ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΓΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΗΜΑΣΩΝ ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΔΝΔΡΓΔΙΑ ΔΡΓΑΣΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΔΣΑΦΟΡΑ ΓΙΑΝΟΜΗ ΚΑΙ ΥΡΗΙΜΟΠΟΙΗΔΩ ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΔΝΔΡΓΔΙΑ ΓΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηων θοιηηηών ηος Τμήμαηορ Ηλεκηπολόγων Μησανικών και Τεσνολογίαρ Υπολογιζηών ηηρ Πολςηεσνικήρ Σσολήρ ηος Πανεπιζηημίος Παηπών: Βαϊνάς Βάιος ηοσ Αθαναζίοσ Απιθμόρ Μηηπώος: 6479 Γκόπης Υρήζηος ηοσ Αθαναζίοσ Απιθμόρ Μηηπώος: 6495 Θέμα: «Ανάλσζη σβριδικού ζσζηήμαηος ηλεκηροπαραγωγής με ΑΠΔ» Επιβλέπων: Καθηγηηής Γαβριήλ Β. Γιαννακόποσλος Αριθμός Γιπλωμαηικής Δργαζίας: Πάηπα, Φεβποςάπιορ 2012

2 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πιζηοποιείηαι όηι η Διπλωμαηική Επγαζία με θέμα: «Ανάλσζη σβριδικού ζσζηήμαηος ηλεκηροπαραγωγής με ΑΠΔ» ηων θοιηηηών ηος Τμήμαηορ Ηλεκηπολόγων Μησανικών και Τεσνολογίαρ Υπολογιζηών Βαϊνάς Βάιος ηοσ Αθαναζίοσ Απιθμόρ Μηηπώος: 6479 Γκόπης Υρήζηος ηοσ Αθαναζίοσ Απιθμόρ Μηηπώος: 6495 Παποςζιάζηηκε δημόζια και εξεηάζηηκε ζηο Τμήμα Ηλεκηπολόγων Μησανικών και Τεσνολογίαρ Υπολογιζηών ζηιρ././. Ο Επιβλέπων Ο Διεςθςνηήρ ηος Τομέα Γαβπιήλ Γιαννακόποςλορ Καθηγηηήρ Ανηώνιορ Αλεξανδπίδηρ Καθηγηηήρ 2

3 Περίλθψθ Θ διπλωματικι εργαςία που ακολουκεί, παρουςιάηει τθ μελζτθ και μοντελοποιιςθ ενόσ αυτόνομου υβριδικοφ ςυςτιματοσ. Το αυτόνομο ςφςτθμα που εξετάηεται είναι ζνα υβριδικό ςφςτθμα θλεκτροπαραγωγισ που αποτελείται από ζνα φωτοβολταϊκό πάρκο, μία ανεμογεννιτρια, μία μονάδα υδρογόνου και δφο γεννιτριεσ βιομάηασ και φυςικοφ αερίου. Για τθν μοντελοποίθςθ του ςυςτιματοσ χρθςιμοποιείται το πρόγραμμα ςχεδιάςθσ και προςομοίωςθσ θλεκτρικϊν ςυςτθμάτων PSCAD. Στθν εργαςία αυτι το ενδιαφζρον εςτιάηεται ςτθ ςυμπεριφορά του ςυςτιματοσ ςτθ μόνιμθ κατάςταςθ λειτουργίασ και ςτθ ςυμπεριφορά ςε κάποια μεταβατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάηονται είναι τα εξισ: - Βραχυκφκλωμα των τριϊν φάςεων ωσ προσ γθ ςτο ηυγό τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ φυςικοφ αερίου - Συμπεριφορά ςυςτιματοσ ςε απότομθ αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ - Συμπεριφορά ςυςτιματοσ ςε διακοπι παροχισ ρεφματοσ ςτθν μονάδα υδρογόνου από το Φ/Β πάρκο Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία γενικότερθ αναφορά ςτο Φ/Β ςφςτθμα. Στο Κεφαλαιο 2 γίνεται μία γενικότερθ αναφορά ςτθν αιολικι ενζργεια. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μία γενικότερθ αναφορά ςτο υδρογόνο. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται μία γενικότερθ αναφορά ςτθν βιομάηα. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται μία γενικότερθ αναφορά ςτο φυςικό αζριο. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται μία γενικότερθ αναφορά ςτισ ςφγχρονεσ μθχανζσ και ςτο μακθματικό τουσ υπόβακρο. 3

4 Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφεται θ δομι και τα ςτοιχεία που αποτελοφν το αυτόνομο υβριδικό δίκτυο θλεκτροπαραγωγισ ςτο περιβάλλον του προγράμμματοσ μοντελοποιιςθσ, του PSCAD και παρουςιάηονται τα μοντζλα που απαρτίηουν το ςυνολικό ςφςτθμα. Στο Κεφάλαιο 8 εξετάηεται θ ςυμπεριφορά του ςυςτιματοσ ςτθ μόνιμθ κατάςταςθ λειτουργίασ. Στο Κεφάλαιο 9 εξετάηεται θ ςυμπεριφορά του ςυςτιματοσ ςτα τρία μεταβατικά φαινόμενα που ζχουν προαναφερκεί, ςτο βραχυκφκλωμα των τριϊν φάςεων ωσ προσ γθ ςτο ηυγό τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ φυςικοφ αερίου, ςτθν απότομθ αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ και ςτθν διακόπθ παροχισ ρεφματοσ ςτθν μονάδα υδρογόνου. 4

5 Abstract The thesis that follows, presents the study and the modelling of an autonomous hybrid system. The autonomous system that is examined is an electricity generating hybrid system that constists of a photovoltaic system, a wind generator, a hydrogen unit, a biomass generator and a natural gas generator. For the modelling of the system a designing and simulation program is used known as PSCAD. The main course of the current subject is the behavior of the system in the permanent situation of operation and the behavior of it in certain transient states. The transient states that are examined are the following: - Short-circuit of the three phases as for the ground on the natural gas generator bus. - Behavior of system in abrupt detachment of wind generator. - Behavior of system in abrupt detachment of the hydrogen unit. In Chapter 1 follows a theoretical analysis of the PV system. In Chapter 2 follows a theoretical analysis of the wind generator. In Chapter 3 follows a theoretical analysis of the hydrogen unit. In Chapter 4 follows a theoretical analysis of the biomass. In Chapter 5 follows a theoretical analysis of the natural gas. In Chapter 6 follows a theoretical and mathematical analysis of the synchronous machines. 5

6 In Chapter 7 we describe the structure and the elements that constitute the autonomous hybrid system of electric generation in the environment of PSCAD. Also, the models that compose the total system are shown. In Chapter 8 is examined the reaction of system in the permanent situation of operation. In Chapter 9 is examined the reaction of system in the three transient states that have been mentioned before. 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 ο Φωτοβολταϊκό φςτθμα 1.1) Ηλιακά κφτταρα ) Ειςαγωγι ) Πλεονεκτιματα παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ από φ/β ςυςτιματα ) Μειονεκτιματα παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ από φ/β ςυςτιματα ) Ηλιακι Ενζργεια ) Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο ) Γενικά για το φ/β φαινόμενο ) Φράγμα δυναμικοφ ) Δότεσ και δζκτεσ / Κρφςταλλοσ τφπου-n και τφπου-p ) Φορείσ πλειονότθτασ και μειονότθτασ ) Ρεφμα διάχυςθσ οπϊν και θλεκτρονίων ) Ρεφμα ολιςκιςεωσ οπϊν και θλεκτρονίων και ολικό ρεφμα ολιςκιςεωσ ) Βαςικζσ εξιςϊςεισ καταςκευισ ενόσ θλ. κυττάρου ) Ιςοδφναμο κφκλωμα φ/β κυττάρου ) Ρεφμα βραχυκφκλωςθσ και τάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ ) Ρεφμα βραχυκφκλωςθσ (I SC ) ) Σάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ (V OC ) ) Μζγιςτθ ιςχφσ P MAΧ ) υντελεςτισ πλθρϊςεωσ FF(FILL FACTOR) ) Βακμόσ απόδοςθσ θλιακοφ κυττάρου ) Πρότυπεσ ςυνκικεσ ελζγχου STC των φ/β ςτοιχείων ) Ιςχφσ αιχμισ ) Σρόποι ςφνδεςθσ φ/β ςτοιχείων ) Φωτοβολταϊκι γεννιτρια ) Φωτοβολταϊκό πλαίςιο ) Φωτοβολταϊκό PANEL ) Φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία (ARRAY)

8 1.16) Φαινόμενο HOT SPOT(κερμισ κθλίδασ)-δίοδοι παράκαμψθσ και απομόνωςθσ ) Κατθγορίεσ φ/β ςυςτθμάτων ) Μετατροπζασ ςυνεχοφσ τάςθσ (DC/DC Converter) ) Διαμόρφωςθ Εφρουσ Παλμϊν (PWM) ) Ανιχνευτισ ςθμείου μζγιςτθσ ιςχφοσ (Maximum Power Point Tracker, MPPT) ) Αντιςτροφείσ (DC/AC Inverters) ) Ανϊτερεσ αρμονικζσ...56 Κεφάλαιο 2 ο Αιολικι Ενζργεια-Ανεμογεννιτριεσ 2.1) Γενικά για τθν αιολικι ενζργεια ) Άνεμοσ ) Ανεμογεννιτριεσ ) Ανεμογεννιτριεσ κατακόρυφου και οριηόντιου άξονα ) Οι ανεμογεννιτριεσ ςιμερα ) Δομι των ανεμογεννθτριϊν ) Ιςχφσ του ανζμου ) Άντωςθ και Αντίςταςθ ) Θεωρία πτερφγωςθσ ) Λόγοσ ταχφτθτασ ακροπτερυγίων ) υντελεςτισ C P και ταχφτθτα του ανζμου ) Μζγιςτοσ ςυντελεςτισ C p ) Μζγιςτθ παραγόμενθ ενζργεια ) Γωνία βιματοσ και απϊλεια ςτιριξθσ ) Γωνία βιματοσ πτερυγίου ) Απϊλεια ςτιριξθσ ) Κυριότεροι τφποι ανεμογεννθτριϊν ) Ανεμογεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ ) Ανεμογεννιτριεσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ ) Αρχζσ λειτουργίασ και ελζγχου των ανεμογεννθτριϊν μεταβλθτισ ταχφτθτασ ) Ανεμογεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ ) Ανεμογεννιτριεσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ

9 2.13) Μθχανικόσ ζλεγχοσ ιςχφοσ ςτον ανεμοκινθτιρα ) Ηλεκτρονικά εφαρμοηόμενοσ ζλεγχοσ ιςχφοσ ςτισ ανεμογεννιτριεσ ) Ηλεκτρονικζσ ςυςκευζσ ιςχφοσ για τα αιολικά ςυςτιματα ) Γεννιτριεσ ) Η Αςφγχρονθ (επαγωγικι) γεννιτρια και οι ςυνδεςμολογίεσ τθσ ) Η επαγωγικι γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα ςε εφαρμογζσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ ) Επαγωγικι γεννιτρια με θλεκτρονικά μεταβαλλόμενθ αντίςταςθ δρομζα ) Επαγωγικι γεννιτρια διπλισ τροφοδοςίασ ) Επαγωγικι γεννιτρια βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ ) φγχρονθ γεννιτρια ) φγχρονθ γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα ) φγχρονθ γεννιτρια μόνιμου μαγνιτθ ) Άεργοσ και ενεργόσ ιςχφσ Κεφάλαιο 3 ο Τδρογόνο 3.1) Γενικά για το υδρογόνο ) Σο υδρογόνο ωσ ενεργειακό καφςιμο ) Σο υδρογόνο ωσ ΑΠΕ και θ παραγωγι του ) Πλεονεκτιματα του υδρογόνου ζναντι των ςυμβατικϊν πθγϊν ενζργειασ ) Μειονεκτιματα του υδρογόνου ζναντι των ςυμβατικϊν πθγϊν ενζργειασ ) Κυψζλεσ Καυςίμου ) Πλεονεκτιματα κυψελϊν καυςίμου ) Περιοριςμοί που είναι κοινοί ςε όλα τα ςυςτιματα κυψελϊν καυςίμου ) Σα είδθ των κυψελϊν καυςίμου ) Απόδοςθ κυψελϊν καυςίμου ) Θεωρθτικι προςζγγιςθ τθσ απόδοςισ τουσ ) Πρακτικι προςζγγιςθ τθσ απόδοςισ τουσ

10 3.7) Εμπορικζσ μζκοδοι παραγωγισ του υδρογόνου Σρόποι διανομισ του ) Ειςαγωγι ) Παραγωγι του υδρογόνου ) Βαςικότερεσ κατθγορίεσ εμπορικϊν μεκόδων παραγωγισ του Τδρογόνου ) Διανομι του υδρογόνου ) Σρόποι διανομισ του υδρογόνου πλεονεκτιματα,μειονεκτιματα των ςυςτθμάτων διανομισ του ) Μζκοδοι αποκικευςθσ του υδρογόνου Κεφάλαιο 4 ο Βιομάηα 4.1)Ειςαγωγι ) Παγκόςμιο και Ελλθνικό Δυναμικό ) Παγκόςμια αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ ) Πλεονεκτιματα και Μειονεκτιματα από τθν Ενεργειακι Αξιοποίθςθ τθσ Βιομάηασ ) Ενεργειακι Αξιοποίθςθ τθσ Βιομάηασ-Εφαρμογζσ ) Κάλυψθ των αναγκϊν κζρμανςθσ-ψφξθσ ι/και θλεκτριςμοφ ςε γεωργικζσ και άλλεσ βιομθχανίεσ ) Σθλεκζρμανςθ κατοικθμζνων περιοχϊν ) Θζρμανςθ κερμοκθπίων ) Παραγωγι υγρϊν καυςίμων με βιοχθμικι μετατροπι βιομάηασ ) Παραγωγι υγρϊν καυςίμων με κερμοχθμικι μετατροπι βιομάηασ ) Ενεργειακζσ καλλιζργειεσ ) Βιοαζριο ) Παραγωγι οργανοχουμικϊν λιπαςμάτων από πτθνοτροφικά απόβλθτα ) Λζβθτεσ-Καυςτιρεσ βιομάηασ ) Προοπτικζσ τθσ βιομάηασ-επίλογοσ

11 Κεφάλαιο 5 ο Φυςικό Αζριο 5.1) Σι είναι το φυςικό αζριο ) Παραγωγι-Προζλευςθ Φυςικοφ Αερίου ) Προμικεια φυςικοφ αερίου ) Σο ςφςτθμα Μεταφοράσ και Διανομισ του Φυςικοφ Αερίου ) φςταςθ ) Θερμογόνοσ Δφναμθ ) Χριςεισ ) Ανταγωνιςτικά καφςιμα που υποκακιςτά το φυςικό αζριο ) Οφζλθ ) Οικονομία ) Ευκολία ςτθ χριςθ ) Κακαριότθτα και εξοικονόμθςθ χϊρου ) Ακρίβεια ςτθ μζτρθςθ και χρζωςθ μετά τθν κατανάλωςθ ) Μειωμζνο κόςτοσ ςυντιρθςθσ ςυςκευϊν ) Περιβάλλον ) Αςφάλεια ) Αςφάλεια από τθ φφςθ του ) Αςφάλεια από τισ εγκαταςτάςεισ ) Αςφάλεια από τισ ςυςκευζσ Κεφάλαιο 6 ο φγχρονθ Γεννιτρια 6.1) Επαγωγικζσ παράμετροι ςφγχρονθσ μθχανισ ) Εξιςϊςεισ τάςθσ ςφγχρονθσ μθχανισ ) Εξιςϊςεισ κίνθςθσ δρομζα (εξιςϊςεισ ταλάντωςθσ μθχανισ) ) Ιςχφσ ςφγχρονθσ μθχανισ ) Eλεγχοσ ιςχφοσ ςφγχρονθσ μθχανισ ) υμπεριφορά ςφγχρονθσ μθχανισ ςε τριφαςικό βραχυκφκλωμα ) Σριφαςικό βραχυκφκλωμα

12 Κεφάλαιο 7 ο Μοντελοποίθςθ ςυςτιματοσ 7.1) Πρόγραμμα Μοντελοποίθςθσ ) Γενικι Περιγραφι υςτιματοσ ) Ανεμογεννιτρια ) Γεννιτρια Φυςικοφ Αερίου ) Γεννιτρια με βιομάηα ) Φωτοβολταϊκό Πάρκο ) Ηλεκτρολφτεσ ) Κυψζλεσ Καυςίμου Τδρογόνου ) Μεταςχθματιςτζσ ) Γραμμι Μεταφοράσ ) Φορτία Δικτφου ) Πυκνωτισ Αντιςτάκμιςθσ Κεφάλαιο 8 ο Μελζτθ ςυςτιματοσ ςτθν μόνιμθ κατάςταςθ λειτουργίασ 8.1) Αυτόνομο υβριδικό ςφςτθμα ) Ανεμογεννιτρια ) Γεννιτρια Φυςικοφ Αερίου ) Γεννιτρια με βιομάηα ) Φωτοβολταϊκό Πάρκο ) Κυψζλεσ Καυςίμου Τδρογόνου ) Δευτερζυον Φορτίο

13 Κεφάλαιο 9 ο Μελζτθ ςυςτιματοσ ςε διαταραχζσ 9.1) Ειςαγωγι ) Βραχυκφκλωμα των τριϊν φάςεων ωσ προσ τθν γθ ςτο ηυγό τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ του υποςυςτιματοσ του φυςικοφ αερίου ) Περιγραφι υμπεριφοράσ Αυτόνομου υςτιματοσ ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Φυςικοφ Αερίου ) υμπεριφορά ανεμογεννιτριασ ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Βιομάηασ ) υμπεριφορά Φωτοβολταϊκοφ Πάρκου ) υμπεριφορά Κυψελϊν Καυςίμου Τδρογόνου ) υμπεριφορά υςτιματοσ ςε Απότομθ Αποςφνδεςθ τθσ Ανεμογεννιτριασ ) υμπεριφορά Αυτόνομου Τβριδικοφ υςτιματοσ ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Φυςικοφ Αερίου ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Βιομάηασ ) υμπεριφορά Ανεμογεννιτριασ ) υμπεριφορά Φωτοβολταϊκοφ Πάρκου ) υμπεριφορά Κυψελϊν Καυςίμου ) υμπεριφορά ςυςτιματοσ ςε απότομθ αποςφνδεςθ των θλεκτρολυτϊν ) υμπεριφορά Δευτερεφοντοσ Φορτίου ) υμπεριφορά Ηλεκτρολυτϊν ) υμπεριφορά Φωτοβολταϊκοφ Πάρκου ) υμπεριφορά Πρωτεφοντοσ Φορτίου ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Φυςικοφ Αερίου ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Βιομάηασ ) υμπεριφορά Ανεμογεννιτριασ

14 Κεφάλαιο 1: ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΟ ΤΣΗΜΑ 14

15 1.1)Ηλιακά κφτταρα 1.1.1) Ειςαγωγι Θ απ ευκείασ μετατροπι τθσ θλιακισ ςε θλεκτρικι ενζργεια επιτυγχάνεται με τθν βοικεια των θλιακϊν κυττάρων,θ αρχι λειτουργίασ των οποίων αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο.θ διαδικαςία αυτισ τθσ μετατροπισ δεν εξαρτάται από τθν κερμότθτα.αντίκετα θ απόδοςθ των θλιακϊν κυττάρων(solar cells) μειϊνεται όταν θ κερμοκραςία αυξάνεται ) Πλεονεκτιματα παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ από φ/β ςυςτιματα Θ παραγωγι θλεκτρικισ ενζργειασ με τθν βοικεια των θλιακϊν κυττάρων και κατ επζκταςθ των φωτοβολταϊκϊν ςυςτθμάτων ςυνοδεφεται από μία ςειρα πλεονεκτθμάτων με βαςικότερα τα εξισ: Α)Λειτουργοφν ακόρυβα,κακαρά,χωρίσ κατάλοιπα,αποφεφγοντασ τθν μόλυνςθ του περιβάλλοντοσ Β)Λειτουργοφν χωρίσ κινθτά μζρθ,με ελάχιςτθ ςυντιρθςθ και ζχουν μεγάλθ διάρκεια ηωισ Γ)Λειτουργοφν χωρίσ καφςιμα Δ)Λειτουργοφν και με νεφελϊδθ ουρανό(διάχυτθ ακτινοβολία) Ε)Δεν χρθςιμοποιοφν υγρά ι αζρια ςε αντίκεςθ με τα κερμικά ςυςτιματα Σ)Καταςκευάηονται από πυρίτιο,ζνα από τα πλζον εν αφκονία ςτοιχεία Ζ)Ρλζον αποδοτικά ςε χαμθλζσ κερμοκραςίεσ Η)Ζχουν γριγορθ απόκριςθ ςε ξαφνικζσ μεταβολζσ τθσ θλιοφάνειασ 15

16 Θ)Αν ζνα κομμάτι πάκει βλάβθ,το ςφςτθμα ςυνεχίηει τθν λειτουργία του μζχρι τθν αντικατάςταςι του Ι)Μεγάλεσ δυνατότθτεσ ςε μια ευρεία περιοχι ιςχφων(απο mw μζχρι MW) ΙΑ)Ζχουν μεγάλο λόγο ιςχφοσ/βάροσ,επομζνωσ είναι κατάλλθλα για εγκατάςταςθ ςτισ ςτζγεσ ΙΒ)Είναι κατάλλθλα για επιτόπιεσ εφαρμογζσ,όπου δεν υπάρχει ι δεν ςυμφζρει θ επζκταςθ του θλεκτρικοφ δικτφου ΙΓ)Είναι δυνατόν να ςυναρμολογθκοφν τυποποιθμζνα ςτοιχεία μαηικισ παραγωγισ ςε ςφςτθμα οποιουδιποτε μεγζκουσ(και βακμό απόδοςθσ πρακτικά ανεξάρτθτο του μεγζκουσ) για να καλφψουν μικρζσ,μζςεσ και μεγάλεσ ενεργειακζσ ανάγκεσ ) Μειονεκτιματα παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ από φ/β ςυςτιματα Φυςικά,υπάρχουν και οριςμζνα μειόνεκτιματα τθσ φωτοβολταϊκισ μετατροπισ τθσ θλιακισ ενζργειασ ςε θλεκτρικι τα οποία είναι τα ακόλουκα: I)Υψθλό κόςτοσ καταςκευισ των θλιακϊν ςτοιχείων II)Για τισ περιςςότερεσ εφαρμογζσ απαιτείται θ δαπανθρι αποκικευςθ τθσ παραγόμενθσ θλεκτρικισ ενζργειασ,λόγω τθσ αςτάκειασ και τθσ μεγάλθσ διακφμανςθσ τθσ ιςχφοσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ III)Απαιτείται θ χρθςιμοποίθςθ μεγάλων ςχετικά επιφανειϊν,λόγω τθσ μικρισ πυκνότθτασ τθσ ιςχφοσ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ 16

17 1.2) Ηλιακι Ενζργεια Θ θλιακι ενζργεια είναι ιδιαίτερα ελκυςτικι διότι είναι μετατρζψιμθ ςε άλλεσ μορφζσ ενζργειασ με διάφορουσ τρόπουσ όπωσ θ κίνθςθ των ανζμων,θ φωτοβολταϊκι κτλ που αποκλείουν κινδφνουσ μόλυνςθσ του περιβάλλοντοσ και ηθμιζσ ςτο οικολογικό ςφςτθμα. Θ χριςθ τθσ όμωσ είναι αρκετά δφςκολθ εξ αιτίασ τθσ θμεριςιασ αςυνζχειασ τθσ ακτινοβολίασ και τθσ διαςποράσ τθσ. Θ ετιςια ακτινοβολοφμενθ ενζργεια από τον ιλιο ςτα όρια τθσ γιινθσ ατμόςφαιρασ ανζρχεται ςε 5.47*10 24 Joules από τα οποία ζνα μικρό ποςοςτό φτάνει ςτθν επιφάνεια τθσ γθσ.θ ακτινοβολοφμενθ θλιακι ενζργεια είναι 600 φορζσ μεγαλφτερθ από τισ παγκόςμιεσ ενεργειακζσ ανάγκεσ του Πμωσ θ μζςθ θλιακι ενζργεια ςτθ γιινθ επιφάνεια είναι αρκετά χαμθλι (24 mw/m 2 ) και ιςοδυναμεί με 500 cal/cm2 ανά θμζρα,πράγμα που κακιςτά απαραίτθτθ τθ καταςκευι ςυςτθμάτων μετατροπισ τθσ ενζργειασ,με όςο το δυνατόν χαμθλότερο κόςτοσ και υψθλι απόδοςθ. Τζλοσ,αναφζρουμε ότι θ πραγματικι ζνταςθ τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςτθν επιφάνεια τθσ γισ εξαρτάται από τθν γεωγραφικι κζςθ του τόπου,τθν εποχι,τισ μετεωρολογικζσ ςυνκικεσ,το υψόμετρο του τόπου,τθν ϊρα κτλ. 17

18 1.3) Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο 1.3.1) Γενικά για το φ/β φαινόμενο Θ φωτοβολταϊκι μεταροπι τθσ θλιακισ ενζργειασ ςτθρίηεται αφ ενόσ μζν ςτθν θλιακι ακτινοβολία,αφ ετζρου δε ςτισ ιδιότθτεσ των θμιαγωγικϊν υλικϊν. Το άτομο του πυριτίου που αποτελεί τον κυριότερο εκπρόςωπο των θμιαγωγϊν ζχει 14 θλεκτρόνια τοποκετθμζνα κατά τζτοιο τρόπο ϊςτε τα 4 εξωτερικά,που λζγονται και θλεκτρόνια ςκζνουσ,να μποροφν να δοκοφν,να γίνουν αποδεκτά ι να μοιραςτοφν με ζνα άλλο άτομο.ζνασ μεγάλοσ αρικμόσ ατόμων,μζςω των θλεκτρονίων ςκζνουσ,μποροφν να αλλθλοςυνδεκοφν με δεςμοφσ(bonds) και να ςχθματίςουν ζνα κρυςταλλικό πλζγμα(crystal lattice) δθμιουργϊντασ ζνα ςτερεό. Πταν το θλιακό φωσ πζςει ςε κρυςταλλικό πυρίτιο,είναι δυνατόν να ανακλαςτεί,να διαπεράςει τον κρφςταλλο ι να απορροφθκεί.στθ τελευταία περίπτωςθ και αν το φωσ είναι χαμθλισ ενζργειασ(e=hf,h:ςτακερά του Planck) τα άτομα του πυριτίου ταλαντϊνονται περί τθ ςτακερι κζςθ τουσ χωρίσ να χαλαρϊνουν οι δεςμοί μεταξφ τουσ,ενϊ τα θλεκτρόνια των δεςμϊν αποκτϊντασ μεγαλφτερθ ενζργεια ανεβαίνουν ςε υψθλότερεσ ενεργειακζσ ςτάκμεσ που δεν είναι ευςτακείσ οπότε τα θλεκτρόνια επιςτρζφουν ςφντομα ςτισ αρχικζσ χαμθλότερεσ ενεργειακζσ ςτάκμεσ,αποδίδοντασ υπό μορφι κερμότθτασ τθν ενζργεια που ζιχαν κερδίςει. Από τθν άλλθ μεριά,αν το φωσ ζχει αρκετι ενζργεια είναι δυνατόν να αλλάξει τισ θλεκτρικζσ ιδιότθτεσ του κρυςτάλλου.ζτςι,το θλεκτρόνιο ενόσ δεςμοφ είναι δυνατόν να αποχωριςτεί τθ κζςθ του ςτον κρφςταλλο και να μετακινθκεί ςτθ ηϊνθ αγωγιμότθτασ(conduction band) αφινοντασ πίςω ςτθ ηϊνθ ςκζνουσ(valence band) ζνα δεςμό από τον οποίο λείπει ζνα θλεκτρόνιο,που καλείται οπι. 18

19 1.3.2) Φράγμα δυναμικοφ Οπζσ ςτθ ηϊνθ ςκζνουσ και θλεκτρόνια ςτθ ηϊνθ αγωγιμότθτασ είναι ελεφκερα να μετακινθκοφν δια μζςου του κρυςτάλλου και παίηουν ςθμαντικό ρόλο ςτθν θλεκτρικι ςυμπεριφορά των θλιακϊν κυττάρων.τα παραγόμενα,με τθν βοικεια του θλιακοφ φωτόσ ηεφγθ θλεκτρονίωνοπϊν απότελοφν τθν βαςικι διαδικαςία του φωτοβολταϊκοφ φαινομζνου,χωρίσ όμωσ να είναι ςε κζςθ να δϊςουν από μόνα τουσ ρεφμα.εαν δεν υπιρχε και κάποιοσ άλλοσ μθχανιςμόσ τα ηεφγθ θλεκτρονίων-οπϊν κα εκτελοφςαν,για ςφντομο χρονικό διάςτθμα,τυχαίουσ ελιγμοφσ ςτον κρφςταλλο και τελικά κα επανιρχοντο ςτισ αρχικζσ κζςεισ τουσ ςτθ ηϊνθ ςκζνουσ αποδίδοντασ κερμικι ενζργεια.ζτςι, για τθν παραγωγι ρεφματοσ είναι απαραίτθτοσ και ζνασ άλλοσ μθχανιςμόσ,το φράγμα δυναμικοφ(potential barrier).κάκε θλιακό κφτταρο περιζχει ζνα φράγμα δυναμικοφ που διαχωρίηει τα παραγόμενα ηεφγθ θλεκτρονίων-οπϊν,ςτζλνοντασ περιςςότερα θλεκτρόνια ςτθ μία πλευρά του κυττάρου και περιςςότερεσ οπζσ ςτθν άλλθ ζτςι ϊςτε να υπάρχει μικρι πικανότθτα επαναςφνδεςθσ μεταξφ τουσ.ο χωριςμόσ αυτόσ των φορτίων δθμιουργεί μια διαφορά δυναμικοφ ςτα δφο άκρα του κυττάρου,που είναι δυνατόν να δϊςει ρεφμα ςε ζνα εξωτερικό κφκλωμα. 19

20 1.3.3) Δότεσ και δζκτεσ / Κρφςταλλοσ τφπου-n και τφπου-p Ππωσ προαναφζρκθκε το άτομο του πυριτίου ζχει 4 θλεκτρόνια ςκζνουσ κακζνα από τα οποία ανικει ςε ζνα δεςμό με ζνα άλλο άτομο πυριτίου.ειςάγουμε ςε ζνα κακαρό κρφςταλλο πυριτίου μια πρόςμιξθ αντικακιςτϊντασ ζνα άτομο πυριτίου με ζνα άτομο από τθν πζμπτθ ομάδα του περιοδικοφ ςυςτιματοσ π.χ.φϊςφορο,που ζχει 5 θλεκτρόνια ςκζνουσ.το άτομο-πρόςμιξθ κα αντικαταςτιςει ζνα άτομο πυριτίου προςφζροντασ 4 θλεκτρόνια για κακζνα από τουσ 4 δεςμοφσ με 4 άλλα άτομα πυριτίου,ενϊ κα υπάρχει περίςςεια ενόσ θλεκτρονίου που δεν κα ανικει ςε δεςμό.το επιπλζον θλεκτρόνιο δεν βρίςκεται οφτε ςτθ ηϊνθ ςκζνουσ οφτε ςτθ ηϊνθ αγωγιμότθτασ,αλλά ςε μια ενδιάμεςθ ςτάκμθ πολφ κοντά ςτθ ηϊνθ αγωγιμότθτασ που ςτθ κερμοκραςία δωματίου υπάρχει αρκετι κερμικι ενζργεια ςτον κρφςταλλο για να μετακινιςει αυτό το θλεκτρόνιο ςτθ ηϊνθ αγωγιμότθτασ,χωρίσ τον φόβο να επαναςυνδεκεί με κάποια οπι αφου δεν ζχει δθμιουργιςει πίςω του κάποια οπι αλλά ζνα κετικό ιόν φωςφόρου και είναι πάντα ςε ετοιμότθτα να ςυμβάλλει ςε κάποιο θλεκτρικό ρεφμα. Ζτςι,ζνασ κρφςταλλοσ πυριτίου,όπου ζνασ μεγάλοσ αρικμόσ ατόμων του ζχουν αντικαταςτακεί με άτομα φωςφόρου,κα ζχει πολλά ελεφκερα θλεκτρόνια ςτθ ηϊνθ αγωγιμότθτασ και ζνα αντίςτοιχο αρικμό κετικϊν ιόντων ςτθ κρυςταλλικι δομθ. Ζτςι,ενϊ το ςφνολο του κρυςτάλλου παραμζνει θλεκτρικά ουδζτερο,οι θλεκτρικζσ ιδιότθτεσ του κρυςτάλλου ζχουν αλλάξει δραςτικά.ρροςμίξεισ αυτου του τφπου που ζχουν ζνα επιπλζον θλεκτρόνιο ςκζνουσ καλοφνται δότεσ(donors) και ο αντίςτοιχοσ κρφςταλλοσ καλείται τφπου-n(n-type).τα παραπάνω αποτελοφν ζνα μζροσ τθσ διαδικαςίασ για τθ δθμιουργία του εςωτερικοφ φράγματοσ δυναμικοφ. 20

21 Αν τϊρα αντικαταςτιςουμε ζνα άτομο πυριτίου με ζνα άτομο από τθν τρίτθ ομάδα του περιοδικοφ ςυςτιματοσ π.χ.βόριο,που ζχει τρία θλεκτρόνια ςκζνουσ,το άτομο-πρόςμιξθ κα προςφζρει τα 3 θλεκτρόνια ςε 3 δεςμοφσ με 3 άτομα πυριτίου,αλλά από τον τζταρτο δεςμό του αντικακιςτοφμενου ατόμου πυριτίου κα λείπει ζνα θλεκτρόνιο δθλαδι κα υπάρχει μια οπι.θ οπι αυτι βρίςκεται ςε μία ενδιάμεςθ ςτάκμθ πολφ κοντά ςτθ ηϊνθ ςκζνουσ που με αντίςτοιχθ κερμικι ενζργεια μετακινείται ςτθ ηϊνθ ςκζνουσ.ζτςι ζνασ κρφςταλλοσ πυριτίου ντοπαριςμζνοσ με πολλά άτομα βορίου διακζτει ζνα μεγάλο αρικμό οπϊν που είναι δυνατόν να κεωρθκοφν ςαν ελεφκερα κετικά φορτία και να μετακινθκοφν μζςω του κρυςταλλικοφ πλζγματοσ.ρροςμίξεισ αυτοφ του τφπου(με 3 θλεκτρόνια ςκζνουσ) καλοφνται δζκτεσ(acceptors),διότι οι οπζσ τουσ δζχονται θλεκτρόνια (θλεκτρόνια ςκζνουσ που ανικουν ςε δεςμοφσ ι θλεκτρόνια αγωγιμότθτασ) και ο αντίςτοιχοσ κρφςταλλοσ καλείται τφπου-p(p-type) ) Φορείσ πλειονότθτασ και μειονότθτασ Σε ζνα υλικό τφπου-n θλεκτρόνια(αρνθτικά φορτία) αποτελοφν τουσ φορείσ πλειονότθτασ(majority carriers) ενϊ οι οπζσ αποτελοφν τουσ φορείσ μειονότθτασ(minority carriers).αντίςτροφα,ςε ζνα υλικό τφπου-p τουσ φορείσ πλειονότθτασ αποτελοφν οι οπζσ(κετικά φορτία),ενϊ τουσ φορείσ μειονότθτασ τα θλεκτρόνια. 21

