Ετήσια παραγωγή ενέργειας από αιολικό πάρκο

Ο υπολογισμός της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ένα αιολικό πάρκο εκτελείται μετά την εκτίμηση του αιολικού δυναμικού και την τελική, οριστική χωροθέτηση των ανεμογεννητριών. Ο υπολογισμός της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το αιολικό πάρκο επιτρέπει την εκτίμηση της ετήσιας πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας προς το διαχειριστή του συστήματος και, τελικά, των αναμενόμενων ακαθάριστων εσόδων της επένδυσης.

Η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ένα αιολικό πάρκο εκτελείται συνήθως από εξειδικευμένα λογισμικά, μετά την ανάπτυξη του χάρτη αιολικού δυναμικού. Η ανάπτυξη του χάρτη αιολικού δυναμικού παρέχει πληροφορίες απαραίτητες για τον υπολογισμό της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το αιολικό πάρκο. Τέτοιες πληροφορίες μπορεί να είναι οι τιμές των συντελεστών C και k της ετήσιας κατανομής πυκνότητας πιθανότητας Weibull της ταχύτητας ανέμου στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών ή ετήσιες χρονοσειρές ταχύτητας ανέμου σε χαρακτηριστικές θέσεις του γηπέδου εγκατάστασης. Με δεδομένες τις πληροφορίες αυτές, είναι δυνατός ο υπολογισμός της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το αιολικό πάρκο εισάγοντας επιπλέον την καμπύλη ισχύος του υπό εγκατάσταση μοντέλου ανεμογεννήτριας.

Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται τυπική καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας ονομαστικής ισχύος 850kW, ενώ στο σχήμα 2 παρουσιάζεται η κατανομή πυκνότητας πιθανότητας Weibull της ταχύτητας του ανέμου.

 

Σχήμα 1: Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας ονομαστικής ισχύος 850kW.

 

Σχήμα 2: Κατανομή πυκνότητας πιθανότητας της ταχύτητας του ανέμου κατά Weibull.

 

 

Η κατανομή Weibull δίνεται από τη σχέση 1:

 

(1)

Οι παράμετροι C και k εξαρτώνται από τη μέση τιμή της ταχύτητας ανέμου και τη διασπορά των τιμών γύρω από αυτή. Ονομάζονται αντίστοιχα παράμετρος μεγέθους και παράμετρος μορφής. Στη σχέση 1 με V συμβολίζεται η ταχύτητα του ανέμου. Διαφορετικές χρονοσειρές ταχύτητας ανέμου θα εμφανίζουν διαφορετικές κατανομές πυκνότητας πιθανότητας, οι οποίες προσεγγίζονται με την ανωτέρω εμπειρική σχέση με διαφορετικά ζεύγη τιμών C και k. 

 

Στον πίνακα 1 παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από μία ανεμογεννήτρια, με δεδομένα την καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας και την κατανομή Weibull της ταχύτητας του ανέμου στη θέση εγκατάστασης της ανεμογεννήτριας. Συγκεκριμένα, για κάθε ταχύτητα ανέμου υπολογίζεται η ετήσια πυκνότητα πιθανότητας με τη σχέση Weibull, με δεδομένες τις τιμές των C και k. Η πιθανότητα αυτή αντιστοιχεί σε ένα αριθμό ωρών ετησίως που εμφανίζεται η συγκεκριμένη ταχύτητα. Με βάση την καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας, για τη συγκεκριμένη ταχύτητα η ανεμογεννήτρια θα παράγει συγκεκριμένη ισχύ.  Το γινόμενο των συνολικών ωρών ετησίως επί την ισχύ με την οποία προβλέπεται να λειτουργήσει η ανεμογεννήτρια στις ώρες αυτές δίνει τη συνολική παραγωγή ηλεκτρική ενέργειας ετησίως όταν εμφανίζεται η συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Με τον τρόπο αυτό υπολογίζεται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως για κάθε διαφορετική ταχύτητα ανέμου. Το άθροισμα των επιμέρους παραγωγών ηλεκτρικής ενέργειας για τις διαφορετικές ταχύτητες ανέμου θα δώσει τη συνολική ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ανεμογεννήτρια.

 

 

 

 

 

 

 

Στο παράδειγμα του πίνακα 1 η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μία ανεμογεννήτρια ονομαστικής ισχύος 850kW σε μία θέση εγκατάστασης της οποίας το αιολικό δυναμικό χαρακτηρίζεται από τη συγκεκριμένη κατανομή πυκνότητας πιθανότητας Weibull υπολογίζεται ίση με 3.183.184kWh.

