2.1. Η ΙΣΧΥΣ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ
2.1.1. Σχηματισμός των ανέμων
Η αιολική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια του κινούμενου αέρα. Η ακανόνιστη θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο προκαλεί τους ανέμους. Η θερμότητα που απορροφάται από το έδαφος ή το νερό μεταφέρεται στον αέρα, όπου προκαλεί διαφορές στη θερμοκρασία, την πυκνότητα και την πίεσή του. Με τη σειρά τους, οι διαφορές αυτές προκαλούν δυνάμεις που ωθούν τον αέρα ολόγυρα. Σύμφωνα με τη μηχανική των ρευστών, ο αέρας κινείται από τις υψηλής πίεσης προς τις χαμηλής πίεσης περιοχές του πλανήτη.
Σε παγκόσμια κλίμακα, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των τροπικών και των πόλων προκαλεί τους αληγείς ανέμους, οι οποίοι δρουν ως γιγαντιαίος εναλλάκτης θερμότητας εμποδίζοντας την περαιτέρω θέρμανση του ισημερινού και ψύξη των πόλων. Σε πολύ μικρότερη κλίμακα, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του εδάφους και της θάλασσας και μεταξύ των βουνών και των κοιλάδων δημιουργούν συχνά ισχυρές αύρες. Η κατεύθυνση και η ταχύτητα του ανέμου επηρεάζονται επίσης από άλλους παράγοντες, όπως είναι η περιστροφή της γης, τα τοπικά τοπογραφικά χαρακτηριστικά και η τραχύτητα του εδάφους.
2.1.2. Πυκνότητα ισχύος του ανέμου
Ο άνεμος περιέχει ενέργεια η οποία μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό με τη χρήση των ανεμογεννητριών (Α/Γ). Η ποσότητα ηλεκτρισμού που παράγουν οι Α/Γ εξαρτάται από την ποσότητα της ενέργειας του διερχόμενου μέσω της επιφάνειας που σαρώνεται από τα πτερύγια της Α/Γ στη μονάδα του χρόνου ανέμου. Αυτή η ροή ενέργειας ονομάζεται πυκνότητα ισχύος του ανέμου. Ειδικότερα, οι δρομείς των Α/Γ ελαττώνουν την ταχύτητα του ανέμου από την αδιατάρακτη ταχύτητα V1 πολύ πριν από το δρομέα στη μειωμένη ταχύτητα ροής του αέρα V2 πίσω από αυτόν (σχ. 2.1).
Η διαφορά στην ταχύτητα του ανέμου είναι ένα μέτρο της αποσπώμενης από αυτόν κινητικής ενέργειας που περιστρέφει το δρομέα και την ηλεκτρική γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη στο άλλο άκρο του συστήματος μετάδοσης της κίνησης. Η ισχύς που θεωρητικά εξάγεται από μια Α/Γ περιγράφεται από την εξίσωση:
P = Cp * n * ρ/2 * v1 (στην 3) * A (2.1)
όπου Ρ είναι η πυκνότητα του αέρα (kg/m3), Cp ο συντελεστής ισχύος, n η μηχανική/ηλεκτρική αποδοτικότητα, και Α το εμβαδό του δίσκου του δρομέα.
Σε ιδανικές συνθήκες, η μέγιστη τιμή του Cp (γνωστή ως "όριο Betz") είναι: 16/27= 0,593, δηλαδή μια Α/Γ μπορεί θεωρητικά να αποσπάσει το 59,3% του ενεργειακού περιεχόμενου της ροής του αέρα. Υπό πραγματικές συνθήκες, όμως, ο συντελεστής ισχύος δεν υπερβαίνει την τιμή cp=0,5, αφού περιλαμβάνει όλες τις αεροδυναμικές απώλειες της Α/Γ. Πράγματι, στις περισσότερες τεχvικές δημοσιεύσεις η τιμή του cp περιλαμβάνει όλες τις απώλειες και, στην ουσία, αποτελεί συντόμευση του cp * n. Στο σχήμα 2.2 παρουσιάζονται διαφορετικά περιεχόμενα και απολήψεις ισχύος ανάλογα με το συντελεστή ισχύος και τις αποδοτικότητες μιας Α/Γ.
Όπως προκύmει από την εξίσωση (2.1), ένα βασικό ζήτημα της πυκνότητας ισχύος του ανέμου αποτελεί η εξάρτησή της από τον κύβο της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι, εάν διπλασιαστεί η ταχύτητα, η ισχύς που περιέχεται στον άνεμο θα αυξηθεί κατά οκτώ φορές. Στην πράξη, όμως, η σχέση μεταξύ της παραγόμενης ισχύος μιας Α/Γ και της ταχύτητας του ανέμου δεν είναι τόσο ρητή. Όπως φαίνεται από τις καμπύλες του σχήματος 2.2, η πραγματική καμπύλη ισχύος μιας Α/Γ περιγράφεται συνήθως ως προς τέσσερις διακριτές περιοχές της ταχύτητας του ανέμου, οι οποίες αναλύονται στον πίνακα 2.1 (ενδεικτικές τιμές αυτές του σχήματος 2.2).
Από τις τέσσερις αυτές περιοχές, η Α/Γ παράγει και παρέχει ισχύ μόνο στο εύρος των ταχυτήτων του ανέμου που καθορίζονται από τις περιοχές 2 και 3. Στην περιοχή 1 (κάτω από την ταχύτητα εκκίνησης) δεν υπάρχει αρκετή ενέργεια στον άνεμο ώστε να παραχθεί εκμεταλλεύσιμη ισχύς. Στην περιοχή 4 (πέρα από την ταχύτητα διακοπής) η παραγόμενη ισχύς διατηρείται σταθερή ή αρχίζει να μειώνεται, ενώ σε πολύ δυνατούς ανέμους μπορεί και να διακόπτεται η λειτοοργία της Α/Γ για να αποτραπεί κάποια ζημία σε αυτή. Τότε, οι άνεμοι είναι πάρα πολύ δυναμικοί για να δικαιολογηθεί η πρόσθετη δομική αντοχή και το επιπλέον κόστος σχετικά με το μικρό αριθμό ωρών ανά έτος κατά τις οποίες παρατηρούνται ταχύτητες ανέμου εντός της περιοχής 4.
Η πυκνότητα ισχύος του ανέμου εξαρτάται επίσης από την πυκνότητα του αέρα. Αυτή σε μεγαλύτερα ύψη μειώνεται και, κατά συνέπεια, μειώνεται και η διαθέσιμη ισχύς. Η επίδραση αυτή μπορεί να επιφέρει μείωση στην παραγωγή ισχύος των Α/Γ σε ψηλά βουνά κατά τουλάχιστον 40% έναντι της ισχύος που θα μπορούσε να παραχθεί με τις ίδιες ταχύτητες ανέμου στο επίπεδο της θάλασσας. Η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται αντίστροφα από τη θερμοκρασία, οπότε οι πιο χαμηλές θερμοκρασίες ευνοούν τις μεγαλύτερες πυκνότητες του αέρα και τη μεγαλύτερη παραγωγή αιολικής ισχύος.
2.1.3. Μεταβλητότητα των ανέμων
2.1.3.1. Μεταβολή με το χρόνο
Για να προβλεφθεί επακριβώς η απόδοση των Α/Γ, πρέπει να είναι γνωστή όχι μόνο η μέση ταχύτητα του ανέμου σε μια συγκεκριμένη θέση, αλλά και ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλεται η ταχύτητα του ανέμου με το χρόνο. Με το μετασχηματισμό μιας μακράς χρονικής σειράς ταχυτήτων του ανέμου στο πεδίο συχνότητας ως φάσμα ισχύος μπορεί να προσδιοριστεί η χρονική κλίμακα της ενέργειας του ανέμου (σχήμα 2.3). Είναι χρήσιμο να γίνεται διάκριση μεταξύ των μεταβολών σε τρεις χρονικές κλίμακες, ειδικότερα στη βραχεία (δευτερόλεπτα έως λεπτά), μέση (ώρες έως ημέρες) και μακρά (εβδομάδες έως έτη).
Οι μεταβολές στη βραχεία χρονική κλίμακα συνήθως δεν είναι πολύ σημαντικές για την αξιολόγηση του αιολικού πόρου, εκτός εάν ο άνεμος είναι πολύ τυρβώδης ή αλλάζει συχνά διεύθυνση. Σε μεμονωμένες Α/Γ οι απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες διακυμάνσεις στην παραγόμενη ισχύ (και πρόσθετη φθορά στις συνιστώσες της Α/Γ, οπότε αυξημένες δαπάνες επισκευής και συντήρησης). Εντούτοις, σε αιολικές εγκαταστάσεις που περιέχουν πολλές Α/Γ, η επίδραση αυτή τείνει να εξαλειφθεί καθώς οι διαφορετικές μηχανές δέχονται ριπές ανέμου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Για το λόγο αυτό, κανονικά η μέση τιμή των μετρήσεων της ταχύτητας του ανέμου που προορίζονται για την αξιολόγηση μιας πιθανής θέσης αιολικού έργου λαμβάνεται σε μία περίοδο 10 λεπτών έως μίας ώρας.
Οι μεταβολές που υφίστανται μεταξύ ωρών και ημερών είναι πολύ σημαντικές για την αξιολόγηση της αιολικής πηγής. Τα αρχεία των ταχυτήτων του ανέμου εμφανίζουν συνήθως μεγάλες διακυμάνσεις που διατηρούνται έως και αρκετές ημέρες, οι οποίες απεικονίζουν διερχόμενες θύελλες και καιρικά μέτωπα. Εξάλλου, σε πολλές θέσεις παρουσιάζεται μια ημερήσια διαμόρφωση της μεταβολής της ταχύτητας του ανέμου, με τους μέγιστους ανέμους να εμφανίζονται συχνά το απόγευμα. Σημαντική επίδραση στις επιδόσεις των αιολικών εγκαταστάσεων έχουν επίσης οι μηνιαίες και εποχιακές μεταβολές. Ο βαθμός και ο χρόνος εμφάνισης των εποχιακών μεταβολών εξαρτώνται από την περιοχή.
Μπορεί να υφίστανται και αλλαγές στη μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου από έτος σε έτος, οφειλόμενες σε περιφερειακά κλιματικά φαινόμενα. Για να εξαχθεί η εποχιακή συμπεριφορά του ανέμου απαιτείται τουλάχιστον ένα έτος μετρήσεων. Πέραν αυτού τα οφέλη από τις παρατεταμένες μετρήσεις φθίνουν σημαντικά, και ένα ή δύο έτη μετρήσεων συνήθως επαρκούν για την πρόβλεψη των μακροπρόθεσμων μέσων ταχυτήτων του ανέμου και της μεταβλητότητας της ταχύτητας με αποδεκτή ακρίβεια. Στον πίνακα 2.2 παρατίθενται οι χρονικές κλίμακες, η ομάδα που ενδιαφέρεται για κάθε μία από αυτές περισσότερο και οι αιτίες για το ενδιαφέρον αυτό.
2.1.3.2. Εξάρτηση της ταχύτητας του ανέμου από το ύψος
Η σχέση για την εξαγόμενη ισχύ από μια Α/Γ δείχνει ότι η ενεργειακή παραγωγή της Α/Γ εξαρτάται από την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου στη θέση, την πυκνότητα του αέρα, το μέγεθος του δρομέα και τον τεχνικό σχεδιασμό. Ειδικά, το ύψος του πύργου επηρεάζει σημαντικά την ενεργειακή παραγωγή, λόγω της αύξησης της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος επάνω από το επίπεδο του εδάφους, φαινόμενο γνωστό ως διάτμηση του ανέμου. Ο βαθμός της διάτμησης του ανέμου εξαρτάται κυρίως από δύο παράγοντες, την ατμοσφαιρική μίξη και την τραχύτητα του εδάφους.
Η τραχύτητα του εδάφους επιδρά στη διάτμηση του ανέμου καθορίζοντας το πόσο επιβραδύνεται ο άνεμος κοντά το έδαφος. Σε περιοχές με υψηλό βαθμό τραχύτητας, όπως τα δάση ή οι πόλεις, οι ταχύτητες του ανέμου κοντά στην επιφάνεια τείνουν να είναι μικρές και η διάτμηση του ανέμου μεγάλη, ενώ το αντίστροφο ισχύει σε περιοχές με μικρή τραχύτητα, όπως είναι οι επίπεδοι, ανοικτοί αγροί. Η διάτμηση του ανέμου μπορεί να ελαττωθεί πολύ ή να εξαλειφθεί όπου υπάρχει μια απότομη αλλαγή στο ύψος του πεδίου, όπως μια απότομη ακρογιαλιά ή κορυφογραμμή. Στο σχήμα 2.4 παρουσιάζεται μια πιθανή μορφή του οριακού στρώματος της ταχύτητας του ανέμου.
Μια συνηθισμένη προσέγγιση για την καθ' ύψος κατανομή της ταχύτητας του ανέμου είναι η λογαριθμική:
v = vτ/κ * ln(h/z0) (2.2)
όπου V είναι η ταχύτητα του ανέμου σε ύψος h, ντ, η ταχύτητα τριβής, κ η σταθερά von Karman (ίση με 0,4), και Ζ0 το μήκος τραχύτητας, το οποίο σχετίζεται με την κάλυψη βλάστησης της περιοχής (από διάφορες πηγές διατίθενται πίνακες για τις τιμές του μήκους της τραχύτητας). Μερικές φορές χρησιμοποιείται ένας εκθετικός νόμος για την περιγραφή της κατανομής του ανέμου:
v = vR * (h/hR)α (εις την α) (2.3)
όπου VR είναι η ταχύτητα του ανέμου στο ύψος αναφοράς hR . Ο εκθέτης α εξαρτάται από τα στοιχεία τραχύτητας του εδάφους και συχνά λαμβάνει την τιμή 1/7.
Η ατμοσφαιρική μίξη συνήθως ακολουθεί έναν ημερήσιο κύκλο οδηγούμενο από την ηλιακή θέρμανση. Στο ύψος της πλήμνης μιας Α/Γ, ο κύκλος αυτός προκαλεί συχνά αύξηση της ταχύτητας του ανέμου την ημέρας και μείωσή της τη νύχτα. Εντούτοις, το εύρος της μεταβολής μεταξύ νύχτας και ημέρας εν γένει μειώνεται καθώς αυξάνεται το ύψος της πλήμνης. Σε ύψος περίπου 10m η ημερήσια μεταβολή μπορεί να είναι πολύ έντονη, αλλά καθώς αυτό αυξάνεται στα 50m αυτή εξασθενεί ή μπορεί ακόμη και να εξαφανιστεί. Η λογαριθμική κατανομή της ταχύτητας του ανέμου [εξίσ. (2.2)] μπορεί και πάλι να εφαρμοσθεί στα χαμηλότερα 100m, με κατάλληλες διορθώσεις ώστε να ληφθούν υπόψη οι ανωτέρω μεταβολές στην ατμοσφαιρική ευστάθεια.
Για την εξοικονόμηση χρημάτων, οι μετρήσεις του ανέμου μερικές φορές λαμβάνονται σε χαμηλότερο ύψος από αυτό του πύργου της Α/Γ. Στην περίπτωση αυτή, είναι απαραίτητο να μετρηθεί η διάτμηση του ανέμου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές της ημέρας και σε διαφορετικές εποχές προκειμένου να προβλεφθεί με ακρίβεια η απόδοση μιας εγκατάστασης αιολικής ενέργειας. Η διάτμηση μπορεί να μετρηθεί με την παρακολούθηση των ταχυτήτων του ανέμου σε δύο ή τρία ύψη ενός πύργου.
2.1.3.3. Χωρικές μεταβολές
Όπως έχει αποδειχθεί, τα χαρακτηριστικά του αιολικού πόρου μπορεί να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ γειτονικών θέσεων. Για προφανείς λόγους, οι ισχυρότεροι άνεμοι συνήθως βρίσκονται σε καλά εκτεθειμένες τοποθεσίες. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά του εδάφους, όπως οι λόφοι και οι κορυφογραμμές, μπορούν να επιταγχύνουν τον άνεμο κατά το πέρασμά του από αυτά. Μια κορυφογραμμή είναι συνήθως ιδανική όταν είναι προσανατολισμένη κάθετα προς την επικρατούσα κατεύθυνση του ανέμου και έχει μια μέση κλίση.
Πάντως, ενίοτε μπορεί να παρατηρηθούν ισχυροί άνεμοι σε μη προφανείς θέσεις. Για παράδειγμα, μπορεί να είναι ιδανικές για αιολικές μονάδες οι φαρδιές διαβάσεις αφού διοχετεύουν τους ανέμους που περνούν επάνω από μια οροσειρά, και καθώς μπορεί να δημιουργούνται αύρες από τον ψυχρό αέρα που καταβυθίζεται από τις κορυφές των βουνών στις κοιλάδες. Για την πρόβλεψη των ταχυτήτων του ανέμου σε σύνθετα εδάφη, επάνω από κτήρια και άλλα εμπόδια, και την ορογραφία της θέσης έχει αναπτυχθεί πληθώρα εργαλείων, μεταξύ των οποίων και περίπλοκα υπολογιστικά μοντέλα. Πάντως, δεν υπάρχει υποκατάστατο των άμεσων μετρήσεων.
2.1.4. Παγκόσμιο αιολικό δυναμικό
Οι παγκόσμιοι άνεμοι αποτελούν έναν καλό ενεργειακό πόρο και κατανέμονται εξίσου σε μεγάλες περιοχές του πλανήτη. Από εκτιμήσεις για τον πόρο προκύπτει ότι, η παρούσα ζήτηση ενέργειας παγκοσμίως ισοδυναμεί με το 1% περίπου της συνολικής ενέργειας των παγκόσμιων ανέμων. Προκειμένου να αξιολογηθεί αυτός ο πόρος είναι απαραίτητο να παρέχεται κάποια εκτίμηση για την ποσότητά του που είναι προσιτή, λαμβάνοντας υπόψη την τεχνολογία και τους περιορισμούς στη χρήση των γαιών σε κάθε περιοχή.
Το 1981 ο Παγκόσμιος Μετεωρολογικός Οργανισμός (WMO) διεξήγαγε τη μελέτη του παγκόσμιου αιολικού πόρου, μια προκαταρκτική εκτίμηση του οποίου αποδόθηκε ως ένας χάρτης αιολικής ενέργειας σε Watts/m2 στα 10m επάνω από το έδαφος, όπου χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία από το διεθνές δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών. Όμως, οι σταθμοί αυτοί δεν είχαν σχεδιαστεί για αξιολόγηση της αιολικής ενέργειας, οπότε τα στοιχεία τους συμπληρώθηκαν με πληροφορίες για τα ανώτερα στρώματα του αέρα και την τοπογραφία προκειμένου να βοηθηθεί η προεκβολή των δεδομένων.
Ο χάρτης δίνει μια γενική εικόνα του παγκόσμιου αιολικού πόρου. Δεν σημειώνονται όλες οι περιοχές με δυναμικό υψηλής ταχύτητας ανέμου, μερικές επειδή καλύπτουν μια πολύ μικρή έκταση, κάποιες επειδή υπάρχουν λίγα δεδομένα γι' αυτές, και άλλες λόγω τοπικών επιδράσεων που δεν έχουν ληφθεί πλήρως υπόψη. Επίσης, στην παρουσίαση των δεδομένων δεν γίνεται καμία θεώρηση των όποιων περιορισμών υφίστανται στη χρήση των γαιών και έτσι δεν παρέχεται εκτίμηση για την προσιτότητα του πόρου. Πολλές χώρες έχουν αναλύσει τον δικό τους αιολικό πόρο, όπως οι ΗΠΑ όπου έχουν διεξαχθεί μελέτες για ολόκληρη τη χώρα και για επιλεγμένες περιοχές.
Ο ευρωπαϊκός αιολικός πόρος έχει εκτιμηθεί στον Ευρωπαϊκό Αιολικό Άτλαντα. Για το σύνολο της Ευρώπης έχουν παραχθεί χάρτες που παρουσιάζουν την ταχύτητα (σε m/s) και την ισχύ του ανέμου (σε Watts/m2) στα 50m επάνω από το έδαφος και για διάφορους τύπους ανάγλυφου. Τα αρχικά ανεμολογικά δεδομένα ελήφθησαν από κατάλληλους μετεωρολογικούς σταθμούς με μακροχρόνιες καταγραφές. Στη συνέχεια αυτά διορθώθηκαν ώστε να ληφθεί υπόψη η τοπογραφία, το ανάγλυφο του εδάφους και κάθε προστατευμένη από τον αέρα θέση, πριν από την προεκβολή τους σε άλλες περιοχές.
Η διασπορά των δεδομένων υποδηλώνει και πάλι ότι δεν διευκρινίζονται μερικές πεπερασμένες περιοχές με υψηλή ταχύτητα ανέμου. Επίσης, δεν διευκρινίζονται και κάποιες περιοχές χαμηλής ταχύτητας ανέμου, Π.χ. προστατευμένες κοιλάδες σε μια περιοχή με υψηλές ταχύτητες ανέμου. Τέλος, δεν γίνεται κάποια κρίση για το προσιτό δυναμικό, και για το λόγο αυτό πολλές ευρωπαϊκές χώρες έχουν διεξάγει τις δικές τους εθνικές ή περιφερειακές έρευνες. Επίσης, πολλές άλλες χώρες αξιολογούν τον αιολικό τους πόρο τελευταία, ειδικά η lνδία και η Κίνα, οι οποίες έχουν ήδη αναλάβει δεσμεύσεις σχετικά με τη χρήση της αιολικής ενέργειας.
2.1.5. Ιστορική αναδρομή και τρέχουσα ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας
Η δομή των διασυνδεδεμένων αιολικών συστημάτων έχει εξελιχθεί από το πρώιμο Δανέζικο μοντέλο της δεκαετίας του '70 σε αυτό των μεγάλων Καλιφορνέζικων και των νεώτερων ευρωπαϊκών εγκαταστάσεων αιολικών πάρκων. Καθώς τα αιολικά πάρκα της Καλιφόρνιας σχεδιάστηκαν και εγκαταστάθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του '80, οι εγκαταστάσεις στη Δανία τη δεκαετία του '70 και αργότερα αποτελούνταν εν γένει από μικρές συστάδες μηχανών διασκορπισμένες γεωγραφικά σε ένα μεγάλο μέρος της χώρας. Τυπικά, μία διασυνδεδεμένη αιολική εγκατάσταση αποτελούνταν από το πολύ τρείς ή περισσότερες Α/Γ.
Οι ντόπιοι αγρότες, κατασκευαστές και άλλοι πολίτες δημιούργησαν συνεταιρισμούς για να έχουν στην κατοχή τους και να λειτουργούν τις ανεμογεwήτριες, και για να χρησιμοποιούν και να πωλούν την παραγόμενη από τις μηχανές ισχύ. Αντίθετα, το μοντέλο της Καλιφόρνιας αφορούσε το σχηματισμό αιολικών πάρκων, δηλαδή μιας εμπορικής συνάθροισης μεγάλου αριθμού μηχανών σε στενή γεωγραφική εγγύτητα. Οι πρόσφατες ευρωπαϊκές εγκαταστάσεις ακολούθησαν το μοντέλο της Καλιφόρνιας, παρότι υπάρχουν διαφορές στα μεγέθη των εγκαταστάσεων (που οφείλονται κυρίως σε διαφορετικούς περιορισμούς στη χρήση των γαιών).
Το 1999 εγκαταστάθηκε παγκοσμίως το ποσό ρεκόρ των 3.900 MW νέου δυναμικού παραγωγής αιολικής ενέργειας, ενώ περίπου 2.500 MW τέθηκαν σε λειτουργία το 1998. Το 2000 εγκαταστάθηκαν παγκοσμίως 3.800 MW νέου αιολικού δυναμικού, αντιπροσωπεύοντας ετήσιες πωλήσεις 4 δισεκατομμυρίων δολαρίων και ωθώντας τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ στα 17.300 MW περίπου, αρκετά για να παράγουν κάπου 37 δισεκατομμύρια kWh ηλεκτρικής ενέργειας κατ' έτος. Η αύξηση αυτού του έτους αφορούσε κυρίως την Ευρώπη, αφού σ' αυτήν εγκαταστάθηκαν περίπου 3.500 MW από το νέο δυναμικό, από τα οποία τα μισά (1.668 MW) στη Γερμανία.
Από το 1993, η αγορά νέων Α/Γ για παραγωγή καθαρής ισχύος από τον άνεμο στην Ευρώπη αναπτύσσεται με ρυθμό άνω του 40% ετησίως. Αυτό ώθησε την Ευρωπαϊκή Εταιρεία Αιολικής Ενέργειας (EWEA) να αυξήσει το στόχο της για την περιοχή κατά 50%, από 40 GW σε 60 GW εγκατεστημένης ισχύος το 2010, από τα οποία τα 5 GW θα είναι υπεράκτια. Για το 2020, ο νέος στόχος που έχει τεθεί από την EWEA είναι για 150 GW, που θα παρέχουν ηλεκτρισμό σε 75 εκατομ. ανθρώπους. Περισσότεροι από 20.000 Ευρωπαίοι απασχολούνται στη βιομηχανία αιολικών, της οποίας το μερίδιο στις συνολικές πωλήσεις παγκοσμίως το 1999 ήταν πάνω από 90%.
