Transcript Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο Στοιχεία εγχειριδίου: Σύνταξη: Anton Lührs Έλεγχος: Gunter Jauken Έγκριση: 22.11.2007 Α/Α: TR-esc-02-ger-gre-10-004 Rev001

Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Στοιχεία εγχειριδίου:
Σύνταξη: Anton Lührs
Έλεγχος: Gunter Jauken
Έγκριση: 22.11.2007
Α/Α: TR-esc-02-ger-gre-10-004 Rev001
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Από που προέρχεται η αιολική ενέργεια;
Όλα τα είδη ανανεώσιμης ενέργειας (με εξαίρεση
την ενέργεια από παλιρροιακούς σταθμούς)
προέρχονται, σε τελική ανάλυση, από τον ήλιο.
Αυτό ισχύει και για τα ορυκτά καύσιμα. Ο ήλιος
εκπέμπει 174.423.000.000.000 κιλοβαττώρες
ενέργειας ανά ώρα πάνω στη γη.
Με άλλα λόγια: Η γη λαμβάνει 1,74 x 1017 Watt
σε ισχύ.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Θερμοκρασία επιφάνειας της γης
Οι περιοχές κατά μήκος του
ισημερινού (περίπου 0° γεωγραφικό
πλάτος) θερμαίνονται από την
ηλιακή ακτινοβολία, περισσότερο
από την υπόλοιπη γη.
Ο θερμός αέρας είναι πιο ελαφρύς
από τον κρύο αέρα και ανυψώνεται,
γι' αυτό το λόγο σε ένα ύψος
περίπου 10 km (6 μίλια), για να
εξαπλωθεί, μετά, προς το Βορρά και
το Νότο.
Αν η γη δεν περιστρεφόταν, τότε, ο
αέρας θα έφτανε στο Βόρειο Πόλο,
θα χαμήλωνε και θα επέστρεφε στον
ισημερινό.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Μοντέλο κυκλοφορίας «απλής κυψέλης»
Μοντέλο κυκλοφορίας απλής
κυψέλης/δακτυλίου (single-cell),
σύμφωνα με τον Hadley: (17.
αιώνας)
Ο θερμός αέρας στις τροπικές
περιοχές ανεβαίνει επάνω και
κινείται προς τους πόλους. Εκεί
ψύχεται και κινείται κοντά στην
επιφάνεια της γης προς τα πίσω,
στον ισημερινό.
Πηγή: Ιστοσελίδα της διεθνούς μετεωρολογικής υπηρεσίας,
Southern Regional Headquarters - US
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Μοντέλο κυκλοφορίας τριών κυψελών
1. Τροπική κυψέλη/δακτύλιος (κυψέλη Hadley) - Ο αέρας από
μικρά γεωγραφικά πλάτη (περιοχές υψηλών βαρομετρικών, πάνω από
τη ζώνη της ερήμου) κινείται στην επιφάνεια της γης προς τον
ισημερινό, στην περιοχή του ισημερινού θερμαίνεται, μεταφέρεται προς
τα πάνω και κινείται από ψηλά πάλι πίσω προς στους πόλους, για να
χαμηλώσει όμως πάλι πάνω από τη ζώνη της ερήμου. Αυτή η κυψέλη
ροής (κυψέλη μεταφοράς θερμότητας) καθορίζει τα τροπικά και
υποτροπικά κλίματα.
2. Κυψέλη μεσαίων γεωγραφικών πλατών (κυψέλη Ferrel) - Η
κυψέλη κυκλοφορίας των μεσαίων γεωγραφικών πλατών πήρε το
όνομα της από τον Ferrel τον 19ο αιώνα. Σε αυτές τις κυψέλες, ο αέρας
κινείται στην επιφάνεια της γης προς τους πόλους και ανατολικά,
δηλαδή ο άνεμος έρχεται από τη δύση (->δυτικοί άνεμοι των δικών μας
γεωγραφικών πλατών = westerlies). Από ψηλά όμως κινείται πάλι
προς τον ισημερινό και προς τα δυτικά.
Πηγή: Ιστοσελίδα της διεθνούς μετεωρολογικής υπηρεσίας,
Southern Regional Headquarters - US
3. Πολική κυψέλη - Ο αέρας ανεβαίνει, διαλύεται και κινείται προς
τους πόλους. Πάνω από τους πόλους χαμηλώνει ξανά και
διαμορφώνει μία πολική περιοχή υψηλών βαρομετρικών. Στην
επιφάνεια της γης κινείται ο αέρας από τους πόλους προς τα πίσω. Οι
άνεμοι επιφάνειας στις πολικές κυψέλες έρχονται από την ανατολική
κατεύθυνση (πολικοί ανατολικοί άνεμοι = polar easterlies)
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Ζώνη πιέσεων της γης
Επικρατέστεροι άνεμοι
Γεωγρ. πλάτος
90-60°Β 60-30°Β 30-0°Β 0-30°Ν 30-60°Ν
Κατεύθυνση
ΒΑ
ΝΔ
ΒΑ
ΝΑ
ΒΔ
60-90°Ν
ΝΑ
Πηγή: Ιστοσελίδα της διεθνούς μετεωρολογικής
υπηρεσίας, Southern Regional Headquarters - US
Ιδανική ζώνες πίεσης στα
γεωγραφικά πλάτη της γης.
