Η εκτίμηση του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού σε μία περιοχή απαιτείται για την εκ των προτέρων εκτίμηση της αναμενόμενης ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ένα αιολικό πάρκο εγκατεστημένο στη συγκεκριμένη περιοχή.
Για την κατ’ αρχήν εκτίμηση του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού σε μία περιοχή πληροφορίες μπορεί να αντλήσει κανείς είτε από χάρτες αιολικού δυναμικού που διατίθενται από εξειδικευμένα επιστημονικά και ερευνητικά ιδρύματα (π.χ. Εργαστήριο Αιολικής Ενέργειας Τ.Ε.Ι. Κρήτης: www.wel.teicrete.gr), είτε από προφορικές μαρτυρίες κατοίκων της ευρύτερης περιοχής, είτε από την υφιστάμενη παραμόρφωση της βλάστησης από τον άνεμο.
Για το βαθμό παραμόρφωσης των δέντρων έχουν αναπτυχθεί σχετικοί δείκτες που επιτρέπουν με μεγάλη ακρίβεια την εκτίμηση του αιολικού δυναμικού. Στο σχήμα 1 παρουσιάζονται οι κατηγορίες παραμόρφωσης κατά Griggs-Putnam, οι οποίες αναφέρονται σε κωνικού σχήματος δέντρα. Αντίστοιχα στο σχήμα 2 παρουσιάζονται οι κατηγορίες παραμόρφωσης δέντρων κατά Barsch, οι οποίες αναφέρονται σε δέντρα σχήματος οβάλ [1].
Σχήμα 1: Παραμορφώσεις κωνικού σχήματος δέντρων κατά Griggs-Putnam [1].
Σχήμα 2: Παραμορφώσεις δέντρων σχήματος οβάλ κατά Barsch [1].
Με βάση το βαθμό παραμόρφωσης των δέντρων της εξεταζόμενης περιοχής για εγκατάσταση αιολικού πάρκου, από πίνακες όπως τον κατωτέρω παρουσιαζόμενο πίνακα 1, είναι δυνατή μία πρώτη προσεγγιστική εκτίμηση της μέσης ετήσιας ταχύτητας ανέμου που επικρατεί στην εξεταζόμενη περιοχή [1]. Όπως φαίνεται στον πίνακα 1, η ετήσια μέση ταχύτητα ανέμου σε μία περιοχή μπορεί να εκτιμηθεί με βάση το βαθμό παραμόρφωσης των δέντρων αρκετά ικανοποιητικά, με σφάλμα της τάξης του ± 20-30%. Τούτη η πληροφορία μπορεί να αποτελέσει το πρώτο στοιχείο για την εν συνεχεία εγκατάσταση μετεωρολογικού ιστού και λήψη μετρήσεων αιολικού δυναμικού.
|
Πίνακας 1: Εκτίμηση μέσης ετήσιας ταχύτητας μιας περιοχής με βάση τους δείκτες παραμόρφωσης δέντρων Griggs-Putnam και Barsch. |
|||||||||
|
Είδος δέντρου |
Δείκτης |
Μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου (m/sec) και 95% όριο αξιοπιστίας (±m/sec) |
|||||||
|
Τιμή Δείκτη |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
||
|
Έλατο |
Griggs - Putnam |
6.0±2.0 |
6.7±1.9 |
7.4±1.8 |
8.1±1.8 |
8.8±1.8 |
9.5±1.8 |
10.2±1.9 |
10.9±2.0 |
|
Άρκενθος (είδος πεύκου) |
Griggs - Putnam |
4.4±2.1 |
5.0±2.0 |
5.6±1.9 |
6.2±1.9 |
6.8±2.0 |
7.4±2.1 |
8.0±2.2 |
8.6±2.5 |
|
Έλατο |
Griggs - Putnam |
3.0±2.8 |
4.2±2.6 |
5.4±2.5 |
6.6±2.4 |
7.8±2.5 |
9.0±2.6 |
10.2±2.8 |
11.4±3.0 |
|
Πεύκο |
Griggs - Putnam |
3.3±1.9 |
4.0±1.8 |
4.7±1.7 |
5.4±1.8 |
6.1±1.8 |
6.8±2.0 |
7.5±2.1 |
8.2±2.3 |
|
Pseudotsuga (Dougas Fir) |
Griggs - Putnam |
3.3±1.7 |
4.1±1.6 |
4.9±1.5 |
5.7±1.5 |
6.5±1.5 |
7.3±1.6 |
8.1±1.8 |
8.9±1.9 |
|
Σφένδαμνος |
Barsch |
3.4±1.5 |
4.3±1.0 |
5.2±1.4 |
6.1±2.2 |
7.0±3.1 |
7.9±4.1 |
8.8±5.1 |
9.7±6.1 |
|
Βελανιδιά |
Barsch |
3.0±1.8 |
4.1±1.7 |
5.2±1.7 |
6.3±1.8 |
7.4±1.9 |
8.5±2.1 |
9.6±2.3 |
10.7±2.5 |
|
Ακακία |
Barsch |
3.7±1.2 |
4.4±1.0 |
5.1±1.0 |
5.8±1.3 |
6.5±1.7 |
7.2±2.1 |
7.9±2.5 |
8.6±3.0 |
|
Πτελέα |
Barsch |
3.3±1.5 |
4.4±1.4 |
5.5±1.4 |
6.6±1.6 |
7.7±2.0 |
8.8±2.4 |
9.9±2.9 |
11.0±3.4 |
Πέρα από τα ανωτέρω, η γνώμη από ανθρώπων που ζουν και δραστηριοποιούνται στην εξεταζόμενη περιοχή μπορεί να αποτελέσει σημαντική πηγή πληροφόρησης. Κτηνοτρόφοι, αγρότες, ψαράδες με συχνή παρουσία στην ευρύτερη περιοχή ενδιαφέροντος μπορούν να δώσουν έγκυρες και σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την ένταση του ανέμου στην περιοχή τους.
