή του Μεσαίωνα ανεμόμυλοι εμφανίζονται στην Ολλανδία, την Ισπανία (ο θρύλος του Δον Κιχώτη) την Πορτογαλία, τη Γαλλία και την Ιταλία. Στην Ολλανδία μάλιστα γύρω στο 1500 μ.Χ. σι ανεμόμυλοι χρησιμοποιήθηκαν για την άντληση των νερών από τις περιοχές που βρίσκονται σε χαμηλότερη στάθμη από αυτήν της θάλασσας.
Ο τύπος του ανεμόμυλου που χρησιμοποιήθηκε στην Ευρώπη την εποχή του Μεσαίωνα ήταν ως επί το πλείστον οριζόντιου άξονα με τέσσερα πτερύγια (περιστρεφόμενου κλωβού, περιστρεφόμενης οροφής). Οι κύριες χρήσεις του ήταν το άλεσμα των σιτηρών, το κόψιμο του καπνού, του ξύλου και άλλων γεωργικών προϊόντων, καθώς και η άντληση νερού για άρδευση ή αποξήρανση.
Ένας άλλος τύπος ανεμόμυλου, ο οποίος εξαπλώθηκε ιδιαίτερα την εποχή της Αναγέννησης και του αμερικανικού ονείρου, ήταν ο αργός πολύπτερος ανεμόμυλος, ο οποίος χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα για την άντληση νερού και ονομάζεται
«Αμερικανικός ανεμόμυλος». Για την αποκατάσταση της ιστορικής αλήθειας, ο ανεμόμυλος αυτός προέρχεται από την Ευρώπη και χρησιμοποιήθηκε από τους αποίκους αρχικά στα ανατολικά παράλια της Αμερικής για την κίνηση αντλιών με αποτέλεσμα να παρουσιάσει μεγάλη εξάπλωση. Τα σχέδια του ανεμόμυλου αυτού δημοσιεύθηκαν στη Λειψία το 1724 μ.Χ..
Παρ’ όλα αυτά το Σικάγο γίνεται, την περίοδο 1870 έως 1930, το κέντρο βιομηχανικής παραγωγής ανεμόμυλων, με εκτιμώμενη Παραγωγή έξι εκατομμυρίων (6,000,000) μονάδων την περίοδο που προαναφέραμε. Η χρήση των ανεμόμυλων στις Η.Π.Α. έφθασε στο απόγειό της μεταξύ 1920 και 1930 με την εγκατάσταση περίπου 600,000 μηχανών. Ο συγκεκριμένος τύπος ανεμοκινητήρα, αν και δεν παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλή ενεργειακή απόδοση, εμφανίζει σημαντική ροπή λειτουργίας ακόμα και σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου, γεγονός που τον καθιστά ιδιαίτερα αποδοτικό σε γεωργικές και βιοτεχνικές εφαρμογές. Βασικό του μειονέκτημα είναι το σχετικά μεγάλο βάρος, που οφείλεται στον τύπο και στο πλήθος των πτερυγίων που χρησιμοποιεί.
Στις αρχές του αιώνα μας πρώτοι οι Δανοί παράγουν ηλεκτρισμό από τον άνεμο, ενώ στην Αμερική ανεμόμυλοι μεταλλικής κατασκευής χρησιμοποιούνται επίσης για ηλεκτροδότηση. Έτσι, το 1891 λειτούργησε στο Askov της Δανίας πειραματικός ανεμοκινητήρας με δυο ηλεκτρικές γεννήτριες (2X9 MW) και διάμετρο 22.8 m, κάτω από την επίβλεψη του καθηγητή Ρ. La Cour. Αντίστοιχα, τη δεκαετία του 1930 κατασκευάσθηκε στη Βαλτική μηχανή 100 kW με σχεδιαστική επίβλεψη των Sabanin και Υωίον.Τέλος, το 1940 κατασκευάζεται στο Vermont των Η.Π.Α. ένας πειραματικός δίπτερος ανεμοκινητήρας σημαντικής ισχύος.
Στα χρόνια που ακολούθησαν το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο η χρήση της ατομικής ενέργειας και οι χαμηλές τιμές του πετρελαίου περιόρισαν δραστικά το
περιβάλλοντος και οι διαδοχικές ενεργειακές κρίσεις υποχρέωσαν ξανά τις τεχνολογικά αναπτυγμένες χώρες να ενδιαφερθούν έντονα γι’ αυτή την καθαρή και αρχαία ενεργειακή πηγή του πλανήτη μας, τον άνεμο.
1.2 ΕΙΔΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ [2]
Η τεχνολογία μπορεί να ομαδοποιηθεί σε τρεις εφαρμογές :
• Ανεμογεννήτριες συνδεδεμένες σε μεγάλα δίκτυα,
• Υβριδικά ενεργειακά συστήματα που συνδυάζουν ανεμογεννήτριες με άλλες ενεργειακές πηγές, όπως φωτοβολταϊκά, υδροηλεκτρικά και πετρελαιογεννήτριες και/ή αποθήκευση που χρησιμοποιούνται σε μικρά απομονωμένα δίκτυα ή για ειδικές εφαρμογές όπως άντληση νερού, φόρτιση μπαταριών, αφαλάτωση,
• Μικρά αυτόνομα συστήματα ανεμογεννητριών για άντληση νερού, φόρτιση μπαταριών,θέρμανση, κλπ.