Μια εξιδανικευμένη γη με ομοιόμορφα
θερμαινόμενη επιφάνεια ίδιας υφής θα
δημιουργούσε και ομοιόμορφες ζώνες
πίεσης.
Πραγματικός καταμερισμός πίεσης κατά ζώνες.
Στη γη η επιφάνεια δεν είναι ομοιόμορφη, αλλά
χαρακτηρίζεται από την εναλλαγή των ωκεανών και
των χερσαίων μαζών με διαφορετικές ιδιότητες όσον
αφορά την απορρόφηση ενέργειας και θερμότητας.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Τοπικά ρεύματα αέρος
Ο άνεμος εμφανίζεται, όταν υπάρχει διαφορά
στην ατμοσφαιρική πίεση. Όσο μεγαλύτερη
είναι η διαφορά πίεσης, τόσο δυνατότερο είναι
το δυναμικό που προκαλείται.
Όχι μόνο το μέγεθος της διαφοράς πίεσης, αλλά
και η απόσταση μεταξύ της περιοχής υψηλής
πίεσης (Η) και της περιοχής χαμηλής πίεσης (Τ)
καθορίζει, πόσο έντονα επιταχύνεται ο
κινούμενος αέρας.
Οι μετεωρολόγοι χαρακτηρίζουν τη δύναμη, που
ενεργοποιεί τα ρεύματα αέρα, ως βαρομετρική
βαθμίδα.
Αναλογικά μπορούμε να πούμε, ότι τόσο πιο
γρήγορα "κατρακυλάει" ένα σφαιρίδιο σε μία
πλαγιά, όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ύψους
και μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ του
υψηλότερου και του χαμηλότερου σημείου.
H
T
H
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Σύστημα ανέμου ξηράς-θάλασσας
Η θαλάσσια αύρα δημιουργείται όταν η ξηρά
θερμαίνεται περισσότερο από τη θάλασσα μία
ηλιόλουστη μέρα. Ο αέρας πάνω από την ξηρά
αρχίζει να ανεβαίνει, επειδή ο θερμός αέρας
είναι πιο ελαφρύς από τον κρύο. Η χαμηλή
ατμοσφαιρική πίεση που δημιουργείται εξαιτίας
του ανερχόμενου ζεστού αέρα πάνω από την
ξηρά εξισορροπείται από την ροή κρύου αέρα
από την πλευρά της θάλασσας.
Κατά τη διάρκεια της νύχτας κρυώνει η θάλασσα
πιο αργά απ' ότι η ξηρά. Γι' αυτό το λόγο
αντιστρέφεται η κυκλοφορία και ο αέρας ρέει από
την ξηρά προς τη θάλασσα. Αυτός ο αέρας
ονομάζεται ηπειρωτική (απόγειος) αύρα.
A: Θαλάσσια αύρα
B: Απόγεια αύρα
A: Θαλάσσια αύρα
B: Ηπειρωτική αύρα
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Αύρα βουνών και κοιλάδων
Την ημέρα θερμαίνονται τα βουνά, τα οποία
δέχονται ηλιαχτίδες σχετικά γρηγορότερα και τα
στρώματα αέρα στις πλαγιές αρχίζουν να
κινούνται ανοδικά. Μεταξύ του χαμηλού εδάφους
και των κοιλάδων στα βουνά δημιουργείται μια
διαφορά πίεσης, και δημιουργείται η «Αύρα
κοιλάδων"
Ημέρα
Τη νύχτα οι συνθήκες αντιστρέφονται: Πάνω από
τα βουνά και τις πλαγιές ο αέρας ψύχεται πιο
γρήγορα απ' ότι στη στεριά. Αυτός ο κρύος αέρας
ρέει προς τα κάτω δημιουργώντας την «Αύρα
ορέων (βουνίσια αύρα)".
Νύχτα
Πηγή: meteomedia ag
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Χάρτης ανέμων
Αιολικό δυναμικό σε ύψος 50 m πάνω από το έδαφος.
