Οι ανεμογεννήτριες
Η έρευνα πάνω σε θέµατα αιολικής ενέργειας καθώς και η εξέλιξη της τεχνολογίας είχαν σαν αποτέλεσµα οι σηµερινοί ανεµοκινητήρες να µ οιάζουν ελάχιστα ή και καθόλου με τους παραδοσιακούς ανεµόµυλους. Χαρακτηριστική είναι η διαφορά που υπάρχει στην αρχή λειτουργία τους. Οι παραδοσιακο ανεµόµυλοι κινούνται είτε µε τη βοήθεια της αντίστασης των πτερυγίων τους στον άνεµο, είτε µε (κακή) εκµετάλλευση της άνωσης που ασκείται πάνω τους.
Σχήµα: Εκτέλεση έργου µε εκµετάλλευση της αεροδυναµικής αντίστασης.
Στους σύγχρονους ανεµοκινητήρες η κίνηση οφείλεται κατά κύριο λόγο στην άνωση. Η υπεροχή των σηµερινών µονάδων γίνεται προφανής αν ληφθεί υπ' όψη ότι σε µια αεροτοµή η άνωση μπορεί να γίνει υπερδεκαπλάσια της αντίστασης.
Σχήµα: Εκµετάλλευση αντίστασης για παραγωγή έργου.
Σχήµα : Εκµετάλλευση άνωσης για παραγωγή έργου.
Ο βαθµός απόδοσης Cp που χαρακτηρίζει τους ανεµοκινητήρες και που ονοµάζεται και συντελεστής ισχύος ορίζεται ως:
Cp = P / (1/2 ρV3Α)
Σχήµα: Κυβική σχέση ισχύος καλείται και κατάσταση λειτουργίας ταυ δροµέα ταχύτητας ανέµου. όπου Ρ η ισχύς που αποδίδεται από το ανεµοκινητήρα ως προς την ισχύ που έχει ο άνεµος ταχύτητας V και που περνάει από τον ανεµοκινητήρα µετωπικής επιφάνειας Α (ρ πυκνότητα του αέρα). Η ισχύς του ανέµου ανά τετραγωνικό µέτρο µετωπικής επιφάνειας (ανεµοκινητήρα) είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέµου. Tο παρακάτω σχήµα παρουσιάζει αυτή τη τυπική µεταβολή:
Στο παρακάτω σχήµα δίνονται τυπικές καµπύλες του συντελεστή ισχύος, για διάφορα είδη ανεµοκινητήρων. Φαίνεται καθαρά ότι οι σύγχρονοι ανεµοκινητήρες υπερέχουν
Των παραδοσιακών, διότι παρουσιάζουν µεγαλύτερους συντελεστές ισχύος και µάλιστα σε εγάλες τιµές καταστάσεως λειτουργίας (µεγάλη περιφερειακή ταχύτητα του δροµέα). Νασηειωθεί ότi ο µέγιστος συντελεστής ισχύος ανεµοκινητήρα είναι στην ιδανικότερη των περιπτώσεων περίπου 59%।
Σχήµα : Συντελεστής ισχύος ως συνάρτηση της ταχύτητας ακροπτερυγίου.
Τύποι και υποσυστήµατα ανεµοκινητήρων
Ο ανεµοκινητήρας από την εποχή της εµφάνισης του µέχρι σήµερα έχει περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης τόσο ως προς τον τύπο του (οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα) όσο και ως προς τα υποσυστήµατα του (πτερύγια, κιβώτιο ταχυτήτων, πύργος, αυτοµατισµοί, γεννήτρια κλπ). Εξελίξεις έχουν επίσης σηµειωθεί και στον τρόπο δέσµευσης, αξιοποίησης, αποθήκευσης ή µεταφοράς της ενέργειας του ανέµου που µετατρέπεται από τον ανεµοκινητήρα, σε άλλη «αναβαθµισµένη» µορφή ενέργειας.
Μια εικόνα των βασικών µερών που αποτελούν µια διάταξη εκµετάλλευσης της αιολικής ενέργειας καθώς και της ροής ενέργειας, παρουσιάζεται στο παρακάτω
σχήµα:
Σχήµα: ∆ιάταξη εκµετάλλευσης αιολικής ενέργειας.
