Οι ανεμογεννήτριες, όπως και τα φτερά των αεροσκαφών, περιστρέφονται στον άνεμο και τροφοδοτούν μια ηλεκτρική γεννήτρια η οποία παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.
Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες χωρίζονται σε 2 βασικές κατηγορίες, τις οριζόντιου άξονα, όπως είναι οι παραδοσιακοί ανεμόμυλοι και οι κάθετου άξονα, όπως είναι το μοντέλο Darrieus.
Η σύγχρονη τεχνολογία αιολικής ενέργειας έχει πλεονεκτήματα στην ανάπτυξη των υλικών, της μηχανικής, των ηλεκτρονικών και της αεροδυναμικής.
Ηλεκτρισμός από αυτές τις ανεμογεννήτριες μοιράζεται στο τοπικό δίκτυο και διανέμεται στους καταναλωτές όπως και στα συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας.
Όλες οι ανεμογεννήτριες, χωρίς να παίζει ρόλο το μέγεθος, αποτελούνται από μερικά βασικά χαρακτηριστικά: το ρότορα, τη γεννήτρια, ένα σύστημα ελέγχου ταχύτητας και τον πύργο. Μερικές μηχανές έχουν συστήματα προστασίας, έτσι ώστε αν ένα μέρος χαλάσει το σύστημα προστασίας σταματάει τα πτερύγια ή βάζει τα φρένα.
Μέρη ανεμογεννήτριας
Μια ανεμογεννήτρια αποτελείται συνήθως από τα παρακάτω μέρη (Σχήμα 2):
Ανεμόμετρο (Anemometer): μετράει την ταχύτητα του ανέμου και μεταβιβάζει τα ανεμολογικά δεδομένα σε έναν ελεγκτή.
Πτερύγια (Blades): οι περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουν δύο ή τρία πτερύγια. Ο άνεμος πάνω στα πτερύγια δημιουργεί άνωση (lift) που έχει σαν αποτέλεσμα μια ροπή γύρω από τον άξονα περιστροφής και αναγκάζει τα πτερύγια να περιστρέφονται.
Φρένο (Brake): ένα δισκόφρενο το οποίο μπορεί να λειτουργεί μηχανικά, ηλεκτρικά ή υδραυλικά για να σταματήσει τον κινητήρα σε περίπτωση ανάγκης.
Ελεγκτής (Controller): ο ελεγκτής ξεκινά τη μηχανή σε ταχύτητες ανέμου περίπου 8-16 μίλια την ώρα και κλείνει τη μηχανή περίπου στα 65 μίλια την ώρα.
Οι ανεμογεννήτριες δε μπορούν να δουλεύουν σε ταχύτητες ανέμου πάνω απ’ τα 65 μίλια την ώρα γιατί οι γεννήτριές τους μπορούν να υπερθερμανθούν ή/και τα πτερύγιά τους να σπάσουν.
Κιβώτιο ταχυτήτων (Gear box): οι ταχύτητες συνδέουν τον άξονα χαμηλής ταχύτητας με τον άξονα υψηλής ταχύτητας και αυξάνει την ταχύτητα περιστροφής από τις 30 με 60 στροφές ανά λεπτό στις 1200 με 1500 στροφές ανά λεπτό. Η ταχύτητα περιστροφής απαιτείται από τις περισσότερες γεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ένα ακριβό (και βαρύ) μέρος μιας ανεμογεννήτριας και οι μηχανικοί μελετούν γεννήτριες οι οποίες θα λειτουργούν σε χαμηλότερες ταχύτητες περιστροφής και δε θα απαιτούνται κιβώτια ταχυτήτων.
Γεννήτρια (Generator): συνήθως παράγει εναλλασσόμενο ρεύμα 60 κύκλων.
Άξονας υψηλής ταχύτητας (High-speed Shaft): οδηγεί τη γεννήτρια.
Άξονας χαμηλής ταχύτητας (Low-speed Shaft): ο ρότορας κινεί τον άξονα
χαμηλής ταχύτητας περίπου στις 30 με 60 στροφές ανά λεπτό.