Υπήνεμη
περιοχή
Ανοιχτή επιφάνεια
Θαλάσσια ακτή
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Ρόδο των ανέμων
Κατεύθυνση ανέμου
Για να απεικονιστούν οι πληροφορίες σχετικά με την
κατανομή της ταχύτητας καθώς και για τη συχνότητα των
κατευθύνσεων ανέμου, σχεδιάζεται το λεγόμενο "ρόδο
των ανέμων" βάσει των μετεωρολογικών παρατηρήσεων
της ταχύτητας και κατεύθυνσης ανέμου.
Το σχήμα δείχνει το "ρόδο των ανέμων" του Wittmund.
Επεξηγεί την ποσοστιαία κατανομή των κατευθύνσεων
ανέμου κατά τη διάρκεια ενός χρόνου.
Μια ματιά στο ρόδο των ανέμων βοηθάει στην εύρεση
κατάλληλης τοποθεσίας για την εγκατάσταση μιας
ανεμογεννήτριας.
Όταν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας ανέμου έρχεται
από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, τότε είναι επιθυμητό
να υπάρχουν όσο το δυνατόν πιο λίγα εμπόδια και πιο
επίπεδο έδαφος από αυτήν την κατεύθυνση.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Η κατανομή Weibull
Ονομάστηκε έτσι από τον Σουηδό
μηχανικό Waloddi Weibull (1887-1979).
Συχνότητα
Αν μετρήσει κανείς την ταχύτητα του
ανέμου για ένα χρόνο, θα δει, ότι στις
περισσότερες περιοχές οι θυελλώδεις
άνεμοι είναι σπάνιοι, ενώ συχνά
εμφανίζεται μέτριος μέχρι δυνατός
άνεμος.
Η κατανομή της ταχύτητας ανέμου
περιγράφεται με τη λεγόμενη κατανομή
Weibull.
Ταχύτητα ανέμου [m/s]
Από εδώ μπορεί να οριστεί η μέση
ταχύτητα ανέμου για μία τοποθεσία
εγκατάστασης.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Εμπόδια
Αυτή η απεικόνιση δίνει μια ιδέα, για το
πως μειώνεται η ταχύτητα ανέμου πίσω
από ένα σώμα μη αεροδυναμικού
σχεδιασμού.
Σε αυτή την περίπτωση υπάρχει ένα κτίριο,
που έχει ύψος 20 μέτρα και πλάτος 60
μέτρα και βρίσκεται σε μια απόσταση 300
μέτρα από την ανεμογεννήτρια με 50 μέτρα
ύψος πλήμνης (hub).
Οι γκρίζες διαβαθμίσεις αναπαριστούν την
επιρροή του αντικειμένου πάνω στην
ταχύτητα του ανέμου.
Ύψος εμποδίων: 20 m
Ύψος πλήμνης: 50 m
(hub)
Οι μπλε αριθμοί περιγράφουν την ταχύτητα
ανέμου σε ποσοστό της αρχικής ταχύτητας
ανέμου, χωρίς εμπόδια.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Σύγκριση απόδοσης
Σύγκριση απόδοσης μίας E-66 / 15.66 (WEA 1) με μια E-70 E4
(WEA 3) στην τοποθεσία Daxweiler για το χρονικό διάστημα
Ιανουαρίου - Δεκεμβρίου 2006.
Συντελεστής προσαύξησης: 1,91
5.791.027 kW/h
3.039.880 kW/h
E-66/15.66
Ύψος πλήμνης: 67 m
889 kWh/m2
300m
E-70/4
Ύψος πλήμνης: 114 m
1.463 kWh/m2
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Το φαινόμενο του αιολικού πάρκου
Κάθε ανεμογεννήτρια επιβραδύνει τον αέρα, αφαιρώντας ενέργεια
από αυτόν και μετατρέποντάς την σε ηλεκτρισμό.
Γι' αυτό θα έπρεπε να διατάσσονται οι μεμονωμένες εγκαταστάσεις
στην κατεύθυνση του επικρατέστερου ανέμου, όσο πιο μακριά
γίνεται αναμεταξύ τους. Από την άλλη, η περιορισμένη
διαθεσιμότητα γης και τα έξοδα σύνδεσης των εγκαταστάσεων στο
ηλεκτρικό δίκτυο επιβάλλουν να είναι οι αποστάσεις πιο μικρές.
Ένας εμπειρικός κανόνας λέει, ότι η απόσταση των μεμονωμένων
ανεμογεννητριών
μεταξύ
τους,
στην
κατεύθυνση
του
επικρατέστερου ανέμου, πρέπει να είναι μεταξύ 5 έως 9 φορές τη
διάμετρο ρότορα και μεταξύ 3 έως 5 φορές στην κάθετη κατεύθυνση
προς τον επικρατέστερο άνεμο.
