Φυσικές Αρχές Λειτουργίας Ανεμογεννήτριας Ονοματεπώνυμο: Πλοκαμάκης Ανδρέας Α/Μ: 09105155 Υπεύθυνος Καθηγητής: κ. Ζουμπούλης

Αιολική Ενέργεια Η Αιολική Ενέργεια είναι μια από τις πιο παλιές φυσικές πηγές ενέργειας που αξιοποιήθηκε σε μηχανική μορφή. Η πρωτογενής αυτή μορφή ενέργειας που παρέχεται άμεσα από τη φύση, έπαιξε αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας ιδιαίτερα με τη χρήση της στην ναυτιλία για συγκοινωνίες αλλά και την άλεση σιτηρών.

Ανεμογεννήτριες Γενικά: Ο άνεμος περιστρέφει τα πτερύγια μιας ανεμογεννήτριας, τα οποία είναι συνδεδεμένα με ένα περιστρεφόμενο άξονα. Ο άξονας περνάει μέσα σε ένα κιβώτιο μετάδοσης της κίνησης όπου αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής. Το κιβώτιο συνδέεται με έναν άξονα μεγάλης ταχύτητας περιστοφής ο οποίος κινεί μια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Είναι δηλαδή ένας ανεμόμυλος ο οποίο παράγει ρεύμα.

Επιλογή θέσης τοποθέτησης Ανεμογεννήτριας Χαρακτηριστικές Παράμετροι του Ανέμου. Τραχύτητα του εδάφους. Ανατάραξη του αέρα. Περιβαλλοντικοί. Γίνεται κατ’ αρχήν επιλογή του χώρου με βάση τα τοπογραφικά, εδαφολογικά και γεωγραφικά χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια η περιοχή αυτή παρακολουθείται λαμβάνοντας διαχρονικές μετρήσεις για την ένταση, ποιότητα και άλλα χαρακτηριστικά του ανέμου.

Επιλογή θέσης τοποθέτησης Ανεμογεννήτριας Χαρακτηριστικές Παράμετροι του Ανέμου: Ταχύτητα του ανέμου. Διεύθυνση του ανέμου. Επικρατούσα στην περιοχή ανατάραξη. Στροβιλισμός. Μεταβολή με το ύψος ταχύτητας του ανέμου (κατανομή του ανέμου).

Επιλογή θέσης τοποθέτησης Ανεμογεννήτριας Τραχύτητα του Εδάφους: Επίπεδο έδαφος. i) Ομοιόμορφη τραχύτητα ii) Ανομοιόμορφη τραχύτητα (Γίνεται καταγραφή εμποδίων και έπειτα αλλαγή τραχύτητας αν είναι εφικτό) Σύνθετο έδαφος. i) Προσδιορισμός τοπογραφικών χαρακτηριστικών (Γίνεται καταγραφή εμποδίων και έπειτα αλλαγή τραχύτητας αν είναι εφικτό)

Τύποι Ανεμογεννήτριας Οι σύγχρονες τουρμπίνες αιολικής ενέργειας (Ανεμογεννήτριες) εμπίπτουν σε δύο βασικές ομάδες βάσει του άξονα περιστροφής των πτερυγίων: Την κατηγορία του οριζόντιου άξονα Την κατηγορία του κατακόρυφου άξονα

Ανεμογεννήτριες Κάθετου Άξονα (STATOEOLIEN) Η γαλλική εταιρεία GUAL INDUSTRIE κατασκεύσε μια ανεμογεννήτρια  διαφορετικού τύπου  (καθέτου  άξονα) η οποία είναι κατάλληλη και για κατοικημένες περιοχές.

Ανεμογεννήτριες Κάθετου Άξονα (STATOEOLIEN) Η συμμετρία της ανεμογεννήτριας καθέτου άξονα, της παρέχει τη δυνατότητα να είναι ανεξάρτητη από τη κατεύθυνση του ανέμου, γεγονός που συντελεί στην χρήση της σε οικιστικές περιοχές όπου οι αλλαγές στην διεύθυνση του ανέμου είναι συχνές. Η κατασκευή είναι τέτοια που επιτρέπει τον εγκιβωτισμό της σε σωληνωτό πλαίσιο, με αποτέλεσμα να γίνεται ιδιαίτερα ανθεκτική σε ισχυρούς ανέμους. Παρουσιάζει ιδιαίτερα χαμηλά επίπεδα θορύβου. Αντίθετα με τις κλασσικές ανεμογεννήτριες η STATOEOLIEN συνεχίζει να παράγει ενέργεια με σχεδόν σταθερό ρυθμό αύξησης μέχρι και τα 40m/s ταχύτητας ανέμου.