Στην κατασκευή και εγκατάσταση των Α/Γ απασχολούνται, κατά μέσο όρο, έξι άτομα ετησίως για κάθε MW νεοκατασκευαζόμενων Α/Γ. Για τη λειτουργία και τη συντήρηση απασχολούνται από 100 έως 450 άτομα για κάθε TWh παραγόμενου ηλεκτρισμού ετησίως, όπου ο αριθμός ποικίλλει ανάλογα με την ηλικία και τον τύπο των Α/Γ. Σε κάθε θέση εργασίας στην κατασκευή, εγκατάσταση, λειτουργία και συντήρηση των Α/Γ αναλογεί τουλάχιστον άλλη μία σε σχετικούς τομείς της βιομηχανίας, δηλαδή για συμβουλευτικές και νομικές υπηρεσίες, προγραμματισμό, έρευνα, χρηματοδότηση, πωλήσεις, μάρκετινγκ, δημοσιότητα και εκπαίδευση.
2.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ
2.2.1. Γενικά
Στο σχήμα 2.5 απεικονίζεται ένα γενικό σύστημα Α/Γ Οριζόντιου Άξονα (ΑΓΟΑ). Μία εξίσου εφικτή εναλλακτική σχεδίαση είναι η Α/Γ Κάθετου Άξονα (ΑΓΚΑ), που δεν είναι όμως τόσο συνήθης όσο η ΑΓΟΑ στα πρόσφατα έργα. Αν και δεν υφίσταται κάποια γενική μέθοδος για την ταξινόμηση των υποσυστημάτων των Α/Γ, οι συνιστώσες του σχήματος 2.5 θα μπορούσαν να διαιρεθούν σε τέσσερα (4) βασικά υποσυστήματα:
1. Τον δρομέα, συνήθως αποτελούμενο από δύο ή τρία πτερύγια, μια πλήμνη μέσω της οποίας συνδέονται τα πτερύγια με τον χαμηλής ταχύτητας κινητήριο άξονα και, μερικές φορές, υδραυλικά ή μηχανικά οδηγούμενα συστήματα συνδέσμων για τη μεταβολή του βήματος του συνόλου ή μέρους των πτερυγίων.
2. Την άτρακτο, η οποία γενικά περιλαμβάνει ένα μετατροπέα στροφών και μία γεννήτρια, άξονες και συνδέσμους, ένα κάλυμμα για ολόκληρη την άτρακτο, και συχνά ένα μηχανικό δισκόφρενο και ένα σύστημα εκτροπής.
3. Τον πύργο και τη θεμελίωση που στηρίζει το δρομέα και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης (άτρακτος).
4. Τους ηλεκτρικούς ελεγκτές και καλωδιώσεις, καθώς και τον εξοπλισμό εποπτείας και ελέγχου.
Η ακολουθία των συμβάντων κατά την παραγωγή και μεταφορά της αιολικής ισχύος από μια ανεμογεννήτρια μπορεί να συνοψιστεί ως εξής :
α. Καθώς ο άνεμος αλληλεπιδρά με το δρομέα της Α/Γ παράγεται μια ροπή.
β. Η σχετικά χαμηλή συχνότητα περιστροφής του δρομέα αυξάνεται μέσω ενός μετατροπέα στροφών, του οποίου ο άξονας εξόδου περιστρέφει μια γεννήτρια.
Υ. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη γεννήτρια διέρχεται μέσω του συστήματος ελέγχου και των αποζευκτών της Α/Γ και ενισχύεται σε μια μέση τάση από το μετασχηματιστή.
δ. Το σύστημα καλωδίωσης της θέσης μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στο μετασχηματιστή της θέσης μέσω του συστήματος ελέγχου και αποζευκτών της θέσης, ο οποίος ενισχύει την τάση στην τιμή του δικτύου.
ε. Το δίκτυο ισχύος μεταβιβάζει τον ηλεκτρισμό στην περιοχή τελικής χρήσης του.
στ. Υποσταθμοί μετασχηματιστών μειώνουν την τάση στις οικιακές ή βιομηχανικές τιμές και τα τοπικά δίκτυα χαμηλής τάσης μεταβιβάζουν την ηλεκτρική ενέργεια στις οικίες, τα γραφεία και τα εργοστάσια.
2.2.2. Δρομέας
Στην αιολική βιομηχανία έχει αναπτυχθεί μία τεχνολογία πτερυγίων δρομέα αρκετά ιδιάζουσα που έχει συντελέσει στην εμπορική παραγωγή σήμερα μεγάλων δρομέων με διάμετρο μέχρι 66m για Α/Γ της τάξης του MW, ενώ έχουν δοκιμαστεί δρομείς με διαμέτρους μέχρι 100m (Growian, ΜOD5Β). Η σχεδίαση των πτερυγίων του δρομέα έχει προοδεύσει με τις γνώσεις από την πτερυγική τεχνολογία, και χρησιμοποιεί τις αεροδυναμικές ανωστικές δυνάμεις που υφίσταται μια αεροτομή σ' ένα κινούμενο ρεύμα αέρα. Την αεροδυναμική απόδοση του πτερυγίου επηρεάζουν τόσο η μορφή του πτερυγίου όσο και η γωνία του σε σχέση με τη σχετική κατεύθυνση του ανέμου.
Το σύστημα του δρομέα μπορεί να τοποθετηθεί είτε "ανάντη" του πύργου και της ατράκτου, δεχόμενο έτσι τον άνεμο αδιατάρακτο από τον πύργο, είτε "κατάντη" του πύργου, το οποίο επιτρέπει την αυτο-ευθυγράμμιση του δρομέα με την κατεύθυνση του ανέμου (εκτροπή), αλλά προκαλεί την παρέκκλιση του ανέμου από τον πύργο και τη μετατροπή του σε τυρβώδη πριν φθάσει στο δρομέα (σκίαση πύργου). Οι Α/Γ μπορεί να έχουν διάφορους αριθμούς πτερυγίων δρομέα. Ο κανόνας είναι ότι όσο μικρότερος είναι ο αριθμός των πτερυγίων τόσο ταχύτερα περιστρέφεται ο δρομέας. Το μέτρο γι' αυτό είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ, που ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας στο ακροπτερύγιο προς την ταχύτητα του ανέμου.
Οι σύγχρονες Α/Γ σχεδιάζονται για την παραγωγή ηλεκτρισμού και οι δρομείς τους οδηγούν ηλεκτρογεννήτριες με κατά κανόνα υψηλές ταχύτητες περιστροφής. Έτσι, οι δρομείς των Α/Γ πρέπει να περιστρέφονται με όσο το δυνατόν μεγαλύτερες ταχύτητες προκειμένου να μειωθούν οι μάζες των γραναζιών μετάδοσης της κίνησης και των γεννητριών. Συνεπώς, ο αριθμός των πτερυγίων του δρομέα πρέπει να είναι μικρός, εν γένει όχι πάνω από τρία. Μόνο οι γνωστοί ανεμόμυλοι δυτικού τύπου διαθέτουν 12 έως 20 πτερύγια ή ακόμα περισσότερα, αλλά λόγω της υψηλής μηχανικής τους ροπής εφαρμόζονται στις άμεσα οδηγούμενες εμβολοφόρες αντλίες νερού.
Κανονικά, οι 3-πτέρυγοι δρομείς έχουν λόγους ταχύτητας ακροπτερυγίου σχεδιασμού της τάξης του 6 έως 8, οι 2-πτέρυγοι δρομείς 10 έως 12, και οι 1-πτέρυγοι δρομείς ακόμα μεγαλύτερες τιμές (σχήμα 2.6). Από την άλλη, οι εμπορικές Α/Γ με υψηλές ταχύτητες ακροπτερυγίου έχουν το μειονέκτημα των υψηλών εκπομπών θορύβου από το δρομέα. Σε γενικές γραμμές, το επίπεδο έντασης του θορύβου του δρομέα αυξάνεται με την έκτη δύναμη της ταχύτητας ακροπτερυγίου, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι σχεδιαστές εμπορικών Α/Γ δεν υπερβαίνουν τα 70 m/s.
Η διάρκεια ζωής ενός δρομέα συσχετίζεται με τα μεταβαλλόμενα φορτία και τις περιβαλλοντικές συνθήκες που αντιμετωπίζει κατά τη λειτουργία του. Επομένως, οι εγγενείς μηχανικές ιδιότητες και ο σχεδιασμός του δρομέα επηρεάζουν την ωφέλιμη διάρκεια ζωής του. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των σύγχρονων πτερυγίων ανεμογεννητριών μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες :
1. ξύλο (συμπεριλαμβανομένων των συνθετικών από αντικολλητά φύλλα ξύλου),
2. συνδυασμοί συνθετικών (συνήθως πολυεστέρας ή εποξική μήτρα ενισχυμένα με ίνες γυαλιού), και
3. μέταλλα (κυρίως κράματα χάλυβα ή αλουμινίου).
2.2.3. Άτρακτος
Η άτρακτος στεγάζει το σύστημα μετάδοσης της κίνησης και την ηλεκτρογεννήτρια της Α/Γ, μαζί με το μηχανισμό εκτροπής και όλο τον εξοπλισμό ελέγχου. Στο σχήμα 2.7 παρουσιάζονται σχηματικά οι μηχανισμοί της ατράκτου μιας μέσου/μεγάλου μεγέθους Α/Γ. Το προσωπικό συντήρησης μπορεί να εισέλθει στην άτρακτο από τον πύργο της ανεμογεwήτριας. Στη συνέχεια γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση του εξοπλισμού που εγκλείεται στην άτρακτο μιας τυπικής Α/Γ.
* Κύριος άξονας: Ο κύριος άξονας, προκειμένου να μεταφέρει την αρχική ροπή από το σύστημα του δρομέα στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, στηρίζεται συνήθως σε έδρανα. Λόγω των υψηλών φορτίων ροπής, ο κύριος άξονας είναι ευπαθής σε αστοχία κόπωσης. Κατά συνέπεια, γι' αυτό το εξάρτημα είναι ενδεδειγμένες οι αποτελεσματικές προ-συντήρησης, μη-καταστρεπτικές δοκιμές. Σε μια σύγχρονη Α/Γ 600 kW ο δρομέας περιστρέφεται σχετικά αργά, με περίπου 19 έως 30 περιστροφές ανά λεπτό (RPM).
* Δισκόφρενο: Το δισκόφρενο μπορεί να εγκαθίσταται στον κύριο άξονα πριν από το μετατροπέα στροφών ή μετά από αυτόν στον άξονα υψηλής ταχύτητας. Στη δεύτερη περίπτωση, απαιτείται ένα πιο μικρό (και φθηνότερο) σύστημα πέδης προκειμένου να παρέχεται η απαραίτητη ροπή για την επιβράδυνση του δρομέα. Εντούτοις, αυτή η διάταξη δεν παρέχει άμεσο έλεγχο του δρομέα και, σε περίπτωση αστοχίας του μετατροπέα στροφών, χάνεται η δυνατότητα ελέγχου της πέδησης του δρομέα.
* Μετάδοση της κίνησης: Η ηλεκτρική παραγωγή των Α/Γ πρέπει να είναι συμβατή με τη συχνότητα (50-60 ΗΖ) και την τάση του τοπικού δικτύου διανομής. Η συχνότητα του δρομέα είναι συνήθως περίπου 0,5 ΗΖ, οπότε η αύξηση της συχνότητας προκύπτει από το συνδυασμό ενός μετατροπέα στροφών και μιας πολυ-πολικής γεννήτριας. Οι περισσότερες εμπορικές γεννήτριες έχουν 4 ή 6 ζεύγη πόλων, οπότε απαιτείται σχέση μετάδοσης περίπου 25:1. Η απλούστερη μέθοδος οδήγησης της γεννήτριας είναι η απευθείας από το δρομέα χωρίς μετατροπέα στροφών, ενώ όταν εξαλείφονται οι απώλειες ισχύος του μετατροπέα στροφών βελτιστοποιείται και η απόδοση της ενεργειακής μετατροπής.
Τότε όμως απαιτούνται ειδικές γεννήτριες χαμηλής ταχύτητας, με μεγάλες διαμέτρους ρότορα/στάτορα και περίπου 50 πόλους, για να επιτευχθεί η κατάλληλη συχνότητα (τέτοιος εξοπλισμός διατίθεται στο εμπόριο από μικρό μόνο αριθμό κατασκευαστών). Οι μικρού μεγέθους Α/Γ (50-150 kW) διαθέτουν μια ή δύο βαθμίδες μετάδοσης παράλληλου άξονα (με ελικοειδή γρανάζια για ελαχιστοποίηση του θορύβου και των απωλειών). Οι μεγαλύτερες εμπορικές Α/Γ (150-750 kW) συχνά διαθέτουν επικυκλικά ή πλανητικά συστήματα μετάδοσης της κίνησης, όπου ο άξονας της εξόδου είναι στην ίδια ευθεία με τον κύριο άξονα (έτσι μειώνονται οι τάσεις και οι απώλειες στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης), με αντίστοιχη μείωση του μεγέθους.
* Ηλεκτρογεννήτρια: Αυτή μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια του άξονα εισόδου σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι γεννήτριες των Α/Γ είναι λίγο ασυνήθιστες, σε σχέση με άλλες μονάδες ηλεκτρογεννητριών που συνήθως συνδέονται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Ένας λόγος γι' αυτό είναι ότι, αυτές πρέπει να είναι συμβατές με τις διατάξεις του δρομέα και του μετατροπέα στροφών στην είσοδο, και στην έξοδο με τη διανομή της εταιρείας ηλεκτρισμού (εάν συνδέονται με το δίκτυο) ή με τις τοπικές απαιτήσεις ισχύος (εάν αποτελούν μέρος ενός αυτόνομου συστήματος). Εάν μια διασυνδεδεμένη Α/Γ είναι εξοπλισμένη με μια ηλεκτρογεννήτρια εναλλασσομένου ρεύματος (ΕΡ), αυτή πρέπει να παράγει ισχύ σε φάση με την τροφοδοσία του δικτύου της εταιρείας ηλεκτρισμού.
Πολλές διασυνδεδεμένες Α/Γ διαθέτουν επαγωγικές γεννήτριες ΕΡ διεγειρόμενες από πυκνωτές, των οποίων το ρεύμα μαγνήτισης προέρχεται από το δίκτυο, και έτσι εξασφαλίζεται ότι η συχνότητα εξόδου της γεννήτριας ταυτίζεται με αυτή της εταιρείας ηλεκτρισμού, ενώ ρυθμίζεται και η ταχύτητα του δρομέα εντός κάποιων ορίων. Οι σύγχρονες γεννήτριες παράγουν ηλεκτρισμό σε συγχρονισμό με τη συχνότητα του περιστρεφόμενου άξονά τους, οπότε η ταχύτητα του δρομέα πρέπει να συμπίπτει ακριβώς με τη συχνότητα εφοδιασμού της εταιρείας ηλεκτρισμού. Οι πολύ μικρές Α/Γ μπορεί να έχουν γεννήτριες που παράγουν συνεχές ρεύμα, το οποίο χρησιμοποιείται έπειτα για την τροφοδοσία φορτίων χαμηλής τάσης (συνήθως 12 Volt), τη φόρτιση συστοιχιών μπαταριών ή, μέσω ενός αντιστροφέα, για την παροχή ΕΡ υψηλότερης τάσης σ' ένα ηλεκτρικό δίκτυο.
* Σύστημα εκτροπής προκειμένου να εξαχθεί όσο το δυνατόν περισσότερη από την κινητική ενέργεια του ανέμου, ο άξονας του δρομέα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένος με την κατεύθυνση του αέρα. Οι μικρές ανάντη Α/Γ (μέχρι 25 kW) χρησιμοποιούν συνήθως ουραίους ανεμοδείκτες για να παραμένει η μηχανή ευθυγραμμισμένη με τον άνεμο. Εντούτοις, οι μεγαλύτερες Α/Γ με ανάντη δρομείς απαιτούν ενεργό έλεγχο της εκτροπή για την ευθυγράμμιση της μηχανής με τον άνεμο. Όταν συμβεί μια αλλαγή στην κατεύθυνση του ανέμου αισθητήρες ενεργοποιούν το μηχανισμό ελέγχου της εκτροπής, ο οποίος περιστρέφει την άτρακτο και το δρομέα έως ότου ευθυγραμμιστεί κατάλληλα η Α/Γ. Οι κατάντη μηχανές όλων των μεγεθών μπορεί να διαθέτουν παθητικό έλεγχο εκτροπής, δηλαδή μπορούν να ευθυγραμμίζονται με την κατεύθυνση του ανέμου από μόνες τους χωρίς την ανάγκη ύπαρξης ουραίου ανεμοδείκτη ή οδηγού εκτροπής.
2.2.4. Πύργος
Ο πύργος μιας Α/Γ υποστηρίζει το σύστημα της ατράκτου (που μπορεί να ζυγίζει αρκετούς τόνους) και ανυψώνει το δρομέα σε ένα ύψος όπου η ταχύτητα του ανέμου είναι σημαντικά μεγαλύτερη και λιγότερο διαταραγμένη απ' ό,τι στο επίπεδο του εδάφους, λόγω της επίδρασης της διάτμησης του ανέμου. Σε περιοχές με μεγάλη τραχύτητα εδάφους η ύπαρξη ενός ψηλού πύργου αποτελεί πλεονέκτημα, καθώς τα πτερύγια των δρομέων στις Α/Γ με σχετικά χαμηλούς πύργους υπόκεινται σε πολύ διαφορετικές ταχύτητες ανέμου (και διαφορετική κάμψη) όταν φέρονται στην ανώτερη και κατώτερη θέση τους, το οποίο αυξάνει τα φορτία κόπωσης στην Α/Γ. Συχνά οι κατασκευαστές παραδίδουν τις Α/Γ με ύψος πύργου ίσο με τη διάμετρο του δρομέα.
Συνεπώς, η δομή του πύργου πρέπει να είναι ανθεκτική στα σημαντικά φορτία που οφείλονται στη βαρύτητα, την περιστροφή και την ώση του ανέμου. Επιπλέον, ο πύργος πρέπει να είναι σε θέση να αντέχει στις περιβαλλοντικές επιδράσεις σε ολόκληρη τη διάρκεια ζωής σχεδιασμού της Α/Γ, η οποία μπορεί να είναι 20 έτη ή περισσότερο. Η αξία του πύργου μιας Α/Γ αποτελεί εν γένει περίπου το 20% της συνολικής τιμής. Για έναν πύργο ύψους περίπου 5Om, το πρόσθετο κόστος για άλλα 10m πύργου είναι περίπου €17.500. Επομένως, είναι αρκετά σημαντικό για το τελικό κόστος της ενέργειας να κατασκευάζονται οι πύργοι όσο το δυνατόν πιο βέλτιστα. Οι συνήθεις τύποι των πύργων είναι οι εξής:
* Σταθεροί σωληνωτοί πύργοι: Αυτοί κατασκευάζονται από κωνικά λεπτυνόμενο χάλυβα ή σκυρόδεμα. Οι περισσότερες μεγάλες Α/Γ τελευταία παραδίδονται με σωληνωτούς χαλύβδινους πύργους, οι οποίοι κατασκευάζονται σε τμήματα των 20 έως 30m με φλάντζες στα άκρα και συναρμολογούνται επιτόπου. Οι πύργοι είναι κωνικοί (η διάμετρός τους αυξάνεται προς τη βάση - σχήμα 2.8 αριστερά) ώστε να αυξάνεται η αντοχή τους και, συγχρόνως, να εξοικονομείται υλικό. Οι πύργοι από σκυρόδεμα με πλέγμα είναι γενικά λιγότερο εύκαμπτοι από τους xαλύβδiνoυς, παρέχοντας έτσι βελτιωμένες ιδιότητες απόσβεσης (δεν διαβιβάζoυν ούτε ενισχύουν τις προκαλούμενες από την περιστροφή ταλαντώσεις).
* Σταθεροί δικτυωτoί πύργοι: Οι πύργοι αυτοί κατασκευάζονται από συγκολλημένες xαλύβδινες κατατομές. Η ανέγερση τους είναι σχετικά φθηνή και απαιτούν λιγότερο στιβαρά θεμέλια από τους σωληνωτούς πύργους, λόγω της εξάπλωσης των δομικών φορτίων σε ευρύτερη έκταση. Έτσι, το βασικό πλεονέκτημά τους είναι στο κόστος, αφού ένας δικτυωτός πύργος απαιτεί μόνο το ήμισυ του υλικού ενός ελεύθερα ιστάμενου σωληνωτού με παρόμοια ακαμψία. Βασικό μειoνέκτημα των δικτυωτών πύργων (σχήμα 2.8-δεξιά) είναι η οπτική τους εμφάνιση, αν και το ζήτημα αυτό είναι σαφώς υποκειμενικό.
* Ανυψούμενοι πύργοι με επίτονους: Αυτοί έχουν ένα σημαντικό πλεoνέκrημα κόστους έναντι των άλλων τύπων, δεδομένου ότι μπορούν να ανυψωθούν ή να χαμηλωθούν με τη βοήθεια μιας μηχανής ανύψωσης φορτίων, χωρίς την ανάγκη για γερανό. Επομένως, είναι δυνατή η συντήρηση του δρομέα και της ατράκτου στο έδαφος. Η διάμετρος των πύργων με επίτονους είναι, στην πράξη, πολύ μικρότερη απ' ό,τι των σωληνωτών πύργων. Οι πύργοι με επίτονους, μαζί με τις δικτυωτές διατάξεις, έχουν λιγότερη επίδραση λόγω σκίασης του πύργου από τους σωληνωτούς. Πάντως, απαιτούν μεγαλύτερο εμβαδόν εδάφους λόγω της ανάγκης για αρκετά ευρεία εξάπλωση των επίτονων, το οποίο μπορεί να αποτελεί μειονέκτημα εάν χρησιμοποιούνται μηχανές για τις καλλιέργειες γύρω από τις βάσεις των Α/Γ. Η βοσκή των ζώων δεν επηρεάζεται ιδιαίτερα.
2.2.5. Έλεγχος της ισχύος
Με την αύξηση της ταχύτητας ροής του αέρα, οι αεροδυναμικές ανωστικές δυνάμεις στα πτερύγια του δρομέα αυξάνονται με την 2η δύναμη και η παραγόμενη από την Α/Γ ενέργεια με την 3η δύναμη της ταχύτητας του ανέμου, το οποίο απαιτεί έναν πολύ αποτελεσματικό και άμεσης δράσης έλεγχο ισχύος του δρομέα ώστε να αποφευχθεί η μηχανική και ηλεκτρική υπερφόρτωση στο σύστημα μετάδοσης ενέργειας της Α/Γ. Στις σύγχρονες Α/Γ εφαρμόζονται δύο διαφορετικές αρχές αεροδυναμικού ελέγχου για να περιοριστεί η παραγωγή ισχύος στην ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Η πιο παθητική από αυτές είναι γνωστή ως "έλεγχος με απώλεια στήριξης", ενώ η ενεργή είναι ο "έλεγχος με μεταβολή του βήματος".
Στην πρώτη περίπτωση την παραγωγή ισχύος καθορίζουν οι εγγενείς αεροδυναμικές ιδιότητες του πτερυγίου, και δεν υπάρχει κανένα κινούμενο μέρος που να ρυθμίζεται. Η συστροφή και το πάχος του πτερυγίου του δρομέα μεταβάλλονται κατά το μήκος αυτού με τέτοιο τρόπο ώστε να προκαλείται τύρβη πίσω από το πτερύγιο όποτε αυξάνεται πολύ η ταχύτητα του ανέμου. Αυτή η τύρβη αναγκάζει μέρος από την ενέργεια του ανέμου να διασκορπιστεί, ελαχιστοποιώντας την παραγωγή ισχύος στις υψηλότερες ταχύτητες. Οι μηχανές με έλεγχο απώλειας στήριξης διαθέτουν επίσης αερόφρενα στα ακροπτερύγια που φέρουν το δρομέα σε ακινησία, εάν χρειαστεί για οποιοδήποτε λόγο να σταματήσει η Α/Γ.
Στη δεύτερη περίπτωση, η γωνία των πτερυγίων του δρομέα μπορεί να ρυθμίζεται ενεργά από το σύστημα ελέγχου της μηχανής. Το σύστημα ελέγχου μεταβολής του βήματος έχει ενσωματωμένη πέδη, καθώς τα πτερύγια ακινητοποιούνται όταν είναι πλήρως "πτερυγωμένα". Κατά το παρελθόν, η πλειοψηφία των μικρού και μεσαίου μεγέθους συστημάτων Α/Γ χρησιμοποιούσαν τον απλό έλεγχο απώλειας στήριξης, αλλά τελευταία, με την αύξηση του μεγέθους των Α/Γ, οι κατασκευαστές προτιμούν όλο και περισσότερο το σύστημα ελέγχου μεταβολής του βήματος, το οποίο παρέχει περισσότερες δυνατότητες για παρέμβαση στη λειτουργία της Α/Γ.