Ο ετήσιος συντελεστής απασχόλησης (capacity factor) της ανεμογεννήτριας ορίζεται ως ο λόγος της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την ανεμογεννήτρια προς τη θεωρητική μέγιστη ετήσια παραγωγή από την ίδια ανεμογεννήτρια. Η θεωρητική μέγιστη ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προκύπτει υπό την προϋπόθεση ότι η παραγωγή της ανεμογεννήτριας παραμένει σταθερή και ίση με την ονομαστική ισχύ της καθ’ όλη τη διάρκεια της ετήσιας χρονικής περιόδου. Στο ανωτέρω παράδειγμα, η θεωρητική μέγιστη ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υπολογίζεται ως 850kW x 8.760h = 7.446.000kWh. Ο ετήσιος συντελεστής απασχόλησης της ανεμογεννήτριας υπολογίζεται CF= 3.183.184kWh / 7.446.000kWh = 42,75%.

 

Από τα ανωτέρω συνάγεται το ότι ο συντελεστής απασχόλησης ενός αιολικού πάρκου εξαρτάται από:

 

·         το επιλεγμένο μοντέλο ανεμογεννήτριας

 

·         το διαθέσιμο αιολικό δυναμικό, πρακτικά την επιλεγμένη θέση εγκατάστασης

 

·         τη χρονική περίοδο επί της οποίας υπολογίζεται.

 

Πάνω από όλα, ο συντελεστής απασχόλησης ενός αιολικού πάρκου εξαρτάται από το αιολικό δυναμικό της θέσης εγκατάστασης, αποτελώντας ταυτόχρονα ένα χαρακτηριστικό δείκτη της έντασης και της ποιότητάς του. Διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές παρουσιάζουν διαφορετικούς συντελεστές απασχόλησης. Η τιμή 42,75% για το συντελεστή απασχόλησης που υπολογίστηκε στο ανωτέρω παράδειγμα θεωρείται υψηλή. Τέτοιες τιμές απαντώνται σε περιοχές με υψηλό αιολικό δυναμικό, δηλαδή με μέσες ετήσιες τιμές της ταχύτητας ανέμου πάνω από 8m/s, όπως τα Ελληνικά νησιά ή τις δυτικές ακτές της Σκωτίας. Στη κεντρική Ευρώπη συναντώνται συντελεστές απασχόλησης αιολικών πάρκων της τάξη του 25 και 30%.

 

Τα πρώτα αποτελέσματα σχετικά με τον υπολογισμό της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ένα αιολικό πάρκο παρουσιάζονται για κάθε ανεμογεννήτρια του πάρκου ξεχωριστά σε πίνακες της μορφής του πίνακα 2, στον οποίο παρουσιάζονται τιμές για χαρακτηριστικά μεγέθη του αιολικού δυναμικού και η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προ ή μετά απωλειών σκίασης. Τα αποτελέσματα του πίνακα 2 αναφέρονται σε ένα αιολικό πάρκο ονομαστικής ισχύος 21MW στη νότια Κρήτη. Στον πίνακα αυτό εμφανίζεται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το αιολικό πάρκο μετά απωλειών σκίασης, όπως δίνεται από το σχετικό λογισμικό εκτίμησης του αιολικού δυναμικού. Προκειμένου να υπολογιστεί η τελική διαθέσιμη προς πώληση ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει ακόμα να ληφθούν υπόψη οι ακόλουθες απώλειες:

 

·         απώλειες λόγω υστέρησης λειτουργίας των ανεμογεννητριών

 

·         απώλειες μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας προς τον υποσταθμό διασύνδεσης

 

·         απώλειες λόγω μη τεχνικής διαθεσιμότητας των ανεμογεννητριών

 

·         απώλειες απόρριψης ηλεκτρικής ενέργειας του αιολικού πάρκου από το σύστημα (κυρίως για μη διασυνδεδεμένα ασθενή συστήματα).

