[PENDING] Έλεγχος των ανεμογεννήτριων μεταβλητής ταχύτητας

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ

ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ

Σπουδαστής Επιβλέπων Καθηγητής

ΛΕΚΚΑΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΑΡΑΚΟΥΛΙΔΗΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ

Αρ. Μητρώου: 3288

ΚΑΒΑΛΑ 2009

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ

ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ

Σπουδαστής Επιβλέπων Καθηγητής

ΛΕΚΚΑΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΑΡΑΚΟΥΛΙΔΗΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ

Αρ. Μητρώου: 3288

ΚΑΒΑΛΑ 2009

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Οι μηχανές που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) σε ηλεκτρική ενέργεια λέγονται ανεμογεννήτριες ή ανεμοηλεκτρικές γεννήτριες. Υπάρχουν δύο ειδών ανεμογεννήτριες: οι δίπτερες και οι τρίπτερες. Στις μηχανές μεγάλου μεγέθους επικρατούν οι δίπτερες, με κόστος κατασκευής και συντήρησης μικρότερο απ' αυτό των τρίπτερων αντίστοιχου μεγέθους.

Οι ανεμογεννήτριες είναι συνέχεια των ανεμόμυλων. Ο ανεμόμυλος είναι μια διάταξη που χρησιμοποιεί ως κινητήρια δύναμη την κινητική ενέργεια του άνεμου (αιολική ενέργεια). Ο ανεμόμυλος έφτασε στην Ευρώπη από τους Άραβες, χρησιμοποιήθηκε δες τον τύπο του κατακόρυφου ρωμαϊκού υδραυλικού τροχού, με τη διαφορά ότι ο ανεμόμυλος είχε στην θέση του τροχού κατακόρυφα φτερά που μετέδιδαν την κίνηση στις μυλόπετρες με ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών. Οι πρώτοι τέτοιοι περιστρεφόμενοι μύλοι εμφανίστηκαν στη Γαλλία το 1180, στην Αγγλία το 1191 και στη Συρία την εποχή των Σταυροφοριών (1190). Ο ανεμόμυλος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ως ανεμογεννήτρια το 1890 όταν εγκαταστάθηκε πάνω σε χαλύβδινο πύργο ο ανεμόμυλος του Π. Λα Κούρ στη Δανία, με ισχία με σχισμές και διπλά πτερύγια αυτόματης μετάπτωσης προς τη διεύθυνση του ανέμου. Η ισχύ που αποδίδει, κατ ' επέκταση και η ενέργεια που παράγει, μια ανεμογεννήτρια είναι συνάρτηση του κύβου της ταχύτητας του ανέμου, της πυκνότητας του ανέμου και των τεχνικών χαρακτηριστικών του συγκροτήματος. Η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος και γι αυτό οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται πάντα στην κορυφή υψηλών πύργων στήριξης. Παρ’ όλα αυτά οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι για την παραγωγή ωφέλιμου έργου μπορεί να αξιοποιηθεί μόνο το 53,9%

της συνολικής ενέργειας του ανέμου.

Σήμερα η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας γίνεται σχεδόν αποκλειστικά με μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες:

- τις ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα, όπου ο δρομέας είναι τύπου έλικας και ο άξονας μπορεί να περιστρέφεται συνεχώς παράλληλα προς τον άνεμο και

- τις ανεμογεννήτριες με κατακόρυφο άξονα που παραμένει σταθερός. Έτσι μια συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, που ονομάζεται αιολικό πάρκο, μπορεί να λειτουργήσει σαν μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια μια από τις παλαιότερες μορφές φυσικής ενέργειας, αξιοποιήθηκε από πολύ νωρίς για την παραγωγή μηχανικού έργου και έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Τα αιολικά πάρκα (ΑΠ) αποτελούνται από σειρές ανεμογεννητριών (ΑΓ) που μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική· έτσι γίνεται η εκμετάλλευση του τοπικού αιολικού δυναμικού που αποτελείται από μια ανεξάντλητη φυσική πηγή. Η λειτουργία των ΑΓ δεν απαιτεί πρώτες ύλες, εκτός από την αιολική ενέργεια, και δεν εκπέμπει καμία μορφή ρύπου ή αποβλήτων· επίσης, το παραγόμενο προϊόν μεταφέρεται απευθείας στο δίκτυο της ΔΕΗ προς κατανάλωση και επομένως, δεν απαιτείται κανενός είδους μετατροπή πρώτης ύλης ή προϊόντος. Ένα σημαντικό όμως μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας είναι ότι εξαρτάται άμεσα από την ύπαρξη ικανοποιητικών ταχυτήτων ανέμου. Τι γίνεται όμως όταν δεν φυσάει άνεμος; Επειδή δεν υπάρχουν δυνατότητες για ικανοποιητική αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, επιβάλλεται να υπάρχει εφεδρεία συμβατικών σταθμών για το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος των ανεμογεννητριών.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Σελίδα