Τα τελευταία χρόνια εμφανίστηκε και ένας συνδυασμός των δύο παραπάνω ελέγχων, η "ενεργός απώλεια στήριξης". Στην περίπτωση αυτή, το βήμα του πτερυγίου του δρομέα στρέφεται σε κατεύθυνση προς την απώλεια στήριξης και όχι προς τη θέση πτερυγώματος (μικρότερη άνωση), όπως γίνεται στα κανονικά συστήματα μεταβολής του βήματος. Τα πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι ότι:
* απαιτούνται πολύ μικρές αλλαγές της γωνίας βήματος,
* είναι δυνατός ο έλεγχος ισχύος υπό συνθήκες μερικής ισχύος (ασθενείς άνεμοι),
* τα πτερύγια του δρομέα φέρονται σε θέση πτερυγώματος για χαμηλά φορτία σε σφοδρούς ανέμους.
2.2.6. Ταχύτητα του δρομέα
Οι σύγχρονες ανεμογεwήτριες συνδέονται στο δίκτυο με δύο τρόπους. Με τον απλό άμεσο συγχρονισμό μιας επαγωγικής ηλεκτρογεννήτριας, ο δρομέας λειτουργεί με σχεδόν σταθερή ταχύτητα επειδή το ισχυρό δίκτυο διατηρεί τη συχνότητα της γεννήτριας και η μόνη διακύμανση στην ταχύτητα περιστροφής προκαλείται από το εύρος ολίσθησης της γεννήτριας. Με τη βοήθεια ενός συστήματος αντιστροφέα μεταξύ της γεννήτριας της Α/Γ και του δικτύου, η Α/Γ αποσυνδέεται από τη συχνότητα του δικτύου και μπορεί να περιστρέφεται με μεταβλητές ταχύτητες.
Για πολλά χρόνια, στην παγκόσμια αγορά κυριάρχησαν οι άμεσα συνδεδεμένες στο δίκτυο Α/Γ λόγω της τεχνικής τους απλότητας, αλλά οι διάφορες θετικές πτυχές της λειτουργίας με μεταβλητή ταχύτητα του δρομέα μετέβαλαν το υφιστάμενο καθεστώς ανάπτυξης. Όπως αναφέρθηκε, η αεροδυναμικά βελτιστοποιημένη διαμόρφωση των Α/Γ βασίζεται σε μια σταθερή συσχέτιση μεταξύ των ταχυτήτων του ανέμου και του ακροπτερυγίου του δρομέα, τον λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ. Έτσι, προκειμένου να διατηρηθεί η μέγιστη αεροδυναμική αποδοτικότητα, η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα πρέπει να μεταβάλλεται ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου.
Ως αποτέλεσμα, οι νέες μεγάλες Α/Γ της τάξης του MW χρησιμοποιούν ολοένα και περισσότερο μεταβλητή ταχύτητα του δρομέα προκειμένου να εκμεταλλεύονται τα αντίστοιχα τεχνικά οφέλη. Για να προσαρμόζεται καλύτερα η λειτουργία του δρομέα στο σημείο αεροδυναμικού σχεδιασμού (σχήμα 2.6), οι κατασκευαστές εγκαθιστούν συχνά επαγωγικές γεννήτριες δύο ταχυτήτων που επιτρέπουν την αλλαγή ταχύτητας του δρομέα σε δύο βήματα. Σε μικρές ταχύτητες ανέμου η γεννήτρια λειτουργεί με μικρή ταχύτητα περιστροφής (μεγαλύτερος αριθμός πόλων) και σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου με μεγάλη ταχύτητα περιστροφής (μικρότερος αριθμός πόλων).
2.3. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ
2.3.1. Εύρος εφαρμογών των ανεμογεννητριών
2.3.1.1. Κατηγορίες εφαρμογής
Οι ηλεκτροπαραγωγές Α/Γ έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από τις μεμονωμένες, αυτόνομες εγκαταστάσεις έως τις μεγάλες διατάξεις ανεμογεννητριών, που μπορεί να συνδέονται σε υπάρχον δίκτυο ή να συνδυάζονται με άλλες μη συνδεμένες στο δίκτυο πηγές ενέργειας. Το εύρος των εφαρμογών μπορεί να ομαδοποιηθεί σε τρεις κλάσεις. Τα αιολικά πάρκα, δηλ. οι μεγάλες σειρές Α/Γ που συνδέονται στο ηλεκτρικό δίκτυο, διαμορφώνουν το ένα άκρο του φάσματος εφαρμογών. Από την άποψη του εγκατεστημένου δυναμικού και του οικονομικού αντίκτυπου, την περίοδο αυτή τα αιολικά πάρκα αποτελούν τη μεγαλύτερη κατά πολύ κλάση εφαρμογής των Α/Γ.
Οι άλλες δύο κλάσεις εφαρμογής χρησιμοποιούν συνήθως μικρότερο αριθμό Α/Γ με μικρότερο μέγεθος μονάδας. Αυτές είναι ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούνται για διασυνδεδεμένη, κατανεμημένη παραγωγή και Α/Γ που συνδυάζονται με άλλες πηγές ενέργειας και μπορούν να λειτουργούν χωρίς την ανάγκη ύπαρξης μεγαλύτερου ηλεκτρικού δικτύου. Αυτά είναι τα αποκαλούμενα "υβριδικά" συστήματα. Και οι δύο κλάσεις έχουν ιστορικά προηγούμενα τόσο στις ΗΠΑ όσο και στην Ευρώπη.
2.3.1.2. Αιολικά πάρκα
Τα αιολικά πάρκα αποτελούνται από σειρές Α/Γ που διασυνδέονται ηλεκτρικά ώστε η ισχύς τους να αποδίδεται στο δίκτυο της εταιρείας ηλεκτρισμού. Από την άποψη της ροής ηλεκτρικής ισχύος, ένα αιολικό πάρκο λειτουργεί παράλληλα με το συμβατικό δυναμικό παραγωγής της εταιρείας ηλεκτρισμού για την κάλυψη των απαιτήσεων σε ισχύ του συνδεδεμένου φορτίου. Οι σειρές μπορεί να αποτελούνται από εκατοντάδες μηχανών με ένα συνδυασμένο δυναμικό ισχύος του αιολικού πάρκου της τάξης των εκατοντάδων MW. Σχεδόν πάντοτε οι συμβατικές πηγές παρέχουν το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος που απαιτείται από το φορτίο.
Γενικά, η αναλογία του δυναμικού αιολικής παραγωγής προς το συνολικό δυναμικό (αιολικό συν συμβατικό) που εξυπηρετεί ένα ηλεκτρικό φορτίο σε οποιαδήποτε δεδομένη χρονική στιγμή υπολογίζεται από την αιολική διείσδυση WP:
WP = Αιολικό Δυναμικό / Αιολικό Δυναμικό + Συμβατικό Δυναμικό (2.4)
Για παράδειγμα, υποτίθεται ότι σε μία δεδομένη στιγμή της ημέρας το ηλεκτρικό φορτίο είναι 1.100 MW και ότι η ζήτηση αυτή καλύπτεται από συνδυασμό αιολικών και συμβατικών πηγών ηλεκτροπαραγωγής. Εάν το υφιστάμενο αιολικό δυναμικό είναι 100 MW και το συμβατικό δυναμικό 1.000 MW, τότε σ' αυτή τη χρονική στιγμή η τιμή της αιολικής διείσδυσης θα είναι 0,0909 ή 9,1%.
Με την τρέχουσα ηλεκτρική τεχνολογία των Α/Γ, η μέγιστη τιμή αιολικής διείσδυσης με την οποία τα περισσότερα ηλεκτρικά συστήματα είναι ασφαλή κυμαίνεται μεταξύ 10 και 15%. Το άνω όριο στην ποσότητα της αιολικής ενέργειας που μπορεί να απορροφηθεί από ένα ηλεκτρικό σύστημα αντικατοπτρίζει τις ανησυχίες γύρω από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ισχύος που παρέχεται από το αιολικό σύστημα, που είναι η ποιότητα ισχύος. Ειδικότερα, η ανησυχία σχετίζεται με την επίδραση της χρονικά μεταβαλλόμενης αιολικά παραγόμενης ισχύος στη βραχυπρόθεσμη ευστάθεια της τάσης και της συχνότητας της συνδυασμένης ισχύος που παρέχεται στο φορτίο.
Η αποδεκτή τιμή διείσδυσης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, μεταξύ των οποίων είναι οι λεπτομέρειες της αιολικής τεχνολογίας, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των συμβατικών πηγών παραγωγής, και η δυναμικότητα και το μήκος των γραμμών μεταφοράς που συνδέουν τις πηγές με το φορτίο. Το άνω όριο στην ποσότητα της αιολικής ενέργειας που μπορεί να συνδυαστεί με τις συμβατικές πηγές δεν αποτελεί αυστηρό περιορισμό, και η τιμή του θα αυξηθεί με την απόκτηση περισσότερης λειτουργικής εμπειρίας, τις αλλαγές της τεχνολογίας και την πιο στενή συσχέτιση των συστημάτων ελέγχου των αιολικών και των συμβατικών πηγών.
Η εντατική ανάπτυξη των συστημάτων αυτών τα προηγούμενα 15 έτη οδήγησε στην αύξηση του μοναδιαίου μεγέθους τους (τελευταία, οι δυναμικότητες ισχύος των Α/Γ που σχεδιάζονται πρωτίστως για χρήση σε αιολικά πάρκα κυμαίνονται από περίπου 300 kW έως 1,5 MW, με τις αντίστοιχες διαμέτρους δρομέων να κυμαίνονται από 35 έως 65m), καθώς και στη θεαματική βελτίωση της αξιοπιστίας και των οικονομικών τους. Τα οικονομικά των διασυνδεδεμένων αιολικών συστημάτων μεγάλης κλίμακας προσεγγίζουν σήμερα εκείνα κάποιων συμβατικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής.
Στην περίπτωση που το Cp φθάσει το θεωρητικό του μέγιστο (όριο "Betz"), η ταχύτητα του ανέμου V2 πίσω από το δρομέα είναι μόνο το 1/3 της ταχύτητας ν, μπροστά από αυτόν (σχήμα 2.1). Έτσι, οι Α/Γ που εγκαθίστανται σε ένα αιολικό πάρκο παράγουν λιγότερη ενέργεια λόγω της μείωσης της ταχύτητας του ανέμου που προκαλείται από τις Α/Γ που βρίσκονται μπροστά τους. Οι απώλειες ενέργειας μπορούν να μειωθούν με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των Α/Γ, καθώς ο άνεμος πίσω από μια Α/Γ θα επιταχυνθεί ξανά από το περιβάλλον αιολικό πεδίο. Ένα καλά σχεδιασμένο αιολικό πάρκο μπορεί να εμφανίζει λιγότερο από 10% απώλειες λόγω των φαινομένων αμοιβαίας αλληλεπίδρασης.
Όπως υπάρχει ένα εύρος μεγεθών των Α/Γ, έτσι υπάρχει και ένα εύρος μεγεθών των αιολικών πάρκων. Τα μεγάλα πάρκα της Καλιφόρνιας είναι στο ένα άκρο αυτού του φάσματος, με το άλλο άκρο να αντιστοιχεί σε μια μικρή συστοιχία Α/Γ που εξυπηρετεί μια δημοτική εταιρεία ηλεκτρισμού, ένα συνεταιριστικό αγρόκτημα, ή μια βιομηχανική μονάδα. Ανεξάρτητα από το μέγεθος, τα βασικά χαρακτηριστικά ενός αιολικού πάρκου είναι ότι:
* οι Α/Γ διασυνδέονται σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο,
* το αιολικό δυναμικό παραγωγής συνήθως αποτελεί εν γένει μικρό ποσοστό του συμβατικού δυναμικού που τροφοδοτεί το φορτίο του ηλεκτρικού συστήματος (χαμηλές τιμές αιολικής διείσδυσης), και
* οι Α/Γ απαιτούν κάποιου είδους ηλεκτρική υποστήριξη από το ηλεκτρικό δίκτυο.
Ανάλογα με τις λεπτομέρειες της γεwήτριας και των άλλων ηλεκτρικών τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σε μια Α/Γ, η υποστήριξη μπορεί να κυμαίνεται από μια απλή αναφορά στη συχνότητα (για το συγχρονισμό του αιολικά παραγόμενου ηλεκτρισμού με αυτόν των συμβατικών πηγών) μέχρι την κατανάλωση άεργης ισχύος (απαιτείται για τη λειτουργία των γεννητριών των Α/Γ. Ανεξάρτητα από το μέγεθος του αιολικού πάρκου, χρησιμοποιούνται τυποποιημένες ηλεκτρικές τεχνικές και συνιστώσες (π.χ. μετασχηματιστές και προστατευτικός εξοπλισμός διανομής) για τη σύνδεση των Α/Γ με το δίκτυο. Η Α/Γ αποτελεί τη μόνη μη τυποποιημένη ηλεκτρική συνιστώσα.
2.3.1.3. Κατανεμημένη παραγωγή
Είναι πιθανό οι ανεμογεwήτριες να επαναφέρουν στη μνήμη τους ανεμόμυλους άντλησης νερού που χρησιμοποιούνταν ευρέως το πρώτο ήμισυ αυτού του προηγούμενου αιώνα σε αγροκτήματα και φάρμες παγκοσμίως. Αυτές οι πρώιμες, μικρής κλίμακας Α/Γ έχουν πλέον εκτοπιστεί από τα εξελιγμένα και αποδοτικότερα ισοδύναμά τους που κυρίως χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Αν και δεν υπάρχουν τεχνικοί λόγοι για τους οποίους δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεγαλύτερες μονάδες, το μοναδιαίο μέγεθος των συστημάτων αυτών κυμαίνεται συνήθως από 1 έως 50 kW. Προορίζονται για μεμονωμένη χρήση ή κατά μικρές συστοιχίες, ενώ μπορούν να συνδέονται ή όχι στο υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο. Στην πρώτη περίπτωση καλούνται συστήματα κατανεμημένης αιολικής παραγωγής.
Από την πλευρά της εταιρείας ηλεκτρισμού αλλά και των πελατών, η κατανεμημένη παραγωγή μπορεί να είναι χρήσιμη για την παροχή υποστήριξης τέλους γραμμής της τάσης σ' ένα εκτεταμένο δίκτυο. Τα κατανεμημένα αιολικά συστήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτική λύση στην επέκταση του δικτύου σε απόμακρα φορτία. Όπως παρατηρείται, οι εφαρμογές των αιολικών συστημάτων διαμορφώνουν ένα συνεχές σύνολο και σε πολλές περιπτώσεις δεν είναι σαφής η διάκριση μεταξύ ενός αιολικού πάρκου και ενός κατανεμημένου συστήματος. Η μόνη διαφορά μπορεί να αφορά το μέγεθος ή τον αριθμό των Α/Γ που χρησιμοποιούνται.
Όταν δεν υφίσταται σύνδεση με το δίκτυο, η ηλεκτρική ισχύς είναι μη ελεγχόμενη. Μόνο το φορτίο και η παραγωγή της Α/Γ καθορίζουν την ποιότητα ισχύος και τα χαρακτηριστικά της τροφοδοσίας. Κατά συνέπεια, το φορτίο πρέπει να είναι ικανό να χρησιμοποιεί αυτού του είδους τη μη ελεγχόμενη ισχύ χωρίς να προξενείται ζημία ούτε στο φορτίο ούτε στη γεννήτρια της Α/Γ. Σχετικές εργασίες βρίσκονται σε εξέλιξη ώστε να βελτιωθεί αυτή η κατάσταση, όπου ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει αυτή που έχει ως στόχο την επιτυχή σύνδεση ενός επαγωγικού κινητήρα απευθείας με μια μη διασυνδεδεμένη Α/Γ. Στα παραδείγματα εφαρμογής περιλαμβάνονται οι Α/Γ που χρησιμοποιούνται για άντληση ύδατος, παραγωγή πάγου και για παραγωγή ψύξης.
2.3.1.4. Υβριδικά συστήματα ισχύος
Τα υβριδικά συστήματα ισχύος χρησιμοποιούν ανεμογεννήτριες, ενδεχομένως και άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μαζί με ντηζελογεννήτριες για να μορφώσουν το ισοδύναμο μιας μικρογραφίας δίκτυου. Μολονότι το μέγεθος μονάδας των Α/Γ στις εφαρμογές αυτές συνήθως κυμαίνεται από 1 ως 50 kW, έχουν εγκατασταθεί και πολύ μεγαλύτερες μηχανές και υβριδικά συστήματα ισχύος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με ντηζελογεννήτριες, ενεργειακή αποθήκευση (π.χ. μπαταρίες) και, όπου είναι εφικτό, με άλλες ΑΠΕ, Π.χ. φωτοβολταϊκά ή υδροηλεκτρικά συστήματα.
Όταν χρησιμοποιούνται με τον τρόπο αυτό, τα συστήματα αυτά συχνά ονομάζονται υβριδικά συστήματα ισχύος. Εν γένει χρησιμοποιούνται όπου δεν υφίσταται καθόλου δίκτυο. Λόγω της στενής σύζευξης και ελέγχου όλων των πηγών ηλεκτροπαραγωγής και κάποιων (ή/και όλων) από τα συνδεδεμένα φορτία, η αιολική συνιστώσα των υβριδικών συστημάτων ισχύος μπορεί να επιτύχει 100% διείσδυση. Δηλαδή, υπό τις κατάλληλες ανεμολογικές συνθήκες, το σύστημα αιολικής ενέργειας μπορεί να παρέχει σχεδόν όλη την ισχύ που απαιτείται από το φορτίο.
2.3.2. Ενεργειακή παραγωγικότητα των αιολικών συστημάτων
2.3.2.1. Εισαγωγή
Κατά τη διάρκεια του έτους, υπάρχουν στιγμές κατά τις οποίες δεν πνέει άνεμος ή πνέει με ταχύτητες κάτω από την ταχύτητα εκκίνησης μιας Α/Γ. Προφανώς, τα αιολικά συστήματα δεν παράγουν ενέργεια καθ' όλες τις 8.760 ώρες ενός έτους. Ακόμα και όταν ένα αιολικό σύστημα παράγει ενέργεια, αυτό δεν γίνεται πάντα στην πλήρη ονομαστική του ισχύ. Έτσι απαιτείται ένα μέτρο της ενεργειακής παραγωγικότητας του αιολικού συστήματος όπως είναι ο συντελεστής δυναμικού CF, μια περιγραφική παράμετρος που καθορίζεται και χρησιμοποιείται στην ηλεκτρική βιομηχανία.
Ως ενεργειακός λόγος, η παράμετρος αυτή δεν παρέχει καμία πληροφορία για τις φυσικές διεργασίες που συνδέονται με τη μετατροπή της ενέργειας που περιέχεται στον άνεμο σε ηλεκτρική ενέργεια. Απαιτείται, λοιπόν, μία περιγραφή της σχέσης μεταξύ της παραγόμενης ισχύος μιας Α/Γ ως συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου (καμπύλη ισχύος) καθώς και η μεταβολή των ταχυτήτων του ανέμου σε μια δεδομένη χρονική περίοδο (κατανομή συχνότητας της ταχύτητας του ανέμου). Οι συναρτήσεις αυτές μαζί περιγράφουν το συνδυασμό των χαρακτηριστικών της ηλεκτροπαραγωγής από την Α/Γ με αυτά του καθεστώτος του ανέμου στο οποίο λειτουργεί η Α/Γ, και χρησιμοποιούνται για να προβλεφθεί ή να εκτιμηθεί η ενεργειακή της παραγωγή.
Αφού ληφθούν υπόψη οι απώλειες στο σύστημα συλλογής της ηλεκτρικής ενέργειας, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ανεμογεννητριών σ' ένα αιολικό πάρκο, και άλλες απώλειες, μπορούν να αθροιστούν οι παραγωγές των μεμονωμένων Α/Γ ώστε να διαμορφωθεί μια εκτίμηση για την ενεργειακή παραγωγή του αιολικού πάρκου. Αυτές οι εκτιμήσεις ή προβλέψεις συνηθέστερα γίνονται για ένα ημερολογιακό έτος και είναι γνωστές ως η «ετήσια ενεργειακή παραγωγή» της Α/Γ ή του αιολικού πάρκου.
2.3.2.2. Εκτίμηση της ετήσιας ενεργειακής παραγωγής
Η ένταση του αιολικού πόρου περιγράφεται ποσοτικά από την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου. Η καμπύλη ισχύος μιας Α/Γ αποτελεί την ποσοτική συσχέτιση μεταξύ της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος και της προσπίπτουσας ταχύτητας του ανέμου. Οι δύο αυτές συναρτήσεις μαζί καθορίζουν την ετήσια ενεργειακή παραγωγή (ΕΕΠ) , και τόσο αυτές όσο και η μεταξύ τους συσχέτιση επεξηγούνται στα επόμενα. Στη γραφική παράσταση του σχήματος 2.9 παρουσιάζεται η διακριτή εκδοχή μιας υποθετικής / μετρημένης κατανομής της ταχύτητας του ανέμου στη θέση εγκατάστασης της Α/Γ.
Η συνάρτηση κατανομής της ταχύτητας του ανέμου F(ν)*Δν παρέχει τον αριθμό των ωρών ανά έτος που η ταχύτητα του ανέμου κείται μέσα στο διάστημα της ταχύτητας του ανέμου ή ζώνη πλάτους Δν, μεταξύ των τιμών ν και ν+Δν (για το σχήμα 2.9, Δν=0,5 m/s). Ο δείκτης k καθορίζει τις ζώνες της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι, η ζώνη k=21 αντιστοιχεί στη ζώνη που οριοθετεί το φάσμα από 1Ο έως 10,5 m/s, με μέση ταχύτητα vk=10,25 m/s. Το ύψος της ράβδου για k=21 υποδηλώνει ότι η ταχύτητα του ανέμου κείται μέσα σ' αυτό το διάστημα για περίπου 275 ώρες/έτος. Το άθροισμα όλων των ράβδων είναι 8.760 ώρες (αριθμός ωρών σ' ένα έτος).
Στο σχήμα 2.1Ο απεικονίζεται η καμπύλη ισχύος για μία υποθετική Α/Γ 500 kW στην τυπική πυκνότητα του αέρα (1,225 kg/m3) . Η καμπύλη ισχύος Ρ(ν) είναι η συνεχής συνάρτηση που προσδιορίζει την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος της ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου. Η διακριτή εκδοχή, που αντιστοιχεί στα μικρά τετραγωνικά σύμβολα, υποδηλώνεται με το Pk όπου ο ακέραιος δείκτης k είναι ο ίδιος με αυτόν που χρησιμοποιείται για την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου.
Οι δύο αυτές συναρτήσεις, δηλ. η κατανομή συχνότητας της ταχύτητας του ανέμου και η καμπύλη ισχύος της Α/Γ, όταν πολλαπλασιαστούν μεταξύ τους (σχήμα 2.11) και αθροιστούν για όλες τις ταχύτητες του ανέμου (όλες τις τιμές του δείκτη k) παρέχουν μια εκτίμηση της ετήσιας ενεργειακής παραγωγής
ΕΕΠ = (ώρες/έτος)*Δν*Σ(Fk*Pk)=(8760 ώρες/έτος)*(0,5m/s)*Σ(Fk*Pk) (Σ από κ=1 εώς Ν) (2.5)
όπου Ν είναι ο συνολικός αριθμός των ζωνών. Η σχέση (2.5) μπορεί να εφαρμοσθεί για να εκτιμηθεί η ετήσια ενεργειακή παραγωγή (σε Wh/έτος) η οποία αναμένεται από την Α/Γ με μια συγκεκριμένη καμπύλη ισχύος που λειτουργεί στο καθεστώς ανέμου που περιγράφεται από την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου.
2.3.2.3. Ο συντελεστής δυναμικού ως μέτρο της ενεργειακής παραγωγής
Ο συντελεστής δυναμικού CFyr , (για ένα έτος) είναι ένα μέτρο της ετήσιας απόδοσης ενεργειακής παραγωγής της γεννήτριας. Ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής (ή εκτιμούμενης) παραχθείσας ενέργειας προς την ενέργεια που θα παραγόταν εάν η Α/Γ λειτουργούσε κάθε ώρα του έτους σε πλήρη ονομαστική ισχύ:
CFyr=Παραγωγή Ενέργειας/έτος / Ονομαστική Ισχύς*8760 ώρες/έτος
Οι τιμές του συντελεστή δυναμικού κυμαίνονται εξ ορισμού από Ο έως 100%. Στις πιο αποδοτικές αιολικές εγκαταστάσεις διεθνώς έχουν επιτευχθεί τιμές του συντελεστή δυναμικού από 24 έως 30%, με 28% να αντιστοιχεί σε μια αρκετά καλή μονάδα.