22 1.3.5) Ρεφμα διάχυςθσ οπϊν και θλεκτρονίων Αν τϊρα φζρουμε ςε επαφι ζνα υλικό τφπου-n και ζνα υλικό τφπου-p,θ διαχωριςτικι γραμμι που καλείται επαφι(junction) αποτελεί τθν εςτία δθμιουργίασ του φράγματοσ δυναμικοφ,που όπωσ είδαμε αποτελεί ουςιαςτικι προχπόκεςθ για τθ λειτουργία του θλιακοφ κυττάρου.πταν λοιπόν τα δφο υλικά ζρκουν ςε επαφι,ελεφκερα θλεκτρόνια από το υλικό τφπου-n μεταπθδοφν(με τθ διαδικαςία τθσ διάχυςθσ) μζςω τθσ επαφισ ςτο υλικό τφπου-p και ςυνδζονται με αντίςτοιχεσ οπζσ,αφοφ το υλικό αυτό διακζτει μεγάλο αρικμό οπϊν.αν n είναι θ πυκνότθτα των θλεκτρονίων,dn/dx είναι θ μονοδιάςτατθ βάκμωςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ των θλεκτρονίων.είναι προφανζσ ότι θ ροι των θλεκτρονίων είναι ανάλογθ προσ τθν αρνθτικι βάκμωςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ.επειδι το ρεφμα είναι ανάλογο προσ τθν ροι φορτιςμζνων ςωματιδίων,το παραπάνω φαινόμενο ςυνίςταται ςε ζνα ρεφμα διάχυςθσ που θ πυκνότθτά του δίνεται απο τθ ςχζςθ: J e =q*d e * Ππου,q=1,6*10-19 Cb(electronic charge) D e =ςτακερά διάχυςθσ θλεκτρονίων Από τθν άλλθ μεριά,οπζσ από το υλικό τφπου-p μεταπθδοφν(με τθν διαδικαςία τθσ διάχυςθσ) ςτο υλικό τφπου-n (ςτθν ουςία θλεκτρόνια ςκζνουσ από το υλικό τφπου-n μεταπθδοφν ςτο υλικό τφπου-p και ςυνδζονται με οπζσ) που ςυνιςτοφν ζνα ρεφμα διάχυςθσ,θ πυκνότθτα του οποίου δίνεται από τθν ςχζςθ: J h =-q*d h * Ππου,D h =ςτακερά διάχυςθσ οπϊν p=πυκνότθτα οπϊν 22

23 1.3.6) Ρεφμα ολιςκιςεωσ οπϊν και θλεκτρονίων και ολικό ρεφμα ολιςκιςεωσ Αυτι θ διαδικαςία μεταφοράσ των φορτίων δθμιουργεί μια ανιςορροπία φορτίων ςτισ δφο πλευρζσ τθσ επαφισ:αρνθτικά φορτία(επιπλεόν θλεκτρόνια) ςτθν πλευρά τφπου-p τθσ επαφισ και κετικά φορτία(ιόντα) ςτθν πλευρά τφπου-n τθσ επαφισ.θ διαδικαςία αυτι δεν ςυνεχίηεται απεριόριςτα.οι φορτιςμζνοι φορείσ που μεταφζρκθκαν ςτισ δφο πλευρζσ τθσ επαφισ δθμιουργοφν ζνα θλεκτρικό πεδίο που ενεργεί ςαν φράγμα και αντιτίκεται ςτθν παραπζρα ροι των φορζων.με άλλα λόγια,ςε μια ςτενι περιοχι περί τθν επαφι(space charge region ι depletion region) δθμιουργοφνται φορτία χϊρου,που ζχουν ςαν ςυνζπεια τθν δθμιουργία ενόσ φράγματοσ δυναμικοφ περί τθν επαφι,που αντιτίκεται ςτθν παραπζρα διάχυςθ των φορζων πλειονότθτασ μζςω τθσ επαφισ.ωςτόςο,οι φορείσ μειονότθτασ δεν εμποδίηονται από το φράγμα δυναμικοφ.αντίκετα μάλιςτα,(χωρίσ φωτιςμό του κυττάρου) υπάρχει μικρόσ αρικμόσ φορζων μειονότθτασ,όπωσ ελεφκερα θλεκτρόνια ςτο υλικό τφπου-p,τα οποία οδθγοφνται από το θλεκτρικό πεδίο τθσ επαφισ ςτθν αντίκετθ πλευρά δθλαδι ςτο υλικό τφπου-n και ςυνιςτοφν το ρεφμα ολιςκιςεωσ(drift current) που δίνεται από τθ ςχζςθ: J e =q*μ e *n*e Ππου,μ e =ευκινθςία(mobility) των θλεκτρονίων Ε=θλεκτρικό πεδίο Το ίδιο ιςχφει για τισ οπζσ που βρίςκονται ςτο υλικό τφπου-n,που ςυνιςτοφν ζνα ρεφμα ολιςκιςεωσ: J h =q*μ h *p*e Ππου,μ h :ευκινθςία των οπϊν 23

24 Το ολικό ρεφμα ολίςκθςθσ προκφπτει ςαν άκροιςμα των δφο παραπάνω ςυνιςτωςϊν,οπότε θ αγωγιμότθτα ς του θμιαγωγοφ προκφπτει: ς= =q*μ e *n+q*μ h *p Επιπλζον,οι διαδικαςίεσ διάχυςθσ και ολίςκθςθσ αλλθλοςχετίηονται και οι ευκινθςίεσ και οι ςτακερζσ διάχυςθσ δεν είναι ανεξάρτθτεσ μεταξφ τουσ αλλά ςυνδζονται με τισ ςχζςεισ: D e = *μ e D h = *μ h Ππου,Κ=ςτακερα Boltzmann(=1.38*10-23 joule/k) T=απόλυτθ κερμοκραςία(κ) Ζτςι,ςε ςυνκικεσ ιςορροπίασ όταν το κφτταρο δεν φωτίηεται λίγοι φορείσ πλειονότθτασ που αποκτοφν τυχαία αρκετι ενζργεια ϊςτε να διαςχίςουν το φράγμα ςυνιςτοφν ζνα ρεφμα διάχυςθσ που αντιςτακμίηεται από ίςο και αντίκετο ρεφμα ολίςκθςθσ που οφείλεται ςε φορείσ μειονότθτασ,οπότε τελικά δεν υπάρχει ρεφμα ςτον κρφςταλλο ) Βαςικζσ εξιςϊςεισ καταςκευισ ενόσ θλιακοφ κυττάρου Τα παραπάνω αποτελοφν τθν αρχι καταςκευισ και κατ επζκταςθ τθ βάςθ για τθν αρχι λειτουργίασ τόςο μιασ διόδου επαφισ p-n(όπωσ είναι ζνα θλιακό κφτταρο όταν δεν φωτίηεται) όςο και του θλιακοφ κυττάρου που φωτίηεται.οι βαςικζσ εξιςϊςεισ που περιγράφουν και τισ δφο αυτζσ περιπτϊςεισ είναι οι ακόλουκεσ: 24

25 Α)Ο νόμοσ του Gauss ςε διαφορικι μορφι ςτθν περιοχι επαφισ: = Ππου,ρ=q*(p-n-N + D -N - A ) + N D =N D =πυκνότθτα ςτουσ δότεσ - N A =N A =πυκνότθτα ςτουσ δζκτεσ Β)Οι εξιςϊςεισ πυκνότθτασ ρεφματοσ(διάχυςθσ και ολίςκθςθσ): J e =q*μ e *n*e+ q*d e * J h =q*μ h *p*e- q*d h * Γ)Οι εξιςϊςεισ ςυνζχειασ.για ζναν όγκο διατομισ Α και μικουσ δx:,ρυκμόσ ειςόδου θλεκτρονίων(οπϊν)--,ρυκμόσ εξόδου θλεκτρονίων(οπϊν)-=,ρυκμόσ παραγωγισ(λόγω φωτιςμοφ)--,ρυκμόσ επαναςφνδεςθσ- που με ςφμβολα μεταφράηονται ςτισ δφο παρακάτω εξιςϊςεισ για θλεκτρόνια και οπζσ. * =U-G * =-(U-G) 25

26 Ππου,U=ρυκμόσ επαναςφνδεςθσ G=ρυκμόσ παραγωγισ Αν και οι επιμζρουσ μθχανιςμοί(φυςικοί και μακθματικοί) είναι αρκετα πολφπλοκοι,εντοφτοισ κάνοντασ οριςμζνεσ παραδοχζσ-προςεγγίςεισ είναι δυνατόν να καταλιξει,ςχετικά εφκολα,κάποιοσ ςτθ λφςθ των παραπάνω εξιςϊςεων τόςο για τθν περίπτωςθ κυττάρου που δεν φωτίηεται όςο και για τθν περίπτωςθ που φωτίηεται. Ζτςι,ςτθν περίπτωςθ ενόσ κυττάρου που δεν φωτίηεται(g=0) το αποτζλεςμα μιασ τζτοιασ ανάλυςθσ δίνει τθν παρακάτω εξίςωςθ,που αποτελεί τθν βαςικι εξίςωςθ μιασ διόδου επαφισ p-n: I=I 0 *(e qv/kt -1) Ππου,I=το ρεφμα του κυττάρου V=θ τάςθ του κυττάρου I 0 =το ρεφμα κόρου τθσ διόδου που δίνεται από τθν ςχζςθ: I 0 =A*{(q*D e *n i 2 /i e *N A )+(q*d h *n i 2 /i h *N D )} Ππου,Α=διατομι του κυττάρου n i =n=p=ενδογενισ ςυγκζντρωςθ θλεκτρονίων(οπϊν) ςε κακαρό κρφςταλλο πυριτίου i e =μικοσ διάχυςθσ θλεκτρονίων= 26

27 τ e =διάρκεια ηωισ θλεκτρονίων ςαν φορζων μειονότθτασ=ο χρόνοσ μεταξφ τθσ δθμιουργίασ ενόσ φορζα ςε υλικό που αποτελεί φορζα μειονότθτασ και τθσ επαναςφνδεςθσ με φορζα πλειονότθτασ i h =μικοσ διάχυςθσ οπϊν= τ h =διάρκεια ηωισ οπϊν ςαν φορζων μειονότθτασ Στθν περίπτωςθ τϊρα που το θλιακό κφτταρο φωτίηεται(g 0),φωτόνια με ενζργεια(e=h*f=h*c/λ) μεγαλφτερθ ι ίςθ από το ενεργειακό χάςμα E g του θμιαγωγοφ(ενεργειακό χάςμα είναι θ διαφορά ενζργειασ μεταξφ του πάνω μζρουσ τθσ ηϊνθσ ςκζνουσ και του κάτω μζρουσ τθσ ηϊνθσ αγωγιμότθτασ,είναι δε θ ελάχιςτθ ενζργεια που απαιτείται για να ελευκερωκεί ζνα θλεκτρόνιο,ςτακερι για κάκε υλικό,μετράται ςε μονάδεσ ev και ςτθν περίπτωςθ του πυριτίου είναι 1.1 ev) δθμιουργοφν ηεφγθ θλεκτρονίων-οπϊν.ζςτω ότι ζνα τζτοιο ηεφγοσ δθμιουργείται ςτο υλικό τφπου-p.το θλεκτρόνιο του ηεφγουσ ζχει ζνα ςχετικά μικρό χρονικό διάςτθμα που μπορεί να είναι ελζυκερο,διότι είναι πολφ πικανό να επαναςυνδεκεί(με διάφορουσ μθχανιςμοφσ) με μία από τισ πολυπλθκείσ οπζσ που υπάρχουν ςτο υλικό τφπου-p.τα θλιακά κφτταρα,εντοφτοισ,ςχεδιάηονται κατά τζτοιο τρόπο ϊςτε το θλεκτρόνιο να φτάςει ςτθν περιοχι τθσ επαφισ πριν του δοκεί θ ευκαιρία επαναςφνδεςθσ με κάποια οπι οπότε κα αποδόςει τθν ενζργεια του υπό μορφι κερμότθτασ χωρίσ να ςυμβάλλει ςτο φωτόρευμα που μασ ενδιαφζρει.από τθν ςτιγμι που το ελεφκερο θλεκτρόνιο κα βρεκεί ςτο πεδίο τθσ επαφισ,επιταγχφνεται από το φράγμα δυναμικοφ προσ το υλικό τφπου-n,όπου υπάρχουν ελάχιςτεσ οπζσ και δεν υπάρχει μεγάλοσ κίνδυνοσ επαναςφνδεςθσ,επιπλζον δε υπάρχει μικρι πικανότθτα επιςτροφισ ςτο υλικό τφπου-p διότι πρζπει να υπερνικιςει το φράγμα δυναμικοφ.από τθν άλλθ μεριά,θ οπι του ηεφγουσ παραμζνει ςτο υλικό τφπου-p,διότι απωκείται από το φράγμα τθσ επαφισ.ανάλογα φαινόμενα ςυμβαίνουν,όταν το φωσ παράγει ηεφγθ θλεκτρονίων-οπϊν ςτο υλικό τφπου-n.αφτο που κρατάμε ωσ πιο ςθμαντικό είναι ότι το θλιακό φωσ δθμιουργεί ηεφγθ θλεκτρονίων-οπϊν,ενϊ το φράγμα δυναμικοφ ςτζλνει τα θλεκτρόνια ςτο υλικό τφπου-n και τισ οπζσ ςτο υλικό τφπου-p. 27

28 Θ διαδικαςία αυτι διαχωριςμοφ των φορτίων που παράγονται ςε ζνα φωτιηόμενο θλιακό κφτταρο,δθμιουργεί πλεόναςμα αρνθτικϊν φορτίων ςτο υλικό τφπου-n και κετικϊν φορτίων ςτο υλικό τφπου-p.ζτςι,αν ςυνδζςουμε τθν πλευρά τφπου-n με τθν πλευρά τφπου-p του κυττάρου μζςω ενόσ εξωτερικοφ θλεκτρικοφ κυκλϊματοσ κα ζχουμε ροι ρεφματοσ μζςω του κυκλϊματοσ.αρνθτικά φορτία ρζουν από το θλεκτρόδιο που βρίςκεται ςτο υλικό τφπου-n,μζςω του φορτίου(παράγοντασ ωφζλιμο ζργο ςτο φορτίο) ςτο υλικό τφπου-p,όπου επαναςυνδζονται με οπζσ κοντά ςτο θλεκτρόδιο.δθλάδθ το φωσ παράγει ηεφγθ θλεκτρονίων-οπϊν και το φράγμα δυναμικοφ διαχωρίηει τουσ φορείσ ςτισ δφο απζναντι πλευρζσ του κυττάρου δθμιουργϊντασ μία τάςθ που κυκλοφορεί ρεφμα ςε ζνα εξωτερικό κφκλωμα. Θ μακθματικι ανάλυςθ των φυςικϊν διεργαςιϊν που αναπτφχκθκαν παραπάνω για τθν περίπτωςθ φωτιηόμενου θλιακοφ κυττάρου ςτθρίηεται ςτισ ίδιεσ εξιςϊςεισ με τισ οποιζσ προζκυψε θ εξίςωςθ μιασ διόδου p-n,με τθν διαφορά ότι εδϊ ο ρυκμόσ παραγωγισ G 0. Θ επεξεργαςία των εξιςϊςεων αυτϊν οδθγεί ςτθ βαςικι εξίςωςθ του θλιακοφ κυττάρου: I=I 0 *(e qv/kt -1)-I L Ππου το I 0 το ζχουμε υπολογίςει παραπάνω και I L είναι το φωτόρευμα(δθλαδι το ρεφμα που παράγεται λόγω του προςπίπτοντοσ θλιακοφ φωτόσ επί του κυττάρου) που δίνεται από τθν ςχζςθ: I L =q*a*g*(i e +W+i h ) 28

29 Ππου,W=εφροσ τθσ επαφισ(depletion region) G=ρυκμόσ παραγϊγθσ που για το θλιακό φϊσ δίδεται από τθν ακόλουκθ ςχζςθ: G(x)= Ππου,x=απόςταςθ από τθν πάνω επιφάνεια του κυττάρου R=ςυντελεςτισ ανάκλαςθσ a=ςυντελεςτισ απορρόφθςθσ N =προςπίπτουςα ροι φωτονίων ανά μονάδα μικουσ κφματοσ λ=μικοσ κφματοσ Μία ιςοδφναμθ εξίςωςθ υπολογιςμοφ του φωτορεφματοσ είναι θ: I L = (λ)*ε(λ)*dλ Ππου,P(λ)=θ φαςματικι απόκριςθ του κυττάρου(a/w) ςα ςυνάρτθςθ του μικουσ κφματοσ Ε(λ)=θ φαςματικι κατανομι ενζργειασ(w) τθσ προςπίπτουςασ θλιακισ ακτινοβολίασ ςα ςυνάρτθςθ του μικουσ κφματοσ 29

30 1.4) Ιςοδφναμο κφκλωμα φ/β κυττάρου Το κφτταρο μπορεί να μοντελοποιθκεί ωσ μια πθγι ρεφματοσ παράλλθλα με μια δίοδο. Πταν δεν υπάρχει παρουςία φωτόσ για να παράγει κάποιο ρεφμα, το κφτταρο ςυμπεριφζρεται όπωσ μια δίοδο. Κακϊσ θ ζνταςθ του φωτόσ που προςπίπτει αυξάνεται, το ρεφμα που παράγεται από το κφτταρο φαίνεται ςτο Σχιμα 1. χιμα 1-Καμπφλθ θλιακοφ κυττάρου Σε ζνα ιδανικό κφτταρο, το ςυνολικό ρεφμα Λ είναι ίςο με το ρεφμα I l που παράγεται από το φωτοθλεκτρικό φαινόμενο μείον το ρεφμα τθσ διόδου I D, ςφμφωνα με τθν εξίςωςθ: όπου I 0 είναι το ρεφμα κόρου τθσ διόδου,q είναι το ςτοιχειϊδεσ φορτίο 1.6x10-19 coulomb,κ είναι ςτακερά BOLTZMANN που ιςοφται με 1.38x10-23 J/Κ,Τ είναι θ απόλυτθ κερμοκραςία ςε Kelvin, και V είναι θ τάςθ που παράγεται ςτθν ζξοδο του κυττάρου.ζνα πιο ακριβζσ μοντζλο κα περιλαμβάνει δφο διόδουσ,ωςτόςο εμείσ μελετάμε τθν περίπτωςθ που ζχουμε μία δίοδο.θ επζκταςθ τθσ εξίςωςθσ δίνει το απλοποιθμζνο μοντζλο κυκλϊματοσ, όπου n είναι ο παράγοντασ ιδανικότθτασ τθσ διόδου(ςυνικωσ μεταξφ 1 και 2),R S και R SH αντιπροςωπεφουν τθν ςειρά και παράλλθλθ αντίςταςθ που περιγράφονται με περιςςότερεσ λεπτομζρειεσ παρακάτω: 30

31 χιμα 2 - Απλοποιθμζνο Μοντζλο Ιςοδφναμο κφκλωμα για ζνα φωτοβολταϊκό κφτταρο Αναλυτικά ζχουμε: R SH :παράλλθλθ αντίςταςθ που οφείλεται ςε διαρροζσ των φορζων που ςυμβαίνουν είτε ςτν επαφι p-n(επαναςφνδεςθ),είτε ςτθν εξωτερικι παράπλευρθ επιφάνεια του κυττάρου(επιφανειακι διαρροι),είτε ςε άλλεσ ανωμαλίεσ του κρυςτάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμθμζνεσ ςε όλθ τθν επιφάνεια του κυττάρου οφτε μεταξφ δφο όμοιων κυττάρων. R S :ςε ςειρά αντίςταςθ του κυττάρου που παριςτάνει ςε ςυγκεντρωμζνθ μορφι όλα τα κατανεμθμζνα ςτοιχεία αντίςταςθσ κατά τθν ροι των φορζων ςτον κυρίωσ θμιαγωγό,τθν επιφανειακι ροι ςτον θμιαγωγό(ςυνικωσ τφπου-n) που βρίςκεται ςτθν πλευρά που προςπίπτει το φωσ και αποτελείται από πολφ λεπτό ςτρϊμα,τθν ενδοεπιφάνεια μεταξφ θμιαγωγοφ-ωμικισ επαφισ και τθν ωμικι επαφι. n:ςτακερά που οφείλεται ςε φαινόμενα επαναςφνδεςθσ που ςυμβαίνουν ςτθν περιοχι τθσ επαφισ και τα οποία κατά τθν παραγωγι τθσ κεωρθτικισ εξίςωςθσ παραλιφκθκαν διότι το εφροσ αυτισ τθσ περιοχισ κεωρικθκε αμελθτζο. 31

32 1.5) Ρεφμα βραχυκφκλωςθσ και τάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ Θ καμπφλθ I-V ενόσ φωτιςμζνου θλιακοφ κυττάρου ζχει το ςχιμα που φαίνεται ςτο Σχιμα 3,όπου Λsc είναι το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ και Voc θ τάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ,δφο μεγζκθ τα οποία προςδιορίηονται παρακάτω: χιμα 3-Καμπφλθ I-V φωτιςμζνου θλιακοφ κυττάρου 1.5.1) Ρεφμα βραχυκφκλωςθσ (I SC ) Το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ I SC αντιςτοιχεί ςτο φωτόρευμα όταν θ αντίςταςθ είναι μικρι και υπολογίηεται όταν θ τάςθ ιςοφται με 0. Λ(ςτο V=0)= I SC 1.5.2) Σάςθ ανοιχτοφ κυκλϊματοσ (V OC ) Θ τάςθ ανοικτοφ κυκλϊματοσ (V OC ) είναι θ τάςθ για μθδενικό ρεφμα. V(ςε I=0) = V OC Αν κεωριςουμε τθν αντίςταςθ R SH πολφ μεγάλθ προκφπτει ότι: V OC= * ln( +1) Ππου,I L =φωτόρευμα I 0 =ρεφμα κόρου διόδου 32

33 1.6) Μζγιςτθ ιςχφσ P MAX Θ ιςχφσ που παράγεται από το κφτταρο ςε Watts μπορεί εφκολα να υπολογιςτεί ςφμφωνα με το διάγραμμα I-V από τθν εξίςωςθ P = V*I. Το ςθμείο μζγιςτθσ ιςχφσ εξόδου PMAX ςτο οπιό αντιςτοιχεί ρεφμα IMP και τάςθ VMP βρίςκεται ςτο ςθμείο από το οπιό μποροφμε να καταςκευάςουμε το ορκογϊνιο με τθν μεγάλυτερθ επιφάνεια μζςα ςτθν I-V καμπφλθ.μία ευκεία που διζρχεται από τθν αρχι των αξόνων και το ςθμείο P MP παριςτάνει τθν βζλτιςτθ αντίςταςθ φορτίου R LOPT που ζχει κλίςθ 1/R LOPT =I MP /V MP. χιμα 4 - Μζγιςτθ ιςχφσ 1.7) υςντελεςτισ πλθρϊςεωσ FF(FILL FACTOR) Ο ςυντελεςτισ πλθρϊςεωσ (FF) είναι ουςιαςτικά ζνα μζτρο του πόςο τετράγωνθ είναι θ I-V καμπφλθ.υπολογίηεται με τθ ςφγκριςθ τθσ μζγιςτθσ ιςχφοσ με τθ κεωρθτικι ιςχφ (P T ) και ιςοφται με τον παρακάτω λόγο. 33

34 Στο ςθμείο αυτό κα πρζπει να τονιςκεί ότι θ I-V καμπφλθ εξαρτάται τόςο από τθν ζνταςθ τθσ προςπίπτουςασ ακτινοβολίασ(w/m 2 ) όςο και από τθν κερμοκραςία( o C). Ζνταςθ ακτινοβολίασ:πταν μεταβάλλεται θ ζνταςθ τθσ προςπίπτουςασ ακτινιοβολίασ(διατθρϊντασ ςτακερι τθν κερμοκραςία του κυττάρου και τθν φαςματικι κατανομι τθσ ακτινοβολίασ),μεταβάλλεται και θ I-V χαρακτθριςτικι του κυττάρου και μάλιςτα θ απόκριςθ είναι πολφ γριγορθ(ςτακερά χρόνου τθσ τάξεωσ των μsec).για τουσ περιςςότερουσ τφπουσ των θλιακϊν κυττάρων,που ζχουν ςχεδιαςτεί για λειτουργία ςε ζνταςθ ακτινοβολίασ μιασ περίπου θλιακισ ςτακεράσ,θ μορφι τθσ I-V καμπφλθσδεν μεταβάλλεται ουςιαςτικά με τθν ζνταςθ ςτθν περιοχι θλιακζσ ςτακερζσ,το ρεφμα I sc πρακτικά μεταβάλλεται αναλογικά με τθν ζνταςθ,θ τάςθ V oc μεταβάλλεται λιγότερο(λογαρικμικι εξάρτθςθ),ενϊ θ R s παραμζνει ςχεδόν ςτακερι. Κερμοκραςία:Πταν μεταβάλλεται θ κερμοκραςία του κυττάρου προκαλοφνται οι παρακάτω μεταβολζσ ςτισ παραμζτρουσ τθσ I-V χαρακτθριςτικισ.με αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ λειτουργίασ του κυττάρου: Α)Το ρεφμα I sc αυξάνεται ελαφρά(εξαρτάται βζβαια και από τθν ζνταςθ τθσ ακτινοβολίασ και οφείλεται ςε μεταβολι τθσ δυνατότθτασ ςυλλογισ των φορζων,αφοφ και το ενεργειακό χάςμα μειϊνεται με αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ).τυπικζσ τιμζσ: di sc /dt=0.01[ma*cm -2 / o C] ι 0.1%/ ο C Β)Θ τάςθ V oc μειϊνεται και οφείλεται ςε μεταβολι των χαρακτθριςτικϊν αγωγισ τθσ διόδου.τυπικζσ τιμζσ: dv oc /dt=-2.2[mv/ o C] ι -0.4%/ o C 34

35 Γ)Θ ιςχφσ P MP μειϊνεται,ενϊ μεταβάλλεται και θ μορφι τθσ καμπφλθσ(το φόνατο τθσ καμπφλθσ γίνεται πιο ςτρογγυλοποιθμζνο με αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ).τυπικζσ τιμζσ: dp MP /dt=-0.4 ζωσ -0.5%/ ο C Ζτςι ζνα θλιακό κφτταρο ςυνθκίηεται να χαρακτθρίηεται από τθν ιςχφ εξόδου του ςε μία προκακοριςμζνθ κερμοκραςία(ςυνικωσ 25 o C ι 28 o C)και ακτινοβολία 1000W/m 2 και είναι γνωςτι ωσ ιςχφσ αιχμισ(peak power).συνεπϊσ το μζγεκοσ μιασ φωτοβολταϊκισ γεννιτριασ χαρακτθρίηεται από τα Watts αιχμισ(wp,watt peak) που μπορεί να παράγει. 1.8) Βακμόσ απόδοςθσ θλιακοφ κυττάρου Ο βακμόσ απόδοςθσ του θλιακοφ κυττάρου δίνεται απο τθν ςχζςθ: n=(v MP *I MP )/P in =(V oc *I sc *FF)/P in όπου P in είναι θ ολικι ιςχφσ τθσ προςπίπτουςασ ςτο κφτταρο ακτινοβολίασ.ο βακμόσ απόδοςθσ των θλιακϊν κυττάρων του εμπορίου βρίςκεται ςτθν περιοχι 12 μζχρι 14%,ενϊ ςε πειραματικά μοντζλα ζχουν επιτευχκεί μεγαλφτερεσ τιμζσ. Ο κεωρθτικά μζγιςτοσ βακμόσ απόδοςθσ εξαρτάται με βάςθ τθν παραπάνω εξίςωςθ από τισ μζγιςτεσ τιμζσ I sc,v oc και FF. Κα πρζπει να ςθμειϊςουμε ότι το ρεφμα I sc αυξάνεται κακϊσ το ενεργειακό χάςμα μειϊνεται ενϊ αντίκετα θ τάςθ V oc ελαττϊνεται κακϊσ ελαττϊνεται το ενεργειακό χάςμα.ζτςι οδθγοφμαςτε ςτο ςυμπζραςμα ότι υπάρχει μία βζλτιςτθ τιμι του ενεργειακόυ χάςματοσ που κα δίνει τον μεγαλφτερο βακμό απόδοςθσ. Τζλοσ,κα αναφζρουμε τουσ παράγοντεσ οι οποίοι είναι υπεφκυνοι για τθν ςχετικά χαμθλι τιμι-τόςο κεωρθτικι όςο και πρακτικι-του βακμοφ απόδοςθσ: 35

36 ΑΝΑΚΛΑΣΘ Μθ επεξεργαςμζνθ επιφάνεια πυριτίου ανακλά ζνα ποςοςτό τθσ προςπίπτουςασ ακτινοβολίασ τθσ τάξεωσ του 30%. Επεξεργαςία τθσ επιφάνειασ με χθμικά μζςα και/ι επίςτρωςθ με αντιανακλαςτικά υλικά περιορίηει δραςτικά τισ ανακλάςεισ μζχρι τθν τάξθ του 3%. ΣΚΛΑΣΘ ΑΡΟ ΤΛΣ ΕΡΑΦΕΣ Θ ανάγκθ τθσ καταςκευισ θλεκτροδίων τόςο ςτθν επιφάνεια του υλικοφ τφπου-p όςο και του υλικοφ τφπου-n ςυνεπάγεται τθ δθμιουργία ενόσ μεταλλικοφ πλζγματοσ επαφϊν ςτθν επιφάνεια του κυττάρου που εκτίκεται ςτο θλιακό φωσ, με ςκοπό τθν απαγωγι των φορζων και τθν ελαχιςτοποίθςθ των ωμικϊν φαινομζνων. Αυτό το μεταλλικό πλζγμα επαφϊν ζχει ςαν ςυνζπεια ζνα ποςοςτό 5-15% τθσ προςπίπτουςασ ακτινοβολίασ να εκτρζπεται. ΑΤΕΛΘΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΘ ΤΘΣ ΕΝΕΓΕΛΑΣ ΤΩΝ ΦΩΤΟΝΛΩΝ Θ θλιακι ακτινοβολία που φκάνει ςτο ζδαφοσ ζχει διαφορετικζσ εντάςεισ ςε ζνα ευρφ φάςμα μθκϊν κφματοσ, δθλαδι ςτον κρφςταλλο προςπίπτουν φωτόνια που καλφπτουν ζνα ευρφ φάςμα τιμϊν ενζργειασ (hf), τα οποία είναι δυνατόν: α)να διαπεράςουν τον κρφςταλλο, β)να απορροφθκοφν παράγοντασ μόνο κερμότθτα (εάν hf<e g ) υπό μορφι ταλαντϊςεων των ατόμων, γ)να δθμιουργιςουν ηεφγοσ θλεκτρονίων-οπϊν (εάν hf=e g ), δ)να δθμιουργιςουν ηεφγοσ θλεκτρονίων-οπϊν και θ επί πλζον ενζργειά τουσ να μετατραπεί ςε κερμότθτα (εάν hf> E g ). Τοφτοσ ο παράγοντασ με τουσ τζςςερισ μθχανιςμοφσ του και μόνο (α-δ) περιορίηει τθ μζγιςτθ δυνατι απόδοςθ ςτο 44%. 36

37 ΕΡΑΝΑΣΥΝΔΕΣΘ Αυτι μπορεί να ςυμβεί με διάφορουσ μθχανιςμοφσ ςτον κυρίωσ όγκο του θμιαγωγοφ ςτισ επιφάνειεσ και ςε ατζλειεσ του υλικοφ. ΑΝΤΛΣΤΑΣΘ Μθ ικανοποιθτικζσ τιμζσ τόςο τθσ εν ςειρά αντίςταςθσ R S, όςο και τθσ παράλλθλθσ R SH τείνουν να ελαττϊςουν τον ςυντελεςτι FF, ενϊ ςε ακραίεσ περιπτϊςεισ ακόμθ και τα I SC, V OC (ΣΧΘΜΑ 2.15) με τελικι ςυνζπεια τθ μείωςθ τθσ απόδοςθσ. ΚΕΜΟΚΑΣΛΑ Οι φυςικοί μθχανιςμοί που κακορίηουν τθ ςχζςθ μεταξφ κερμοκραςίασ και βακμοφ απόδοςθσ είναι αρκετά πολφπλοκοι. Ράντωσ οι αρκετά υψθλζσ, αλλά και οι αρκετά χαμθλζσ κερμοκραςίεσ, τείνουν να μειϊςουν ςθμαντικά το βακμό απόδοςθσ (ΣΧΘΜΑ 2.20). ΓΘΑΝΣΘ Ρροςδιορίηει τθν ελάττωςθ τθσ απόδοςθσ του φωτοβολταϊκοφ πλαιςίου, άρα και τθσ ιςχφοσ αιχμισ του, λόγω γενικότερθσ αλλοίωςθσ του φωτοβολταϊκοφ κυττάρου ωσ ενςωματωμζνου τμιματοσ του ΦΒ πλαιςίου. Οι αιτίεσ τθσ γιρανςθσ είναι πολλζσ όπωσ ράγιςμα του γυαλιοφ κάλυψθσ, διαχωριςμόσ του ειδικοφ πλαςτικοφ μόνωςθσ από τθν υγραςία τθσ πίςω πλευράσ κ.α. Αν και μερικζσ από αυτζσ τισ περιπτϊςεισ φαίνονται καταςτροφικζσ για τθ λειτουργία του ΦΒ πλαιςίου, εντοφτοισ προκαλείται μονάχα μείωςθ τθσ παραγωγισ ιςχφοσ και όχι ολικι καταςτροφι του. Μετριςεισ μακράσ διάρκειασ ςε πλαίςια κρυςταλλικοφ πυριτίου, δίδουν μείωςθ τθσ αποδοτικότθτάσ του κάτω από πρότυπεσ ςυνκικεσ, ~1% κατ ζτοσ χριςθσ (ρυκμόσ γιρανςθσ). 37

38 1.9) Πρότυπεσ ςυνκικεσ ελζγχου STC των φ/β ςτοιχείων Τα βαςικά χαρακτθριςτικά, τα οποία ελζγχονται ςε ζνα εργαςτθριακά παραςκευαςμζνο ΦΒ ςτοιχείο κακϊσ επίςθσ και ςτο τελικά διατικζμενο βιομθχανικό προϊόν είναι: Θ ενεργειακι απόδοςθ, n Ο παράγων πλιρωςθσ, FF Το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ, Λ sc Θ τάςθ ανοικτοφ κυκλϊματοσ, V oc ςε ςυγκεκριμζνεσ ςυνκικεσ φωτιςμοφ και κερμοκραςίασ του ςτοιχείου. Οι πρότυπεσ ςυνκικεσ ελζγχου STC των χαρακτθριςτικϊν ενόσ ΦΒ ςτοιχείου ι ΦΒ πλαιςίου, οι οποίεσ ζχουν κακοριςτεί διεκνϊσ, είναι οι εξισ: Θλεκτρομαγνθτικι ακτινοβολία δζςμθσ παραλλιλων ακτίνων, πυκνότθτασ ιςχφοσ Ε STC = 1000W/m 2 και φάςματοσ αντίςτοιχου του θλιακοφ με ΑΜ1,5. Κάκετθ πρόςπτωςθ τθσ ακτινοβολίασ ςτθν όψθ του ΦΒ ςτοιχείου. Κερμοκραςία του ΦΒ ςτοιχείου κ STC = 25 ο C ± 2 ο C. 1.10) Ιςχφσ αιχμισ Με βάςθ τισ πρότυπεσ ςυνκικεσ, ειςάγεται θ ζννοια τθσ ιςχφσ αιχμισ (Peak Power) με μονάδα ςτο SI τα W p (WATT αιχμισ, Peak Watt). Σφμφωνα με τα παραπάνω λοιπόν, ζνα θλιακό κφτταρο ςυνθκίηεται να χαρακτθρίηεται από τθν ιςχφ εξόδου του ςε μία προκακοριςμζνθ κερμοκραςία (ςυνικωσ 25 ο C ι 28 ο C) και ζνταςθ ακτινοβολίασ 1000W/m 2 και είναι γνωςτι ςαν ΛΣΧΥΣ ΑΛΧΜΘΣ. Ζτςι, το μζγεκοσ μίασ φωτοβολταϊκισ γεννιτριασ ςυνικωσ χαρακτθρίηεται από τα WATT αιχμισ (W p ) που μπορεί να παράγει. Επιςθμαίνουμε ότι θ ζννοια αυτι χρθςιμοποιείται ομοίωσ, για το χαρακτθριςμό ενόσ ΦΒ πλαιςίου ι μίασ ΦΒ ςυςτοιχίασ. 38

