Tuulivoiman saarekekäyttö

1. 1 Tuulivoiman saarekekäyttö

2. Aiheet 2 • Johdanto • Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä • DC-järjestelmä • AC-järestelmä • Tuuli-diesel -järjestelmät • Tuuli-diesel -järjestelmien perusmuuttujat • Tuuli-diesel -järjestelmien ohjaus ja energian varastointi • Tuulivoiman vaikutus sähkönlaatuun • Saarekejärjestelmä kuluttajan näkökulmasta

3. 1. Johdanto 3 • Saarekekäyttöisistä tehonsyöttöjärjestelmistä, jotka käyttävät suuria määriä uusiutuvia energialähteitä, on kasvamassa teknisesti luotettava vaihtoehto paikallisen tehonsyötön toteuttamiseen • Yleisesti kyseisiä järjestelmiä käytetään paikallisesti tehon syöttämiseen, mutta myös jakeluverkkotasolla kehittyneissä maissa. • Yhteisiä suunnitteluperiaatteita kyseisille järjestelmille on vaikea luoda, koska järjestelmien suunnittelu ja rakentaminen on hyvin tapauskohtaista. • Uusiutuvia energiamuotoja hyödyntävä saareke koostuu usein dieselgeneraattorijärjestelmästä johon on lisätty tuulivoimaa. • Tuulivoimalla pyritään vähentämään polttoainekustannuksia, mutta tuulivoiman lisääminen saarekkeessa, lisää myös mahdollisesti uusia häiriölähteitä ja monimutkaisempaa ohjausta

4. 2. Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä 4 • Haja-asutusalueiden sähköistämisessä tehonsyötön toteuttaminen voidaan tehdä karkeasti jaettuna kahdella eri tavalla, sähköverkon laajentamisella ja dieselgeneraattoreilla • Yhdistelmät, joissa jonkin säädettävän tehonsyötön lisäksi hyödynnetään uusiutuvia energiamuotoja vaikuttavatkin lupaavammilta vaihtoehdoilta. Näitä järjestelmiä kutsutaan hybridivoimajärjestelmiksi (hybrid power system) • Perinteinen hybridijärjestelmä koostuu DC-puolesta akkujen lataamista varten sekä AC-puolesta sähköenergian jakelua varten • Tehoelektroniikan kehittyminen on kuitenkin tehnyt pienistä yksivaiheisista AC-kiskoista kustannustehokkaita ratkaisuja • Tasavirtajärjestelmissä tällainen akkuja hyödyntävä regulointi on helpompi toteuttaa verrattuna vaihtovirtajärjestelmiin, joissa on huolehdittava jännitteen ja taajuuden lisäksi tehotasapainosta.

5. 2. Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä: DC-järjestelmä 5 • Kuvan järjestelmässä tuuliturbiinin tuottama AC-jännite tasasuunnataan, jolloin DC-järjestelmän akkuja voidaan ladata. Samoin aurinkopaneelien tuottamalla DC-teholla varataan järjestelmän akkuja. DC-kiskon jännite, johon akut ovat yhteydessä, vaihtosuunnataan jaettavaksi AC-kuormille

6. 2. Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä: AC-järjestelmä 6 • Kuvan järjestelmä koostuu pienistä AC- ja DC-tehoa tuottavista komponenteista, joilla kaikilla on oma invertterinsä. Akkuja, joilla on myös oma invertteri käytetään tasaaman tehonvirtausmuutoksia.

7. 2. Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä: Tuuli-diesel -järjestelmät 7 • Suuremmat järjestelmät hyödyntävät yhdessä AC-kiskoon kytkettyjä tuuliturbiineja ja sähköenergian tuotantoon tarkoitettuja dieselmoottoreita • Kun tuulivoiman ja kuorman määrän välinen suhde kasvaa, myös vakaan AC-verkon ylläpitämiseen tarvittavien laitteistojen määrä kasvaa. • Järjestelmään ei voida liittää tuulivoimaa tavoitellen vain maksimaalista tuulienergian määrää, vaan on löydettävä optimaalinen tuulivoiman määrä siten että verkon vakaus ei kärsi.