Το μέγεθος των εμπορικά διαθέσιμων ανεμογεννητριών έχει εξελιχθεί από μικρές μονάδες ισχύος 50kW στις αρχές του 1980 σε μηχανές πάνω από 1MW (1000kW). Οι ανεμογεννήτριες εγκαθίστανται συνήθως σε αιολικά πάρκα ισχύος 10MW μέχρι 100MW, που λειτουργούν ως ένας συγκεντρωμένος σταθμός. Είναι αξιόπιστες μηχανές και προσφέρουν τεχνική διαθεσιμότητα της τάξεως του 98-99%.
Η δυνατότητα διείσδυσης της αιολικής ενέργειας σε ένα μεγάλο ηλεκτρικό δίκτυο ανέρχεται σε ποσοστά του 15-20% χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα.
Υπάρχουν δύο τύποι ανεμογεννητριών, ανάλογα με την κατεύθυνση του κύριου άξονα, όμως αυτές που έχουν την μεγαλύτερη εξάπλωση είναι οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα. Κατασκευάζονται με ένα ή και περισσότερα πτερύγια και έχουν ρυθμιστή ώστε η γεννήτρια να μην παράγει περισσότερη ισχύ από αυτή για την οποία έχει σχεδιαστεί, ακόμα και αν αυξηθεί η ταχύτητα του ανέμου. Αυτό επιτυγχάνεται με στροφή των πτερυγίων και μεταβολή των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών τους.
Οι ανεμογεννήτριες έχουν σχεδιαστεί να μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανική ισχύ και στην συνέχεια σε ηλεκτρισμό. Υπάρχουν τρείς βασικοί νόμοι αναφορικά με την διαθέσιμη από τον άνεμο ενέργεια.
Ο πρώτος νόμος δηλώνει ότι η παραγόμενη από τον άνεμο ισχύς είναι ανάλογη με την τρίτη δύναμη της ταχύτητας του ανέμου. Αν δηλαδή διπλασιαστεί η ταχύτητα του ανέμου τότε η διαθέσιμη ισχύς αυξάνει οχτώ φορές, αν τριπλασιαστεί τότε διατίθεται το 27-πλάσιο της ισχύος. Βέβαια η ισχύς του ανέμου σε χαμηλές ταχύτητες είναι αντίστοιχα πολύ μικρή. Σαν συνέπεια αυτού του νόμου θα πρέπει να είναι διαθέσιμα ακριβή και λεπτομερή δεδομένα της ταχύτητας του ανέμου για μια συγκεκριμένη περιοχή ώστε να είναι δυνατόν να υπολογιστεί με ακρίβεια η πιθανότητα για το επίπεδο της ενεργειακής παραγωγής, και οι ανεμογεννήτριες θα πρέπει να σχεδιαστούν και διαστασιολογηθούν ακριβώς για την περιοχή αυτή.
Ο δεύτερος νόμος δηλώνει ότι η διαθέσιμη ισχύς είναι ανάλογη της επιφανείας που σαρώνουν οι πτέρυγες της ανεμογεννήτριας, είναι δηλαδή ανάλογη στο τετράγωνο της ακτίνας της πτέρυγας. Αν διπλασιαστεί το μήκος της πτέρυγας θα αυξηθεί η ισχύς τέσσερις φορές, αν τριπλασιαστεί τότε η ισχύς αυξάνεται κατά εννέα φορές.
Ο τρίτος νόμος δηλώνει ότι υπάρχει μια μέγιστη θεωρητική απόδοση για τις ανεμογεννήτριες που είναι 59%. Στην πραγματικότητα οι περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουν πολύ χαμηλότερο βαθμό απόδοσης, καθώς οι καλύτερες έχουν αποδόσεις της τάξεως του 35-40%. Οι Α/Τ σχεδιάζονται να λειτουργούν ανάμεσα σε συγκεκριμένες ταχύτητες ανέμου. Το κάτω όριο ονομάζεται ταχύτητα εμπλοκής» και είναι περίπου 4-5 m/s, καθώς υπάρχει πολύ λίγη ενέργεια κάτω από αυτή την ταχύτητα ώστε να υπερκεράσουν τις απώλειες του συστήματος. Η ταχύτητα αποκοπής (η Α/Γ τίθεται εκτός λειτουργίας) καθορίζεται από την ικανότητα της συγκεκριμένης μηχανής να αντέχει την καταπόνηση σε εκείνη την ταχύτητα του ανέμου.
Τέλος η ταχύτητα σχεδιασμού είναι η εκείνη η ταχύτητα του ανέμου όπου η συγκεκριμένη μηχανή παράγει την μέγιστη ισχύ για την οποία έχει σχεδιαστεί.
Επάνω από αυτήν την ταχύτητα υπάρχουν μηχανισμοί οι οποίοι διατηρούν την παραγωγή ισχύος σε μια σταθερή τιμή όσο και αν αυξάνει η ταχύτητα του ανέμου.
1.3 Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ [3]
• Ρότορας: Οι πτέρυγες του ρότορα έχουν σχεδιαστεί να γυρίζουν με τον άνεμο, περιστρέφοντας την γεννήτρια. Μερικές φορές υπάρχει κιβώτιο ταχυτήτων γιά να αυξάνει την συχνότητα του παραγόμενου ηλεκτρισμού.
• Γεννήτρια: Παράγει τον ηλεκτρισμό όταν υπάρχει ικανοποιητική ταχύτητα του ανέμου για να περιστραφούν οι πτέρυγες. Υπάρχουν διάφορα είδη γεννητριών, μερικές με μόνιμους μαγνήτες.