39 1.11) Σρόποι ςφνδεςθσ φ/β ςυοιχείων Τα ΦΒ ςτοιχεία μποροφν να ςυνδεκοφν ςε ςειρά και παράλλθλα.ραρακάτω αναλφουμε αυτοφσ τουσ 2 τρόπου ςφνδεςθσ: φνδεςθ ςε ςειρά Θ ςφνδεςθ ςε ςειρά Ν, κακ όλα όμοιων ΦΒ ςτοιχείων (δθλαδι ςφνδεςθ του + θλεκτροδίου του ενόσ ΦΒ ςτοιχείου με το - του επόμενου), οδθγεί ςε ςφςτθμα με ανάλογα πολλαπλάςια τάςθ ανοικτοφ κυκλϊματοσ.το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ ιςοφται με το αντίςτοιχο του ενόσ. φνδεςθ παράλλθλα Θ παράλλθλθ ςφνδεςθ Ν, κακ όλα όμοιων ΦΒ ςτοιχείων (δθλαδι ςφνδεςθ των + θλεκτροδίων των ΦΒ ςτοιχείων, όλων μαηί, και ομοίωσ για τα - θλεκτρόδια), δίδει ζνα ςφνολο με τθν ίδια τάςθ ανοικτοφ κυκλϊματοσ.το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ του ςυνόλου, ιςοφται με Ν φορζσ το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ εκάςτου ΦΒ ςτοιχείου. 1.12) Φωτοβολταϊκι γεννιτρια Το βαςικό χαρακτθριςτικό ςυςτατικό κάκε ΦΒ εγκατάςταςθσ είναι θ ΦΒ γεννιτρια, που αποτελείται από τουσ θλιακοφσ ςυλλζκτεσ με τα ΦΒ ςτοιχεία. Μία ΦΒ γεννιτρια αποτελείται από ΦΒ πλαίςια που ενϊνονται και ςυγκροτοφν ςυςτοιχίεσ. 39

40 Θ ιςχφσ ςτθν ζξοδο ενόσ θλιακοφ κυττάρου, ακόμα και υπό τισ καλφτερεσ ςυνκικεσ, είναι ςχετικά μικρι (τθσ τάξθσ του 1WATT περίπου). Κατά ςυνζπεια για να ικανοποιιςουμε τισ ενεργειακζσ ανάγκεσ ςε κάποια εφαρμογι, που ςυνικωσ είναι πολφ μεγαλφτερεσ, απαιτείται ζνασ αρικμόσ θλιακϊν κυττάρων κατάλλθλα ςυνδεδεμζνων ςε ςειρά ι/και παράλλθλα, που κα δϊςουν τθν απαιτοφμενθ ιςχφ (τάςθ και ρεφμα). 1.13) Φωτοβολταϊκό πλαίςιο Το φωτοβολταϊκό πλαίςιο αποτελεί τθ μικρότερθ δομικι μονάδα ομαδοποιθμζνων θλιακϊν κυττάρων. Μετά τθν παραςκευι τθσ βαςικισ δομισ του ΦΒ ςτοιχείου, ακολουκεί θ κοπι του ςτο επικυμθτό ςχιμα, ςυνικωσ τετραγωνικό, ϊςτε κατά τθ ςφνκεςι τουσ ςε μεγαλφτερθ μονάδα (φωτοβολταϊκό πλαίςιο), να αφινουν μεταξφ τουσ τθν ελάχιςτθ μθ εκμεταλλεφςιμθ επιφάνεια.συνικωσ τα ΦΒ ςτοιχεία ςε ζνα πλαίςιο ςυνδζονται μεταξφ τουσ ςε ςειρά, ςε ομάδεσ κατάλλθλου πλικουσ, ϊςτε να εμφανίηουν ςυγκεκριμζνθ τάςθ ανοικτοφ κυκλϊματοσ.θ θλεκτρικι ζξοδοσ είναι κοινι. Ραρόλα αυτά, για τθν αφξθςθ τθσ αξιοπιςτίασ ενόσ ΦΒ ςυςτιματοσ, είναι ςκόπιμο οι ςυνδζςεισ των φωτοβολταϊκϊν ςτοιχείων μζςα ςτα πλαίςια να μθν είναι μόνο ςτθ ςειρά αλλά και παράλλθλεσ. Ζτςι, αν για κάποιο λόγο ζνα ΦΒ ςτοιχείο ςκιαςτεί ι αν πάκει βλάβθ, δεν κα μθδενιςτεί θ ιςχφσ που παράγει το ςφςτθμα. 40

41 Φωτοβολταϊκό πλάιςιο 120 Watt Τα φωτοβολταϊκά ςτοιχεία ςτερεϊνονται με κολλθτικι ουςία ςε ζνα ανκεκτικό φφλλο από μζταλλο (ςυνικωσ αλουμίνιο) ι από ενιςχυμζνο πλαςτικό, που αποτελεί τθν πλάτθ του πλαιςίου, ενϊ θ εμπρόσ όψθ τουσ καλφπτεται από ζνα προςτατευτικό φφλλο γυαλιοφ ι διαφανοφσ πλαςτικοφ. Το εμπρόσ και πίςω φφλλο ςυγκρατοφνται μεταξφ τουσ, ςτεγανά και μόνιμα, με τθ βοικεια μίασ ταινίασ από φυςικό ι ςυνκετικό ελαςτικό και ςυςφίγγονται με ζνα περιμετρικό μεταλλικό περίβλθμα. Θ τελικι καταςκευι πλθρεί ειδικζσ προδιαγραφζσ, ϊςτε να διακζτει τθν απαραίτθτθ μθχανικι αντοχι, τισ κατάλλθλεσ υποδοχζσ ςτιριξθσ και αυξθμζνθ ςτεγανότθτα για προςταςία από τθν υγραςία. Θ διάταξθ αυτι ονομάηεται φωτοβολταϊκό πλαίςιο και αποτελεί τθν τυπικι βιομθχανικι μονάδα. 41

42 1.14) Φωτοβολταϊκό PANEL Το φωτοβολταϊκό panel είναι ςχεδόν ςυνϊνυμο με το ΦΒ πλαίςιο. Ππωσ και το πλαίςιο, ζχει ςυναρμολογθκεί και προκαταςκευαςτεί ςτο εργοςτάςιο και είναι ζτοιμο για τοποκζτθςθ ςε ΦΒ εγκατάςταςθ. Θ διαφορά είναι ότι ζνα panel αποτελείται από δφο ι περιςςότερα χωριςτά πλαίςια (το ζνα δίπλα ςτο άλλο) που είναι ςε κοινι ςυςκευαςία και ςυνδεδεμζνα μεταξφ τουσ τόςο από μθχανικι όςο και από θλεκτρικι άποψθ (ςε ςειρά και παράλλθλα), που δίνουν μία ενιαία μονάδα ζτοιμθ για εγκατάςταςθ. Ο αρικμόσ των πλαιςίων ενόσ panel είναι τόςοσ, ϊςτε οι διαςτάςεισ και το βάροσ του να μθν είναι εμπόδιο ςτθ μεταφορά και τθν τοποκζτθςι του ςτθ ΦΒ εγκατάςταςθ. Τα τελευταία χρόνια ςχεδόν όλεσ οι εταιρίεσ που καταςκευάηουν ΦΒ ςτοιχεία, δεν διαχωρίηουν τα πλαίςια από τα panel. Το προϊόν που παράγεται ονομάηεται ΦΒ πλαίςιο (module) και όπωσ περιγράφτθκε παραπάνω, διατίκεται ςε ποικιλία όςον αφορά τθν ιςχφ που παράγει, τθν τάςθ και τισ διαςτάςεισ του. 1.15) Φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία (ARRAY) Ο ςυνδυαςμόσ πολλϊν ΦΒ πλαιςίων, καλωδιωμζνων μεταξφ τουσ, ςε ςειρά ι παράλλθλα, ςε μία επίπεδθ ςυνικωσ επιφάνεια, ςτακερι ι περιςτρεφόμενθ, με αντίςτοιχο κεντρικό θλεκτρολογικό κιβϊτιο, αποτελεί τθν ΦΒ ςυςτοιχία. Τα ΦΒ πλαίςια ςυνδζονται κατά κλάδουσ. Κάκε κλάδοσ αποτελείται από ΦΒ πλαίςια ςυνδεμζνα ςε ςειρά. Οι ιςοδφναμοι κλάδοι ςυνδζονται παράλλθλα μεταξφ τουσ. Θ ςφνδεςθ ςε ςειρά αυξάνει τθν ολικι τάςθ, ενϊ θ παράλλθλθ ςφνδεςθ το ολικό ρεφμα. 42

43 Επίςθσ, οι ςυνδζςεισ ανάμεςα ςτα πλαίςια (ι panel) είναι ςκόπιμο να είναι τόςο ςε ςειρά όςο και παράλλθλα, όπωσ άλλωςτε και των ςτοιχείων μζςα ςτα πλαίςια, για τθν αφξθςθ τθσ αξιοπιςτίασ του ΦΒ ςυςτιματοσ. Με αυτόν τον τρόπο, όπωσ αναφζραμε και παραπάνω, εάν ζνα ΦΒ ςτοιχείο ςκιαςτεί ι αν πάκει βλάβθ, δεν κα μθδενιςτεί θ ιςχφσ που παράγει το ςφςτθμα. 43

44 1.16) Φαινόμενο HOT SPOT(κερμισ κθλίδασ)-δίοδοι παράκαμψθσ και απομόνωςθσ Μία κατθγορία ςφαλμάτων που παρατθρείται ςυχνά ςε ενα ΦΒ ςτοιχείο είναι το φαινόμενο τθσ κερμισ κθλίδασ (hot spot). Για τθν ςωςτι παρουςίαςθ του φαινόμενου κερμισ κθλίδασ είναι απαραίτθτθ θ εξιγθςθ τθσ λειτουργίασ τθσ θλιακισ κυψζλθσ.θ θλιακι κυψζλθ είναι ουςιαςτικά μια επαφι P-N. Πταν δζχεται θλιακι ακτινοβολία, λειτουργεί ςαν μια πθγι ρεφματοσ ςε κλειςτό κφκλωμα. Αν ςυνδεκοφν ςε ςειρά θλιακζσ κυψζλεσ, οι τάςεισ ςτα άκρα τουσ ακροίηονται και ςυμπεριφζρονται ςαν μια ενιαία πθγι. Πταν μια θλιακι κυψζλθ ςκιάηεται, τότε αυτι δεν ςυμπεριφζρεται ςαν μια πθγι ρεφματοσ αλλά ςαν μια δίοδο που μάλιςτα είναι πολωμζνθ ανάςτροφα αφοφ θ ςυνολικι τάςθ των υπολοίπων κυψελϊν εφαρμόηεται πάνω τθσ με αντίςτροφθ φορά. Θ ςκιαςμζνθ θλιακι κυψζλθ με τθν ςειρά τθσ εμποδίηει τθν ροι του θλεκτρικοφ ρεφματοσ. Άρα, θ ςυνολικι ςυμπεριφορά του πλαιςίου κακορίηεται από τθν ςυγκεκριμζνθ θλιακι κυψζλθ. Πταν μια θλιακι κυψζλθ ςκιάηεται και δζχεται τθν ανάςτροφθ τάςθ των υπολοίπων, είναι δυνατόν να καταρρεφςει θ επαφι P-N και να δθμιουργθκεί το φαινόμενο zener. Εξαιτίασ του φαινομζνου αυτοφ είναι δυνατόν να περάςει ρεφμα κατά τθν ανάςτροφθ φορά και με μικρι αφξθςθ τθσ τάςθσ να διζλκει μεγάλο ρεφμα. Το ανάςτροφο ρεφμα αυξάνει τθν κερμοκραςία τθσ κυψζλθσ και μπορεί να προκαλζςει τθν καταςτροφι τθσ. Το φαινόμενο αυτό ονομάηεται φαινόμενο κερμισ κθλίδασ(hot spot). Τα χαρακτθριςτικά των θλιακϊν κυψελϊν διαφζρουν ςθμαντικά. Οι κυψζλεσ ζχουν είτε υψθλι παράλλθλθ αντίςταςθ είτε χαμθλι παράλλθλθ αντίςταςθ. Aπό τουσ τφπουσ των θλιακϊν κυψελϊν μπορεί κανείσ να αντιμετωπίηει προβλιματα κερμισ κθλίδασ αλλά με διαφορετικοφσ τρόπουσ. 44

45 1. Χαμθλι παράλλθλθ αντίςταςθ Θ χειρότερθ περίπτωςθ ςκίαςθσ είναι όταν ολόκλθρθ θ θλιακι κυψζλθ είναι ςκιαςμζνθ. Στισ κυψζλεσ χαμθλισ παράλλθλθσ αντίςταςθσ, το φαινόμενο κερμισ κθλίδασ δθμιουργείται επειδι ζνα υψθλό ποςό ρεφματοσ ρζει ςε μια μικρι περιοχι. Επειδι αυτό είναι ζνα τοπικό φαινόμενο, παρατθρείται διακφμανςθ ςτθν τιμι τθσ απόδοςθσ για αυτοφ του είδουσ τισ κυψζλεσ. Οι θλιακζσ κυψζλεσ με τθ χαμθλότερθ παράλλθλθ αντίςταςθ ζχουν πικανότθτα να λειτουργοφν ςε υπερβολικά υψθλζσ κερμοκραςίεσ ςε εντοπιςμζνεσ περιοχζσ. Επειδι θ περιοχι που δθμιουργείται θ κερμότθτα είναι μικρι, μπορεί να απαιτείται λίγοσ χρόνοσ για τθν κζρμανςθ του ςθμείου που ζχει πρόβλθμα. 2. Υψθλι παράλλθλθ αντίςταςθ Θ χειρότερθ περίπτωςθ ςκίαςθσ είναι όταν μια μικρι περιοχι τθσ θλιακισ κυψζλθσ είναι ςκιαςμζνθ. Οι κυψζλεσ υψθλισ παράλλθλθσ αντίςταςθσ περιορίηουν τθν αντίςτροφθ ροι του ρεφματοσ ςτο κφκλωμα και γι αυτό τον λόγο κερμαίνονται. Θ θλιακικυψζλθ με τθν υψθλότερθ παράλλθλθ αντίςταςθ κα ζχει τθν υψθλότερθ διάχυςθ ενζργειασ. Επειδι θ κερμότθτα είναι ομοιόμορφθ ςε ολόκλθρθ τθν περιοχι τθσ θλιακισ κυψζλθσ, μπορεί να απαιτείται πολφσ χρόνοσ για τθν κζρμανςθ του ςθμείου που ζχει πρόβλθμα. Για τθν αντιμετϊπιςθ του φαινομζνου τθσ κερμισ κθλίδασ, το ΦΒ πλαίςιο εφοδιάηεται με διόδουσ, οι οποίεσ ςυνδζονται παράλλθλα ςε τμιματα των εν ςειρά ςυνδεμζνων ΦΒ ςτοιχείων του πλαιςίου επιτρζποντασ τθ χρθςιμοποίθςθ του ΦΒ πλαιςίου ακόμα και αν κάποιο ΦΒ ςτοιχείο του υςτερεί ι καταςτραφεί. Οι δίοδοι αυτζσ ονομάηονται δίοδοι παράκαμψθσ ΔΡ (Bypass diodes) και φαίνονται ςτο ακόλουκο ςχιμα.τοποκετοφνται ςτο κιβϊτιο ςυνδζςεων, που βρίςκεται ςτο πίςω μζροσ του ΦΒ πλαιςίου. 45

46 Τα ΦΒ πλαίςια μίασ ΦΒ ςυςτοιχίασ ςυνδζονται ζτςι ϊςτε να ςχθματίηουν παράλλθλουσ κλάδουσ, που καταλιγουν, μζςω του φορτιςτι, ςτον ςυςςωρευτι (για αυτόνομο ΦΒ ςυςτθμα). Ρροκειμζνου να αποκλειςτεί, αφενόσ θ εκφόρτιςθ του ςυςςωρευτι μζςω των ΦΒ πλαιςίων του κλάδου κατά τθ διάρκεια τθσ νφχτασ, αφετζρου θ κυκλοφορία ρευμάτων που επιβάλλουν ζνασ ι περιςςότεροι κλάδοι ςτουσ υπόλοιπουσ, κάκε κλάδοσ εφοδιάηεται με μία δίοδο απομόνωςθσ (Blocking diode), όπωσ φαίνεται και ςτο παραπάνω ςχιμα. 46

47 1.17) Κατθγορίεσ φ/β ςυςτθμάτων Οι κατθγορίεσ των ΦΒ ςυςτθμάτων είναι: 1. Αυτόνομα ΦΒ ςυςτιματα Χαρακτθρίηονται ζτςι τα ΦΒ ςυςτιματα τα οποία παράγουν θλεκτρικι ενζργεια χωρίσ να είναι ςυνδεδεμζνα ςτο κεντρικό θλεκτρικό δίκτυο, από το οποίο κα μποροφςαν να αντλοφν ςυμπλθρωματικι ενζργεια ι να ςτζλνουν τθν περίςςεια τθσ παραγόμενθσ. Θ απαιτοφμενθ από τθν εφαρμογι θλεκτρικι ενζργεια λοιπόν καλφπτεται εξ ολοκλιρου από τθ ΦΒ ςυςτοιχία (αν ςυμμετζχουν και άλλεσ πθγζσ ενζργειασ, είτε ανανεϊςιμεσ, όπωσ π.χ. αιολικζσ γεννιτριεσ, είτε ςυμβατικζσ, τότε κάνουμε λόγο για υβριδικό ςφςτθμα). Αποτελοφν τθν ιδανικότερθ λφςθ για περιοχζσ που βρίςκονται μακριά από το κεντρικό δίκτυο και ςτισ οποίεσ θ διαςφνδεςι τουσ με αυτό κα απαιτοφςε τεράςτια οικονομικά κεφάλαια. Σε ζνα αυτόνομο ΦΒ ςφςτθμα μπορεί να περιλαμβάνονται ι όχι θλεκτρικοί ςυςςωρευτζσ. Ζτςι, διακρίνονται ςε 2 κατθγορίεσ: Αυτόνομα ΦΒ ςυςτιματα άμεςθσ τροφοδοςίασ του φορτίου τθσ εφαρμογισ ςτα οποία θ παραγόμενθ θλεκτρικι ενζργεια αποδίδεται απευκείασ ςτθν κατανάλωςθ, όςο φωτίηεται θ ΦΒ ςυςτοιχία, χωρίσ αποκικευςθ θλεκτρικισ ενζργειασ ςε ςυςςωρευτζσ. Αυτόνομα ΦΒ ςυςτιματα με αποκικευςθ τθσ παραγόμενθσ θλεκτρικισ ενζργειασ. Σχεδιάηονται με πρόβλεψθ οριςμζνων θμερϊν αυτονομίασ του ςυςτιματοσ, με βάςθ το κατάλλθλο μζγεκοσ των ςυςςωρευτϊν. Σε αυτοφσ λοιπόν αποκθκεφεται θλεκτρικι ενζργεια προκειμζνου να χρθςιμοποιθκεί κατά τθ διάρκεια τθσ νφχτασ ι των περιόδων ςυννεφιάσ. Αυτά αποτελοφν τθν πλειοψθφία των αυτόνομων ΦΒ ςυςτθμάτων. 47

48 2. Διαςυνδεδεμζνο ΦΒ ςφςτθμα Τα ςυςτιματα αυτά ςυνδζονται απ ευκείασ ςτο εκνικό ι τοπικό δίκτυο θλεκτρικισ παροχισ (AC).Συνεπϊσ, ςτα ςυςτιματα αυτά δεν απαιτείται αποκικευςθ τθσ παραγόμενθσ ΦΒ θλεκτρικισ ενζργειασ. Επίςθσ, θ ςυνολικι αποδοτικότθτα ενόσ διαςυνδεδεμζνου ΦΒ ςυςτιματοσ κα είναι καλφτερθ από τθν αποδοτικότθτα ενόσ αυτόνομου ςυςτιματοσ, αφοφ το δίκτυο ζχει πρακτικά απεριόριςτθ ικανότθτα αποκικευςθσ και επομζνωσ θ παραγόμενθ θλεκτρικι ενζργεια μπορεί πάντοτε να αποκθκεφεται.τα διαςυνδεδεμζνα ΦΒ ςυςτιματα διακρίνονται ςε αυτά που είναι ςυνδεδεμζνα ςτο δίκτυο, ωσ κατανεμθμζνα ςυςτιματα και ςε εκείνα που ςυνιςτοφν κεντρικοφσ ΦΒ ςτακμοφσ μεγάλθσ ιςχφοσ των οποίων θ παραγόμενθ θλεκτρικι ενζργεια διοχετεφεται ςτο κεντρικό δίκτυο. Τα κατανεμθμζνα ΦΒ ςυςτιματα, διακρίνονται ςε αυτά που χρθςιμοποιοφν το δίκτυο ωσ βοθκθτικι πθγι ενζργειασ και ςε εκείνα που λειτουργοφν ςε ςυνεχι αλλθλεπίδραςθ με το δίκτυο, διοχετεφοντασ τθν επιπλζον παραγόμενθ ενζργεια ς αυτό. 1.18) Μετατροπζασ ςυνεχοφσ τάςθσ (DC/DC Converter) Με τον όρο μετατροπζασ ςυνεχοφσ τάςθσ ςε ςυνεχι τάςθ εννοοφμε τουσ μετατροπείσ όπου ςτθν είςοδο εφαρμόηεται ςυνεχι τάςθ και ςτθν ζξοδο λαμβάνουμε ςυνεχι τάςθ μεταβλθτισ τιμισ. Σκοπόσ είναι να μεταβάλλεται ρυκμιςτικά θ μζςθ τιμι τθσ ςυνεχοφσ τάςθσ που εφαρμόηεται ςε ζνα φορτίο. 48

49 Στθν διεκνι βιβλιογραφία αναφζρονται ωσ ςτακεροποιθμζνα τροφοδοτικά και όχι ωσ γραμμικά. Τα πλζον γριγορα διακοπτικά τροφοδοτικά μποροφν να λειτουργοφν ςε μεγάλθ κλίμακα ιςχφοσ και αυτό οφείλεται ςτθ γριγορθ διακοπτικι ςυχνότθτα που χαρακτθρίηουν τα θμιαγωγικά ςτοιχεία MOSFET- IGBT. Οι μετατροπείσ DC-DC διακζτουν τουλάχιςτον ζναν τζτοιο θμιαγωγικό διακόπτθ. Το μεγαλφτερο πλεονζκτθμα των διακοπτικϊν τροφοδοτικϊν με αυτό των γραμμικϊν τροφοδοτικϊν είναι ότι παρουςιάηουν μικρι κατανάλωςθ άρα και μεγάλο βακμό απόδοςθσ,μικρότερο όγκο-βάροσ και τζλοσ θ δυνατότθτα ελζγχου αυτϊν. Οι κυριότεροι μετατροπείσ DC-DC είναι οι εξισ: 1. Υποβιβαςμοφ τάςθσ BUCK. 2. Ανφψωςθ τάςθσ BOOST. 3. Υποβιβαςμοφ και ανφψωςθ τάςθσ BUCK-BOOST. 4. Μικτοφ μετατροπζα CUK. 5. FLYBUCK. 6. FORWARD. 7. PUSH-PULL. Οι μετατροπείσ 1,2,3,4 είναι μετατροπείσ δίχωσ θλεκτρικι απομόνωςθ. Αντίκετα οιμετατροπείσ 5,6,7 διακζτουν τροφοδοςία με θλεκτρικι απομόνωςθ. 49

50 Θ αρχι λειτουργίασ ενόσ μετατροπζα DC/DC φαίνεται ςτο ςχιμα που ακολουκεί: Στο ςχιμα αυτό, τα ςτοιχεία L, R, V C αποτελοφν το φορτίο, v o και i o είναι θ τάςθ και το ρεφμα εξόδου και V O είναι θ μζςθ τιμι τθσ τάςθσ εξόδου. Ππωσ φαίνεται λοιπόν, ο μετατροπζασ DC/DC εφαρμόηει ςτο φορτίο μια ςειρά παλμϊν τάςθσ τθσ ίδιασ πολικότθτασ. Θ τιμι τθσ τάςθσ V O μπορεί να μεταβλθκεί κατά τρεισ διαφορετικοφσ τρόπουσ: (i) (ii) (iii) Μεταβάλλοντασ το χρόνο t ON και διατθρϊντασ τθν περίοδο Τ ςτακερι διαμόρφωςθ εφρουσ παλμϊν (PULSE WIDTH MODULATION, PWM). Διατθρϊντασ το χρόνο t ON ςτακερό και μεταβάλλοντασ τθν περίοδο Τ διαμόρφωςθ ςυχνότθτασ (PULSE FREQUENCY MODULATION,PFM). Με ςυνδυαςμό των δφο. Θ μονάδα DC/DC CONVERTER λοιπόν, μετατρζπει ςυνεχι τάςθ ςε ςυνεχι, μεγαλφτερθσ ι μικρότερθσ τιμισ (αναφερόμαςτε ςε μζςθ τιμι dc τάςθσ), ανάλογα με τισ απαιτιςεισ. Επίςθσ, οι μετατροπείσ DC/DC διαφζρουν και ςτθν περιοχι λειτουργίασ τουσ. 50

51 1.19) Διαμόρφωςθ Εφρουσ Παλμϊν (PWM) Ππωσ αναφζραμε και παραπάνω, ζνασ τρόποσ για να ρυκμιςτεί θ μζςθ τιμι τθσ τάςθσ εξόδου είναι θ μζκοδοσ τθσ διαμόρφωςθσ πλάτουσ (ι διαμόρφωςθ εφρουσ παλμϊν), PWM.H τάςθ αυτι εξαρτάται από το χρόνο τον οποίο άγει ο διακόπτθσ ςε χρόνο μίασ περιόδου. Σφμφωνα λοιπόν με τθν τεχνικι τθσ PWM, θ μζςθ τιμι τθσ τάςθσ εξόδου ελζγχεται ρυκμίηοντασ τθ ςχετικι διάρκεια αγωγισ του διακοπτικοφ ςτοιχείου. Θ περίοδοσ και θ ςυχνότθτα μετάβαςθσ του διακόπτθ είναι ςτακερά. Το μόνο που μεταβάλλεται είναι θ ςχετικι διάρκεια αγωγισ του, δθλαδι ο λόγοσ D. Θ τάςθ εξόδου του DC/DC μετατροπζα μετράται και ςυγκρίνεται με τθν επικυμθτι τάςθ. Στθ ςυνζχεια, το ςιμα λάκουσ ενιςχφεται από ζναν ενιςχυτι, του οποίου θ ζξοδοσ είναι το ςιμα ελζγχου v c (t). Ζπειτα, το ςιμα ελζγχου v c (t) ςυγκρίνεται με μία πριονωτι τάςθ v r (t), θ οποία ζχει πλάτοσ V r και ςτακερι ςυχνότθτα f s. Ραράγεται ζτςι το διακοπτικό ςιμα το οποίο ζχει τιμι 1 όταν v c (t)>v r (t) και 0 όταν v c (t)<v r (t). Με τον τρόπο αυτό ελζγχουμε το διάςτθμα αγωγισ του διακοπτικοφ ςτοιχείου. Θ διαδικαςία αυτι παρουςιάηεται ςτο παρακάτω ςχιμα. Θ ςχετικι διάρκεια αγωγισ λοιπόν, μπορεί να εκφραςτεί ςυναρτιςει των δφο αυτϊν τάςεων ωσ εξισ: D = 51

52 1.20) Ανιχνευτισ ςθμείου μζγιςτθσ ιςχφοσ (Maximum Power Point Tracker, MPPT) Ο ανιχνευτισ ςθμείου μζγιςτθσ ιςχφοσ (MPPT), είναι μία ςυςκευι που επεξεργάηεται κατάλλθλα το ρεφμα και τθν τάςθ εξόδου τθσ ΦΒ ςυςτοιχίασ, ϊςτε ςε κάκε χρονικι ςτιγμι να απορροφάμε τθ μζγιςτθ δυνατι ιςχφ από τθ ςυςτοιχία. Θ τεχνολογία τθσ ανίχνευςθσ τθσ μζγιςτθσ ιςχφοσ, άρχιςε να χρθςιμοποιείται ςχετικά πρόςφατα ςτισ εφαρμογζσ των ΦΒ και αποτελεί πλζον χαρακτθριςτικό κάκε καλοφ αντιςτροφζα για ςφνδεςθ με το δίκτυο ι φορτιςτι ςυςςωρευτϊν -για αυτόνομο ΦΒ ςφςτθμα-. (ςθμειϊνουμε ότι το MPPT είναι ζνασ μικροελεγκτισ ενςωματωμζνοσ ςε DC/AC inverter ι DC/DC converter) Στο παρακάτω ςχιμα φαίνεται αφ ενόσ μεν θ I-V χαρακτθριςτικι, αφ ετζρου δε θ αντίςτοιχθ καμπφλθ ιςχφοσ ςυναρτιςει τθσ τάςθσ ενόσ ΦΒ πλαιςίου. 52

53 Ππωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα, ζχουμε απορρόφθςθ μζγιςτθσ ιςχφοσ (Μ) αν το ςθμείο λειτουργίασ (που εξαρτάται από το φορτίο) αντιςτοιχεί ςε τάςθ V MAXP και ρεφμα I MAXP. Ωςτόςο, το ςθμείο μζγιςτθσ ιςχφοσ δεν είναι ςτακερό αλλά εξαρτάται: Από τθν προςπίπτουςα ακτινοβολία, οπότε το I MAXP μεταβάλλεται ςθμαντικά ενϊ θ V MAXP ελάχιςτα Από τθ κερμοκραςία λειτουργίασ του πλαιςίου, οπότε θ V MAXP μειϊνεται με αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ Από τθν κακαρότθτα τθσ γυάλινθσ επικάλυψθσ των πλαιςίων, τισ μεταβολζσ ςτα χαρακτθριςτικά λειτουργίασ λόγω γιρανςθσ, αςτοχίεσ (βλάβεσ) των κυττάρων τθσ ςυςτοιχίασ κ.α. Από τθν άλλθ μεριά, ςε κάκε I-V χαρακτθριςτικι το ςθμείο λειτουργίασ εξαρτάται από τθ χαρακτθριςτικι του φορτίου. Οι πικανοί τφποι φορτίων είναι: φορτία ςτακερισ αντίςταςθσ, φορτία ςτακερισ τάςθσ, φορτία ςτακερισ ιςχφοσ ι τζλοσ φορτία που μεταβάλλονται με το χρόνο. Επειδι το ςθμείο λειτουργίασ του ςυςτιματοσ κακορίηεται από τθν τομι τθσ I-V χαρακτθριςτικισ τθσ ςυςτοιχίασ με τθ χαρακτθριςτικι του φορτίου, μεταβολι κάποιασ από τισ παραμζτρουσ που επθρεάηουν είτε τθν I-V χαρακτθριςτικι και αναφζρκθκαν παραπάνω, είτε το φορτίο, ι τζλοσ ςυνδυαςμόσ αυτϊν, κα ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν απομάκρυνςθ του ςθμείου λειτουργίασ από το ςθμείο μζγιςτθσ ιςχφοσ. Ζνασ MPPT είναι λοιπόν θ μονάδα εκείνθ που αναλαμβάνει να διατθρεί το ςθμείο λειτουργίασ ςτο ςθμείο μζγιςτθσ ιςχφοσ, ανεξάρτθτα από τισ παραπάνω μεταβολζσ. 53

54 1.21) Αντιςτροφείσ (DC/AC Inverters) Οι διατάξεισ ιςχφοσ που μετατρζπουν τθν θλεκτρικι ενζργεια ςυνεχοφσ μορφισ (dc),ςε εναλλαςςόμενθ μορφι (ac),ονομάηονται αντιςτροφείσ (inverters). Οι αντιςτροφείσ χρθςιμοποιοφνται ςτον ζλεγχο τθσ ταχφτθτασ των ac κινθτιρων,όπωσ των επαγωγικϊν και των ςφγχρονων (adjustable speed ac drives),ςτθν επαγωγικι κζρμανςθ (induction heating),ςτα τροφοδοτικά αδιάλειπτθσ παροχισ (uninterruptible power supplies, UPS), ςτο φωτιςμό με λυχνίεσ φκοριςμοφ. Οι αντιςτροφείσ διακρίνονται ςε δφο κφριεσ κατθγορίεσ, ανάλογα με τθ μορφι τθσ πθγισ ειςόδου: τουσ αντιςτροφείσ πθγισ τάςθσ και τουσ αντιςτροφείσ πθγισ ρεφματοσ. Οι αντιςτροφείσ πθγισ τάςθσ (voltage source, voltage fed inverters) τροφοδοτοφνται από μια πθγι ςυνεχοφσ τάςθσ, ιδανικά με μθδενικι εςωτερικι ςφνκετθ αντίςταςθ.θ τάςθ τθσ πθγισ ειςόδου μπορεί να είναι ςτακερι ι μεταβλθτι.θ ςυνεχισ τάςθ ειςόδου προζρχεται από μπαταρίεσ, από φωτοβολταϊκά ςτοιχεία, ι ςυνθκζςτερα από τθν ανόρκωςθ τθσ τάςθσ του δικτφου.θ ζξοδοσ των αντιςτροφζων πθγισ τάςθσ εμφανίηει χαρακτθριςτικά πθγισ τάςθσ. Οι αντιςτροφείσ διακρίνονται ακόμθ ςε μονοφαςικοφσ και πολυφαςικοφσ,ανάλογα με τθ μορφι τθσ εναλλαςςόμενθσ εξόδου.από τουσ πολυφαςικοφσ αντιςτροφείσ, οι τριφαςικοί είναι οι πλζον διαδεδομζνοι. 54

55 Σ όλουσ τουσ αντιςτροφείσ υπάρχει θ δυνατότθτα ρφκμιςθσ τθσ ςυχνότθτασ εξόδου.θ ρφκμιςθ του πλάτουσ των τάςεων εξόδου επιτυγχάνεται είτε με κατάλλθλο ζλεγχο των διακοπτϊν του αντιςτροφζα,ι με ζλεγχο τθσ ςυνεχοφσ τάςθσ ειςόδου. Θ εξζταςθ των αντιςτροφζων γίνεται υποκζτοντασ ότι το φορτίο είναι ζνασ ac κινθτιρασ.στθν περίπτωςθ αυτι δεν υπάρχει θ απαίτθςθ για θλεκτρικι απομόνωςθ και μικρι αρμονικι παραμόρφωςθ τθσ εναλλαςςόμενθσ εξόδου. Αντίκετα,ςτθν ζξοδο των αντιςτροφζων που χρθςιμοποιοφνται ςτα UPS υπάρχει ςυνικωσ ζνασ μεταςχθματιςτισ απομόνωςθσ και φίλτρα, για τθν παραγωγι θμιτονοειδοφσ τάςθσ με πολφ μικρι ολικι αρμονικι παραμόρφωςθ(thd). Τζλοσ, οι αντιςτροφείσ των οποίων τα διακοπτικά ςτοιχεία είναι κυρίςτορ, μποροφν να ταξινομθκοφν ωσ εξισ: Πταν θ ενζργεια για το ςβιςιμο των κυρίςτορ παρζχεται από μία εξωτερικι πθγι (δίκτυο), τότε ανικουν ςτθν κατθγορία των αντιςτροφζων οδθγοφμενων από το δίκτυο (φυςικι μετάβαςθ). Πταν θ ενζργεια αυτι προζρχεται από εςωτερικά κυκλϊματα που περιζχουν ςτοιχεία όπωσ πυκνωτζσ, τότε ανικουν ςτθν κατθγορία των αυτοοδθγοφμενων αντιςτροφζων (εξαναγκαςμζνθ μετάβαςθ). 55

56 1.22) Ανϊτερεσ αρμονικζσ Θ ςυχνότθτα ςτθν ζξοδο του αντιςτροφζα κακορίηεται από το ρυκμό ζναυςθσ και ςβζςθσ των διακοπτικϊν ςτοιχείων και επομζνωσ δίνεται θ δυνατότθτα ρφκμιςθσ αυτισ μζςω του κυκλϊματοσ παλμοδότθςθσ του αντιςτροφζα.ωςτόςο, αυτι ακριβϊσ θ διακοπτικι λειτουργία του αντιςτροφζα ζχει ςυνικωσ ωσ αποτζλεςμα μθ τζλειεσ θμιτονοειδείσ κυματομορφζσ ρεφματοσ και τάςθσ ςτθν ζξοδό του, γεγονόσ που ςυνεπάγεται τθν φπαρξθ ανϊτερων αρμονικϊν. Το φιλτράριςμα των αρμονικϊν δεν είναι εφκολο,ειδικά ςτθν περίπτωςθ όπου θ ςυχνότθτα των ανϊτερων αρμονικϊν μεταβάλλεται και βρίςκεται κοντά ςτθ ςυχνότθτα τθσ βαςικισ αρμονικισ τθσ τάςθσ εξόδου.αυτό ζχει ωσ αποτζλεςμα αφξθςθ του βάρουσ, όγκου και κόςτουσ του αντιςτροφζα. Συνεπϊσ,θ δθμιουργία κυματομορφϊν με το μικρότερο δυνατό αρμονικό περιεχόμενο και αρμονικζσ που να εντοπίηονται ςε όςο το δυνατόν υψθλότερεσ ςυχνότθτεσ (για εφκολο και οικονομικότερο φιλτράριςμα), αποτελεί ζναν από τουσ ςθμαντικότερουσ ςτόχουσ των καταςκευαςτϊν αντιςτροφζων. Ενδεικτικά αναφζρουμε ότι ςφμφωνα με τα ευρωπαϊκά πρότυπα επικυμοφμε: (i) ο ςυντελεςτισ ολικισ αρμονικισ παραμόρφωςθσ (Total Harmonic Distortion - THD) να είναι μικρότεροσ του 5% και (ii) θ μεγαλφτερθ αρμονικι να είναι μικρότερθ του 3% τθσ βαςικισ αρμονικισ. 56