Για παράδειγμα, εάν ένα αιολικό σύστημα 100 MW παρήγαγε 245 εκατομ. kWh κατά τη διάρκεια ενός ορισμένου έτους, ο αντίστοιχος συντελεστής δυναμικού θα ήταν:
CFyr=245*1000000kWh/100MWh*8760 ώρες=0.28
Αντίστοιχα, η εξίσωση (2.6) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η ετήσια ενεργειακή παραγωγή μίας υποθετικής Α/Γ 500 kW που λειτουργεί με ένα συντελεστή δυναμικού 0,28. Το αποτέλεσμα τότε είναι 1,226*1000000 kWh/έτος. Όταν εξετάζονται οι τιμές CF των αιολικών συστημάτων πρέπει να εξακριβώνεται η περίοδος αναφοράς. Αυτή είναι συνήθως ένα έτος, αλλά συντελεστές δυναμικού μπορεί να καθορίζονται και για ένα μήνα.
Εάν σ' αυτόν τον μήνα υφίστανται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου, τότε η αντίστοιχη τιμή του CF μπορεί να είναι παραπλανητική εάν εκληφθεί ως μέση ετήσια τιμή. Από την άλλη, πρέπει να αναφερθεί ότι οι συμβατικές πηγές είναι κι αυτές διακοπτόμενες κατά διαφορετικό τρόπο, δεδομένου ότι υπόκεινται σε διάφορους τύπους διακοπών λειτουργίας, πχ λόγω συντήρησης, δυσλειτουργιών, κλπ. Οι συντελεστές δυναμικού των συμβατικών συστημάτων ισχύος είναι σημαντικά μεγαλύτεροι από αυτούς των ανεμογεwητριών/αιολικών πάρκων με τυπικές τιμές μεταξύ 60 και 70%, ανάλογα με τον τύπο της εγκατάστασης, την ηλικία της και άλλους παράγοντες.
2.3.3. Αξιοπιστία των αιολικών συστημάτων
2.3.3.1. Επίδραση των εξελίξεων στο σχεδιασμό και την κατασκευή
Οι πρώτης γενιάς ανεμογεννήτριες που εγκαταστάθηκαν στην Καλιφόρνια στις αρχές της δεκαετίας του '80 αντιμετώπισαν πολλές αστοχίες (μερικές αρκετά θεαματικές), οι οποίες εν μέρει οφείλονταν στην ανεπαρκή κατανόηση της επίδρασης των δυνάμεων ρίπησης του ανέμου στον τρόπο αστοχίας λόγω κάμψης ή κόπωσης των δομικών συνιστωσών. Με τη σημαντικά βελτιωμένη γνώση της πραγματικής δομής των ριπών του ανέμου, την ανάπτυξη και διάδοση βελτιωμένων εργαλείων προσομοίωσης και σχεδίασης, τις βελτιωμένες τεχνικές κατασκευής και την εμπειρία από εκατομμύρια ώρες λειτουργίας, έχει βελτιωθεί εντυπωσιακά η αξιοπιστία των σημερινών Α/Γ.
Οι βελτιώσεις στην αξιοπιστία αφορούν όχι μόνο τις κύριες δομικές συνιστώσες, αλλά και τα υποσυστήματα υποστήριξης της Α/Γ, όπως είναι για παράδειγμα το σύστημα ελέγχου μέσω Η/Υ της Α/Γ, και τα συστήματα εκτροπής και μεταβολής του βήματος. Επίσης, βελτιώθηκαν τα προγράμματα διασφάλισης ποιότητας και επιθεώρησης των κατασκευαστών. Από την άλλη, οι σχεδιαστές έχουν δώσει ιδιαίτερη προσοχή στην επισκευασιμότητα και τη συντηρησιμότητα των υποσυστημάτων των Α/Γ.
Εξάλλου, έχει επεκταθεί το διάστημα μεταξύ των σημαντικών γενικών επισκευών, για παράδειγμα από πέντε σε δέκα έτη ή/και περισσότερο. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μέτρησης αυτών των βελτιώσεων και της τρέχουσας αξιοπιστίας, στους οποίους περιλαμβάνονται ο μέσος χρόνος μεταξύ βλαβών για τις κύριες συνιστώσες και τα υποσυστήματα, ο μέσος χρόνος για επισκευή και το κόστος για την επιδιόρθωση μιας βλάβης. Ένα μέτρο της αξιοπιστίας ολόκληρου του συστήματος που χρησιμοποιείται συχνά είναι η διαθεσιμότητα.
2.3.3.2. Διαθεσιμότητα
Η τιμή της διαθεσιμότητας Α ενός αιολικού πάρκου για μια ορισμένη χρονική περίοδο μπορεί να προκύψει από τις τιμές ημερήσιας διαθεσιμότητας κάθε Α/Γ. Γενικά, για μία καθορισμένη χρονική περίοδο (πχ μία ημέρα, εβδομάδα, ένα μήνα ή ένα έτος), η διαθεσιμότητα ορίζεται ως ο λόγος των ωρών που το αιολικό σύστημα ήταν σε θέση να παράγει ισχύ προς τον αριθμό των ωρών αυτής της χρονικής περιόδου:
Α = Ώρες εν δυνάμει Λειτουργίας της Ανεμογεννήτριας / Σύνολο Ωρών της Περιόδου (2.7)
Ένας άλλος, πιο δύσκολος στον καθορισμό του και εν γένει διφορούμενος ορισμός είναι ο λόγος των πραγματικών ωρών λειτουργίας προς τον αριθμό των ωρών που οι ταχύτητες του ανέμου βρίσκονταν εντός του εύρους λειτουργίας. Ανεξάρτητα του πώς καθορίζεται, η βέλτιστη τιμή διαθεσιμότητας θα ήταν 100%, που σημαίνει ότι το σύστημα δεν θα έχει καμία διακοπή λειτουργίας ή δυσλειτουργία που να το εμποδίζει από το να παράγει ισχύ. Τα σύγχρονα αιολικά πάρκα επιτυγχάνουν συνήθως τιμές διαθεσιμότητας 98% ή περισσότερο, αρκετά επάνω από το 60% ή/και λιγότερο των αρχών της δεκαετίας του '80.
2.3.3.3. Ανταποδοτικότητα κόστους
Το κόστος της αιολικής ενέργειας έχει μειωθεί εντυπωσιακά κατά τα τελευταία 15 έτη, καθώς έχει αναπτυχθεί η τεχνολογία και οι Α/Γ έχουν καταστεί φθηνότερες και πιο παραγωγικές. Υπάρχουν δύο κύρια ζητήματα τα οποία επηρεάζουν το κόστος του ηλεκτρισμού που παράγεται από τον άνεμο, επομένως και την τελική του τιμή:
• Οι τεχνικοί παράγοντες, όπως είναι η ταχύτητα του ανέμου και η φύση των Α/Γ (διαθεσιμότητα, ο τρόπος διάταξής τους, κλπ.).
• Η οικονομική προοπτική αυτών που αναπτύσσουν και χρηματοδοτούν τα έργα, π.χ. το επιτόκιο απόδοσης που απαιτείται στο κεφάλαιο και το χρονικό διάστημα κατά το οποίο αποπληρώνεται το κεφάλαιο.
Έτσι, το κόστος της αιολικής ενέργειας στην Ολλανδία μειώθηκε κατά ένα συντελεστή τρία μεταξύ των ετών 1985 και 1995, και στη Γερμανία κατά το ένα τρίτο μεταξύ του 1991 και του 1994. Οι τιμές της ενέργειας μειώθηκαν ακόμα ταχύτερα (έπεσαν στο μισό τα τελευταία 9-10 χρόνια), και αυτές λόγω των μικρότερων τιμών των Α/Γ, της υψηλότερης αποδοτικότητας και διαθεσιμότητας των χρησιμοποιούμενων μηχανών, και των χαμηλότερων δαπανών λειτουργίας και συντήρησης. Η τρέχουσα τιμή της ενέργειας που αντιστοιχεί σ' ένα μέσο κόστος αιολικού πάρκου €850/kW είναι 9,6 c€/kWh στα 5 m/s, ελαττούμενη σε 3,4 c€/kWh για 10 m/s (οι ταχύτητες του ανέμου αναφέρονται στο ύψος της πλήμνης). Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας συνίσταται από:
• το κόστος κεφαλαίου - για την κατασκευή της μονάδας ηλεκτροπαραγωγής και τη σύνδεσή της με το δίκτυο,
• τις τρέχουσες δαπάνες - για τη λειτουργία, την τροφοδοσία και τη συντήρηση της εγκατάστασης,
• τη χρηματοδότηση, δηλ. το κόστος εξόφλησης των επενδυτών και των τραπεζών.
Για τις Α/Γ δεν υφίστανται δαπάνες καυσίμου, αφού ο άνεμος είναι ελεύθερος. Μόλις αποπληρωθεί το έργο, οι μόνες τρέχουσες δαπάνες αφορούν τη λειτουργία και συντήρηση (Λ&Σ) της εγκατάστασης. Το κόστος κεφαλαίου κυμαίνεται μεταξύ του 75 και 90% του συνολικού κόστους.
Το κόστος μιας Α/Γ σήμερα είναι μεταξύ €600-900/kW. Τα κόστη προετοιμασίας και εγκατάστασης του έργου προσθέτουν άλλα €200-250/kW, ανάλογα με τον αριθμό και το μέγεθος των μηχανών στο αιολικό πάρκο, και την τοποθεσία. Αυτό ανεβάζει το συνολικό κόστος της αιολικής ενέργειας σε περίπου €1.000 ανά kW εγκατεστημένης ισχύος. Με την πάροδο του χρόνου έχει αλλάξει το οικονομικότερο μέγεθος της Α/Γ, το οποίο συνεχίζει να αυξάνει. Όσο πιο μεγάλες είναι οι μηχανές, τόσο λιγότερες απαιτούνται για ένα δεδομένο δυναμικό, και αυτό επιφέρει εξοικονόμηση στα κόστη εργοταξίου και Λ&Σ. Για παράδειγμα, τα κόστη εργοταξίου μπορούν να μειωθούν κατά 25% περίπου από τις μηχανές μεγέθους 300 kW στις μηχανές του 1 MW.
Οι τρέχουσες δαπάνες Λ&Σ περιλαμβάνουν τη συντήρηση, το μίσθωμα των γαιών, τα αναλώσιμα, τις επισκευές, την ασφάλιση, τη διοίκηση, κλπ. Αυτά τα κόστη ποικίλλουν μεταξύ των χωρών και των αιολικών πάρκων, αλλά οι εμπειρίες από τη Δανία και τη Γερμανία δείχνουν ότι το ετήσιο κόστος Λ&Σ για τις νέες Α/Γ εγκατεστημένης ισχύος μεταξύ 0,5 και 1,5 MW είναι περίπου 0,6 έως 1,0 c€/kWh, το μισό του οποίου αφορά το κόστος ασφάλισης (το κόστος Λ&Σ είναι γύρω στα €25/kW/έτος για μηχανές των 200 kW, το οποίο κατέρχεται περίπου στα €15ιkWIέτος Ύ1α τις μηχανές των 500 kW). Για μηχανές που λειτουργούν πάνω από 10 έτη τα κόστη αυτά μπορεί να ανέλθουν στο επίπεδο των 1,5 έως 2 c€lkWh.
Ο τρόπος με τον οποίο έχει αυξηθεί το μέγεθος και η παραγωγικότητα των μηχανών τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται στο σχήμα 2.12 (τα δεδομένα αφορούν τη Δανία). Το μέσο μέγεθος των εγκατεστημένων Α/Γ στη Δανία αυξήθηκε από 71 kW το 1985 σε 523 kW το 1996. Η παραγωγικότητα των νέων μηχανών αυξήθηκε από 673 σε 1037 kWh/m2 κατά τα ίδiα έτη. Έχει επίσης εξετασθεί η σύνδεση μεταξύ του μεγέθους των Α/Γ και των τιμών της ενέργειας, η οποία καταδεικνύει μια μείωση κατά 44% από τις πρώιμες μηχανές των 95 kW σ' αυτές με μέγεθος 600 kW (σχήμα 2.12 - δεξιά).
2.3.4. Χαρωσηρισηκά της παροχής ισχύος
Το σημαντικότερο τεχνικό χαρακτηριστικό της ηλεκτρικής ισχύος που παράγεται από αιολικά συστήματα είναι η μεταβολή της με το χρόνο, το οποίο απεικονίζει τη χρονική μεταβλητότητα του αιολικού πόρου. Στα επόμενα εξετάζονται το εύρος των χρονικών κλιμάκων και οι επιπτώσεις τους στην απόδοση του αιολικού συστήματος.
2.3.4.1. Συσχέτιση με το φορτίο
Ως γνωστόν, όλα τα ηλεκτρικά φορτία έχουν μία σημαντική προβλέψιμη συνιστώσα. Για παράδειγμα, η ωριαία ζήτηση κατά τη διάρκεια μιας θερινής ή χειμερινής ημέρας είναι αρκετά γνωστή, όπως είναι και η κατανομή της ζήτησης από μήνα σε μήνα. Οι ημερήσιες και μηνιαίες κατανομές του φορτίου μπορούν να συγκριθούν με την παρελθούσα ή την αναμενόμενη ηλεκτρική παραγωγή ενός αιολικού πάρκου. Κατά συνέπεια, άπαξ και υπάρχει μια συσχέτιση μεταξύ των χρονικών κατανομών του αιολικά παραγόμενου ηλεκτρισμού και της ζήτησης του φορτίου, στο αιολικό σύστημα μπορεί να αποδοθεί μία τιμή δυναμικού πέραν αυτής της ενέργειας.
Όσο πιο συσχετισμένες είναι αυτές οι κατανομές, τόσο πιο αξιόπιστα μπορεί να καλύψει μέρος του φορτίου η αιολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Ανάλογα με το δυναμικό και τη διάρθρωση του κόστους των συμβατικών πηγών και με το βαθμό της αιολικής διείσδυσης, η αιολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι πιο ωφέλιμη και πολύτιμη απ' ό,τι διαφορετικά.
2.3.4.2. Παραγωγή μεμονωμένης Α/Γ και αιολικού πάρκου
Παρατηρείται μια σημαντική διαφορά στα βραχυπρόθεσμα (δευτερόλεπτα έως λεπτά) χρονικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ισχύος από μια μεμονωμένη Α/Γ σε σχέση με αυτά ενός αιολικού πάρκου. Σ' ένα σημαντικό εύρος των ταχυτήτων λειτουργίας, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς μιας μεμονωμένης Α/Γ συμπίπτει άμεσα με τα χρονικά χαρακτηριστικά του πεδίου ροής του ανέμου που προσπίπτει σε αυτή. Η αδράνεια του δρομέα ομαλοποιεί τις διακυμάνσεις του ανέμου της τάξης του δευτερολέπτου ή λιγότερο, όμως οι συνιστώσες διακύμανσης του ανέμου με περιόδους μεγαλύτερες από αυτή μπορούν να αναπαραχθούν στην παραγόμενη ισχύ μιας μεμονωμένης Α/Γ, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του συστήματος ελέγχου της Α/Γ.
Το σύστημα ελέγχου της Α/Γ μπορεί να συμβάλει στην εξομάλυνση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Αυτό συμβαίνει συνήθως όταν οι ταχύτητες του ανέμου είναι αρκετά υψηλές ώστε, εν όψει των μεταβαλλόμενων ταχυτήτων εισροής του ανέμου, το σύστημα ελέγχου ρυθμίζει την αποδοτικότητα των αεροδυναμικών πτερυγίων της Α/Γ έτσι ώστε να διατηρηθεί η ηλεκτρική παραγωγή σε μια σταθερή τιμή, ίση με την ονομαστική ισχύ της Α/Γ.
Από την άλλη, η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος ενός αιολικού πάρκου είναι συνήθως αρκετά πιο ομαλή σε σχέση με αυτήν μιας μεμονωμένης Α/Γ. Ο βαθμός εξομάλυνσης εξαρτάται από τη γεωγραφική έκταση του πάρκου, τη μέση ταχύτητα του ανέμου, τα χαρακτηριστικά ελέγχου των Α/Γ και, τέλος, από τις λεπτομέρειες του ανάγλυφου του εδάφους και από τον τρόπο που επηρεάζουν τη διανομή των ταχυτήτων του ανέμου μέσα στο αιολικό πάρκο. Η κύρια αιτία της εξομάλυνσης αυτής είναι ότι η δομή των ριπών του ανέμου, στο χώρο και το χρόνο, καθίσταται εν γένει όλο και περισσότερο ασυσχέτιστη σε αποστάσεις μεγαλύτερες από αρκετές διαμέτρους του δρομέα.
Σε σχέση με τις διακυμάνσεις μιας μεμονωμένης Α/Γ, η πλήρης έλλειψη συσχέτισης θα υποδήλωνε ότι οι διακυμάνσεις στην παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος του αιολικού πάρκου μειώνονται με την τετραγωνική ρίζα του αριθμού των ασυσχέτιστων μηχανών της μονάδας που συμβάλλουν στην παραγωγή. Έτσι, μπορεί να εφαρμοστεί η ίδια αρχή εξομάλυνσης πεδίου της συγκεντρωτικής παραγωγής των αιολικών πάρκων.
Όπως και με τις Α/Γ σ' ένα μεμονωμένο αιολικό πάρκο, μια τέτοια εξομάλυνση θα μπορούσε να προκύψει ως αποτέλεσμα της έλλειψης συσχέτισης των διακυμάνσεων στα πεδία του ανέμου που προσπίπτουν στα κατανεμημένα αιολικά πάρκα.
2.3.4.3. Ποιότητα ισχύος
Καθόσον τα αιολικά πάρκα συχνά συνδέονται στο δίκτυο της εταιρείας ηλεκτρισμού, οι υπεύθυνοι προγραμματισμού και διαχείρισης του συστήματος της εταιρείας αυτής ενδιαφέρονται για τα τεχνικά χαρακτηριστικά της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Όπως αναφέρθηκε ήδη, το σημαντικότερο από αυτά τα χαρακτηριστικά, τα οποία λαμβανόμενα ως σύνολο αναφέρονται ως "ποιότητα ισχύος", είναι η μεταβλητότητα με το χρόνο. Άλλες παράμετροι της ποιότητας ισχύος περιλαμβάνουν το συντελεστή ισχύος, την αρμονική παραμόρφωση, τις διακυμάνσεις της τάσης και τις αποκλίσεις της συχνότητας. Η σχετική τους βαρύτητα εξαρτάται από το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο και την επιλογή των Α/Γ.
Οι πρώιμες Α/Γ με επαγωγικές γεννήτριες διέθεταν ανεπαρκή ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό αντιστάθμισης της άεργης ισχύος, με αποτέλεσμα οι εταιρείες ηλεκτρισμού να υφίστανται αυξημένες απώλειες μεταφοράς και δυσκολία ελέγχου της τάσης του συστήματος. Οι χειριστές των αιολικών μονάδων αναγκάστηκαν να βελτιώσουν την ποιότητα της παρεχόμενης στο δίκτυο ισχύος όταν οι εταιρείες ηλεκτρισμού άρχισαν να χρεώνουν για την υποστήριξη των υπέρμετρων VAr [άεργος ισχύς]. Οι εταιρείες απαιτούν πλέον οι μικροί παραγωγοί που χρησιμοποιούν επαγωγικές γεννήτριες να παρέχουν στο σημείο της διασύνδεσης συντελεστή ισχύος κοντά στη μονάδα. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας παρέχει ένα πλήρες φάσμα ελέγχου του συντελεστή ισχύος σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας, ακόμη και κατά τη διακοπή λειτουργίας της Α/Γ.
Οι αρμονικές είναι ανεπιθύμητες παραμορφώσεις της ημιτονοειδούς τάσης ΕΡ της εταιρείας ηλεκτρισμού και των κυματομορφών του ρεύματος, οι οποίες χρήζουν προσοχής λόγω της ζημιάς που μπορεί να προκληθεί τόσο στον εξοπλισμό διανομής της εταιρείας ηλεκτρισμού όσο και στις συσκευές των πελατών. Μερικές αιολικές εγκαταστάσειςπρώτης γενιάς χρησιμοποιούσαν παλαιότερα συστήματα αντιστροφής ΕΡ (διατάξεις γεφυρών 6-παλμικών θυρίστορ χωρίς εξωτερική διόρθωση αρμονικών ή φιλτράρισμα), με αποτέλεσμα την παραγωγή αρμονικών χαμηλότερης τάξης. Τα προηγμένα συστήματα αντιστροφέων που διατίθενται σήμερα παράγουν ισχύ με πολύ μικρή αρμονική παραμόρφωση. Πλέον, με την προσθήκη διατάξεων διόρθωσης των αρμονικών και τη χρήση προηγμένων ηλεκτρονικών ισχύος στις Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας, οι αρμονικές δεν προκαλούν σημαντικά προβλήματα.
Όταν οι Α/Γ λειτουργούν, η παραγωγή ισχύος τους μεταβάλλεται από δευτερόλεπτο σε δευτερόλεπτο, ανάλογα με την ένταση και την τύρβη του ανέμου. Η επίδραση του πύργου, καθώς τα πτερύγια περιστρέφονται πίσω του, εισάγει επίσης μια περιοδική διαταραχή στην παραγόμενη ισχύ, που είναι μεγαλύτερη στις υψηλότερες ταχύτητες του ανέμου. Αυτές οι διακυμάνσεις της ισχύος προκαλούν μεταΒολές της τάσης στο τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο, το λεγόμενο "τρεμόπαιγμα". Τα όρια στο τρεμόπαιγμα που μπορεί να προκαλέσει ο τυχόν συνδεδεμένος εξοπλισμός καθορίζονται από σχετικά πρότυπα που τίθενται ώστε να αποφευχθεί η διαταραχή σε άλλους καταναλωτές. Το τρεμόπαιγμα είναι πιθανό να αποτελεί πρόβλημα μόνο στις μικρές ομάδες ή σε μεμονωμένες Α/Γ, ειδικά τις μεγάλες μηχανές που συνδέονται σε χαμηλότερες τάσεις.
Οι ρυθμιζόμενες με απώλεια στήριξης Α/Γ παράγουν λιγότερες διαταραχές από αυτές με μεταβολή του βήματος. Οι Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας έχουν πολύ μικρή επίδραση, ενώ αυτές με επαγωγικές γεwήτριες (συνηθέστερες) μπορούν επίσης κατά την εκκίνησή τους να προκαλέσουν διαταραχές. Αυτό αποτελεί κατά κανόνα πρόβλημα του παρελθόντος, καθώς στα περισσότερα μοντέλα εγκαθίστανται μονάδες "ήπιας εκκίνησης". Πάντως, πρέπει επίσης να εξετάζεται η απότομη μεταβολή της τάσης που θα εμφανιστεί όταν διακοπεί η λειτουργία της Α/Γ ενώ βρίσκεται σε πλήρη ισχύ, λόγω ισχυρών ανέμων. Συνήθως γίνεται αποδεκτό ότι, υπό κανονικές συνθήκες, είναι απίθανο να διακοπεί η λειτουργία περισσότερων της μίας ή δύο Α/Γ ταυτόχρονα.
Οι εταιρείες ηλεκτρισμού που χειρίζονται αιολικές μονάδες συνδεδεμένες σε ασθενή, απομονωμένα δίκτυα μπορεί να βρίσκουν δυσκολία στη διατήρηση της κανονικής συχνότητας του συστήματος, η οποία μεταβάλλεται όταν οι ριπές ανέμου προκαλούν την ταχεία αλλαγή της παραγόμενης ισχύος των αιολικών μονάδων. Αν και αυτό δεν αποτελεί συνήθως πρόβλημα στις περιοχές των αιολικών πάρκων, προκειμένου να διεισδύσει περισσότερη αιολική ενέργεια σε ένα σύστημα απαιτείται:
• η χρήση σύγχρονων Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας με ηλεκτρονικό έλεγχο ισχύος και διασύνδεση με το δίκτυο (το ηλεκτρονικό σύστημα ισχύος μπορεί να ελέγχεται ώστε να περιορίζει την παραγωγή ισχύος των Α/Γ κατά τις περιόδους ριπιζόντων ή ισχυρών ανέμων), ή/και
• αυτόματος έλεγχος της παραγωγής με επιπρόσθετη στρεφόμενη εφεδρεία.
2.1.1. Σχηματισμός των ανέμων
Η αιολική ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια του κινούμενου αέρα. Η ακανόνιστη θέρμανση της επιφάνειας της γης από τον ήλιο προκαλεί τους ανέμους. Η θερμότητα που απορροφάται από το έδαφος ή το νερό μεταφέρεται στον αέρα, όπου προκαλεί διαφορές στη θερμοκρασία, την πυκνότητα και την πίεσή του. Με τη σειρά τους, οι διαφορές αυτές προκαλούν δυνάμεις που ωθούν τον αέρα ολόγυρα. Σύμφωνα με τη μηχανική των ρευστών, ο αέρας κινείται από τις υψηλής πίεσης προς τις χαμηλής πίεσης περιοχές του πλανήτη.