ΠΡΟΛΟΓΟΣ 3

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 4

1. ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 7

1.1. Τι είναι ανεμογεννήτρια 7

1.2. Είδη ανεμογεννητριών 8

1.3. Ιστορική εξέλιξη 8

1.3.1. Μέση Ανατολή 8

1.3.2. Οι πρώτοι ευρωπαϊκοί ανεμόμυλοι 8

1.3.3. Ανεμογεννήτρια 9

1.4. Πως λειτουργεί 10

1.5. Τεχνολογία ανεμογεννητριών 11

2. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 12

2.1. Γενικά για την αιολική ενέργεια 12

2.2. Χρησιμότητα αιολικής ενέργειας 13

2.3. Η αιολική ενέργεια στην Ελλάδα 13

2.4. Η αιολική ενέργεια στην Ευρώπη 14

2.5. Μειονεκτήματα της αιολικής ενέργειας 15

2.6. Αιολικό Πάρκο - Γενικές πληροφορίες 15

2.6.1. Νομοθεσία - Αδειοδότηση 15

2.6.2. Κριτήρια για την κατάλληλη θέση εγκατάστασης ενός ΑΠ 16

3. ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Α/Γ 17

3.1. Εισαγωγή 17

3.2. Βασικά μοντέλα 18

3.3. Αεροδυναμική 21

3.4. Η δυναμική της κινητήριας σειράς 24

3.5. Δυναμικές μονάδες παραγωγής ισχύος 27

3.6. Συνδυασμένη μηχανική 34

3.7. Ελάχιστος βαθμός και μέγιστος βαθμός της ρύθμισης καθυστέρησης 36

3.8. Μέγιστος βαθμός της ρύθμισης κλίσης 42

3.9. Συμπεράσματα 46

4. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ Α/Γ 47

4.1. Εισαγωγή 47

4.2. Ειδική εργασία του σχεδίου ελέγχου 50

4.2.1. Στόχοι ελέγχου 50

4.2.2. Επίτευξη των στόχων ελέγχου 52

4.2.3. Ορισμός των στρατηγικών ελέγχου 54

4.3. Επιλογές στρατηγικής ελέγχου 56

4.3.1. Υποκείμενος βαθμός της ταχύτητας του αέρα 58

4.3.1.1. Ακολουθώντας τη ροπή της κινητήριας σειράς 59

4.3. Ι.2. Χάραξη της αεροδυναμικής ροπής 60

4.3. Ι.3. Χάραξη της συνδυασμένης κινητήριας σειράς και της

αεροδυναμικής ροπής 62

4.3. Ι.4. Άλλες συνεχείς στρατηγικές 63

4.3. Ι.5. Συγκεκριμένη λειτουργία ταχύτητας 63

4.3. Ι.6. Ασυνεχής λειτουργία ταχύτητας 64

4.3.2. Μέγιστος βαθμός ρύθμισης καθυστέρησης 66

4.3.2. Ι. Χάραξη της σταθερής ισχύος 67

4.3.2.2. Χάραξη της τροποποιημένης δύναμης 68

4.3.2.3. Χάραξη της σταθερής ροπής 69

4.3.2.4. Χάραξη της σταθερής ταχύτητας 69

4.3.2.5. Συγκεκριμένη λειτουργία ταχύτητας 70

4.3.3. Μέγιστος βαθμός της ρύθμισης της κλίσης 70

4.3.3. Ι. Λειτουργία σταθερής ταχύτητας 70

4.3.3.2. Σημασία της σταθερής κλίσης της λεπίδας 71

4.3.3.3. Σταθερή ώθηση 72

4.3.4. Εναλλαγή του ελεγκτή 72

4.3.4. Ι. Διαδικασία εναλλαγής Α 73

4.3.4.2. Διαδικασία εναλλαγής Β 74

4.3.4.3. Διαδικασία εναλλαγής Γ 75

4.4. Προσδιορισμός της απόδοσης 76

4.5. Αναθεώρηση της προηγούμενης εργασίας 80

4.5.1. Μελέτες σκοπιμότητας 81

4.5.2. Μελέτες σύνθεσης 83

4.5.3. Μελέτες σχεδίου 85

4.6. Συμπεράσματα 86

5. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΕΛΕΓΚΤΩΝ Α/Γ 88

5.1. Εισαγωγή 88

5.2. Προεισαγωγικά ελέγχου ανεμογεννητριών 90

5.3. Αναθεώρηση των προηγούμενων στρατηγικών 95 5.3.1. Εξισορρόπηση της μη γραμμικής αεροδυναμικής 95

5.3.2. Ελεγκτής εκκίνησης - διακοπής 97

5.3.3. Εξυπηρετικός ενεργοποιητής - κορεσμός ταχύτητας/επιτάχυνσης 99 5.4. Εξισορρόπηση για την μη γραμμική αεροδυναμική 100

5.4.1. Σχεδιασμός κέρδους 100

5.4.2. Διαχωριστικότητα της μη γραμμικής αεροδυναμικής 101

5.4.3. Άμεση γραμμοποίηση 103

5.4.4. Ανατροφοδότηση γραμμοποίησης 106

5.4.5. Σχέση μεταξύ άμεσης και ανατροφοδότηση γραμμοποίησης 110

5.5. Ελεγκτής εκκίνησης - διακοπής 112

5.5.1. Ανάλυση της σταθερότητας του ελεγκτή εκκίνησης - διακοπής 112

5.5.2. Οδηγίες σχεδίου 114

5.5.3. Σχέση του anti-wind-up 114

5.6. Ταχύτητα του ενεργοποιητή και/ή ο κορεσμός επιτάχυνσης 116 5.7. Ολοκληρωμένη πραγματοποίηση του ελεγκτή 120

5.8. Περίληψη και συμπεράσματα 123

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 125

ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ

1. Τι είναι ανεμογεννήτρια

Οι μηχανές που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) σε ηλεκτρική ενέργεια λέγονται ανεμογεννήτριες ή ανεμοηλεκτρικές γεννήτριες.

2. Είδη ανεμογεννητριώ ν

Διακρίνουμε δύο είδη:

τις δίπτερες και τις τρίπτερες.

Οι τρίπτερες, με ρότορα μικρότερο των 10 μέτρων, έχουν τη δυνατότητα εκμετάλλευσης ασθενούς αιολικού δυναμικού. Στις μηχανές μεγάλου μεγέθους επικρατούν οι δίπτερες, με κόστος κατασκευής και συντήρησης μικρότερο απ' αυτό των τρίπτερων αντίστοιχου μεγέθους. Η σύγχρονη τεχνολογία χρήσης της αιολικής ενέργειας ξεκίνησε με μικρές Α/Γ δυναμικότητας 20 ως 75 KW.

Σήμερα χρησιμοποιούνται Α/Γ δυναμικότητας 200 ως 2.000 KW.

3. Ιστορική εξέλιξη

Μέση Ανατολή: Οι ανεμογεννήτριες είναι συνέχεια των ανεμόμυλων. Ο ανεμόμυλος είναι μια διάταξη που χρησιμοποιεί ως κινητήρια δύναμη την κινητική ενέργεια του άνεμου (αιολική ενέργεια). Χρησιμοποιείται για την άλεση σιτηρών, την άντληση νερού και σε άλλες εργασίες. Φαίνεται ότι οι αρχαίοι λαοί της Ανατολής χρησιμοποιούσαν ανεμόμυλους, αν και η πρώτη αναφορά σε ανεμόμυλο (ένα περσικό συγκρότημα ανεμόμυλων του 644 μ. Χ.)εμφανίζεται σε έργα Αράβων συγγραφέων του 9ου μ. Χ. αιώνα. Αυτό το συγκρότημα των ανεμόμυλων βρισκόταν στο Σειστάν, στα σύνορα της Περσίας και Αφγανιστάν και ήταν “οριζόντιου τύπου” δηλαδή με ιστία (φτερά) τοποθετημένα ακτινικά σε έναν “κατακόρυφο άξονα”. Ο άξονας αυτός στηριζόταν σε ένα μόνιμο κτίσμα με ανοίγματα σε αντιδιαμετρικά σημεία για την είσοδο και την έξοδο του αέρα. Κάθε μύλος έδινε απευθείας κίνηση σε ένα μόνο ζεύγος μυλόπετρες. Οι πρώτοι μύλοι είχαν τα ιστία κάτω από τις μυλόπετρες, όπως δηλαδή συμβαίνει και στους οριζόντιους νερόμυλους από τους οποίους φαίνεται ότι προέρχονταν. Σε μερικούς από τους μύλους που σώζονται σήμερα τα ιστία τοποθετούνται πάνω από τις μυλόπετρες. Τον 13οαιώνα οι μύλοι αυτού του τύπου ήταν γνωστοί στην Βόρεια Κίνα, όπου μέχρι και τον 16ο αιώνα τους χρησιμοποιούσαν για εξάτμιση του θαλασσινού νερού στην παραγωγή αλατιού. Τον τύπο αυτό του μύλου χρησιμοποιούσαν επίσης στην Κριμαία, στις περισσότερες χώρες της Δυτικής Ευρώπης και στις ΗΠΑ, μόνο που λίγοι από αυτούς διασώζονται σήμερα. Ο πιο αντιπροσωπευτικός από όλους αυτούς τους τύπους των ανεμόμυλων είναι ο τύπος με το “στροφείο σχήματος S’’ (S-Rotor) (εφευρέτης ο Φιλανδός S.J.Savinious) που ακόμη και σήμερα χρησιμοποιείται σε φτωχές ή απομονωμένες περιοχές λόγω της φτηνής και εύκολης κατασκευής του.