 

 

 

 

 

Οι ανεμογεννήτριες σταματούν την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας πάνω από μία μέγιστη ταχύτητα ανέμου, η οποία τίθεται από τον κατασκευαστή της ανεμογεννήτριας συνήθως στα at 25m/s, με σκοπό την προστασία της ίδιας της μηχανής από υψηλές ταχύτητες ανέμου. Η ταχύτητα αυτή ονομάζεται όριο αποκοπής. Αν η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί αυτό το μέγιστο όριο, η ανεμογεννήτρια διακόπτει τη λειτουργία της. Η ανεμογεννήτρια θα τεθεί και πάλι σε λειτουργία μετά από ένα προκαθορισμένο από τον κατασκευαστή χρονικό διάστημα, κατά το οποίο η ταχύτητα του ανέμου θα πρέπει να διατηρηθεί σε τιμές χαμηλότερες του ορίου αποκοπής. Κατά τη διάρκεια αυτού του χρονικού διαστήματος, η διαθέσιμη αιολική ενέργεια παραμένει αναξιοποίητη, ενώ η αντίστοιχη ηλεκτρική ενέργεια που χάνεται εκφράζεται μέσω των ονομαζόμενων απωλειών υστέρησης. Οι απώλειες υστέρησης εξαρτώνται από τη διακύμανση της ταχύτητας ανέμου στις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών ενός αιολικού πάρκου. Συνεπώς, ο υπολογισμός των απωλειών υστέρησης βασίζεται στα διαθέσιμα στοιχεία αιολικού δυναμικού (χρονοσειρές ταχύτητας ανέμου ή τιμές παραμέτρων Weibull) για κάθε θέση εγκατάστασης ανεμογεννήτριας.Οι απώλειες μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας οφείλονται στην ωμική, επαγωγική και χωρητική αντίσταση του δικτύου διασύνδεσης. Οι απώλειες αυτές εξαρτώνται από το μήκος και την τάση του δικτύου διασύνδεσης του αιολικού πάρκου με τον υποσταθμό του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, τη διατομή των αγωγών μεταφοράς κλπ και μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι απώλειες του δικτύου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας κυμαίνεται μεταξύ 3 και 5%, ενώ για δίκτυα διασύνδεσης μεγάλου μήκους (μεγαλύτερου των 100km) οι απώλειες μεταφοράς μπορεί να είναι υψηλότερες από 5%.

Η τεχνική διαθεσιμότητα των ανεμογεννητριών δεν είναι πάντα δεδομένη, εξαιτίας είτε απρόβλεπτων βλαβών, είτε προγραμματισμένης συντήρησης. Η τεχνική διαθεσιμότητα των ανεμογεννητριών συνήθως εγγυάται από τον κατασκευαστή στα πλαίσια συμβολαίου λειτουργίας του αιολικού πάρκου που συντάσσεται κατά την αγορά των ανεμογεννητριών. Η τεχνική διαθεσιμότητα ενός αιολικού πάρκου εκφράζεται ως το ποσοστό του χρόνου ετησίως κατά το οποίο οι ανεμογεννήτριες είναι λειτουργικά πλήρως διαθέσιμες. Το ποσοστό αυτό μπορεί να υπερβαίνει το 98% σε περιπτώσεις αιολικών πάρκων με εύκολη πρόσβαση. Σε περιπτώσεις υπεράκτιων αιολικών πάρκων το ποσοστό αυτό μπορεί να είναι χαμηλότερο του 95%.

Τέλος, στην περίπτωση αιολικών πάρκων εγκατεστημένων σε αυτόνομα ασθενή συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, τίθεται συνήθως ένα ανώτατο όριο διείσδυσης αιολικής ισχύος στη σύνθεση παραγωγή ισχύος. Το ανώτατο αυτό όριο τίθεται προκειμένου να εξασφαλιστεί η δυναμική ασφάλεια και η ευστάθεια του συστήματος και είναι της τάξης του 30% [1-3]. Εκτός του μέγιστου ποσοστού στιγμιαίας διείσδυσης αιολικής ισχύος, απόρριψη αιολικής ισχύος προκύπτει επίσης λόγω περιορισμών που εισάγονται από τα τεχνικά ελάχιστα των ενταγμένων στην παραγωγή θερμοηλεκτρικών μονάδων. Ανάλογα με το μέγεθος της ζήτησης ισχύος και την εγκατεστημένη ισχύ αιολικών πάρκων σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, μπορεί να προκύψει απόρριψη αιολικής ισχύος είτε εξαιτίας του περιορισμού μέγιστου ποσοστού διείσδυσης, είτε λόγω των περιορισμών μείωσης της παραγωγής ισχύος από τις θερμοηλεκτρικές μονάδες που επιβάλλονται από τα τεχνικά ελάχιστά τους. Ο υπολογισμός της απόρριψης αιολικής ισχύος από ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι εύκολη διαδικασία. Απαιτεί την ακριβή προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος σε ετήσια βάση, βασισμένη σε ετήσιες χρονοσειρές τουλάχιστον μέσου ωριαίου βήματος για τη ζήτηση ισχύος και για τη διαθέσιμη παραγωγή αιολικής ισχύος.

Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται ανάλυση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και απωλειών από ένα αιολικό πάρκο ονομαστικής ισχύος 21MW στη νότια Κρήτη. Η ανάλυση ξεκινά από τον υπολογισμό της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μετά απωλειών σκίασης από κάθε ανεμογεννήτρια του αιολικού πάρκου και, ακολουθώντας τη διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω, καταλήγει μέσω του υπολογισμού των λοιπών απωλειών παραγωγής, στην τελική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαθεσιμότητα των ανεμογεννητριών έχει τεθεί 95%, με βάση σχετική προσφορά από τον κατασκευαστή. Οι απώλειες μεταφοράς ισχύος μέσω δικτύου διασύνδεσης τάσης 20kV και μήκους 20km είναι της τάξης του 3%. Οι απώλειες υστέρησης υπολογίζονται με βάση τις μετρήσεις αιολικού δυναμικού από ανεμολογικό ιστό ύψους 10m που εγκαταστάθηκε στο γήπεδο ανέγερσης του αιολικού πάρκου. Οι απώλειες απόρριψης δικτύου υπολογίζονται επίσης αναλυτικά μέσω της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας της Κρήτης με την παρουσία του εξεταζόμενου αιολικού πάρκου. Τέλος, οι απώλειες σκίασης των ανεμογεννητριών υπολογίζονται απευθείας από το λογισμικό ανάπτυξης του χάρτη αιολικού για τις θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών. 

 

Σχήμα 3: Ανάλυση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικό πάρκο ονομαστικής ισχύος 21MW στη νότια Κρήτη.

 

Ο υπολογισμός της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να συνοδευτεί με την εκτέλεση ανάλυσης αβεβαιότητας σχετικά με την πιθανότητα που εμφανίζει η ετήσια παραγωγή να υπερβεί συγκεκριμένες τιμές. Η ανάλυση αβεβαιότητας εκτελείται με βάση επίγειες μετρήσεις αιολικού δυναμικού και μακροχρόνιες δορυφορικές μετρήσεις.

 

Η ανάλυση αβεβαιότητας λαμβάνει υπόψη διάφορες παραμέτρους που αυξάνουν την αβεβαιότητα του υπολογισμού. Τέτοιες παράμετροι είναι η ακρίβεια και η αξιοπιστία των επίγειων μετρήσεων, η ακρίβεια του χάρτη αιολικού δυναμικού, η ακρίβεια υπολογισμού των διαφόρων απωλειών, η αξιοπιστία της καμπύλης ισχύος της ανεμογεννήτριας κλπ. Το τελικό αποτέλεσμα της ανάλυσης αβεβαιότητας είναι μία καμπύλη που εκφράζει την πιθανότητα η ετήσια τελική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας να ξεπεράσει μία συγκεκριμένη τιμή. Μία τέτοια καμπύλη παρουσιάζεται στο σχήμα 4, για ένα αιολικό πάρκο ισχύος 4,5MW στην Κάσο.

Σχήμα 4: Κατανομή πιθανότητας για την ετήσια τελική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικό πάρκο, με βάση μακροχρόνιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού.

Ο υπολογισμός της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ένα αιολικό πάρκο, με βάση επίγειες μετρήσεις αιολικού δυναμικού, συνοδευόμενος από ανάλυση αβεβαιότητας με βάση μακροχρόνιες δορυφορικές μετρήσεις, παρέχει ασφαλή αποτελέσματα για την αναμενόμενη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το αιολικό πάρκο και την οικονομική απόδοση της απαιτούμενης επένδυσης.

 

Αναφορές

[1]          Dialynas E. N., Hatziargyriou N. D., Koskolos N., Karapidakis E. Effect of high wind power penetration on the reliability and security of isolated power systems, paper 38-302, 37th session, CIGRÉ, 30th August – 5th September 1998.

[2]          Hatziargyriou N., Papadopoulos M. Consequences of high wind power penetration in large autonomous power systems, CIGRÉ Symposium, Neptum, Romania, 18-19 September 1998.

[3]          Sørensen Poul, Unnikrishnan A.K., Mathew Sajan A. Wind farms connected to weak grids in India, Wind Energy, 4, 137-149, 2001.