Η διάταξη αυτή είναι µια γενική περίπτωση όπου η κινητική ενέργεια του ανέ µ ου µετατρέπεται σε µηχανικό έργο µε τη βοήθεια µιας αεροδυναµικής διάταξης (πχ. ιας έλικας). Αυτό το µηχανικό έργο, µπορεί να είναι εκµεταλλεύσιµο επί τόπου (π.χ. άντληση νερού). Στη γενικότερη όµως περίπτωση απαιτείται η µ ετατροπή του σε κάποια άλλη µορφή ενέργειας, είτε γιατί δεν χρειαζόµαστε µόνο ηχανικό έργο, είτε γιατί ο τόπος της κατανάλωσης δεν συµπίπτει µε τον τόπο που είναι εγκατεστηµένος ο ανεµοκινητήρας. ∆ηλαδή απαιτείται η µεταφορά της δεσµευόµενης αιολικής ενέργειας. Σ' αυτήν την περίπτωση η πιο πρόσφορη διάταξη είναι εκείνη που µετατρέπει το µηχανικό έργο σε άλλη µορφή ενέργειας, που µπορεί να µεταφέρεται εύκολα και αποδοτικά στο τόπο της κατανάλωσης. Εδώ και πολύ καιρό οι περισσότερες έρευνες στρέφονται προς τη κατεύθυνση της µετατροπής του µηχανικού έργου του δροµέα του ανεµοκινητήρα σε ηλεκτρική ενέργεια, λόγω της εύκολης µεταφοράς της ή της παραγωγής επί τόπου υδρογόνου (µε ηλεκτρόλυση) που µπορεί να αποθηκευτεί ή να µεταφερθεί και να καεί ως αέριο καύσιµο. Η τελευταία περίπτωση αποτελεί ίσως και την βέλτιστη από πολλές απόψεις, πρόταση αξιοποίησης γενικότερα των Ανανεώσιµων µορφών ενέργειας, δεδοµένου ότι είναι οικολογικά αποδεκτή διότι µε την καύση του υδρογόνου παράγεται µόνο νερό.
Είναι γνωστές οι µεγάλες διακυµάνσεις της ενέργειας του ανέµου µε το χρόνο. Είναι επίσης γεγονός ότι πολλές φορές δεν πνέει καθόλου άνεµος για ορισµένα χρονικά διαστήµατα. Αυτά έχουν ως συνέπεια χρονική ασυµφωνία µεταξύ ζήτησης και παραγωγής ενέργειας. Η λύση στο πρόβληµα βρίσκεται βασικά στην αποθήκευση της ενέργειας. Η αποθηκευµένη ενέργεια καλύπτει το ενεργειακό έλλειµµα που παρουσιάζεται, όταν η ισχύς του ανέµου πέφτει κάτω από ένα ορισµένο επίπεδο. Το επίπεδο αυτό εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά ενεργειακής ζήτησης και τα χαρακτηριστικά των άλλων πηγών ενέργειας που υπάρχουν για την ικανοποίηση της ζήτησης αυτής π.χ. «στιβαρότητα του ηλεκτρικού δικτύου», είδος σταθµών παραγωγής κ.λπ.
Σύ µ φωνα µε τα προηγούµενα, ο βέλτιστος σχεδιασµός ενός πλήρους συστήµατος εκετάλλευσης της αιολικής ενέργειας περιλαµβάνει:
1. Μελέτη των χαρακτηριστικών του ανέµου µε σκοπό την εκλογή της βέλτιστης το ποθεσίας για την εγκατάσταση του ανεµοκινητήρα και την πρόβλεψη της παραγωγής ενέργειας.
2. Σχεδιασµός της αεροδυναµικής διάταξης, που να µετατρέπει κατά τον αποδοτικότερο τρόπο την κινητική ενέργεια του ανέµου σε µηχανικό έργο.
3. Μελέτη της περίπτωσης µετατροπής του µηχανικού έργου σε άλλη πιο συµφέρουσα µορφή ενέργειας και βέλτιστο σχεδιασµό του συστήµατος µετατροπής του µηχανικού έργου του δροµέα.
4. Εύρεση του καλύτερου τρόπου αντιµετώπισης των διακυµάνσεων της ενέργειας του ανέµου.
5. Μελέτη του βέλτιστου τρόπου µεταφοράς ενέργειας, αν απαιτείται.
6. ∆ιερεύνηση της καλύτερης προσαρµογής της µεταβαλλόµενης παραγωγής ενέρ¬γειας του συστήµατος προς την κατανάλωση.
Οι λέξεις «καλύτερος», «βέλτιστος», υποδηλώνουν βελτιστοποίηση τόσο από τε¬χνικής όσο και -κυρίως- οικονοµικής σκοπιάς. Μία οποιαδήποτε επιστηµονική έρευνα ή και βέλτιστη διάταξη αιολικής εγκατάστασης, θα έχανε το µεγαλύτερο µέρος της αξίας της, αν στους στόχους της δεν είχε να καταστήσει την αιολική ενέργεια οικο¬νοµικά ανταγωνιστική µε τις άλλες συµβατικές πηγές ενέργειας.
Τυπικές μορφές ανεμοκινητήρων οριζοντίου άξονα
Ο περιστρεφόµενος µηχανισµός τέτοιων µηχανών, που καλείται δροµέας, µπορεί να έχει από ένα πτερύγιο (µονόπτερος) µέχρι 30 ή και περισσότερα (πολύπτερος). Σε σχέση µε τη θέση του δροµέα ως προς τον πύργο στήριξης και τη διεύθυνση του
ανέµου, οι ανεµοκινητήρες αυτού του τύπου µπορούν να έχουν τον δροµέα µπροστά από τον πύργο (ανάντη) ή πίσω (κατάντη).