Κέλυφος (Nacelle): ο ρότορας συνδέεται με το κέλυφος, το οποίο βρίσκεται πάνω απ’ τον πύργο και περιλαμβάνει το κιβώτιο ταχυτήτων, τους άξονες υψηλής και χαμηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια, τον ελεγκτή και το φρένο. Ένα κάλυμμα προστατεύει τα μέρη εντός του κελύφους. Μερικά κελύφη είναι αρκετά μεγάλα ώστε να μπορεί ένας τεχνικός να κάθεται όρθιος μέσα σε αυτό ενώ δουλεύει.
(Σχήμα 2.1)
Κλίση (Pitch): τα πτερύγια έχουν τη δυνατότητα να γύρω από τον διαμήκη άξονά τους, ώστε να μειώνουν τα αεροδυναμικά φορτία (lift) πάνω στην πτερύγωση στις μεγάλες ταχύτητες του ανέμου και να τα μειώνουν στις μικρές ταχύτητες.
Ρότορας (Rotor): τα πτερύγια και το κεντρικό σημείο ονομάζονται ρότορας.
Πύργος (Tower): οι πύργοι είναι κατασκευασμένοι από χαλύβδινο κέλυφος ή χωροδικτύωμα. Επειδή η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται με το ύψος, οι υψηλοί πύργοι περιέχουν γεννήτριες που συλλέγουν περισσότερη ενέργεια και παράγουν περισσότερο ηλεκτρισμό.
Ανεμοδείκτης (Wind vane): υπολογίζει την διεύθυνση και επικοινωνεί με τον οδηγό εκτροπής ώστε να προσανατολίζεται στον άνεμο.
.Χρησιμοποιείται για να αφήνει το ρότορα να βρίσκεται προς τον άνεμο καθώς αυτός μεταβάλλεται. Οι ανεμογεννήτριες που λειτουργούν υπήνεμα δεν απαιτούν οδηγό εκτροπής. Ο άνεμος μόνος φέρνει υπήνεμα το ρότορα.
Κινητήρας εκτροπής (Yaw motor): δίνει ενέργεια στον οδηγό εκτροπής
Τύποι και υποσυστήµατα ανεµογεννητριών
Οι ανεµογεννήτριες από την εποχή της εµφάνισης τους µέχρι σήµερα έχουν περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης, τόσο ως προς τον τύπο τους (οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα) όσο και ως προς τα υποσυστήµατά τους (πτερύγια, κιβώτιο ταχυτήτων, πύργος, αυτοµατισµοί,
γεννήτρια κ.λπ.). Εξελίξεις έχουν επίσης σηµειωθεί και στον τρόπο δέσµευσης, αξιοποίησης, αποθήκευσης ή µεταφοράς της ενέργειας του ανέµου που µετατρέπεται από την ανεµογεννήτρια 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 σχήµα 2.2
Η διάταξη αυτή είναι µια γενική περίπτωση όπου η κινητική ενέργεια του ανέµου µετατρέπεται σε µηχανικό έργο µε τη βοήθεια µιας αεροδυναµικής διάταξης (π.χ. µιας έλικας). Αυτό το µηχανικό έργο µπορεί να είναι εκµεταλλεύσιµο επί τόπου (π.χ. άντληση νερού).
Στη γενικότερη όµως περίπτωση απαιτείται η µετατροπή του σε κάποια άλλη µορφή ενέργειας, είτε γιατί δεν χρειαζόµαστε µόνο µηχανικό έργο, είτε γιατί ο τόπος της κατανάλωσης δεν
συµπίπτει µε τον τόπο που είναι εγκατεστηµένη η ανεµογεννήτρια, δηλαδή 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 στον τόπο κατανάλωσης.
Εδώ και πολύ καιρό µάλιστα οι περισσότερες έρευνες στρέφονται προς την κατεύθυνση της µετατροπής του µηχανικού έργου του δροµέα της ανεµογεννήτριας σε ηλεκτρική ενέργεια, λόγω της εύκολης µεταφοράς ης, ή της παραγωγής επί τόπου υδρογόνου (µε ηλεκτρόλυση) που µπορεί να αποθηκευθεί 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 τον 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 επίπέδο 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.λ.π.
Σύµφωνα µε τα προηγούµενα, ο βέλτιστος σχεδιασµός ενός πλήρους συστήµατος εκµετάλλευσης της αιολικής ενέργειας περιλαµβάνει:
Μελέτη των χαρακτηριστικών του ανέµου µε σκοπό την εκλογή της βέλτιστης τοποθεσίας για την εγκατάσταση του ανεµοκινητήρα και την πρόβλεψη της παραγωγής ενέργειας.