57 Κεφάλαιο 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΣΡΙΕ 2.1) Γενικά για τθν αιολικι ενζργεια Γενικά αιολικι ενζργεια ονομάηεται θ ενζργεια που παράγεται από τθν εκμετάλλευςθ του πνζοντοσ ανζμου. Θ ενζργεια αυτι χαρακτθρίηεται "ιπια μορφι ενζργειασ" και περιλαμβάνεται ςτισ "κακαρζσ" πθγζσ, όπωσ ςυνθκίηονται να λζγονται οι πθγζσ ενζργειασ που δεν εκπζμπουν ι δεν προκαλοφν ρφπουσ. Θ αρχαιότερθ μορφι εκμετάλλευςθσ τθσ αιολικισ ενζργειασ ιταν τα ιςτία (πανιά) των πρϊτων ιςτιοφόρων πλοίων και πολυ αργότερα οι ανεμόμυλοι ςτθν ξθρά. Ονομάηεται αιολικι γιατί ςτθν ελλθνικι μυκολογία ο Αίολοσ ιταν ο κεόσ του ανζμου. Θ αιολικι ενζργεια αποτελεί ςιμερα μια ελκυςτικι λφςθ ςτο πρόβλθμα τθσ θλεκτροπαραγωγισ. Το «καφςιμο» είναι άφκονο, αποκεντρωμζνο και δωρεάν. Δεν εκλφονται αζρια κερμοκθπίου και άλλοι ρφποι, και οι επιπτϊςεισ ςτο περιβάλλον είναι μικρζσ ςε ςφγκριςθ με τα εργοςτάςια θλεκτροπαραγωγισ από ςυμβατικά καφςιμα. Επίςθσ, τα οικονομικά οφζλθ μιασ περιοχισ από τθν ανάπτυξθ τθσ αιολικισ βιομθχανίασ είναι αξιοςθμείωτα. Θ αιολικι ενζργεια δθμιουργείται ζμμεςα από τθν θλιακι ακτινοβολία, γιατί θ ανομοιόμορφθ κζρμανςθ τθσ επιφάνειασ τθσ γθσ προκαλεί τθ μετακίνθςθ μεγάλων μαηϊν αζρα από τθ μια περιοχι ςτθν άλλθ, δθμιουργϊντασ ζτςι τουσ ανζμουσ. Είναι μια ιπια μορφι ενζργειασ, φιλικι προσ το περιβάλλον, πρακτικά ανεξάντλθτθ, γι' αυτό και είναι ανανεϊςιμθ. Αν υπιρχε θ δυνατότθτα, με τθν ςθμερινι τεχνολογία, να καταςτεί εκμεταλλεφςιμο το ςυνολικό αιολικό δυναμικό τθσ γθσ, εκτιμάται ότι θ παραγόμενθ ςε ζνα χρόνο θλεκτρικι ενζργεια κα ιταν υπερδιπλάςια από τισ ανάγκεσ τισ ανκρωπότθτασ ςτο ίδιο διάςτθμα. Υπολογίηεται ότι ςτο 25% τθσ επιφάνειασ τθσ γθσ επικρατοφν άνεμοι μζςθσ ετιςιασ ταχφτθτασ πάνω από 5,1m/sec, ςε φψοσ 10m πάνω από το ζδαφοσ. 57

58 Πταν οι άνεμοι πνζουν με ταχφτθτα μεγαλφτερθ από αυτι τθν τιμι, τότε το αιολικό δυναμικό του τόπου κεωρείται εκμεταλλεφςιμο και οι απαιτοφμενεσ εγκαταςτάςεισ μποροφν να καταςτοφν οικονομικά βιϊςιμεσ, ςφμφωνα με τα ςθμερινά δεδομζνα. Άλλωςτε το κόςτοσ καταςκευισ των ανεμογεννθτριϊν ζχει μειωκεί ςθμαντικά και μπορεί να κεωρθκεί ότι θ αιολικι ενζργεια διανφει τθν πρϊτθ περίοδο ωριμότθτασ, κακϊσ είναι πλζον ανταγωνιςτικι των ςυμβατικϊν μορφϊν ενζργειασ. Θ χϊρα μασ διακζτει εξαιρετικά πλοφςιο αιολικό δυναμικό και θ αιολικι ενζργεια μπορεί αν γίνει ςθμαντικόσ μοχλόσ ανάπτυξισ τθσ. Από το 1982, οπότε εγκαταςτάκθκε από τθ ΔΕΘ το πρϊτο αιολικό πάρκο ςτθν Κφκνο, μζχρι και ςιμερα ζχουν εγκαταςτακεί ςτθν Άνδρο, ςτθν Εφβοια, ςτθν Λιμνο, Λζςβο, Χίο, Σάμο, και ςτθν Κριτθ εγκαταςτάςεισ παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ από τον άνεμο ςυνολικισ ιςχφοσ πάνω από 30MW. Μεγάλο ενδιαφζρον επίςθσ δείχνει και ο ιδιωτικόσ τομζασ για τθν εκμετάλλευςθ τθσ εκμετάλλευςθ τθσ αιολικισ ενζργειασ, ιδιαίτερα ςτθν Κριτθ, όπου το Υπουργείο Ανάπτυξθσ ζχει εκδϊςει άδειεσ εγκατάςταςθσ για νζα αιολικά πάρκα ςυνολικισ ιςχφοσ δεκάδων MW.Ραρακάτω ακολουκεί το διάγραμμα τθσ εγκατεςτθμζνθσ ιςχφοσ αιολικισ ενζργειασ ςτθν χϊρα μασ. 58

59 2.2) Άνεμοσ Οι άνεμοι αποτελοφν κίνθςθ αζριασ μάηασ ςτθν ατμόςφαιρα που προκαλείται από τθν θλιακι ακτινοβολία. Ειδικότερα είναι αποτζλεςμα των κερμοκραςιακϊν διαφορϊν που δθμιουργοφνται ςτθν ατμόςφαιρα είτε λόγω γεωγραφικοφ πλάτουσ είτε λόγω διαφορετικισ κερμοκραςίασ τθσ επιφάνειασ τθσ γθσ. Οι διαφορετικζσ γεωγραφικζσ κερμοκραςίεσ οφείλονται ςε δφο κυρίωσ παράγοντεσ: α) τθν υψομετρικι διαφορά μεταξφ δφο ςθμείων και β) τθν διαφορετικι φφςθ τθσ επιφάνειασ (ζδαφοσ ι νερό). Οι άνεμοι που δθμιουργοφνται λόγω διαφορετικοφ γεωγραφικοφ πλάτουσ είναι φαινόμενα ςχεδόν ςτακερά ι μεταβλθτά με μεγάλθ περίοδο μεταβολισ (εποχικά) κακϊσ επθρεάηονται από τθν περιςτροφι τθσ γθσ γφρω από τον άξονά τθσ. Οι άνεμοι που οφείλονται ςτον δεφτερο παράγοντα χαρακτθρίηονται από μικρι χρονικι διάρκεια (ωριαία ι θμεριςια) και παρατθροφνται είτε κοντά ςε ορεινοφσ όγκουσ είτε ςε περιοχζσ κοντά ςε κάλαςςα όπου υπάρχει διαφορετικόσ βακμόσ κζρμανςθσ ι ψφξθσ του εδάφουσ και του υδάτινου όγκου. 59

60 2.3) Ανεμογεννιτριεσ Οι ανεμογεννιτριεσ καταςκευάςτθκαν με ςκοπό τθν εκμετάλλευςθ τθσ κινθτικισ ενζργειασ του ανζμου με ςκοπό τθν παραγωγι ενζργειασ. Θ αιολικι ενζργεια μετατρζπεται ςτθν ανεμογεννιτρια ςτθν αρχι ςε μθχανικι και ςτθ ςυνζχεια ςε θλεκτρικι ενζργεια. Θ τεχνολογία των ανεμογεννθτριϊν είναι ςυνεχϊσ εξελιςςόμενθ με αποτζλεςμα τθ δθμιουργία ςυνεχϊσ μεγαλφτερων ανεμογεννθτριϊν όςον αφορά ςτθν ιςχφ αλλά και το μζγεκοσ. Στο ακόλουκο ςχιμα φαίνεται θ πρόοδοσ και θ εξζλιξθ τθσ τεχνολογίασ των ανεμογεννθτριϊν ςτθν πάροδο των χρόνων. Θ μορφι των ανεμογεννθτριϊν ζχει περάςει από πολλά ςτάδια ςτθν πάροδο των χρόνων. Ρριν φτάςουμε ςτθ κλαςικι μορφι των ανεμογεννθτριϊν που χρθςιμοποιείται ςιμερα. Σχεδόν ςε όλεσ τισ ανεμογεννιτριεσ ζχουν δοκιμαςτεί πολλζσ διαφορετικζσ λφςεισ και όςον αφορά ςτον αρικμό των πτερυγίων αλλά και τον προςανατολιςμό του άξονα. Οι δφο βαςικζσ κατθγορίεσ ανεμογεννθτριϊν διακρίνονται ανάλογα προσ τον προςανατολιςμό του άξονα τουσ ςε ςχζςθ με τθν ροι του ανζμου ςε ανεμογεννιτριεσ κατακόρυφου και οριηόντιου άξονα. 60

61 2.3.1) Ανεμογεννιτριεσ κατακόρυφου και οριηόντιου άξονα Οι ανεμογεννιτριεσ κατακόρυφου άξονα ζχουν τον άξονα περιςτροφισ τουσ κάκετο ωσ προσ το ζδαφοσ και κατακόρυφο ωσ προσ τθ ροι του ανζμου. Ρλεονζκτθμα αυτισ τθσ διάταξθσ είναι, ότι θ μθχανι δεν χρειάηεται να προςανατολίηεται προσ τον άνεμο για να είναι αποτελεςματικι, δθλαδι μπορεί να περιςτρζφεται από άνεμο που ζρχεται από κάκε κατεφκυνςθ κάκε ςτιγμι, οπότε δεν απαιτείται μθχανιςμόσ προςανατολιςμοφ. Το γεγονόσ αυτό δίνει πλεονζκτθμα ςε μζρθ που υπάρχει μεγάλθ μεταβλθτότθτα ςτθν κατεφκυνςθ του ανζμου. Θ θλεκτρικι γεννιτρια ςε αυτζσ τισ μθχανζσ μπορεί να τοποκετθκεί κοντά ςτο ζδαφοσ, κάτι που ςυνεπάγεται μια απλι και οικονομικι ςχεδίαςθ για τον πφργο. Επίςθσ είναι εφκολα προςβάςιμα ςυςτιματα και πολλζσ φορζσ δεν χρειάηεται πυλϊνασ ςτιριξθσ. Σθμαντικό επίςθσ γεγονόσ είναι ότι ςε αυτζσ τισ μθχανζσ ο ζλεγχοσ βιματοσ πτερυγίου δεν είναι απαραίτθτοσ όταν χρθςιμοποιοφνται με ςφγχρονθ γεννιτρια. Υπάρχουν όμωσ και κάποια ςοβαρά μειονεκτιματα που δεν κάνουν τισ ανεμογεννιτριεσ κατακόρυφου άξονα τόςο λειτουργικζσ. Το κυριότερο πρόβλθμα είναι ότι πολλζσ φορζσ δεν είναι δυνατόν να ξεκινιςουν να περιςτρζφονται χωρίσ εξωτερικι παρζμβαςθ, μιασ και θ ροπι εκκίνθςθσ τουσ είναι πάρα πολφ υψθλι. Στθ περίπτωςθ αυτι υποχρεωτικά πρζπει να λειτουργιςουν ςτθν αρχι ςαν κινθτιρεσ τραβϊντασ ρεφμα από το δίκτυο. Επίςθσ ςθμαντικό είναι το γεγονόσ πωσ ζχουν μικρι ςχετικά απόδοςθ μιασ και θ ταχφτθτα του ανζμου ςε αυτά τα φψθ είναι ςχετικά χαμθλι και επίςθσ κατά τθν περιςτροφι τουσ, υπάρχουν ςθμεία ςτα οποία θ ςυνειςφορά του ανζμου είναι ςχεδόν μθδενικι. Οι πιο γνωςτοί τφποι ανεμογεννθτριϊν κατακόρυφου άξονα είναι οι ανεμογεννιτριεσ τφπου Darrieus και Savonius. Οι ανεμογεννιτριεσ οριηόντιου άξονα ζχουν τον άξονα περιςτροφισ τουσ οριηόντιο ωσ προσ το ζδαφοσ και ςχεδόν παράλλθλο ςτθ ροι του ανζμου. Αυτι τθ ςτιγμι παγκόςμια οι ανεμογεννιτριεσ οριηόντιου άξονα κατζχουν το ςυντριπτικό μερίδιο τθσ αγοράσ. Ρολφ ςθμαντικά πλεονεκτιματα, που κάνουν τόςο δθμοφιλι αυτοφ του τφπου τισ ανεμογεννιτριεσ, είναι ότι δεν χρειάηονται πολφ υψθλζσ ταχφτθτεσ ανζμου για να ξεκινιςουν να περιςτρζφονται, όποτε και με πολφ μικρζσ ταχφτθτεσ ανζμου μποροφμε να ζχουμε ικανοποιθτικά αποτελζςματα. 61

62 Ζνα ακόμα πολφ ςθμαντικό πλεονζκτθμα είναι ότι εμφανίηουν υψθλό αεροδυναμικό ςυντελεςτι, ενϊ είναι εφκολθ θ ςυναρμολόγθςθ τουσ. Το μεγάλο μειονζκτθμα των ανεμογεννθτριϊν οριηόντιου άξονα είναι ότι θ γεννιτρια και το κιβϊτιο ταχυτιτων πρζπει να τοποκετθκοφν πάνω ςτο πφργο, γεγονόσ που κάνει τθν καταςκευι τουσ ακριβι και πιο δφςκολθ. Επίςθσ ςε ςχζςθ προσ τισ ανεμογεννιτριεσ κάκετου άξονα, εδϊ χρειάηεται ενεργόσ μθχανιςμόσ περιςτροφισ ι ςυνθκζςτερα ζνα ουριαίο πτερφγιο για τον προςανατολιςμό ςτθν κατεφκυνςθ του ανζμου. Οι ανεμογεννιτριεσ οριηόντιου άξονα χαρακτθρίηονται και κατθγοριοποιοφνται με βάςθ των αρικμό των πτερυγίων τουσ. Οι ανεμογεννιτριεσ με ζνα πτερφγιο ονομάηονται μονοπτζρυγεσ, με δφο διπτζρυγεσ, με τρία τριπτζρυγεσ και όλεσ οι άλλεσ με περιςςότερα πτερφγια από τρία ονομάηονται πολυπτζρυγεσ. Οι μονοπτζρυγεσ αν και είναι φκθνότερεσ όλων, δεν απόκτθςαν ποτζ μεγάλθ δθμοφιλία, είτε για αιςκθτικοφσ λόγουσ, είτε λόγω προβλθμάτων ςτθ εξιςορρόπθςθ δυνάμεων τθσ όλθσ καταςκευισ κατά τθν περιςτροφι τουσ, γεγονόσ που κάνει απαραίτθτθ τθν τοποκζτθςθ αντίβαρου ςτθν πλιμνθ. Ραρόμοια προβλιματα εμφανίηουν και οι διπτζρργεσ ανεμογεννιτριεσ αν και εκεί τα πράγματα είναι ςαφϊσ καλφτερα. Σιμερα θ ςυντριπτικι πλειοψθφία των ανεμογεννθτριϊν που χρθςιμοποιοφνται ςτθν αγορά είναι οι τριπτζρυγεσ.το βαςικό τουσ πλεονζκτθμα είναι ότι είναι πιο ςτακερζσ μιασ και το αεροδυναμικό φορτίο κατανζμεται ομοιόμορφα ενϊ και το μθχανικό εξιςορροπείται. Εφαρμογζσ με μεγαλφτερο αρικμό πτερφγων (6,8,12 κ.α.) ζχουν υλοποιθκεί κατά καιροφσ. Ο λόγοσ μεταξφ του ςυνολικοφ εμβαδοφ των πτερφγων προσ τθν επιφάνεια ςάρωςθσ ονομάηεται ςτιβαρότθτα. Οι μθχανζσ με μεγάλο αρικμό πτερφγων προτιμϊνται ςε εφαρμογζσ που απαιτείται μεγάλθ ροπι εκκίνθςθσ, γιατί ζχουν τθν ιδιότθτα να μποροφν να ξεκινοφν να περιςτρζφονται ευκολότερα (μεγαλφτερθ επιφάνεια αλλθλεπιδρά με τον άνεμο αρχικά). Ραρόλα αυτά θ ιςχφσ που παράγουν είναι μάλλον μικρότερθ ςυγκρινόμενθ με μια ανεμογεννιτρια λιγότερων πτερφγων που ςαρϊνει τθν ίδια επιφάνεια, λόγω αυξθμζνων αεροδυναμικϊν απωλειϊν. 62

63 Ζχει αποδειχκεί ότι οι τριπτζρυγοι ρότορεσ ζχουν μεγαλφτερο αεροδυναμικό ςυντελεςτι ιςχφοσ από τουσ πολυπτζρυγουσ, ζτςι οι τελευταίοι χρθςιμοποιοφνται περιοριςμζνα μόνο ςε κάποιεσ εφαρμογζσ όπωσ θ άντλθςθ υδάτων, όπου θ απαιτοφμενθ ροπι εκκίνθςθσ είναι μεγάλθ. Ζνα χαρακτθριςτικό παράδειγμα ανεμογεννιτριασ οριηόντιου άξονα φαίνεται και ςτθν παρακάτω εικόνα. 63

64 2.3.2) Οι ανεμογεννιτριεσ ςιμερα Θ ςυνθκιςμζνθ ανεμογεννιτρια που χρθςιμοποιείται ςιμερα αποτελείται από μια γεννιτρια, 3 πτερφγια και ζναν πφργο, που βρίςκεται πίςω από τα πτερφγια ζτςι ϊςτε ο άνεμοσ να ζρχεται από το εμπρόςκιο μζροσ. Στο παρακάτω ςχιμα φαίνονται τα βαςικά ςτοιχεία που αποτελοφν μια ανεμογεννιτρια. Ο άνεμοσ δεςμεφεται ςτα πτερφγια και μζςω ενόσ άξονα μεταφζρεται θ κίνθςθ ςτο κιβϊτιο ταχυτιτων. Από εκεί ζνασ άλλοσ άξονασ μεταφζρει τθν κίνθςθ ςτθν γεννιτρια. Δουλειά του κιβωτίου ταχφτθτασ είναι να πολλαπλαςιάηει τθν τιμι τθσ ταχφτθτασ του ανζμου που φτάνει ςε αυτό από τα πτερφγια. Στθ ςυνζχεια θ γεννιτρια με τθ ςειρά τθσ είναι ςυνδεδεμζνθ με ζναν μεταςχθματιςτι προκειμζνου να δίνεται ςε τελικό ςτάδιο θ επικυμθτι τάςθ ςτο ςθμείο ςφνδεςθσ με το εκάςτοτε τοπικό δίκτυο. 64

65 2.3.3) Δομι των ανεμογεννθτριϊν Στο ακόλουκο ςχιμα φαίνεται πιο αναλυτικά θ τυπικι μορφι τθσ εςωτερικισ δομισ μιασ κλαςικισ ανεμογεννιτριασ. Κάνοντασ μία τομι ςτθν ανεμογεννιτρια βλζπουμε τθν εςωτερικι διάταξθ των υποςυςτθμάτων τθσ που βρίςκονται κυρίωσ ςτθν άτρακτο. Στο παραπάνω ςχιμα διακρίνουμε : α) τον άξονα χαμθλϊν και υψθλϊν ςτροφϊν, β) το κιβϊτιο ταχυτιτων, γ) τθ γεννιτρια, δ) το φρζνο, ε) τον μθχανιςμό περιςτροφισ τθσ ατράκτου, ςτ) το μθχανιςμό ελζγχου βιματοσ των πτερυγίων, η) το ανεμόμετρο, θ) τον ανεμοδείκτθ και κ) τον θλεκτρονικό ελεγκτι. 65

66 Για μια πιο αναλυτικι περιγραφι ξεκινάμε από τθν πλιμνθ. Θ πλιμνθ είναι μθχανικό εξάρτθμα ςτο οποίο προςαρμόηονται τα πτερφγια. Θ πλιμνθ ςυνδζεται με τον άξονα χαμθλϊν ςτροφϊν. Ο άξονασ χαμθλϊν ςτροφϊν, είναι ο άξονασ που ςυνδζει τθν πλιμνθ με το κιβϊτιο ταχυτιτων και είναι ο άξονασ του ρότορα του ανεμοκινθτιρα. Στθ ςυνζχεια από το κιβϊτιο ταχυτιτων ξεκινάει ζνα ακόμα άξονασ ο οποίοσ καταλιγει ςτθ γεννιτρια. Ο άξονασ αυτόσ ονομάηεται άξονασ υψθλϊν ταχυτιτων και ουςιαςτικά αποτελεί το δρομζα τθσ γεννιτριασ. Τζλοσ θ γεννιτρια ςυνδζεται με ζναν μεταςχθματιςτι ζτςι ϊςτε να υπάρχει θ κατάλλθλθ προςαρμογι τθσ τάςθσ ςτο εκάςτοτε δίκτυο. Από εκεί και πζρα υπάρχουν το ανεμόμετρο και ο ανεμοδείκτθσ, τα οποία είναι όργανα που μετράνε τθν ταχφτθτα και προςδιορίηουν τθν κατεφκυνςθ του ανζμου αντίςτοιχα. 2.4) Ιςχφσ του ανζμου Για τον υπολογιςμό τθσ ιςχφοσ του ανζμου, κεωροφμε μια αζρια μάηα m ςτιγμιαίασ ταχφτθτασ v(t). Θ κινθτικι ενζργεια του ανζμου είναι: W K (t) = (1/2)*m*v 2 (t) Αν Α είναι το εμβαδόν τθσ επιφάνειασ που διαπερνά κάκετα ο άνεμοσ και ρ θ πυκνότθτα τθσ αζριασ μάηασ τότε θ ανά μονάδα χρόνου μάηα του αζρα είναι: m(t) = ρ*a*v(t) Επομζνωσ από τισ παραπάνω ςχζςεισ ςυνεπάγεται ότι θ ςτιγμιαία ιςχφσ του ανζμου (ενζργεια ςτθ μονάδα του χρόνου) κα προκφπτει από τθν ςχζςθ: P αν =(1/2)*ρ*Α*v 3 (t) 66

67 Από τθν τελευταία ςχζςθ φαίνεται ποςοτικά θ ςπουδαιότθτα τθσ αξιοποίθςθσ τθσ ενζργειασ του ανζμου ςε ςχζςθ προσ τθν ταχφτθτα του κακϊσ θ ιςχφσ είναι ανάλογθ του κφβου τθσ ταχφτθτασ. Πμωσ ςτθν πραγματικότθτα μόνο ζνα κλάςμα τθσ διακζςιμθσ ιςχφοσ μπορεί να δεςμευτεί από ζναν ανεμοκινθτιρα, διότι αφενόσ ο άνεμοσ απομακρφνεται από τον ανεμοκινθτιρα με κάποια ταχφτθτα, αφετζρου τα πτερφγια του ανεμοκινθτιρα προκαλοφν εκτροπι μζρουσ του αζρα το οποίο παρακάμπτει τον ανεμοκινθτιρα χωρίσ να τον διαπεράςει. Ζτςι ορίηουμε τον ςυντελεςτι ιςχφοσ ενόσ ανεμοκινθτιρα Cp ωσ εξισ: Cp= όπου P M είναι θ μθχανικι ιςχφσ που παράγεται. 2.5) Άντωςθ και Αντίςταςθ Πταν άνεμοσ ταχφτθτασ v προςπίπτει ςε μία επιφάνεια εμβαδοφ Α που ςχθματίηει γωνία α (γωνία προςβολισ) με τθν ταχφτθτα του ανζμου, αςκεί ςτθν επιφάνεια μία δφναμθ F. Θ δφναμθ αυτι αναλφεται ςε δφο ςυνιςτϊςεσ: τθν F L που είναι κάκετθ ςτθν ταχφτθτα v και καλείται άντωςθ και τθν F D που είναι παράλλθλθ προσ τθν ταχφτθτα v και καλείται αντίςταςθ, όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα: 67

68 . Τα μζτρα των δυνάμεων αυτϊν δίνονται από τισ ςχζςεισ: F L =(1/2)*ρ*Α*V 2 *C L (a) Και F D = (1/2)*ρ*Α*V 2 *C D (a) όπου ρ θ πυκνότθτα του αζρα και C L (a), C D (a) ςυντελεςτζσ που προςδιορίηονται πειραματικά και εξαρτϊνται από τθ γωνία α. Θ παραπάνω ανάλυςθ βρίςκει εφαρμογι και ςτα πτερφγια των ανεμοκινθτιρων. Ππωσ φαίνεται από το διάγραμμα υπάρχει ςυςχζτιςθ του F L και F D ωσ ςυνιςτωςϊν τθσ F. Οι ανεμοκινθτιρεσ που αξιοποιοφν ωσ κινθτιρια δφναμθ τθν αντίςταςθ λειτουργοφν με χαμθλι ταχφτθτα και μεγάλθ ροπι και χρθςιμοποιοφνται ςυνικωσ για άντλθςθ νεροφ και άλεςθ δθμθτριακϊν. Αντίκετα για θλεκτροπαραγωγι είναι καταλλθλότεροι οι ανεμοκινθτιρεσ που εκμεταλλεφονται τθν άντωςθ γιατί λειτουργοφν με υψθλι ταχφτθτα και μικρι ροπι. 68

69 2.6) Θεωρία πτερφγωςθσ Για διάφορουσ υπολογιςμοφσ αεροδυναμικισ ςε πτερφγια, και ιδιαίτερα του ςυντελεςτι ιςχφοσ C P, χρθςιμοποιείται θ κεωρία πτερφγωςθσ. Θ κεωρία πτερφγωςθσ βαςίηεται ςτον διαχωριςμό του πτερυγίου ςε πολλζσ ςτενζσ λωρίδεσ και τον υπολογιςμό ςτοιχειωδϊν μεγεκϊν ςε αυτζσ. Ζπειτα μζςω ολοκλιρωςθσ ςε όλο το μικοσ του πτερυγίου προκφπτει μία αναλυτικι ςχζςθ για τον ςυντελεςτι ιςχφοσ C P. Ζςτω ζνασ ανεμοκινθτιρασ που ςτρζφεται με γωνιακι ταχφτθτα ω και του οποίου τα πτερφγια ςχθματίηουν γωνία κ με το επίπεδο περιςτροφισ. Σε μία τυχαία ςτιγμιαία κζςθ κεωροφμε τθν αεροτομι ενόσ πτερυγίου με ζνα επίπεδο παράλλθλο ςτον άξονα περιςτροφισ του, όπωσ φαίνεται και ςτο ακόλουκο ςχιμα: 69

70 Σε ζνα ςτοιχειϊδεσ τμιμα του πτερυγίου πάχουσ dr αςκοφνται μία δφναμθ df L (άντωςθ) και μία δφναμθ df D (αντίςταςθ). Θ ςυνιςταμζνθ αυτϊν των δυνάμεων df αναλφεται ςε δφο νζεσ ςυνιςτϊςεσ τισ dt D και dt A. Τα μεγζκθ που εικονίηονται ςτο παραπάνω ςχιμα είναι: v: θ ταχφτθτα του ανζμου v B =ω r *R : θ γραμμικι ταχφτθτα τθσ πτζρυγασ λόγω περιςτροφισ ω Γ : θ γωνιακι ταχφτθτα περιςτροφισ R: το μικοσ του πτερυγίου v r = v - v B : θ ςχετικι ταχφτθτα του ανζμου τθν οποία βλζπει θ πτζρυγα, είναι το διανυςματικό άκροιςμα των v και v B κ: θ γωνία του πτερυγίου με το επίπεδο περιςτροφισ α: θ γωνία προςβολισ C: θ χορδι (πλάτοσ) του πτερυγίου φ=tan -1 (v/v B ) Θ προωςτικι δφναμθ dt D που είναι θ αιτία περιςτροφισ των πτερυγίων ιςοφται με: dt D = df L *sin φ - df D *cos φ και με αντικατάςταςθ των δυνάμεων F L και F D από τισ ςχζςεισ που αναφζρκθκαν πριν καταλιγουμε ςτθν εξισ ςχζςθ: dtd = {(1/2)*ρ*v r 2 *C L (a)*sinφ - C D (a)*cosφ*c}*dr 70

71 Από το διανυςματικό τρίγωνο των ταχυτιτων ζχουμε: v r 2 = v 2 +v B 2 = v 2 +ω r 2 *R 2 ω r *R = v*cotφ Θ ιςχφσ που παράγεται είναι dp=dt D *v B, οπότε προκφπτει θ ςχζςθ: dp = {(1/2)*ρ*v 3 *cotφ*(1+cotφ)*c L (a)*sinφ - C D (a)*cosφ*c}*dr Ολοκλθρϊνοντασ τθν τελευταία ςχζςθ και κεωρϊντασ Α/Κ με τρία πτερφγια P M =3P προκφπτει τελικά μία αναλυτικι ςχζςθ για τον ςυντελεςτι ιςχφοσ C P : CP=(3/(π*R 2 ))* - CD(a)*cosφ*C]*dr Ραρατθροφμε ότι ο ςυντελεςτισ ιςχφοσ Cp εξαρτάται άμεςα όχι μόνο από τα καταςκευαςτικά χαρακτθριςτικά των πτερυγίων (μικοσ R, χορδι C και ςυντελεςτζσ C L, C D ) αλλά και από τθ ςυνεφαπτομζνθ τθσ γωνίασ φ, όπωσ φαίνεται και ςτο παραπάνω ςχιμα. Για ςυγκεκριμζνο ανεμοκινθτιρα τα μεγζκθ R, C, C L,C D είναι ςτακερά επομζνωσ ο ςυντελεςτισ ιςχφοσ C P είναι ςυνάρτθςθ τθσ ςυνεφαπτομζνθσ τθσ γωνίασ φ για τθν οποία ιςχφει: cotφ = (ω r *R)/v = λ 2.7) Λόγοσ ταχφτθτασ ακροπτερυγίων Ο λόγοσ λ = (ω r *R)/v *που καλείται λόγοσ ταχφτθτασ ακροπτερυγίου (tip-speed ratio-tsr] είναι ν ο λόγοσ τθσ γραμμικισ ταχφτθτασ λόγω περιςτροφισ των ακροπτερυγίων προσ τθν ταχφτθτα του ανζμου, όπου ω Γ θ γωνιακι ταχφτθτα περιςτροφισ ςε rad/sec και R το μικοσ του πτερυγίου ςε μζτρα. Εφόςον ο ςυντελεςτισ λ αποτελεί λόγο ταχυτιτων είναι αδιάςτατο μζγεκοσ. Στο παρακάτω ςχιμα φαίνεται μία τυπικι μορφι του ςυντελεςτι Cp ςυναρτιςει του λ. 71

72 Ραρατθροφμε ότι ο C P ζχει μζγιςτθ τιμι για μία ςυγκεκριμζνθ τιμι του λ.θτιμι αυτι του λ είναι θ βζλτιςτθ τιμι.ππωσ κα δοφμε ςτθ ςυνζχεια ο ςυντελεςτισ C P είναι ςυνάρτθςθ και τθσ γωνίασ βιματοσ των πτερυγίων που κα οριςτεί παρακάτω. 2.8) υντελεςτισ C P και ταχφτθτα του ανζμου Ο νόμοσ του Betz μασ λζει ότι λιγότερο από τα 16/27 (ι 59%) τθσ κινθτικισ ενζργειασ του ανζμου μποροφν να μετατραποφν ςε μθχανικι ενζργεια μζςω μιασ ανεμογεννιτριασ. Ο ςυντελεςτισ ιςχφοσ δείχνει πόςο αποτελεςματικά μια ανεμογεννιτρια μετατρζπει τθν αιολικι ενζργεια ςε θλεκτρικι. 72

73 Θ μζςθ μθχανικι απόδοςθ είναι περίπου λίγο πάνω από το 20%, ωςτόςο θ απόδοςθ διαφζρει πολφ και ςχετίηεται με τθν ταχφτθτα του ανζμου και παίρνει μεγαλφτερθ τιμι για τθν ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ, κοντά ςτο 44%, ςε μια ταχφτθτα ανζμου περίπου ςτα 9m/s. Στισ χαμθλζσ ταχφτθτεσ ανζμου θ απόδοςθ δεν είναι ιδιαίτερα ςθμαντικι μιασ και δεν υπάρχουν διακζςιμα τόςο μεγάλα μεγζκθ ενζργειασ για να δεςμευτοφν. Σε μεγάλεσ ταχφτθτεσ ανζμου, θ ανεμογεννιτρια κα πρζπει να μθν παραλάβει τθν παραπανίςια ποςότθτα ενζργειασ πζρα από τθν προκακοριςμζνθ (ονομαςτικι) και αυτό προφανϊσ κακορίηει τα μθχανικά φορτία ςτθν καταςκευι. Οπότε, θ ζννοια τθσ απόδοςθσ ζχει ςθμαςία ςτισ περιοχζσ όπου θ ταχφτθτα του ανζμου μπορεί να δϊςει τα μζγιςτα ποςά ενζργειασ. Γενικά ανεμογεννιτριεσ με μεγάλθ απόδοςθ τεχνικά, δεν αποτελοφν αυτοςκοπό. Αυτό που ζχει μεγαλφτερθ ςθμαςία είναι το κόςτοσ τθσ παραγόμενθσ ενζργειασ από τον άνεμο, κατά τθ διάρκεια τθσ ηωισ τουσ (υπολογίηεται ςε μια 20ετια περίπου). Από τθ ςτιγμι που το καφςιμο, ο ανεμοσ δθλαδι, είναι δωρεάν δεν υπάρχει κανζνασ λόγοσ για οικονομία. Από τθν άλλθ, οι καλφτερεσ ανεμογεννιτριεσ δεν είναι αυτζσ που παράγουν τα μεγαλφτερα ποςά ενζργειασ ςτθ διάρκεια ενόσ χρόνου, αλλά αυτζσ που παρουςιάηουν ζναν βζλτιςτο ςυντελεςτι ανάμεςα ςτθ παραγόμενθ ενζργεια και ςτο κόςτοσ εγκατάςταςθσ και λειτουργίασ. Πλεσ οι ανεμογεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ παρουςιάηουν μια υπερφψωςθ ςτθν κακοριςμζνθ ιςχφ τθσ μθχανισ ςτο ξεκίνθμα των πρϊτων ριπϊν αζρα ςτθν ανεμογεννιτρια. Ανάλογα με το ςχεδιαςμό του ζλεγχου, αυτι θ υπερφψωςθ αυξάνει τισ τιμζσ κάποιων μεταβλθτϊν ακόμα και κατά 50%. Αυτι θ υπερφψωςθ, για παράδειγμα, προκαλεί μεγάλθ φκορά ςτο κιβϊτιο ταχυτιτων. Σε μθχανζσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ αυτά τα προβλιματα μποροφν να αποφευχκοφν. 73