Για τη µεγιστοποίηση δέσµευσης της κινητικής ενέργειας του ανέµου, απαιτείται το επίπεδο του δροµέα του ανεµοκινητήρα να είναι κάθετο στην κατεύθυνση του ανέµου। Για το σκοπό αυτό στους µεν µικρής ισχύος ανεµοκινητήρες (και στον ανάντη τύπο) υπάρχει συνήθως πτερύγιο που ευθυγραµµίζει τον άξονα του δροµέα στον άνε µ ο, στους δε µεγάλους ανεµοκινητήρες εφαρµόζονται συστήµατα αυτό µ ατης ρύθισης της σωστής θέσης του δροµέα ως προς τον άνεµο έσω σερβοµηχανισµού. Στους «µικρούς» ανεµοκινητήρες, µε το δροµέα κατάντη δεν τοποθετείται πτερύγιο προσανατολισµού γιατί το κουβούκλιο που καλύπτει τα εξαρτήµατα της διάταξης µετατροπής της ενέργειας του δροµέα έχει τέτοιο σχήµα ώστε το ίδιο να αποτελεί πτερύγιο προσανατολισµού.
Ο πύργος στήριξης του ανεµοκινητήρα µ πορεί να είναι σωληνωτού τύπου, ή τύπου δικτυώατος. Οι δύο αυτοί τύποι είναι αυτοστηριζόµενοι, ενώ ο τρίτος τύπος λεπτής κολώνας, απαιτεί πρόσδεση µε συρµατόσχοινα.
Ο δροµέας του ανεµοκινητήρα δεν πρέπει να ξεπερνάει κάποια µέγιστη γωνιακή ταχύτητα, για λόγους προστασίας των πτερυγίων από µηχανικές καταπονήσεις που προέρχονται από φυγόκεντρες δυνάµεις। Για την προστασία έναντι υπερτάχυνσης έ¬χουν αναπτυχθεί διάφοροι αυτοµατισµοί, όπως λειτουργία αεροπέδης στα ακροπτερύγια του δρο µ έα, γωνιακή στροφή του δροµέα ως προς τη διεύθυνση πνοής του ανέµου κ.λπ., σχήατα 3.9α και 3.9β. Στην περίπτωση ανάγκης πέδησης του δροµέα είτε γιατί υπερταχύνθηκε ο δροµέας (π.χ. δεν λειτούργησε η αεροπέδη των ακροπτερυγίων) ή υπερβολική ταχύτητα ανέµου ή µηδενική ενεργειακή ζήτηση (π.χ. διακοπή ∆ΕΗ), χρησιµοποιείται αυτόµατης ενέργειας πέδη (fail safe) ασφάλειας αστοχίας τύπου δίσκου που ενεργεί είτε στον χαµηλόστροφο άξονα του δροµέα (πρίν από το κιβώτιο ταχυτήτων) είτε στον υψηλόστροφο (µετά το κιβώτιο ταχυτήτων).
Σχήµα: Μέθοδοι ρύθµισης βήµατος - ισχύος A/Κ.
Το σύστηµα µετατροπής της µηχανικής ενέργειας του δροµέα σε άλλη µορφή ενέρ¬γειας, το οποίο στεγάζεται µέσα στο κουβούκλιο της µηχανής, συνήθως βρίσκεται πάνω στον πύργο του ανεµοκινητήρα, ενώ στις περιπτώσεις απ' ευθείας χρήσης της µηχανικής ενέργειας του δροµέα π।χ. για άντληση νερού, το κιβώτιο ταχυτήτων βρί¬σκεται κάτω στη βάση του πύργου και από την κορυφή του πύργου µέχρι κάτω κατεβαίνει ο άξονας κίνησης, συνήθως σε υψηλότερες στροφές απ' αυτές του δροµέα.
Ο ∆ροµέας
Ο σχεδιασµός του δροµέα είναι ίσως το πιο βασικό ζήτηµα στη σχεδίαση του όλου συστή µ ατος. Στόχος είναι να βρεθεί ένας βέλτιστος συνδυασµός των διαφόρων παρα µ έτρων που συνθέτουν τον δροµέα: ταχύτητα περιστροφής, διά µ ετρος δρο µ έα, αριθός πτερυγίων, κατανοµή πλάτους πτερυγίου, κατάλληλη αεροτοή ή αεροτοές, συστροφή, µέσο γεωµετρικό βήµα. Τα κριτήρια επιλογής είναι η µεγιστοποίηση της ετήσιας παραγόµενης ενέργειας και η ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής της. Η διάµετρος του δροµέα θα εξαρτηθεί από την απαιτούµενη ονοµαστική ισχύ της µηχανής και το αιολικό δυναµικό της περιοχής εγκατάστασης του ανεµοκινητήρα. Η γωνιακή ταχύτητα λειτουργίας του δροµέα επιλέγεται έτσι ώστε ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου προς την ονοµαστική ταχύτητα του ανέµου να βρίσκεται στην περιοχή της βέλτιστης τιµής συντελεστή ισχύος του ανεµοκινητήρα. Η κατανο µ ή του πλάτους των πτερυγίων θα προκύψει από τη βελτιστοποίηση της αεροδυναικής σχεδίασης του δροµέα ενώ το πλήθος των πτερυγίων (η στερεότητα του δροµέα) θα εξαρτηθεί από το είδος της εφαρµογής του ανεµοκινητήρα.