Σχεδιασµός της αεροδυναµικής διάταξης, που να µετατρέπει κατά τον αποδοτικότερο τρόπο την κινητική ενέργεια του ανέµου σε µηχανικό έργο.
Μελέτη της περίπτωσης µετατροπής του µηχανικού έργου σε άλλη πιο συµφέρουσα µορφή ενέργειας και βέλτιστο σχεδιασµό του συστήµατος µετατροπής του µηχανικού έργου του δροµέα.
Εύρεση του καλύτερου τρόπου αντιµετώπισης των διακυµάνσεων της ενέργειας του ανέµου.
Μελέτη του βέλτιστου τρόπου µεταφοράς ενέργειας, αν απαιτείται.
∆ιερεύνηση της καλύτερης προσαρµογής της µεταβαλλόµενης παραγωγής ενέργειαςτου συστήµατος προς την κατανάλωση.
Οι λέξεις ‘’καλύτερος’’, ‘’βέλτιστος’’, υποδηλώνουν βελτιστοποίηση τόσο από τεχνικής όσο και κυρίως οικονοµικής σκοπιάς. Μια 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 οικονοµικά ανταγωνιστική µε τις άλλες συµβατικέςπηγές ενέργειας.
Κατάταξη αιολικών µηχανών
Οι αιολικές µηχανές αποτελούν ανθρώπινες επινοήσεις, που έχουν σαν σκοπό την αξιοποίηση του µεγαλύτερου δυνατού ποσοστού της κινητικής ενέργειας του ανέµου. Τελικός στόχος είναι η µετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ωφέλιµη ενέργεια, δηλαδή σε οποιαδήποτε εύχρηστη µορφή ενέργειας, άµεσα απολήψιµης από τον άνθρωπο. Λέγεται δε ότι µέχρι σήµερα έχουν επινοηθεί και εφαρµοσθεί περισσότεροι τύποι ανεµοκινητήρων από οποιαδήποτε άλλο τύπο εφεύρεσης, χωρίς όµως να επιτευχθεί µέχρι σήµερα ο επιθυµητός βαθµός εκµετάλλευσης της ενέργειας του ανέµου.
Οι επικρατέστεροι τύποι ανεµογεννητριών ταξινοµούνται κυρίως σύµφωνα µε τον προσανατολισµό των αξόνων τους σε σχέση µε τη ροή του ανέµου. Ως εκ τούτου οι πλέον διαδεδοµένοι τύποι ανεµοκινητήρων είναι οι ανεµογεννήτριες ‘’οριζόντιου’’ και οι ανεµογεννήτριες ‘’κατακόρυφου’’ άξονα (Σχήµα 2.3).
Οι ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν συνήθως τον άξονά τους παράλληλο προς την κατεύθυνση του ανέµου (head on), ενώ σε µερικές περιπτώσεις έχουµε ανεµογεννήτριες των οποίων ο άξονας είναι παράλληλος προς την επιφάνεια της γης και κάθετος προς την κατεύθυνση του ανέµου (cross-wind).
Οι υφιστάµενες αιολικές µηχανές κατατάσσονται επίσης σε ταχύστροφες και σε αργόστροφες, ανάλογα µε την ταχύτητα περιστροφής τους ή ακριβέστερα ανάλογα µε την τιµή της παραµέτρου περιστροφής ‘’λ’’.
Η ταχύτητα περιστροφής µιας ανεµογεννήτριας εξαρτάται εκτός από τις αεροδυναµικές παραµέτρους και από το µέγεθος των πτερυγίων της µηχανής, δεδοµένου ότι πρέπει να ληφθούν υπόψη λόγοι στατικής αντοχής, φαινόµενα δυναµικών καταπονήσεων και ταλαντώσεων, φυγόκεντρες δυνάµεις κ.λ.π. Επιπλέον καθοριστικό ρόλο παίζει και η διασύνδεση ή µη της εγκατάστασης µε το ηλεκτρικό δίκτυο, δεδοµένου ότι σε περιπτώσεις σύγχρονων ηλεκτρογεννητριών διασυνδεδεµένων µε το δίκτυο, το παραγόµενο ηλεκτρικό ρεύµα πρέπει να έχει τη συχνότητα του κεντρικού δικτύου, δηλαδή 50 Hz για τη χώρα µας και τις χώρες της Ε.Ε., και 60 Ηz για τις Η.Π.Α.
Ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα
Επιπλέον οι ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα µπορούν να έχουν ένα, δύο, τρία ή ακόµα και πενήντα πτερύγια, ενώ η πτερωτή τους µπορεί να τοποθετηθεί είτε σε προσήνεµη διάταξη (up wind),
δηλαδή µπροστά από τον πύργο στήριξης, είτε σε υπήνεµη διάταξη (down wind), δηλαδή πίσω από τον πύργο στήριξης σε σχέση µε την διεύθυνση του ανέµου.
Ανάµεσα στις ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα συγκαταλέγονται οι κλασικοί παραδοσιακοί ανεµόµυλοι (π.χ. τύπου Μυκόνου) καθώς και οι αργές µηχανές πολλών πτερυγίων ‘’αµερικανικού τύπου’’, οι οποίες λόγω των περιορισµένων διαστάσεών τους και της χαµηλής περιφερειακής τους ταχύτητας έχουν εγκαταλειφθεί σήµερα, αν και εµφανίζουν σχετικά µεγάλες ροπές λειτουργίας. Στο παρελθόν κατασκευάσθηκαν σε βιοµηχανική κλίµακα αντίστοιχες µηχανές και βρήκαν ευρεία εφαρµογή για την άντληση νερού και άλλες γεωργικές χρήσεις.
Από την άλλη πλευρά στην κατηγορία των αιολικών µηχανών οριζοντίου άξονα περιλαµβάνονται και οι ανεµογεννήτριες που χρησιµοποιούνται κατά κύριο λόγο σήµερα (περίπου το 90% του συνόλου των εγκατεστηµένων παγκοσµίως µηχανών), και οι οποίες ονοµάζονται ανεµογεννήτριες τύπου ‘’έλικας’’. Οι µηχανές αυτές εµφανίζουν σηµαντικές περιφερειακές ταχύτητες, ενώ τα πτερύγια τους που είναι συνήθως ένα έως τρία, βασίζονται στην τεχνολογία των αεροπορικών ελίκων αλλά και σ’ αυτή της έλικας των ελικοπτέρων. Ένα από τα βασικά τους χαρακτηριστικά είναι ο µεγάλος αεροδυναµικός βαθµός απόδοσής τους, αλλά και η βέλτιστη λειτουργία τους σε µεγάλες τιµές της παραµέτρου περιστροφής ‘’λ’’, µε αποτέλεσµα την αρκετά µεγάλη σχετική ταχύτητα προσβολής των πτερυγίων από τον άνεµο(Σχήµα 2.4).
Οι πρώτοι δροµείς που κατασκευάσθηκαν είχαν πλατιά πτερύγια, ενώ σήµερακατασκευάζονται µηχανές µε αρκετά λεπτά πτερύγια. Στις ανεµογεννήτριες τύπου ‘’έλικας’’ γίνεται ρύθµιση της ταχύτητας περιστροφής της πτερωτής και για λόγους προστασίας της σε περιπτώσεις πολύ ισχυρών ανέµων, είτε µε τη
χρήση ειδικών αεροδυναµικών βοηθηµάτων (π.χ.’’flaps’’) στην άκρη των πτερυγίων είτε µε τη στροφή της πτερωτής υπό γωνία σε σχέση µε τη διεύθυνση του ανέµου. Η αιολική ισχύς από την πτερωτή µεταφέρεται είτε µέσω συστήµατος µετάδοσης κίνησης (οδοντωτοί τροχοί) στη βάση του πύργου στήριξης, είτε από τον άξονα της πτερύγωσης στην ηλεκτρική γεννήτρια, που βρίσκεται συνήθως και αυτή στον πύργο στήριξης. Οι ανεµογεννήτριες οριζόντιου άξονα συνεχίζουν να αναπτύσσονται και σήµερα, ενώ έχουν κατασκευασθεί ή κατασκευάζονται µονάδες µε ισχύ, που κυµαίνεται από µερικές εκατοντάδες Watt έως και αρκετά MW. Τέλος έχουν επινοηθεί και προταθεί κατά καιρούς διάφορες µηχανές τύπου ‘’cross-wind’’, οι οποίες όµως δεν είναι περισσότερο αποτελεσµατικές σε σύγκριση µε τους άλλους τύπους. Αντίθετα οι συγκεκριµένες ανεµογεννήτριες παρουσιάζουν προβλήµατα όσον αφορά τη
συλλογή της παραγόµενης ενέργειας καθώς και τη ρύθµιση της διεύθυνσης της πτερωτή σε περιπτώσεις έντονων µεταβολών της διεύθυνσης του ανέµου.