74 Στισ ανεμογεννιτριεσ υπάρχει οικονομία κλίμακασ, για παράδειγμα μεγάλεσ ανεμογεννιτριεσ μποροφν ςυνικωσ να παράγουν θλεκτρικι ενζργεια ςε χαμθλότερο κόςτοσ από μικρότερεσ ανεμογεννιτριεσ. Ο λόγοσ για αυτό είναι ότι το κόςτοσ για κεμελιϊςεισ, δρόμουσ, ςυνδζςεισ ςτο θλεκτρικό δίκτυο ςε ςυνδυαςμό με αρκετά ςτοιχεία τθσ ανεμογεννιτριασ, είναι ανεξάρτθτα από το μζγεκοσ τθσ ανεμογεννιτριασ. Μεγάλεσ ανεμογεννιτριεσ είναι εξαιρετικά προτιμότερεσ ςε υπεράκτια (καλάςςια) πάρκα. Εκεί το κόςτοσ τθσ κεμελίωςθσ δεν είναι απόλυτα αναλογικό με το μζγεκοσ τθσ ανεμογεννιτριασ, πράγμα που ιςχφει και για το κόςτοσ ςυντιρθςθσ *8+. Επίςθσ ςε περιοχζσ όπου είναι δφςκολο να τοποκετθκοφν παραπάνω από μια ανεμογεννιτριεσ, τότε μια μεγάλθ ανεμογεννιτρια με αρκετά ψιλο πφργο αποδίδει περιςςότερο μιασ και θ τιμι τθσ ταχφτθτασ του ανζμου, αυξάνεται με το φψοσ ) Μζγιςτοσ ςυντελεςτισ C p Ππωσ είδαμε και νωρίτερα θ μζγιςτθ κεωρθτικι τιμι του C p είναι με βάςθ το όριο του Betz: C P-max =0.593 Ο αεροδυναμικόσ ςυντελεςτισ ιςχφοσ C P δεν είναι ςτακερόσ. Ππωσ αναφζρκθκε, ο ςυντελεςτισ C P εξαρτάται από τθν ταχφτθτα των ακροπτερυγίων λ αλλά και από ζναν ακόμα παράγοντα που είναι θ γωνία βιματοσ του πτερυγίου β. Θ ςχζςθ για τθ μθχανικι ενζργεια που παράγεται από τον άνεμο δίνεται από τον τφπο: P M = (1/2)*π*ρ*C P *R 2 *v 3 Ο ςυντελεςτισ ιςχφοσ Cp ( λ, β), όπωσ αναφζραμε παραπάνω, είναι ςυνάρτθςθ των λ και β και για κάκε ταχφτθτα του ανζμου πρζπει θ γωνιακι ταχφτθτα του ρότορα να παίρνει τιμζσ που να βελτιςτοποιοφν τα λ και β, ζτςι ϊςτε να επιτυγχάνεται μζγιςτθ παραγωγι ιςχφοσ από τθν ανεμογεννιτρια. Για δεδομζνεσ τιμζσ των λ και β υπολογίηεται θ τιμι του C p (λ,β) χρθςιμοποιϊντασ τον παρακάτω προςεγγιςτικό τφπο: 74

75 C P ( λ, β) =0,22**( 116/ λ i )- 0.4*β -5]* όπου για το λ ιςχφει θ ςχζςθ: 1/λi=1/(λ+0,08*β)-0,035/(β 3 +1) Με βάςθ αυτζσ τισ ςχζςεισ είναι δυνατϊν να ςχεδιάςουμε ζνα διάγραμμα που να εμπλζκει το C p, το λ και β (μετροφμενο ςε μοίρεσ). Με τθ χριςθ του λογιςμικοφ πακζτου MATLAB παίρνουμε το διάγραμμα του ςχιματοσ. Δεν είναι δφςκολο να διαπιςτϊςουμε πωσ θ μζγιςτθ τιμι του C p αντιςτοιχεί ςτθν τιμι β=0. Θ τιμι αυτι του β μπορεί να μασ δϊςει τθ βζλτιςτθ τιμι και για το C p και το λi και το λ. Οπότε: λ i =8.12 λ opt =6.325 C Popt =

76 2.9) Μζγιςτθ παραγόμενθ ενζργεια Από τθ παραπάνω ςχζςθ είδαμε ότι ο αεροδυναμικόσ ςυντελεςτισ ιςχφοσ C P εξαρτάται από τθ ταχφτθτα ακροπτερυγίου λ. Επίςθσ είδαμε ότι το C P _ opt αντιςτοιχεί ςε ζνα λ opt το οποίο μπορεί να βρεκεί με βάςθ τθ διαδικαςία που αναφζρκθκε προθγοφμενα. Ππωσ είναι προφανζσ το λ opt που υπολογίςτθκε νωρίτερα, μπορεί να ορίςει ζνα ω r_opt,το οποίο πλζον κα εξαρτάται μόνο από τθν ταχφτθτα του ανζμου, δθλαδι: ω r_opt =(λopt/r)*v Επίςθσ θ μθχανικι ενζργεια που δίνεται από το άνεμο είναι: P M = (1/2)*π*ρ*C P *R 2 *v 3 Ππωσ είναι γνωςτό όμωσ για τθ μθχανικι ενζργεια που δεςμεφεται από ςτρεφόμενθ μθχανι ιςχφει: P M =T M *ω r Οπότε με αντικατάςταςθ προκφπτει ότι θ ροπι: T M= (1/2)*π*ρ*C T (λ)*r 2 *v 3 Όπου: C T = C P / λ Ππωσ γίνεται προφανζσ από τθν παραπάνω ςχζςθ ζνα C P _ opt και ζνα λ opt ορίηουν επίςθσ και ζνα T M _ opt, το οποίο και αυτό είναι εξαρτϊμενο μόνο από τθ ταχφτθτα του ανζμου όπωσ και το ω r_opt : T Μ_opt = (1/2)*π*ρ*C T (λ opt )*R 2 *v 3 C T (λ opt ) = C P _ opt / λ opt Ακόμθ ιςχφει ότι: T Μ_opt = (1/2)*π*ρ*(C p_opt / λ 3 opt)*r 5 * ω 2 r_opt Από τθν τελευταία ςχζςθ προκφπτει ότι για να επιτευχκεί P M_max κα πρζπει να ζχουμε λειτουργία ςτο μζγιςτο ω r_opt. 76

77 2.10) Γωνία βιματοσ και απϊλεια ςτιριξθσ Οι ανεμογεννιτριεσ είναι καταςκευαςμζνεσ να παράγουν ενζργεια με όςο το δυνατό μικρότερο κόςτοσ. Ζτςι οι ανεμογεννιτριεσ είναι ςχεδιαςμζνεσ να αποδίδουν το μζγιςτο τθσ ενζργειασ που μποροφν ςε ταχφτθτεσ ανάμεςα ςτα 12 με 15 m/s. Δεν υπάρχει κανζνασ λόγοσ να ςχεδιάηει κάποιοσ ανεμογεννιτριεσ που αποδίδουν τθ μζγιςτθ τουσ ενζργεια ςε ταχφτθτεσ μεγαλφτερεσ από τισ προαναφερκείςεσ μιασ και τόςο δυνατοί άνεμοι είναι πολφ ςπάνιοι. Σε περίπτωςθ που υπάρχουν τόςο δυνατοί άνεμοι είναι πάγια τακτικι να κυςιάηεται θ παραπάνω ενζργεια που κα μποροφςε να παραχκεί, προκειμζνου να μθν πάκει κάποια ηθμιά και να καταςτραφεί θ ανεμογεννιτρια. Για το λόγο αυτό, όλεσ οι ανεμογεννιτριεσ καταςκευάηονται ϊςτε κατ αρχιν να λειτουργοφν με αςφάλεια ςτισ μεγάλεσ ταχφτθτεσ ανζμου που τυχόν κα εμφανιςτοφν. Για να επιτευχκεί αυτό χρθςιμοποιοφνται θ γωνία βιματοσ πτερυγίου ι θ απϊλεια ςτιριξθσ ) Γωνία βιματοσ πτερυγίου Στισ ανεμογεννιτριεσ που ζχουν ζλεγχο τθσ γωνίασ βιματοσ πτερυγίων (pitch control), τα πτερφγια κα πρζπει να ζχουν τθ δυνατότθτα να περιςτρζφονται, περιςτρζφοντασ όλο ι μζροσ κάκε πτερυγίου γφρω από τον άξονα τουσ, ςτθν κατεφκυνςθ θ οποία μειϊνει τθν γωνία πρόςπτωςθσ και άρα τον ςυντελεςτι άντωςθσ, μία διαδικαςία γνωςτι ςαν βιμα πτζρωςθσ ( pitch feathering ). Στο ςχιμα που ακολουκεί φαίνεται θ διαδικαςία: 77

78 Πταν θ παραγωγι ενζργειασ γίνεται πολφ μεγάλθ, ο μθχανιςμόσ ζλεγχου τθσ γωνίασ των πτερυγίων αρχίηει να ςτρίβει ςιγά-ςιγά τα πτερφγια ζτςι ϊςτε να μειϊνεται ο ανεμοσ που προςπίπτει πάνω τουσ. Ρροφανϊσ τα πτερφγια ξαναςτρίβουν όταν πζςει θ ζνταςθ του ανζμου προκειμζνου να ζχουμε μεγαλφτερθ πρόςπτωςι του πάνω τουσ ϊςτε εν τζλει να υπάρχει μεγαλφτερθ παραγωγι ενζργειασ. Ο μθχανιςμόσ του ζλεγχου βιματοσ πτερυγίου πραγματοποιείται με τθ χριςθ υδραυλικϊν ι και θλεκτρικϊν ενεργοποιθτϊν ) Απϊλεια ςτιριξθσ Στισ ανεμογεννιτριεσ με πακθτικι απϊλεια ςτιριξθσ τα πτερφγια είναι τοποκετθμζνα ςτον άξονα ςε μια ςτακερι γωνία. Θ γεωμετρία των πτερυγίων είναι τζτοια ϊςτε αυτόματα, αεροδυναμικά να διαςφαλίηεται ότι ςε μεγάλεσ ταχφτθτεσ ανζμου κα εμφανιςτοφν ςτα πλάγια των πτερυγίων από τθν αντίκετθ πλευρά πρόςπτωςθσ του ανζμου δίνεσ και ςτροβιλιςμοί, όπωσ φαίνεται και ςτο παρακάτω ςχιμα: 78

79 Αυτζσ οι διαταραχζσ, αντιςτακμίηουν τισ δυνάμεισ άντωςθσ ςτα πτερφγια και τισ περιορίηουν ςτο να επενεργιςουν ςτο ρότορα. Αυτό το φαινόμενο λζγεται απϊλεια ςτιριξθσ (stall control). Οι αεροδυναμικζσ διαταραχζσ ςτισ οποίεσ οφείλεται το φαινόμενο τθσ απϊλειασ ςτιριξθσ, τελικά οδθγοφν ςε ςυνεχείσ αρνθτικζσ ολιςκιςεισ ςτθν ταχφτθτα περιςτροφισ γνωςτζσ ωσ ςτολάριςμα (από το stall ςτα αγγλικά). Κατά τθν απϊλεια ςτιριξθσ το πτερφγιο ςτρζφεται αργά κατά μικοσ του άξονα του. Αυτό γίνεται εν μζρθ προκειμζνου να διαςφαλιςτεί ότι τα πτερφγια χάνουν τθν απϊλεια ςτιριξθσ ςταδιακά και όχι απότομα όταν θ ταχφτθτα του ανζμου φτάςει ςτθν κακοριςμζνθ ταχφτθτα. Το κφριο πλεονζκτθμα του ζλεγχου απϊλειασ ςτιριξθσ είναι ότι δεν υπάρχουν κινοφμενα μζρθ πάνω ςτον ρότορα. Πμωσ ο ςχεδιαςμόσ με βάςθ αυτό τον ζλεγχο αποτελεί μια πολφ περίπλοκθ υπόκεςθ αεροδυναμικά και επθρεάηει το ςχεδιαςμό όλθσ τθσ ανεμογεννιτριασ. Είναι ςθμαντικό να ςθμειωκεί ότι θ μεταβολι τθσ γωνίασ ςτθν απϊλεια ςτιριξθσ γίνεται αντίκετα προσ αυτιν τθσ γωνίασ βιματοσ πτερυγίου. Ο μθχανιςμόσ ςτρζψθσ των πτερυγίων είναι είτε υδραυλικόσ είτε γίνεται με θλεκτρικοφσ μθχανιςμοφσ. 79

80 2.11) Κυριότεροι τφποι ανεμογεννθτριϊν )Ανεμογεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ Οι τυπικζσ μθχανζσ ςτακερισ ταχφτθτασ χρθςιμοποιοφν ςυνικωσ επαγωγικζσ μθχανζσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ, και είναι ςυνδεδεμζνεσ απευκείασ ςτο δίκτυο, όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα. Ζνασ από τουσ λόγουσ που επιλζγεται θ επαγωγικι μθχανι είναι ότι είναι αξιόπιςτθ και ςυγκριτικά με άλλεσ πιο φκθνι. Σθμαντικό μειονζκτθμα είναι ότι θ επαγωγικι μθχανι καταναλϊνει άεργο ιςχφ θ οποία γίνεται τόςο μεγαλφτερθ, όςο αυξάνεται θ παραγωγι τθσ ενεργοφ ιςχφοσ. Για να ιςοςτακμίηεται θ κατανάλωςθ αζργου ιςχφοσ τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ ζτςι ϊςτε να παίρνουμε ςυντελεςτι ιςχφοσ κοντά ςτθ μονάδα, ςτο ςθμείο ςφνδεςθσ με το δίκτυο χρθςιμοποιείται ςυςτοιχία παράλλθλων πυκνωτϊν. Θ επαγωγικι μθχανι ςαν γεννιτρια ζχει επίςθσ μερικζσ μθχανικζσ ιδιότθτεσ που είναι εξαιρετικά χριςιμεσ για μια ανεμογεννιτρια. Για παράδειγμα θ ολίςκθςθ τθσ γεννιτριασ κάνει πιο ομαλι τθ ςφνδεςθ με το δίκτυο ι ακόμθ θ ςθμαντικι ςκεναρότθτα τθσ ζχει ςαν αποτζλεςμα τθν καλι ςυμπεριφορά ςε υπερφορτίςεισ. 80

81 Μερικοί καταςκευαςτζσ προςαρμόηουν ςτισ ανεμογεννιτριεσ τουσ δφο επαγωγικζσ γεννιτριεσ, μια μικρι για τισ περιόδουσ που υπάρχουν χαμθλζσ ταχφτθτεσ αζρα και μια μεγαλφτερθ για τθσ περιόδουσ με υψθλότερεσ τιμζσ ταχφτθτασ αζρα. Ζνασ άλλοσ ςχεδιαςμόσ είναι οι επαγωγικζσ γεννιτριεσ με μεταβαλλόμενουσ πόλουσ, δθλαδι γεννιτριεσ που μποροφν να λειτουργοφν με διαφορετικό αρικμό πόλων επομζνωσ και με διαφορετικι περιςτροφικι ταχφτθτα. Αυτόσ ο ςχεδιαςμόσ ςυνεχίηεται να κεωρείται ότι ανικει ςτθν κατθγορία τθσ γεννιτριασ ςτακερισ ταχφτθτασ όςον αφορά ςτα μθχανικά φορτία και τθν αλλθλεπίδραςι τθσ με το δίκτυο. Το αν ζχει αξία να χρθςιμοποιθκοφν δφο γεννιτριεσ ι ζνασ μεγαλφτεροσ αρικμόσ πόλων για χαμθλζσ ταχφτθτεσ, εξαρτάται από τθ μορφι των ανζμων ςτθ ςυγκεκριμζνθ περιοχι και το επιπλζον κόςτοσ τθσ γεννιτριασ μεταβλθτϊν πόλων ςε ςφγκριςθ με το όφελοσ από τθν παραγόμενθ ενζργεια και τθν αφξθςθ ςτθν αεροδυναμικι απόδοςθ. Ακόμα ζνα πλεονζκτθμα είναι ότι το επίπεδο του κορφβου από τα πτερφγια μειϊνεται ςτισ χαμθλότερεσ ταχφτθτεσ του ρότορα. Θ εφαρμογι αυτοφ του τφπου ανεμογεννιτριασ είναι γνωςτι διεκνϊσ ωσ θ Δανζηικθ εκδοχι (Danish concept) )Ανεμογεννιτριεσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ Μια μθχανι μεταβλθτισ ταχφτθτασ, χρθςιμοποιεί διατάξεισ θλεκτρονικϊν ιςχφοσ προκειμζνου να μεταβάλει τθ ταχφτθτά τθσ ανάλογα με τισ αεροδυναμικζσ ςυνκικεσ ενϊ ςυνδζει τθ γεννιτρια ςτθ ςτακερι ςυχνότθτα του δικτφου. Το κφριο πλεονζκτθμα από αυτό, είναι ότι ανάλογα προσ τθν ταχφτθτα του ανζμου προςαρμόηεται και θ ταχφτθτα περιςτροφισ τθσ ανεμογεννιτριασ ζτςι ϊςτε να μεγιςτοποιείται θ παραγόμενθ ιςχφσ. Επίςθσ, ριπζσ ανζμου μποροφν να επιτραποφν και ζτςι να ςτρζψουν το ρότορα γρθγορότερα ϊςτε θ περίςςια ενζργειασ να αποκθκεφεται ςτθ μθχανι ςαν επιπλζον κινθτικι ενζργεια μζχρι να επανζλκει ςε κανονικι κατάςταςθ. 81

82 Ρροφανϊσ, για να γίνουν όλα αυτά απαιτείται ζνασ ζξυπνοσ ςχεδιαςμόσ ςτθν εκάςτοτε ςτρατθγικι ελζγχου, μιασ και κα πρζπει να μπορεί να ξεχωρίςει τισ ριπζσ ανζμου από τισ ςτακερζσ μεγαλφτερεσ τιμζσ ταχφτθτασ του ανζμου. Ζνα ακόμα πλεονζκτθμα είναι ότι οι ςυςκευζσ των θλεκτρονικϊν ιςχφοσ μποροφν να ελζγξουν τθν άεργο ιςχφ προκειμζνου να βελτιϊςουν τθν ποιότθτα τθσ ενζργειασ ςτο θλεκτρικό δίκτυο. Αυτό μπορεί να είναι πολφ χριςιμο, ιδίωσ αν θ ανεμογεννιτρια είναι ςυνδεδεμζνθ ςε ζνα αδφναμο δίκτυο. Θ μεταβλθτι ταχφτθτα δίνει και ζνα ςαφζσ πλεονζκτθμα ςε ςχζςθ με τθν ετιςια παραγωγι, μιασ και είναι δυνατόν να λειτουργεί θ μθχανι ςτθ βζλτιςτθ ταχφτθτα περιςτροφισ ςε ςχζςθ με τον άνεμο. Από οικονομικισ άποψθσ αυτό το πλεονζκτθμα είναι πιο ςθμαντικό κακόςον ςυν τω χρόνω οι διατάξεισ των θλεκτρονικϊν ιςχφοσ κοςτίηουν όλο και λιγότερα χριματα. Ζνασ επίςθσ ςθμαντικόσ λόγοσ για να λειτουργεί μια μθχανι εν μζρει τουλάχιςτον με μεταβλθτι ταχφτθτα είναι όταν αυτό γίνεται ςε ςυνδυαςμό με τθ λειτουργία του ελζγχου γωνίασ βιματοσ ςε επαγωγικζσ γεννιτριεσ. Είναι γνωςτό ότι ο ζλεγχοσ γωνίασ βιματοσ είναι μια μθχανικι διαδικαςία. Αυτό ςθμαίνει ότι ο χρόνοσ αντίδραςθσ του μθχανιςμοφ του ζλεγχου γωνίασ βιματοσ ζχει κάποια όρια και γενικά είναι μεγάλοσ. Ωςτόςο, αν χρθςιμοποιθκεί μια γεννιτρια με μεταβλθτι ταχφτθτα, θ ολίςκθςθ κα είναι παράμετροσ του ελζγχου. Πταν υπάρξουν ριπζσ ανζμου, ο μθχανιςμόσ ελζγχου δίνει ςιμα να αυξθκεί θ ολίςκθςθ τθσ γεννιτριασ, προκειμζνου να επιτρζψει ςτο ρότορα να κινθκεί λίγο πιο γριγορα ενϊ ο μθχανιςμόσ του ελζγχου γωνίασ βιματοσ αρχίηει να ανταπεξζρχεται ςτθν κατάςταςθ ςτρζφοντασ τα πτερφγια περιςςότερο εκτόσ τθσ πορείασ του ανζμου. Μόλισ ο μθχανιςμόσ του ελζγχου γωνίασ βιματοσ ζχει κάνει τθ δουλειά του, θ ολίςκθςθ μειϊνεται και πάλι. Σε περίπτωςθ που θ ταχφτθτα του ανζμου μειωκεί ξαφνικά, θ διαδικαςία που προαναφζρκθκε γίνεται αντίςτροφα. Οπότε, το μθχανικό ςφςτθμα του ελζγχου γωνίασ βιματοσ ςυμβάλλει πιο ενεργά ςτθ ρφκμιςθ τθσ ταχφτθτασ τθσ μθχανισ και το θλεκτρικό ςφςτθμα ελζγχει τθ ροπι. 82

83 Το να λειτουργεί μια γεννιτρια ςε υψθλζσ τιμζσ ολίςκθςθσ παράλλθλα ςθμαίνει μεγαλφτερεσ απϊλειεσ (μεγαλφτερα ποςά κερμότθτασ) και κατ επζκταςθ μικρότερθ απόδοςθ. Αυτό δεν αποτελεί πρόβλθμα από μόνο του, μιασ και θ μόνθ εναλλακτικι λφςθ είναι να ςπαταλθκεί θ περίςςια ενζργεια ςτρζφοντασ τα πτερφγια τθσ μθχανισ εκτόσ τθσ πορείασ του αζρα. Ζνα από τα μεγάλα οφζλθ αυτισ τθσ ςτρατθγικισ ελζγχου που αναφζραμε νωρίτερα είναι θ καλφτερθ ποιότθτα παραγόμενθσ ενζργειασ. Οι διακυμάνςεισ ςτθν παραγόμενθ ενζργεια μειϊνονται μζςω τθσ μεταβολισ τθσ ολίςκθςθσ τθσ γεννιτριασ και με το να αποκθκεφεται θ να ελευκερϊνεται μζροσ τθσ ενζργειασ ςαν κινθτικι ενζργεια πάνω ςτο ρότορα τθσ ανεμογεννιτριασ. Θ ολίςκθςθ ςε μια επαγωγικι μθχανι είναι ςυνικωσ πολφ μικρι για λόγουσ καλφτερθσ απόδοςθσ, οπότε θ περιςτροφικι ταχφτθτα ποικίλει 1-3% μεταξφ τθσ λειτουργίασ εν κενό αλλά και υπό πλιρεσ φορτίο. Θ ολίςκθςθ ωςτόςο, εξαρτάται από τθν αντίςταςθ ςτα τυλίγματα του ρότορα τθσ γεννιτριασ. Πςο μεγαλφτερθ θ αντίςταςθ, τόςο μεγαλφτερθ και θ ολίςκθςθ. Στισ επαγωγικζσ γεννιτριεσ ζνασ τρόποσ να μεταβλθκεί θ ολίςκθςθ και κατ επζκταςθ θ ταχφτθτα είναι να μεταβλθκεί θ αντίςταςθ ςτο δρομζα, όπωσ φαίνεται και ςτο παρακάτω ςχιμα. 83

84 Με αυτό τον τρόπο, θ ολίςκθςθ τθσ γεννιτριασ μπορεί να αυξθκεί περίπου κατά 10%. Θ λφςθ αυτι δίνει πολφ περιοριςμζνο εφροσ ταχυτιτων. Συνικωσ γίνεται με τθ χριςθ μθχανισ δακτυλιοφόρου δρομζα, δθλαδι μζςω ενόσ δρομζα με χάλκινα τυλίγματα, τα οποία ςυνδζονται ςε αςτζρα και ςυνδζονται με εξωτερικι μεταβλθτι αντίςταςθ, θ οποία ελζγχεται από ζναν πρόςκετο θλεκτρονικό ςφςτθμα ελζγχου για τισ αντιςτάςεισ. Θ ςφνδεςθ ςυνικωσ γίνεται με ψικτρεσ και δακτυλίουσ ολίςκθςθσ, που αποτελεί ζνα ςαφζσ μειονζκτθμα. Τα ςτοιχεία τισ ςφνδεςθσ είναι βαςικό ότι είναι ςτοιχεία που φκείρονται εφκολα, πράγμα που ςθμαίνει ότι απαιτείται περιςςότερθ ςυντιρθςθ για τθ γεννιτρια. Ζνασ άλλοσ τρόποσ για να λειτουργεί μια επαγωγικι γεννιτρια ςαν μθχανι μεταβλθτισ ταχφτθτασ είναι με τθ τεχνικι που φαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα. Αυτι θ τοπολογία γνωςτι ωσ επαγωγικι γεννιτρια διπλισ τροφοδοςίασ χρθςιμοποιεί μθχανι με δακτυλιοφόρο δρομζα, (ψικτρεσ και δακτυλίουσ ολίςκθςθσ), όπου τα τυλίγματα του δρομζα είναι ςυνδεδεμζνα ςε ζναν ac/dc/ac μετατροπζα ιςχφοσ με μεταβλθτι ςυχνότθτα. Θ κυκλικι ταχφτθτα είναι ανάλογθ τθσ διαφοράσ τθσ ςυχνότθτασ του ςτάτθ (δίκτυο) και τθσ ςυχνότθτασ του δρομζα (μετατροπζασ). Το εφροσ τθσ ταχφτθτασ για μια μθχανι με τθν τεχνικι αυτι είναι ανάλογθ με το μζγεκοσ του μετατροπζα. Ζνα ςφνθκεσ μζγεκοσ μετατροπζα είναι ςτο 30% τθσ ονομαςτικισ ιςχφοσ τθσ γεννιτριασ που ςυνεπάγεται εφροσ τθσ ταχφτθτασ ςτο ± 30%. 84

85 Μια άλλθ τοπολογία ςτθν τεχνικι τθσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ κζλει τθ γεννιτρια ςυνδεδεμζνθ με το δίκτυο μζςω ενόσ ανορκωτι ςε ςειρά με ζναν αντιςτροφζα, όπωσ φαίνεται ςτο ακόλουκο ςχιμα. Τότε θ κυκλικι ταχφτθτα τθσ μθχανισ μπορεί να ελεγχκεί ανεξάρτθτα τθσ ςυχνότθτασ του δικτφου. Ζνα πλεονζκτθμα αυτισ τθσ ςυνδεςμολογίασ, που λζγεται ςυνδεςμολογία με dc-διαςφνδεςθ, είναι ότι οι θλεκτρονικοί μετατροπείσ μποροφν να ελζγξουν τθν άεργο ιςχφ και να χρθςιμοποιιςουν ενεργζσ τεχνικζσ φιλτραρίςματοσ για να βελτιϊςουν τθν ποιότθτα τθσ ενζργειασ ςτο θλεκτρικό δίκτυο. Το εφροσ των ταχυτιτων είναι από 0-100% τθσ ονομαςτικισ ταχφτθτασ, μιασ και ο μετατροπζασ μπορεί να χειριςτεί το ςφνολο τθσ ενζργειασ. Σ αυτιν τθν περίπτωςθ εκτόσ τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςφγχρονθ γεννιτρια. Θ ςυνικθσ επιλογι τότε είναι ςφγχρονθ μθχανι με μόνιμουσ μαγνιτεσ. Θ λφςθ αυτι πολλζσ φορζσ ςυνοδεφεται και από ςχεδίαςθ μθχανισ πολλϊν ηευγϊν πόλων (π.χ. εκατό) ζτςι ϊςτε να μθ χρειάηεται κιβϊτιο ταχυτιτων. 85

86 2.12) Αρχζσ λειτουργίασ και ελζγχου των ανεμογεννθτριϊν μεταβλθτισ ταχφτθτασ ) Ανεμογεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ Στα πρϊτα ςτάδια ανάπτυξθσ των ανεμογεννθτριϊν ςτθν παραγωγι θλεκτρικισ ενζργειασ χρθςιμοποιικθκαν ανεμογεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ. Μολονότι θ μζγιςτθ μθχανικι ιςχφσ που μποροφμε να δεςμεφςουμε ςε κάκε ταχφτθτα του ανζμου υπαγορεφει προςαρμογι τθσ ταχφτθτασ περιςτροφισ ςε κάποια βζλτιςτθ τιμι, ςτισ ανεμογεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ θ ταχφτθτα του δρομζα δεν προςαρμόηεται ςφμφωνα με τθν ταχφτθτα του ανζμου, αλλά κακορίηεται από τθν ςυχνότθτα του δικτφου, τθν αναλογία του κιβωτίου ταχυτιτων και το ςχεδιαςμό τθσ γεννιτριασ (αρικμόσ πόλων, τφπο μθχανισ κλπ.). Αντιπροςωπευτικότεροσ τφποσ ανεμογεννιτριασ ςτακερισ ταχφτθτασ είναι αυτόσ που χρθςιμοποιεί επαγωγικι γεννιτρια απευκείασ ςυνδεδεμζνθ ςτο δίκτυο, μζςω ενόσ θλεκτρονικά ελεγχόμενου προοδευτικοφ εκκινθτι (soft starter) και ςυςτοιχίασ πυκνωτϊν για τθν αντιςτάκμιςθ τθσ αζργου ιςχφοσ. Γενικότερα αυτοφ του είδουσ οι ανεμογεννιτριεσ είναι ζτςι ςχεδιαςμζνεσ οφτωσ ϊςτε να επιτυγχάνεται μζγιςτθ απόδοςθ ςε κάποια ςυγκεκριμζνθ ταχφτθτα του ανζμου. Θ ονομαςτικι ιςχφσ επιτυγχάνεται ςε επίπεδα ταχφτθτασ από 12 ζωσ 15 m/s. Θ ταχφτθτα του ανζμου ςτθν οποία επιτυγχάνεται θ ονομαςτικι ιςχφσ, ονομάηεται ονομαςτικι ταχφτθτα του ανζμου. Σε τιμζσ ταχφτθτασ μικρότερεσ των 3 m/s περίπου, θ αιολικι ενζργεια που είναι διακζςιμθ είναι αρκετά περιοριςμζνθ και οι ανεμογεννιτριεσ ςταματοφν τθ λειτουργία τουσ. Σε τιμζσ του ανζμου μεγαλφτερεσ από τθν ονομαςτικι, θ ανεμογεννιτρια κα πρζπει να περιορίςει τθν ειςερχόμενθ ενζργεια ςτο επίπεδο τθσ ονομαςτικισ. Αυτό μπορεί να γίνει με μεταβολι τθσ κζςθσ των πτερυγίων. 86

87 Δφο είναι οι κφριεσ μζκοδοι για να γίνει αυτό. Είτε τα πτερφγια είναι ςχεδιαςμζνα με τρόπο ϊςτε ςτισ μεγάλεσ ταχφτθτεσ να αλλάηει θ ροι του αζρα πάνω τουσ δθμιουργϊντασ τυρβϊδθ ροι με αποτζλεςμα να μειϊνουν τθν απόδοςθ τουσ λόγω απϊλειασ ςτιριξθσ. Είτε τα πτερφγια ςτρζφονται εκτόσ τθσ φοράσ του ανζμου, οπότε ζχουμε ζλεγχο γωνίασ βιματοσ. Για να επιτευχκεί μια μερικι προςαρμογι ςτθ βζλτιςτθ ταχφτθτα περιςτροφισ και μεγαλφτερθ παραγωγι ενζργειασ, οι γεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ καταςκευάηονται ςιμερα με διπλά τυλίγματα ςτάτθ. Το ζνα χρθςιμοποιείται ςε μικρζσ ταχφτθτεσ ανζμου (ζχει ςυνικωσ 8 πόλουσ) και το άλλο ςε μζςεσ και υψθλζσ ταχφτθτεσ ανζμου (ζχει ςυνικωσ 4-6 πόλουσ). Θ χριςθ των ανεμογεννθτριϊν ςτακερισ ταχφτθτασ εμφανίηει κάποια πλεονεκτιματα και κάποια μειονεκτιματα. Τα πλεονεκτιματα είναι ότι θ καταςκευι τουσ είναι ςχετικά απλι, ζχουν χαμθλό κόςτοσ, είναι ςκεναρζσ μθχανζσ και αρκετά αξιόπιςτεσ. Στα μειονεκτιματα κατατάςςονται τόςο το γεγονόσ πωσ δεν μπορεί να γίνει ζλεγχοσ για τθ βελτίωςθ τθσ ποιότθτασ τθσ παραγόμενθσ ενζργειασ ι τθν κατανάλωςθ αζργου ιςχφοσ, ενϊ εμφανίηονται μεγάλεσ μθχανικζσ καταπονιςεισ ςτισ απότομεσ αλλαγζσ του ανζμου. Πλεσ οι αναταράξεισ του αζρα μεταφζρονται ςαν διαταραχζσ ςτθ μθχανικι ροπι και εν τζλει μεταφζρονται ςαν διαταραχζσ ςτο θλεκτρικό δίκτυο. Το γεγονόσ αυτό μπορεί να δθμιουργιςει ςθμαντικά προβλιματα ςτθ περίπτωςθ που ζχουμε ζνα αςκενζσ δίκτυο, αφοφ οι διαταραχζσ ςτθν ενζργεια μπορεί να οδθγιςουν ςε μεγάλεσ διαταραχζσ ςτθ τάςθ, με αποτζλεςμα αυξθμζνεσ απϊλειεσ ςτισ γραμμζσ. 87

88 2.12.2) Ανεμογεννιτριεσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ Τα τελευταία χρόνια θ τεχνολογία των ανεμογεννθτριϊν μεταβλθτισ ταχφτθτασ, είναι θ κυρίαρχθ ςτο χϊρο τθσ παραγωγισ αιολικισ ενζργειασ. Ππωσ είναι προφανζσ και από τθν ονομαςία τουσ, οι μθχανζσ αυτοφ του τφπου μποροφν να λειτουργιςουν ςε ζνα μεγάλο εφροσ διαφορετικϊν τιμϊν ταχφτθτασ του ανζμου οφτωσ ϊςτε να ζχουμε τθ μζγιςτθ αεροδυναμικι απόδοςθ. Με βάςθ τον τρόπο λειτουργίασ των μθχανϊν μεταβλθτισ ταχφτθτασ, ζχει γίνει δυνατι θ προςαρμογι τθσ περιςτροφικισ ταχφτθτασ ω r του δρομζα τθσ μθχανισ ανάλογα προσ τθν ταχφτθτα v του αζρα. Ζτςι ο λόγοσ ταχφτθτασ των ακροπτερυγίων λ μπορεί να διατθρθκεί ςτακερόσ ςε μια προκακοριςμζνθ τιμι, τθ βζλτιςτθ λ opt, θ οποία αντιςτοιχεί ςτο μζγιςτο ςυντελεςτι αεροδυναμικισ απόδοςθσ C pmax. Ππωσ ζχει αναλυκεί, θ μζγιςτθ παραγόμενθ ιςχφσ του ανζμου τελικά εξαρτάται από τθν ταχφτθτα του ανζμου. Αυτό μπορεί να απεικονιςκεί ςε ζνα διάγραμμα χαρακτθριςτικό για κάκε ανεμογεννιτρια. Θ καμπφλθ αυτι ονομάηεται χαρακτθριςτικι καμπφλθ θλεκτρικισ ιςχφοσ-ταχφτθτασ ανζμου και εικονίηεται ςτο παρακάτω ςχιμα: 88