Ανάλογα µε τη µορφή του δροµέα διακρίνουµε δύο διαφορετικούς τύπους:
(α) ∆ροµείς µε πολλά λεπτά πτερύγια (πολυπτέρυγους)
Χαρακτηριστικό των δροµέων αυτών είναι η µικρή διάµετρος, η µικρή περιφερειακή ταχύτητα και η µεγάλη ροπή. Στο παρελθόν κατασκευάστηκαν σε βιοµηχανική κλίµακα (οι γνωστοί Αµερικανικοί πολυπτέρυγοι ανεµό µ υλοι) και βρήκαν πλατιά εφαρµογή για άντληση νερού. Η κατασκευή τέτοιων ανεοκινητήρων καθώς και η έρευνα προς την κατεύθυνση αυτή τείνουν να εγκαταλειφθούν για πολλούς λόγους, όπως ο µικρός συντελεστής ισχύος και η µικρή διάµετρος που µπορούν να κατασκευαστούν.
(β) ∆ροµείς µε λίγα πτερύγια
Οι δρομείς αυτοί έχουν συνήθως δύο ή τρία πτερύγια (τελευταία κατασκευάστηκαν δροµείς µε ένα πτερύγιο, µονόπτερος). Έχουν τη µορφή των πτερυγίων των ελίκων των αεροσκαφών µε αρκετή συστροφή από τη βάση µέχρι το ακροπτερύγιο και µε¬ταβαλλόµενη χορδή µ ε λέπτυνση προς το ακροπτερύγιο. Η τεχνολογία κατασκευής του είναι παρόµοια ε εκείνη των ελίκων αεροπλάνων, δανείζεται δε και µερικά στοιχεία από εκείνη του δροµέα των ελικοπτέρων. Τα βασικά χαρακτηριστικά του δροµέα είναι ο µεγάλος συντελεστής ισχύος και η βέλτιστη λειτουργία του σε µεγάλο σχετικά λόγο ταχυτήτων ακροπτερυγίου λ. Οι παλαιότεροι δροµείς είχαν πλατιά πτε¬ρύγια, ενώ οι σύγχρονοι δροµείς, λόγω αεροδυναµικής βελτιστοποίησης, έχουν λεπτά πτερύγια. Οι αεροτοµές που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή των πτερυγίων είναι σύγχρονες αεροτοµές που παρουσιάζουν µεγάλο συντελεστή άνωσης σε µικρές σχετικά γωνίες πρόσπτωσης ενώ συγχρόνως διατηρούν χαµηλό συντελεστή αντίστασης σε ευρεία περιοχή γωνιών πρόσπτωσης. Οι δροµείς αυτοί είναι πιο ταχύστροφοι από τους πολυπτέρυγους δροµείς και ελαφρώς οικονοµικότεροι, παρουσιάζουν δε ευκολία στην επιτόπου συναρµολόγηση του ανεµοκινητήρα. Γενικά ο τρίπτερος δροµέας είναι κατά 5% περισσότερο αποδοτικός από τον δίπτερο και τα φορτία που ενεργούν σε κάθε πτερύγιο είναι µικρότερα, είναι όµως ακριβότερος. Αντίθετα ο µονόπτερος δροµέας είναι φθηνότερος, έχει 10% µικρότερη ενεργειακή απόδοση από τον δίπτερο, αλλά έχει θορυβώδη λειτουργία και η ζυγοστάθµισή του παρουσιάζει σοβαρά προβλήµατα.
Μέγεθος ανεμοκινητήρα
Οι ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα κατασκευάζονται από ισχύς µερικών 100άδων W µέχρι πάνω από 1 MW (σή µ ερα ξεπερνούν και τα 4MW). Γενικά διακρίνουµε µικρά µεγέθη (έως λίγα KW) (διάετρος έως 10 µέτρα) µεσαία µεγέθη (50-250 KW) (διάµετρος έως 25 µέτρα) και µεγάλα µεγέθη (500-2500 KW). Είναι γενικά δύσκολο να ξεπεράσουµε την ισχύ των 2500 KW, γιατί απαιτείται κατασκευή δροµέων πολύ µεγάλης διαµέτρου (άνω των 80m) κατασκευή που συνεπάγεται µεγάλα προβλήµατα.
Υλικά πτερυγίων
Τα υλικά κατασκευής των πτερυγίων των δρο µ έων δεν έχουν ακόµα ξεκαθαρίσει εντελώς. Στους µικρούς ανεµοκινητήρες χρησιοποιούνται κυρίως πολυουρεθάνη, υαλόνηµα και ξύλο, υλικά που δεν υποφέρουν από διάβρωση αλλά έχουν όµως άγνωστη συµπεριφορά σε εναλλασσόµενη φόρτιση, φόρτιση που οδηγεί σε πρόωρη γήρανση του υλικού. Στους µεσαίου µεγέθους δροµείς χρησιµοποιούνται υαλονήµατα µ ε εναλλαγή της κατεύθυνσης των υαλονη µ άτων σε πολλαπλές στρώσεις ενώ στους εγάλου µεγέθους ανεµοκινητήρες χρησιοποιείται η τεχνολογία των ελίκων των αεροσκαφών ή ακόµα και ξύλο ή και τεχνολογία πτερύγων αεροσκαφών.