Όσον αφορά τα προβλήµατα που αντιµετωπίζει η βιοµηχανία κατασκευής ανεµογεννητριών οριζόντιου άξονα, και κυρίως ο µηχανές τύπου έλικα είναι:
• Ο βέλτιστος σχεδιασµός του δροµέα, µε σκοπό τη βελτίωση των χαρακτηριστικών λειτουργίας της µηχανής. Στόχος είναι να βρεθεί ένας βέλτιστος σχεδιασµός των παραµέτρων που συνθέτουν το δροµέα της ανεµογεννήτριας, δηλαδή του αριθµού πτερυγίων, της διανοµής του πλάτους του πτερυγίου, της κατάλληλης αεροτοµής που θα χρησιµοποιηθεί για τη σύνθεση του πτερυγίου, της συστροφής του πτερυγίου, της διανοµής βήµατος κ.λ.π.
H υπάρχουσα εµπειρία στον τοµέα των αιολικών µηχανών ενισχύεται µε τα αποτελέσµατα της σύγχρονης έρευνας, αν και το θέµα βέλτιστου σχεδιασµού του δροµέα µιας µηχανής παραµένει και θα παραµείνει ανοικτό για πολλά ακόµα χρόνια.
• Η συµπεριφορά του δροµέα σε ειδικές καταστάσεις, όπως η εκκίνηση, η επιτάχυνση, η επιβράδυνση καθώς και άλλα δυναµικά φαινόµενα. Ένα κρίσιµο θέµα της κατηγορίας αυτής αποτελεί η ροπή εκκίνησης του δροµέα, ενώ ενδιαφέρον παρουσιάζει και η συµπεριφορά της πτερωτής σε χρονικά µεταβαλλόµενο πεδίο ροής παρουσία τύρβης, αλλά και βάση της διανοµής της ταχύτητας τύπου οριακού στρώµατος του ανέµου λόγω της επίδρασης του εδάφους.
• Η ρύθµιση του βήµατος των πτερυγίων και οι αντίστοιχοι αυτοµατισµοί, που σχετίζονται µετην έναρξη και την παύση λειτουργίας του ανεµοκινητήρα. Η ρύθµιση του βήµατος γίνεται είτε σε ολόκληρο το πτερύγιο είτε σε µέρος του, µε σκοπό αφενός τον περιορισµό της ισχύος σε υψηλές ταχύτητες ανέµου, αφετέρου τη διατήρηση σταθερών στροφών της µηχανής. Επίσης, µεταβολή του βήµατος γίνεται µε σκοπό την επίτευξη του µέγιστου βαθµού απόδοσης της πτερωτής για διάφορες τιµές της ταχύτητας του ανέµου, καθώς και για τη µεγιστοποίηση της ροπής για διευκόλυνση της εκκίνησης της µηχανής. Επιπλέον, τα συστήµατα αυτοµατισµών πρέπει να επιτρέπουν την εκκίνηση της πτερωτής για ταχύτητα ανέµου ίση µε την ταχύτητα ενάρξεως λειτουργίας της ανεµογεννήτριας, και να διακόπτουν την λειτουργία της πτερωτής για πολύ υψηλές ταχύτητες ανέµου ή σε περιπτώσεις που η παραγόµενη αιολική ισχύς δεν γίνεται αποδεκτή από το δίκτυο.
• Προσανατολισµός του άξονα του δροµέα προς την κατεύθυνση του ανέµου, ο οποίος επιτυγχάνεται είτε µε τη χρήση καθοδηγητικού πτερυγίου, είτε µε κατάλληλα αισθητήρια που καταγράφουν τη στιγµιαία διεύθυνση του ανέµου και προσανατολίζουν ηλεκτρονικά µε τη χρήση σερβοµηχανισµού την πτερωτή στη διεύθυνση του ανέµου.