• Σύστημα διεύθυνσης: Ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα απαιτούν ένα μηχανισμό ο οποίος να τις φέρνει ώστε το επίπεδο που σαρώνει ο ρότορας να είναι κάθετο στην κατεύθυνση του ανέμου. Οι μικρές Α/Γ έχουν έναν τέτοιο μηχανισμό στο ουραίο τμήμα, ενώ οι μεγάλες έχουν συνήθως έναν σερβομηχανισμό που τις προσανατολίζει ώστε να παράγουν την μέγιστη ισχύ σχεδιασμού τους.
• Σύστημα Προστασίας: Οι σύγχρονες Α/Γ είναι εξοπλισμένες με μηχανισμό που τις θέτει εκτός λειτουργίας ώστε να μην υποστούν ζημιά από υπερβολικά υψηλούς ανέμους. Μικρότερες μηχανές μεταβάλλουν τον προσανατολισμό των πτερύγων ώστε, προσφέροντας μικρότερη επιφάνεια προς τον άνεμο, μειώνεται η ταχύτητα περιστροφής, ή έχουν κάποιο σύστημα πέδησης.
• Πυλώνας στήριξης: Ο πυλώνας επιτρέπει στα πτερύγια να βρίσκονται επάνω από τα τυρβώδη ρεύματα του ανέμου και δεσμεύει υψηλότερους ανέμους. Ο σχεδιασμός του ύψους είναι κρίσιμης σημασίας διότι θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλός αλλά και οικονομικός για το όλο κόστος του συστήματος. Θα πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε το εύρος συχνοτήτων των πτερύγων να μην συμπίπτει με την συχνότητα συντονισμού του πύργου.
Το πλέον διακριτό εξάρτημα μιας Α/Γ είναι ο ρότορας με τα πτερύγια που μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε περιστροφική ενέργεια στον άξονα περιστροφής. Οι σύγχρονες Α/Γ αναπτύσσουν κατά την λειτουργία τους αεροδυναμική άνωση λόγω της ροής του αέρα. Αυτό επιτυγχάνεται καθώς η επιτάχυνση της ροής στο επάνω τμήμα της πτέρυγας, προκαλεί διαφορά πίεσης με το κάτω τμήμα όπου η ροή επιβραδύνεται.
Το μέγεθος των Α/Γ ποικίλλει από διάμετρο 60 cm και ονομαστική ισχύ περίπου 50 W μέχρι 60 m και ισχύ στα 3 MW. Η ισχύς της Α/Γ είναι ανάλογη της επιφανείας που σαρώνει ο ρότορας, και σε μιά περιοχή με ικανοποιητικό επίπεδο ανέμων το επάνω όριο ισχύος είναι περίπου 500 W/m . Για την κατασκευή των πτερύγων
χρησιμοποιείται ένα ευρύ φάσμα υλικών, όπως υαλοβάμβακας με αφρώδη πυρήνα, πολυεστέρα ενισχυμένο με γυαλί, ξύλο και εποξικά στρώματα, και ανοξείδωτος σίδηρος.
Ο αριθμός των πτερύγων στον ρότορα εξαρτάται από το μέγεθος. Οι μεγάλες μηχανές σχεδιάζονται με δύο πτέρυγες, ενώ με τρεις πτέρυγες σχεδιάζονται οι μηχανές κάτω από 500 W. Οι μηχανές με τις δύο πτέρυγες έχουν εξοικονόμηση κόστους λόγω του μειωμένου βάρους του ρότορα, αλλά οι μηχανές με τις τρείς πτέρυγες παράγουν λίγο περισσότερη ισχύ. Η αυξημένη ταχύτητα του άκρου των πτερυγίων σε μια μηχανή με δύο πτερύγια ίσως να προκαλεί αύξηση του αεροδυναμικού θορύβου.
Η ταχύτητα περιστροφής είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη στην διάμετρο του ρότορα, ώστε η προκύπτουσα ταχύτητα του άκρου της πτέρυγας να είναι μεταξύ 50 m/s και 100 m/s. H γεννήτρια είναι συνήθως τύπου επαγωγής, ή εναλλακτικά μπορεί να είναι σύγχρονη, οπότε και απαιτείται διέγερση από το δίκτυο. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να υπάρχει δυνατότητα ακριβούς ελέγχου της ταχύτητας του ρότορα στην εκκίνηση ώστε να συγχρονιστεί με το ρεύμα του δικτύου. Τέλος υπάρχει και η μονάδα ελέγχου που ταιριάζει το ρεύμα που παράγεται από την γεννήτρια με την ζήτηση ισχύος από το δίκτυο και το επίπεδο του ανέμου. Όλα αυτά βρίσκονται εγκατεστημένα στον ειδικό θάλαμο στο ύψος του άξονα περιστροφής του ρότορα, αλλά απαιτείται ευχέρεια πρόσβασης για συντήρηση και επισκευές.
Ο πύργος στήριξης είναι μια ειδική κατασκευή το ύψος του οποίου καθορίζεται από την ανάγκη να βρίσκεται μέσα σε ένα καλό προφίλ ανέμου, αλλά και να αντέχει την αύξηση της ροπής στην βάση του. Η θεμελίωση του συνεπώς θα πρέπει να σχεδιάζεται ώστε να αντέχει την ροπή κάμψεως που εμφανίζεται αλλά και τις αναπτυσσόμενες ταλαντώσεις που αναπτύσσονται από την συχνότητα περιστροφής του ρότορα. Τα έργα θεμελίωσης και κατασκευής που απαιτούνται αναδεικνύουν το όλο πρόβλημα εγκατάστασης και συναρμολόγησης.
