Χωροθέτηση αιολικών πάρκων

Η αιολική ισχύς μειώνεται από φυσικά ή τεχνητά εμπόδια, όπως δέντρα, κτήρια κλπ. Η επίδραση ενός εμποδίου που παρεμβάλλεται στη ροή του ανέμου στην αιολική ισχύ μπορεί να επεκταθεί καθ’ ύψος έως δύο φορές το ύψος του εμποδίου και κατά μήκος έως είκοσι φορές το ύψος του εμποδίου κατά την κατεύθυνση πνοής του ανέμου (βλέπε σχήμα 1). Αν μία ανεμογεννήτρια βρίσκεται εντός της περιοχής στην οποία η ροή του ανέμου επηρεάζεται από ένα εμπόδιο, η διαθέσιμη προς αξιοποίηση αιολική ισχύς θα είναι μειωμένη, σε σχέση με την ισχύ του ανέμου πριν το εμπόδιο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αεροδυναμική σκίαση ανεμογεννητριών, ή απλά σκίαση ανεμογεννητριών. Η περιοχή μειωμένης αιολικής ισχύος πίσω από το εμπόδιο ονομάζεται ομόρρους.

Σχήμα 1: Η επίδραση ενός εμποδίου στη ροή του ανέμου [1].

Εντός του ομόρρου ενός εμποδίου η ροή του ανέμου εμφανίζει υψηλή τύρβη και μειωμένη κινητική ενέργεια (βλέπε σχήμα 2). Εκτός από τη μειωμένη αιολική ισχύ εντός του ομόρρου, η έντονη τυρβώδης ροή δύναται να προκαλέσει ισχυρή καταπόνηση λόγω κόπωσης στα φτερά μιας ανεγεμοννήτριας, που μακροπρόθεσμα μπορεί να οδηγήσει σε μηχανική αστοχία. Η χωροθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο, δηλαδή ο ακριβής καθορισμός των θέσεων εγκατάστασης των ανεμογεννητριών εντός των ορίων του γηπέδου εγκατάστασης του αιολικού πάρκου, θα πρέπει να εκτελεστεί λαμβάνοντας υπόψη όλα τα υφιστάμενα εμπόδια στην ευρύτερη περιοχή, ώστε να αποφευχθεί το φαινόμενο της σκίασης.

Σχήμα 2: Η ανάπτυξη ομόρρου κατά τη ροή του ανέμου πίσω από ένα εμπόδιο [1].

Η αεροδυναμική σκίαση σε μία ανεμογεννήτρια μπορεί να προκύψει και από άλλες ανεμογεννήτριες του αιολικού πάρκου. Η πτερωτή μιας ανεμογεννήτριας δεσμεύει μέρος από την κινητική ενέργεια του πνέοντος ανέμου και τη μετατρέπει σε ηλεκτρική. Πίσω από την πτερωτή της ανεμογεννήτριας η κινητική ενέργεια του ανέμου εμφανίζεται μειωμένη κατά το 1/3 περίπου σε σχέση με αυτήν μπροστά από την πτερωτή. Η περιοχή πίσω από την πτερωτή της ανεμογεννήτριας, στην οποία η κινητική ενέργεια του ανέμου είναι μειωμένη, ονομάζεται περιοχή σκίασης της ανεμογεννήτριας. Το πλάτος της περιοχής σκίασης μιας ανεμογεννήτριας αυξάνεται με την απόσταση από την πτερωτή της ανεμογεννήτριας. Η ταχύτητα του ανέμου εντός της περιοχής σκίασης αυξάνεται σταδιακά επίσης με την απόσταση από την πτερωτή της ανεμογεννήτριας. Η κινητική ενέργεια του ανέμου αποκαθίσταται πλήρως σε απόσταση κατά την κατεύθυνση πνοής του ανέμου περίπου ίση με είκοσι φορές τη διάμετρο της πτερωτής (βλέπε σχήμα 3).

Σχήμα 3: Η ανάπτυξη της περιοχής σκίασης μιας ανεμογεννήτριας πίσω από την πτερωτή και κατά την κατεύθυνση πνοής του ανέμου [1].

Το ποσοστό της μείωσης της αιολικής ενέργειας που δέχεται μία ανεμογεννήτρια λόγω του ότι βρίσκεται εντός της περιοχής σκίασης μιας άλλης ανεμογεννήτριας ονομάζεται απώλειες σκίασης. Ένας συνολικός συντελεστής απωλειών σκίασης ίσος με 5% σε ένα αιολικό πάρκο σημαίνει ότι η συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το σύνολο των ανεμογεννητριών του αιολικού πάρκου θα ισούται με το 95% της συνολικής παραγωγής των ανεμογεννητριών, που θα προέκυπτε αν δεν υπήρχε σκίαση μεταξύ των ανεμογεννητριών ή από εξωτερική εμπόδια. Οι απώλειες σκίασης σε ένα αιολικό πάρκο εξαρτώνται από:

  • τις αποστάσεις μεταξύ των ανεμογεννητριών
  • τις σχετικές θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών
  • τις κύριες διευθύνσεις πνοής του ανέμου και τη συχνότητα με την οποία εμφανίζονται.