8. 2. Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä: Tuuli-diesel -järjestelmien perusmuuttujat 8 • Tehotasapaino: Kun ei tuule, dieselgeneraattori vastaa kaikesta kuluttajille tuotetusta energiasta. Kun tuulen voimakkuus kasvaa, dieselgeneraattorin tuottamaa tehoa pienennetään. • Tuulen tehon keskimääräinen ”läpäisy” (instantaneous penetration) järjestelmässä määrittää järjestelmän suorituskykyä Pwind / Pload. Se kuvaa tuulivoimalla tuotetun tehon suhdetta kuormitukseen kuluttajien tarvitsemaan tehoon. Keskimääräinen ”läpäisy” (average penetration) annetaan energiana Ewind / Eload.

9. 2. Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä: Tuuli-diesel -järjestelmien ohjaus ja energian varastointi 9 • Kun turbiinin tuottama teho on paljon vähemmän kuin kuluttajien kuormitus vähennettynä dieselgeneraattorin minimiteho, dieselgeneraattorilla säädetään verkon jännitettä ja taajuutta • Kun turbiinin tuottama teho on yhtä suuri kuin kuluttajien kuormitus vähennettynä dieselgeneraattorin minimiteho, voidaan käyttää säätövastuksia ylimääräisen tehon kuluttamiseen, mikä helpottaa verkon taajuuden ja jännitteen säätöä. • Jos tuuliturbiini tuottaa tehoa paljon enemmän kuormitukseen nähden, tarvitaan monimutkaisempia järjestelmiä. Ylimääräinen sähköenergia voidaan varastoida akkuihin, tai hyödyntää johonkin toissijaiseen sovellukseen, kuten esimerkiksi kotitalouksien lämmittämiseen. • Jos tuulivoimalla tuotettua tehoa on paljon suhteessa kuormitukseen, energian varastoinnilla voidaan tasoittaa tehon muutoksia. Dieselgeneraattorit voidaan kytkeä mahdollisesti pois päältä. • Perinteisesti energiavarastoina käytetään akkua tai vauhtipyörää. Energiaa voidaan varastoida myös pumppaamalla vettä varastoon tai muodostamalla vetyä.

10. 3. Tuulivoiman vaikutus sähkönlaatuun 10 • Ulostulotehon muutokset vaikuttaa sähkön laatuun. Vaikutukset kasvavat kun tuulivoiman osuus verkon sähkötehosta kasvaa. Vaikutuksia kuvataan tavallisesti järjestelmän jännitteen ja taajuuden muuttumisella. • Kaikkiin AC-tehoa tuottaviin järjestelmiin liittyy neljä kriittistä parametria: • Järjestelmän taajuus: Tuotetun ja kulutetun energian tasapaino. Jos tuotantoa on enemmän, taajuus kasvaa. • Pätö- ja loisteho: Pätö- ja loistehojen tasapainot säilytettävä. • Järjestelmän jännite: Kuormat tarvitsevat vakaan jännitteen. Säätö voidaan toteuttaa moduloimalla pyörivän generaattorin kenttää tai tehoelektroniikalla. • Jännitteen yliaallot: Verkon generaattorit ja verkkoon kytkettävät laitteet aiheuttavat yliaaltoja.

11. 4. Saarekejärjestelmä kuluttajan näkökulmasta 11 • Energian hinta dieselsaarekekäytössä voi vaihdella paljonkin, esimerkiksi välillä 0.20 – 1.00 dollaria kilowattitunnille • Luonnollisesti sähkönhinta on saarekekäytössä moninkertainen kuin suuremmissa verkoissa (luokkaa 0.04 dollaria kilowattitunnille). • Sähköntuotannon kustannuksia ei ole dokumentoitu hyvin tuuli-diesel –järjestelmissä, joten sähkön hinta voi olla vaikea määrittää tarkasti • Järjestelmän taloudellisuutta kuvataankin usein säästetyn polttoaineen määrällä. • Kuluttajan näkökulmasta tuulivoimaa hyödyntävä saareke tulisi vastata samoihin tarpeisiin kuin perinteinen verkkokin. • Tuulivoima tulisi nähdä vain yhtenä vaihtoehtona tuottaa sähköenergiaa, mutta sen olosuhderiippuvuus tulee ottaa huomioon: Tiedot saarekeyhteisön olosuhteista, tarpeista ja päivittäisestä energiatarpeesta ovat tällöin erityisen tärkeitä.