Ανεμογεννήτρια Οριζοντίου Άξονα Οι τουρμπίνες οριζόντιου άξονα συνήθως έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Αυτές με τα τρία πτερύγια λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα πάνω, “upwind” (ανάντι), με τα πτερύγια να είναι στραμμένα προς τη φορά του ανέμου.

Μεγέθη τουρμπινών αιολικής ενέργειας Οι τουρμπίνες εμπορικής κλίμακας κυμαίνονται σε μέγεθος από 100 kW έως αρκετά MW. Οι μεγαλύτερες τουρμπίνες τοποθετούνται σε ομάδες στα αιολικά πάρκα, τα οποία παρέχουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας στο δίκτυο ηλεκτροδότησης. Οι μικρές, μονές τουρμπίνες, κάτω των 100 kw, χρησιμοποιούνται για σπίτια και για κεραίες τηλεπικοινωνιών, ή για άντληση νερού. Οι μικρές τουρμπίνες μερικές φορές χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με γεννήτριες πετρελαίου, μπαταρίες και φωτοβολταϊκά συστήματα. Αυτά τα συστήματα ονομάζονται υβριδικά αιολικά συστήματα και συνήθως χρησιμοποιούνται σε μακρινές περιοχές, εκτός δικτύου ηλεκτροδότησης.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Κατεύθυνση του ανέμου (Wind direction) Αυτή είναι μια ανεμογεννήτρια "upwind", έτσι ονομαζόμενη διότι λειτουργεί στραμμένη προς τον άνεμο.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Ανεμομετρητής (Anemometer) Μετρά την ταχύτητα του ανέμου και μεταφέρει δεδομένα για την ταχύτητα του ανέμου στον ελεγκτή.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Πτερύγια (Blades) Οι περισσότερες ανε- μογεννήτριες έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Ο άνεμος φυσώντας πάνω στα πτερύγια τα προκαλεί να «σηκωθούν» και να περιστραφούν.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Φρένο (Brake) Ένας δίσκος φρένου, ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί κατά τρόπο μηχανικό, ηλεκτρικό ή υδραυλικό, ώστε να σταματά ο ρότορας (ηλεκτρικός κινητήρας) σε περιπτώσεις επείγουσας ανάγκης.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Ελεγκτής (Controller) Ο ελεγκτής ξεκινά τη μηχανή για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες από 13 με 25,75 km/h και την κλείνει όταν φτάσουν στα 88,51 km/h περίπου. Οι τουρμπίνες δεν λειτουργούν για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες των 88,51 km/h γιατί κινδυνεύουν να καταστραφούν.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Κιβώτιο Ταχυτήτων (Gear box) Τα γρανάζια συνδέουν τον άξονα χαμηλής ταχύτητας με τον άξονα υψηλής ταχύτητας και αυξάνουν τις ταχύτητες περιστροφής από περίπου 30 έως 60 περιστροφές το λεπτό (rpm= περιστροφή ανά λεπτό) σε 1000 έως 1800 περιστροφές το λεπτό, που είναι η ταχύτητα περιστροφής που οι περισσότερες ανεμογεννήτριες απαιτούν ώστε να παραγάγουν ηλεκτρισμό.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Κιβώτιο Ταχυτήτων (Gear box) Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ακριβό (και βαρύ) εξάρτημα της ανεμογεννήτριας και οι μηχανικοί ερευνούν προς την κατεύθυνση ανεμογεννητριών «άμεσης ώθησης» (“direct-drive”) οι οποίες λειτουργούν σε χαμηλότερες ταχύτητες περιστροφής και δεν χρειάζονται κιβώτιο ταχυτήτων