Η σωστή χωροθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις ανωτέρω τρεις παραμέτρους και να στοχεύει στην ελαχιστοποίηση των απωλειών σκίασης σε όλες τις ανεμογεννήτριες και συνολικά στο αιολικό πάρκο. Πριν από τη χωροθέτηση των ανεμογνενητριών θα πρέπει πάνω στο χάρτη αιολικού δυναμικού να εντοπιστούν οι δυνητικές θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών με το υψηλότερο αιολικό δυναμικό. Είναι προφανές ότι, ανεξάρτητα από τη συνολική διαθέσιμη έκταση του γηπέδου του αιολικού πάρκου, οι ανεμογεννήτριες εγκαθίστανται σε συγκεκριμένες θέσεις που εμφανίζουν ικανοποιητικό αιολικό δυναμικό, κατά προτίμηση το υψηλότερο διαθέσιμο, ώστε να μεγιστοποιηθεί η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αυτές. Το κατώτατο αποδεκτό όριο αιολικού δυναμικού για εγκατάσταση ανεμογεννητριών καθορίζεται με βάση τις προσδοκίες και τις απαιτήσεις του επενδυτή. Αφού καθοριστούν οι αποδεκτές θέσεις για την εγκατάσταση των ανεμογεννητριών εντός των ορίων του συνολικού διαθέσιμου γηπέδου εγκατάστασης, ξεκινά η χωροθέτηση των ανεμογεννητριών. Η ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών ανεμογεννητριών χωροθετημένων σε άξονα κάθετο με την κύρια κατεύθυνση πνοής του ανέμου θα πρέπει να καθορίζεται τουλάχιστον ίση με 2,5-3.0∙D, όπου D είναι η διάμετρος της πτερωτής των ανεμογεννητριών. Η ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο ανεμογεννητριών χωροθετημένων σε άξονα παράλληλο με την κύρια κατεύθυνση πνοής του ανέμου θα πρέπει να τηρείται τουλάχιστον ίση με 7∙D (σχήμα 4). Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται η χωροθέτηση ενός υπεράκτιου αιολικού πάρκου, στην οποία η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών ανεμογεννητριών σε άξονα κάθετο με την κύρια κατεύθυνση πνοής του ανέμου διατηρείται ίση με 5∙D.

Σχήμα 4: Η χωροθέτηση των ανεμογεννητριών σε σειρές κάθετες και παράλληλες με την κύρια διεύθυνση πνοής του ανέμου σε υπεράκτιο αιολικό πάρκο. Οι συμβολισμοί S1, S2, … αντιστοιχούν στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.

Στη συνέχεια δίνονται μερικά παραδείγματα χωροθέτησης αιολικών πάρκων.

Στο σχήμα 5 παρουσιάζεται η τελική χωροθέτηση επτά ανεμογεννητριών με ονομαστική ισχύ 3.000kW και διάμετρο πτερωτής 90m, σε κορυφογραμμή στη νότια Κρήτη. Στο ίδιο σχήμα παρουσιάζεται το ροδόγραμμα πνοής ανέμου με βάση μετρήσεις αιολικού δυναμικού διάρκειας εννέα μηνών. Οι ανεμογεννήτριες έχουν εγκατασταθεί σε θέσεις με μέσες ετήσιες ταχύτητες ανέμου υψηλότερες των 8m/s. Η μορφολογία της κορυφογραμμής επιτρέπει τη χωροθέτηση των ανεμογεννητριών σε άξονα κάθετο με την κύρια διεύθυνση πνοής του ανέμου. Οι ευνοϊκές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή και ο μικρός αριθμός ανεμογεννητριών επιτρέπουν τη χωροθέτησή τους κατά τρόπο που συνεπάγεται ελαχιστοποίηση των ετήσιων απωλειών σκίασης σε κάθε ανεμογεννήτρια σε ποσοστά μικρότερα του 1%.

Σχήμα 5: Χωροθέτηση αιολικού πάρκου ισχύος 21MW στη νότια Κρήτη. Οι συμβολισμοί S1, S2, … αντιστοιχούν στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.