Ο πύργος κατασκευάζεται στο εργοστάσιο και συναρμολογείτε επί τόπου, ο ρότορας έρχεται πλήρης και προσαρμόζεται στον πύργο, ενώ οι πτέρυγες συνδέονται με την βοήθεια ειδικών γερανών. Απαιτούνται συνεπώς δρόμοι προσπέλασης προς το σημείο εγκατάστασης, και η όλη επιχείρηση είναι ιδιαίτερα δύσκολη ιδίως σε περιπτώσεις ορεινές και απομακρυσμένες. Όλα τα παραπάνω προσθέτουν στο
συνολικό κόστος του έργου, ενώ υπάρχει πολλές φορές η ανάγκη να ανοιχθούν νέοι δρόμοι, ειδικά για την εξυπηρέτηση των αιολικών πάρκων.
Τέλος υπάρχει η ανάγκη να μεταφερθεί ο παραγόμενος ηλεκτρισμός στο σημείο σύνδεσης με το δίκτυο το οποίο μπορεί να βρίσκεται αρκετά χιλιόμετρα μακρυά.
Εκτός από το οικονομικό κόστος που συνεπάγεται η εγκατάσταση νέων γραμμών μεταφοράς υπάρχει και η περιβαλλοντική επιβάρυνση που προκύπτει καθώς οι γραμμές μεταφοράς σε ένα τοπίο οδηγούν σε οπτική υποβάθμιση.
Οι ανεμογεννήτριες έχουν εγκατεστημένες ισχύς που ποικίλουν από μερικά kW μέχρι μερικά MW. Το πιο συνηθισμένο εύρος για τις μεγάλες μηχανές είναι μεταξύ 200 -700 kW.
1.4 ΜΙΚΡΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ [3]
Οι μηχανές που έχουν εγκατεστημένη ισχύ μικρότερη από 10kW ταξινομούνται ως Α/Γ μικρής κλίμακας. Μπορούν να είναι συνδεδεμένες με το δίκτυο, αλλά συνήθως λειτουργούν αυτόνομα παράγοντας ηλεκτρισμό σε περιοχές όπου δεν υπάρχει δίκτυο.
Σε αγροτικές περιοχές υπάρχουν εγκατεστημένες Α/Γ οι οποίες χρησιμοποιούνται γιά την άντληση νερού από γεωτρήσεις. Είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν σε χαμηλότερες ταχύτητες από τις Α/Γ που παράγουν ηλεκτρισμό και ουσιαστικά αποθηκεύουν το νερό για μετέπειτα χρήση όταν δεν υπάρχει επαρκής άνεμος.
Το μεγαλύτερο πρόβλημα για την οικονομικότητα της αιολικής ισχύος είναι η στοχαστικότητα του ανέμου, και η προκύπτουσα μεταβαλλόμενη παραγωγή ισχύος.
Οι περιοχές όπου ο άνεμος είναι σταθερά υψηλός είναι σχετικά λίγες και ως συνέπεια απαιτείται να υπάρχει σύστημα αποθήκευσης γιά τον παραγόμενο ηλεκτρισμό (συνήθως μπαταρίες) ή εφεδρικό σύστημα με γεννήτρια πετρελαίου για να προσφέρει στην κατανάλωση. Έμμεση αποθήκευση ηλεκτρισμού αποτελεί η ανύψωση νερού σε τεχνητές λίμνες όπου ο παραγόμενος ηλεκτρισμός επιστρέφει στο δίκτυο με την περιστροφή κάποιου υδροστροβίλου.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2
Η ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ
2.1 Γενικά για τηνΑΓ.
Οι αιολικές μηχανές αποτελούν ανθρώπινες επινοήσεις που έχουν σαν σκοπό την αποτελεσματική αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας του ανέμου. Δηλαδή, η ΑΓ είναι η διάταξη που έχει σκοπό να μετατρέψει την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Από την εποχή εμφάνισής της μέχρι τις μέρες μας έχει περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης, τόσο ως προς τον τύπο της, όσο και ως προς τα υποσυστήματα της. Εξελίξεις έχουν επίσης σημειωθεί και στον τρόπο δέσμευσης, αξιοποίησης, αποθήκευσης ή μεταφοράς της ενέργειας του ανέμου. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μικρές ΑΓ που μπορούν να ενταχθούν σε ένα αυτόνομο αιολικό σύστημα ικανό να ικανοποιήσει καταναλωτές περιορισμένης ενεργειακής ζήτησης. Γενικά, οι ΑΓ σύγχρονης τεχνολογίας, μικρού ή μεγάλου μεγέθους, αποδεικνύονται πλέον, αξιόπιστες και αποδοτικές διατάξεις, όπου η ονομαστική τους ισχύ έχει φτάσει στο επίπεδο των MW, με μήκος πτερυγίων 60 m και ιστό 100 m.
2.2 Κυριότερες κατηγορίες ΑΓ
Οι ΑΓ μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε :
Α) Οριζοντίου άξονα, όπου ο άξονας περιστροφής του δρομέα είναι παράλληλος προς την κατεύθυνση ροής του ανέμου
β) Οριζοντίου άξονα, όπου ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς την επιφάνεια της γης αλλά κάθετος προς την κατεύθυνση ροής του ανέμου Γ) Καθέτου άξονα, όπου ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος προς την επιφάνεια της γης και προς τη κατεύθυνση ροής του ανέμου.