89 Στο διάγραμμα αυτό διακρίνουμε τθν ονομαςτικι ιςχφ τθσ γεννιτριασ P n που αντιςτοιχεί ςτθν ονομαςτικι ταχφτθτα αζρα v n. Διακρίνουμε επίςθσ τθν ταχφτθτα αποςφηευξθσ v cut-off, θ οποία είναι θ ταχφτθτα του ανζμου για τθν οποία διακόπτεται θ λειτουργία του αιολικοφ ςυςτιματοσ. Στθν περιοχι μετά το v n και μζχρι τθν v cut-off θ ανεμογεννιτρια δουλεφει με ςτακερι ταχφτθτα, όςθ θ ονομαςτικι (ρυκμίηεται με ζλεγχο γωνίασ βιματοσ) ϊςτε θ μθχανι να μθ ξεπερνά τισ ονομαςτικζσ τιμζσ λειτουργίασ τθσ. Στθν περιοχι αυτι ζχουμε προφανϊσ απόρριψθ ςθμαντικισ ιςχφοσ αλλά προζχει θ αςφαλισ λειτουργία ςτο μζγιςτο επιτρεπτό. Διακρίνουμε τθν ταχφτθτα ζναρξθσ v cut-in, θ οποία είναι θ ελάχιςτθ ταχφτθτα ανζμου για τθν οποία θ γεννιτρια αποδίδει ωφζλιμθ ιςχφ. Σε μικρότερεσ ταχφτθτεσ οι μθχανικζσ απϊλειεσ είναι απαγορευτικζσ για τθν απόδοςθ ωφζλιμθσ ιςχφοσ. Στθν περιοχι πριν από το v cut-in οι ανεμογεννιτριεσ χρθςιμοποιοφν μθχανικι πζδθςθ ϊςτε να μθν υπάρχει άςκοπθ λειτουργία και μθχανικζσ φκορζσ. Θ περιοχι μεταξφ v cut-in και v n είναι κφριου ενδιαφζροντοσ για τθ λειτουργία μεταβλθτϊν ςτροφϊν, αφοφ εκεί επενεργεί ο κατάλλθλοσ ζλεγχοσ για τθν προςαρμογι τθσ ταχφτθτασ περιςτροφισ τθσ ανεμογεννιτριασ ζτςι ϊςτε να ζχουμε τθν μζγιςτθ απομάςτευςθ ιςχφοσ. Ππωσ και ςτισ γεννιτριεσ ςτακερισ ταχφτθτασ ζτςι και ςτισ γεννιτριεσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ ζχουμε κάποια πλεονεκτιματα και κάποια μειονεκτιματα. Τα πλεονεκτιματα είναι αςφαλϊσ θ αυξθμζνθ απομάςτευςθ ιςχφοσ, θ βελτιωμζνθ ποιότθτα ενζργειασ, θ δυνατότθτα ρφκμιςθσ τθσ αζργου ιςχφοσ και οι μειωμζνεσ μθχανικζσ καταπονιςεισ ςτον ανεμοκινθτιρα. Τα μειονεκτιματα είναι οι απϊλειεσ ςτα θλεκτρονικά ιςχφοσ, θ χριςθ περιςςότερων ςτοιχείων και τζλοσ το μεγαλφτερο κόςτοσ του εξοπλιςμοφ εξαιτίασ των θλεκτρονικϊν ιςχφοσ και του ελζγχου. Επιπλζον θ εφαρμογι τθσ τεχνολογίασ μεταβλθτισ ταχφτθτασ ζχει δϊςει τθ δυνατότθτα χριςθσ διαφόρων τφπων γεννθτριϊν με αποτζλεςμα να ζχουμε μια μεγαλφτερθ ελευκερία ςτα δυνατά ςχιματα γεννθτριϊν, μετατροπζων ιςχφοσ και του ελζγχου τουσ. 89

90 2.13) Μθχανικόσ ζλεγχοσ ιςχφοσ ςτον ανεμοκινθτιρα Πλεσ οι ανεμογεννιτριεσ, ακόμα και οι ςτακερισ ταχφτθτασ, ςχεδιάηονται να ζχουν κάποιου είδουσ ζλεγχο ιςχφοσ. Ο πιο πρϊιμοσ ζλεγχοσ ιςχφοσ είναι ο μθχανικόσ ζλεγχοσ που εφαρμόηεται ςτα πτερφγια του ανεμοκινθτιρα. Διάφοροι μθχανικοί τρόποι ζχουν εφαρμοςτεί που περιορίηουν τισ αεροδυναμικζσ δυνάμεισ ςτο δρομζα, ςτισ υψθλζσ τιμζσ ταχφτθτασ ζτςι ϊςτε να μθν υπάρξουν ηθμιζσ ςτθν ανεμογεννιτρια. Ο πιο απλόσ, εφρωςτοσ και φκθνόσ τρόποσ ελζγχου είναι ο ζλεγχοσ απϊλειασ ςτιριξθσ (πακθτικόσ ζλεγχοσ), όπου τα πτερφγια είναι τοποκετθμζνα ςτον άξονα τθσ ανεμογεννιτριασ ςε ςτακερι γωνία. Ο αεροδυναμικόσ ςχεδιαςμόσ τθσ ανεμογεννιτριασ προκαλεί τθν απϊλεια ςτιριξθσ ςτο ρότορα (απϊλεια ιςχφοσ) όταν θ ταχφτθτα του ανζμου υπερβεί κάποιο ςυγκεκριμζνο επίπεδο. Αποτζλεςμα του γεγονότοσ αυτοφ, είναι ο περιοριςμόσ τθσ αεροδυναμικισ ιςχφοσ ςτα πτερφγια. Τζτοια αργι ρφκμιςθ τθσ αεροδυναμικισ ιςχφοσ προκαλεί μικρότερεσ διαταραχζσ ςτθν ιςχφ, από μια γριγορθ μεταβολι ςτθν γωνία των πτερυγίων. Μερικά από τα μειονεκτιματα αυτισ τθσ μεκόδου είναι ότι εμφανίηει μικρι απόδοςθ ςε χαμθλζσ ταχφτθτεσ, δεν βοικα ςτθν εκκίνθςθ και ςε πικανζσ μεταβολζσ ςτθ μζγιςτθ ιςχφ ςτθν μόνιμθ κατάςταςθ, εξαιτίασ των μεταβολϊν ςτθν πυκνότθτα του αζρα και ςε οριςμζνεσ περιπτϊςεισ, τθσ ςυχνότθτασ του δικτφου. Ζνασ άλλοσ δθμοφιλισ τρόποσ ελζγχου είναι ο ζλεγχοσ γωνίασ βιματοσ πτερυγίων (ενεργόσ ζλεγχοσ), ςτον οποίο τα πτερφγια μποροφν να ςτραφοφν είτε ενάντια, είτε προσ τθν διεφκυνςθ του αζρα αναλόγα με το αν θ παραγόμενθ ενζργεια είναι πολφ μεγάλθ θ πολφ μικρι, αντίςτοιχα. Τα πλεονεκτιματα αυτοφ του τρόπου ελζγχου είναι ότι προςφζρει καλό ζλεγχο τθσ ιςχφοσ, βοικεια κατά τθν εκκίνθςθ και ςχεδόν άμεςθ διακοπι λειτουργίασ αν υπάρξει ανάγκθ. Από θλεκτρικι άποψθ, καλόσ ζλεγχοσ τθσ ιςχφοσ ςθμαίνει ότι ςε υψθλζσ ταχφτθτεσ θ πραγματικι παραγόμενθ ιςχφσ είναι θ βζλτιςτθ και βρίςκεται πλθςιζςτερα ςτθν ονομαςτικι τιμι τθσ γεννιτριασ. Μερικά από τα μειονεκτιματα είναι θ πολυπλοκότθτα που ειςάγει ο μθχανιςμόσ των ςτρεφόμενων πτερυγίων και οι επιπλζον αναταράξεισ που υπάρχουν ςε μεγάλεσ τιμζσ ταχφτθτασ του αζρα. Θ ςτιγμιαία ιςχφσ, εξαιτίασ των ριπϊν του ανζμου και τθσ περιοριςμζνθσ ταχφτθτασ περιςτροφισ των πτερυγίων, κυμαίνεται γφρω από τθ μζςθ τιμι τθσ. 90

91 Ο τρίτοσ πικανόσ τρόποσ μθχανικοφ ελζγχου είναι ο ενεργόσ ζλεγχοσ απϊλειασ ςτιριξθσ. Ππωσ παραπζμπει και θ ονομαςία θ απϊλεια ςτιριξθσ των πτερυγίων ελζγχεται ενεργά με περιςτροφι των πτερυγίων. Σε χαμθλζσ ταχφτθτεσ τα πτερφγια ςτρζφονται με τον ίδιο τρόπο όπωσ και ςτισ ανεμογεννιτριεσ με ζλεγχο γωνίασ βιματοσ, προκειμζνου να επιτευχκεί μζγιςτθ απόδοςθ. Σε μεγάλεσ ταχφτθτεσ ανζμου, τα πτερφγια πθγαίνουν ςε μεγαλφτερθ απϊλεια ςτιριξθσ ςτρεφόμενα ελάχιςτα ςε αντίκετθ φορά από αυτι που κα ςτρζφονταν αν είχαν ζλεγχο γωνίασ βιματοσ. Οι ανεμογεννιτριεσ με ενεργό ζλεγχο απϊλειασ ςτιριξθσ επιτυγχάνουν πιο ομαλό περιοριςμό τθσ ενζργειασ, χωρίσ μεγάλεσ διαταραχζσ ςτθν ιςχφ απ ότι ςτθν περίπτωςθ του ελζγχου βιματοσ πτερυγίων. Αυτόσ ο τφποσ ελζγχου ζχει το πλεονζκτθμα να διαχειρίηεται αυξομειϊςεισ ςτθν πυκνότθτα του αζρα. Ο ςυνδυαςμόσ με τον μθχανιςμό γωνίασ βιματοσ κάνει πιο εφκολθ τθ διαχείριςθ καταςτάςεων που χρειάηεται άμεςθ διακοπι λειτουργίασ τθσ ανεμογεννιτριασ και επιπλζον βοθκά κατά τθν εκκίνθςθ. Τα παλιότερα χρόνια ο ςυνδυαςμόσ ανεμογεννθτριϊν ςτακερισ ταχφτθτασ με πακθτικό ζλεγχο απϊλειασ ςτιριξθσ ιταν θ κυρίαρχθ εφαρμογι ςτθν αγορά αιολικισ ενζργειασ. Ο λόγοσ που ςυνζβαινε αυτό, ιταν θ ςαφϊσ φκθνότερθ λφςθ ελζγχου τθσ ταχφτθτασ, ζςτω και περιοριςμζνα ςτισ υψθλζσ ταχφτθτεσ, με χριςθ πτερυγίων που δεν απαιτοφν μθχανιςμό περιςτροφισ. Επιπλζον, τα θλεκτρονικά ιςχφοσ ιταν εξαιρετικά ακριβά με αποτζλεςμα να προτιμοφνται επαγωγικζσ γεννιτριεσ που ςυνδζονταν ςτο δίκτυο χωρίσ τθ χριςθ των ςυςκευϊν αυτϊν. Ωςτόςο, για μεγάλεσ ανεμογεννιτριεσ επιπζδου MW ο πακθτικόσ ζλεγχοσ απϊλειασ ςτιριξθσ αποδείχτθκε ότι δεν ιταν τόςο λειτουργικόσ. Ζνασ πολφ ςθμαντικόσ λόγοσ είναι θ ανάγκθ για επιπλζον μθχανικι πζδθςθ τθσ ανεμογεννιτριασ. Αν τα πτερφγια δεν μποροφν να ςτραφοφν, τότε θ ανεμογεννιτρια κα πρζπει να ζχει μια πάρα πολφ ιςχυρι πζδθςθ. Ενϊ αν χρθςιμοποιοφνται πτερφγια που ζχουν τθ δυνατότθτα περιςτροφισ τότε θ μεγάλθ αυτι πζδθςθ δεν είναι απαραίτθτθ. Από τθν άλλθ αν χρθςιμοποιείται ζλεγχοσ γωνίασ βιματοσ, είναι αρκετι θ χριςθ απλά ενόσ μικροφ μθχανιςμοφ πζδθςθσ. 91

92 2.14) Ηλεκτρονικά εφαρμοηόμενοσ ζλεγχοσ ιςχφοσ ςτισ ανεμογεννιτριεσ Οι ανεμογεννιτριεσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ απαιτοφν ζνα ςφςτθμα θλεκτρονικϊν ιςχφοσ το οποίο είναι ικανό να προςαρμόηει τθν ιςχφ τθσ γεννιτριασ και να βελτιϊνει τθν ποιότθτα τθσ εγχυόμενθσ ενζργειασ ςτο δίκτυο. Ρριν παρουςιαςτοφν οι διατάξεισ θλεκτρονικϊν ιςχφοσ που χρθςιμοποιοφνται ςιμερα, είναι ςκόπιμο να αναλυκεί γιατί είναι απαραίτθτθ θ χριςθ των θλεκτρονικϊν ιςχφοσ ςτισ ανεμογεννιτριεσ. Τα θλεκτρονικά ιςχφοσ ζχουν δφο μεγάλα πλεονεκτιματα για τθν χριςθ τουσ ςτισ ανεμογεννιτριεσ: Ρρϊτον, κάνουν δυνατό τον ακριβι και ςυνεχι ζλεγχο τθσ ταχφτθτασ περιςτροφισ, γεγονόσ που ζχει ςαν αποτζλεςμα τα εξισ: Βζλτιςτθ ενεργειακά λειτουργία με ρφκμιςθ τθσ πραγματικισ ιςχφοσ. Μειωμζνα φορτία ςτο κιβϊτιο ταχυτιτων, κακϊσ οι μεταβολζσ τθσ ταχφτθτασ του αζρα απορροφϊνται μζςω αλλαγϊν ςτθ ταχφτθτα του δρομζα. Ζλεγχο του ςυντελεςτι ιςχφοσ με ρφκμιςθ τθσ αζργου ιςχφοσ. Τθν μθ χρθςιμοποίθςθ ςε οριςμζνεσ περιπτϊςεισ (πολυπολικζσ θλεκτρικζσ μθχανζσ) του κιβωτίου ταχυτιτων, μιασ και ο μετατροπζασ λειτουργεί ςαν ζνα θλεκτρικό κιβϊτιο ταχυτιτων. Χαμθλά επίπεδα κορφβου ςτισ χαμθλζσ ταχφτθτεσ. 92

93 Το δεφτερο μεγάλο πλεονζκτθμα είναι ότι τα θλεκτρονικά ιςχφοσ παρζχουν τθ δυνατότθτα ςτα αιολικά ςυςτιματα και πάρκα να αποτελζςουν ενεργό ςτοιχείο του ςυςτιματοσ θλεκτρικισ ενζργειασ. Από τθν πλευρά του δικτφου, αυτό το χαρακτθριςτικό ζχει αρκετά πλεονεκτιματα που, εκτόσ από το ότι θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ του αιολικοφ πάρκου είναι ελζγξιμθ και ο μετατροπζασ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςαν τοπικι πθγι αζργου ιςχφοσ, επιπλζον: Το αιολικό πάρκο μπορεί να ζχει κετικι ςυνειςφορά ςτθν ευςτάκεια του δικτφου, (ευςτάκεια τάςθσ ι/και ςυχνότθτασ). Οι μετατροπείσ βελτιϊνουν τθν ποιότθτα τθσ παραγόμενθσ ενζργειασ του αιολικοφ πάρκου, μιασ και λειτουργοφν ςαν φίλτρα για τισ χαμθλζσ αρμονικζσ. Τα μειονεκτιματα από τθν χριςθ των θλεκτρονικϊν ιςχφοσ είναι οι απϊλειεσ ενζργειασ ς αυτά και το αυξθμζνο κόςτοσ για τον επιπλζον εξοπλιςμό, κόςτοσ το οποίο βαίνει διαρκϊσ μειοφμενο. Ένα άλλο μειονζκτθμα που υπάρχει για το δίκτυο από τθν χριςθ των θλεκτρονικϊν ιςχφοσ είναι ότι παράγουν υψθλζσ αρμονικζσ του ρεφματοσ ςτο δίκτυο. 93

94 Τα θλεκτρονικά ιςχφοσ περιλαμβάνουν ςυςκευζσ όπωσ οι θλεκτρονικά ελεγχόμενοι εκκινθτζσ (και οι ςυςτοιχίεσ πυκνωτϊν), ανορκωτζσ, αντιςτροφείσ και μετατροπείσ ςυχνότθτασ. Τα βαςικά ςτοιχεία των μετατροπζων είναι δίοδοι (μθ ελεγχόμενεσ βαλβίδεσ) και θλεκτρονικοί διακόπτεσ (ελεγχόμενεσ βαλβίδεσ), όπωσ τα ςυμβατικά κυρίςτορ ι και τρανηίςτορ. Οι δίοδοι επιτρζπουν τθ διζλευςθ του ρεφματοσ μόνο προσ μια κατεφκυνςθ και μπλοκάρουν τθ ροι ρεφματοσ προσ τθν αντίκετθ κατεφκυνςθ. Οι θλεκτρονικοί διακόπτεσ επιτρζπουν τθν επιλογι τθσ ακριβοφσ ςτιγμισ που είναι επικυμθτό θ δίοδοσ να επιτρζψει τθ διζλευςθ του ρεφματοσ. Ένα ςυμβατικό κυρίςτορ μπορεί να διεγερκεί από τθν πφλθ του και να ζρκει ςε αγωγι ενϊ κα μπλοκάρει μόνο όταν το ρεφμα περάςει από το μθδζν προσ αρνθτικζσ τιμζσ. Αντίκετα τα ελεγχόμενα τρανηίςτορ μποροφν να ζρκουν ςε αγωγι ι διακοπι όποια ςτιγμι είναι επικυμθτό. Τα ςυμβατικά κυρίςτορ μποροφν να ελζγξουν τθν ενεργό ιςχφ ενϊ τα ελεγχόμενα τρανηίςτορ μποροφν να ελζγξουν και τθν ενεργό και τθν άεργο ιςχφ. Τα ςυςτιματα ανεμογεννθτριϊν μεταβλθτισ ταχφτθτασ μποροφν να χρθςιμοποιιςουν πολλοφσ διαφορετικοφσ τφπουσ μετατροπζων. Για τθν περίπτωςθ μετατροπζων με κυρίςτορσ, αυτοί μπορεί και να είναι με φυςικι μετάβαςθ ι εξαναγκαςμζνθ μετάβαςθ (grid- commutated ι self-commutated) μετατροπείσ. Ο ςυνικθσ τφποσ μετατροπζα φυςικισ μετάβαςθσ είναι μια φκθνι και αξιόπιςτθ ςυςκευι, που όμωσ καταναλϊνει ενεργό ιςχφ και παράγει αρμονικζσ ρεφματοσ, οι οποίεσ είναι δφςκολο να φιλτραριςτοφν. Οι τυπικοί μετατροπείσ εξαναγκαςμζνθσ μετάβαςθσ αποτελοφνται είτε από GTO κυρίςτορ ι από τρανηίςτορ. Οι μετατροπείσ αυτοί είναι ενδιαφζροντεσ επειδι ζχουν υψθλι διακοπτικι ςυχνότθτα. Οι αρμονικζσ μποροφν να φιλτραριςτοφν πιο εφκολα, οπότε οι διαταραχζσ που προκαλοφν ςτο δίκτυο μποροφν να κρατθκοφν ςε χαμθλό επίπεδο. Σιμερα ο πιο διαδεδομζνοσ τφποσ τρανηίςτορ ιςχφοσ είναι το IGBT. Η διακοπτικι ςυχνότθτα των IGBT κυμαίνεται μεταξφ των 2 και 20 khz, ςε αντίκεςθ με τα GTO κυρίςτορ, των οποίων θ διακοπτικι ςυχνότθτα δεν μπορεί να ξεπεράςει το 1 khz, γεγονόσ που ολοζνα τα απομακρφνει από τισ ςφγχρονεσ επιλογζσ. 94

95 Σιμερα ο κυρίαρχοσ τφποσ μετατροπζα που χρθςιμοποιείται είναι εξαναγκαςμζνθσ μετάβαςθσ με IGBT. Οι μετατροπείσ αυτοί είναι είτε μετατροπείσ πθγισ τάςθσ (Voltage Source Converter - VSC) είτε μετατροπείσ πθγισ ρεφματοσ (Current Source Converter - CSC). Και οι δφο τφποι μποροφν να ελζγξουν και τθν ςυχνότθτα και τθν τάςθ. Οι VSC και CSC μετατροπείσ παρζχουν ςχετικά καλζσ κυματομορφζσ για τθν τάςθ και το ρεφμα, αντίςτοιχα ςτα ςθμεία ςφνδεςθσ με τθ γεννιτρια και το δίκτυο. Στθν περίπτωςθ των VSC, θ τάςθ ςτθν διαςφνδεςθ ςυνεχοφσ ρεφματοσ διατθρείται ςτακερι από ζναν μεγάλο ςχετικά πυκνωτι. Στθν περίπτωςθ του CSC, ςυμβαίνει ακριβϊσ το αντίκετο. Το ρεφμα ςτθ διαςφνδεςθ ςυνεχοφσ ρεφματοσ διατθρείται ςτακερό από ζνα μεγάλο πθνίο. Είναι ςθμαντικό να τονιςτεί ότι τα VSC και CSC ζχουν τελείωσ διαφορετικι λογικι. Ωσ προσ τθν παλμοδότθςθ τουσ τϊρα μποροφν να εφαρμοςτοφν διάφοροι τρόποι, όπωσ εξαπαλμικό, Διαμορφωτισ Ρλάτουσ Ραλμϊν (PAM) ι Διαμορφωτισ Εφρουσ Ραλμϊν (PWM). Χρθςιμοποιϊντασ τθν PWM τεχνικι, οι αρμονικζσ των χαμθλϊν ςυχνοτιτων εξαλείφονται και θ ςυχνότθτα των πρϊτων υψθλισ τάξθσ αρμονικϊν πθγαίνει ςτθ διακοπτικι ςυχνότθτα του αντιςτροφζα ι του ανορκωτι. Στα ςφγχρονα ςυςτιματα ανεμογεννθτριϊν μεταβλθτισ ταχφτθτασ θ κακιερωμζνθ τεχνολογία είναι αυτι των VSC μετατροπζων με IGBT και PWM παλμοδότθςθ ) Ηλεκτρονικζσ ςυςκευζσ ιςχφοσ για τα αιολικά ςυςτιματα Θλεκτρονικά ελεγχόμενοσ εκκινθτισ Συςτοιχία πυκνωτϊν Μετατροπείσ ιςχφοσ ac/dc ανορκωτζσ και αντιςτροφείσ(μετατροπείσ ςυχνότθτασ) 95

96 2.15) Γεννιτριεσ Αυτι τθ ςτιγμι οι περιςςότεροι και μεγαλφτεροι παραγωγοί ανεμογεννθτριϊν ςτο κόςμο καταςκευάηουν μεταβλθτισ ταχφτθτασ ανεμογεννιτριεσ με ζλεγχο γωνίασ βιματοσ πτερυγίων. Ο πιο ςυχνά χρθςιμοποιοφμενοσ τφποσ γεννιτριασ είναι οι επαγωγικζσ γεννιτριεσ, ενϊ ςε πολφ μικρό ποςοςτό που όμωσ τελευταία παρουςιάηει κάποιεσ τάςεισ αφξθςθσ χρθςιμοποιοφνται ςφγχρονεσ γεννιτριεσ με μόνιμο μαγνιτθ. Σιμερα, ςτθ διεκνι αγορά των ανεμογεννθτριϊν κυρίαρχοσ τφποσ ανεμογεννιτριασ (ςε ποςοςτό μεγαλφτερο του 70%) είναι αυτόσ με επαγωγικι μθχανι διπλισ τροφοδοςίασ (DFIG), με μεταβλθτι ταχφτθτα και μεταβλθτό ζλεγχο γωνίασ κλίςθσ των πτερυγίων. Γενικά για ιςχείσ τθσ τάξθσ των MW, μια ανεμογεννιτρια μπορεί να εξοπλιςτεί με οποιαδιποτε τριφαςικι γεννιτρια. Πλοι οι γενικοί τφποι γεννθτριϊν μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν ςε ανεμογεννιτριεσ, δθλαδι: Α)Αςφγχρονεσ (επαγωγικζσ) γεννιτριεσ Επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ (SCIG) Επαγωγικζσ γεννιτριεσ δακτυλιοφόρου δρομζα (WRIG) Β)φγχρονεσ γεννιτριεσ Σφγχρονεσ γεννιτριεσ μόνιμου μαγνιτθ (PMSG) Σφγχρονεσ γεννιτριεσ δακτυλιοφόρου δρομζα (WRSG) 96

97 2.15.1) Η Αςφγχρονθ (επαγωγικι) γεννιτρια και οι ςυνδεςμολογίεσ τθσ Ο τφποσ τθσ γεννιτριασ που κυρίωσ χρθςιμοποιείται ςε ανεμογεννιτριεσ είναι θ επαγωγικι γεννιτρια. Τα πλεονεκτιματα που προςφζρουν αυτζσ οι γεννιτριεσ είναι αρκετά, όπωσ ευρωςτία, απλότθτα ςτο μθχανικό κομμάτι και χαμθλό κόςτοσ, που οφείλεται ςτο μεγάλο αρικμό παραγωγισ τουσ. Το μεγάλο τουσ μειονζκτθμα είναι ότι καταναλϊνουν άεργο ιςχφ. Θ άεργοσ ιςχφσ μπορεί να παρζχεται από το δίκτυο ι από ςυςτοιχίεσ πυκνωτϊν ι από ζνα κατάλλθλο ςφςτθμα θλεκτρονικϊν ιςχφοσ. Θ αςφγχρονθ μθχανι ςαν γεννιτρια διακρίνεται ςε βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ και δακτυλιοφόρου δρομζα. Στθν επαγωγικι γεννιτρια βραχυκυκλωμζνο κλωβοφ το μαγνθτικό πεδίο του δρομζα δθμιουργείται εξ επαγωγισ μόνο όταν ο ςτάτθσ είναι ςυνδεδεμζνοσ με το δίκτυο. Στθν επαγωγικι γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα, ςε περίπτωςθ ac διζγερςθσ, το δθμιουργοφμενο μαγνθτικό πεδίο περιςτρζφεται ςε μια ταχφτθτα θ οποία κακορίηεται από τον αρικμό των πόλων και τθ ςυχνότθτα του ρεφματοσ, δθλαδι τθ ςφγχρονθ ταχφτθτα. Ο δρομζασ μπορεί να περιςτρζφεται με ταχφτθτα μεγαλφτερθ ι μικρότερθ τθσ ςφγχρονθσ ταχφτθτασ. Τότε ζνα θλεκτρικό πεδίο επάγεται μεταξφ του δρομζα και του ςτρεφόμενου πεδίου του ςτάτθ από τθ ςχετικι κίνθςθ (ολίςκθςθ), γεγονόσ που προκαλεί ζνα ρεφμα ςτα τυλίγματα του δρομζα. Θ αλλθλεπίδραςθ μεταξφ του μαγνθτικοφ πεδίου του δρομζα με το πεδίο του ςτάτθ ζχουν ςαν αποτζλεςμα τθν δθμιουργία ροπισ ςτον δρομζα. 97

98 ) Η επαγωγικι γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα ςε εφαρμογζσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ Στθν περίπτωςθ των επαγωγικϊν γεννθτριϊν δακτυλιοφόρου δρομζα, τα θλεκτρικά χαρακτθριςτικά του δρομζα μποροφν να ελεγχκοφν εξωτερικά, από τθν τάςθ του δρομζα. Τα τυλίγματα του δρομζα ςυνδζονται εξωτερικά μζςω δακτυλίων ολίςκθςθσ και ψθκτρϊν. Με τθ χριςθ θλεκτρονικϊν ιςχφοσ, θ ιςχφσ μπορεί να εξαχκεί ι και να ειςαχκεί ςτο κφκλωμα του δρομζα και θ γεννιτρια μπορεί να μαγνθτιςτεί είτε από το κφκλωμα του ςτάτθ είτε από το κφκλωμα του δρομζα. Το μειονζκτθμα τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ δακτυλιοφόρου δρομζα είναι το ςχετικά υψθλότερο κόςτοσ ςε ςχζςθ προσ τθν αντίςτοιχθ βραχυκυκλωμζνου δρομζα. Θ βιομθχανία των ανεμογεννθτριϊν ςυνικωσ χρθςιμοποιεί τουσ εξισ δφο τφπουσ επαγωγικϊν γεννθτριϊν δακτυλιοφόρου δρομζα, τθν επαγωγικι γεννιτρια με θλεκτρονικά μεταβαλλόμενθ αντίςταςθ δρομζα (OSIG) και τθν επαγωγικι γεννιτρια διπλισ τροφοδοςίασ (DFIG) ) Επαγωγικι γεννιτρια με θλεκτρονικά μεταβαλλόμενθ αντίςταςθ δρομζα Θ επαγωγικι γεννιτρια με θλεκτρονικά μεταβαλλόμενθ αντίςταςθ δρομζα ειςιχκθκε ςτθν αγορά προκειμζνου να μειωκεί το φορτίο ςτθν ανεμογεννιτρια εξαιτίασ των ριπϊν ανζμου. Θ διάταξθ που χρθςιμοποιεί επιτρζπει ςτθ γεννιτρια να ζχει μεταβαλλόμενθ (κετικι) ολίςκθςθ και να επιλζγει τθ βζλτιςτθ τιμι για αυτι, ζχοντασ ςαν αποτζλεςμα μικρότερεσ διαταραχζσ ςτθ ροπι και ςτθν εξαγόμενθ ενζργεια. Θ μεταβλθτι ολίςκθςθ είναι πολφ απλι, αξιόπιςτθ και πολφ αποτελεςματικι ςτθ μείωςθ των φορτίων ςε ςχζςθ με άλλεσ πιο πολφπλοκεσ λφςεισ. Θ επαγωγικι γεννιτρια με θλεκτρονικά μεταβαλλόμενθ αντίςταςθ δρομζα είναι μια επαγωγικι γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα με μια μεταβλθτι εξωτερικι αντίςταςθ ςτο δρομζα, προςαρμοςμζνθ ςτα τυλίγματα του. Θ ολίςκθςθ τθσ γεννιτριασ αλλάηει με μεταβολι τθσ ςυνολικισ αντίςταςθσ του δρομζα μζςω μετατροπζα που είναι τοποκετθμζνοσ ςτον άξονα του δρομζα. Ο μετατροπζασ ελζγχεται οπτικά, γεγονόσ που ςθμαίνει ότι δακτφλιοι ολίςκθςθσ δεν είναι απαραίτθτοι. Ο ςτάτθσ τθσ γεννιτριασ είναι ςυνδεδεμζνοσ απευκείασ ςτο δίκτυο. 98

99 Το πλεονζκτθμα αυτοφ του τφπου γεννιτριασ είναι ότι με μια ςχετικά απλι τοπολογία του κυκλϊματοσ του δρομζα χωρίσ απαραίτθτα να υπάρχουν δακτφλιοι ολίςκθςθσ παρζχεται μεγαλφτερο εφροσ ταχφτθτασ από τθν επαγωγικι γεννιτρια βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ. Επιπλζον, μζχρι ενόσ ςθμείου θ ςυγκεκριμζνθ διάταξθ μπορεί να μειϊςει τα μθχανικά φορτία και τισ διαταραχζσ ςτθν ενζργεια που οφείλονται ςτισ ριπζσ του ανζμου. Ραρόλα αυτά απαραίτθτο είναι ζνα ςφςτθμα αντιςτάκμιςθσ τθσ αζργου ιςχφοσ. Τα μειονεκτιματα είναι ότι το εφροσ μεταβολισ τθσ ταχφτθτασ κυμαίνεται μόνο μεταξφ 0-10% μιασ και εξαρτάται από το μζγεκοσ τθσ μεταβλθτισ αντίςταςθσ του δρομζα. Επιπλζον, δεν μπορεί να γίνει πολφ αξιόλογοσ ζλεγχοσ τθσ ενεργοφ και αζργου ιςχφοσ και θ ενζργεια τθσ ολίςκθςθσ καταναλϊνεται πάνω ςτθ μεταβλθτι αντίςταςθ του δρομζα ςαν κερμότθτα ) Επαγωγικι γεννιτρια διπλισ τροφοδοςίασ Θ εφαρμογι τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ διπλισ τροφοδοςίασ είναι θ εξζλιξθ τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ με θλεκτρονικά μεταβαλλόμενθ αντίςταςθ δρομζα, με τθν ζννοια ότι θ μεταβλθτι αντίςταςθ ςτο δρομζα ζχει αντικαταςτακεί από ζναν back-to-back IGBT μετατροπζα πθγισ τάςθσ ςυνδεδεμζνο ςτο δίκτυο. Tα τυλίγματα του ςτάτθ είναι απευκείασ ςυνδεδεμζνα ςτο τριφαςικό δίκτυο. Οι επαγωγικζσ γεννιτριεσ διπλισ τροφοδοςίασ κερδίηουν ςυνεχϊσ όλο και μεγαλφτερο μερίδιο αγοράσ. Αυτό το ςφςτθμα επιτρζπει να υπάρχει λειτουργία μεταβλθτισ ταχφτθτασ με ζνα αρκετά μεγάλο εφροσ. Ο μετατροπζασ αντιςτακμίηει τθ διαφορά μεταξφ τθσ μθχανικισ και θλεκτρικισ ςυχνότθτασ, εγχφοντασ ζνα ρεφμα μεταβλθτισ ςυχνότθτασ ςτον δρομζα. Στθν μόνιμθ κατάςταςθ λειτουργίασ αλλά και ςε περίπτωςθ ςφάλματοσ θ ςυμπεριφορά τθσ γεννιτριασ κακορίηεται από τον μετατροπζα και τουσ ελεγκτζσ του. Πςον αφορά τον ζλεγχο, ο μετατροπζασ ςτθ πλευρά του δρομζα ελζγχει τθν ενεργό και άεργο ιςχφ τθσ μθχανισ μζςω ελζγχου του ρεφματοσ του δρομζα, ενϊ ο μετατροπζασ ςτθ πλευρά του δικτφου ελζγχει τθ τάςθ ςτθ dc διαςφνδεςθ και διαςφαλίηει λειτουργία με μοναδιαίο ςυντελεςτι ιςχφοσ. 99

100 Ανάλογα με τθ λειτουργία, θ ιςχφσ του δρομζα μπορεί να μεταφερκεί και προσ τισ δφο κατευκφνςεισ. Σε περίπτωςθ υπερςφγχρονθσ λειτουργίασ (κετικι ολίςκθςθ) ζχουμε ροι ιςχφοσ από το δρομζα μζςω του μετατροπζα ςτο δίκτυο, ενϊ ςε περίπτωςθ υποςφγχρονθσ λειτουργίασ (αρνθτικι ολίςκθςθ) θ ροι ιςχφοσ είναι αντίκετθ. Και ςτισ δφο αυτζσ περιπτϊςεισ ο ςτάτθσ παρζχει ενζργεια ςτο δίκτυο. Εδϊ αξίηει να ςθμειϊςουμε το ςθμαντικό πλεονζκτθμα τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ διπλισ τροφοδοςίασ ςε ςχζςθ με τθν επαγωγικι γεννιτρια με θλεκτρονικά μεταβαλλόμενθ αντίςταςθ δρομζα: Στθν περίπτωςθ τθσ υπερςφχρονθσ λειτουργίασ θ αυξθμζνθ ιςχφσ ςτο δρομζα οδθγείται ςτο δίκτυο αντί να χάνεται ςε ωμικζσ αντιςτάςεισ. Θ επαγωγικι γεννιτρια διπλισ τροφοδοςίασ δεν είναι απαραίτθτο να μαγνθτίηεται από το δίκτυο αλλά αυτό μπορεί να γίνει και από το κφκλωμα του δρομζα. Επίςθσ είναι ικανι να παράγει άεργο ιςχφ θ οποία μπορεί να μεταφερκεί ςτο ςτάτθ μζςω του μετατροπζα ςτθ πλευρά του δικτφου. Ο μετατροπζασ ςτθ πλευρά του δικτφου διορκϊνει ςυνολικά το ςυντελεςτι ιςχφοσ και ζτςι εμπλζκεται εμμζςωσ ςτθν ανταλλαγι αζργου ιςχφοσ μεταξφ του ςτάτθ και του δικτφου. Σε περίπτωςθ που υπάρχει ζνα αδφναμο δίκτυο, όπου υπάρχουν διαταραχζσ ςτθ τάςθ, μπορεί να ηθτθκεί από τθν επαγωγικι γεννιτρια διπλισ τροφοδοςίασ (DFIG) να παράγει θ να απορροφιςει κάποιο ποςό αζργου ιςχφοσ προσ θ από το δίκτυο, προκειμζνου να υπάρξει ζλεγχοσ τθσ τάςθσ. Το μζγεκοσ του μετατροπζα δεν ςχετίηεται με τθν ςυνολικι ιςχφ τθσ γεννιτριασ αλλά με το επιλεγμζνο εφροσ ρφκμιςθσ τθσ ταχφτθτασ. Ζτςι ότι κερδίηουμε ςε κόςτοσ το χάνουμε ςε δυνατότθτα εφρουσ τθσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ. Επιπλζον μειονζκτθμα τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ διπλισ τροφοδοςίασ είναι ότι οι δακτφλιοι ολίςκθςθσ είναι απαραίτθτοι. 100