Οι πρώτοι ευρωπαϊκοί ανεμόμυλοι: Ο ανεμόμυλος έφτασε στην Ευρώπη από τους Άραβες, χρησιμοποιήθηκε δες τον τύπο του κατακόρυφου ρωμαϊκού

υδραυλικού τροχού, με τη διαφορά ότι ο ανεμόμυλος είχε στην θέση του τροχού κατακόρυφα φτερά που μετέδιδαν την κίνηση στις μυλόπετρες με ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών. Οι πρώτοι τέτοιοι περιστρεφόμενοι μύλοι εμφανίστηκαν στη Γαλλία το 1180, στην Αγγλία το 1191 και στη Συρία την εποχή των Σταυροφοριών (1190).Στις αρχές του 14 ου αιώνα αναπτύχθηκε στη Γαλλία ο ανεμόμυλος σε σχήμα πύργου (ξετροχάρης), Σε αυτόν τον τύπο ανεμόμυλου οι μυλόπετρες και οι οδοντωτοί τροχοί ήταν τοποθετημένοι σε ένα σταθερό πύργο με κινητή οροφή ή “κάλυμμα”, στην οποία στηρίζονταν τα ιστία και η οποία μπορούσε να στραφεί επάνω σε ειδική τροχιά, στην κορυφή του πύργου. Ο “περιστρεφόμενος ανεμόμυλος με κοίλο εσωτερικά άξονα” επινοήθηκε στις Κάτω Χώρες στις αρχές του 15ου αιώνα. Διέθετε έναν κατακόρυφο άξονα με γρανάζια στα δύο του άκρα ο οποίος περνούσε μέσα από τον κοίλο άξονα και κινούσε ένα τροχό με περιφερειακά διαταγμένα σκαφίδια που μετέφερε το νερό σε υψηλότερη στάθμη.

Ανεμογεννήτρια: Ο ανεμόμυλος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ως ανεμογεννήτρια το 1890 όταν εγκαταστάθηκε πάνω σε χαλύβδινο πύργο ο ανεμόμυλος του Π. Λα Κούρ στη Δανία, με ισχία με σχισμές και διπλά πτερύγια αυτόματης μετάπτωσης προς τη διεύθυνση του ανέμου. Μετά τον Α’ Παγκόσμιο πόλεμο, έγιναν πειράματα με ανεμόμυλους που είχαν ισχία αεροτομής, δηλαδή όμοια με πτερύγια αεροπορικής έλικας. Το 1931 μια τέτοια ανεμογεννήτρια εγκαταστάθηκε στην Κριμαία και η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς διοχετευόταν στο τμήμα χαμηλής τάσης του τοπικού δικτύου. Πραγματικές ανεμογεννήτριες με δύο πτερύγια λειτούργησαν κατά στις ΗΠΑ κατά τη δεκαετία του 1940,στην Αγγλία στη δεκαετία του 1950 καθώς και στη Γαλλία. Η πιο πετυχημένη ανεμογεννήτρια αναπτύχθηκε στη Δανία από τον J. Juul με τρία πτερύγια αλληλοσυνδεόμενα μεταξύ τους και με έναν πρόβολο στο μπροστινό μέρος του άξονα περιστροφής. Στην Ολλανδία εκτελέστηκαν πειράματα από τον F.G. Pigeaud με αντικείμενο τη μετασκευή των παλαιών ανεμόμυλων άλεσης δημητριακών, έτσι ώστε η πλεονάζουσα ενέργεια να χρησιμοποιείται για ηλεκτροπαραγωγή. Χρησιμοποιήθηκε ένας ασύγχρονος ηλεκτροκινητήρας που κινούσε τον ανεμόμυλο (σε περίπτωση άπνοιας) ή λειτουργούσε σαν γεννήτρια, όταν φυσούσε. Ο μηχανισμός μετάδοσης κίνησης περιλάμβανε συμπλέκτη παράκαμψης με σκοπό ο ηλεκτροκινητήρας να μην κινεί τα ιστία παρά μόνο να εκτελεί χρήσιμο έργο. Η οροφή στρεφόταν με τη βοήθεια σερβοκινητήρα που ελεγχόταν από έναν ανεμοδείκτη. Μετά τον Β’ Παγκόσμιο πόλεμο πολλοί περίμεναν ότι η αιολική ενέργεια θα συνέβαλλε σημαντικά στην παραγωγή ηλεκτρισμού, αλλά οι προσπάθειες ανάπτυξης ανεμογεννητριών ατόνησαν μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του1970. Οι προσπάθειες αυτές ξανάρχισαν πιο έντονες μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση (1973) και στηρίχθηκαν κατά μεγάλο μέρος στην σύγχρονη αεροδιαστημική τεχνολογία. Έτσι αναπτύχθηκαν διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών και στις αρχές της δεκαετίας του 1980 διατίθενται στο εμπόριο συγκροτήματα μικρής ισχύος (μέχρι 20-25 κιλοβάτ) ενώ είχαν κατασκευαστεί και ανεμογεννήτριες μεγαλύτερης ισχύος (3-4 μεγαβάτ). Οι ανεμογεννήτριες προηγμένης τεχνολογίας που παρουσιάζουν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι κυρίως δύο τύπων:

ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα με πτερύγια και ανεμογεννήτριες Νταριέ με κατακόρυφο άξονα (από τον Γάλλο G.J.M.Darrieus που τις εφεύρε το 1925).Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα, που είναι πιο εξελιγμένες και διαδεδομένες, έχουν συνήθως δύο ή τρία πτερύγια και η ισχύς τους κυμαίνεται από λίγα κιλοβάτ έως μερικά μεγαβάτ. Οι ανεμογεννήτριες Νταριέ είναι απλούστερες και μικρότερης ισχύος.

4. Π ως λειτουργεί

Η ισχύ που αποδίδει, κατ ' επέκταση και η ενέργεια που παράγει, μια ανεμογεννήτρια είναι συνάρτηση του κύβου της ταχύτητας του ανέμου, της πυκνότητας του ανέμου και των τεχνικών χαρακτηριστικών του συγκροτήματος. Η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος και γι αυτό οι ανεμογεννήτριες τοποθετούνται πάντα στην κορυφή υψηλών πύργων στήριξης. Παρ’ όλα αυτά οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι για την παραγωγή ωφέλιμου έργου μπορεί να αξιοποιηθεί μόνο το 53,9% της συνολικής ενέργειας του ανέμου. Η ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα με πτερύγια ανταποκρίνεται στις μεταβολές τα ταχύτητας του ανέμου με αυτόματη αλλαγή της κλίσης των πτερυγίων. Ο άξονας της παραλληλίζεται αυτόματα προς τη διεύθυνση του ανέμου έτσι ώστε ο άνεμος να προσβάλλει κάθετα την επιφάνεια που διαγράφουν τα πτερύγια. Μ’ αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται τελικά η βέλτιστη παραγωγή ενέργειας από το άνεμο με συντελεστή μέχρι 46 έως 48% και εξασφαλίζονται ικανοποιητικά όρια στα χαρακτηριστικά της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Η μηχανική ισχύς που αναπτύσσεται στον άξονα των πτερυγίων από τον άνεμο μεταδίδεται στην ηλεκτρική γεννήτρια με τις κατάλληλες στροφές. Η γεννήτρια, που μπορεί να είναι σύγχρονη ή ασύγχρονη, παράγει την ηλεκτρική ενέργεια και τροφοδοτεί την κατανάλωση. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι χρονικά ασυνεχής, επειδή ακολουθεί τη δίαιτα του άνεμου, ενώ η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από τις ώρες της ημέρας, την εποχή, την οικονομική και κοινωνική δομή των καταναλωτών, κτλ. Το αποτέλεσμα είναι στις ανεμογεννήτριες να παρουσιάζονται σημαντικές ταλαντώσεις ισχύος ακόμη και σε μικρά χρονικά διαστήματα, ενώ όταν επικρατεί άπνοια ή πολύ ισχυρός άνεμος παύει η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον σχεδιασμό ενός αυτόνομου αιολικού ηλεκτρικού συστήματος θα πρέπει να προβλεφθεί αποθήκευση. Ο συνηθέστερος τρόπος είναι η εγκατάσταση συσσωρευτών, αλλά στο μέλλον ίσως χρησιμοποιηθούν και άλλοι μέθοδοι, όπως υδροδυναμική εκμετάλλευση, πεπιεσμένου αέρας, παραγωγή υδρογόνου, κλπ. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 είχαν επίσης διαπιστωθεί τα πολυάριθμα τεχνικά και οικονομικά πλεονάσματα που παρουσιάζει η εγκατάσταση αιολικών πάρκων, δηλαδή συγκροτημάτων πολλών ανεμογεννητριών εγκατεστημένων σε μια τοποθεσία. Για παράδειγμα σε αντίθεση με την ισχύ μεμονωμένων ανεμογεννητριών, το σύνολο της ισχύος ενός αιολικού πάρκου δεν παρουσιάζει μεγάλες ταλαντώσεις λόγω της ασυνεχούς πνοής του ανέμου. Από την άλλη μεριά, η εγκατάσταση αιολικού πάρκου απαιτεί μικρή σχετικά επιφάνεια σε σχέση με τις εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης άλλων μορφών ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα δεν παρεμποδίζει την εκμετάλλευση της γης. Το πρώτο αιολικό πάρκο της Ευρώπης εγκαταστάθηκε το 1982 στην νήσο Κύθνο. Με ισχύ 100 κιλοβάτ (5 ανεμογεννήτριες των 20 κιλοβάτ, τύπου οριζόντιου άξονα με δύο πτερύγια) καλύπτει το 25% των ενεργειακών αναγκών του νησιού.