• Προβλήµατα αντοχής των υλικών που αφορούν την κατασκευή και την έδραση των πτερυγίων. Τα προβλήµατα αυτά αποτελούν ίσως τα βασικότερα προβλήµατα κατασκευής ανεµοκινητήρων υψηλής αξιοπιστίας, δεδοµένου ότι ο άνεµος εξασκεί πάνω στα πτερύγια και στις αντίστοιχες εδράσεις τους σηµαντικές δυνάµεις, ιδιαίτερα για µεγάλων διαστάσεων µηχανές. Ένας επιπλέον κίνδυνος προέρχεται από το γεγονός ότι οι εξασκούµενες τάσεις είναι εναλλασσόµενες, ενώ υπάρχει αυξηµένος κίνδυνος ιδιοσυντονισµού της πτερωτής, λόγω των εµφανιζόµενων ταλαντώσεων. Επίσης, δεν πρέπει να παραλείπεται το γεγονός ότι ο δροµέας µιας ανεµογεννήτριας βρίσκεται εκτεθειµένος σε αρκετά δύσκολες καιρικές συνθήκες µε αποτέλεσµα να έχουµε επιταχυνόµενη φθορά των υλικών, που συνδυάζουν χαµηλό κόστος και επιθυµητή αντοχή, είναι καθοριστικό στην επιτυχία κάθε ανεµοκινητήρα στην ενεργειακή αγορά.
• Καθορισµός του ύψους του δροµέα επάνω από το έδαφος. Ο ακριβής καθορισµός του ύψους του δροµέα από το έδαφος πρέπει να συνεκτιµά τη µορφή του πεδίου ροής, που προσβάλλει την πτερωτή (τραχύτητα εδάφους, εµπόδια κ.λ.π.) και εξετάζεται αναλυτικά σε επόµενο κεφάλαιο. Εν γένει έχουµε αύξηση της ταχύτητας του ανέµου µε το ύψος, µε παράλληλη όµως αύξηση και της δαπάνης κατασκευής της εγκατάστασης. Απαιτείται συνεπώς µια πλήρης οικονοµοτεχνική µελέτη για τον καθορισµό του βέλτιστου ύψους µιας ανεµογεννήτριας, αν και οι κατασκευάστριες εταιρίες σήµερα διαθέτουν τις µηχανές τους σε ένα ή δύο προκαθορισµένα ύψη, που ξεκινούν κατά κανόνα από την τιµή της διαµέτρουπου δροµέα της µηχανής.
• Κατασκευή του πύργου στηρίξεως και θεµελίωσή του. Ο πύργος στηρίξεως πρέπει νασυνδυάζει το κατάλληλο αεροδυναµικό σχήµα µε τη σταθερότητα και την αντοχή σεχρονικά µεταβαλλόµενες καταπονήσεις. Επιπλέον πρέπει να µελετηθούν φαινόµενα αλληλεπίδρασης περιστρεφόµενων πτερυγίων και πύργου στηρίξεως καθώς και η θεµελίωση ανεµοκινητήρων σε εδάφη περιορισµένης στερεότητας, όπως ο βυθός της θάλασσας. Τα προβλήµατα αλληλεπίδρασης είναι πλέον σηµαντικά για µηχανές µε την πτερωτή τους σε υπήνεµη διάταξη.
• Μελέτη του πεδίου ροής πίσω από την πτερωτή και η επίδραση του όµορου στο περιβάλλον καθώς και σε πιθανές επόµενες ανεµογεννήτριες. Στόχος της εν λόγω ανάλυσης είναι η µελέτη της αλληλεπίδρασης ανεµοκινητήρων σε διάφορες διατάξεις καθώς και ο καθορισµός της ελάχιστης επιτρεπτής απόστασης µεταξύ των µηχανών, µε τον περιορισµό της χρήσης του ελάχιστου δυνατού εµβαδού, ώστε να µεγιστοποιείται ηαξιοποίηση της γης.