Σε αυτή την εικόνα έχουν διαταχθεί τρεις σειρές ανά 5 Α/Γ σε ένα τυπικό σχέδιο.
Οι ανεμογεννήτριες (λευκά σημεία) έχουν τοποθετηθεί στην κατεύθυνση του επικρατέστερου ανέμου σε
μια απόσταση 7 διαμέτρων (ρότορα), ενώ η απόσταση μετατοπισμένη προς τον επικρατέστερο άνεμο
είναι ίση με 4 διαμέτρους.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Αιολική Ενέργεια
Μια ανεμογεννήτρια παράγει ηλεκτρική ενέργεια, μετατρέποντας
τη δύναμη του ανέμου σε ροπή στρέψης στα πτερύγια του
ρότορα. Η ποσότητα ενέργειας, που μεταβιβάζει ο άνεμος στον
ρότορα, εξαρτάται από την πυκνότητα του αέρα, την επιφάνεια του
ρότορα και την ταχύτητα του ανέμου.
Η ταινία δείχνει, πως κινείται ένα στρώμα αέρα πάχους 1 μέτρου
μέσα στην επιφάνεια ρότορα 2290 τετ. μέτρα(m2) μιας τυπικής
ανεμογεννήτριας (1000 kW). Με μια διάμετρο ρότορα των 54
μέτρων, κάθε ένα από αυτά τα στρώματα ζυγίζει 2,85 τόνους.
Η κινητική ενέργεια ενός σώματος εν κινήσει είναι ανάλογη προς
τη μάζα του.
Συνεπώς η κινητική ενέργεια του ανέμου εξαρτάται από την
πυκνότητα του αέρα, δηλαδή από τη μάζα ανά μονάδα όγκου. Με
άλλα λόγια: Όσο πιο "βαρύς" είναι ο αέρας, τόσο περισσότερη
ενέργεια μπορεί να εξάγει η Α/Γ απ' αυτόν.
Σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση και 15° βαθμούς Κελσίου ο
αέρας ζυγίζει 1,225 kg ανά κυβικό μέτρο.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Ο νόμος του Betz
Όσο περισσότερη κινητική ενέργεια αφαιρεί μια
ανεμογεννήτρια από τον άνεμο, τόσο ισχυρότερα
φρενάρεται ο άνεμος.
Αν πάρει κανείς όλη την ενέργεια από τον άνεμο,
τότε ο αέρας πίσω από τον ρότορα θα έπρεπε να
έχει ταχύτητα μηδέν.
Σε αυτή την περίπτωση δε θα μπορούσαμε να
αφαιρέσουμε καθόλου ενέργεια από τον άνεμο,
γιατί από την άλλη πλευρά δε θα μπορούσε να
εισρέει καθόλου αέρας στον ρότορα.
Στην άλλη ακραία περίπτωση θα μπορούσαμε να αφήσουμε τον άνεμο να διέρχεται χωρίς να τον
επιβραδύνουμε.
Μεταξύ αυτών των δύο ακραίων περιπτώσεων υπάρχει μια περιοχή, όπου μέσω της πέδησης του ανέμου
μπορεί να αποκτηθεί ωφέλιμη μηχανική ενέργεια.
Ο νόμος του Betz
λέει, ότι μια ανεμογεννήτρια μπορεί να μετατρέψει το πολύ 16/27 (ή 59%) της κινητικής ενέργειας του
ανέμου, σε μηχανική ενέργεια. Αυτός ο νόμος προέρχεται από τον γερμανό φυσικό Albert Betz και
διατυπώθηκε το 1919.
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Υπολογισμός της ισχύος του ανέμου
Ένα παράδειγμα για μια ανεμογεννήτρια
με ταχύτητα ανέμου 8 m/s:
0,5 x 1,225 kg/m3 x 2290 m2 x 512 m/s =
718144 Watt
 718 kW
Σύμβολα τύπου
Περιγραφή
Μονάδα
P
Ισχύς ανέμου
Watt
ρ
Πυκνότητα του
αέρα
Kg/m3
A
Επιφάνεια που
διαρρέει ο αέρας
m2
v
Ταχύτητα ανέμου
m/s
Μερικές πληροφορίες για τον άνεμο
Καμπύλη ισχύος ανεμογεννητριών
Άνεμος
[m/s]
Ισχύς P [kW]
Συντελεστής ισχύος Cp
Ταχύτητα ανέμου στο ύψος πλήμνης [m/s]
Ισχύς P
Συντελεστής ισχύος Cp
Καμπύλη ισχύος μιας E-33 με καλυπτόμενη
επιφάνεια (ρότορα) 876 m2
Ισχύς
[kW]
Συντελεστής
ισχύος
Cp