Στα σχήματα 6 και 7 παρουσιάζονται δύο εναλλακτικές χωροθετήσεις αιολικού πάρκου δώδεκα ανεμογεννητριών με ονομαστική ισχύ 3MW και διάμετρο πτερωρής 90m. Στα ίδια σχήματα παρουσιάζονται τα ροδογράμματα πνοής ανέμου με βάση ετήσιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού. Ο αριθμός των ανεμογεννητριών και η χαμηλή διαθεσιμότητα της έκτασης του γηπέδου εγκατάστασης περιορίζουν τις δυνατότητες για βέλτιστη χωροθέτηση των ανεμογεννητριών του αιολικού πάρκου. Με την πρώτη χωροθέτηση που παρουσιάζεται στο σχήμα 5, η ανεμογεννήτρια S9 χωροθετείται στον ομόρρου της ανεμογεννήτριας S12 και η ανεμογεννήτρια S8 χωροθετείται στους ομόρρους των ανεμογεννητριών S7 και S9, αναφορικά με την κύρια κατεύθυνση πνοής του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες S8 και S9 εμφανίζουν ετήσιες απώλειες σκίασης 12,32% και 13,97% αντίστοιχα.

Σχήμα 6: Πρώτη χωροθέτηση αιολικού πάρκου στη νότια Κρήτη. Οι συμβολισμοί S1, S2, … αντιστοιχούν στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.

Με τη δεύτερη εναλλακτική χωροθέτηση, η οποία παρουσιάζεται στο σχήμα 7, η ανεμογεννήτρια S9 χωροθετείται σε διαφορετική θέση. Οι ετήσιες απώλειες σκίασης των ανεμογεννητριών S8 και S9 μειώνονται αντίστοιχα σε 11,18% και 10,30%.

Και με τις δύο χωροθετήσεις οι ανεμογεννήτριες χωροθετούνται σε θέσεις με μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου μεγαλύτερη από 9m/s.

Σχήμα 7: Εναλλακτική χωροθέτηση αιολικού πάρκου στη νότια Κρήτη. Οι συμβολισμοί S1, S2, … αντιστοιχούν στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.

Τέλος, στο σχήμα 8 παρουσιάζεται η χωροθέτηση ενός μεγάλου αριθμού ανεμογεννητριών με ονομαστική ισχύ 5MW και διάμετρο πτερωτής 105m σε υπεράκτιο αιολικό πάρκο νοτιοδυτικά της Καρπάθου. Οι ανεμογεννήτριες χωροθετήθηκαν σε γραμμές κάθετες στην κύρια κατεύθυνση πνοής του ανέμου. Επιπλέον, κάθε ανεμογεννήτρια χωροθετείται στο διάκενο που σχηματίζεται μεταξύ δύο γειτονοικών ανεμογεννητριών της σειράς που βρίσκεται μπροστά από αυτή, αναφορικά με την κύρια κατεύθυνση πνοής του ανέμου. Η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών ανεμογεννητριών στην ίδια γραμμή διατηρείται ίση με 5 D. Η απόσταση μεταξύ δύο γραμμών χωροθέτησης κάθετων στην κύρια κατεύθυνση πνοής διατηρείται ίση με 7 D. Με αυτές τις βασικές αρχές χωροθέτησης, επιτυγχάνονται ετήσια ποσοστά απωλειών σκίασης στις ανεμογεννήτριες μεταξύ 2,33% και 8,50%.

Σχήμα 8: Χωροθέτηση υπεράκτιου αιολικού πάρκου στα νοτιοδυτικά της Καρπάθου. Οι συμβολισμοί S1, S2, … αντιστοιχούν στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.

Η χωροθέτηση των ανεμογεννητριών ενός αολικού πάρκου, με βάση την ανωτέρω μεθοδολογία, βασίζεται αποκλειστικά στην ελαχιστοποίηση των απωλειών σκίασης. Τούτος είναι συνήθως ο βασικός στόχος που επιδιώκεται κατά τη βελτιστοποίηση χωροθέτησης ενός αιολικού πάρκου. Ο υπολογισμός των απωλειών σκίασης εκτελείται κατά την ανάπτυξη του χάρτη αιολικού δυναμικού, με δεδομένα τη μορφολογία του εδάφους και τις μετρήσεις αιολικού δυναμικού.

Ωστόσο, η μεγιστοποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ένα αιολικό πάρκο μέσω της ελαχιστοποίησης των απωλειών σκίασης δεν είναι η μόνη παράμετρος που λαμβάνεται υπόψη κατά τη χωροθέτηση των ανεμογεννητριών. Σημαντικό ρόλο μπορούν επίσης να παίξουν οι πιθανές επιπτώσεις του αιολικού πάρκου στο ανθρωπογενές και φυσικό περιβάλλον, ειδικά οι ακόλουθες:

  • η οπτική επαφή σε γειτνιάζουσες περιοχές ειδικής πολιτιστικής, οικονομικής ή περιβαλλοντικής σημασίας
  • οι εκπομπές θορύβου
  • η φυσική σκίαση των περιστρεφόμενων πτερυγίων σε γειτνιάζοντες οικισμούς.