Πτερύγια

Γεννήτρια

Σύστημα

ηροοανατούσμοσ

Πύργος

Σύνοεαη με ίο δίκτυο

5. Τεχνολογία ανεμογεννητριών

Σήμερα η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας γίνεται σχεδόν αποκλειστικά με μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες:

- τις ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα, όπου ο δρομέας είναι τύπου έλικας και ο άξονας μπορεί να περιστρέφεται συνεχώς παράλληλα προς τον άνεμο και

- τις ανεμογεννήτριες με κατακόρυφο άξονα που παραμένει σταθερός

Στην παγκόσμια αγορά έχουν επικρατήσει οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα σε ποσοστό 90 %. Η ισχύς τους μπορεί να ξεπερνά τα 500 KW και μπορούν να συνδεθούν κατευθείαν στο ηλεκτρικό δίκτυο της χώρας. Έτσι μια συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, που ονομάζεται αιολικό πάρκο, μπορεί να λειτουργήσει σαν μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό και η αιολική ενέργεια μπορεί να γίνει σημαντικός μοχλός ανάπτυξής της. Από το 1982,οπότε εγκαταστάθηκε από τη ΔΕΗ το πρώτο αιολικό πάρκο στην Κύθνο, μέχρι και σήμερα έχουν κατασκευασθεί στην Άνδρο, στην Εύβοια, στη Λήμνο, Λέσβο, Χίο, Σάμο και στην Κρήτη εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο συνολικής ισχύος πάνω από 30 Μεγαβάτ.

Μεγάλο ενδιαφέρον επίσης δείχνει και ο ιδιωτικός τομέας για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, ιδιαίτερα στην Κρήτη, όπου το Υπουργείο Ανάπτυξης έχει

εκδώσει άδειες εγκατάστασης για νέα αιολικά πάρκα συνολικής ισχύος δεκάδων Μεγαβάτ.

Μ ε τά δ ο σ η I κίνη σ η ν

Γ εννήτρ ια

Σ τή ρ ιξη

Μ ε τά δ ο σ η

Δ ιά μ ετρ ο ς έλικα Φ τερ ω τή

Δ ιά μ ετρ ο ς έλικα

Υ ψ ο ς έλικα Φ τερω τή

σ τα θ ερ ή ς α κτίν α ς

Γ εννη τρ ια κίν η σ η ς

Κ άθετου α ξο ν ο Ο ριζοντίου αξο υ α

Α ν ε μ ο γ ε ν ν ή τ ρ ιε ς

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

1. Γενικά για την αιολική ενέργεια

Η αιολική ενέργεια μια από τις παλαιότερες μορφές φυσικής ενέργειας, αξιοποιήθηκε από πολύ νωρίς για την παραγωγή μηχανικού έργου και έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Η σημασία της ενέργειας του ανέμου φαίνεται στην Ελληνική μυθολογία όπου ο Αίολος διορίζεται από τους Θεούς του Ολύμπου ως “Ταμίας των ανέμων”. Ο άνθρωπος πρωτοχρησιμοποίησε την αιολική ενέργεια στα ιστιοφόρα πλοία, γεγονός που συνέβαλε αποφασιστικά στην ανάπτυξη της ναυτιλίας. Μια άλλη εφαρμογή της αιολικής ενέργειας είναι οι ανεμόμυλοι. Μαζί με τους νερόμυλους συγκαταλέγονται στους αρχικούς κινητήρες που αντικατέστησαν τους μυς των ζώων ως πηγές ενέργειας. Διαδόθηκαν πλατιά στην Ευρώπη επί 650 χρόνια, από τον 12ο μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, οπότε άρχισε σταδιακά να περιορίζεται η χρήση τους, λόγω κυρίως της ατμομηχανής. Η οριστική τους εκτόπιση άρχισε μετά τον Α’ Παγκόσμιο πόλεμο, παράλληλα με την ανάπτυξη του κινητήρα εσωτερικής καύσεως και την διάδοση του ηλεκτρισμού. Κατά τη

δεκαετία του 1970 , το ενδιαφέρον για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας με ανεμογεννήτριες και ανεμόμυλους ανανεώθηκε λόγω της ενεργειακής κρίσης και των προβλημάτων που δημιουργεί η ρύπανση του περιβάλλοντος.

2. Χρησιμότητα αιολικής ενέργειας

Η συστηματική εκμετάλλευση του πολύ αξιόλογου αιολικού δυναμικού της χώρας μας θα συμβάλει:

- στην αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ταυτόχρονη εξοικονόμηση σημαντικών ποσοτήτων συμβατικών καυσίμων, που συνεπάγεται συναλλαγματικά οφέλη.

- σε σημαντικό περιορισμό της ρύπανσης του περιβάλλοντος, αφού έχει υπολογισθεί ότι η παραγωγή ηλεκτρισμού μιας μόνο ανεμογεννήτριας ισχύος 550 Kw σε ένα χρόνο , υποκαθιστά την ενέργεια που παράγεται από την καύση 2.700 βαρελιών πετρελαίου, δηλαδή αποτροπή της εκπομπής 735περίπου τόνων CO2 ετησίως καθώς και 2 τόνων άλλων ρύπων.

- στη δημιουργία πολλών νέων θέσεων εργασίας, αφού εκτιμάται ότι για κάθε νέο Μεγαβάτ αιολικής ενέργειας δημιουργούνται 14 νέες θέσεις εργασίας.