Μετά την πρώτη προσεγγιστική εκτίμηση, η ακριβής αξιολόγηση του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού στη θέση ενδιαφέροντος ξεκινά με την εγκατάσταση μετεωρολογικού ιστού για τη συλλογή μετρήσεων αιολικού δυναμικού, όπως μέτρο και διεύθυνση ταχύτητας ανέμου, ριπές ανέμου κλπ. Οι μετρήσεις αιολικού δυναμικού καταγράφονται για πολύ μικρά χρονικά διαστήματα (π.χ. για κάθε δευτερόλεπτο) για να αποθηκευτούν τελικά μέσες τιμές για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, συνήθως για κάθε 10 λεπτά. Η χρονική διάρκεια των μετρήσεων θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ετήσια. Η επέκταση των μετρήσεων για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους θα επιτρέψει την ακόμα ασφαλέστερη εκτίμηση του αιολικού δυναμικού. Ωστόσο, ασφαλείς πληροφορίες σχετικά με τη διακύμανση του αιολικού δυναμικού με το πέρασμα των ετών μπορούν να συλλεχθούν από μακροχρόνιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού, οι οποίες έχουν συλλεχθεί από δορυφόρους για συγκεκριμένα σημεία στη γη [2, 3]. Οι μακροχρόνιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού, συσχετιζόμενες με τις επίγειες, παρέχουν αξιόπιστα συμπεράσματα σχετικά με τη μεταβλητότητα του ανέμου σε βάθος χρόνου 2 – 3 δεκαετιών. Η αξιολόγηση του αιολικού δυναμικού βασιζόμενη σε μακροχρόνιες μετρήσεις θα πρέπει να εκτελεστεί ακολουθώντας τα επόμενα βήματα:
Μακροχρόνιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού διατίθενται από αξιόπιστα ινστιτούτα και ερευνητικά κέντρα (π.χ N.A.S.A., N.R.E.L. κλπ) και μπορούν να βρεθούν σε συγκεκριμένους ιστότοπους [2, 3]. Η διαθεσιμότητα μακροχρόνιων μετρήσεων αιολικού δυναμικού σε συνδυασμό με επίγειες μετρήσεις στη θέση εγκατάστασης επιτρέπει την ασφαλή εκτίμηση του αιολικού δυναμικού, με την προϋπόθεση κατάλληλης στατιστικής συσχέτισης των διαφορετικών δεδομένων, όπως παρουσιάστηκε παραπάνω. Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η διακύμανση της μέσης ετήσιας ταχύτητας ανέμου σε κορυφογραμμή επί της Κάσου, βασισμένη στη συσχέτιση επίγειων και δορυφορικών μετρήσεων αιολικού δυναμικού.
Σχήμα 3: Μέσες ετήσιες ταχύτητες ανέμου στη θέση εγκατάστασης μετεωρολογικού ιστού βασισμένες σε μακροχόνιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού από δορυφόρο.