Σε παγκόσμια κλίμακα, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των τροπικών και των πόλων προκαλεί τους αληγείς ανέμους, οι οποίοι δρουν ως γιγαντιαίος εναλλάκτης θερμότητας εμποδίζοντας την περαιτέρω θέρμανση του ισημερινού και ψύξη των πόλων. Σε πολύ μικρότερη κλίμακα, οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του εδάφους και της θάλασσας και μεταξύ των βουνών και των κοιλάδων δημιουργούν συχνά ισχυρές αύρες. Η κατεύθυνση και η ταχύτητα του ανέμου επηρεάζονται επίσης από άλλους παράγοντες, όπως είναι η περιστροφή της γης, τα τοπικά τοπογραφικά χαρακτηριστικά και η τραχύτητα του εδάφους.
2.1.2. Πυκνότητα ισχύος του ανέμου
Ο άνεμος περιέχει ενέργεια η οποία μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό με τη χρήση των ανεμογεννητριών (Α/Γ). Η ποσότητα ηλεκτρισμού που παράγουν οι Α/Γ εξαρτάται από την ποσότητα της ενέργειας του διερχόμενου μέσω της επιφάνειας που σαρώνεται από τα πτερύγια της Α/Γ στη μονάδα του χρόνου ανέμου. Αυτή η ροή ενέργειας ονομάζεται πυκνότητα ισχύος του ανέμου. Ειδικότερα, οι δρομείς των Α/Γ ελαττώνουν την ταχύτητα του ανέμου από την αδιατάρακτη ταχύτητα V1 πολύ πριν από το δρομέα στη μειωμένη ταχύτητα ροής του αέρα V2 πίσω από αυτόν (σχ. 2.1).
Σχήμα 2.1. Ροή του ανέμου μέσω μιας Α/Γ
Η διαφορά στην ταχύτητα του ανέμου είναι ένα μέτρο της αποσπώμενης από αυτόν κινητικής ενέργειας που περιστρέφει το δρομέα και την ηλεκτρική γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη στο άλλο άκρο του συστήματος μετάδοσης της κίνησης. Η ισχύς που θεωρητικά εξάγεται από μια Α/Γ περιγράφεται από την εξίσωση:
P = Cp * n * ρ/2 * v1 (στην 3) * A (2.1)
όπου Ρ είναι η πυκνότητα του αέρα (kg/m3), Cp ο συντελεστής ισχύος, n η μηχανική/ηλεκτρική αποδοτικότητα, και Α το εμβαδό του δίσκου του δρομέα.
Σε ιδανικές συνθήκες, η μέγιστη τιμή του Cp (γνωστή ως "όριο Betz") είναι: 16/27= 0,593, δηλαδή μια Α/Γ μπορεί θεωρητικά να αποσπάσει το 59,3% του ενεργειακού περιεχόμενου της ροής του αέρα. Υπό πραγματικές συνθήκες, όμως, ο συντελεστής ισχύος δεν υπερβαίνει την τιμή cp=0,5, αφού περιλαμβάνει όλες τις αεροδυναμικές απώλειες της Α/Γ. Πράγματι, στις περισσότερες τεχvικές δημοσιεύσεις η τιμή του cp περιλαμβάνει όλες τις απώλειες και, στην ουσία, αποτελεί συντόμευση του cp * n. Στο σχήμα 2.2 παρουσιάζονται διαφορετικά περιεχόμενα και απολήψεις ισχύος ανάλογα με το συντελεστή ισχύος και τις αποδοτικότητες μιας Α/Γ.
Σχήμα 2.2. Παραγόμενη ισχύς ανά μονάδα επιφάνιας του δίσκου του δρομέα συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμoυ.
Όπως προκύmει από την εξίσωση (2.1), ένα βασικό ζήτημα της πυκνότητας ισχύος του ανέμου αποτελεί η εξάρτησή της από τον κύβο της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι, εάν διπλασιαστεί η ταχύτητα, η ισχύς που περιέχεται στον άνεμο θα αυξηθεί κατά οκτώ φορές. Στην πράξη, όμως, η σχέση μεταξύ της παραγόμενης ισχύος μιας Α/Γ και της ταχύτητας του ανέμου δεν είναι τόσο ρητή. Όπως φαίνεται από τις καμπύλες του σχήματος 2.2, η πραγματική καμπύλη ισχύος μιας Α/Γ περιγράφεται συνήθως ως προς τέσσερις διακριτές περιοχές της ταχύτητας του ανέμου, οι οποίες αναλύονται στον πίνακα 2.1 (ενδεικτικές τιμές αυτές του σχήματος 2.2).
Πίνακας 2.1. Οι τέσσερις περιοχές της καπύλης ισχύος μιας ανεμογεννήτριας. (σελ. 37,38)
Από τις τέσσερις αυτές περιοχές, η Α/Γ παράγει και παρέχει ισχύ μόνο στο εύρος των ταχυτήτων του ανέμου που καθορίζονται από τις περιοχές 2 και 3. Στην περιοχή 1 (κάτω από την ταχύτητα εκκίνησης) δεν υπάρχει αρκετή ενέργεια στον άνεμο ώστε να παραχθεί εκμεταλλεύσιμη ισχύς. Στην περιοχή 4 (πέρα από την ταχύτητα διακοπής) η παραγόμενη ισχύς διατηρείται σταθερή ή αρχίζει να μειώνεται, ενώ σε πολύ δυνατούς ανέμους μπορεί και να διακόπτεται η λειτοοργία της Α/Γ για να αποτραπεί κάποια ζημία σε αυτή. Τότε, οι άνεμοι είναι πάρα πολύ δυναμικοί για να δικαιολογηθεί η πρόσθετη δομική αντοχή και το επιπλέον κόστος σχετικά με το μικρό αριθμό ωρών ανά έτος κατά τις οποίες παρατηρούνται ταχύτητες ανέμου εντός της περιοχής 4.
Η πυκνότητα ισχύος του ανέμου εξαρτάται επίσης από την πυκνότητα του αέρα. Αυτή σε μεγαλύτερα ύψη μειώνεται και, κατά συνέπεια, μειώνεται και η διαθέσιμη ισχύς. Η επίδραση αυτή μπορεί να επιφέρει μείωση στην παραγωγή ισχύος των Α/Γ σε ψηλά βουνά κατά τουλάχιστον 40% έναντι της ισχύος που θα μπορούσε να παραχθεί με τις ίδιες ταχύτητες ανέμου στο επίπεδο της θάλασσας. Η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται αντίστροφα από τη θερμοκρασία, οπότε οι πιο χαμηλές θερμοκρασίες ευνοούν τις μεγαλύτερες πυκνότητες του αέρα και τη μεγαλύτερη παραγωγή αιολικής ισχύος.
2.1.3. Μεταβλητότητα των ανέμων
2.1.3.1. Μεταβολή με το χρόνο
Για να προβλεφθεί επακριβώς η απόδοση των Α/Γ, πρέπει να είναι γνωστή όχι μόνο η μέση ταχύτητα του ανέμου σε μια συγκεκριμένη θέση, αλλά και ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλεται η ταχύτητα του ανέμου με το χρόνο. Με το μετασχηματισμό μιας μακράς χρονικής σειράς ταχυτήτων του ανέμου στο πεδίο συχνότητας ως φάσμα ισχύος μπορεί να προσδιοριστεί η χρονική κλίμακα της ενέργειας του ανέμου (σχήμα 2.3). Είναι χρήσιμο να γίνεται διάκριση μεταξύ των μεταβολών σε τρεις χρονικές κλίμακες, ειδικότερα στη βραχεία (δευτερόλεπτα έως λεπτά), μέση (ώρες έως ημέρες) και μακρά (εβδομάδες έως έτη).
Σχήμα 2.3. Χαρακτηριστικό φάσμα διακύμανσης της ταχύτητας του ανέμου
Οι μεταβολές στη βραχεία χρονική κλίμακα συνήθως δεν είναι πολύ σημαντικές για την αξιολόγηση του αιολικού πόρου, εκτός εάν ο άνεμος είναι πολύ τυρβώδης ή αλλάζει συχνά διεύθυνση. Σε μεμονωμένες Α/Γ οι απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες διακυμάνσεις στην παραγόμενη ισχύ (και πρόσθετη φθορά στις συνιστώσες της Α/Γ, οπότε αυξημένες δαπάνες επισκευής και συντήρησης). Εντούτοις, σε αιολικές εγκαταστάσεις που περιέχουν πολλές Α/Γ, η επίδραση αυτή τείνει να εξαλειφθεί καθώς οι διαφορετικές μηχανές δέχονται ριπές ανέμου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Για το λόγο αυτό, κανονικά η μέση τιμή των μετρήσεων της ταχύτητας του ανέμου που προορίζονται για την αξιολόγηση μιας πιθανής θέσης αιολικού έργου λαμβάνεται σε μία περίοδο 10 λεπτών έως μίας ώρας.
Οι μεταβολές που υφίστανται μεταξύ ωρών και ημερών είναι πολύ σημαντικές για την αξιολόγηση της αιολικής πηγής. Τα αρχεία των ταχυτήτων του ανέμου εμφανίζουν συνήθως μεγάλες διακυμάνσεις που διατηρούνται έως και αρκετές ημέρες, οι οποίες απεικονίζουν διερχόμενες θύελλες και καιρικά μέτωπα. Εξάλλου, σε πολλές θέσεις παρουσιάζεται μια ημερήσια διαμόρφωση της μεταβολής της ταχύτητας του ανέμου, με τους μέγιστους ανέμους να εμφανίζονται συχνά το απόγευμα. Σημαντική επίδραση στις επιδόσεις των αιολικών εγκαταστάσεων έχουν επίσης οι μηνιαίες και εποχιακές μεταβολές. Ο βαθμός και ο χρόνος εμφάνισης των εποχιακών μεταβολών εξαρτώνται από την περιοχή.
Μπορεί να υφίστανται και αλλαγές στη μέση ετήσια ταχύτητα του ανέμου από έτος σε έτος, οφειλόμενες σε περιφερειακά κλιματικά φαινόμενα. Για να εξαχθεί η εποχιακή συμπεριφορά του ανέμου απαιτείται τουλάχιστον ένα έτος μετρήσεων. Πέραν αυτού τα οφέλη από τις παρατεταμένες μετρήσεις φθίνουν σημαντικά, και ένα ή δύο έτη μετρήσεων συνήθως επαρκούν για την πρόβλεψη των μακροπρόθεσμων μέσων ταχυτήτων του ανέμου και της μεταβλητότητας της ταχύτητας με αποδεκτή ακρίβεια. Στον πίνακα 2.2 παρατίθενται οι χρονικές κλίμακες, η ομάδα που ενδιαφέρεται για κάθε μία από αυτές περισσότερο και οι αιτίες για το ενδιαφέρον αυτό.
Πίνακα 2.2. Χρονικές κλίμακες των αιολικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής. (σελ. 39,40)
2.1.3.2. Εξάρτηση της ταχύτητας του ανέμου από το ύψος
Η σχέση για την εξαγόμενη ισχύ από μια Α/Γ δείχνει ότι η ενεργειακή παραγωγή της Α/Γ εξαρτάται από την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου στη θέση, την πυκνότητα του αέρα, το μέγεθος του δρομέα και τον τεχνικό σχεδιασμό. Ειδικά, το ύψος του πύργου επηρεάζει σημαντικά την ενεργειακή παραγωγή, λόγω της αύξησης της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος επάνω από το επίπεδο του εδάφους, φαινόμενο γνωστό ως διάτμηση του ανέμου. Ο βαθμός της διάτμησης του ανέμου εξαρτάται κυρίως από δύο παράγοντες, την ατμοσφαιρική μίξη και την τραχύτητα του εδάφους.
Η τραχύτητα του εδάφους επιδρά στη διάτμηση του ανέμου καθορίζοντας το πόσο επιβραδύνεται ο άνεμος κοντά το έδαφος. Σε περιοχές με υψηλό βαθμό τραχύτητας, όπως τα δάση ή οι πόλεις, οι ταχύτητες του ανέμου κοντά στην επιφάνεια τείνουν να είναι μικρές και η διάτμηση του ανέμου μεγάλη, ενώ το αντίστροφο ισχύει σε περιοχές με μικρή τραχύτητα, όπως είναι οι επίπεδοι, ανοικτοί αγροί. Η διάτμηση του ανέμου μπορεί να ελαττωθεί πολύ ή να εξαλειφθεί όπου υπάρχει μια απότομη αλλαγή στο ύψος του πεδίου, όπως μια απότομη ακρογιαλιά ή κορυφογραμμή. Στο σχήμα 2.4 παρουσιάζεται μια πιθανή μορφή του οριακού στρώματος της ταχύτητας του ανέμου.
Σχήμα 2.4. Τυπική καθ' ύψος κατανομή της ταχύτητας του ανέμου.
Μια συνηθισμένη προσέγγιση για την καθ' ύψος κατανομή της ταχύτητας του ανέμου είναι η λογαριθμική:
v = vτ/κ * ln(h/z0) (2.2)
όπου V είναι η ταχύτητα του ανέμου σε ύψος h, ντ, η ταχύτητα τριβής, κ η σταθερά von Karman (ίση με 0,4), και Ζ0 το μήκος τραχύτητας, το οποίο σχετίζεται με την κάλυψη βλάστησης της περιοχής (από διάφορες πηγές διατίθενται πίνακες για τις τιμές του μήκους της τραχύτητας). Μερικές φορές χρησιμοποιείται ένας εκθετικός νόμος για την περιγραφή της κατανομής του ανέμου:
v = vR * (h/hR)α (εις την α) (2.3)
όπου VR είναι η ταχύτητα του ανέμου στο ύψος αναφοράς hR . Ο εκθέτης α εξαρτάται από τα στοιχεία τραχύτητας του εδάφους και συχνά λαμβάνει την τιμή 1/7.
Η ατμοσφαιρική μίξη συνήθως ακολουθεί έναν ημερήσιο κύκλο οδηγούμενο από την ηλιακή θέρμανση. Στο ύψος της πλήμνης μιας Α/Γ, ο κύκλος αυτός προκαλεί συχνά αύξηση της ταχύτητας του ανέμου την ημέρας και μείωσή της τη νύχτα. Εντούτοις, το εύρος της μεταβολής μεταξύ νύχτας και ημέρας εν γένει μειώνεται καθώς αυξάνεται το ύψος της πλήμνης. Σε ύψος περίπου 10m η ημερήσια μεταβολή μπορεί να είναι πολύ έντονη, αλλά καθώς αυτό αυξάνεται στα 50m αυτή εξασθενεί ή μπορεί ακόμη και να εξαφανιστεί. Η λογαριθμική κατανομή της ταχύτητας του ανέμου [εξίσ. (2.2)] μπορεί και πάλι να εφαρμοσθεί στα χαμηλότερα 100m, με κατάλληλες διορθώσεις ώστε να ληφθούν υπόψη οι ανωτέρω μεταβολές στην ατμοσφαιρική ευστάθεια.
Για την εξοικονόμηση χρημάτων, οι μετρήσεις του ανέμου μερικές φορές λαμβάνονται σε χαμηλότερο ύψος από αυτό του πύργου της Α/Γ. Στην περίπτωση αυτή, είναι απαραίτητο να μετρηθεί η διάτμηση του ανέμου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές της ημέρας και σε διαφορετικές εποχές προκειμένου να προβλεφθεί με ακρίβεια η απόδοση μιας εγκατάστασης αιολικής ενέργειας. Η διάτμηση μπορεί να μετρηθεί με την παρακολούθηση των ταχυτήτων του ανέμου σε δύο ή τρία ύψη ενός πύργου.
2.1.3.3. Χωρικές μεταβολές
Όπως έχει αποδειχθεί, τα χαρακτηριστικά του αιολικού πόρου μπορεί να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ γειτονικών θέσεων. Για προφανείς λόγους, οι ισχυρότεροι άνεμοι συνήθως βρίσκονται σε καλά εκτεθειμένες τοποθεσίες. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά του εδάφους, όπως οι λόφοι και οι κορυφογραμμές, μπορούν να επιταγχύνουν τον άνεμο κατά το πέρασμά του από αυτά. Μια κορυφογραμμή είναι συνήθως ιδανική όταν είναι προσανατολισμένη κάθετα προς την επικρατούσα κατεύθυνση του ανέμου και έχει μια μέση κλίση.
Πάντως, ενίοτε μπορεί να παρατηρηθούν ισχυροί άνεμοι σε μη προφανείς θέσεις. Για παράδειγμα, μπορεί να είναι ιδανικές για αιολικές μονάδες οι φαρδιές διαβάσεις αφού διοχετεύουν τους ανέμους που περνούν επάνω από μια οροσειρά, και καθώς μπορεί να δημιουργούνται αύρες από τον ψυχρό αέρα που καταβυθίζεται από τις κορυφές των βουνών στις κοιλάδες. Για την πρόβλεψη των ταχυτήτων του ανέμου σε σύνθετα εδάφη, επάνω από κτήρια και άλλα εμπόδια, και την ορογραφία της θέσης έχει αναπτυχθεί πληθώρα εργαλείων, μεταξύ των οποίων και περίπλοκα υπολογιστικά μοντέλα. Πάντως, δεν υπάρχει υποκατάστατο των άμεσων μετρήσεων.
2.1.4. Παγκόσμιο αιολικό δυναμικό
Οι παγκόσμιοι άνεμοι αποτελούν έναν καλό ενεργειακό πόρο και κατανέμονται εξίσου σε μεγάλες περιοχές του πλανήτη. Από εκτιμήσεις για τον πόρο προκύπτει ότι, η παρούσα ζήτηση ενέργειας παγκοσμίως ισοδυναμεί με το 1% περίπου της συνολικής ενέργειας των παγκόσμιων ανέμων. Προκειμένου να αξιολογηθεί αυτός ο πόρος είναι απαραίτητο να παρέχεται κάποια εκτίμηση για την ποσότητά του που είναι προσιτή, λαμβάνοντας υπόψη την τεχνολογία και τους περιορισμούς στη χρήση των γαιών σε κάθε περιοχή.
Το 1981 ο Παγκόσμιος Μετεωρολογικός Οργανισμός (WMO) διεξήγαγε τη μελέτη του παγκόσμιου αιολικού πόρου, μια προκαταρκτική εκτίμηση του οποίου αποδόθηκε ως ένας χάρτης αιολικής ενέργειας σε Watts/m2 στα 10m επάνω από το έδαφος, όπου χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία από το διεθνές δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών. Όμως, οι σταθμοί αυτοί δεν είχαν σχεδιαστεί για αξιολόγηση της αιολικής ενέργειας, οπότε τα στοιχεία τους συμπληρώθηκαν με πληροφορίες για τα ανώτερα στρώματα του αέρα και την τοπογραφία προκειμένου να βοηθηθεί η προεκβολή των δεδομένων.
Ο χάρτης δίνει μια γενική εικόνα του παγκόσμιου αιολικού πόρου. Δεν σημειώνονται όλες οι περιοχές με δυναμικό υψηλής ταχύτητας ανέμου, μερικές επειδή καλύπτουν μια πολύ μικρή έκταση, κάποιες επειδή υπάρχουν λίγα δεδομένα γι' αυτές, και άλλες λόγω τοπικών επιδράσεων που δεν έχουν ληφθεί πλήρως υπόψη. Επίσης, στην παρουσίαση των δεδομένων δεν γίνεται καμία θεώρηση των όποιων περιορισμών υφίστανται στη χρήση των γαιών και έτσι δεν παρέχεται εκτίμηση για την προσιτότητα του πόρου. Πολλές χώρες έχουν αναλύσει τον δικό τους αιολικό πόρο, όπως οι ΗΠΑ όπου έχουν διεξαχθεί μελέτες για ολόκληρη τη χώρα και για επιλεγμένες περιοχές.
Ο ευρωπαϊκός αιολικός πόρος έχει εκτιμηθεί στον Ευρωπαϊκό Αιολικό Άτλαντα. Για το σύνολο της Ευρώπης έχουν παραχθεί χάρτες που παρουσιάζουν την ταχύτητα (σε m/s) και την ισχύ του ανέμου (σε Watts/m2) στα 50m επάνω από το έδαφος και για διάφορους τύπους ανάγλυφου. Τα αρχικά ανεμολογικά δεδομένα ελήφθησαν από κατάλληλους μετεωρολογικούς σταθμούς με μακροχρόνιες καταγραφές. Στη συνέχεια αυτά διορθώθηκαν ώστε να ληφθεί υπόψη η τοπογραφία, το ανάγλυφο του εδάφους και κάθε προστατευμένη από τον αέρα θέση, πριν από την προεκβολή τους σε άλλες περιοχές.
Η διασπορά των δεδομένων υποδηλώνει και πάλι ότι δεν διευκρινίζονται μερικές πεπερασμένες περιοχές με υψηλή ταχύτητα ανέμου. Επίσης, δεν διευκρινίζονται και κάποιες περιοχές χαμηλής ταχύτητας ανέμου, Π.χ. προστατευμένες κοιλάδες σε μια περιοχή με υψηλές ταχύτητες ανέμου. Τέλος, δεν γίνεται κάποια κρίση για το προσιτό δυναμικό, και για το λόγο αυτό πολλές ευρωπαϊκές χώρες έχουν διεξάγει τις δικές τους εθνικές ή περιφερειακές έρευνες. Επίσης, πολλές άλλες χώρες αξιολογούν τον αιολικό τους πόρο τελευταία, ειδικά η lνδία και η Κίνα, οι οποίες έχουν ήδη αναλάβει δεσμεύσεις σχετικά με τη χρήση της αιολικής ενέργειας.
2.1.5. Ιστορική αναδρομή και τρέχουσα ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας
Η δομή των διασυνδεδεμένων αιολικών συστημάτων έχει εξελιχθεί από το πρώιμο Δανέζικο μοντέλο της δεκαετίας του '70 σε αυτό των μεγάλων Καλιφορνέζικων και των νεώτερων ευρωπαϊκών εγκαταστάσεων αιολικών πάρκων. Καθώς τα αιολικά πάρκα της Καλιφόρνιας σχεδιάστηκαν και εγκαταστάθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του '80, οι εγκαταστάσεις στη Δανία τη δεκαετία του '70 και αργότερα αποτελούνταν εν γένει από μικρές συστάδες μηχανών διασκορπισμένες γεωγραφικά σε ένα μεγάλο μέρος της χώρας. Τυπικά, μία διασυνδεδεμένη αιολική εγκατάσταση αποτελούνταν από το πολύ τρείς ή περισσότερες Α/Γ.
Οι ντόπιοι αγρότες, κατασκευαστές και άλλοι πολίτες δημιούργησαν συνεταιρισμούς για να έχουν στην κατοχή τους και να λειτουργούν τις ανεμογεwήτριες, και για να χρησιμοποιούν και να πωλούν την παραγόμενη από τις μηχανές ισχύ. Αντίθετα, το μοντέλο της Καλιφόρνιας αφορούσε το σχηματισμό αιολικών πάρκων, δηλαδή μιας εμπορικής συνάθροισης μεγάλου αριθμού μηχανών σε στενή γεωγραφική εγγύτητα. Οι πρόσφατες ευρωπαϊκές εγκαταστάσεις ακολούθησαν το μοντέλο της Καλιφόρνιας, παρότι υπάρχουν διαφορές στα μεγέθη των εγκαταστάσεων (που οφείλονται κυρίως σε διαφορετικούς περιορισμούς στη χρήση των γαιών).
Το 1999 εγκαταστάθηκε παγκοσμίως το ποσό ρεκόρ των 3.900 MW νέου δυναμικού παραγωγής αιολικής ενέργειας, ενώ περίπου 2.500 MW τέθηκαν σε λειτουργία το 1998. Το 2000 εγκαταστάθηκαν παγκοσμίως 3.800 MW νέου αιολικού δυναμικού, αντιπροσωπεύοντας ετήσιες πωλήσεις 4 δισεκατομμυρίων δολαρίων και ωθώντας τη συνολική εγκατεστημένη ισχύ στα 17.300 MW περίπου, αρκετά για να παράγουν κάπου 37 δισεκατομμύρια kWh ηλεκτρικής ενέργειας κατ' έτος. Η αύξηση αυτού του έτους αφορούσε κυρίως την Ευρώπη, αφού σ' αυτήν εγκαταστάθηκαν περίπου 3.500 MW από το νέο δυναμικό, από τα οποία τα μισά (1.668 MW) στη Γερμανία.
Από το 1993, η αγορά νέων Α/Γ για παραγωγή καθαρής ισχύος από τον άνεμο στην Ευρώπη αναπτύσσεται με ρυθμό άνω του 40% ετησίως. Αυτό ώθησε την Ευρωπαϊκή Εταιρεία Αιολικής Ενέργειας (EWEA) να αυξήσει το στόχο της για την περιοχή κατά 50%, από 40 GW σε 60 GW εγκατεστημένης ισχύος το 2010, από τα οποία τα 5 GW θα είναι υπεράκτια. Για το 2020, ο νέος στόχος που έχει τεθεί από την EWEA είναι για 150 GW, που θα παρέχουν ηλεκτρισμό σε 75 εκατομ. ανθρώπους. Περισσότεροι από 20.000 Ευρωπαίοι απασχολούνται στη βιομηχανία αιολικών, της οποίας το μερίδιο στις συνολικές πωλήσεις παγκοσμίως το 1999 ήταν πάνω από 90%.