Τα ενδεχόμενα προβλήματα από την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας είναι ο θόρυβος από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών, οι σπάνιες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στο ραδιόφωνο, τηλεόραση, τηλεπικοινωνίες, που επιλύονται όμως με την ανάπτυξη της τεχνολογίας και επίσης πιθανά προβλήματα αισθητικής.

Υπολογίζεται ότι είναι δυνατό μερικές χιλιάδες ανεμογεννήτριες να παράγουν την ενέργεια που δίνει η καύση μερικών εκατομμυρίων βαρελιών πετρελαίου ή η λειτουργία ενός μικρού πυρηνικού εργοστασίου.... η χώρα μας, με μεγάλη παράδοση στην εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, προσφέρεται ιδιαίτερα για την αξιοποίηση αυτής της ανανεώσιμης και καθαρής πηγής αφού διαθέτει ισχυρούς ανέμους, βουνοκορφές και απομονωμένα νησιά. Μεμονωμένες ανεμογεννήτριες και αιολικά πάρκα λειτουργούν ήδη σε αρκετές περιοχές, με τάση να αυξηθούν τα επόμενα χρόνια. Η αιολική ενέργεια και ανεξάντλητη (αφού ο καλός μας ήλιος θα φροντίζει πάντα να υπάρχουν θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ των διάφορων περιοχών της γης, ώστε να προκαλούνται οι άνεμοι), δηλαδή ανανεώσιμη, αλλά και καθαρή, “φιλική” προς το περιβάλλον (αφού η μετατροπή της σε ηλεκτρική δεν το επιβαρύνει).

3. Η αιολική ενέργεια στην Ελλάδα

Το συνολικό εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό της Ελλάδας μπορεί να καλύψει ένα μεγάλο μέρος των ηλεκτρικών αναγκών της. Είναι γνωστό ότι η κάλυψη του 15% των ηλεκτρικών αναγκών της χώρας, που αντιστοιχεί σε 6,45 Τwh, το 2001 μπορεί να επιτευχθεί οικονομικά με την ανάπτυξη των Αιολικών Πάρκων. Στα νησιά του Αιγαίου, στην Κρήτη και στην Αν. Στερεά Ελλάδα οι μέσες ταχύτητες ανέμου

είναι 6 - 7 m/sec, με αποτέλεσμα το κόστος της παραγόμενης ενέργειας να είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικό, γι' αυτό παρατηρείται πληθώρα έργων εκμετάλλευσης στις περιοχές αυτές. Για ηλεκτρικά συστήματα, όπως το σύστημα της Κρήτης, όπου οι αιχμές φορτίου καλύπτονται με αεροστρόβιλους ντίζελ και με υψηλό κόστος παραγωγής, θα μπορούσε να εξεταστεί η περίπτωση συνδυασμού ανεμογεννητριών με αντλητικά υδροηλεκτρικά έργα.

4. Η αιολική ενέργεια στην Ευρώπη

Το 1999 η αιολική ενέργεια κάλυψε το 10% των αναγκών για ηλεκτρισμό στη Δανία και το 2003 αναμένεται να καλύψει το 14%. Θεωρητικά, η αξιοποίηση του αιολικού δυναμικού της Ευρώπης στο μέγιστο θα μπορούσε να καλύψει όλες τις ανάγκες για ηλεκτρική ενέργεια. Στην Ευρώπη, στις αρχές του 1999, πάνω από 6600MW κάλυψαν τις ανάγκες 7 εκατομμυρίων ανθρώπων. Σήμερα, ο σχετικός τομέας στη βιομηχανία προσφέρει 40.000 θέσεις εργασίας παγκοσμίως. Οι δημοσκοπήσεις σε ευρωπαϊκές χώρες, όπως Δανία, Γερμανία, Ολλανδία, Μ.

Βρετανία έδειξαν ότι το 70% του πληθυσμού προτιμά την παραγωγή και χρήση αιολικής ενέργειας. Η Δανία κατέχει την πρώτη θέση στην παγκόσμια παραγωγή. Το παραγόμενο αιολικό δυναμικό στη Δανία το 1998 ήταν 1200 MW και το ίδιο έτος οι Δανοί κατασκευαστές κατείχαν το 50% της παγκόσμιας αγοράς σε ανεμογεννήτριες.

5. Μειονεκτήματα της αιολικής ενέργειας

Ένα σημαντικό μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας είναι ότι εξαρτάται άμεσα από την ύπαρξη ικανοποιητικών ταχυτήτων ανέμου. Τι γίνεται όμως όταν δεν φυσάει άνεμος; Επειδή δεν υπάρχουν δυνατότητες για οικονομική αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, επιβάλλεται να υπάρχει εφεδρεία συμβατικών σταθμών για το σύνολο της εγκατεστημένης ισχύος των ανεμογεννητριών.

6. Αιολικό Πάρκο - Γενικές Πληροφορίες

Τα αιολικά πάρκα (ΑΠ) αποτελούνται από σειρές ανεμογεννητριών (ΑΓ) που μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική· έτσι γίνεται η εκμετάλλευση του τοπικού αιολικού δυναμικού που αποτελείται από μια ανεξάντλητη φυσική πηγή. Η λειτουργία των ΑΓ δεν απαιτεί πρώτες ύλες, εκτός από την αιολική ενέργεια, και δεν εκπέμπει καμία μορφή ρύπου ή αποβλήτων· επίσης, το παραγόμενο προϊόν μεταφέρεται απευθείας στο δίκτυο της ΔΕΗ προς κατανάλωση και επομένως, δεν απαιτείται κανενός είδους μετατροπή πρώτης ύλης ή προϊόντος.

Νομοθεσία - Αδειοδότηση: Σύμφωνα με την ισχύουσα νομοθεσία (Ν. 2244/94 και 2773/99) η ΔΕΗ είναι υποχρεωμένη να αγοράζει την παραγόμενη ενέργεια από ανεξάρτητο παραγωγό. Η τιμή πώλησης της KWh συνδέεται με τα τιμολόγια των καταναλωτών. Συγκεκριμένα, για το διασυνδεδεμένο δίκτυο και για τον Ανεξάρτητο Παραγωγό η τιμή πώλησης καθορίζεται στο 90% του τιμολογίου B2. Επιπλέον, παρέχεται ένα σταθερό επιχειρησιακό περιβάλλον, αφού υπογράφονται μακροχρόνιες (10 ετών) συμβάσεις πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, μέσω του αναπτυξιακού νόμου 2601/98 τα Αιολικά Πάρκα χρηματοδοτούνται με ένα ποσοστό 40% που οδηγεί στην πλήρη απόσβεση της επένδυσης από 2 - 7 χρόνια, ανάλογα με το αιολικό δυναμικό της περιοχής και την ονομαστική ισχύ του σταθμού. Μια εναλλακτική πηγή χρηματοδότησης μπορεί να είναι τα Κοινοτικά Προγράμματα (Ενεργειακά Επιχειρησιακά Προγράμματα). Η χωροθέτηση αποτελεί μία απαραίτητη προϋπόθεση για την έκδοση της άδειας εγκατάστασης για τον αιολικό σταθμό. Για την εγκατάσταση του αιολικού σταθμού απαιτείται επίσης και η άδεια εγκατάστασης,

η λήψη της οποίας απαιτεί 1 με 2 χρόνια, ενώ η άδεια λειτουργίας εκδίδεται μετά την εγκατάσταση του σταθμού. Όσον αφορά στη λήψη της άδειας παραγωγής, βάσει του νόμου 2773/99, ιδρύθηκε μια ανεξάρτητη αρχή ενέργειας (ΡΑΕ), όπου οι ενδιαφερόμενοι επενδυτές / εταιρείες / κοινοπραξίες μπορούν να καταθέτουν μια αίτηση και ένα φάκελο μελέτης. Η ΡΑΕ, με τη σειρά της, εξετάζει κάθε αίτηση ξεχωριστά και διαμορφώνει μια γνώμη για αυτή· αυτή η γνώμη κοινοποιείται στον Υπουργό Ανάπτυξης, ο οποίος λαμβάνει και την τελική απόφαση για την έκδοση άδειας παραγωγής ή όχι.