Το βήμα του πτερυγίου
Υπάρχουν δροµείς µε πτερύγια: Ο µεταβλητού βήµατος και ο σταθερού βήµατος. Η µηχανική ρύθµιση ισχύος σε µία ανεµογεννήτρια έχει ως σκοπό να εξισορροπεί, για ταχύτητες ανέµου µεγαλύτερες από την ονοµαστική, την ισχύ την παραγόµενη από την πτερύγωση µε την ονοµαστική ισχύ της εγκατάστασης (π.χ. γεννήτριας), ώστε η εγκατάσταση να µην υπερφορτίζεται.
Τρόποι μηχανικής ρύθμισης ισχύος
1) Είναι δυνατόν να µειωθεί το µέγεθος της παραγόµενης από την πτερύγωση ισχύος µε την αλλαγή του προσανατολισµού ολόκληρου του πτερυγίου ή µέρους του (ακροποτερύγιο) ως προς τη διεύθυνση του ανέµου. Ο τρόπος αυτός απαιτεί την ύπαρξη σερβοµηχανισµού και έχει εφαρµογή στις ανεµογεννήτριες µικρής αλλά κυρίως µεγάλης ισχύος.
2) Ρύθµιση µε τη βοήθεια αεροδυναµικών φρένων στα άκρα των πτερυγίων. Η διάταξη αυτή αποτελεί περισσότερο µέσον προστασίας της ανεµογεννήτριας έναντι υπερτάχυνσής της και τίθεται σε λειτουργία όταν η γωνιακή ταχύτητα του δροµέα υπερβεί την επιτρεπόµενη τιµή. Αυτό µπορεί να συµβεί σε περίπτωση υπερβολικής ταχύτητας ανέµου (µεγαλύτερης της ταχύτητας ανέµου στην οποία η ανεµογεννήτρια σταµατάει, VF) ή όταν ο δροµέας παράγει έργο, ενώ δεν υπάρχει κατανάλωση.
Οι ανεµογεννήτριες µε σύστηµα ρύθ µ ισης του βήµατος του πτερυγίου παρουσιάζουν τεχνολογική πολυπλοκότητα στο ρυθιστικό µ ηχανισµό και τα πτερύγια είναι σαφώς ακριβότερα και βαρύτερα. Παρουσιάζουν όως καλή ρύθµιση ισχύος, µειωµένα αεροδυναµικά φορτία, ευκολία στην εκκίνηση της ανεµογεννήτριας και συγχρόνως µπορούν να χρησιµοποιηθούν και για πέδηση.
Οι ανεµογεννήτριες που δεν έχουν µηχανική ρύθµιση ισχύος (πτερύγιο σταθερού βήµατος) είναι απλούστερες τεχνολογικά και φυσικά φθηνότερες, έχουν όµως περίπου 5-10% µικρότερη παραγωγή ενέργειας, µεγαλύτερα φορτία καταπόνησης και απαιτούν δισκόφρενα ασφάλειας αστοχίας ή αεροπέδες. Ανεµογεννήτριες σταθερού βήµατος πτερυγίου είναι σχεδόν όλες οι ανεµογεννήτριες κατασκευής ∆ανίας µεσαίου µεγέθους
Σύστηµα Αύξησης Στροφών (Σ.Α.Σ)
Η σχεδίαση του συστήµατος αύξησης των στροφών του δροµέα για να προσαρµοστεί ο δροµέας στις στροφές της γεννήτριας ή της αντλίας δεν αφορά άµεσα τη σχεδίαση της ανεµογεννήτριας. Η τεχνολογική εξέλιξη των ΣΑΣ, λόγω απαιτήσεων της βιοµηχανίας, έχει δώσει πολλούς και καλούς τύπους κιβωτίου ταχυτήτων από άποψη αντοχής υλικού, φθοράς, µεταφερόµενης ισχύος και διαστάσεων. Βασικά κριτήρια επιλογής του είναι η διάρκεια ζωής του, ο βαθµός απόδοσής του και ο θόρυβος λειτουργίας του. Λόγω της συνεχούς µεταβολής της ισχύος του ανέµου, το κιβώτιο ταχυτήτων λειτουργεί συνεχώς µε κρουστικά φορτία τα οποία οδηγούν σε πρόωρη φθορά υλικού και µείωση της διάρκειας ζωής του κιβωτίου. Για το λόγο αυτό, ο κιβώτιο ταχυτήτων της ανεµογεννήτριας επιλέγεται να έχει ονοµαστικό µ έγεθος ισχύος πολύ µεγαλύτερο από το ονοµαστικό µεγέθoς της µ ηχανής, ακόα και ονοµαστική ροπή 200% µεγαλύτερη της ονοµαστικής ροπής της ηχανής.
∆ιακρίνονται δύο είδη κιβωτίων. Το κιβώτιο µε παράλληλες οδοντώσεις γραναζιών (κιβώτιο παραλλήλων αξόνων) και το κιβώτιο στο οποίο οι οδοντωτοί τροχοί που χρησι µ οποιούνται έχουν ελικοειδή οδόντωση (συνήθως κιβώτιο µε πλανητικό σύστηα οδοντωτών τροχών). Το πρώτο είδος κιβωτίου είναι απλούστερο κατασκευαστικά, έχει χαµηλότερο κόστος συντήρησης. Το κιβώτιο µε ελικοειδή οδόντωση έχει υψηλότερο κόστος αγοράς και συντήρησης αλλά καλύτερο βαθµό απόδοσης και χαµηλότερη στάθµη θορύβου.