Στην κατασκευή και εγκατάσταση των Α/Γ απασχολούνται, κατά μέσο όρο, έξι άτομα ετησίως για κάθε MW νεοκατασκευαζόμενων Α/Γ. Για τη λειτουργία και τη συντήρηση απασχολούνται από 100 έως 450 άτομα για κάθε TWh παραγόμενου ηλεκτρισμού ετησίως, όπου ο αριθμός ποικίλλει ανάλογα με την ηλικία και τον τύπο των Α/Γ. Σε κάθε θέση εργασίας στην κατασκευή, εγκατάσταση, λειτουργία και συντήρηση των Α/Γ αναλογεί τουλάχιστον άλλη μία σε σχετικούς τομείς της βιομηχανίας, δηλαδή για συμβουλευτικές και νομικές υπηρεσίες, προγραμματισμό, έρευνα, χρηματοδότηση, πωλήσεις, μάρκετινγκ, δημοσιότητα και εκπαίδευση.
2.2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ
2.2.1. Γενικά
Στο σχήμα 2.5 απεικονίζεται ένα γενικό σύστημα Α/Γ Οριζόντιου Άξονα (ΑΓΟΑ). Μία εξίσου εφικτή εναλλακτική σχεδίαση είναι η Α/Γ Κάθετου Άξονα (ΑΓΚΑ), που δεν είναι όμως τόσο συνήθης όσο η ΑΓΟΑ στα πρόσφατα έργα. Αν και δεν υφίσταται κάποια γενική μέθοδος για την ταξινόμηση των υποσυστημάτων των Α/Γ, οι συνιστώσες του σχήματος 2.5 θα μπορούσαν να διαιρεθούν σε τέσσερα (4) βασικά υποσυστήματα:
1. Τον δρομέα, συνήθως αποτελούμενο από δύο ή τρία πτερύγια, μια πλήμνη μέσω της οποίας συνδέονται τα πτερύγια με τον χαμηλής ταχύτητας κινητήριο άξονα και, μερικές φορές, υδραυλικά ή μηχανικά οδηγούμενα συστήματα συνδέσμων για τη μεταβολή του βήματος του συνόλου ή μέρους των πτερυγίων.
2. Την άτρακτο, η οποία γενικά περιλαμβάνει ένα μετατροπέα στροφών και μία γεννήτρια, άξονες και συνδέσμους, ένα κάλυμμα για ολόκληρη την άτρακτο, και συχνά ένα μηχανικό δισκόφρενο και ένα σύστημα εκτροπής.
3. Τον πύργο και τη θεμελίωση που στηρίζει το δρομέα και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης (άτρακτος).
4. Τους ηλεκτρικούς ελεγκτές και καλωδιώσεις, καθώς και τον εξοπλισμό εποπτείας και ελέγχου.
Σχήμα 2.5. Σχηματική αναπαράσταση μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα.
Η ακολουθία των συμβάντων κατά την παραγωγή και μεταφορά της αιολικής ισχύος από μια ανεμογεννήτρια μπορεί να συνοψιστεί ως εξής :
α. Καθώς ο άνεμος αλληλεπιδρά με το δρομέα της Α/Γ παράγεται μια ροπή.
β. Η σχετικά χαμηλή συχνότητα περιστροφής του δρομέα αυξάνεται μέσω ενός μετατροπέα στροφών, του οποίου ο άξονας εξόδου περιστρέφει μια γεννήτρια.
Υ. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη γεννήτρια διέρχεται μέσω του συστήματος ελέγχου και των αποζευκτών της Α/Γ και ενισχύεται σε μια μέση τάση από το μετασχηματιστή.
δ. Το σύστημα καλωδίωσης της θέσης μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στο μετασχηματιστή της θέσης μέσω του συστήματος ελέγχου και αποζευκτών της θέσης, ο οποίος ενισχύει την τάση στην τιμή του δικτύου.
ε. Το δίκτυο ισχύος μεταβιβάζει τον ηλεκτρισμό στην περιοχή τελικής χρήσης του.
στ. Υποσταθμοί μετασχηματιστών μειώνουν την τάση στις οικιακές ή βιομηχανικές τιμές και τα τοπικά δίκτυα χαμηλής τάσης μεταβιβάζουν την ηλεκτρική ενέργεια στις οικίες, τα γραφεία και τα εργοστάσια.
2.2.2. Δρομέας
Στην αιολική βιομηχανία έχει αναπτυχθεί μία τεχνολογία πτερυγίων δρομέα αρκετά ιδιάζουσα που έχει συντελέσει στην εμπορική παραγωγή σήμερα μεγάλων δρομέων με διάμετρο μέχρι 66m για Α/Γ της τάξης του MW, ενώ έχουν δοκιμαστεί δρομείς με διαμέτρους μέχρι 100m (Growian, ΜOD5Β). Η σχεδίαση των πτερυγίων του δρομέα έχει προοδεύσει με τις γνώσεις από την πτερυγική τεχνολογία, και χρησιμοποιεί τις αεροδυναμικές ανωστικές δυνάμεις που υφίσταται μια αεροτομή σ' ένα κινούμενο ρεύμα αέρα. Την αεροδυναμική απόδοση του πτερυγίου επηρεάζουν τόσο η μορφή του πτερυγίου όσο και η γωνία του σε σχέση με τη σχετική κατεύθυνση του ανέμου.
Το σύστημα του δρομέα μπορεί να τοποθετηθεί είτε "ανάντη" του πύργου και της ατράκτου, δεχόμενο έτσι τον άνεμο αδιατάρακτο από τον πύργο, είτε "κατάντη" του πύργου, το οποίο επιτρέπει την αυτο-ευθυγράμμιση του δρομέα με την κατεύθυνση του ανέμου (εκτροπή), αλλά προκαλεί την παρέκκλιση του ανέμου από τον πύργο και τη μετατροπή του σε τυρβώδη πριν φθάσει στο δρομέα (σκίαση πύργου). Οι Α/Γ μπορεί να έχουν διάφορους αριθμούς πτερυγίων δρομέα. Ο κανόνας είναι ότι όσο μικρότερος είναι ο αριθμός των πτερυγίων τόσο ταχύτερα περιστρέφεται ο δρομέας. Το μέτρο γι' αυτό είναι ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ, που ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας στο ακροπτερύγιο προς την ταχύτητα του ανέμου.
Οι σύγχρονες Α/Γ σχεδιάζονται για την παραγωγή ηλεκτρισμού και οι δρομείς τους οδηγούν ηλεκτρογεννήτριες με κατά κανόνα υψηλές ταχύτητες περιστροφής. Έτσι, οι δρομείς των Α/Γ πρέπει να περιστρέφονται με όσο το δυνατόν μεγαλύτερες ταχύτητες προκειμένου να μειωθούν οι μάζες των γραναζιών μετάδοσης της κίνησης και των γεννητριών. Συνεπώς, ο αριθμός των πτερυγίων του δρομέα πρέπει να είναι μικρός, εν γένει όχι πάνω από τρία. Μόνο οι γνωστοί ανεμόμυλοι δυτικού τύπου διαθέτουν 12 έως 20 πτερύγια ή ακόμα περισσότερα, αλλά λόγω της υψηλής μηχανικής τους ροπής εφαρμόζονται στις άμεσα οδηγούμενες εμβολοφόρες αντλίες νερού.
Κανονικά, οι 3-πτέρυγοι δρομείς έχουν λόγους ταχύτητας ακροπτερυγίου σχεδιασμού της τάξης του 6 έως 8, οι 2-πτέρυγοι δρομείς 10 έως 12, και οι 1-πτέρυγοι δρομείς ακόμα μεγαλύτερες τιμές (σχήμα 2.6). Από την άλλη, οι εμπορικές Α/Γ με υψηλές ταχύτητες ακροπτερυγίου έχουν το μειονέκτημα των υψηλών εκπομπών θορύβου από το δρομέα. Σε γενικές γραμμές, το επίπεδο έντασης του θορύβου του δρομέα αυξάνεται με την έκτη δύναμη της ταχύτητας ακροπτερυγίου, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι σχεδιαστές εμπορικών Α/Γ δεν υπερβαίνουν τα 70 m/s.
Σχήμα 2.6. Τuπικά διαγράμματα Cρ-λ για μία πληθώρα διατάξεωv/πτερυγίων A/Γ.
Η διάρκεια ζωής ενός δρομέα συσχετίζεται με τα μεταβαλλόμενα φορτία και τις περιβαλλοντικές συνθήκες που αντιμετωπίζει κατά τη λειτουργία του. Επομένως, οι εγγενείς μηχανικές ιδιότητες και ο σχεδιασμός του δρομέα επηρεάζουν την ωφέλιμη διάρκεια ζωής του. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των σύγχρονων πτερυγίων ανεμογεννητριών μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες :
1. ξύλο (συμπεριλαμβανομένων των συνθετικών από αντικολλητά φύλλα ξύλου),
2. συνδυασμοί συνθετικών (συνήθως πολυεστέρας ή εποξική μήτρα ενισχυμένα με ίνες γυαλιού), και
3. μέταλλα (κυρίως κράματα χάλυβα ή αλουμινίου).
2.2.3. Άτρακτος
Σχήμα 2.7. Σχηματική παράσταση της ατράκτοu μιας A/Γ.
Η άτρακτος στεγάζει το σύστημα μετάδοσης της κίνησης και την ηλεκτρογεννήτρια της Α/Γ, μαζί με το μηχανισμό εκτροπής και όλο τον εξοπλισμό ελέγχου. Στο σχήμα 2.7 παρουσιάζονται σχηματικά οι μηχανισμοί της ατράκτου μιας μέσου/μεγάλου μεγέθους Α/Γ. Το προσωπικό συντήρησης μπορεί να εισέλθει στην άτρακτο από τον πύργο της ανεμογεwήτριας. Στη συνέχεια γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση του εξοπλισμού που εγκλείεται στην άτρακτο μιας τυπικής Α/Γ.
* Κύριος άξονας: Ο κύριος άξονας, προκειμένου να μεταφέρει την αρχική ροπή από το σύστημα του δρομέα στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, στηρίζεται συνήθως σε έδρανα. Λόγω των υψηλών φορτίων ροπής, ο κύριος άξονας είναι ευπαθής σε αστοχία κόπωσης. Κατά συνέπεια, γι' αυτό το εξάρτημα είναι ενδεδειγμένες οι αποτελεσματικές προ-συντήρησης, μη-καταστρεπτικές δοκιμές. Σε μια σύγχρονη Α/Γ 600 kW ο δρομέας περιστρέφεται σχετικά αργά, με περίπου 19 έως 30 περιστροφές ανά λεπτό (RPM).
* Δισκόφρενο: Το δισκόφρενο μπορεί να εγκαθίσταται στον κύριο άξονα πριν από το μετατροπέα στροφών ή μετά από αυτόν στον άξονα υψηλής ταχύτητας. Στη δεύτερη περίπτωση, απαιτείται ένα πιο μικρό (και φθηνότερο) σύστημα πέδης προκειμένου να παρέχεται η απαραίτητη ροπή για την επιβράδυνση του δρομέα. Εντούτοις, αυτή η διάταξη δεν παρέχει άμεσο έλεγχο του δρομέα και, σε περίπτωση αστοχίας του μετατροπέα στροφών, χάνεται η δυνατότητα ελέγχου της πέδησης του δρομέα.
* Μετάδοση της κίνησης: Η ηλεκτρική παραγωγή των Α/Γ πρέπει να είναι συμβατή με τη συχνότητα (50-60 ΗΖ) και την τάση του τοπικού δικτύου διανομής. Η συχνότητα του δρομέα είναι συνήθως περίπου 0,5 ΗΖ, οπότε η αύξηση της συχνότητας προκύπτει από το συνδυασμό ενός μετατροπέα στροφών και μιας πολυ-πολικής γεννήτριας. Οι περισσότερες εμπορικές γεννήτριες έχουν 4 ή 6 ζεύγη πόλων, οπότε απαιτείται σχέση μετάδοσης περίπου 25:1. Η απλούστερη μέθοδος οδήγησης της γεννήτριας είναι η απευθείας από το δρομέα χωρίς μετατροπέα στροφών, ενώ όταν εξαλείφονται οι απώλειες ισχύος του μετατροπέα στροφών βελτιστοποιείται και η απόδοση της ενεργειακής μετατροπής.
Τότε όμως απαιτούνται ειδικές γεννήτριες χαμηλής ταχύτητας, με μεγάλες διαμέτρους ρότορα/στάτορα και περίπου 50 πόλους, για να επιτευχθεί η κατάλληλη συχνότητα (τέτοιος εξοπλισμός διατίθεται στο εμπόριο από μικρό μόνο αριθμό κατασκευαστών). Οι μικρού μεγέθους Α/Γ (50-150 kW) διαθέτουν μια ή δύο βαθμίδες μετάδοσης παράλληλου άξονα (με ελικοειδή γρανάζια για ελαχιστοποίηση του θορύβου και των απωλειών). Οι μεγαλύτερες εμπορικές Α/Γ (150-750 kW) συχνά διαθέτουν επικυκλικά ή πλανητικά συστήματα μετάδοσης της κίνησης, όπου ο άξονας της εξόδου είναι στην ίδια ευθεία με τον κύριο άξονα (έτσι μειώνονται οι τάσεις και οι απώλειες στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης), με αντίστοιχη μείωση του μεγέθους.
* Ηλεκτρογεννήτρια: Αυτή μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια του άξονα εισόδου σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι γεννήτριες των Α/Γ είναι λίγο ασυνήθιστες, σε σχέση με άλλες μονάδες ηλεκτρογεννητριών που συνήθως συνδέονται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Ένας λόγος γι' αυτό είναι ότι, αυτές πρέπει να είναι συμβατές με τις διατάξεις του δρομέα και του μετατροπέα στροφών στην είσοδο, και στην έξοδο με τη διανομή της εταιρείας ηλεκτρισμού (εάν συνδέονται με το δίκτυο) ή με τις τοπικές απαιτήσεις ισχύος (εάν αποτελούν μέρος ενός αυτόνομου συστήματος). Εάν μια διασυνδεδεμένη Α/Γ είναι εξοπλισμένη με μια ηλεκτρογεννήτρια εναλλασσομένου ρεύματος (ΕΡ), αυτή πρέπει να παράγει ισχύ σε φάση με την τροφοδοσία του δικτύου της εταιρείας ηλεκτρισμού.
Πολλές διασυνδεδεμένες Α/Γ διαθέτουν επαγωγικές γεννήτριες ΕΡ διεγειρόμενες από πυκνωτές, των οποίων το ρεύμα μαγνήτισης προέρχεται από το δίκτυο, και έτσι εξασφαλίζεται ότι η συχνότητα εξόδου της γεννήτριας ταυτίζεται με αυτή της εταιρείας ηλεκτρισμού, ενώ ρυθμίζεται και η ταχύτητα του δρομέα εντός κάποιων ορίων. Οι σύγχρονες γεννήτριες παράγουν ηλεκτρισμό σε συγχρονισμό με τη συχνότητα του περιστρεφόμενου άξονά τους, οπότε η ταχύτητα του δρομέα πρέπει να συμπίπτει ακριβώς με τη συχνότητα εφοδιασμού της εταιρείας ηλεκτρισμού. Οι πολύ μικρές Α/Γ μπορεί να έχουν γεννήτριες που παράγουν συνεχές ρεύμα, το οποίο χρησιμοποιείται έπειτα για την τροφοδοσία φορτίων χαμηλής τάσης (συνήθως 12 Volt), τη φόρτιση συστοιχιών μπαταριών ή, μέσω ενός αντιστροφέα, για την παροχή ΕΡ υψηλότερης τάσης σ' ένα ηλεκτρικό δίκτυο.
* Σύστημα εκτροπής προκειμένου να εξαχθεί όσο το δυνατόν περισσότερη από την κινητική ενέργεια του ανέμου, ο άξονας του δρομέα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένος με την κατεύθυνση του αέρα. Οι μικρές ανάντη Α/Γ (μέχρι 25 kW) χρησιμοποιούν συνήθως ουραίους ανεμοδείκτες για να παραμένει η μηχανή ευθυγραμμισμένη με τον άνεμο. Εντούτοις, οι μεγαλύτερες Α/Γ με ανάντη δρομείς απαιτούν ενεργό έλεγχο της εκτροπή για την ευθυγράμμιση της μηχανής με τον άνεμο. Όταν συμβεί μια αλλαγή στην κατεύθυνση του ανέμου αισθητήρες ενεργοποιούν το μηχανισμό ελέγχου της εκτροπής, ο οποίος περιστρέφει την άτρακτο και το δρομέα έως ότου ευθυγραμμιστεί κατάλληλα η Α/Γ. Οι κατάντη μηχανές όλων των μεγεθών μπορεί να διαθέτουν παθητικό έλεγχο εκτροπής, δηλαδή μπορούν να ευθυγραμμίζονται με την κατεύθυνση του ανέμου από μόνες τους χωρίς την ανάγκη ύπαρξης ουραίου ανεμοδείκτη ή οδηγού εκτροπής.
2.2.4. Πύργος
Ο πύργος μιας Α/Γ υποστηρίζει το σύστημα της ατράκτου (που μπορεί να ζυγίζει αρκετούς τόνους) και ανυψώνει το δρομέα σε ένα ύψος όπου η ταχύτητα του ανέμου είναι σημαντικά μεγαλύτερη και λιγότερο διαταραγμένη απ' ό,τι στο επίπεδο του εδάφους, λόγω της επίδρασης της διάτμησης του ανέμου. Σε περιοχές με μεγάλη τραχύτητα εδάφους η ύπαρξη ενός ψηλού πύργου αποτελεί πλεονέκτημα, καθώς τα πτερύγια των δρομέων στις Α/Γ με σχετικά χαμηλούς πύργους υπόκεινται σε πολύ διαφορετικές ταχύτητες ανέμου (και διαφορετική κάμψη) όταν φέρονται στην ανώτερη και κατώτερη θέση τους, το οποίο αυξάνει τα φορτία κόπωσης στην Α/Γ. Συχνά οι κατασκευαστές παραδίδουν τις Α/Γ με ύψος πύργου ίσο με τη διάμετρο του δρομέα.
Συνεπώς, η δομή του πύργου πρέπει να είναι ανθεκτική στα σημαντικά φορτία που οφείλονται στη βαρύτητα, την περιστροφή και την ώση του ανέμου. Επιπλέον, ο πύργος πρέπει να είναι σε θέση να αντέχει στις περιβαλλοντικές επιδράσεις σε ολόκληρη τη διάρκεια ζωής σχεδιασμού της Α/Γ, η οποία μπορεί να είναι 20 έτη ή περισσότερο. Η αξία του πύργου μιας Α/Γ αποτελεί εν γένει περίπου το 20% της συνολικής τιμής. Για έναν πύργο ύψους περίπου 5Om, το πρόσθετο κόστος για άλλα 10m πύργου είναι περίπου €17.500. Επομένως, είναι αρκετά σημαντικό για το τελικό κόστος της ενέργειας να κατασκευάζονται οι πύργοι όσο το δυνατόν πιο βέλτιστα. Οι συνήθεις τύποι των πύργων είναι οι εξής:
* Σταθεροί σωληνωτοί πύργοι: Αυτοί κατασκευάζονται από κωνικά λεπτυνόμενο χάλυβα ή σκυρόδεμα. Οι περισσότερες μεγάλες Α/Γ τελευταία παραδίδονται με σωληνωτούς χαλύβδινους πύργους, οι οποίοι κατασκευάζονται σε τμήματα των 20 έως 30m με φλάντζες στα άκρα και συναρμολογούνται επιτόπου. Οι πύργοι είναι κωνικοί (η διάμετρός τους αυξάνεται προς τη βάση - σχήμα 2.8 αριστερά) ώστε να αυξάνεται η αντοχή τους και, συγχρόνως, να εξοικονομείται υλικό. Οι πύργοι από σκυρόδεμα με πλέγμα είναι γενικά λιγότερο εύκαμπτοι από τους xαλύβδiνoυς, παρέχοντας έτσι βελτιωμένες ιδιότητες απόσβεσης (δεν διαβιβάζoυν ούτε ενισχύουν τις προκαλούμενες από την περιστροφή ταλαντώσεις).
* Σταθεροί δικτυωτoί πύργοι: Οι πύργοι αυτοί κατασκευάζονται από συγκολλημένες xαλύβδινες κατατομές. Η ανέγερση τους είναι σχετικά φθηνή και απαιτούν λιγότερο στιβαρά θεμέλια από τους σωληνωτούς πύργους, λόγω της εξάπλωσης των δομικών φορτίων σε ευρύτερη έκταση. Έτσι, το βασικό πλεονέκτημά τους είναι στο κόστος, αφού ένας δικτυωτός πύργος απαιτεί μόνο το ήμισυ του υλικού ενός ελεύθερα ιστάμενου σωληνωτού με παρόμοια ακαμψία. Βασικό μειoνέκτημα των δικτυωτών πύργων (σχήμα 2.8-δεξιά) είναι η οπτική τους εμφάνιση, αν και το ζήτημα αυτό είναι σαφώς υποκειμενικό.
Σχήμα 2.8. Α/Γ με σωληνωτό χαλύβδινο πύργο (αριστερά) και δικτυωτό πύργο (δεξιά)
* Ανυψούμενοι πύργοι με επίτονους: Αυτοί έχουν ένα σημαντικό πλεoνέκrημα κόστους έναντι των άλλων τύπων, δεδομένου ότι μπορούν να ανυψωθούν ή να χαμηλωθούν με τη βοήθεια μιας μηχανής ανύψωσης φορτίων, χωρίς την ανάγκη για γερανό. Επομένως, είναι δυνατή η συντήρηση του δρομέα και της ατράκτου στο έδαφος. Η διάμετρος των πύργων με επίτονους είναι, στην πράξη, πολύ μικρότερη απ' ό,τι των σωληνωτών πύργων. Οι πύργοι με επίτονους, μαζί με τις δικτυωτές διατάξεις, έχουν λιγότερη επίδραση λόγω σκίασης του πύργου από τους σωληνωτούς. Πάντως, απαιτούν μεγαλύτερο εμβαδόν εδάφους λόγω της ανάγκης για αρκετά ευρεία εξάπλωση των επίτονων, το οποίο μπορεί να αποτελεί μειονέκτημα εάν χρησιμοποιούνται μηχανές για τις καλλιέργειες γύρω από τις βάσεις των Α/Γ. Η βοσκή των ζώων δεν επηρεάζεται ιδιαίτερα.
2.2.5. Έλεγχος της ισχύος
Με την αύξηση της ταχύτητας ροής του αέρα, οι αεροδυναμικές ανωστικές δυνάμεις στα πτερύγια του δρομέα αυξάνονται με την 2η δύναμη και η παραγόμενη από την Α/Γ ενέργεια με την 3η δύναμη της ταχύτητας του ανέμου, το οποίο απαιτεί έναν πολύ αποτελεσματικό και άμεσης δράσης έλεγχο ισχύος του δρομέα ώστε να αποφευχθεί η μηχανική και ηλεκτρική υπερφόρτωση στο σύστημα μετάδοσης ενέργειας της Α/Γ. Στις σύγχρονες Α/Γ εφαρμόζονται δύο διαφορετικές αρχές αεροδυναμικού ελέγχου για να περιοριστεί η παραγωγή ισχύος στην ονομαστική ισχύ της γεννήτριας. Η πιο παθητική από αυτές είναι γνωστή ως "έλεγχος με απώλεια στήριξης", ενώ η ενεργή είναι ο "έλεγχος με μεταβολή του βήματος".
Στην πρώτη περίπτωση την παραγωγή ισχύος καθορίζουν οι εγγενείς αεροδυναμικές ιδιότητες του πτερυγίου, και δεν υπάρχει κανένα κινούμενο μέρος που να ρυθμίζεται. Η συστροφή και το πάχος του πτερυγίου του δρομέα μεταβάλλονται κατά το μήκος αυτού με τέτοιο τρόπο ώστε να προκαλείται τύρβη πίσω από το πτερύγιο όποτε αυξάνεται πολύ η ταχύτητα του ανέμου. Αυτή η τύρβη αναγκάζει μέρος από την ενέργεια του ανέμου να διασκορπιστεί, ελαχιστοποιώντας την παραγωγή ισχύος στις υψηλότερες ταχύτητες. Οι μηχανές με έλεγχο απώλειας στήριξης διαθέτουν επίσης αερόφρενα στα ακροπτερύγια που φέρουν το δρομέα σε ακινησία, εάν χρειαστεί για οποιοδήποτε λόγο να σταματήσει η Α/Γ.
Στη δεύτερη περίπτωση, η γωνία των πτερυγίων του δρομέα μπορεί να ρυθμίζεται ενεργά από το σύστημα ελέγχου της μηχανής. Το σύστημα ελέγχου μεταβολής του βήματος έχει ενσωματωμένη πέδη, καθώς τα πτερύγια ακινητοποιούνται όταν είναι πλήρως "πτερυγωμένα". Κατά το παρελθόν, η πλειοψηφία των μικρού και μεσαίου μεγέθους συστημάτων Α/Γ χρησιμοποιούσαν τον απλό έλεγχο απώλειας στήριξης, αλλά τελευταία, με την αύξηση του μεγέθους των Α/Γ, οι κατασκευαστές προτιμούν όλο και περισσότερο το σύστημα ελέγχου μεταβολής του βήματος, το οποίο παρέχει περισσότερες δυνατότητες για παρέμβαση στη λειτουργία της Α/Γ.