Κριτήρια για την κατάλληλη θέση εγκατάστασης ενός ΑΠ: Το υψηλό αιολικό δυναμικό της εξεταζόμενης περιοχής δεν αποτελεί το μόνο κριτήριο για την επιλογή της. Άλλες παράμετροι που θα πρέπει να συμπεριληφθούν στην εξέταση είναι:

• Τα γειτονικά δίκτυα με τη ΔΕΗ ανάλογης ισχύος και η ύπαρξη δρόμων πρόσβασης.

• Αποστάσεις από τις κοντινότερες κοινότητες.

• Το αρχαιολογικό ενδιαφέρον για την εξεταζόμενη περιοχή.

• Η θέση της ΑΓ σε σχέση με τους αναμεταδότες της ΕΡΤ και του ΟΤΕ.

• Αποστάσεις από τα αεροδρόμια.

• Ειδικά προγράμματα περιβαλλοντικής προστασίας (NATURA, RAMSAR, κλπ.)

ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

1. Εισαγωγή

Εξ’ αιτίας της μελέτης σχετικά με το περιβάλλον, υπάρχει πολύ ενδιαφέρον για τις ανανεώσιμες πηγές παραγωγής ηλεκτρικής δύναμης, της οποίας η πιο υποσχόμενη είναι η δύναμη αέρα. Οι ανεμογεννήτριες εκμεταλλεύονται αυτήν την πηγή ενέργειας που παράγει άμεσα ηλεκτρική δύναμη. Υπάρχουν ουσιαστικά δύο τύποι ανεμογεννητριών, της σταθερής ταχύτητας και μηχανές μεταβλητής ταχύτητας.

Στον στόχο σχεδίου ελέγχου για τη μεταβλητή ταχύτητα οι ανεμογεννήτριες εξετάζονται λεπτομερώς σε έναν έγγραφο [8] όπου οι στόχοι για τον έλεγχο και το σχέδιο συστημάτων είναι ορισμένοι, οι πιθανές επιλογές της στρατηγικής ελέγχου εξερευνώνται, κατάλληλα μέτρα για την απόδοση συζητούνται και η προηγούμενη εργασία αναθεωρείται. Ο σκοπός αυτού του εγγράφου είναι να ερευνηθεί η δυναμική των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας και να καθοριστούν κατάλληλα μοντέλα για να υποστηρίξει το στόχο σχεδίου ελέγχου. Τα δυναμικά μοντέλα για αντιπροσωπευτικούς οριζόντιους άξονες συνδεδεμένους σε πλέγμα αντίθετο στον άνεμο, μέσο της μεγάλης κλίμακας περιγράφεται η ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας. Στην παρ 2, που χρησιμοποιούνται αρκετά ευρέως βασικά πρότυπα, π.χ.

από [1], [14] και [2], συζητούνται. Πιο λεπτομερής, όμως τα ακόμα πιο απλά μοντέλα, λαμβάνονται με την υιοθέτηση των μεθόδων τα οποία επικυρώνονται λεπτομερώς στα πλαίσια της σταθερής ταχύτητας των ανεμογεννητριών [10][11] και επικυρώνονται μερικώς χρησιμοποιώντας τα στοιχεία από μία προοδεύων ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας [3] . Τα μοντέλα φροντίζουν για την αεροδυναμική του στροφέα, τη δυναμική της κινητήριας σειράς και τη δυναμική της μονάδας ηλεκτρικής παραγωγής, κάθε μια είναι χωριστά περιγραμμένη στις παραγράφους 3, 4 και 5 αντιστοίχως. Το δυναμικό πρότυπο της ανεμογεννήτριας, που λαμβάνεται με τον συνδυασμό των προτύπων της αεροδυναμικής, η δυναμική της κινητήριας σειράς και η δυναμική μονάδων ηλεκτρικής παραγωγής, συζητούνται στην παράγραφο 6. Φυσικά, μοντέλα δυναμικής των εγκαταστάσεων ελέγχου για τις πιθανές επιλογές της στρατηγικής ελέγχου που συζητούνται στην [8] είναι επίσης απαιτούμενες, δηλαδή για τη μετρήσιμη αντιστοιχία αποτελεσμάτων στις ιδιαίτερες στρατηγικές, η δυναμική, που αφορούν αυτά τα αποτελέσματα στις σχετικές εισόδους τους, πρέπει να καθοριστούν. Τα μοντέλα εγκαταστάσεων για τον ελάχιστο βαθμό και τον μέγιστο βαθμό στρατηγικών ρυθμισμένης καθυστέρησης συζητούνται μέσα στην παρ 7 και για τον μέγιστο βαθμό των στρατηγικών ρυθμισμένης κλίσης συζητούνται στην παρ 8. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στην παρ 9.

2. Βασικά μοντέλα

Μια βασική αλλά ευρέως χρησιμοποιημένη δυναμική αντιπροσώπευση των ανεμογεννητριών μεταβλητής ταχύτητας και η αντιστοιχία των μοντέλων της δυναμικής εγκατάστασης ελέγχου συζητούνται σε αυτό το τμήμα. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας αντιπροσωπεύονται συχνά [1], [14] και [2]

με την απλή πρότυπη σύσταση από ένα σύνολο αδράνειας με ιξώδη απόσβεση, δηλαδή, η ταχύτητα στροφέα Ω, συσχετίζεται με την αεροδυναμική ροπή Tf, και την ροπή της κινητήριας σειράς στον κόμβο TD, είναι

ι άω+Bn = Tf - T D (1)

όπου Ι είναι η συνολική αδράνεια και το ΒΩ είναι η συνολική ιξώδες απόσβεση στην κινητήρια σειρά. (Σε αυτό το πλαίσιο, ο κόμβος της ροπής TD, είναι η ροπή αντίδρασης της γεννήτριας Te , που διαβαθμίζεται από την αναλογία του κιβωτίου ταχυτήτων N). Η αεροδυναμική ροπή είναι μια λειτουργία της ταχύτητας στροφέα και της ταχύτητας αέρα U, και η παραγμένη δύναμη Pg, είναι

Pg = EffOTp (2)

όπου η , που μπορεί να εξαρτηθεί από το Ω, είναι ο συντελεστής απόδοσης των ηλεκτρικώς πτυχών της μονάδας ηλεκτρικής παραγωγής. Σαφώς, ο γενικός συντελεστής απόδοσης της ανεμογεννήτριας είναι

Ef f (n)Pg/(Pg + Εσ (Ω)ΒΩ2).