Α) ΑΓ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ
Οι ΑΓ οριζοντίου άξονα έχουν τον άξονά τους παράλληλο προς την επιφάνεια της γης και συνήθως παράλληλο και με τη διεύθυνση του ανέμου, αν και όπως είπαμε και παραπάνω, μπορεί να είναι και κάθετη προς τη διεύθυνση του ανέμου. Επίσης, οι ΑΓ μπορούν να έχουν περισσότερο από ένα πτερύγια, ενώ η πτερωτή τους μπορεί να τοποθετηθεί είτε σε προσήνεμη διάταξη, δηλαδή μπροστά από τον πύργο στήριξης, είτε σε υπήνεμη διάταξη, δηλαδή πίσω από τον πύργο στήριξης σε σχέση με τη διεύθυνση του ανέμου.
Ανάμεσα στις ΑΓ οριζοντίου άξονα συγκαταλέγονται οι κλασσικοί παραδοσιακοί ανεμόμυλοι καθώς και οι αργές μηχανές πολλών πτερυγίων αμερικάνικου τύπου, οι οποίες λόγω των περιορισμένων διαστάσεών τους και της χαμηλής περιφερειακής τους ταχύτητας έχουν εγκαταλειφθεί σήμερα, αν και εμφανίζουν σχετικά μεγάλες ροπές λειτουργίας. Στο παρελθόν κατασκευάστηκαν σε βιομηχανική κλίμακα αντίστοιχες μηχανές και βρήκαν ευρεία εφαρμογή για την άντληση νερού και άλλες γεωργικές χρήσεις.
Από την άλλη πλευρά στην κατηγορία των αιολικών μηχανών οριζοντίου άξονα περιλαμβάνονται και οι ΑΓ που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο σήμερα και οι οποίες ονομάζονται ΑΓ τύπου έλικας.
Σχεδ2.1:Ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα
Οι μηχανές αυτές εμφανίζουν σημαντικές περιφερειακές ταχύτητες ενώ τα πτερύγιά τους, που είναι συνήθως ένα εως τρία, βασίζονται στην τεχνολογία των αεροπορικών ελίκων αλλά και σε αυτή της έλικας ελικοπτέρων. Ένα από τα βασικά τους χαρακτηριστικά είναι ο μεγάλος αεροδυναμικός βαθμός απόδοσής τους, αλλά και η βέλτιστη λειτουργία τους σε μεγάλες τιμές της παραμέτρου περιστροφής, με αποτέλεσμα την αρκετά μεγάλη ταχύτητα προσβολής των πτερυγίων από τον άνεμο.
Οι πρώτοι δρομείς που κατασκευάστηκαν είχαν πλατιά πτερύγια, ενώ σήμερα κατασκευάζονται μηχανές με αρκετά λεπτά πτερύγια.
Στις μηχανές τύπου έλικας γίνεται ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής της πτερωτής και για λόγους προστασίας της σε περιπτώσεις πολύ ισχυρών ανέμων, είτε με τη χρήση ειδικών αεροδυναμικών βοηθημάτων στην άκρη των πτερυγίων είτε με τη στροφή της πτερωτής υπό γωνία σε σχέση με τη διεύθυνση του ανέμου. Η αιολική ισχύς από την πτερωτή μεταφέρεται είτε μέσω συστήματος μετάδοσης κίνησης στη βάση του πύργου στήριξης, είτε από τον άξονα της πτερύγωσης στην ηλεκτρική
γεννήτρια, που βρίσκεται συνήθως και αυτή στον πύργο στήριξης. Οι μηχανές οριζοντίου άξονα συνεχίζουν να αναπτύσσονται σήμερα, ενώ έχουν κατασκευαστεί ή κατασκευάζονται μονάδες με ισχύ, που κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες Watt έως και αρκετά MW.
Οι μηχανές κατακορύφου άξονα εμφανίζουν το σημαντικό πλεονέκτημα αυτόματης προσαρμογής στη διεύθυνση του ανέμου, ως εκ τούτου αποτελούν και πιο απλές κατασκευές. Οι πλέον γνωστοί τύποι ανεμοκινητήρων κατακορύφου άξονα είναι οι μηχανές τύπου Darrieus (σχήμα 2.3) και οι μηχανές τύπου Savonius (σχήμα 2.2). Οι μηχανές τύπου Darrieus αποτελούν έναν από τους πλέον διαδεδομένους τύπους ανεμοκινητήρων στη διεθνή αγορά
Β) ΑΓ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΑΞΟΝΑ
Α ν εμ ο κ ιν η τή ρ α ς Κ α τα κ ο ρ ύ φ ο ν Ά ξο να τύ π ο υ "Savonius"
Σχεδ 2.2:Ανεμοκινητήρας κατακόρυφου άξονα τύπου ‘’Savonius’’
Σχεδ 2.3:Ανεμοκινητήρας ‘’Darrieus’’ κατακόρυφου άξονα.
Οι ΑΓ κατακορύφου άξονα περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα κάθετο τόσο στη διεύθυνση του ανέμου, όσο και στο έδαφος. Οι αιολικές μηχανές του τύπου αυτού έχουν καλή αεροδυναμική απόδοση, ανεξαρτησία ως προς τη διεύθυνση του ανέμου, χαμηλό κόστος κατασκευής και σχετικά απλά συστήματα ελέγχου. Υπάρχει αρκετή ποικιλία δρομέων κατακόρυφου άξονα, όμως ο δρομέας τύπου Darrieus είναι ο περισσότερο εξελιγμένος και ως εκ τούτου και ο περισσότερο διαδεδομένος. Με τη χρήση μηχανών του τύπου αυτού δίνεται η δυνατότητα να κατασκευαστούν μηχανές με ονομαστική ισχύ της τάξεως του ενός MW. Ένα άλλο πλεονέκτημα των μηχανών κατακορύφου άξονα είναι ότι οι μηχανισμοί και η γεννήτρια βρίσκονται κατά κανόνα στο έδαφος, με αποτέλεσμα να απαιτείται ελαφρότερος πυλώνας και να διευκολύνεται η λειτουργία και η συντήρηση του όλου συστήματος.
Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης δεν παρουσιάζει ιδιαίτερες διαφορές σε σύγκριση με το αντίστοιχο σύστημα των μηχανών οριζοντίου άξονα, ακτός από το γεγονός ότι τα εξαρτήματα είναι τοποθετημένα κατακορύφως. Ο δρομέας στηρίζεται σε κατάλληλο έδρανο στη βάση του, το οποίο ακόμα και σε σταθερή ταχύτητα ανέμου καταπονείται από εναλλασσόμενα φορτία. Επίσης η μηχανή διατηρείται σε κατακόρυφη θέση με τη βοήθεια ανταντήρων, οι οποίοι συνδέουν την κορυφή του άξονα της μηχανής με το έδαφος.
Τέλος οι ΑΓ τύπου Darrieus έχουν ιδιαίτερα υψηλές ταχύτητες εκκίνησης και για μεγάλα συστήματα χρησιμοποιείται βοηθητικός κινητήρας για την εκκίνηση.
Επιπλέον οι μηχανές του τύπου αυτού παρέχουν τελικά χαμηλότερο μέσο ετήσιο συντελεστή ισχύος. Συνοπτικά είναι αποδεκτό ότι οι ΑΓ κατακορύφου άξονα τύπου Darrieus θεωρούνται συγκρίσιμες σε οικονομικοτεχνική ελκυστικότητα με τις πλέον σύγχρονες ΑΓ οριζοντίου άξονα.
Αντίστοιχα οι ΑΓ τύπου Savonius παρουσιάζουν χαμηλό συντελεστή ισχύος, μικρή ακραία περιφερειακή ταχύτητα, περιορισμένο μέγεθος αλλά και εξαιρετική απλότητα και οικονομικότητα κατασκευής.
2.3 Βασικά τμήματα ΑΓ οριζοντίου άξονα.
Τα βασικά τμήματα μιας ΑΓ οριζοντίου άξονα είναι τα παρακάτω : Α) Ο πυλώνας
Β) Η πτερωτή
Γ) Ο άξονας περιστροφής
Δ) Το σύστημα προσανατολισμού Ε) Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης ΣΤ) Η ηλεκτρική γεννήτρια
Ε) Το σύστημα ελέγχου
Σχεδ 2.4: Τυπική μορφή ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα.
Στην περίπτωση του παραπάνω σχήματος, η πτερωτή της ΑΓ αποτελείται από πτερύγια, των οποίων το σχήμα έχει προέλθει από αντίστοιχα πτερύγια αεροπορικών κινητήρων και είναι κατασκευασμένα συνήθως από ελαφρά κράματα μετάλλων, ενισχυμένο πολυεστέρα, αλλά και από ξύλο σε συνδυασμό με ειδικές ρυτίνες. Μια τυπική μέθοδος κατασκευής πτερυγίων ΑΓ βασίζεται στη συνδυασμένη χρήση χάλυβα και πλαστικού, όπου το κεντρικό χαλύβδινο τμήμα απορροφά τα καμπτικά και στρεπτικά φορτία, ενώ χρησιμοποιούνται πλαστικά κελύφη τα οποία προσδίδουν την επιθυμητή αεροδυναμική μορφή στα πτερύγια
Όπως ξέρουμε, η πτερωτή τοποθετείται είται στα ανάντη είτε στα κατάντη του πύργου στηρίξεως και τα πτερύγια καλύπτουν ένα μικρό ποσοστό, από 2% -10%, του εμβαδού της περιφέρειας που διαγράφουν. Όταν ο δρομέας λειτουργεί στα κατάντη του πύργου στηρίξεως έχουμε βέβαια αυξημένο επίπεδο αεροδυναμικού θορύβου, αλλά έχουμε και αυτόματο προσανατολισμό πτερωτής στη διεύθυνση του ανέμου.
Στην ανάντη λειτουργία της πτερωτής εκλείπουν τα παραπάνω φαινόμενα, με αποτέλεσμα η διάταξη αυτή να προτιμάται σήμερα.
Η επιλογή του πλήθους των πτερυγίων σχετίζεται με την αεροδυναμική φόρτιση
και με θέματα αντοχής και συντονισμού λόγω ταλαντώσεων. Επιπλέον, θέματα που συνεκτιμούνται είναι η κυκλική μεταβολή της ροπής της μηχανής λόγω της καθ' ύψος μεταβολής της ταχύτητας του ανέμου, καθώς και τα θέματα ζυγοστάθμισης των πτερυγίων.
Για λόγους ασφαλείας της ΑΓ, τα πτερύγια είναι συνήθως εφοδιασμένα με συστήματα αεροδυναμικής πέδησης, τα οποία διακόπτουν τη λειτουργία της μηχανής σε έκτακτες περιπτώσεις. Σε ειδικές κατασκευές εκτός από την παρουσία των αερόφρενων χρησιμοποιούνται και μικρά αλεξίπτωτα, που απελευθερώνονται φυγοκεντρικά μετά από κάποιο όριο στροφών και επιβραδύνουν την ΑΓ.