Για την αύξηση της ζωής του κιβωτίου και τη µείωση των κρουστικών φορτίων λειτουργίας, σε ορισµένες περιπτώσεις το κιβώτιο ταχυτήτων στηρίζεται πάνω σε ελατήρια απόσβεσης κραδασµών.
Σύστηµα πέδησης άξονα-δροµέα
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι ακινητοποίησης του δροµέα του ανεµοκινητήρα.
1) Μεταβολή του βήµατος του πτερυγίου ή του ακροπτερυγίου ή και ενεργοποίησης της αεροπέδης στο ακροπτερύγιο.
2) Στροφή του ίδιου του δροµέα ώστε να γυρίσει παράλληλα προς τον άνεµο Αύξηση της αεροδυναµικής αντίστασης του πτερυγίου µε την ενεργοποίηση αε¬ροπέδης (τύπου spoiler).
3)Πέδηση του άξονα.
Είναι φανερό ότι ο προτιµότερος τρόπος ακινητοποίησης της µηχανής είναι η σταδιακή µείωση των αεροδυνα υ ικών φορτίων στη µηχανή µε παράλληλη αύξηση της αντιρροπ µ ς. Με τον τρόπο ατό δεν αναπτύσσονται κρουστικά φορτία στη φάση πέδησης της ηχανής. Σε περίπτωση αστοχίας όµως των µηχανισµών ρύθµισης του βήµατος του πτερυγίου ή των άλλων µεθόδων ρύθµισης ισχύος απαιτείται η πέδηση του άξονα του δροµέα.
Η πέδηση αυτή γίνεται συνήθως µε δισκόφρενο τύπου ασφάλειας αστοχίας που ενεργεί αυτόµατα στον άξονα. Το δισκόφρενο αυτό συνήθως τοποθετείται στον υψηλόστροφο άξονα της µηχανής (µετά το κιβώτιο ταχυτήτων) διότι έτσι η απαιτούµενη ροπή πέδησης είναι πολύ µικρή (λόγω υψηλής γωνιακής ταχύτητας) και κατά συνέπεια το δισκόφρενο είναι µικρού κόστους. Συνήθως η πέδη αυτή είναι
ηλεκτροµαγνητικού τύπου που ενεργοποιείται αυτόµατα µε τη διακοπή του ρεύµατος, δηλαδή η πέδη παραµένει πάντα ανοικτή µε τη βοήθεια ηλεκτροµαγνητών και σε περίπτωση διακοπής ρεύµατος ενεργοποιείται από τα ελατήρια. Τοποθετώντας όµως την πέδη στον υψηλόστροφο άξονα υπερφορτίζουµε το κιβώτιο ταχυτήτων στη διάρκεια της πέδησης (η ακινητοποίηση της µηχανής γίνεται εντός 2 ή 3 πληρών στροφών του δροµέα) ενώ συγχρόνως η αντικατάσταση, συντήρηση του κιβωτίου ή και η επισκευή του γίνεται προβληµατική.
Η τοποθέτηση του δισκόφρενου στον χαµηλόστροφο άξονα απαιτεί ογκώδες δισκόφρενο υψηλού κόστους. Το δισκόφρενο αυτό είναι συνήθως υδραυλικού τύπου, ασφαλείας αστοχίας. Στην περίπτωση χρήσης υδραυλικού δισκόφρενου αντι µ ετωπίζονται προβλήµατα διαρροής λαδιού, λειτουργίας αισθητηρίων µέτρησης στάθης και θερµοκρασίας λαδιού κ.λπ.
Ελαστικοί σύνδεσμοι
Για τη σύνδεση αξόνων µεταξύ των (π.χ. άξονας δροµέα µε κιβώτιο ή δισκόφρενο µε γεννήτρια κλπ) απαιτείται ελαστικός σύνδεσµος απορρόφησης κραδασµών. Συνήθως οι σύνδεσµοι αυτοί βασίζονται στην απορροφητική ικανότητα του καουτσούκ. Σε ακριβές κατασκευές χρησιµοποιείται και υδραυλικού τύπου συµπλέκτης ο οποίος συγχρόνως µπορεί να χρησιµοποιηθεί και ως µέσο προσαρµογής των στροφών του δροµέα στις στροφές της γεννήτριας και έτσι η µηχανή να δουλεύει σε σταθερές σύγχρονες στροφές ή σε στροφές µέγιστου συντελεστή ισχύος.
Ηλεκτρική γεννήτρια
Υπάρχουν δύο δυνατές λύσεις:
Α. Ασύγχρονη γεννήτρια Β. Σύγχρονη γεννήτρια
Η απλότητα στην κατασκευή και η ευκολία µε την οποία συνδέεται στο δίκτυο η ασύγχρονη γεννήτρια, είναι τα πλεονεκτήµατά της. Όµως η ανάγκη να παίρνει ρεύµα µαγνήτισης από το δίκτυο δηµιουργεί προβλήµατα όταν η ισχύς της ανεµογεννήτριας είναι συγκρίσιµη µε την ισχύ του ηλεκτρικού δικτύου. Φυσικά µπορεί να χρη¬σιµοποιηθεί και γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος, πράγµα που γίνεται στις εφαρµογές φόρτισης συσσωρευτών. Αλλά οι γεννήτριες συνεχούς ρεύµατος είναι ογκώδεις και ακριβές.