101 ) Επαγωγικι γεννιτρια βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ Είναι γνωςτό ότι οι επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ είναι θ επικρατοφςα επιλογι ςε απλζσ εφαρμογζσ εξαιτίασ τθσ μθχανικισ τουσ απλότθτασ, τθσ υψθλισ τουσ απόδοςθσ και του ελάχιςτου κόςτουσ ςυντιρθςθσ που απαιτοφν. Με ςφνδεςθ απευκείασ ςτο δίκτυο θ ταχφτθτα τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ μεταβάλλεται μόνο κατά ζνα μικρό ποςοςτό, εξαιτίασ τθσ ολίςκθςθσ τθσ γεννιτριασ θ οποία οφείλεται ςτισ αλλαγζσ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου. Για το λόγο αυτό οι γεννιτριεσ αυτζσ χρθςιμοποιικθκαν πολφ για ςτακερισ ταχφτθτασ ανεμογεννιτριεσ. Θ γεννιτρια και ο άξονασ τθσ ανεμογεννιτριασ ςυνδζονται μζςω του κιβωτίου ταχυτιτων, μιασ και θ βζλτιςτθ προςδοκϊμενθ τιμι τθσ ταχφτθτασ του άξονα είναι διαφορετικι από αυτι τθσ γεννιτριασ. Οι ανεμογεννιτριεσ που ζχουν επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ ςυνικωσ ζχουν και ζναν μθχανιςμό θλεκτρονικά ελεγχόμενου εκκινθτι και αντιςτάκμιςθ αζργου ιςχφοσ με πυκνωτζσ, μιασ και οι γεννιτριεσ αυτοφ του τφπου καταναλϊνουν άεργθ ιςχφ. Οι επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ ζχουν ςαν χαρακτθριςτικό τισ απότομεσ αλλαγζσ ςτθ ροπι με αποτζλεςμα οι διαταραχζσ του ανζμου να περνοφν απευκείασ ςτο δίκτυο. Αυτζσ οι διαταραχζσ είναι ιδιαίτερα ςθμαντικζσ κατά τθ ςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ ςτο δίκτυο, όπου θ ζνταςθ του μεταβατικοφ ρεφματοσ είναι 7-8 φορζσ μεγαλφτερθ από τθν ονομαςτικι. Σε ζνα αδφναμο δίκτυο, αυτό το υψθλό μεταβατικό ρεφμαμπορεί να προκαλζςει μεγάλεσ διαταραχζσ ςτθ τάςθ. Οπότε θ ςφνδεςθ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ (SCIG) ςτο δίκτυο κα πρζπει να γίνεται ςταδιακά προκειμζνου να μειωκεί το μεταβατικό ρεφμα. Κατά τθ διάρκεια τθσ μόνιμθσ λειτουργίασ και τθσ άμεςθσ ςφνδεςθσ με ζνα ςτιβαρό ac δίκτυο, θ ςφγχρονθ γεννιτρια βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ (SCIG) είναι πολφ εφρωςτθ και ευςτακισ. Θ ολίςκθςθ ποικίλει και αυξάνεται με αφξθςθ του φορτίου. Το μεγαλφτερο πρόβλθμα είναι ότι λόγω του ρεφματοσ μαγνιτιςθσ που παρζχεται από το δίκτυο ςτα τυλίγματα του ςτάτθ, ο ςυντελεςτισ ιςχφοσ υπό πλιρεσ φορτίου είναι ςχετικά μικρόσ. Γεγονόσ που όπωσ είναι γνωςτό δεν είναι αποδεκτό από τισ εταιρίεσ θλεκτριςμοφ και μπορεί να διορκωκεί με τθ ςφνδεςθ πυκνωτϊν παράλλθλα με τθ γεννιτρια. 101

102 Στισ επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ υπάρχει μια μοναδικι ςχζςθ μεταξφ τθσ αζργου ιςχφοσ, ενεργοφ ιςχφοσ, τάςθσ ςτο τερματικό ςθμείο και ταχφτθτασ του δρομζα. Αυτό ςθμαίνει ότι ςε υψθλζσ ταχφτθτεσ ανζμου, θ ανεμογεννιτρια μπορεί να παράγει μεγαλφτερα ποςά ενεργοφ ιςχφοσ μόνο αν απορροφιςει περιςςότερο άεργο ιςχφ. Για τισ επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ θ κατανάλωςθ αζργου ιςχφοσ είναι μθ ελζγξιμθ γιατί μεταβάλλεται με βάςθ τθσ ςυνκικεσ του αζρα. Αν δεν υπάρχουν θλεκτρικά ςτοιχεία να παρζχουν τθν άεργο ιςχφ, τότε αυτι πρζπει να προζλκει απευκείασ από το δίκτυο. Θ άεργοσ ιςχφσ που παίρνεται από το δίκτυο μπορεί να προκαλζςει επιπρόςκετεσ απϊλειεσ μεταφοράσ και ςε κάποιεσ περιπτϊςεισ μπορεί να κάνει το δίκτυο αςτακζσ. Σε περίπτωςθ ςφάλματοσ, οι επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ που δεν ζχουν κανζνα ςφςτθμα για αντιςτάκμιςθ τθσ αζργου ιςχφοσ μπορεί να οδθγιςουν ςε αςτάκεια τθσ τάςθσ ςτο δίκτυο. Πταν υπάρξει ζνα ςφάλμα ι μια πτϊςθ τάςθσ ο δρομζασ τθσ ανεμογεννιτριασ μπορεί να επιταχυνκεί ςτιγμιαία εξαιτίασ τθσ ανιςορροπίασ μεταξφ τθσ θλεκτρικισ και τθσ μθχανικισ ροπισ. Θ ςυνεπαγόμενθ αφξθςθ τθσ ολίςκθςθσ τότε κα απαιτιςει μια μεγαλφτερθ ποςότθτα αζργου ιςχφοσ από το δίκτυο, το οποίο κα οδθγθκεί ςε περεταίρω μείωςθ τθσ τάςθσ, κ.ο.κ. Σιμερα όμωσ, με τθν μεγάλθ ανάπτυξθ των θλεκτρονικϊν ιςχφοσ οι επαγωγικζσ γεννιτριεσ βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν ςαν πλιρωσ μεταβλθτισ ταχφτθτασ ανεμογεννιτριεσ και να δϊςουν εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτθριςτικά. Συγκεκριμζνα το ςχιμα που χρθςιμοποιείται περιλαμβάνει τθν γεννιτρια βραχυκυκλωμζνου κλωβοφ ςε ςφνδεςθ ςτο δίκτυο μζςω ενόσ πλιρωσ ελεγχόμενου back-to-back μετατροπζα ιςχφοσ με IGBT. Ζτςι είναι δυνατόσ ο ζλεγχοσ ενεργοφ και αζργου ιςχφοσ και θ προςαρμογι τουσ ςτισ ςυνκικεσ του ανζμου αλλά και τισ απαιτιςεισ του δικτφου. Κατ αυτό τον τρόπο εξομαλφνεται θ λειτουργία τθσ επαγωγικισ γεννιτριασ και αποφεφγονται ανεπικφμθτεσ διαταραχζσ, όπωσ αυτζσ που ςυναντάμε ςτθν περίπτωςθ λειτουργίασ με ςτακερι ταχφτθτα, ενϊ ταυτόχρονα υπό ομαλζσ ςυνκικεσ γίνεται δυνατι θ προςαρμογι τθσ ταχφτθτασ περιςτροφισ ϊςτε να ζχουμε τθ μζγιςτθ παραγωγι ιςχφοσ ςε όλο το ςχεδόν το εφροσ ταχυτιτων του ανζμου. 102

103 2.16) φγχρονθ γεννιτρια Θ ςφγχρονθ γεννιτρια είναι πολφ πιο ακριβι και μθχανολογικά πολφ πιο πολφπλοκθ από μια επαγωγικι γεννιτρια αναλόγου μεγζκουσ. Ραρόλα αυτά, ζχει ζνα ξεκάκαρο πλεονζκτθμα ςε ςχζςθ με τθν επαγωγικι γεννιτρια, ότι το ρεφμα μαγνιτιςθσ δεν δθμιουργείται από το κφκλωμα του ςτάτθ. Το μαγνθτικό πεδίο ςτισ ςφγχρονεσ γεννιτριεσ μπορεί να δθμιουργθκεί με τθ χριςθ μόνιμων μαγνθτϊν ι ςυμβατικϊν τυλιγμάτων ςτο δρομζα. Αν θ ςφγχρονθ γεννιτρια ζχει ζνα κατάλλθλο, μεγάλο αρικμό πόλων μπορεί να χρθςιμοποιθκεί χωρίσ κιβϊτιο ταχυτιτων. Σαν ςφγχρονθ μθχανι, είναι πικανότατα θ πιο κατάλλθλθ για ζλεγχο πλιρουσ ιςχφοσ μιασ και ςυνδζεται ςτο δίκτυο μζςω ενόσ θλεκτρονικοφ μετατροπζα ιςχφοσ. Ο μετατροπζασ ζχει δφο βαςικοφσ ςτόχουσ. Ρρϊτον δουλειά του είναι κάνει απόςβεςθ των διαταραχϊν τθσ ιςχφοσ που οφείλονται ςτισ ριπζσ του ανζμου και επίςθσ των μεταβατικϊν φαινομζνων που ζρχονται από το δίκτυο. Και ο δεφτεροσ βαςικόσ ςτόχοσ είναι να ελζγχει τθ μαγνιτιςθ και να αποφεφγει προβλιματα παραμζνοντασ ςφγχρονοσ με τθ ςυχνότθτα του δικτφου. Μια τζτοια γεννιτρια επιτρζπει τθν λειτουργία με μεταβλθτι ταχφτθτα ςτθν ανεμογεννιτρια. Οι δφο κλαςςικοί τφποι ςφγχρονων γεννθτριϊν που χρθςιμοποιοφνται ςτθν βιομθχανία των ανεμογεννθτριϊν είναι θ ςφγχρονθ γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα (WRSG) και θ ςφγχρονθ γεννιτρια μόνιμου μαγνιτθ (PMSG). 103

104 2.16.1) φγχρονθ γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα Θ ςφγχρονθ γεννιτρια δακτυλιοφόρου δρομζα είναι ο βαςικότεροσ τφποσ γεννιτριασ ςτθ βιομθχανία παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ. Τα τυλίγματα του ςτάτθ μια τζτοιασ γεννιτριασ είναι ςυνδεδεμζνα απευκείασ ςτο δίκτυο και όπωσ είναι λογικό θ ταχφτθτα περιςτροφισ ρυκμίηεται από τθ ςυχνότθτα του δικτφου. Τα τυλίγματα του δρομζα διεγείρονται από ςυνεχζσ ρεφμα με τθ χριςθ δακτυλιδιϊν ολίςκθςθσ και ψθκτρϊν ι μζςω ενόσ διεγζρτθ χωρίσ ψικτρεσ με ζνα ςτρεφόμενο ανορκωτι. Σε αντίκεςθ με τισ επαγωγικζσ γεννιτριεσ, οι ςφγχρονεσ γεννιτριεσ δεν χρειάηονται περεταίρω μζτρα αντιςτάκμιςθσ για τθν άεργο ιςχφ. Τα τυλίγματα του δρομζα, μζςα από τα οποία ρζει το ρεφμα, παράγουν το πεδίο διζγερςθσ, το οποίο περιςτρζφεται με ςφγχρονθ ταχφτθτα. Θ ταχφτθτα τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ κακορίηεται από τθ ςυχνότθτα του ςτρεφόμενου πεδίου και του αρικμοφ των πόλων ) φγχρονθ γεννιτρια μόνιμου μαγνιτθ Υπάρχουν πολλοί υπζρμαχοι των ςφγχρονων γεννθτριϊν μόνιμου μαγνιτθ για τθ χριςθ τουσ ςτισ ανεμογεννιτριεσ λόγω του γεγονότοσ ότι οι γεννιτριεσ αυτοφ του τφπου είναι αυτοδιεγειρόμενεσ και λειτουργοφν με υψθλό ςυντελεςτι ιςχφοσ και υψθλι απόδοςθ. Στισ μθχανζσ μόνιμου μαγνιτθ, θ απόδοςθ είναι υψθλότερθ από αυτι των επαγωγικϊν, μιασ και θ διζγερςθ παρζχεται χωρίσ να υπάρχει επιπλζον παροχι ενζργειασ. Ωςτόςο κα πρζπει να τονιςτεί ότι τα υλικά με τα οποία καταςκευάηονται οι μόνιμοι μαγνιτεσ είναι πολφ ακριβά και κακόλου εφκολα ςτθν επεξεργαςία. Επιπρόςκετα θ χριςθ διζγερςθσ με μόνιμο μαγνιτθ απαιτεί τθ χριςθ ενόσ μετατροπζα ιςχφοσ πλιρουσ κλίμακασ προκειμζνου να προςαρμόςει τθ τάςθ και τθ ςυχνότθτα τθσ γεννιτριασ ςτθ τάςθ και ςτθ ςυχνότθτα γραμμισ αντίςτοιχα. Το γεγονόσ αυτό οδθγεί ςε ζνα πρόςκετο κόςτοσ. 104

105 Το πλεονζκτθμα είναι ότι μπορεί να παραχκεί ενζργεια ςε κάκε ταχφτθτα. Ο ςτάτθσ των ςφγχρονων γεννθτριϊν μόνιμου μαγνιτθ αποτελείται από ςυμβατικό τριφαςικό τφλιγμα και ο δρομζασ αποτελείται από ζνα ςφςτθμα πόλων μόνιμου μαγνιτθ, που μπορεί να είναι ζκτυποι ι κυλινδρικοί. Οι ζκτυποι πόλοι είναι πιο ςυνθκιςμζνοι ςε μθχανζσ χαμθλισ ταχφτθτασ και είναι πιο χριςιμοι για εφαρμογζσανεμογεννθτριϊν. Θ ςφγχρονθ φφςθ των ςφγχρονων γεννθτριϊν με μόνιμο μαγνιτθ (PMSG) μπορεί να δθμιουργιςει προβλιματα κατά τθν εκκίνθςθ, τον ςυγχρονιςμό και τθ ρφκμιςθ τθσ τάςθσ. Θ ςφγχρονθ λειτουργία προκαλεί επίςθσ δφςκαμπτθ ςυμπεριφορά ςε περίπτωςθ που θ ταχφτθτα του αζρα δεν είναι ςτακερι. Ζνα ακόμα μειονζκτθμα αυτοφ του τφπου γεννθτριϊν είναι ότι τα μαγνθτικά υλικά είναι ευαίςκθτα ςτισ υψθλζσ κερμοκραςίεσ με αποτζλεςμα να απαιτείται κάποιο ςφςτθμα ψφξθσ. 2.17) Άεργοσ και ενεργόσ ιςχφσ Στα δίκτυα εναλλαςςόμενου (ac) ρεφματοσ ςυχνά υπάρχει διαφορά φάςθσ μεταξφ του θμιτονοειδοφσ ρεφματοσ που παρζχεται ςτο δίκτυο και τθσ τάςθσ ςτα διάφορα ςθμεία. Το μζγεκοσ αυτισ τθσ διαφοράσ φάςθσ εξαρτάται από τθν αντίςταςθ, τθν αυτεπαγωγι και τθν χωρθτικότθτα του ςυςτιματοσ ςτο οποίο οι διάφορεσ γεννιτριεσ παρζχουν τθν ενζργεια τουσ αλλά και ςτα χαρακτθριςτικά και ςτο ςθμείο λειτουργίασ τθσ κάκε γεννιτριασ. Στθν περίπτωςθ ac παραγωγισ, το ποςό τθσ παραγόμενθσ ενζργειασ δεν είναι ίςο με το γινόμενο τθσ RMS τιμι τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ τθσ γεννιτριασ, όπωσ είναι ςτθ dc παραγωγι. Το ποςό τθσ παραγόμενθσ ιςχφοσ εξαρτάται όχι μόνο από το πλάτοσ τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ αλλά και από το μζγεκοσ τθσ διαφοράσ φάςθσ μεταξφ τουσ. 105

106 Το ρεφμα ςε μια ac γεννιτρια μπορεί να χωριςτεί ςε μία ςυνιςτϊςα που βρίςκεται ςε φάςθ με τθ τερματικι τάςθ και μία ςυνιςτϊςα που είναι μετατοπιςμζνθ κατά Μόνο θ ςυνιςτϊςα που είναι ςε φάςθ με τθν τάςθ παρζχει ενζργεια ςτο δίκτυο. Κατά ςυνζπεια θ ενεργόσ ιςχφσ (που ςυμβολίηεται με το P) είναι ίςθ με το γινόμενο τθσ RMS τιμισ τθσ ςυμφαςικισ τιμισ του ρεφματοσ τθσ γεννιτριασ με τθν τερματικι τθσ τάςθ. Το γινόμενο τθσ τάςθσ τθσ πθγισ και τθσ άλλθσ ςυνιςτϊςασ του ρεφματοσ είναι θ άεργοσ ιςχφσ και ςυμβολίηεται με το Q. Μια ακόμα ςθμαντικι ποςότθτα είναι ο ςυντελεςτισ ιςχφοσ, ο οποίοσ ωσ γνωςτϊν είναι: PF=cosφ=P/[(P 2 +Q 2 ) 1/2 ] όπου φ είναι θ διαφορά φάςθσ μεταξφ τθσ τερματικισ τάςθσ και του τερματικοφ ρεφματοσ ςε rad. Αν θ γωνία φ είναι ίςθ με μθδζν, τότε προφανϊσ το ςυνθμίτονο ιςοφται με μονάδα και τότε θ άεργοσ ιςχφσ ιςοφται με μθδζν και μόνο ενεργόσ ιςχφσ ανταλλάςςεται με το δίκτυο. Θ κατάςταςθ αυτι λζγεται λειτουργία με μοναδιαίο ςυντελεςτι ιςχφοσ. 106

107 Κεφάλαιο 3: ΤΔΡΟΓΟΝΟ 107

108 3.1) Γενικά για το υδρογόνο Το υδρογόνο αποτελεί το 90% τθσ ςυνολικισ μάηασ του ςφμπαντοσ και είναι το ελαφρφτερο ςτοιχείο που υπάρχει ςτθ φφςθ.σε κακαρι μορφι (αζρια) ςτο περιβάλλον τθσ γθσ ςπάνια ςυναντάται,αλλά δεςμευμζνο,υπάρχει ςχεδόν ςε όλα τα ορυκτά τθσ.το υδρογόνο απαντιζται και ςε πολλζσ ςθμαντικζσ δομικζσ οργανικζσ ενϊςεισ των ζμβιων όντων τθσ γθσ,μεταξφ αυτϊν των οργανικϊν ενϊςεων ςτθν κερατίνθ,ςτα ζνηυμα πουςυντελοφν ςτθ πζψθ και ςτα μόρια του DNA.Επίςθσ, υπάρχει άφκονο και ςτισ διάφορεσ τροφζσ που καταναλϊνει ο άνκρωποσ,υπό τθ μορφι των λιπϊν,των πρωτεϊνϊν και των υδρογονανκράκων.λόγω του μικροφ του βάρουσ,δεν αποτελεί περιςςότερο από το 1% τθσ ςυνολικισ μάηαστθσ γθσ.κακϊσ το υδρογόνο ςυντικεται, παράγονται διάφορα βαρφτερα ςτοιχεία από αυτό,με ςθμαντικότερο μεταξφ αυτϊν το Ιλιο (He).Θ ςυγκεκριμζνθ διαδικαςία τθσ ςφντθξθσ του υδρογόνου παράγει τθν ενζργεια που εκλφουν τα άςτρα μζςα ςτο ςφμπαν,ενϊ βάςει αυτισ πιςτεφεται ότι δθμιουργικθκε αρχικά και το ίδιο το ςφμπαν. Σε ςυνικθ κερμοκραςία περιβάλλοντοσ,το υδρογόνο βρίςκεται πάντα ςε αζρια φάςθ,ςτθν οποία ςαν υλικό είναι άχρωμο,άοςμο,και εφφλεκτο.πταν καίγεται με το οξυγόνο του ατμοςφαιρικοφ αζρα (ι και με το κακαρό οξυγόνο),το υδρογόνο ςχθματίηει νερό και παράγει κερμότθταςφμφωνα με τθν παρακάτω αντίδραςθ: 2H 2 + O 2 2H 2 O + heat Το υδρογόνο κατζχει τθν πρϊτθ κζςθ ςτον περιοδικό πίνακα των χθμικϊν ςτοιχείων και το άτομό του ςυμβολίηεται με το λατινικό γράμμα Θ.Κάκε άτομό του αποτελείται από ζνα πρωτόνιο και από ζνα θλεκτρόνιο,ενϊ κατά τθν ζνωςθ δφο διαφορετικϊν ατόμων του παράγεται ζνα μόριο υδρογόνου με μοριακό τφπο: H 2 (H H). Το υδρογόνο μπορεί να ςυνδυαςτεί χθμικά με ςχεδόν οποιοδιποτε άλλο χθμικό ςτοιχείο και ζτςι δίνει τισ περιςςότερεσ χθμικζσ ενϊςεισ από οποιοδιποτε άλλο του περιοδικοφ πίνακα.στισ ςθμαντικότερεσ από τισ ενϊςεισ του ςυγκαταλζγονται το νερό,οι ενϊςεισ του με τον άνκρακα (οργανικζσ ενϊςεισ) και οι διάφοροι φυςικοί υδρογονάνκρακεσ όπωσ το πετρζλαιο και το φυςικό αζριο. 108

109 3.2) Σο υδρογόνο ωσ ενεργειακό καφςιμο Το υδρογόνο χρθςιμοποιείται ςαν βιομθχανικό καφςιμο εδϊ και αρκετζσ δεκαετίεσ.τεράςτιεσ ποςότθτεσ υδρογόνου καταναλϊνονται κάκε χρόνο παγκοςμίωσ γι αυτόν τον ςκοπό και μάλιςτα με τάςθ που αυξάνει από χρονιά ςε χρονιά (ενδεικτικά, το 2003 καταναλϊκθκαν παγκοςμίωσ περίπου 41,09 εκατομμφρια τόνοι υδρογόνου,ενϊ το 2004 θ ποςότθτα αυτι ανιλκε ςτα 50 εκατομμφρια τόνουσ).από τθν άλλθ μεριά,θ χριςθ του υδρογόνου ςαν ενεργειακό καφςιμο είναι προσ το παρόν περιοριςμζνθ. Από τθν ςυνολικι ποςότθτα του υδρογόνου που παράγεται κάκε χρονιά ςε παγκόςμια κλίμακα,θ βιομθχανία τθσ αμμωνίασ καταναλϊνει περίπου το 50% αυτισ,ενϊ τα διυλιςτιρια του πετρελαίου το 37%.Το υπόλοιπο 13%,καταναλϊνεται ςε διάφορουσ άλλουσ βιομθχανικοφσ τομείσ,μεταξφ των οποίων το μεγαλφτερο ποςοςτό ςε κατανάλωςθ κατζχει θ βιομθχανία των τροφίμων (π.χ. χρθςιμοποίθςθ υδρογόνου για υδρογόνωςθ των ελαίων).σιμερα,υπάρχουν αρκετζσ μζκοδοι με τισ οποίεσ μπορεί να παραχκεί οικονομικά και ςε μαηικζσ ποςότθτεσ (εμπορικζσ μζκοδοι παραγωγισ του υδρογόνου).οι κυριότερεσ από αυτζσ είναι οι εξισ: θ αναμόρφωςθ των υδρογονανκράκων με ατμό,μεταξφ αυτϊν κυρίωσ του φυςικοφ αερίου. θ μερικι οξείδωςθ (ι αεριοποίθςθ) των βαρζων υδρογονανκράκων ι του γαιάνκρακα. θ θλεκτρόλυςθ του νεροφ. Οι κυριότερεσ διατάξεισ με τισ οποίεσ παράγεται ενζργεια από το υδρογόνο είναι οι κυψζλεσ καυςίμου.το υδρογόνο όμωσ,μπορεί να παράγει ενζργεια και μζςω τθσ καφςθσ του με τον ατμοςφαιρικό αζρα μζςα ςε ΜΕΚ(μθχανζσ εςωτερικισ καφςθσ),όπωσ ςε καταλυτικοφσ καυςτιρεσ,ςε λζβθτεσ αερίου,ςε αεροςτρόβιλουσ και ςε κινθτιρεσ εςωτερικισ καφςθσ.θ καφςθ του υδρογόνου με τον ατμοςφαιρικό αζρα παράγει ςαν κφριο ςυςτατικό το νερό,αλλά λόγω των υψθλϊν κερμοκραςιϊν που επικρατοφν κατά τθν διαδικαςία αυτι,ςτθ πράξθ παράγονται επίςθσ και οριςμζνεσ ποςότθτεσ από οξείδια του αηϊτου. 109

110 Το υδρογόνο που παράγεται μζςω τθσ χρθςιμοποίθςθσ τθσ τεχνολογίασ των διαφόρων ΑΡΕ (ιδιαίτερα τθσ θλιακισ και τθσ αιολικισ ενζργειασ) κεωρείται ωσ ιδανικό,γιατί προκαλεί πολφ λιγότερεσ επιπτϊςεισ ςτο περιβάλλον ςε ςχζςθ με τισ υπόλοιπεσ μεκόδουσ παραγωγισ του.θ μόνθ ζκλυςθ ρφπων που εμφανίηεται ςτθν περίπτωςθ αυτι, προκφπτει κατά τισ διαδικαςίεσ καταςκευισ, μεταφοράσ και εγκατάςταςθσ των διαφόρων ΑΡΕ που χρθςιμοποιοφνται για τθν παραγωγι του και δευτερευόντωσ κατά τθ διαδικαςία μεταφοράσ του προσ τθν κατανάλωςθ. Γενικά,το υδρογόνο ςαν καφςιμο δεν ςυμβάλλει ςχεδόν κακόλου ςτθν επιβάρυνςθ του παγκόςμιου κλίματοσ και οι ρφποι που παράγονται κατά τθν ενεργειακι του εκμετάλλευςθ είναι μθδαμινοί ςε ςχζςθ με αυτοφσ που παράγονται κατά τθν καφςθ των ορυκτϊν καυςίμων. Εικάηεται,ότι ςτισ επόμενεσ δεκαετίεσ κα αρχίςει να καταλαμβάνει ολοζνα και ςθμαντικότερο μερίδιο ςτθν παγκόςμια ενεργειακισ αγορά και ότι ςτο απϊτερο μζλλον κα αντικαταςτιςει ζνα μεγάλο μζροσ τθσ υπάρχουςασ υποδομισ ςε παραγωγι, διανομι και κατανάλωςθ ενζργειασ που βαςίηεται ςιμερα κατά πλείςτον ςτα ορυκτά καφςιμα. Βραχυπρόκεςμα,θ ενεργειακι χριςθ του υδρογόνου προβλζπεται ότι κα αυξθκεί ςτθ βιομθχανία και ςτον οικιακό τομζα,προκειμζνου να διευκολυνκεί εκεί θ παραγωγι και θ αποκικευςθ τθσ ενζργειασ,ενϊ ςτθ ςυνζχεια οι εφαρμογζσ του προβλζπεται ότι κα επεκτακοφν και ςτον τομζα των μεταφορϊν (αυτοκίνθτα,λεωφορεία κ.τ.λ.). Θ μετάβαςθ όμωσ,από το υπάρχον ςφςτθμα παραγωγισ και διανομισ τθσ ενζργειασ που επί ςειράσ δεκαετιϊν βαςίηεται κατά κφριο λόγο ςτα ορυκτά καφςιμα, ςε ζνα νζο το οποίο κα ζχει ςαν κφριο μζςο του το υδρογόνο, απαιτεί χρόνο και γενναία και δαπανθρά βιματα από κυβερνιςεισ και παραγωγοφσ τθσ ενζργειασ ςε όλθ τθν υφιλιο. 110

111 3.3) Σο υδρογόνο ωσ ΑΠΕ και θ παραγωγι του Το υδρογόνο ζχει μία ςθμαντικι ιδιότθτα που μπορεί να χρθςιμοποιθκεί με ωφζλιμο τρόπο:μπορεί να αποτελζςει πρϊτθ φλθ,δθλαδι καφςιμο,για τθν παραγωγι ενζργειασ. Ππωσ ζχει αποδείξει θ ιςτορία,ο άνκρωποσ κατά τθν διάρκεια τθσ εξζλιξισ του,ζχει χρθςιμοποιιςει διάφορεσ πθγζσ ενζργειασ οι οποίεσ περιείχαν αφενόσ ςαν βαςικό ςυςτατικό τουσ τον άνκρακα,αλλά αφετζρου ςε ολοζνα και μικρότερεσ περιεκτικότθτεσ ςτο εςωτερικό τουσ. Από τον ξυλάνκρακα (ξφλο) για παράδειγμα που αποτζλεςε τθν κφρια πθγι ενζργειασ τθσ ανκρωπότθτασ ςτθν αρχαιότθτα,ςτον γαιάνκρακα κατά τθν διάρκεια τθσ Βιομθχανικισ Επανάςταςθσ και ςτο πετρζλαιο κατά τθν ςφγχρονθ εποχι,ο άνκρωποσ χρθςιμοποίθςε τον άνκρακα ςαν βαςικό μζςο παραγωγισ τθσ αναγκαίασ του ενζργειασ,με τθ μορφι των διαφόρων φυςικϊν πθγϊν του που του ιταν κάκε φορά περιςςότερο εφκολα προςβάςιμεσ ς αυτόν.επιπλζον,θ εξζλιξθ και ανάπτυξθ των τεχνολογικϊν του εφευρζςεων,τον οδιγθςαν να αναηθτεί ςυνεχϊσ νζεσ πθγζσ άνκρακα,οι οποίεσ,όπωσ είπαμε,περιείχαν όλο και λιγότερο αυτόν ςαν βαςικό ςυςτατικό ςτθ μάηα τουσ.ροτζ όμωσ, οποιοδιποτε καφςιμο που χρθςιμοποιικθκε από τον άνκρωπο για τθν μαηικι παραγωγι ενζργειασ του δεν περιείχε ςτθ μάηα του μθδενικζσ ποςότθτεσ από άνκρακα και αυτό ςυνεχίηεται ζωσ τισ μζρεσ μασ με τθ μαηικι χρθςιμοποίθςθ των διαφόρων ορυκτϊν καυςίμων (π.χ. πετρζλαιο,φυςικό αζριο, γαιάνκρακασ) από τον ςφγχρονο πολιτιςμό για τθν παραγωγι ενζργειασ.το υδρογόνο,απ αυτι τθ ςκοπιά,αποτελεί πράγματι μια τομι για τθν ιςτορικι εξζλιξθ τθσ ενεργειακισ παραγωγισ από τον ανκρϊπου,μιασ και είναι ουςιαςτικά το πρϊτο καφςιμο που δεν βαςίηεται κακόλου ςτον άνκρακα. 111

112 Εκτόσ από τθν μθδενικι του περιεκτικότθτα ςε άνκρακα,ζνα εξίςου ςθμαντικό χαρακτθριςτικό που παρουςιάηει το υδρογόνο ςαν καφςιμο,είναι ότι μπορεί να προςφζρει πολφ μεγαλφτερα ποςά ενζργειασ από τα αντίςτοιχα ποςά των διαφόρων ορυκτϊν καυςίμων, τα οποία είναι ικανά να τροφοδοτιςουν τισ περιςςότερεσ από τισ κακθμερινζσ ανάγκεσ του ανκρϊπου,ξεκινϊντασ από τθν θλεκτροδότθςθ των ςπιτιϊν και των πόλεϊν του,τθν κίνθςθ των μεταφορικϊν του μζςων και τθν ικανοποίθςθ των μικρότερων κακθμερινϊν του αναγκϊν (π.χ. οικιακζσ εργαςίεσ,κζρμανςθ χϊρων κ.τ.λ.). Χαρακτθριςτικό παράδειγμα θλεκτρομθχανολογικισ / χθμικισ διάταξθσ παραγωγισ ενζργειασ από το υδρογόνο,αποτελοφν οι λεγόμενεσ κυψζλεσ καυςίμου (fuel cells),οι οποίεσ χρθςιμοποιοφν τθν αντίδραςθ ςφντθξισ του με το κακαρό οξυγόνο (ι με το οξυγόνο του ατμοςφαιρικοφ αζρα) και μζςω θλεκτρόλυςθσ παράγουν θλεκτρικι ενζργεια ι κερμότθτα.κα αναφερκοφμε ςε αυτζσ παρακάτω εκτενζςτερα.μια δεφτερθ κατθγορία,κερμοχθμικϊν κυρίωσ, διατάξεων παραγωγισ ενζργειασ από το υδρογόνο, αποτελοφν οι μθχανζσ εςωτερικισ καφςθσ αυτοφ (ΜΕΚ υδρογόνου),οι οποίεσ, όςον αφορά τθν καταςκευι τουσ,δεν παρουςιάηουν κάποια ιδιαίτερθ διαφοροποίθςθ από τισ ςυμβατικζσ μθχανζσ εςωτερικισ καφςθσ των ορυκτϊν καυςίμων.ππωσ και ςτισ κυψζλεσ καυςίμου,ςτισ ΜΕΚ υδρογόνου θ πρωταρχικι μορφι ενζργειασ που παράγεται από αυτζσ είναι είτε ο θλεκτριςμόσ είτε θ κερμότθτα, οι οποίεσ ςτθ ςυνζχεια μετατρζπονται ςε άλλεσ δευτερεφουςεσ μορφζσ ενζργειασ ανάλογα με τισ ανάγκεσ του χριςτθ. Το υδρογόνο μπορεί να βοθκιςει ςθμαντικά ςτισ ενεργειακζσ ανάγκεσ τθσ ανκρωπότθτασ ςτο μζλλον,μιασ και οι δυνατότθτεσ που υπάρχουν από αυτό για τθν μαηικι παραγωγι ενζργειασ είναι πολφ μεγάλεσ και μάλιςτα μζςου ανανεϊςιμου τρόπου.θ χριςθ του υδρογόνου ςαν ενεργειακό μζςο μπορεί να ςυνδυαςτεί με τθν εφαρμογι των περιςςοτζρων από τισ υπόλοιπεσ ΑΡΕ (π.χ. θλιακι και αιολικι ενζργεια, υδροθλεκτριςμόσ κ.λπ.),μζςω των οποίων μπορεί να εξαςφαλιςτεί θ επαρκισ ποςότθτα παραγωγισ του,θ οποία επιτυγχάνεται κατά βάςθ μζςω τθσ παραγωγισ του από το νερό (θλεκτρόλυςθ),του οποίου και αποτελεί βαςικό ςυςτατικό. 112