Τα τελευταία χρόνια εμφανίστηκε και ένας συνδυασμός των δύο παραπάνω ελέγχων, η "ενεργός απώλεια στήριξης". Στην περίπτωση αυτή, το βήμα του πτερυγίου του δρομέα στρέφεται σε κατεύθυνση προς την απώλεια στήριξης και όχι προς τη θέση πτερυγώματος (μικρότερη άνωση), όπως γίνεται στα κανονικά συστήματα μεταβολής του βήματος. Τα πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι ότι:
* απαιτούνται πολύ μικρές αλλαγές της γωνίας βήματος,
* είναι δυνατός ο έλεγχος ισχύος υπό συνθήκες μερικής ισχύος (ασθενείς άνεμοι),
* τα πτερύγια του δρομέα φέρονται σε θέση πτερυγώματος για χαμηλά φορτία σε σφοδρούς ανέμους.
2.2.6. Ταχύτητα του δρομέα
Οι σύγχρονες ανεμογεwήτριες συνδέονται στο δίκτυο με δύο τρόπους. Με τον απλό άμεσο συγχρονισμό μιας επαγωγικής ηλεκτρογεννήτριας, ο δρομέας λειτουργεί με σχεδόν σταθερή ταχύτητα επειδή το ισχυρό δίκτυο διατηρεί τη συχνότητα της γεννήτριας και η μόνη διακύμανση στην ταχύτητα περιστροφής προκαλείται από το εύρος ολίσθησης της γεννήτριας. Με τη βοήθεια ενός συστήματος αντιστροφέα μεταξύ της γεννήτριας της Α/Γ και του δικτύου, η Α/Γ αποσυνδέεται από τη συχνότητα του δικτύου και μπορεί να περιστρέφεται με μεταβλητές ταχύτητες.
Για πολλά χρόνια, στην παγκόσμια αγορά κυριάρχησαν οι άμεσα συνδεδεμένες στο δίκτυο Α/Γ λόγω της τεχνικής τους απλότητας, αλλά οι διάφορες θετικές πτυχές της λειτουργίας με μεταβλητή ταχύτητα του δρομέα μετέβαλαν το υφιστάμενο καθεστώς ανάπτυξης. Όπως αναφέρθηκε, η αεροδυναμικά βελτιστοποιημένη διαμόρφωση των Α/Γ βασίζεται σε μια σταθερή συσχέτιση μεταξύ των ταχυτήτων του ανέμου και του ακροπτερυγίου του δρομέα, τον λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ. Έτσι, προκειμένου να διατηρηθεί η μέγιστη αεροδυναμική αποδοτικότητα, η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα πρέπει να μεταβάλλεται ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου.
Ως αποτέλεσμα, οι νέες μεγάλες Α/Γ της τάξης του MW χρησιμοποιούν ολοένα και περισσότερο μεταβλητή ταχύτητα του δρομέα προκειμένου να εκμεταλλεύονται τα αντίστοιχα τεχνικά οφέλη. Για να προσαρμόζεται καλύτερα η λειτουργία του δρομέα στο σημείο αεροδυναμικού σχεδιασμού (σχήμα 2.6), οι κατασκευαστές εγκαθιστούν συχνά επαγωγικές γεννήτριες δύο ταχυτήτων που επιτρέπουν την αλλαγή ταχύτητας του δρομέα σε δύο βήματα. Σε μικρές ταχύτητες ανέμου η γεννήτρια λειτουργεί με μικρή ταχύτητα περιστροφής (μεγαλύτερος αριθμός πόλων) και σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου με μεγάλη ταχύτητα περιστροφής (μικρότερος αριθμός πόλων).
2.3. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ
2.3.1. Εύρος εφαρμογών των ανεμογεννητριών
2.3.1.1. Κατηγορίες εφαρμογής
Οι ηλεκτροπαραγωγές Α/Γ έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από τις μεμονωμένες, αυτόνομες εγκαταστάσεις έως τις μεγάλες διατάξεις ανεμογεννητριών, που μπορεί να συνδέονται σε υπάρχον δίκτυο ή να συνδυάζονται με άλλες μη συνδεμένες στο δίκτυο πηγές ενέργειας. Το εύρος των εφαρμογών μπορεί να ομαδοποιηθεί σε τρεις κλάσεις. Τα αιολικά πάρκα, δηλ. οι μεγάλες σειρές Α/Γ που συνδέονται στο ηλεκτρικό δίκτυο, διαμορφώνουν το ένα άκρο του φάσματος εφαρμογών. Από την άποψη του εγκατεστημένου δυναμικού και του οικονομικού αντίκτυπου, την περίοδο αυτή τα αιολικά πάρκα αποτελούν τη μεγαλύτερη κατά πολύ κλάση εφαρμογής των Α/Γ.
Οι άλλες δύο κλάσεις εφαρμογής χρησιμοποιούν συνήθως μικρότερο αριθμό Α/Γ με μικρότερο μέγεθος μονάδας. Αυτές είναι ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούνται για διασυνδεδεμένη, κατανεμημένη παραγωγή και Α/Γ που συνδυάζονται με άλλες πηγές ενέργειας και μπορούν να λειτουργούν χωρίς την ανάγκη ύπαρξης μεγαλύτερου ηλεκτρικού δικτύου. Αυτά είναι τα αποκαλούμενα "υβριδικά" συστήματα. Και οι δύο κλάσεις έχουν ιστορικά προηγούμενα τόσο στις ΗΠΑ όσο και στην Ευρώπη.
2.3.1.2. Αιολικά πάρκα
Τα αιολικά πάρκα αποτελούνται από σειρές Α/Γ που διασυνδέονται ηλεκτρικά ώστε η ισχύς τους να αποδίδεται στο δίκτυο της εταιρείας ηλεκτρισμού. Από την άποψη της ροής ηλεκτρικής ισχύος, ένα αιολικό πάρκο λειτουργεί παράλληλα με το συμβατικό δυναμικό παραγωγής της εταιρείας ηλεκτρισμού για την κάλυψη των απαιτήσεων σε ισχύ του συνδεδεμένου φορτίου. Οι σειρές μπορεί να αποτελούνται από εκατοντάδες μηχανών με ένα συνδυασμένο δυναμικό ισχύος του αιολικού πάρκου της τάξης των εκατοντάδων MW. Σχεδόν πάντοτε οι συμβατικές πηγές παρέχουν το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος που απαιτείται από το φορτίο.
Γενικά, η αναλογία του δυναμικού αιολικής παραγωγής προς το συνολικό δυναμικό (αιολικό συν συμβατικό) που εξυπηρετεί ένα ηλεκτρικό φορτίο σε οποιαδήποτε δεδομένη χρονική στιγμή υπολογίζεται από την αιολική διείσδυση WP:
WP = Αιολικό Δυναμικό / Αιολικό Δυναμικό + Συμβατικό Δυναμικό (2.4)
Για παράδειγμα, υποτίθεται ότι σε μία δεδομένη στιγμή της ημέρας το ηλεκτρικό φορτίο είναι 1.100 MW και ότι η ζήτηση αυτή καλύπτεται από συνδυασμό αιολικών και συμβατικών πηγών ηλεκτροπαραγωγής. Εάν το υφιστάμενο αιολικό δυναμικό είναι 100 MW και το συμβατικό δυναμικό 1.000 MW, τότε σ' αυτή τη χρονική στιγμή η τιμή της αιολικής διείσδυσης θα είναι 0,0909 ή 9,1%.
Με την τρέχουσα ηλεκτρική τεχνολογία των Α/Γ, η μέγιστη τιμή αιολικής διείσδυσης με την οποία τα περισσότερα ηλεκτρικά συστήματα είναι ασφαλή κυμαίνεται μεταξύ 10 και 15%. Το άνω όριο στην ποσότητα της αιολικής ενέργειας που μπορεί να απορροφηθεί από ένα ηλεκτρικό σύστημα αντικατοπτρίζει τις ανησυχίες γύρω από τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ισχύος που παρέχεται από το αιολικό σύστημα, που είναι η ποιότητα ισχύος. Ειδικότερα, η ανησυχία σχετίζεται με την επίδραση της χρονικά μεταβαλλόμενης αιολικά παραγόμενης ισχύος στη βραχυπρόθεσμη ευστάθεια της τάσης και της συχνότητας της συνδυασμένης ισχύος που παρέχεται στο φορτίο.
Η αποδεκτή τιμή διείσδυσης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, μεταξύ των οποίων είναι οι λεπτομέρειες της αιολικής τεχνολογίας, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των συμβατικών πηγών παραγωγής, και η δυναμικότητα και το μήκος των γραμμών μεταφοράς που συνδέουν τις πηγές με το φορτίο. Το άνω όριο στην ποσότητα της αιολικής ενέργειας που μπορεί να συνδυαστεί με τις συμβατικές πηγές δεν αποτελεί αυστηρό περιορισμό, και η τιμή του θα αυξηθεί με την απόκτηση περισσότερης λειτουργικής εμπειρίας, τις αλλαγές της τεχνολογίας και την πιο στενή συσχέτιση των συστημάτων ελέγχου των αιολικών και των συμβατικών πηγών.
Η εντατική ανάπτυξη των συστημάτων αυτών τα προηγούμενα 15 έτη οδήγησε στην αύξηση του μοναδιαίου μεγέθους τους (τελευταία, οι δυναμικότητες ισχύος των Α/Γ που σχεδιάζονται πρωτίστως για χρήση σε αιολικά πάρκα κυμαίνονται από περίπου 300 kW έως 1,5 MW, με τις αντίστοιχες διαμέτρους δρομέων να κυμαίνονται από 35 έως 65m), καθώς και στη θεαματική βελτίωση της αξιοπιστίας και των οικονομικών τους. Τα οικονομικά των διασυνδεδεμένων αιολικών συστημάτων μεγάλης κλίμακας προσεγγίζουν σήμερα εκείνα κάποιων συμβατικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής.
Στην περίπτωση που το Cp φθάσει το θεωρητικό του μέγιστο (όριο "Betz"), η ταχύτητα του ανέμου V2 πίσω από το δρομέα είναι μόνο το 1/3 της ταχύτητας ν, μπροστά από αυτόν (σχήμα 2.1). Έτσι, οι Α/Γ που εγκαθίστανται σε ένα αιολικό πάρκο παράγουν λιγότερη ενέργεια λόγω της μείωσης της ταχύτητας του ανέμου που προκαλείται από τις Α/Γ που βρίσκονται μπροστά τους. Οι απώλειες ενέργειας μπορούν να μειωθούν με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των Α/Γ, καθώς ο άνεμος πίσω από μια Α/Γ θα επιταχυνθεί ξανά από το περιβάλλον αιολικό πεδίο. Ένα καλά σχεδιασμένο αιολικό πάρκο μπορεί να εμφανίζει λιγότερο από 10% απώλειες λόγω των φαινομένων αμοιβαίας αλληλεπίδρασης.
Όπως υπάρχει ένα εύρος μεγεθών των Α/Γ, έτσι υπάρχει και ένα εύρος μεγεθών των αιολικών πάρκων. Τα μεγάλα πάρκα της Καλιφόρνιας είναι στο ένα άκρο αυτού του φάσματος, με το άλλο άκρο να αντιστοιχεί σε μια μικρή συστοιχία Α/Γ που εξυπηρετεί μια δημοτική εταιρεία ηλεκτρισμού, ένα συνεταιριστικό αγρόκτημα, ή μια βιομηχανική μονάδα. Ανεξάρτητα από το μέγεθος, τα βασικά χαρακτηριστικά ενός αιολικού πάρκου είναι ότι:
* οι Α/Γ διασυνδέονται σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο,
* το αιολικό δυναμικό παραγωγής συνήθως αποτελεί εν γένει μικρό ποσοστό του συμβατικού δυναμικού που τροφοδοτεί το φορτίο του ηλεκτρικού συστήματος (χαμηλές τιμές αιολικής διείσδυσης), και
* οι Α/Γ απαιτούν κάποιου είδους ηλεκτρική υποστήριξη από το ηλεκτρικό δίκτυο.
Ανάλογα με τις λεπτομέρειες της γεwήτριας και των άλλων ηλεκτρικών τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σε μια Α/Γ, η υποστήριξη μπορεί να κυμαίνεται από μια απλή αναφορά στη συχνότητα (για το συγχρονισμό του αιολικά παραγόμενου ηλεκτρισμού με αυτόν των συμβατικών πηγών) μέχρι την κατανάλωση άεργης ισχύος (απαιτείται για τη λειτουργία των γεννητριών των Α/Γ. Ανεξάρτητα από το μέγεθος του αιολικού πάρκου, χρησιμοποιούνται τυποποιημένες ηλεκτρικές τεχνικές και συνιστώσες (π.χ. μετασχηματιστές και προστατευτικός εξοπλισμός διανομής) για τη σύνδεση των Α/Γ με το δίκτυο. Η Α/Γ αποτελεί τη μόνη μη τυποποιημένη ηλεκτρική συνιστώσα.
2.3.1.3. Κατανεμημένη παραγωγή
Είναι πιθανό οι ανεμογεwήτριες να επαναφέρουν στη μνήμη τους ανεμόμυλους άντλησης νερού που χρησιμοποιούνταν ευρέως το πρώτο ήμισυ αυτού του προηγούμενου αιώνα σε αγροκτήματα και φάρμες παγκοσμίως. Αυτές οι πρώιμες, μικρής κλίμακας Α/Γ έχουν πλέον εκτοπιστεί από τα εξελιγμένα και αποδοτικότερα ισοδύναμά τους που κυρίως χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Αν και δεν υπάρχουν τεχνικοί λόγοι για τους οποίους δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν μεγαλύτερες μονάδες, το μοναδιαίο μέγεθος των συστημάτων αυτών κυμαίνεται συνήθως από 1 έως 50 kW. Προορίζονται για μεμονωμένη χρήση ή κατά μικρές συστοιχίες, ενώ μπορούν να συνδέονται ή όχι στο υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο. Στην πρώτη περίπτωση καλούνται συστήματα κατανεμημένης αιολικής παραγωγής.
Από την πλευρά της εταιρείας ηλεκτρισμού αλλά και των πελατών, η κατανεμημένη παραγωγή μπορεί να είναι χρήσιμη για την παροχή υποστήριξης τέλους γραμμής της τάσης σ' ένα εκτεταμένο δίκτυο. Τα κατανεμημένα αιολικά συστήματα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτική λύση στην επέκταση του δικτύου σε απόμακρα φορτία. Όπως παρατηρείται, οι εφαρμογές των αιολικών συστημάτων διαμορφώνουν ένα συνεχές σύνολο και σε πολλές περιπτώσεις δεν είναι σαφής η διάκριση μεταξύ ενός αιολικού πάρκου και ενός κατανεμημένου συστήματος. Η μόνη διαφορά μπορεί να αφορά το μέγεθος ή τον αριθμό των Α/Γ που χρησιμοποιούνται.
Όταν δεν υφίσταται σύνδεση με το δίκτυο, η ηλεκτρική ισχύς είναι μη ελεγχόμενη. Μόνο το φορτίο και η παραγωγή της Α/Γ καθορίζουν την ποιότητα ισχύος και τα χαρακτηριστικά της τροφοδοσίας. Κατά συνέπεια, το φορτίο πρέπει να είναι ικανό να χρησιμοποιεί αυτού του είδους τη μη ελεγχόμενη ισχύ χωρίς να προξενείται ζημία ούτε στο φορτίο ούτε στη γεννήτρια της Α/Γ. Σχετικές εργασίες βρίσκονται σε εξέλιξη ώστε να βελτιωθεί αυτή η κατάσταση, όπου ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει αυτή που έχει ως στόχο την επιτυχή σύνδεση ενός επαγωγικού κινητήρα απευθείας με μια μη διασυνδεδεμένη Α/Γ. Στα παραδείγματα εφαρμογής περιλαμβάνονται οι Α/Γ που χρησιμοποιούνται για άντληση ύδατος, παραγωγή πάγου και για παραγωγή ψύξης.
2.3.1.4. Υβριδικά συστήματα ισχύος
Τα υβριδικά συστήματα ισχύος χρησιμοποιούν ανεμογεννήτριες, ενδεχομένως και άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μαζί με ντηζελογεννήτριες για να μορφώσουν το ισοδύναμο μιας μικρογραφίας δίκτυου. Μολονότι το μέγεθος μονάδας των Α/Γ στις εφαρμογές αυτές συνήθως κυμαίνεται από 1 ως 50 kW, έχουν εγκατασταθεί και πολύ μεγαλύτερες μηχανές και υβριδικά συστήματα ισχύος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με ντηζελογεννήτριες, ενεργειακή αποθήκευση (π.χ. μπαταρίες) και, όπου είναι εφικτό, με άλλες ΑΠΕ, Π.χ. φωτοβολταϊκά ή υδροηλεκτρικά συστήματα.
Όταν χρησιμοποιούνται με τον τρόπο αυτό, τα συστήματα αυτά συχνά ονομάζονται υβριδικά συστήματα ισχύος. Εν γένει χρησιμοποιούνται όπου δεν υφίσταται καθόλου δίκτυο. Λόγω της στενής σύζευξης και ελέγχου όλων των πηγών ηλεκτροπαραγωγής και κάποιων (ή/και όλων) από τα συνδεδεμένα φορτία, η αιολική συνιστώσα των υβριδικών συστημάτων ισχύος μπορεί να επιτύχει 100% διείσδυση. Δηλαδή, υπό τις κατάλληλες ανεμολογικές συνθήκες, το σύστημα αιολικής ενέργειας μπορεί να παρέχει σχεδόν όλη την ισχύ που απαιτείται από το φορτίο.
2.3.2. Ενεργειακή παραγωγικότητα των αιολικών συστημάτων
2.3.2.1. Εισαγωγή
Κατά τη διάρκεια του έτους, υπάρχουν στιγμές κατά τις οποίες δεν πνέει άνεμος ή πνέει με ταχύτητες κάτω από την ταχύτητα εκκίνησης μιας Α/Γ. Προφανώς, τα αιολικά συστήματα δεν παράγουν ενέργεια καθ' όλες τις 8.760 ώρες ενός έτους. Ακόμα και όταν ένα αιολικό σύστημα παράγει ενέργεια, αυτό δεν γίνεται πάντα στην πλήρη ονομαστική του ισχύ. Έτσι απαιτείται ένα μέτρο της ενεργειακής παραγωγικότητας του αιολικού συστήματος όπως είναι ο συντελεστής δυναμικού CF, μια περιγραφική παράμετρος που καθορίζεται και χρησιμοποιείται στην ηλεκτρική βιομηχανία.
Ως ενεργειακός λόγος, η παράμετρος αυτή δεν παρέχει καμία πληροφορία για τις φυσικές διεργασίες που συνδέονται με τη μετατροπή της ενέργειας που περιέχεται στον άνεμο σε ηλεκτρική ενέργεια. Απαιτείται, λοιπόν, μία περιγραφή της σχέσης μεταξύ της παραγόμενης ισχύος μιας Α/Γ ως συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου (καμπύλη ισχύος) καθώς και η μεταβολή των ταχυτήτων του ανέμου σε μια δεδομένη χρονική περίοδο (κατανομή συχνότητας της ταχύτητας του ανέμου). Οι συναρτήσεις αυτές μαζί περιγράφουν το συνδυασμό των χαρακτηριστικών της ηλεκτροπαραγωγής από την Α/Γ με αυτά του καθεστώτος του ανέμου στο οποίο λειτουργεί η Α/Γ, και χρησιμοποιούνται για να προβλεφθεί ή να εκτιμηθεί η ενεργειακή της παραγωγή.
Αφού ληφθούν υπόψη οι απώλειες στο σύστημα συλλογής της ηλεκτρικής ενέργειας, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ανεμογεννητριών σ' ένα αιολικό πάρκο, και άλλες απώλειες, μπορούν να αθροιστούν οι παραγωγές των μεμονωμένων Α/Γ ώστε να διαμορφωθεί μια εκτίμηση για την ενεργειακή παραγωγή του αιολικού πάρκου. Αυτές οι εκτιμήσεις ή προβλέψεις συνηθέστερα γίνονται για ένα ημερολογιακό έτος και είναι γνωστές ως η «ετήσια ενεργειακή παραγωγή» της Α/Γ ή του αιολικού πάρκου.
2.3.2.2. Εκτίμηση της ετήσιας ενεργειακής παραγωγής
Η ένταση του αιολικού πόρου περιγράφεται ποσοτικά από την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου. Η καμπύλη ισχύος μιας Α/Γ αποτελεί την ποσοτική συσχέτιση μεταξύ της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος και της προσπίπτουσας ταχύτητας του ανέμου. Οι δύο αυτές συναρτήσεις μαζί καθορίζουν την ετήσια ενεργειακή παραγωγή (ΕΕΠ) , και τόσο αυτές όσο και η μεταξύ τους συσχέτιση επεξηγούνται στα επόμενα. Στη γραφική παράσταση του σχήματος 2.9 παρουσιάζεται η διακριτή εκδοχή μιας υποθετικής / μετρημένης κατανομής της ταχύτητας του ανέμου στη θέση εγκατάστασης της Α/Γ.
Η συνάρτηση κατανομής της ταχύτητας του ανέμου F(ν)*Δν παρέχει τον αριθμό των ωρών ανά έτος που η ταχύτητα του ανέμου κείται μέσα στο διάστημα της ταχύτητας του ανέμου ή ζώνη πλάτους Δν, μεταξύ των τιμών ν και ν+Δν (για το σχήμα 2.9, Δν=0,5 m/s). Ο δείκτης k καθορίζει τις ζώνες της ταχύτητας του ανέμου. Έτσι, η ζώνη k=21 αντιστοιχεί στη ζώνη που οριοθετεί το φάσμα από 1Ο έως 10,5 m/s, με μέση ταχύτητα vk=10,25 m/s. Το ύψος της ράβδου για k=21 υποδηλώνει ότι η ταχύτητα του ανέμου κείται μέσα σ' αυτό το διάστημα για περίπου 275 ώρες/έτος. Το άθροισμα όλων των ράβδων είναι 8.760 ώρες (αριθμός ωρών σ' ένα έτος).
Σχήμα 2.9. Ιστόγραμμα της ετήσιας ταχύτητας του ανέμου (vk=10,25 m/s, tk=275 h)
Στο σχήμα 2.1Ο απεικονίζεται η καμπύλη ισχύος για μία υποθετική Α/Γ 500 kW στην τυπική πυκνότητα του αέρα (1,225 kg/m3) . Η καμπύλη ισχύος Ρ(ν) είναι η συνεχής συνάρτηση που προσδιορίζει την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος της ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου. Η διακριτή εκδοχή, που αντιστοιχεί στα μικρά τετραγωνικά σύμβολα, υποδηλώνεται με το Pk όπου ο ακέραιος δείκτης k είναι ο ίδιος με αυτόν που χρησιμοποιείται για την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου.
Σχήμα 2.10. Καμπύλη ισχύος μιας ανεμογεwήτριας 500 kW (Pk=345 kW, vk=10,25 m/s)
Οι δύο αυτές συναρτήσεις, δηλ. η κατανομή συχνότητας της ταχύτητας του ανέμου και η καμπύλη ισχύος της Α/Γ, όταν πολλαπλασιαστούν μεταξύ τους (σχήμα 2.11) και αθροιστούν για όλες τις ταχύτητες του ανέμου (όλες τις τιμές του δείκτη k) παρέχουν μια εκτίμηση της ετήσιας ενεργειακής παραγωγής
ΕΕΠ = (ώρες/έτος)*Δν*Σ(Fk*Pk)=(8760 ώρες/έτος)*(0,5m/s)*Σ(Fk*Pk) (Σ από κ=1 εώς Ν) (2.5)
όπου Ν είναι ο συνολικός αριθμός των ζωνών. Η σχέση (2.5) μπορεί να εφαρμοσθεί για να εκτιμηθεί η ετήσια ενεργειακή παραγωγή (σε Wh/έτος) η οποία αναμένεται από την Α/Γ με μια συγκεκριμένη καμπύλη ισχύος που λειτουργεί στο καθεστώς ανέμου που περιγράφεται από την κατανομή της ταχύτητας του ανέμου.