Σύστημα Προσανατολισμού
Όπως αναφέρθηκε, ο δροµέας µπορεί να βρίσκεται πριν από τον πύργο ή µετά από αυτόν (ανάντη και κατάντη µ ηχανές). Στους ανεµοκινητήρες µε ανάντη τοποθέτηση του δροµέα απαιτείται σύστη µ α προσανατολισµού του δροµέα. Στις µικρού µεγέθους ή και µεσαίου µεγέθους Ανεογεννήτριες για τον προσανατολισµό χρησιµοποιείται καθοδηγητικό πτερύγιο (ουρά) που τόσο η επιφάνεια της ουράς όσο και η θέση της ως προς τον άξονα του πύργου επιλέγονται έτσι. ώστε σε απόκλιση του ανέ µ ου κατά το πολύ 10 µοίρες να εξασκείται ροπή επαναπροσανατολισµού του δροέα στον άνεµο ικανή να υπερνικήσει την αντιρροπή λόγω γυροσκοπικού φαινόµενου. Στις Ανεµογεννήτριες µ εγάλου µεγέθους χρησιµοποιείται σερβοκινητήρας ο οποίος ελέγχεται από τον ανεοδείκτη του ανεµογράφου και που προσανατολίζει το δροµέα κάθετα στην κατεύθυνση του ανέµου. Η τοποθέτηση του δροµέα κατάντη φαινοµενικά τουλάχιστον φαίνεται να οδηγεί σε απλούστερη κατασκευή ανεµοκινητήρα γιατί δεν απαιτείται σύστηµα προσανατολισµού, αλλά στην περίπτωση αυτή ο ανεµοκινητήρας είναι περισσότερο θορυβώδης στη λειτουργία του λόγω της σκίασης του πύργου πάνω στον δροµέα και επίσης δηµιουργούνται αυξηµένες καταπονήσεις στα πτερύγια λόγω της περιοδικότητας φορτίσεων του πτερυγίου καθώς αυτό σε κάθε περιστροφή σκιάζεται από τον πύργο. Τέλος απαιτείται κάποιο είδος αποσβεστήρα για τον περιορισµό των άσκοπων µετακινήσεων του κουβουκλίου λόγω της πλευρικής«τύρβης» του ανέµου.
Πύργος
Κριτήρια επιλογής του είδους του πύργου είναι, το κόστος του, η ευκολία µεταφοράς του στον τόπο εγκατάστασης της ανεµογεννήτριας και η ευκολία ανέγερσής του: Συνυφασµένο µε το τελευταίο είναι και η διαδικασία στησίµατος της µηχανής, ιδιαίτερα σε µεγάλες µονάδες, πράγµα που εξαρτάται από την ευκολία οδικής πρόσβασης στη θέση, την ύπαρξη ικανοποιητικού ανυψωτικού µέσου τόσο σε ανυψωτική ικανότητα όσο και σε ύψος ανύψωσης. ∆ύο είναι κυρίως οι τύποι πύργων που έχουν επικρατήσει, ο σωληνωτός και ο τύπου δικτυώµατος. Ο πύργος τύπου δικτυώµατος είναι ευκολότερος στην επιτόπου συναρµολόγηση και ανάρτηση, ελαφρότερος και φθηνότερος. Επειδή έχει πολλά µικρά κοµµάτια είναι ευκολότερο να υποστεί ψυχρό γαλβάνισµα σε µικρά γαλβανιστήρια. Ο σωληνωτός πύργος είναι αισθητικά καλλίτερος, το εσωτερικό του πύργου µπορεί να αποτελεί και το θάλαµο στέγασης όλων των οργάνων της ανεµογεννήτριας και να έχει εσωτερική σκάλα ή και ασανσέρ πρόσβασης στο κουβούκλιο στην κορυφή του. Παρουσιάζει όµως δυσκολία στην µεταφορά του, ιδίως από κάποιο ύψος και πάνω, δυσκολία στην ανέγερσή του (απαιτείται οπωσδήποτε γερανός), και αν είναι µεγάλος πρέπει να γαλβανισθεί σε κοµµάτια και να συγκολληθεί επί τόπου, αλλά τότε καταστρέφεται το γαλβάνισµα τοπικά.
Ο σωληνωτός πύργος έχει χαµηλή ιδιοσυχνότητα (µικρότερη από την ιδιοσυχνότητα του δροµέα) γι' αυτό κατά την εκκίνηση του δροµέα η περιοχή ιδιοσυχνότητας του πύργου πρέπει να περνιέται γρήγορα για αποφυγή φαινοµένων συντονισµού. Α¬ντίθετα ο δικτυωτός πύργος έχει υψηλή ιδιοσυχνότητα ως προς την ιδιοσυχνότητα του δροµέα.