Πολλές στρατηγικές ελέγχου μπορούν να ερμηνευθούν όπως απαιτώντας τη ροπή της κινητήριας σειράς για να επιτευχτεί μια αξία από κάποια λειτουργία f ( Ω), της ταχύτητας στροφέων. Υποθέτοντας ότι οι ηλεκτρικές πτυχές των δυναμικών μονάδων ηλεκτρικής παραγωγής είναι αρκετά γρήγορες, αυτές οι στρατηγικές είναι μερικές φορές συνειδητοποιημένες [4], [16], [14] που απλά ορίζουν την ροπή αντίδρασης των γεννητριών απευθείας στην απαιτούμενη αξία; δηλαδή με τη ρύθμιση

TD = f(O ) (3)

το σύστημα που προκύπτει περιλαμβάνει την ανατροφοδότηση όπως φαίνεται στο σχήμα 1(α). Σε σταθερή κατάσταση, Ω=0 και συνδυασμός (1) και (3)

Tf = f(,Ω) + ΒΩ (4)

Κατά την επιλογή του f (Ω) , η διαφορά μεταξύ του Tf και TD πρέπει να αποτελέσει τις μηχανικές απώλειες στην κινητήρια σειρά. Το σύστημα μπορεί να είναι αναπαριστάμενο μέσα στο τυποποιημένο έντυπο ανατροφοδότησης, σχήμα 1(b), με τον ελεγκτή C, θέσε 1. Το αντικείμενο του ελεγκτή C, σε σχήμα 1(b) είναι να προκαλέσει TD στη διαδρομή ί(Ω) δηλαδή για να θέσει το (TD - f ( Ω)) σε μηδέν.

Ένα εναλλακτικό σχέδιο ανατροφοδότησης με το ίδιο αντικείμενο είναι αυτό που

απεικονίζεται στο σχήμα 2(α) σε όποιο C* προσπαθεί να κρατήσει το (TD — μικρό. Εντούτοις, ο έλεγχος του συστήματος στο σχήμα 2(α) μπορεί να είναι αναπαριστάμενο ένα ισοδύναμο σύστημα με τον ελεγκτή να ενεργεί καθαρώς στην απόκριση της ταχύτητας, σχήμα 2(b), το οποίο είναι ίδιο με το σχήμα 1(b) με

C = C*/(l + C*) (5)

Στο όριο που C* τείνει στο άπειρο, δηλ. άπειρος έλεγχος εύρος ζώνης για το σύστημα στο σχήμα 2(α), η αρχική στρατηγική, σχήμα 1(α), ανακτάται. Μια συχνά εξεταζόμενη στρατηγική στον ελάχιστο βαθμό της ταχύτητας του αέρα είναι να ακολουθήσει την καμπύλη Cpmax καθορίζοντας την ροπή της κινητήριας σειράς άμεσα στο ΚΩ2 δηλ. επιλέγοντας

f(Q ) = k n 2 (6)

Τοπικά, σε μερικά λειτουργικά σημεία ισορροπίας που δείχνεται από το Ω0, η γραμμική δυναμική που αφορά τις διαταραχές μέσα στην ταχύτητα στροφέων ΔΩ, στις διαταραχές στην ταχύτητα αέρα Δ U, είναι

ΔΩ (9Tf /9U) 0Δϋ (Is + Β + 2kΩ0 — 0)

(7)

Ο σταθερός χρόνος για (7) είναι I / (β + 2kΩ0 — (θΤ^/ΘΩ)) που είναι μάλλον μεγάλος, ιδιαίτερα για τις ανεμογεννήτριες μεγάλης κλίμακας με τη μεγάλη αδράνεια του στροφέα. Συνεπώς, η απόκριση της ανεμογεννήτριας στις αλλαγές στην ταχύτητα του αέρα είναι μάλλον αργόστροφη. Για την ανεμογεννήτρια, με φυσικές τιμές παραμέτρου που παριστάνονται σε αυτό το έγγραφο, αυτό ποικίλλει μεταξύ 2,6 s και 6,4 s. Μια συχνά εξεταζόμενη στρατηγική στον μέγιστο βαθμό είναι η ταχύτητα αέρα που πρόκειται να ακολουθήσει την καμπύλη σταθερής δύναμης για να ρυθμίσει την καθυστέρηση στην ανεμογεννήτρια. Ένας ελεγκτής ενεργεί στο TD που αποκρίνεται στο σφάλμα της δύναμης που απαιτείται. Όπως συζητείται στην παρ 3.2 του [8], ο ελεγκτής πρέπει να αποκριθεί στο σφάλμα στην αεροδυναμική δύναμη Ρα,

Σχήμα 1. Βασικά μοντέλα ελέγχου

Σχήμα 2. Εναλλακτική δόμηση των βασικών μοντέλων ελέγχου

και μην παραγμένη δύναμη, Pg. Φυσικά, το Ρα δεν μπορεί να είναι μετρημένο άμεσα, μόνο έμμεσα από τις μετρήσεις TD και Ω, δηλαδή από (1), ο ελεγκτής πρέπει να αποκριθεί στο σφάλμα στο

Ρα = Ω(ΙΩ + ΤΠ + ΒΩ) (8)

Ως εκ τούτου, η σχετική δυναμική είναι εκείνη που αφορά τις διαταραχές στη δύναμη αεροδυναμικής ΔΡα, τις διαταραχές στην ταχύτητα αέρα Δ ϋ, και τη ροπή της κινητήριας σειράς ΔΤρ, δηλαδή,

Από αυτό το μοντέλο, θα φαινόταν ότι η δυναμικές είναι ελάχιστης φάσης αλλά ασταθής όταν (θΤ^/ΘΩ) > Β. Πιο λεπτομερειακά, ακόμα πιο απλά μοντέλα, συζητούνται στα εξής τμήματα. Μοντέλα των αεροδυναμικών στροφέων, η δυναμική της κινητήριας σειράς και η δυναμική ηλεκτρική παραγωγή μονάδων συζητείται χωριστά πριν συνδυαστεί για να διαμορφώσει το πλήρες μοντέλο της δυναμικής των ανεμογεννητριών. Το προκύπτον συνδυασμένο μοντέλο, επιπλέον υποστηρίζει τον έλεγχο του στόχου σχεδίου, επιτρέπει τον βαθμό, στον οποίο τα βασικά μοντέλα είναι μια επαρκής αντιπροσώπευση της ανεμογεννήτριας, για να αξιολογηθεί.

3. Αεροδυναμική

Το μοντέλο της αεροδυναμικής απεικονίζεται στο σχήμα 3(a). Αν και, δεδομένου ότι ο στροφέας υπόκειται σε ένα χωροταξικά και χρονικά κατανεμημένο πεδίο αέρα, δεν υπάρχει κανένα τέτοιο πράγμα ως ‘’ταχύτητα αέρα’’ που βιώνεται από μία ανεμογεννήτρια, αυτό μπορεί να μελετηθεί για να δοκιμάσει μία αποτελεσματική ταχύτητα αέρα που, υπό κάποια έννοια, είναι ένας μέσος όρος πέρα από τον δίσκο στροφέα. (Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό κάνει μία άμεση μέτρηση της ταχύτητας αέρα, αδύνατη.) Η αεροδυναμική ροπή, 7}, εξαρτάται μη γραμμικά από την (αποτελεσματική) ταχύτητα αέρα U, την ταχύτητα στροφών Ω, και την γωνία κλίσης των λεπίδων του στροφέα β, έτσι ώστε

όπου ο λόγος άκρης - ταχύτητας λ, είναι

όπου R η ακτίνα στροφέων, ρ η πυκνότητα του αέρα και Cp ο συντελεστής της αεροδυναμικής δύναμης. Προκύπτει από (10) και (11) ότι, για κάθε ταχύτητα αέρα, η μέγιστη δύναμη εμφανίζεται στην αξία του λόγου άκρης - ταχύτητας για την οποία ο συντελεστής αεροδυναμικής δύναμης είναι σε ένα μέγιστο. Ως εκ τούτου, οι τιμές του Tf που αντιστοιχούν είναι ανάλογες προς στη μέγιστη δύναμη του Ω2. Σε μερικές ανεμογεννήτριες η κλίση των λεπίδων μπορεί να ποικίλλουν από έναν ενεργοποιητή.