Για την βελτίωση της συνολικής συμπεριφοράς μιας πτερωτής ΑΓ, χρησιμοποιούνται πτερωτές μεταβλητού βήματος σε αντιδιαστολή με τις απλούστερες περιπτώσεις πτερωτών σταθερού βήματος. Η μεταβολή του βήματος μιας πτερωτής συνίσταται στην περιστροφή του πτερυγίου γύρω από το διαμήκη άξονά του, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της γωνίας προσβολής του από τον άνεμο.
Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η διατήρηση σταθερής ταχύτητας περιστροφής της ΑΓ, η βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής απόδοσης των πτερυγίων, ο έλεγχος παραγόμενης ισχύος, ο περιορισμός τν δυνάμεων που καταπονούν τα πτερύγια κ.α.
Η πλήμνη αποτελεί το δεύτερο συστατικό της πτερωτής και περιλαμβάνει εκείνο το μέρος της ΑΓ πάνω στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η τελική της μορφή εξαρτάται τόσο από το είδος της πτερωτής όσο και από τους επιθυμητούς βαθμούς ελευθερίας στη θέση σύνδεσης πτερυγίων και άξονα.
Ο άξονας της ΑΓ κατασκευάζεται από ειδικό ενισχυμένο χάλυβα, ώστε να δύναται να μεταφέρει ισχυρές μη μόνιμες στρεπτικές και καμπτικές ροπές, ενώ η έδρασή του γίνεται συνήθως σε δύο ένσφαιρα έδρανα ικανά να παραλαμβάνουν τόσο το βάρος του άξονα όσο και τα εξασκούμενα φορτία.
Η δυνατότητα περιστροφής του άξονα σε διεύθυνση παράλληλη προς αυτή του ανέμου εξασφαλίζεται με τη χρήση καθοδηγητικών πτερυγίων και ειδικών αυτοματισμών. Η πλέον σύγχρονη μέθοδος προσανατολισμού στηρίζεται στη χρήση ειδικού αισθητηρίου και σερβομηχανισμού, που περιστρέφει την άτρακτο της μηχανής με τη βοήθεια οδόντωσης περιστροφής.
Ένα από τα σπουδαιότερα μέρη της ΑΓ είναι το σύστημα μετάδοσης της κίνησης, που περιλαμβάνει διβάθμιο ή τριβάθμιο κιβώτιο μετασχηματισμού της χαμηλής ταχύτητας περιστροφής της πτερωτής σε υψηλότερες ταχύτητες
περιστροφής, άνω των 1000rpm, στις οποίες λειτουργούν συνήθως οι ηλεκτρικές γεννήτριες. Ο τυπικός βαθμός απόδοσης ενός διβάθμιου συστήματος μετάδοσης είναι περίπου 96%, ενώ για λόγους ασφαλείας η μέγιστη μεταφερόμενη ισχύς πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια της ονομαστικής ισχύος της ΑΓ.
Το σύστημα κίνησης περιλαμβάνει επίσης, υδραυλικό ή μηχανικό φρένο και ελαστικούς συνδέσμους απορρόφησης στρεπτικών ταλαντώσεων. Το μηχανικό φρένο της ΑΓ τοποθετείται είτε στον άξονα υψηλής ταχύτητας περιστροφής, οπότε απαιτείται μικρή σχετικά δύναμη πέδησης, αλλά δεν προστατεύεται η πτερωτή από απώλεια φορτίου ή θραύση του συστήματος μετάδοσης κίνησης, είτε στον άξονα χαμηλής ταχύτητας περιστροφής. Στην τελευταία περίπτωση λόγω της μεγάλης ροπής πέδησης απαιτείται φρένο αυξημένων διαστάσεων, βάρους και κόστους. Στην περίπτωση όμως αυτή προστατεύεται καλύτερα η πτερωτή και το κιβώτιο μετάδοσης, γι' αυτό και αποτελεί τη βέλτιστη τεχνικά λύση. Τέλος για λόγους πρόσθετης ασφάλειας, απαιτείται η αυτόματη ενεργοποίηση του φρένου με τη βοήθεια ελατηρίου, στην περίπτωση πτώσης της υδραυλικής πίεσης ή της ηλεκτρικής τάσης για την περίπτωση ηλεκτρομαγνητικού συστήματος πέδησης.
Για την προστασία των τμημάτων της ΑΓ από τις καιρικές συνθήκες χρησιμοποιείται ειδικό κέλυφος από σύνθετο υλικό, όπως ειδικά κράματα χάλυβα ή αλουμινίου, που στην περιοχή της πλήμνης πρέπει να έχει και αεροδυναμική μορφή.
Επιπλέον, το κέλυφος της ΑΓ πρέπει να έχει αντιδιαβρωτική προστασία.
Ο πύργος στηρίξεως της ΑΓ αποτελείται συνήθως είτε από ένα μεταλλικό δικτύωμα, είτε από μια στήλη από μτετόν ή μεταλλικό σωλήνα για μεγαλύτερες ΑΓ.
Στην τελευταία περίπτωση υπάρχει ειδική μέριμνα για εσωτερική σκάλα, ενώ για ΑΓ μεγάλων διαστάσεων υπάρχει πρόσθετη μέριμνα για εγκατάσταση ανελκυστήρα. Το ελάχιστο ύψος του πύργου στηρίξεως είναι συνήθως ίσο με τη διάμετρο της πτερωτής, ενώ κατά την εκλογή του πρέπει να ληφθούν υπόψη τόσο το αυξημένο κόστος κατασκευής και θεμελίωσης για μεγάλα ύψη όσο και η δυνατότητα αξιοποίησης υψηλότερων ταχυτήτων του ανέμου, με την αύξηση του ύψους τοποθέτησης της πτερωτής.