Εξαγωγή ισχύος
Ο µεγάλες µάζες του ανέµου που διαρκώς µετακινούνται στην ατµόσφαιρα περιέχουν τεράστια ποσά ενέργειας που προσφέρονται περισσότερο από κάθε άλλη µορφή ενέργειας για µετατροπή και εκµετάλλευση.
Η στιγµιαία ισχύς που περιέχεται σε ένα ρεύµα αέρα διατοµής Α οµοιόµορφης στιγµιαίας ταχύτητας Υ και πυκνότητας Ρ υπολογίζεται από τη σχέση
Ρ = ρ V3 Α 2
και είναι ανάλογη του κύβου της στιγµιαίας ταχύτητας του ανέµου. Αυτό όµως έχει τεράστια σηµασία αφού η ταχύτητα δεν είναι σταθερή αλλά µεταβάλλεται σε ευρύτατα όρια µε το χρόνο. Το γεγονός της ευρύτατης χρονικής µεταβολής µας επιβάλλει ένα ξεχωριστό τρόπο επεξεργασίας των µετεωρολογικών δεδοµένων όταν ενδιαφερόµαστε για την εκµετάλλευση της ενέργειας του ανέµου και την εύρεση του κατάλληλου ανεµοκινητήρα για µια ορισµένη περιοχή.
Η ισχύς ό µ ως που παρέχει η έλικα είναι µικρότερη από την ισχύ του ανέµου, σύµφωνα ε τη σχέση:
Ρ Α/Κ = CΡ ρ V3 Α 2
Το µέγεθος CΡ λέγεται συντελεστής ισχύος. Προσοχή χρειάζεται στο ότι το Cp δεν
είναι αυστηρά ο βαθµός απόδοσης του δροµέα, αφού αναφέρεται σε µια ισχύ που δεν µπορούµε να εκµεταλλευτούµε ολόκληρη, ακόµη και µε µια ιδανική έλικα.
Ενεργειακές απώλειες
Ο ανεµοκινητήρας δεν µπορεί να αξιοποιήσει όλη την ετήσια ενέργεια του ανέµου για τους ακόλουθους λόγους:
(α) Ο ανεµοκινητήρας είναι σε θέση να αποδώσει ωφέλιµη ισχύ µόνο όταν η ισχύς του ανέµου είναι µεγαλύτερη από τις απώλειες κενού φορτίου (τριβές, άξονα, µειωτήρα, γεννήτριας). Την ταχύτητα του ανέµου στην οποία ο ανεµοκινητήρας ξεκινάει ονοµάζουµε ταχύτητα έναρξης λειτουργίας και συµβολίζεται µε Vcut-in.
(β) Καθώς η ταχύτητα του ανέµου αυξάνεται, αυξάνει και η αποδιδόµενη ισχύς µέχρι να φθάσει την ονοµαστική ισχύ της γεννήτριας. Κατόπιν, όσο και να αυξάνεται η ισχύς του ανέµου επιδιώκουµε να διατηρήσουµε την ισχύ σταθερή. Αυτό γίνεται µε την αλλαγή της γωνίας κλίσεως των πτερυγίων ή µε τα µεταπτερύγια (flaps) ή µε την αλλαγή της γωνιακής θέσης του δροµέα ως προς τον άνεµο ή την αλλαγή της γωνιακής ταχύτητας του δροµέα, ανάλογα φυσικά µε την γεννήτρια που έχει το σύστηµα. Η µικρότερη ταχύτητα ανέµου στην οποία ο δροµέας αναπτύσσει την ονοµαστική ισχύ της µηχανής-γεννήτριας ορίζεται µε VR και ονοµάζεται ονοµαστική ταχύτητα ανέµου. 'Άρα για ταχύτητες ανέµου µεγαλύτερες της VR χάνεται ένα ποσό του αιολικού δυναµικού.
(γ) Όταν ο άνεµος φθάνει σε υψηλές ταχύτητες ενδείκνυται η διακοπή λειτουργίας της εγκατάστασης για λόγους ασφαλείας. Η ταχύτητα διακοπής λειτουργίας (furling speed), συµβολίζεται µε Vp και η ενέργεια του ανέµου για ταχύτητες µεγαλύτερές της παραµένει τελείως αναξιοποίητοι.
(δ) Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας έχουµε αεροδυναµικές απώλειες.
(ε) Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας έχουµε πρόσθετα µηχανικές απώλειες στον άξονα, µειωτήρα και γεννήτρια, που µπορούν να θεωρηθούν σταθερές και ίσες µε τις απώλειες κενού φορτίου. Ανάλογα µε τα υποσυστήµατα του ανεµοκινητήρα, οι συνολικές απώλειες κενού φορτίου µπορεί να ανέρχονται και στο 10% της ονοµαστικής ισχύος της µηχανής.
Στο παρακάτω σχήµα, παρουσιάζεται καµπύλη ισχύος ανεµοκινητήρα, διαµέτρου D = 32m, ονοµαστικής ισχύος PR = 225kW, Ονοµαστικής ταχύτητας VR=9.0m/s µε ταχύτητα έναρξης και διακοπής λειτουργίας ίση µε 4.2m/s και 20 m/s.
1 σχόλια:
Για τα φωτοβολταικα υπάρχει κάποια ανάλογη ανάλυση;
Δημοσίευση σχολίου