Το βασικό χαρακτηριστικό ενός μετεωρολογικού ιστού είναι το ύψος του, το οποίο καθορίζεται βασικά από το αναμενόμενο αιολικό δυναμικό. Το ύψος από την επιφάνεια του εδάφους στο οποίο αναπτύσσεται πλήρως το οριακό στρώμα εξαρτάται από την τραχύτητα του εδάφους. Τούτο συνεπάγεται ότι η ταχύτητα του ανέμου αυξάνεται με το ύψος από το έδαφος. Συνεπώς, όσο ψηλότερος είναι ο μετεωρολογικός ιστός, οι μετρούμενες ταχύτητες ανέμου αναμένονται υψηλότερες. Προφανώς η βέλτιστη επιλογή θα ήταν η εγκατάσταση ενός μετωρολογικού ιστού με ύψος όσο και το ύψος της πλήμνης της ανεμογεννήτριας που θα εγκατασταθεί. Στην περίπτωση αυτή, οι μετρούμενες ταχύτητες ανέμου θα ήταν αυτές ακριβώς που θα δεχόνταν η πτερωτή της ανεμογεννήτριας. Ωστόσο, το κόστος κατασκευής και εγκατάστασης ενός μετεωρολογικού ιστού αυξάνει όσο αυξάνει το μέγεθός, πρακτικά το ύψος του. Για παράδειγμα, το κόστος για έναν ιστό ύψους 10m στην Ελλάδα εκτιμάται στα 10.000 έως 15.000€, αναλόγως με την προσβασιμότητα της θέσης εγκατάστασης. Αντίστοιχα το κόστος για έναν ιστό ύψους 40m μπορεί να ξεπεράσει τις 40.000€, ενώ έναν ιστό ύψους 60m το κόστος του μπορεί να ξεπεράσει τις 60.000€. Σε περιοχές που το αιολικό δυναμικό αναμένεται εκ των προτέρων να είναι υψηλό, δεν είναι απαραίτητη η εγκατάσταση ιστού μεγάλου ύψους. Δηλαδή, αν η μετρούμενη ταχύτητα ανέμου στα 10m από το έδαφος είναι μεγαλύτερη από ένα ελάχιστο απαιτούμενο όριο από τον επενδυτή (π.χ. 7,5m/s), τότε είναι βέβαιο ότι η ταχύτητα του ανέμου στο ύψος της πλήμνης της ανεμογεννήτριας θα είναι ακόμα υψηλότερη, άρα είναι σίγουρο ότι θα ικανοποιεί τις απαιτήσεις του επενδυτή. Στην περίπτωση αυτή αρκεί η εγκατάσταση ενός ιστού ύψους 10m. Από την άλλη μεριά, αν η ταχύτητα του ανέμου σε μικρά ύψη από το έδαφος είναι χαμηλή, τότε απαιτείται η εγκατάσταση υψηλότερου ιστού, με σκοπό τη συλλογή μετρήσεων με αιολικού δυναμικού με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται μετεωρολογικός ιστός ύψους 40m με τρία επίπεδα λήψης μετρήσεων στα 10m, 25m και 40m ύψους από το έδαφος.
Σχήμα 4: Σκαρίφημα μετεωρολογικού ιστού ύψους 40m [4].
Μετά την ολοκλήρωση της λήψης μετρήσεων αιολικού δυναμικού ακολουθεί η στατιστική επεξεργασία των δεδομένων. Χαρακτηριστικά μέσα αποτύπωσης των αποτελεσμάτων των μετρήσεων είναι το ροδόγραμμα ταχύτητας ανέμου, στο οποίο απεικονίζεται η συχνότητα και η ένταση της πνοής ανέμου ανά κατεύθυνση, η κατανομή πυκνότητας πιθανότητας κατά Weibull, για μηνιαία και ετήσια χρονικά διαστήματα. Επίσης, χαρακτηριστικά μεγέθη που συνήθως υπολογίζονται είναι ακραίες τιμές ταχύτητας ανέμου (ριπές) και η πιθανότητα εμφάνισής τους, η τυπική απόκλιση της χρονοσειράς μετρήσεων, μέσες μηνιαίες τιμές, η καμπύλη διάρκειας κλπ. Στα σχήματα 5 και 6 παρουσιάζονται ροδόγραμμα και κατανομή Weibull με βάση ετήσιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού σε κορυφογραμμή επί της Κάσου.
 |
 |
| Σχήμα 5: Ροδόγραμμα ταχύτητας ανέμου με βάση ετήσιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού σε κορυφογραμμή της Κάσου. | Σχήμα 6: Κατανομή Weibull ταχύτητας ανέμου με βάση ετήσιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού σε κορυφογραμμή της Κάσου. |
Οι καταγεγραμμένες μετρήσεις αιολικού δυναμικού εισάγονται τελικά σε εξειδικευμένο λογισμικό για την εκτίμηση του αιολικού δυναμικού στο σύνολο της περιοχής ενδιαφέροντος. Στο λογισμικό εισάγονται ακόμα δεδομένα που αφορούν την τραχύτητα του εδάφους, το ανάγλυφο της περιοχή κλπ, επιτρέποντας την ανάπτυξη του χάρτη αιολικού δυναμικού. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης του αιολικού δυναμικού εκφράζονται με χαρακτηριστικά στατιστικά μέσα, όπως η κατανομή Weibull και το ροδόγραμμα της ταχύτητας του ανέμου στη θέση του ιστού και στις προτεινόμενες θέσεις εγκατάστασης των ανεμογεννητριών.
