Tuulivoiman saarekekäyttö 1 Tuulivoiman saarekekäyttö

Aiheet Johdanto Tuulivoiman käyttö saarekejärjestelmissä 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

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.