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Γεννήτρια (Generator) Συνήθως μια γεννήτρια εισαγωγής που εύκολα βρίσκει κανείς στο εμπόριο και παράγει ηλεκτρισμό 60Ηz AC.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Άξονας υψηλής ταχύτητας (High-speed shaft) Θέτει τη γεννήτρια σε κίνηση. Άξονας χαμηλής ταχύτητας (Low-speed shaft) Ο ρότορας (rotor, ηλεκτρικός κινητήρας) στρέφει τον άξονα χαμηλής ταχύτητας σε περίπου 30 έως 60 περιστροφές το λεπτό.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Ατρακτίδιο (Nacelle) Το ατρακτίδιο βρίσκεται στην κορυφή του πύργου και περιέχει το κιβώτιο ταχυτήτων, τους άξονες χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή και το φρένο. Μερικά ατρακτίδια είναι τόσο μεγάλα, ώστε ακόμη και ένα ελικόπτερο μπορεί να προσγειωθεί πάνω τους.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Έλεγχος βήματος [κλίσης πτερύγων (Pitch control) Οι λεπίδες στρέφονται, ή στρίβουν γύρω από τον άξονά τους, ανεξάρτητα από τον άνεμο, ώστε να ελέγχουν την ταχύτητα του ρότορα (ηλεκτρικού κινητήρα) και να εμποδίζουν τον ρότορα από το να στρίβει σε ανέμους οι οποίοι είναι υπερβολικά ισχυροί ή υπερβολικά ασθενείς για να παραγάγουν ηλεκτρισμό.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Ηλεκτρικός Κινητήρας / Ρότορας (Rotor) Οι λεπίδες και η πλήμνη (το κέντρο του άξονα) μαζί ονομάζονται ρότορας.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Πυλώνας / Πύργος (Tower) Οι πύργοι κατασκευάζονται από ατσάλι σε σωληνοειδή μορφή (όπως φαίνεται εδώ), τσιμέντο, ή από ατσάλι σε καφασωτή μορφή, σαν πλέγμα. Επειδή η ταχύτητα του ανέμου αυξάνει με το ύψος, οι ψηλότεροι πύργοι δίνουν τη δυνατότητα στις τουρμπίνες να «αιχμαλωτίσουν» περισσότερη ενέργεια και να παραγάγουν περισσότερο ηλεκτρισμό.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Ανεμοδείκτης (Wind vane) Δείχνει την κατεύθυνση του ανέμου και επικοινωνεί με το yaw drive για να προσανατολίσει την ανεμο- γεννήτρια σωστά, όσον αφορά στον άνεμο.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Οδηγός παροιακίσματος (παρατιμονιάς) [ατρακτιδίου] (Yaw drive) Οι ανεμογεννήτριες που λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα πάνω, "upwind« (ανάντι), είναι στραμμένες προς τον άνεμο. Το yaw drive χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει ότι ο ρότορας θα είναι στραμμένος προς τον άνεμο καθώς ο άνεμος αλλάζει κατεύθυνση. Οι ανεμογεννήτριες που είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν με πνοή ανέμου προς τα κάτω, "downwind« (κατάντι), δεν χρειάζονται yaw drive, διότι ο άνεμος φυσά και στρέφει τον ρότορα προς τα κάτω.

Τα μέρη μιας Ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Κινητήρας [ελέγχου] παροιακίσματος (παρατιμονιάς) (Yaw motor) Δίνει ενέργεια στο yaw drive.

Ενέργεια από Ανεμογεννήτριες Η ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) μπορεί να ληφθεί αν επιτραπεί η διέλευσή του από κινούμενα πτερύγια τα οποία κατά την περιστροφή τους εξασκούν ροπή σε έναν ρότορα. Το ποσό της ενέργειας που μεταφέρεται είναι απευθείας ανάλογο της πυκνότητας του αέρα, της επιφάνειας που σαρώνει ο ρότορας και του κύβου της ταχύτητας του ανέμου.

Ενέργεια από Ανεμογεννήτριες Η διαθέσιμη ισχύς του ανέμου είναι: Όπου P η ισχύς σε watt, a μια σταθερά απόδοσης, ρ η πυκνότητα του αέρα σε kg ανά κυβικό μέτρο, r η ακτίνα της ανεμογεννήτριας σε μέτρα και υ η ταχύτητα του ανέμου σε m/s.

Ενέργεια από Ανεμογεννήτριες Μια ανεμογεννήτρια που έχει τοποθετηθεί σε σωστή θέση θα έχει παράγοντα χωρητικότητας περίπου 35%. Αυτός μπορεί να συγκριθεί με τον παράγοντα χωρητικότητας των πυρηνικών εργοστασίων 90%, των εργοστασίων που λειτουργούν με λιγνίτη 70% και των εργοστασίων πετρελαίου 30%. Όταν γίνεται σύγκριση του μεγέθους των τουρμπινών των ανεμογεννητριών με εκείνες που λειτουργούν με καύσιμα, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι μια ανεμογεννήτρια 1000 kW αναμένεται να παράγει σε ένα έτος τόση ενέργεια όση παράγει μια γεννήτρια που λειτουργεί με λιγνίτη 500 kW.

Ηλεκτρολογική Εγκατάσταση Ανεμογεννήτριας Καθώς η γεννήτρια περιστρέφεται παράγει ηλεκτρισμό με τάση 25.000 volt. Το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει πρώτα από ένα μετασχηματιστή στην ηλεκτροπαραγωγική μονάδα ο οποίος ανεβάζει την τάση του στα 400.000 volt. Όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διανύει μεγάλες αποστάσεις είναι καλύτερα να έχουμε υψηλή τάση.