Μια απλή λειτουργία μεταφοράς μοντέλου που αφορά την πραγματική γωνία κλίσης, στην απαιτούμενη γωνία κλίσης βα, είναι

όπου

Σε αυτό το έγγραφο, υποτίθεται ότι η αξία του α είναι 26 rad/s. Η καμπύλη Cp πρέπει να είναι τροποποιημένη σε έναν κατάλληλο τρόπο για να αποτελέσει τον υπολογισμό μέσου όρου της ταχύτητας αέρα πέρα από το στροφέα. Αυτός ο υπολογισμός μέσου όρου είναι ασήμαντος για στρογγυλοποίηση των καμπύλων Cp αλλά μπορούν να είναι σημαντικά λοξοτομούμενες για τις οξυμένες καμπύλες Cp. Η υψηλή ένταση αναταραχής υποτίθεται εδώ, δεδομένου αυτού κάτω από αυτές τις συνθήκες είναι η καλύτερη τροποποίηση που εμφανίζει το Cp.

(α) Μη γραμμικό μοντέλο (β) Γραμμικό μοντέλο Σχήμα 3. Αεροδυναμικά μοντέλα

X

3 0.162 0.183 0.204 0.219 0.228 0.204 0.156 0.093 0.018 ^- 0.048

4 0.34 0.356 0.356 0.34 0.272 0.184 0.076 ^- 0.048 ^- 0.148 ^- 0.168

4.5 0.4185 0.4095 0.387 0.3555 0.2655 0.1485 0.009 ^- 0.1485 ^- 0.207 ^- 0.2475

5 0.445 0.43 0.4 0.36 0.25 0.1 ^- 0.08 ^- 0.255 ^- 0.28 ^- 0.365

5.5 0.4565 0.44 0.407 0.3575 0.22 0.0385 ^- 0.187 ^- 0.3685 ^- 0.374 ^- 0.517

6 0.462 0.45 0.408 0.354 0.186 ^- 0.036 ^- 0.318 ^- 0.438 ^- 0.492 ^- 0.714

6.25 0.4625 0.45 0.4125 0.35 0.1625 ^- 0.08125 ^- 0.39375 ^- 0.48125 ^- 0.5625 ^- 0.83125

6.5 0.4615 0.4485 0.4095 0.3445 0.143 ^- 0.13 ^- 0.468 ^- 0.5265 ^- 0.6435 ^- 0.962

7 0.455 0.448 0.406 0.329 0.084 ^- 0.238 ^- 0.616 ^- 0.637 ^- 0.826 ^- 1.267

8 0.432 0.432 0.376 0.272 ^- 0.048 ^- 0.52 ^- 0.952 ^- 0.92 ^- 1.336 ^- 2.048

9 0.396 0.396 0.333 0.198 ^- 0.225 ^- 0.882 ^- 1.323 ^- 1.323 ^- 2.043 ^- 3.078

12 0.204 0.216 0.096 ^- 0.18 ^- 1.14 ^- 2.472 ^- 2.364 ^- 3.492 ^- 5.58 ^- 8.196

15 ^- 0.135 ^- 0.12 ^- 0.345 ^- 0.855 ^- 2.7 ^- 4.635 ^- 4.635 ^- 9.675 ^- 12.975 ^- 16.74

Πίνακας 1. Συντελεστές ισχύος για τον στροφέα Α

λ

2 3 4 5 6 6.25 6.5 7 8 9 12 15

0“ 0.02 0.057 0.164 0.3 0.444 0.45625 0.455 0.441 0.408 0.36 0.096 -0.195

Πίνακας 2. Συντελεστές ισχύος για τον στροφέα Β (για γωνία κλίσης 0 )

X

3 0.153 0.174 0.192 0.207 0.21 0.186 0.144 0.087 0.015 -0.045 4 0.32 0.336 0.332 0.316 0.256 0.172 0.072 -0.048 -0.132 -0.152 5 0.435 0.42 0.385 0.345 0.235 0.09 -0.08 -0.235 -0.255 -0.345 6 0.462 0.438 0.396 0.342 0.174 -0.042 -0.312 -0.384 -0.462 -0.69 6.25 0.4625 0.44375 0.39375 0.33125 0.15 -0.0875 -0.375 -0.43125 -0.5375 -0.80625

7 0.462 0.441 0.392 0.308 0.077 -0.245 -0.574 -0.588 -0.805 -1.225 8 0.44 0.432 0.368 0.256 -0.056 -0.512 -0.8% -0.888 -1.296 -1.976 9 0.414 0.405 0.324 0.18 -0.234 -0.864 -1.116 -1.278 -1.98 -2.%1 12 0.24 0.24 0.096 -0.192 -1.128 -2.316 -2,28 -3.3% -5,4 -7.668 15 -0.045 -0.06 -0.315 -0.84 -2.535 -4.395 -4.485 -7.26 -12.255 -16.38

Πίνακας 3. Συντελεστές ισχύος για τον στροφέα CS

Η αεροδυναμικός συντελεστής δύναμης είναι δύο στροφείς που σχεδιάζονται για τη μεταβλητή λειτουργία ταχύτητας (στροφέας Α ρυθμίζεται βηματικά, στροφέας β ρυθμίζεται σταθερά) και ένας στροφέας που σχεδιάστηκε για βηματική ρύθμιση σταθερής διεύθυνσης ταχύτητας (στροφέας CS) είναι ταξινομημένος στους πίνακες 1, 2 και 3 αντίστοιχα. Τα δεδομένα που αναφέρονται μετά τον υπολογισμό του μέσου όρου και των συντελεστών για σταθερά ρυθμιζόμενους στροφείς Α και Β που προτείνονται να αντιπροσωπεύσουν τα ακραία χαρακτηριστικά των στροφέων.

Επιπλέον, από τον υπολογισμό μέσου όρου της ταχύτητας του αέρα πέρα από το στροφέα προκαλείται μια φασματική διαφορά μεταξύ της ενεργής ταχύτητας αέρα και της σημειακής ταχύτητας του αέρα, τα τελευταία τροποποιούνται από ένα φίλτρο [10], [11]. Τοπικά σε ένα συγκεκριμένο λειτουργικό σημείο ισορροπίας (10) μπορεί να γίνει γραμμικό έτσι ώστε

Δί> = Λ',ΔΩ + Λ)Δ.3+ Κ,,Αϋ (14)

με Κν = 9Tf/9V, Κβ = ΘΤ^/θβ, Ku = ΘΤ^/θϋ, όπου το Δ δείχνει τις μικρές διαταραχές στις μεταβλητές σχετικά με τις ονομαστικές τιμές τους. Το γραμμικό αεροδυναμικό μοντέλο απεικονίζεται στο σχήμα 3(β). Η περιστροφή του στροφέα προκαλεί φασματικές αιχμές στα πολλαπλάσια ακέραιων αριθμών του στροφέα ταχύτητας Ω, το πιο σημαντικό για μια μηχανή τριών λεπίδων είναι η αιχμή 3Ω.

Είν