Στο σχήμα 7 παρουσιάζεται παράδειγμα χάρτη αιολικού δυναμικού σε κορυφογραμμή της νότιας Κρήτης. Στο χάρτη απεικονίζεται η θέση εγκατάστασης του μετεωρολογικού ιστού και οι προτεινόμενες θέσεις εγκατάστασης ανεμογεννητριών. Η περίοδος λήψης των μετρήσεων ήταν ετήσια. Η μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου μετράται στα 8,67m/s και οι παράμετροι της κατανομής Weibull υπολογίζονται C=9,7m/s και k=1,77. 8.67m/s. Στο χάρτη παρουσιάζεται επίσης ροδόγραμμα ταχύτητας ανέμου, στο οποίο απεικονίζεται η κύρια διεύθυνση πνοής, που στη συγκεκριμένη θέση είναι η βόρεια.
Σχήμα 7: Χάρτης αιολικού δυναμικού με βάση ετήσιες μετρήσεις αιολικού δυναμικού σε κορυφογραμμή της νότιας Κρήτης. Οι συμβολισμοί S1, S2, … παραστάνουν τις προτεινόμενες θέσεις εγκατάστασης ανεμογεννητριών.
Στο σχήμα 8 παρουσιάζεται άλλο ένα παράδειγμα ανάπτυξης χάρτη αιολικού δυναμικού για μία κορυφογραμμή στην Κάσο. Στο χάρτη απεικονίζεται η θέση εγκατάστασης του μετεωρολογικού ιστού και οι προτεινόμενες θέσεις εγκατάστασης ανεμογεννητριών. Η μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου μετράται στα 11,61m/s και οι παράμετροι της κατανομής Weibull υπολογίζονται C=13,2m/s και k=2,85. Στο χάρτη παρουσιάζεται επίσης ροδόγραμμα ταχύτητας ανέμου, στο οποίο απεικονίζεται η κύρια διεύθυνση πνοής, που στη συγκεκριμένη θέση είναι η βορειοδυτική.
Σχήμα 8: Χάρτης αιολικού δυναμικού με βάση ετήσιες μετρήσεις για μία κορυφογραμμή στην Κάσο. Οι συμβολισμοί S1, S2, … παραστάνουν τις προτεινόμενες θέσεις εγκατάστασης ανεμογεννητριών.
Τέλος, στο σχήμα 9 παρουσιάζεται χάρτης αιολικού δυναμικού για μία υπεράκτια περιοχή νοτιοδυτικά της Ρόδου, βασισμένος σε μετρήσεις αιολικού δυναμικού διάρκειας έξι μηνών από μετεωρολογικό ιστό ύψους 10m εγκατεστημένο σε βραχονησίδα της περιοχής. Η μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου εκτιμάται στα 9,1m/s ενώ οι παράμετροι της κατανομής Weibull υπολογίστηκαν C=10,3m/s και k=2,2.
Σχήμα 9: Χάρτης αιολικού δυναμικού για υπεράκτια περιοχή νοτιοδυτικό της Ρόδου.
Συγκρίνοντας τους χάρτες αιολικού δυναμικού που παρουσιάστηκαν ανωτέρω, αναδεικνύεται η επίδραση της μορφολογίας του εδάφους στη διαμόρφωση του πνέοντος ανέμου. Σε θαλάσσιες περιοχές το αιολικό δυναμικό εμφανίζεται ομοιόμορφο, χωρίς διακυμάνσεις στην επικρατούσα ένταση πνοής του ανέμου. Το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα έχει αναπτυχθεί πλήρως σε χαμηλότερα ύψη από την επιφάνεια του εδάφους, ενώ αναπτύσσονται μεγαλύτερες μέσες ετήσιες ταχύτητες ανέμου.
Αναφορές
[1] Bergeles G. Wind Converters., Simeon, Athens, 2005.
[2] National Center for Environmental Prediction (NCEP). Reanalysis data provided by the NOAA/OAR/ESRL PSD, Boulder, Colorado, U.S.A. Web site at http://www.cdc.noaa.gov/
[3] Kalnay et al., “The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project”, Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, 437-470, 1996.
[4] AWS Scinetific Inc. National Renewable Energy Laboratory. Wind resource assessment handbook. Fundamentals for conducting a succesfull monitoring program. April 1997.