Αιολικά Πάρκα Η σημερινή τεχνολογία βασίζεται σε ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα 2 ή 3 πτερυγίων, με αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύ 200 - 400 kW. Όταν εντοπιστεί μια ανεμώδης περιοχή - και εφόσον βέβαια έχουν προηγηθεί οι απαραίτητες μετρήσεις και μελέτες - για την αξιοποίηση του αιολικού της δυναμικού τοποθετούνται μερικές δεκάδες ανεμογεννήτριες, οι οποίες απαρτίζουν ένα «αιολικό πάρκο».

Αιολικά Πάρκα Η εγκατάσταση κάθε ανεμογεννήτριας διαρκεί 1-3 μέρες. Αρχικά ανυψώνεται ο πύργος και τοποθετείται τμηματικά πάνω στα θεμέλια. Μετά ανυψώνεται η άτρακτος στην κορυφή του πύργου. Στη βάση του πύργου συναρμολογείται ο ρότορας ή δρομέας (οριζοντίου άξονα, πάνω στον οποίο είναι προσαρτημένα τα πτερύγια), ο οποίος αποτελεί το κινητό μέρος της ανεμογεννήτριας. Η άτρακτος περιλαμβάνει το σύστημα μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στη συνέχεια ο ρότορας ανυψώνεται και συνδέεται στην άτρακτο. Τέλος, γίνονται οι απαραίτητες ηλεκτρικές συνδέσεις.

Αιολικά Πάρκα στην Ελλάδα Προσπάθεια εκμετάλλευσης του υψηλού αιολικού δυναμικού της χώρας μας γίνεται τα τελευταία χρόνια. Παρόλα αυτά η συνολική εγκατεστημένη ισχύς στη χώρα μας είναι μόνον 745,6 MW, με τη Γερμανία και την Ισπανία να βρίσκονται στις πρώτες θέσεις με συνολική εγκατεστημένη ισχύ 20.621 MW και 11.615 MW αντίστοιχα. Η φωτογραφία είναι του 2006

Πλεονεκτήματα Αιολικών Πάρκων Η αιολική ενέργεια είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας. Οι ανεμογεννήτριες δεν εκλύουν χημικές ουσίες στο περιβάλλον οι οποίες προκαλούν όξινη βροχή ή αέρια του θερμοκηπίου. Η τεχνολογία που αναπτύσσεται είναι μια από τις πιο οικονομικές στον χώρο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (χαμηλό κόστος ανά kWh). Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να στηθούν σε αγροκτήματα ή ράντσα, όπου βρίσκονται οι περισσότερες από τις καλύτερες τοποθεσίες από την άποψη του ανέμου.

Μειονεκτήματα Αιολικών Πάρκων Η αιολική ενέργεια πρέπει να ανταγωνιστεί τις συμβατικές πηγές ενέργειας σε επίπεδο κόστους. Δεν μπορούν όλοι οι άνεμοι να τιθασευτούν. Τα κατάλληλα σημεία για αιολικά πάρκα είναι σε απομακρυσμένες περιοχές. Υπάρχει προβληματισμός για τον θόρυβο που παράγεται από τα πτερύγια του ηλεκτρικού κινητήρα (ρότορα), και τις δυσμενείς επιδράσεις στο οικοσύστημα της περιοχής (πολλές φορές έχουν σκοτωθεί πουλιά που πετούσαν κοντά στις ανεμογεννήτριες).

Συμπεράσματα Σε σύγκριση με άλλες χώρες, εντός και εκτός Ε.Ε., οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Εναλλακτικές Πηγές Ενέργειας, στην Ελλάδα είναι σε πρώιμα στάδια, και αυτό οφείλεται στη μεγάλη γραφειοκρατία που πρέπει να περάσει ένας ενδιαφερόμενος και στις φοβίες - αντιδράσεις των κατοίκων, κάθε περιοχής που γίνονται μελέτες για νέες εγκαταστάσεις. Η οικολογική ανάσα που θα δώσουν τα αιολικά πάρκα είναι πολύ μεγαλύτερη από την οικολογική καταστροφή που θα προκαλέσουν.

Βιβλιογραφία-Πηγές Ιστοχώρος www.aenaon.net/gr/ www.hellasres.gr/Greek/THEMATA/ARTHRA/a thanasiadis.htm www.cres.gr/kape/energeia_politis/energeia_ politis_wind.htm www.eletaen.gr Βιβλία Γ.Μπεργελές: “Ανεμοκινητήρες”, εκδόσεις Συμεών, 2005. Μ.Παπαδόπουλος: “Παραγωγή Η/Ε από ΑΠΕ”, εκδόσεις ΕΜΠ, 1997.