Τελειώνοντας πρέπει να αναφέρουμε και την ύπαρξη των ηλεκτρικών γεννητριών, που χρησιμοποιούνται για μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική, καθώς και των συστημάτων αυτοματισμού. Επίσης για την παραγωγή
γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος και σπανιότερα ηλεκτρικές γεννήτριες συνεχούς ρεύματος.
2.4 Η μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική.
Για τη μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ενέργεια περιστρεφόμενης μηχανής, χρησιμοποιείται ειδικά διαμορφωμένη κατασκευή, η οποία τίθεται σε περιστροφή από τον άνεμο και ονομάζεται πτερωτή. Στην πτερωτή, η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται, με ορισμένο ρυθμό, σε περιστροφική ενέργεια. Η ισχύς PM, με την οποία αποδίδεται έργο στην αιολική μηχανή (ανεμόμυλος, ανεμογεννήτρια), χαρακτηρίζει τη δυνατότητά της για παραγωγή περαιτέρω μηχανικού έργου από τη διάταξη αυτή. Επειδή, όμως, ένα τμήμα της μάζας του αέρα που προσπίπτει στην πτερωτή, κατ' ανάγκη τη διαπερνά χωρίς να αποδίδει σ' αυτήν, την ενέργειά της, η μέγιστη μηχανική ισχύς, ΡΜ,μεγ, που θα μπορούσε να αποδώσει, θεωρητικά, ο άνεμος στην πτερωτή της αιολικής μηχανής, αποδεικνύεται ίση με :
Ρ Μ ,μεγ = Γ ρ,μ εγ ·Ρα ν
όπου Ορ,μεγ, ο ιδανικός συντελεστής (μηχανικής) απόδοσης της αιολικής μηχανής.
Όπως προκύπτει, έχει την τιμή 0,593 και ονομάζεται όριο Betz. Δηλαδή, ιδανικά, μόνο το 59,3% της Ραν, θα μπορούσε να αξιοποιηθεί από μια πτερωτή.
Στην πράξη, ο συντελεστής απόδοσης, Cp = ΡΜ/Ραν, είναι μικρότερος του ορίου Betz και εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου και τη διαμόρφωση των πτερυγίων της αιολικής μηχανής. Αν η πτερωτή συνδυάζεται με ηλεκτρογεννήτρια, τότε έχουμε μια ανεμογεννήτρια (ΑΓ). Συνεπώς, η αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς, από μια ΑΓ δίδεται από τη σχέση :
1 ,
^ ^αγ = ’ Ρ ’ ^ · C p · η μηχ · η ηλ · υ
όπου
Cp: ο συντελεστής απόδοσης της αιολικής μηχανής και αφορά στη μετατροπή της αποδιδόμενης από τον άνεμο, στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας, ενέργειας, σε περιστροφική,
ημηχ: ο συντελεστής απόδοσης μηχανικών μερών της ΑΓ στην είσοδο της ηλεκτρογεννήτριας. Η μεταβιβαζόμενη ενέργεια προς την ηλεκτρογεννήτρια μειώνεται εξ αιτίας των τριβών στα σημεία έδρασης του άξονα περιστροφής των πτερυγίων (Bearing) και στα γρανάζια του κιβωτίου μετατροπής στροφών (gearbox), με τιμή μέχρι 95% και
ηηλ, ο συντελεστής απόδοσης της ηλεκτρογεννήτριας, με τιμή μέχρι 80%.
Μια ΑΓ, ως μηχανική διάταξη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αξιοποιώντας την κινητική ενέργεια του ανέμου, χαρακτηρίζεται από την αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύ PR (Rated), όταν βρίσκεται σε αιολικό πεδίο ορισμένης ταχύτητας αναφοράς. Ως ταχύτητα αναφοράς, UR λαμβάνεται αυτή σε ύψος αναφοράς hR = 10 m. Συνεπώς, η αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύς, από μια ΑΓ, δεδομένης ονομαστικής ισχύος, εξαρτάται από το ύψος του ιστού τοποθέτησής της. Στο σχήμα 23, δίδεται η εξάρτηση της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος, μιας ορισμένης ΑΓ, από την ταχύτητα του ανέμου. Σε πολύ χαμηλές ταχύτητες ανέμου, μέχρι ορισμένη χαρακτηριστική τιμή, υε (ταχύτητα έναρξης λειτουργίας, cut-in-speed), η αποδιδόμενη ισχύς είναι μηδενική, δηλαδή, η ΑΓ δεν λειτουργεί. Ομοίως, σε πολύ υψηλές ταχύτητες, μεγαλύτερες ενός ορίου υεξ (ταχύτητα εξόδου, furling-speed), η ΑΓ, για λόγους προστασίας της, ακινητοποιείται με χρήση κατάλληλου φρένου (μηχανικού ή ηλεκτρομαγνητικού), ή με μηχανισμό αυτόματου προσανατολισμού του επιπέδου της πτερωτής, παράλληλα με την κατεύθυνση ροής του ανέμου. Σε ταχύτητες μεγαλύτερες της Ur, ειδική διάταξη διατηρεί σταθερή (ή περίπου σταθερή) την αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύ, ίση με την PR