Περιγραφή ανεµογεννήτριας οριζόντιου άξονα
Η επιλογή του πλήθους των πτερυγίων σχετίζεται µε την αεροδυναµική φόρτιση των πτερυγίων, µε το βαθµό απόδοσής τους, µε το κόστος κατασκευής της ανεµογεννήτριας καθώς και µε θέµατα αντοχής και συντονισµού λόγω ταλαντώσεων (προβλήµατα ιδιοσυχνοτήτων). Επιπλέον, θέµατα που συνεκτιµώνται είναι η κυκλική µεταβολή της ροπής της µηχανής λόγω της καθ’ ύψος µεταβολής της ταχύτητας του ανέµου, καθώς και τα θέµατα ζυγοστάθµισης των πτερυγίων. Για τον περιορισµό της κυκλικής µεταβολής του φορτίου των πτερυγίων δίνεται µια µικρή κλίση (έως και 10ο) του άξονα περιστροφής ως προς το οριζόντιο. Τέλος, για λόγους περιορισµού των καµπτικών τάσεων πάνω στα πτερύγια, επιβάλλεται συνήθως µια µικρή κωνικότητα αυτών που δεν ξεπερνά τις 10ο σχήµα 2.6.
Για λόγους ασφάλειας της ανεµογεννήτριας, τα πτερύγια είναι συνήθως εφοδιασµένα µε συστήµατα αεροδυναµικής πέδησης (αερόφρενα), τα οποία διακόπτουν τη λειτουργία της µηχανής σε έκτακτες περιπτώσεις. Σε ειδικές κατασκευές εκτός από την παρουσία των αερόφρενων (π.χ.
επίπεδες πλάκες κάθετες στην επιφάνεια του πτερυγίου) χρησιµοποιούνται και µικρά αλεξίπτωτα, που απελευθερώνονται φυγοκεντρικά µετά από κάποιο όριο στροφών και επιβραδύνουν την ανεµογεννήτρια.
Για τη βελτίωση της συνολικής συµπεριφοράς µιας πτερωτής ανεµογεννήτριας, χρησιµοποιούνται πτερωτές µεταβλητού βήµατος σε αντιδιαστολή µε τις απλούστερες περιπτώσεις πτερωτών σταθερού βήµατος. Η µεταβολή του βήµατος µιας πτερωτής συνίσταται στην περιστροφή του πτερυγίου γύρω από το διαµήκη άξονά του, µε αποτέλεσµα τη µεταβολή της γωνίας προσβολής του από τον άνεµο. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η διατήρηση σταθερής ταχύτητας περιστροφής της ανεµογεννήτριας, η βελτιστοποίηση της αεροδυναµικής απόδοσης των πτερυγίων, ο έλεγχος της παραγόµενης ισχύος, ο περιορισµός των δυνάµεων που καταπονούν τα πτερύγια κ.α. Η πλήµνη αποτελεί το δεύτερο συστατικό της πτερωτής (δροµέα) και περιλαµβάνει εκείνο το
µέρος της ανεµογεννήτριας πάνω στο οποίο προσαρµόζονται τα πτερύγια. Η τελική της µορφή εξαρτάται τόσο από το είδος της πτερωτής όσο και από τους επιθυµητούς βαθµούς ελευθερίας στη θέση σύνδεσης πτερυγίων και άξονα. Ο άξονας της ανεµογεννήτριας κατασκευάζεται από ειδικό ενισχυµένο χάλυβα, ώστε να δύναται να µεταφέρει ισχυρές µη µόνιµες στρεπτικές και καµπτικές ροπές, ενώ η έδρασή του γίνεται συνήθως σε δύο ένσφαιρα έδρανα ικανά να παραλαµβάνουν τόσο το βάρος του άξονα όσο και τα εξασκούµενα φορτία.