Στα σχήμα 9-12 παρουσιάζονται χάρτες και μηκοτομές διάχυσης θορύβου από ένα αιολικό πάρκο σε γειτνιάζοντα οικισμό για δύο διαφορετικά σενάρια αναφορικά με τη χωροθέτηση των ανεμογεννητριών. Στο πρώτο σενάριο (σχήματα 9, 10), η πλησιέστερη στον οικισμό ανεμογεννήτρια S1 βρίσκεται σε απόσταση 792m από αυτόν. Η στάθμη του εκπεμπόμενου θορύβου στα πλησιέστερα όρια του οικισμού εκτιμάται στα 43,5dB. Στο δεύτερο σενάριο (σχήματα 11, 12), η ανεμογεννήτρια S1 έχει αφαιρεθεί. Η πλησιέστερη τώρα στον οικισμό ανεμογεννήτρια (S2) βρίσκεται σε απόσταση 1.045m από αυτόν. Η στάθμη του εκπεμπόμενου θορύβου στα πλησιέστερα όρια του οικισμού εκτιμάται τώρα στα 41,8dB.

Σχήμα 9: Χάρτης διάχυσης θορύβου από το εξεταζόμενο αιολικό πάρκο με 12 ανεμογεννήτριες. Οι συμβολισμοί S1, S2, … αντιστοιχούν στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.

Σχήμα 10: Μηκοτομή διάχυσης θορύβου από το εξεταζόμενο αιολικό πάρκο με 12 ανεμογεννήτριες προς το γειτνιάζονται οικισμό.

Σχήμα 11: Χάρτης διάχυσης θορύβου από το εξεταζόμενο αιολικό πάρκο με 11 ανεμογεννήτριες (χωρίς την πλησιέστερη προς το γειτνιάζοντα οικισμό ανεμογεννήτρια). Οι συμβολισμοί S1, S2, … αντιστοιχούν στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.

Σχήμα 12: Μηκοτομή διάχυσης θορύβου από το εξεταζόμενο αιολικό πάρκο με 11 ανεμογεννήτριες προς το γειτνιάζονται οικισμό.

Στα σχήμα 13α και 13β παρουσιάζεται ένα παράδειγμα σχετικό με την οπτική αλλοίωση ενός αιολικού πάρκου σε γειτονική τουριστική περιοχή. Το εξεταζόμενο αιολικό πάρκο, το οποίο έχει ήδη παρουσιαστεί στον προηγηθέν σχήμα 4, αποτελείται από επτά ανεμογεννήτριες με συνολική ονομαστική ισχύ 21MW. Στο σχήμα 13α παρουσιάζεται η φωτορεαλιστική απεικόνιση του αιολικού πάρκου με σημείο θέασης τη νότια ακτογραμμή της Κρήτης, περίπου 4.000m από τη θέση του αιολικού πάρκου. Με βάση το σχήμα 13α, με την υφιστάμενη χωροθέτηση προκύπτει μία ελαφριά οπτική επαφή από την ακτογραμμή με τις ανεμογεννήτριες S2 και S3 (βλέπε σχήμα 4). Αν οι ανεμογεννήτριες αυτές αφαιρεθούν, η οπτική επαφή από την ακτογραμμή με τη θέση του αιολικού πάρκου απαλοίφεται (σχήμα 13β).

Σχήμα 13α: Φωτορεαλιστική απεικόνιση αιολικού πάρκου στη νότια Κρήτη.

Σχήμα 13β: Η ίδια με το προηγούμενο σχήμα άποψη, μετά την αφαίρεση των ανεμογεννητριών S2 και S3.

Πέρα από τις εν δυνάμει επιπτώσεις από τη λειτουργία ενός αιολικού πάρκου, διάφορες άλλες παράμετροι, όπως οι ελάχιστες απαιτούμενες αποστάσεις από τα όρια του γηπέδου εγκατάστασης του αιολικού πάρκου, η απαλοιφή διάτμησης των ανεμογεννητριών, τα γεωλογικά χαρακτηριστικά του εδάφους εγκατάστασης που επηρεάζουν τη θεμελίωση των ανεμογεννητριών κλπ, μπορούν να παίξουν καθοριστικό ρόλο κατά την επιλογή των τελικών θέσεων εγκατάστασης.

Με τα ανωτέρω αναφερόμενα παραδείγματα καταδεικνύεται ότι η χωροθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο είναι μία πολυπαραμετρική διαδικασία, με την ελαχιστοποίηση των απωλειών παραγωγής λόγω αεροδυναμικής σκίασης να παραμένει, συνήθως, η βασική παράμετρος.

 

 

Αναφορές

 

[1]  Γεώργιος Μπεργελές. Ανεμοκινητήρες. Εκδόσεις Συμεών, Αθήνα, 2005.