Σχήμα 2.11. Παράδειγμα της εκτιμούμενης ενέργειας στη ζώνη k(Ek=95 MWh)
2.3.2.3. Ο συντελεστής δυναμικού ως μέτρο της ενεργειακής παραγωγής
Ο συντελεστής δυναμικού CFyr , (για ένα έτος) είναι ένα μέτρο της ετήσιας απόδοσης ενεργειακής παραγωγής της γεννήτριας. Ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής (ή εκτιμούμενης) παραχθείσας ενέργειας προς την ενέργεια που θα παραγόταν εάν η Α/Γ λειτουργούσε κάθε ώρα του έτους σε πλήρη ονομαστική ισχύ:
CFyr=Παραγωγή Ενέργειας/έτος / Ονομαστική Ισχύς*8760 ώρες/έτος
Οι τιμές του συντελεστή δυναμικού κυμαίνονται εξ ορισμού από Ο έως 100%. Στις πιο αποδοτικές αιολικές εγκαταστάσεις διεθνώς έχουν επιτευχθεί τιμές του συντελεστή δυναμικού από 24 έως 30%, με 28% να αντιστοιχεί σε μια αρκετά καλή μονάδα.
Για παράδειγμα, εάν ένα αιολικό σύστημα 100 MW παρήγαγε 245 εκατομ. kWh κατά τη διάρκεια ενός ορισμένου έτους, ο αντίστοιχος συντελεστής δυναμικού θα ήταν:
CFyr=245*1000000kWh/100MWh*8760 ώρες=0.28
Αντίστοιχα, η εξίσωση (2.6) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η ετήσια ενεργειακή παραγωγή μίας υποθετικής Α/Γ 500 kW που λειτουργεί με ένα συντελεστή δυναμικού 0,28. Το αποτέλεσμα τότε είναι 1,226*1000000 kWh/έτος. Όταν εξετάζονται οι τιμές CF των αιολικών συστημάτων πρέπει να εξακριβώνεται η περίοδος αναφοράς. Αυτή είναι συνήθως ένα έτος, αλλά συντελεστές δυναμικού μπορεί να καθορίζονται και για ένα μήνα.
Εάν σ' αυτόν τον μήνα υφίστανται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου, τότε η αντίστοιχη τιμή του CF μπορεί να είναι παραπλανητική εάν εκληφθεί ως μέση ετήσια τιμή. Από την άλλη, πρέπει να αναφερθεί ότι οι συμβατικές πηγές είναι κι αυτές διακοπτόμενες κατά διαφορετικό τρόπο, δεδομένου ότι υπόκεινται σε διάφορους τύπους διακοπών λειτουργίας, πχ λόγω συντήρησης, δυσλειτουργιών, κλπ. Οι συντελεστές δυναμικού των συμβατικών συστημάτων ισχύος είναι σημαντικά μεγαλύτεροι από αυτούς των ανεμογεwητριών/αιολικών πάρκων με τυπικές τιμές μεταξύ 60 και 70%, ανάλογα με τον τύπο της εγκατάστασης, την ηλικία της και άλλους παράγοντες.
2.3.3. Αξιοπιστία των αιολικών συστημάτων
2.3.3.1. Επίδραση των εξελίξεων στο σχεδιασμό και την κατασκευή
Οι πρώτης γενιάς ανεμογεννήτριες που εγκαταστάθηκαν στην Καλιφόρνια στις αρχές της δεκαετίας του '80 αντιμετώπισαν πολλές αστοχίες (μερικές αρκετά θεαματικές), οι οποίες εν μέρει οφείλονταν στην ανεπαρκή κατανόηση της επίδρασης των δυνάμεων ρίπησης του ανέμου στον τρόπο αστοχίας λόγω κάμψης ή κόπωσης των δομικών συνιστωσών. Με τη σημαντικά βελτιωμένη γνώση της πραγματικής δομής των ριπών του ανέμου, την ανάπτυξη και διάδοση βελτιωμένων εργαλείων προσομοίωσης και σχεδίασης, τις βελτιωμένες τεχνικές κατασκευής και την εμπειρία από εκατομμύρια ώρες λειτουργίας, έχει βελτιωθεί εντυπωσιακά η αξιοπιστία των σημερινών Α/Γ.
Οι βελτιώσεις στην αξιοπιστία αφορούν όχι μόνο τις κύριες δομικές συνιστώσες, αλλά και τα υποσυστήματα υποστήριξης της Α/Γ, όπως είναι για παράδειγμα το σύστημα ελέγχου μέσω Η/Υ της Α/Γ, και τα συστήματα εκτροπής και μεταβολής του βήματος. Επίσης, βελτιώθηκαν τα προγράμματα διασφάλισης ποιότητας και επιθεώρησης των κατασκευαστών. Από την άλλη, οι σχεδιαστές έχουν δώσει ιδιαίτερη προσοχή στην επισκευασιμότητα και τη συντηρησιμότητα των υποσυστημάτων των Α/Γ.
Εξάλλου, έχει επεκταθεί το διάστημα μεταξύ των σημαντικών γενικών επισκευών, για παράδειγμα από πέντε σε δέκα έτη ή/και περισσότερο. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μέτρησης αυτών των βελτιώσεων και της τρέχουσας αξιοπιστίας, στους οποίους περιλαμβάνονται ο μέσος χρόνος μεταξύ βλαβών για τις κύριες συνιστώσες και τα υποσυστήματα, ο μέσος χρόνος για επισκευή και το κόστος για την επιδιόρθωση μιας βλάβης. Ένα μέτρο της αξιοπιστίας ολόκληρου του συστήματος που χρησιμοποιείται συχνά είναι η διαθεσιμότητα.
2.3.3.2. Διαθεσιμότητα
Η τιμή της διαθεσιμότητας Α ενός αιολικού πάρκου για μια ορισμένη χρονική περίοδο μπορεί να προκύψει από τις τιμές ημερήσιας διαθεσιμότητας κάθε Α/Γ. Γενικά, για μία καθορισμένη χρονική περίοδο (πχ μία ημέρα, εβδομάδα, ένα μήνα ή ένα έτος), η διαθεσιμότητα ορίζεται ως ο λόγος των ωρών που το αιολικό σύστημα ήταν σε θέση να παράγει ισχύ προς τον αριθμό των ωρών αυτής της χρονικής περιόδου:
Α = Ώρες εν δυνάμει Λειτουργίας της Ανεμογεννήτριας / Σύνολο Ωρών της Περιόδου (2.7)
Ένας άλλος, πιο δύσκολος στον καθορισμό του και εν γένει διφορούμενος ορισμός είναι ο λόγος των πραγματικών ωρών λειτουργίας προς τον αριθμό των ωρών που οι ταχύτητες του ανέμου βρίσκονταν εντός του εύρους λειτουργίας. Ανεξάρτητα του πώς καθορίζεται, η βέλτιστη τιμή διαθεσιμότητας θα ήταν 100%, που σημαίνει ότι το σύστημα δεν θα έχει καμία διακοπή λειτουργίας ή δυσλειτουργία που να το εμποδίζει από το να παράγει ισχύ. Τα σύγχρονα αιολικά πάρκα επιτυγχάνουν συνήθως τιμές διαθεσιμότητας 98% ή περισσότερο, αρκετά επάνω από το 60% ή/και λιγότερο των αρχών της δεκαετίας του '80.
2.3.3.3. Ανταποδοτικότητα κόστους
Το κόστος της αιολικής ενέργειας έχει μειωθεί εντυπωσιακά κατά τα τελευταία 15 έτη, καθώς έχει αναπτυχθεί η τεχνολογία και οι Α/Γ έχουν καταστεί φθηνότερες και πιο παραγωγικές. Υπάρχουν δύο κύρια ζητήματα τα οποία επηρεάζουν το κόστος του ηλεκτρισμού που παράγεται από τον άνεμο, επομένως και την τελική του τιμή:
• Οι τεχνικοί παράγοντες, όπως είναι η ταχύτητα του ανέμου και η φύση των Α/Γ (διαθεσιμότητα, ο τρόπος διάταξής τους, κλπ.).
• Η οικονομική προοπτική αυτών που αναπτύσσουν και χρηματοδοτούν τα έργα, π.χ. το επιτόκιο απόδοσης που απαιτείται στο κεφάλαιο και το χρονικό διάστημα κατά το οποίο αποπληρώνεται το κεφάλαιο.
Έτσι, το κόστος της αιολικής ενέργειας στην Ολλανδία μειώθηκε κατά ένα συντελεστή τρία μεταξύ των ετών 1985 και 1995, και στη Γερμανία κατά το ένα τρίτο μεταξύ του 1991 και του 1994. Οι τιμές της ενέργειας μειώθηκαν ακόμα ταχύτερα (έπεσαν στο μισό τα τελευταία 9-10 χρόνια), και αυτές λόγω των μικρότερων τιμών των Α/Γ, της υψηλότερης αποδοτικότητας και διαθεσιμότητας των χρησιμοποιούμενων μηχανών, και των χαμηλότερων δαπανών λειτουργίας και συντήρησης. Η τρέχουσα τιμή της ενέργειας που αντιστοιχεί σ' ένα μέσο κόστος αιολικού πάρκου €850/kW είναι 9,6 c€/kWh στα 5 m/s, ελαττούμενη σε 3,4 c€/kWh για 10 m/s (οι ταχύτητες του ανέμου αναφέρονται στο ύψος της πλήμνης). Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας συνίσταται από:
• το κόστος κεφαλαίου - για την κατασκευή της μονάδας ηλεκτροπαραγωγής και τη σύνδεσή της με το δίκτυο,
• τις τρέχουσες δαπάνες - για τη λειτουργία, την τροφοδοσία και τη συντήρηση της εγκατάστασης,
• τη χρηματοδότηση, δηλ. το κόστος εξόφλησης των επενδυτών και των τραπεζών.
Για τις Α/Γ δεν υφίστανται δαπάνες καυσίμου, αφού ο άνεμος είναι ελεύθερος. Μόλις αποπληρωθεί το έργο, οι μόνες τρέχουσες δαπάνες αφορούν τη λειτουργία και συντήρηση (Λ&Σ) της εγκατάστασης. Το κόστος κεφαλαίου κυμαίνεται μεταξύ του 75 και 90% του συνολικού κόστους.
Το κόστος μιας Α/Γ σήμερα είναι μεταξύ €600-900/kW. Τα κόστη προετοιμασίας και εγκατάστασης του έργου προσθέτουν άλλα €200-250/kW, ανάλογα με τον αριθμό και το μέγεθος των μηχανών στο αιολικό πάρκο, και την τοποθεσία. Αυτό ανεβάζει το συνολικό κόστος της αιολικής ενέργειας σε περίπου €1.000 ανά kW εγκατεστημένης ισχύος. Με την πάροδο του χρόνου έχει αλλάξει το οικονομικότερο μέγεθος της Α/Γ, το οποίο συνεχίζει να αυξάνει. Όσο πιο μεγάλες είναι οι μηχανές, τόσο λιγότερες απαιτούνται για ένα δεδομένο δυναμικό, και αυτό επιφέρει εξοικονόμηση στα κόστη εργοταξίου και Λ&Σ. Για παράδειγμα, τα κόστη εργοταξίου μπορούν να μειωθούν κατά 25% περίπου από τις μηχανές μεγέθους 300 kW στις μηχανές του 1 MW.
Οι τρέχουσες δαπάνες Λ&Σ περιλαμβάνουν τη συντήρηση, το μίσθωμα των γαιών, τα αναλώσιμα, τις επισκευές, την ασφάλιση, τη διοίκηση, κλπ. Αυτά τα κόστη ποικίλλουν μεταξύ των χωρών και των αιολικών πάρκων, αλλά οι εμπειρίες από τη Δανία και τη Γερμανία δείχνουν ότι το ετήσιο κόστος Λ&Σ για τις νέες Α/Γ εγκατεστημένης ισχύος μεταξύ 0,5 και 1,5 MW είναι περίπου 0,6 έως 1,0 c€/kWh, το μισό του οποίου αφορά το κόστος ασφάλισης (το κόστος Λ&Σ είναι γύρω στα €25/kW/έτος για μηχανές των 200 kW, το οποίο κατέρχεται περίπου στα €15ιkWIέτος Ύ1α τις μηχανές των 500 kW). Για μηχανές που λειτουργούν πάνω από 10 έτη τα κόστη αυτά μπορεί να ανέλθουν στο επίπεδο των 1,5 έως 2 c€lkWh.
Ο τρόπος με τον οποίο έχει αυξηθεί το μέγεθος και η παραγωγικότητα των μηχανών τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται στο σχήμα 2.12 (τα δεδομένα αφορούν τη Δανία). Το μέσο μέγεθος των εγκατεστημένων Α/Γ στη Δανία αυξήθηκε από 71 kW το 1985 σε 523 kW το 1996. Η παραγωγικότητα των νέων μηχανών αυξήθηκε από 673 σε 1037 kWh/m2 κατά τα ίδiα έτη. Έχει επίσης εξετασθεί η σύνδεση μεταξύ του μεγέθους των Α/Γ και των τιμών της ενέργειας, η οποία καταδεικνύει μια μείωση κατά 44% από τις πρώιμες μηχανές των 95 kW σ' αυτές με μέγεθος 600 kW (σχήμα 2.12 - δεξιά).
Σχήμα 2.12. Μεγέθη, παραγωγικότητα και τιμές ενέργειας των Α/Γ στη Δανία
2.3.4. Χαρωσηρισηκά της παροχής ισχύος
Το σημαντικότερο τεχνικό χαρακτηριστικό της ηλεκτρικής ισχύος που παράγεται από αιολικά συστήματα είναι η μεταβολή της με το χρόνο, το οποίο απεικονίζει τη χρονική μεταβλητότητα του αιολικού πόρου. Στα επόμενα εξετάζονται το εύρος των χρονικών κλιμάκων και οι επιπτώσεις τους στην απόδοση του αιολικού συστήματος.
2.3.4.1. Συσχέτιση με το φορτίο
Ως γνωστόν, όλα τα ηλεκτρικά φορτία έχουν μία σημαντική προβλέψιμη συνιστώσα. Για παράδειγμα, η ωριαία ζήτηση κατά τη διάρκεια μιας θερινής ή χειμερινής ημέρας είναι αρκετά γνωστή, όπως είναι και η κατανομή της ζήτησης από μήνα σε μήνα. Οι ημερήσιες και μηνιαίες κατανομές του φορτίου μπορούν να συγκριθούν με την παρελθούσα ή την αναμενόμενη ηλεκτρική παραγωγή ενός αιολικού πάρκου. Κατά συνέπεια, άπαξ και υπάρχει μια συσχέτιση μεταξύ των χρονικών κατανομών του αιολικά παραγόμενου ηλεκτρισμού και της ζήτησης του φορτίου, στο αιολικό σύστημα μπορεί να αποδοθεί μία τιμή δυναμικού πέραν αυτής της ενέργειας.
Όσο πιο συσχετισμένες είναι αυτές οι κατανομές, τόσο πιο αξιόπιστα μπορεί να καλύψει μέρος του φορτίου η αιολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Ανάλογα με το δυναμικό και τη διάρθρωση του κόστους των συμβατικών πηγών και με το βαθμό της αιολικής διείσδυσης, η αιολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι πιο ωφέλιμη και πολύτιμη απ' ό,τι διαφορετικά.
2.3.4.2. Παραγωγή μεμονωμένης Α/Γ και αιολικού πάρκου
Παρατηρείται μια σημαντική διαφορά στα βραχυπρόθεσμα (δευτερόλεπτα έως λεπτά) χρονικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ισχύος από μια μεμονωμένη Α/Γ σε σχέση με αυτά ενός αιολικού πάρκου. Σ' ένα σημαντικό εύρος των ταχυτήτων λειτουργίας, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς μιας μεμονωμένης Α/Γ συμπίπτει άμεσα με τα χρονικά χαρακτηριστικά του πεδίου ροής του ανέμου που προσπίπτει σε αυτή. Η αδράνεια του δρομέα ομαλοποιεί τις διακυμάνσεις του ανέμου της τάξης του δευτερολέπτου ή λιγότερο, όμως οι συνιστώσες διακύμανσης του ανέμου με περιόδους μεγαλύτερες από αυτή μπορούν να αναπαραχθούν στην παραγόμενη ισχύ μιας μεμονωμένης Α/Γ, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του συστήματος ελέγχου της Α/Γ.
Το σύστημα ελέγχου της Α/Γ μπορεί να συμβάλει στην εξομάλυνση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Αυτό συμβαίνει συνήθως όταν οι ταχύτητες του ανέμου είναι αρκετά υψηλές ώστε, εν όψει των μεταβαλλόμενων ταχυτήτων εισροής του ανέμου, το σύστημα ελέγχου ρυθμίζει την αποδοτικότητα των αεροδυναμικών πτερυγίων της Α/Γ έτσι ώστε να διατηρηθεί η ηλεκτρική παραγωγή σε μια σταθερή τιμή, ίση με την ονομαστική ισχύ της Α/Γ.
Από την άλλη, η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος ενός αιολικού πάρκου είναι συνήθως αρκετά πιο ομαλή σε σχέση με αυτήν μιας μεμονωμένης Α/Γ. Ο βαθμός εξομάλυνσης εξαρτάται από τη γεωγραφική έκταση του πάρκου, τη μέση ταχύτητα του ανέμου, τα χαρακτηριστικά ελέγχου των Α/Γ και, τέλος, από τις λεπτομέρειες του ανάγλυφου του εδάφους και από τον τρόπο που επηρεάζουν τη διανομή των ταχυτήτων του ανέμου μέσα στο αιολικό πάρκο. Η κύρια αιτία της εξομάλυνσης αυτής είναι ότι η δομή των ριπών του ανέμου, στο χώρο και το χρόνο, καθίσταται εν γένει όλο και περισσότερο ασυσχέτιστη σε αποστάσεις μεγαλύτερες από αρκετές διαμέτρους του δρομέα.
Σε σχέση με τις διακυμάνσεις μιας μεμονωμένης Α/Γ, η πλήρης έλλειψη συσχέτισης θα υποδήλωνε ότι οι διακυμάνσεις στην παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος του αιολικού πάρκου μειώνονται με την τετραγωνική ρίζα του αριθμού των ασυσχέτιστων μηχανών της μονάδας που συμβάλλουν στην παραγωγή. Έτσι, μπορεί να εφαρμοστεί η ίδια αρχή εξομάλυνσης πεδίου της συγκεντρωτικής παραγωγής των αιολικών πάρκων.
Όπως και με τις Α/Γ σ' ένα μεμονωμένο αιολικό πάρκο, μια τέτοια εξομάλυνση θα μπορούσε να προκύψει ως αποτέλεσμα της έλλειψης συσχέτισης των διακυμάνσεων στα πεδία του ανέμου που προσπίπτουν στα κατανεμημένα αιολικά πάρκα.
2.3.4.3. Ποιότητα ισχύος
Καθόσον τα αιολικά πάρκα συχνά συνδέονται στο δίκτυο της εταιρείας ηλεκτρισμού, οι υπεύθυνοι προγραμματισμού και διαχείρισης του συστήματος της εταιρείας αυτής ενδιαφέρονται για τα τεχνικά χαρακτηριστικά της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Όπως αναφέρθηκε ήδη, το σημαντικότερο από αυτά τα χαρακτηριστικά, τα οποία λαμβανόμενα ως σύνολο αναφέρονται ως "ποιότητα ισχύος", είναι η μεταβλητότητα με το χρόνο. Άλλες παράμετροι της ποιότητας ισχύος περιλαμβάνουν το συντελεστή ισχύος, την αρμονική παραμόρφωση, τις διακυμάνσεις της τάσης και τις αποκλίσεις της συχνότητας. Η σχετική τους βαρύτητα εξαρτάται από το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο και την επιλογή των Α/Γ.
Οι πρώιμες Α/Γ με επαγωγικές γεννήτριες διέθεταν ανεπαρκή ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό αντιστάθμισης της άεργης ισχύος, με αποτέλεσμα οι εταιρείες ηλεκτρισμού να υφίστανται αυξημένες απώλειες μεταφοράς και δυσκολία ελέγχου της τάσης του συστήματος. Οι χειριστές των αιολικών μονάδων αναγκάστηκαν να βελτιώσουν την ποιότητα της παρεχόμενης στο δίκτυο ισχύος όταν οι εταιρείες ηλεκτρισμού άρχισαν να χρεώνουν για την υποστήριξη των υπέρμετρων VAr [άεργος ισχύς]. Οι εταιρείες απαιτούν πλέον οι μικροί παραγωγοί που χρησιμοποιούν επαγωγικές γεννήτριες να παρέχουν στο σημείο της διασύνδεσης συντελεστή ισχύος κοντά στη μονάδα. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας παρέχει ένα πλήρες φάσμα ελέγχου του συντελεστή ισχύος σε όλες τις συνθήκες λειτουργίας, ακόμη και κατά τη διακοπή λειτουργίας της Α/Γ.
Οι αρμονικές είναι ανεπιθύμητες παραμορφώσεις της ημιτονοειδούς τάσης ΕΡ της εταιρείας ηλεκτρισμού και των κυματομορφών του ρεύματος, οι οποίες χρήζουν προσοχής λόγω της ζημιάς που μπορεί να προκληθεί τόσο στον εξοπλισμό διανομής της εταιρείας ηλεκτρισμού όσο και στις συσκευές των πελατών. Μερικές αιολικές εγκαταστάσειςπρώτης γενιάς χρησιμοποιούσαν παλαιότερα συστήματα αντιστροφής ΕΡ (διατάξεις γεφυρών 6-παλμικών θυρίστορ χωρίς εξωτερική διόρθωση αρμονικών ή φιλτράρισμα), με αποτέλεσμα την παραγωγή αρμονικών χαμηλότερης τάξης. Τα προηγμένα συστήματα αντιστροφέων που διατίθενται σήμερα παράγουν ισχύ με πολύ μικρή αρμονική παραμόρφωση. Πλέον, με την προσθήκη διατάξεων διόρθωσης των αρμονικών και τη χρήση προηγμένων ηλεκτρονικών ισχύος στις Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας, οι αρμονικές δεν προκαλούν σημαντικά προβλήματα.
Όταν οι Α/Γ λειτουργούν, η παραγωγή ισχύος τους μεταβάλλεται από δευτερόλεπτο σε δευτερόλεπτο, ανάλογα με την ένταση και την τύρβη του ανέμου. Η επίδραση του πύργου, καθώς τα πτερύγια περιστρέφονται πίσω του, εισάγει επίσης μια περιοδική διαταραχή στην παραγόμενη ισχύ, που είναι μεγαλύτερη στις υψηλότερες ταχύτητες του ανέμου. Αυτές οι διακυμάνσεις της ισχύος προκαλούν μεταΒολές της τάσης στο τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο, το λεγόμενο "τρεμόπαιγμα". Τα όρια στο τρεμόπαιγμα που μπορεί να προκαλέσει ο τυχόν συνδεδεμένος εξοπλισμός καθορίζονται από σχετικά πρότυπα που τίθενται ώστε να αποφευχθεί η διαταραχή σε άλλους καταναλωτές. Το τρεμόπαιγμα είναι πιθανό να αποτελεί πρόβλημα μόνο στις μικρές ομάδες ή σε μεμονωμένες Α/Γ, ειδικά τις μεγάλες μηχανές που συνδέονται σε χαμηλότερες τάσεις.
Οι ρυθμιζόμενες με απώλεια στήριξης Α/Γ παράγουν λιγότερες διαταραχές από αυτές με μεταβολή του βήματος. Οι Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας έχουν πολύ μικρή επίδραση, ενώ αυτές με επαγωγικές γεwήτριες (συνηθέστερες) μπορούν επίσης κατά την εκκίνησή τους να προκαλέσουν διαταραχές. Αυτό αποτελεί κατά κανόνα πρόβλημα του παρελθόντος, καθώς στα περισσότερα μοντέλα εγκαθίστανται μονάδες "ήπιας εκκίνησης". Πάντως, πρέπει επίσης να εξετάζεται η απότομη μεταβολή της τάσης που θα εμφανιστεί όταν διακοπεί η λειτουργία της Α/Γ ενώ βρίσκεται σε πλήρη ισχύ, λόγω ισχυρών ανέμων. Συνήθως γίνεται αποδεκτό ότι, υπό κανονικές συνθήκες, είναι απίθανο να διακοπεί η λειτουργία περισσότερων της μίας ή δύο Α/Γ ταυτόχρονα.
Οι εταιρείες ηλεκτρισμού που χειρίζονται αιολικές μονάδες συνδεδεμένες σε ασθενή, απομονωμένα δίκτυα μπορεί να βρίσκουν δυσκολία στη διατήρηση της κανονικής συχνότητας του συστήματος, η οποία μεταβάλλεται όταν οι ριπές ανέμου προκαλούν την ταχεία αλλαγή της παραγόμενης ισχύος των αιολικών μονάδων. Αν και αυτό δεν αποτελεί συνήθως πρόβλημα στις περιοχές των αιολικών πάρκων, προκειμένου να διεισδύσει περισσότερη αιολική ενέργεια σε ένα σύστημα απαιτείται:
• η χρήση σύγχρονων Α/Γ μεταβλητής ταχύτητας με ηλεκτρονικό έλεγχο ισχύος και διασύνδεση με το δίκτυο (το ηλεκτρονικό σύστημα ισχύος μπορεί να ελέγχεται ώστε να περιορίζει την παραγωγή ισχύος των Α/Γ κατά τις περιόδους ριπιζόντων ή ισχυρών ανέμων), ή/και
• αυτόματος έλεγχος της παραγωγής με επιπρόσθετη στρεφόμενη εφεδρεία.