Η δυνατότητα περιστροφής του άξονα σε διεύθυνση παράλληλη προς αυτή του ανέµου εξασφαλίζεται µε τη χρήση καθοδηγητικών πτερυγίων και ειδικών αυτοµατισµών. Η πλέον σύγχρονη µέθοδος προσανατολισµού στηρίζεται στη χρήση ειδικού αισθητηρίου και σερβοµηχανισµού, που περιστρέφει την άτρακτο της µηχανής (υπερκατασκευή) µε τη βοήθεια οδοντωτής περιστροφής. Ένα από τα σπουδαιότερα µέρη της ανεµογεννήτριας είναι το σύστηµα µετάδοσης της κίνησης, που περιλαµβάνει διβάθµιο ή τριβάθµιο κιβώτιο µετασχηµατισµού της χαµηλής ταχύτητας περιστροφής της πτερωτής (συνήθως 20 έως 110 rpm) σε υψηλότερες ταχύτητες περιστροφής (άνω των 1000 rpm), στις οποίες λειτουργούν συνήθως οι ηλεκτρικές γεννήτριες. Ο τυπικός βαθµός απόδοσης ενός διβάθµιου συστήµατος µετάδοσης είναι περίπου 96%, ενώ για λόγους ασφαλείας η µέγιστη µεταφερόµενη ισχύς πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια της ονοµαστικής ισχύος της ανεµογεννήτριας. Το σύστηµα κίνησης περιλαµβάνει επίσης, υδραυλικό ή µηχανικό φρένο και ελαστικούς
συνδέσµους απορρόφησης στρεπτικών ταλαντώσεων. Το µηχανικό φρένο τηςανεµογεννήτριας τοποθετείται είτε στον άξονα υψηλής ταχύτητας περιστροφής, οπότε απαιτείται µικρή σχετικά δύναµη πέδησης, αλλά δεν προστατεύεται η πτερωτή από απώλεια φορτίου ή θραύση του συστήµατος µετάδοσης κίνησης, είτε στον άξονα χαµηλής ταχύτητας περιστροφής. Στην τελευταία περίπτωση λόγω της µεγάλης ροπής πέδησης απαιτείται φρένο αυξηµένων διαστάσεων, βάρους και κόστους. Στην περίπτωση όµως αυτή προστατεύεται καλύτερα η πτερωτή και το κιβώτιο µετάδοσης , γι’ αυτό και αποτελεί τη βέλτιστη τεχνικά λύση.
Τέλος, για λόγους πρόσθετης ασφάλειας, απαιτείται η αυτόµατη ενεργοποίηση του φρένου µε τη βοήθεια ελατηρίου, στην περίπτωση πτώσης της υδραυλικής πίεσης ή της ηλεκτρικής τάσης για την περίπτωση ηλεκτροµαγνητικού συστήµατος πέδησης.
Για την προστασία των τµηµάτων της ανεµογεννήτριας από τις καιρικές συνθήκες χρησιµοποιείται ειδικό κέλυφος από σύνθετο υλικό, π.χ. ειδικά κράµατα χάλυβα ή αλουµινίου, που στην περιοχή της πλήµνης πρέπει να έχει και αεροδυναµική µορφή. Επιπλέον, το κέλυφος τη ανεµογεννήτριας πρέπει να έχει αντιδιαβρωτική προστασία.
Ο πύργος στηρίξεως της ανεµογεννήτριας αποτελείται συνήθως είτε από ένα µεταλλικό δικτύωµα, είτε από µια στήλη µπετόν ή µεταλλικό σωλήνα για µεγαλύτερες ανεµογεννήτριες.
Στην τελευταία περίπτωση υπάρχει ειδική µέριµνα για εσωτερική σκάλα, ενώ για ανεµογεννήτριες µεγάλων διαστάσεων υπάρχει πρόσθετη µέριµνα για εγκατάσταση ανελκυστήρα. Το ελάχιστο ύψος του πύργου στηρίξεως είναι συνήθως ίσο µε τη διάµετρο της
πτερωτής, ενώ κατά την εκλογή του πρέπει να ληφθούν υπόψιν τόσο το αυξηµένο κόστος κατασκευής και θεµελίωσης για µεγάλα ύψη όσο και η δυνατότητα αξιοποίησης υψηλότερων ταχυτήτων του ανέµου, µε την αύξηση του ύψους τοποθέτησης της πτερωτής.
Ολοκληρώνοντας τη σύντοµη περιγραφή των βασικών τµηµάτων µιας ανεµογεννήτριας πρέπει να αναφέρουµε και την ύπαρξη των ηλεκτρικών γεννητριών, που χρησιµοποιούνται για
µετατροπή της µηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική, καθώς και των συστηµάτων αυτοµατισµού.
Εν συντομία µία αναφέρουμεµε ότι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιµοποιούνταν κυρίως σύγχρονες και ασύγχρονες γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος και σπανιότερα ηλεκτρικές γεννήτριες συνεχούς ρεύµατος.
Αναρτήσεις