113 Ο τρόποσ αυτόσ παραγωγισ του υδρογόνου παρουςιάηει ιδιαίτερα ευοίωνεσ προοπτικζσ για το μζλλον,μιασ και ωσ γνωςτόν,το νερό αποτελεί το πλουςιότερο ςτοιχείο του πλανιτθ μασ και υπάρχει άφκονο ςτα περιςςότερα μζρθ τθσ γθσ (είτε ςαν ςυςτατικό των ποταμϊν και των λιμνϊν,είτε πολφ περιςςότερο ςαν ςυςτατικό των ωκεανϊν). Ρροσ το παρόν πάντωσ,θ κφρια μζκοδοσ παραγωγισ του υδρογόνου πραγματοποιείται μζςω τθσ κερμοχθμικισ επεξεργαςίασ του φυςικοφ αερίου,μιασ και αποτελεί τον οικονομικότερο τρόπο γι αυτό. Το υδρογόνο,εκτόσ από υλικό παραγωγισ ενζργειασ,αποτελεί και ιδανικι ανανεϊςιμθ πθγι ενζργειασ (ΑΡΕ),μιασ και θ ζνωςι του ςτθ πράξθ με το ατμοςφαιρικό οξυγόνο με ςκοπό τθν παραγωγι ενζργειασ, είτε μζςω τθσ θλεκτρόλυςθσ είτε μζςω τθσ καφςθσ του,δθμιουργεί ωσ κφρια υποπαράγωγα τθσ το νερό και τθ κερμότθτα και δευτερευόντωσ οριςμζνα άλλα αζρια (κυρίωσ οξείδια του αηϊτου),τα οποία όμωσ βρίςκονται ςε πολφ μικρζσ ποςότθτεσ ϊςτε να μθν επθρεάηουν ςθμαντικά το περιβάλλον τουσ. Ζτςι το υδρογόνο,μπορεί ςτο μζλλον να αποτελζςει τθν κφρια εναλλακτικι λφςθ για τθν μαηικι παραγωγι ενζργειασ ζναντι των ορυκτϊν καυςίμων,μιασ και αυτι βαςίηεται ςιμερα κυρίωσ ςτθν χρθςιμοποίθςθ αυτϊν (μζςω τθσ καφςθσ τουσ).θ πικανι όμωσ υιοκζτθςι του υδρογόνου ωσ βαςικοφ ενεργειακοφ μζςου ςτο μζλλον, προχποκζτει και τθν ριηικι μεταςτροφι τθσ παγκόςμιασ ενεργειακισ οικονομίασ ςε ζναν καινοφργιο και διαφορετικό τρόπο λειτουργίασ τθσ,ο οποίοσ κα βαςίηεται κατά κφριο λόγο ς αυτό και ςτισ διάφορεσ τεχνολογίεσ του. 3.4) Πλεονεκτιματα του υδρογόνου ζναντι των ςυμβατικϊν πθγϊν ενζργειασ Σε ςχζςθ με οποιοδιποτε ςυμβατικό καφςιμο, το υδρογόνο παρουςιάηει όπωσ ζχουμε πει τθν μεγαλφτερθ ικανότθτα παραγωγισ ενζργειασ ανά μονάδα βάρουσ του,θ οποία ιςοφται περίπου με kj/kg.θ ενζργεια αυτι,είναι τρεισ φορζσ μεγαλφτερθ περίπου από τθν ενζργεια 1 kg ςυμβατικισ βενηίνθσ. 113

114 Κατά τθν καφςθ του (ι κατά τθν θλεκτρόλυςι του μζςα ςε κυψζλεσ καυςίμου),το υδρογόνο παράγει ελάχιςτουσ ρφπουσ,οι οποίοι είναι πολφ λιγότεροι από αυτοφσ που παράγονται κατά τθν καφςθ των ορυκτϊν καυςίμων.πςο περιςςότερο κακαριείναι θ ποςότθτα του υδρογόνου που καίγεται με το οξυγόνο,τόςο λιγότεροι ρφποι εκλφονται κατά τθν καφςθ αυτι.ραρουςία κακαροφ οξυγόνου, θ καφςθ του κακαροφ υδρογόνου παράγει μόνο νερό και κερμότθτα, ενϊ όταν το ςυμμετζχον οξυγόνο αντιδρά ςαν ατμοςφαιρικό παράγονται και οριςμζνα οξείδια του αηϊτου (λόγω τθσ παρουςίασ του αηϊτου ςτον ατμοςφαιρικό αζρα).οι ποςότθτεσ όμωσ αυτζσ είναι πολφ μικρζσ για να επθρεάςουν ςθμαντικά τθν ατμόςφαιρα τθσ γθσ, ακόμα και για μαηικισ κλίμακασ κατανάλωςθ του υδρογόνου. Θ καφςθ (ι θ θλεκτρόλυςθ) του υδρογόνου με τον ατμοςφαιρικό αζρα παράγει ςαν κφριο προϊόν τθσ το νερό.οι ποςότθτεσ όμωσ αυτοφ,όπωσ και οι αντίςτοιχεσ ποςότθτεσ των οξειδίων του αηϊτου,είναι πολφ μικρζσ, ακόμα και για μαηικι κατανάλωςθ του υδρογόνου,ϊςτε να επθρεάςουν ςθμαντικά το γιινο περιβάλλον.εκτόσ από αυτό μια δυνατι μζκοδοσ παραγωγισ του υδρογόνου είναι και θ παραγωγι του μζςω τθσ θλεκτρόλυςθσ του νεροφ,οπότε οι παραπάνω ποςότθτεσ νεροφ που παράγονται από τθ χριςθ του μποροφν να ξαναχρθςιμοποιθκοφν για τθν εκ νζου παραγωγι του, βάηοντασ ζτςι το παραγόμενο από αυτό νερό ςε ζναν θμιανανεϊςιμο κφκλο ηωισ.θ διαδικαςία αυτι αναμζνεται να εφαρμοςτεί ςτα επόμενα χρόνια, με τθν αντίςτοιχθ ανάπτυξθ των εναλλακτικϊν τεχνολογιϊν παραγωγισ του μζςω θλεκτρόλυςθσ (π.χ. χριςθ θλιακισ ι αιολικισ ενζργειασ). Το υδρογόνο είναι το ίδιο ακίνδυνο,από πλευράσ αυκόρμθτθσ ανάφλεξθσ,ςε ςχζςθ με τα υπόλοιπα ςυμβατικά ορυκτά καφςιμα που χρθςιμοποιοφνται ςιμερα (π.χ. βενηίνθ,πετρζλαιο,φυςικό αζριο κ.τ.λ.).μάλιςτα, κατά τθν απουςία ατμοςφαιρικοφ αζρα και υπό ςυνικεισ ςυνκικεσ περιβάλλοντοσ (Τ = 20 o C και P = 1atm), το υδρογόνο είναι λιγότερο εφφλεκτο από αυτά τα καφςιμα, ζχοντασ για κερμοκραςία αυκόρμθτθσ ανάφλεξισ του τουσ 585 o C (αντίςτοιχθ κερμοκραςία αυκόρμθτθσ ανάφλεξθσ τθσ βενηίνθσ,απουςία ατμοςφαιρικοφ αζρα: 230 o C 480 o C). 114

115 Μπορεί να ςυμβάλει ςταδιακά ςτθ μείωςθ του ρυκμοφ κατανάλωςθσ των ορυκτϊν καυςίμων,επιφζροντασ ζτςι ςθμαντικζσ ωφζλειεσ ςτον περιβαλλοντικό,ενεργειακό αλλά και οικονομικό τομζα,μζςω τθσ δθμιουργίασ νζων κζςεων εργαςίασ για τον τελευταίο. Αν και ςε πολλζσ περιπτϊςεισ τα διάφορα ορυκτά καφςιμα χρθςιμοποιοφνται και τα ίδια ςαν πρϊτεσ φλεσ για τθν παραςκευι του υδρογόνου,το ενεργειακό και περιβαλλοντικό όφελοσ που προκφπτει από τθ χρθςιμοποίθςθ του υδρογόνου ωσ φορζα ενζργειασ είναι μεγαλφτερο από το αντίςτοιχο των ορυκτϊν καυςίμων.θ πιο αποδοτικι και ςυμφζρουςα οικονομικά μζκοδοσ παραςκευισ του υδρογόνου αυτι τθ ςτιγμι,βαςίηεται ςτθν αναμόρφωςθ του φυςικοφ αερίου. Το φυςικό αζριο είναι ζνα ορυκτό,το οποίο είναι αρκετά φκθνό,πολφ αποδοτικό και υπάρχει ακόμα ςε μεγάλεσ διακζςιμεσ ποςότθτεσ ςτθ φφςθ. Βεβαίωσ θ χρθςιμοποίθςι του δεν ςθμαίνει ότι δεν κα πρζπει να γίνει αξιοποίθςθ των διαφόρων ΑΡΕ για τθν παραγωγι του υδρογόνου,οι οποίεσ μάλιςτα μελλοντικά κα πρζπει και να το αντικαταςτιςουν ς αυτιν τθ λειτουργία.θ χρθςιμοποίθςι του πάντωσ,αποτελεί ζνα καλό προςωρινό μζτρο για τθν παραγωγι υδρογόνου με περιβαλλοντικά φιλικοφσ τρόπουσ,μζχρισ ότου θ μαηικι χρθςιμοποίθςθ των διαφόρων ΑΡΕ γι αυτόν τον ςκοπό γίνει πραγματικότθτα. Τζλοσ,το υδρογόνο μπορεί να παραςκευαςτεί με πολυάρικμεσ μεκόδουσ και ςε οποιοδιποτε μζροσ τθσ γθσ και επομζνωσ μπορεί να βοθκιςει πολλά κράτθ που είναι φτωχά ςε διακζςιμα κοιτάςματα ορυκτϊν καυςίμων να αναπτφξουν τα δικά τουσ αυτάρκθ και ολοκλθρωμζνα ενεργειακά ςυςτιματα.μζςου αυτοφ τα ςυγκεκριμζνα κράτθ,που ωσ γνωςτόν είναι τα πολυπλθκζςτερα πάνω ςτον πλανιτθ,κα μπορζςουν να αναπτφξουν τισ δικζσ τουσ αυτόνομεσ ενεργειακζσ οικονομίεσ,ξεφεφγοντασ από τον φαφλο κφκλο τθσ ενεργειακισ τουσ εξάρτθςθσ από άλλα κράτθ-προμθκευτζσ τουσ ςε ορυκτά καφςιμα.να αναφερκεί επίςθσ, ότι ςτα πλαίςια τθσ ενεργειακισ ανεξαρτθςίασ που προςφζρει το υδρογόνο ωσ καφςιμο ανικει και θ υψθλι αυτονομία και αυτοδιαχείριςθ που προςφζρει όταν καταναλϊνεται ςτα πλαίςια ενόσ ενεργειακοφ ςυςτιματοσ,θ οποία ςυντελεί ςτο να προφυλάςςεται ικανοποιθτικά το ςφςτθμα αυτό όταν ςτο δίκτυό του ςυμβοφν διάφορεσ καταςτροφζσ λόγω δυςμενϊν γεγονότων (π.χ. πυρκαγιζσ,πλθμμφρεσ,ςειςμοί κ.τ.λ.), αφοφ θ διακοπι τθσ λειτουργίασ μερικϊν τμθμάτων του δεν ζχει οπωςδιποτε ςαν αποτζλεςμα τθν κακολικι του κατάρρευςθ,μιασ και τα διάφορα τμιματα που το αποτελοφν είναι,λίγο ι περιςςότερο ανεξάρτθτα το ζνα με το άλλο. 115

116 3.5) Μειονεκτιματα του υδρογόνου ζναντι των ςυμβατικϊν πθγϊν ενζργειασ Το μεγαλφτερο πρόβλθμα που αντιμετωπίηει ςιμερα το υδρογόνο ςαν καφςιμο,αλλά και γενικότερα ςαν βιομθχανικό προϊόν, είναι αυτό τθσ αποτελεςματικισ και αςφαλοφσ αποκικευςισ του.δεδομζνου ότι το υδρογόνο είναι ζνα ςτοιχείο που ςε αζρια κατάςταςθ είναι πολφ ελαφρφ,θ ςυμπίεςθ μεγάλθσ ποςότθτάσ του ςε πολφ μικροφ μεγζκουσ δεξαμενζσ είναι ακόμα αρκετά δφςκολθ,εξαιτίασ των υψθλϊν πιζςεων που χρειάηονται γι αυτό (ι αντίςτοιχα εξαιτίασ των πολφ χαμθλϊν κερμοκραςιϊν που χρειάηονται για τθν αποκικευςι του ςαν υγρό). Εκτόσ από αυτό,οι ακραίεσ ςυνκικεσ πίεςθσ και κερμοκραςίασ που απαιτοφνται για τθν αζρια ι τθν υγρι του αποκικευςθ, ςυνεπάγονται και τθν κατανάλωςθ μεγάλων ποςοτιτων ενζργειασ για τθν επίτευξι τουσ,με αποτζλεςμα θ αζρια ι θ υγρι αποκικευςθ του υδρογόνου να είναι αρκετά δαπανθρι ςαν μζκοδοσ αποκικευςισ του. Για τον λόγο αυτό και θ ζρευνα που γίνεται ςιμερα πάνω ςτθν αποκικευςθ του υδρογόνου ζχει ςτραφεί προσ νζεσ τεχνικζσ μεκόδουσ,οι οποίεσ αφενόσ ζχουν ςαν πεδίο αναφοράσ τουσ τθν αποκικευςι του ςε νανοδομθμζνα υλικά (αφξθςθ τθσ ποςότθτασ αποκικευςισ του) και ςτθν δζςμευςι του από ςτερεά υλικά τα οποία το αποκθκεφουν ςτθ μάηα τουσ με τθ μορφι ςτερεοφ (προςροφθμζνο ι απορροφθμζνο μεταξφ των ςτερεϊν τουσ μορίων). Θ ςτερει αποκικευςθ του υδρογόνου ςτα ςυγκεκριμζνα υλικά, ζχει ςαν αποτζλεςμα να μειϊνονται δραματικά οι ακραίεσ ςυνκικεσ πίεςθσ και κερμοκραςίασ που απαιτοφνται κατά τθν αποκικευςι του ςαν υγρό ι ςαν αζριο. Ζνα άλλο ςθμαντικό πρόβλθμα που αντιμετωπίηει το υδρογόνο ςαν καφςιμο παραγωγισ ενζργειασ είναι και το γεγονόσ,ότι το παγκόςμιο δίκτυο διανομισ του προσ το παρόν δεν υφίςταται,με αποτζλεςμα να μθν μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςε μαηικι κλίμακα και από όλεσ τισ χϊρεσ του κόςμου.επιπλζον,λόγω τθσ ανυπαρξίασ του δικτφου διανομισ του,το κόςτοσ ανεφοδιαςμοφ του υδρογόνου ςε παγκόςμια κλίμακα παραμζνει ακόμα υψθλό,μιασ και οι διάφορεσ τεχνολογίεσ παραγωγισ του μζςω ΑΡΕ δεν ζχουν εξελιχκεί ακόμα ςε ικανοποιθτικό βακμό. Το γεγονόσ όμωσ αυτό αναμζνεται να αλλάξει ςτο μζλλον,όςο θ κατανάλωςι του ςαν καφςιμο κα αρχίςει να αυξάνεται και όςο θ παραγωγι του από ΑΡΕ κα γίνεται όλο και περιςςότερο φκθνότερθ. 116

117 Ζνα τελευταίο πρόβλθμα που αντιμετωπίηει ςιμερα το υδρογόνο ςαν καφςιμο μαηικισ παραγωγισ ενζργειασ,είναι και το αυξθμζνο κόςτοσ των διαφόρων ενεργειακϊν διατάξεων που χρθςιμοποιοφνται για τθν αξιοποίθςι του ςαν καφςιμο (των κυψελϊν καυςίμου και των ΜΕΚ υδρογόνου).θ τεχνολογία των διατάξεων αυτϊν, προσ το παρόν, δε μπορεί ακόμα να κεωρθκεί ολοκλθρωτικά αξιόπιςτθ,μιασ και κατά τθν εφαρμογι τουσ παρουςιάηονται οριςμζνα τεχνικά και οικονομικισ φφςθσ προβλιματα που δεν κακιςτοφν ικανι τθ μαηικι χρθςιμοποίθςι τουσ.για παράδειγμα, διάφορεσ κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου (π.χ. κυψζλεσ καυςίμου για οικιακι ι μεταφορικι χριςθ), εμφανίηουν ακόμα αρκετά προβλιματα μθ ανοχισ ςε μι κακαρά υδρογονοφχα καφςιμα,δθλαδι ςε υδρογονοφχα καφςιμα που δεν περιζχουν το υδρογόνο ςε μεγάλεσ περιεκτικότθτεσ (ωσ γνωςτόν οι κυψζλεσ αυτζσ μποροφν να λειτουργιςουν και με μθ κακαρό υδρογόνο π.χ. μεκανόλθ, αικανόλθ κ.τ.λ.). Αυτό με τθ ςειρά του αυξάνει το κόςτοσ χριςθσ τουσ,λόγω τθσ ανάγκθσ παραγωγισ κακαροφ υδρογόνου για μζγιςτθ αποδοτικι λειτουργία τουσ,με αποτζλεςμα οι ςυγκεκριμζνεσ κυψζλεσ καυςίμου να μθν είναι ακόμα αρκετά ανταγωνιςτικζσ ςε ςχζςθ με τισ αντίςτοιχεσ ςυμβατικζσ διατάξεισ ορυκτϊν καυςίμων που χρθςιμοποιοφνται ςιμερα για τθν παραγωγι ενζργειασ και να μθν χρθςιμοποιοφνται ακόμα ευρζωσ. Επιπλζον,ζνα ακόμα αδφνατο ςθμείο των κυψελϊν αυτϊν είναι, ότι τα υλικά που χρθςιμοποιοφνται για τθν καταςκευι διαφόρων μθχανικϊν μερϊν είναι ςχετικά ακριβά με αποτζλεςμα το κόςτοσ χριςθσ τουσ να αυξάνει ακόμα περιςςότερο.από τθν άλλθ μεριά, τόςο ςτον τομζα τθσ κακαρότθτασ των καυςίμων τουσ, όςο και ςτον τομζα των υλικϊν καταςκευισ, οι ολοζνα και περιςςότερεσ ανακαλφψεισ που γίνονται ςιμερα από τουσ επιςτιμονεσ που αςχολοφνται με το ςυγκεκριμζνο πεδίο δείχνουν,ότι ςτο μζλλον οι απόγονεσ ενεργειακζσ διατάξεισ τουσ κα ζχουν αντιμετωπίςει τα περιςςότερα από τα προβλιματα αντιμετωπίηουν ςιμερα. 117

118 3.6 Κυψζλεσ Καυςίμου Μια κυψζλθ καυςίμου αποτελείται από ζνα αρνθτικά φορτιςμζνο θλεκτρόδιο (άνοδοσ), ζνα κετικά φορτιςμζνο θλεκτρόδιο (κάκοδοσ) και μια μεμβράνθ θλεκτρολφτθ. Το υδρογόνο οξειδϊνεται ςτθν άνοδο και το οξυγόνο ανάγεται ςτθν κάκοδο. Τα πρωτόνια περνοφν από τθν άνοδο ςτθν κάκοδο μζςα από τθν θλεκτρολυτικι μεμβράνθ, και τα θλεκτρόνια οδθγοφνται ςτθν κάκοδο μζςω ενόσ εξωτερικοφ κυκλϊματοσ. Στθ φφςθ τα μόρια δεν μποροφν να μείνουν ςε ιονιςμζνθ κατάςταςθ, ζτςι αμζςωσ επαναςυνδζονται με άλλα μόρια ϊςτε να επιςτρζψουν ςε ουδζτερθ κατάςταςθ. Στισ κυψζλεσ καυςίμου τα πρωτόνια του υδρογόνου παραμζνουν ςε ιονιςμζνθ κατάςταςθ κακϊσ ταξιδεφουν από μόριο ςε μόριο μζςω τθσ χριςθσ ειδικϊν υλικϊν. Τα πρωτόνια ταξιδεφουν μζςα από τθν μεμβράνθ πολυμεροφσ θ οποία είναι φτιαγμζνθ από ομάδεσ κειικοφ οξζοσ με βάςθ από Teflon. 118

119 Τα θλεκτρόνια ελκφονται από αγϊγιμα υλικά και ταξιδεφουν προσ το φορτίο όταν χρειάηεται. Στθν κάκοδο, το οξυγόνο αντιδρά με τα πρωτόνια και τα θλεκτρόνια, ςχθματίηοντασ νερό και παράγοντασ κερμότθτα. Θ άνοδοσ και θ κάκοδοσ περιζχουν ζναν καταλφτθ για να επιταχφνει τισ θλεκτροχθμικζσ αντιδράςεισ Τα αντιδρϊντα μεταφζρονται μζςω διάχυςθσ ςτθν επιφάνεια του θλεκτροδίου με τον καταλφτθ, όπου θ θλεκτροχθμικζσ αντιδράςεισ κα λάβουν χϊρα. Το νερό και οι απϊλειεσ κερμότθτασ που παράγονται από τθν κυψζλθ, πρζπει να απομακρφνονται ςυνεχϊσ και μπορεί να αποτελζςουν ςθμαντικά κζματα για τισ PEM κυψζλεσ καυςίμου. Μια PEM ςτοίβα από κυψζλεσ καυςίμου αποτελείται από μια μεμβράνθ ανταλλαγισ πρωτονίων, τα ςτρϊματα του καταλφτθ και διάχυςθσ των αερίων, τισ πλάκεσ ροισ, τισ τςιμοφχεσ κακϊσ και τισ τερματικζσ πλάκεσ ) Πλεονεκτιματα κυψελϊν καυςίμου Ζχουν τθ δυνατότθτα για υψθλι απόδοςθ λειτουργίασ. Υπάρχουν πολλοί τφποι πθγϊν καυςίμου, και μζκοδοι για παροχι καυςίμου ςε μια κυψζλθ. Ζχουν πολφ προςαρμόςιμο ςχεδιαςμό. Δεν παράγουν ρφπουσ. Ζχουν λίγθ ςυντιρθςθ κακϊσ δεν ζχουν κινοφμενα μζρθ. Δεν χρειάηονται επαναφόρτιςθ, και παρζχουν ενζργεια απευκείασ όταν τροφοδοτοφνται με καφςιμο. 119

120 3.6.2) Περιοριςμοί που είναι κοινοί ςε όλα τα ςυςτιματα κυψελϊν καυςίμου Οι κυψζλεσ είναι ακριβζσ επειδι χρειάηονται υλικά με ςυγκεκριμζνεσ ιδιότθτεσ. Υπάρχει ζνα κζμα με τθν εφρεςθ φκθνϊν αναλϊςιμων. Αυτό ςυμπεριλαμβάνει τθν ανάγκθ για πλατίνα και Nafion. Θ διαδικαςία μεταςχθματιςμοφ του καυςίμου μπορεί να είναι δαπανθρι κ δφςκολθ και χρειάηεται ενζργεια για να γίνει. Εάν χρθςιμοποιθκεί ζνα άλλο καφςιμο αντί του υδρογόνου, θ λειτουργία μειϊνεται ςταδιακά με το χρόνο εξαιτίασ τθσ υποβάκμιςθσ του καταλφτθ και του δθλθτθριαςμοφ του θλεκτρολφτθ. Θ παραγωγι, θ μεταφορά, θ διανομι και θ αποκικευςθ του υδρογόνου παρουςιάηουν πολλζσ δυςκολίεσ αφοφ το αζριο υδρογόνο ζχει πολφ μεγάλο όγκο και αποκθκεφεται δφςκολα. Ακόμα και το υγρό υδρογόνο ζχει μεγάλο όγκο. Οπότε τα ςυςτιματα υποςτιριξθσ των κυψελϊν καυςίμου είναι ογκϊδθ, βαριά και για τθ δθμιουργία τουσ απαιτοφνται τεράςτια κεφάλαια ) Σα είδθ των κυψελϊν καυςίμου Οι κυψζλεσ καυςίμου κατθγοριοποιοφνται ανάλογα με τον τφπο του θλεκτρολφτθ που χρθςιμοποιοφν ωσ ακολοφκωσ: α) Αλκαλικζσ κυψζλεσ καυςίμου (AFC), όπου χρθςιμοποιείται ΚΟΘ ωσ θλεκτρολφτθσ ςε ςυγκζντρωςθ 85 wt% όταν θ κυψζλθ λειτουργεί ςε κερμοκραςία 250 ο C και ςε ςυγκζντρωςθ wt% για κερμοκραςίεσ μικρότερεσ των 120 ο C. Τζτοιου είδουσ κυψζλεσ καυςίμου χρθςιμοποιικθκαν ςτο διαςτθμικό πρόγραμμα Apollo. 120

121 β) Κυψζλεσ καυςίμου μεμβράνθσ ανταλλαγισ πρωτονίων (PEMFC), όπου χρθςιμοποιείται πολυμερζσ περφλουροςουλφιδικό οξφ ωσ θλεκτρολφτθσ. Ο καταλφτθσ αποτελείται από πλατίνα που εναποτίκεται ςε ςτρϊμα άνκρακα. Εάν θ τροφοδοςία με υδρογόνο περιζχει μζρθ μονοξειδίου του άνκρακα, τότε χρθςιμοποιοφνται κράματα Pt Ru ωσ καταλφτεσ. Θ κερμοκραςία λειτουργίασ αυτϊν των κυψελϊν κυμαίνεται μεταξφ 60 και 80 ο C. Τα PEMFC είναι ιδιαίτερα ανταγωνιςτικά για εφαρμογζσ ςτθν αυτοκίνθςθ, αλλά και ςε ςτακμοφσ θλεκτρικισ ενζργειασ μικρισ κλίμακασ για κατανεμθμζνθ παραγωγι. γ) Κυψζλεσ καυςίμου φωςφορικοφ οξζωσ (PAFC), όπου χρθςιμοποιείται φωςφορικό οξφ ωσ θλεκτρολφτθσ. Θ κερμοκραςία λειτουργίασ τουσ κυμαίνεται μεταξφ 150 και 220 ο C. Τα PAFC ζχουν ειςζλκει ςτθν παγκόςμια αγορά ςε ςτακμοφσ βάςθσ με ιςχφ τθσ τάξεωσ των 200 kw. δ) Κυψζλεσ καυςίμου τιγματοσ ανκρακικϊν αλάτων (MCFC), ςτισ οποίεσ ο θλεκτρολφτθ αποτελείται από ανκρακικά αλκάλια μζςα ςε μία κεραμικι μιτρα από LiAlO 2. Οι κερμοκραςίεσ λειτουργίασ βρίςκονται μεταξφ 600 και 700 ο C. Σε τόςο υψθλζσ κερμοκραςίεσ δεν απαιτοφνται ευγενι μζταλλα ωσ καταλφτεσ. Αυτοφ του τφπου κυψζλεσ καυςίμου ζχουν εφαρμοςτεί ςε πειραματικοφσ ςτακμοφσ βάςθσ παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ. ε) Κυψζλεσ καυςίμου ςτερεοφ οξειδίου (SOFC), ςτισ οποίεσ χρθςιμοποιείται ζνα μθ πορϊδεσ ςτερεό οξείδιο ωσ θλεκτρολφτθσ. Αυτζσ οι κυψζλεσ λειτουργοφν ςτουσ 800 με 1000 ο C, ςτισ οποίεσ ζχουμε αγωγι ιόντων οξυγόνου. Τα SOFC, όμοια με τα MCFC, χρθςιμοποιοφνται ςε πειραματικοφσ ςτακμοφσ βάςθσ παραγωγισ αλλά και ςε φορθτζσ μονάδεσ ωσ βοθκθτικι πθγι ςε οχιματα.ρολλζσ φορζσ οι κυψζλεσ καυςίμου μεκανόλθσ (DMFC) αποτελοφν ξεχωριςτι κατθγορία, αλλά με βάςθ τα ανωτζρω κριτιρια (το είδοσ του θλεκτρολφτθ) εμπεριζχονται ςτισ κυψζλεσ καυςίμου μεμβράνθσ ανταλλαγισ πρωτονίων, όπου αντί ωσ καφςιμο χρθςιμοποιοφν μεκανόλθ αντί για υδρογόνο. 121

122 3.6.4) Απόδοςθ κυψελϊν καυςίμου ) Θεωρθτικι προςζγγιςθ τθσ απόδοςισ τουσ Γενικά, για μια οποιαδιποτε μθχανι παραγωγισ ενζργειασ (και επομζνωσ και για μια οποιαδιποτε κυψζλθ καυςίμου),ζνα από τα βαςικότερα ςτοιχεία που χαρακτθρίηουν τθν αποδοτικότθτά τθσ ςε παραγωγι ενζργειασ και ιςχφοσ,αποτελεί ο λεγόμενοσ πρακτικόσ (ι πραγματικόσ) βακμόσ απόδοςισ τθσ.ο πρακτικόσ βακμόσ απόδοςθσ κάκε ενεργειακισ μθχανισ,παριςτάνει το ποςοςτό τθσ ςυνολικισ ιςχφοσ που καταναλϊνει θ ενεργειακι αυτι μθχανι ςτθν είςοδό τθσ και ςτθ ςυνζχεια τθ μετατρζπει ςε ωφζλιμθ ιςχφ ςτθν ζξοδό τθσ.θ γνϊςθ του πρακτικοφ βακμοφ απόδοςθσ κάκε ενεργειακισ μθχανισ είναι πολφ χριςιμθ,αφοφ μζςω αυτισ μπορεί να αξιολογθκεί θ πρακτικι τθσ ςυμπεριφορά ςε ικανότθτα παραγωγισ ιςχφοσ. Ρολλζσ φορζσ όμωσ, είναι εξίςου ςθμαντικι και θ γνϊςθ του λεγόμενου κεωρθτικό βακμοφ απόδοςθσ κάκε ενεργειακισ μθχανισ,δθλαδι του μζγιςτου ποςοςτοφ τθσ ιςχφοσ ειςόδου αυτισ,το οποίο κεωρθτικά μπορεί να μετατραπεί ςε ωφζλιμθ ιςχφσ ςτθν ζξοδό τθσ. Κατά τθν εξζταςθ του κεωρθτικοφ βακμοφ απόδοςθσ κάκε ενεργειακισ μθχανισ,κεωροφμε πάντοτε ότι αυτι λειτουργεί με ιδανικό τρόπο, ακολουκϊντασ πιςτά τουσ νόμουσ τθσ κερμοδυναμικισ κατά τθν ενεργειακι τθσ παραγωγι.αυτό ςθμαίνει,ότι θ ενεργειακι μθχανι που εξετάηουμε αποτελεί μια ιδεατι ενεργειακι μθχανι,θ οποία λειτουργεί χωρίσ κάποιεσ απϊλειεσ ιςχφοσ προσ το περιβάλλον τθσ (αντίκετα,κατά τθν πραγματικι τθσ λειτουργία,κάκε ενεργειακι μθχανι παρουςιάηει πάντοτε οριςμζνεσ απϊλειεσ ιςχφοσ είτε π.χ. λόγω τριβϊν ςτο εςωτερικό τθσ και με το περιβάλλον τθσ,είτε λόγω απαγωγισ κερμότθτασ από το εςωτερικό τθσ,είτε λόγω εμφάνιςθσ κρουςτικϊν φαινόμζνων κατά τθ λειτουργία τθσ κ.α.). Αποτζλεςμα αυτισ τθσ μθ φπαρξθσ κάποιων απωλειϊν ιςχφοσ κατά τον ιδανικό τρόπο λειτουργίασ μιασ ενεργειακισ μθχανισ είναι,θ ιςχφσ και ενζργεια που παράγεται από ςτθν ζξοδό τθσ να είναι κατά τι μεγαλφτερθ από τθν ιςχφ και ενζργειά τθσ που παράγεται κατά τθν πραγματικι τθσ λειτουργία. Το γεγονόσ αυτό προκφπτει και κατά τθ ςφγκριςθ του κεωρθτικοφ με τον πραγματικό βακμό τθσ απόδοςισ τθσ,μιασ και ο πρϊτοσ προκφπτει πάντα μεγαλφτεροσ από τον δεφτερο. 122

123 Θ εξζταςθ του κεωρθτικοφ βακμοφ απόδοςθσ μιασ ενεργειακισ μθχανισ μασ βοθκάει να αξιολογιςουμε τισ (κεωρθτικζσ) μζγιςτεσ δυνατότθτεσ αυτισ ςε παραγωγι ιςχφοσ,ζτςι ϊςτε να βελτιϊςουμε τθν απόδοςθ ιςχφοσ τθσ και ςτθν πραγματικι τθσ λειτουργία.αυτό επιτυγχάνεται με τθν κατάλλθλθ τροποποίθςθ των εςωτερικϊν μθχανικϊν μερϊν τθσ και τθν ςυνεχόμενθ ςφγκριςθ του πραγματικοφ βακμοφ απόδοςισ τθσ που προκφπτει από αυτι τθ μετατροπι,με τον μζγιςτο (κεωρθτικό) βακμό τθσ απόδοςισ τθσ.στθ διαδικαςία αυτι, θ γνϊςθ του μζγιςτου κεωρθτικοφ βακμοφ απόδοςισ τθσ ςτθν ουςία βοθκάει ςτθν αποτελεςματικι προςζγγιςθ τθσ πραγματικισ τθσ λειτουργίασ με αυτι τθσ κεωρθτικισ τθσ,μιασ και προχποκζτει τθν καλι γνϊςθ των ενεργειακϊν διεργαςιϊν που ςυμβαίνουν ςτο εςωτερικό τθσ πρακτικά και τθ ςφγκριςθ αυτϊν με τθν πραγματικι τθσ λειτουργία. Με βάςθ τα παραπάνω,ςτθ ςυνζχεια ςτθν παροφςα και ςτθν επόμενθ ενότθτα,κα ςυγκρίνουμε τον ιδανικό και τον πραγματικό τρόπο λειτουργίασ μιασ τυχαίασ ενεργειακισ μθχανισ που λειτουργεί με κυψζλεσ καυςίμου με τον ιδανικό και τον πραγματικό τρόπο λειτουργίασ μιασ οποιαςδιποτε κερμικισ μθχανισ παραγωγισ ενζργειασ μζςω μθχανικοφ ζργου θ οποία τροφοδοτείται από κάποιο ορυκτό καφςιμο.θ ςφγκριςθ αυτι κα γίνει μζςω των πραγματικϊν και των κεωρθτικϊν βακμϊν απόδοςθσ των δφο μθχανϊν. Ππωσ υποδεικνφει το 2ο κερμοδυναμικό κεϊρθμα του Carnot,για κάκε ιδανικι κερμικι ενεργειακι μθχανι παραγωγισ ενζργειασ μζςω ζργου υπάρχει ζνα μζγιςτο όριο ςτθν κεωρθτικι απόδοςθ αυτισ.αυτό ςθμαίνει,ότι κατά τθν ιδανικι τθσ λειτουργία,θ κερμικι αυτι μθχανι δεν μπορεί να μετατρζψει εξ ολοκλιρου το ποςό τθσ κερμότθτασ που καταναλϊνει ςτθν είςοδό τθσ ςε μθχανικό ζργο ςτθν ζξοδό τθσ. Αιτία γι αυτό αποτελεί το γεγονόσ,ότι θ ιδανικι αυτι μθχανι πρζπει κατά τθ λειτουργία τθσ να αποβάλλει ζνα μζροσ τθσ κερμότθτασ ειςόδου τθσ προσ το περιβάλλον υπό τθ μορφι των κερμικϊν απωλειϊν. Μακθματικά,το κεϊρθμα αυτό εκφράηεται με τθν εξισ γνωςτι ςχζςθ: n= 123

124 Θ ςχζςθ αυτι υπολογίηει τον κεωρθτικό βακμό απόδοςθσ μιασ ιδανικισ κερμικισ μθχανισ ςυναρτιςει δφο χαρακτθριςτικϊν κερμοκραςιϊν λειτουργίασ τθσ (των T1 και T2). Από τισ δφο αυτζσ κερμοκραςίεσ,θ T1 ςυμβολίηει τθν κερμοκραςία τθσ κερμισ δεξαμενισ τθσ ιδανικισ αυτισ κερμικισ μθχανισ,από τθν οποία αντλεί κερμότθτα ςτθν είςοδό τθσ. Θ κερμοκραςία T2 (για τθν οποία πάντοτε ιςχφει Τ2 < Τ1),ςυμβολίηει τθ κερμοκραςία τθσ ψυχρισ δεξαμενισ τθσ ςτθν οποία αυτι αποβάλλει ζνα μζροσ τθσ κερμότθτασ ειςόδου τθσ,τθν οποία είχε αντλιςει από τθν κερμι δεξαμενι τθσ. Από τθ ςυγκεκριμζνθ ςχζςθ μποροφμε να ςυμπεράνουμε, ότι όςο μεγαλφτερθ γίνεται θ διαφορά μεταξφ των δφο χαρακτθριςτικϊν κερμοκραςιϊν λειτουργίασ Τ1 και Τ2 τθσ ιδανικισ κερμικισ μθχανισ, δθλαδι αντίςτοιχα όςο περιςςότερο απζχει θ κερμοκραςία Τ1 τθσ κερμισ δεξαμενισ τθσ από τθ κερμοκραςία Τ2 τθσ ψυχρισ τθσ, τόςο μικρότεροσ γίνεται ο κεωρθτικόσ βακμόσ τθσ απόδοςισ τθσ. Αυτό προφανϊσ ςυνεπάγεται, ότι οποιαδιποτε ιδανικι κερμικι μθχανι παρουςιάηει αναγκαςτικά ζνα κεωρθτικό μζγιςτο όριο ςτθν αποδοτικότθτά τθσ, μιασ και ο κεωρθτικόσ βακμόσ τθσ απόδοςισ τθσ δεν μπορεί να γίνει ποτζ ίςοσ με 1 (δθλαδι ίςοσ με 100%). Αντίκετα,ςτθν περίπτωςθ μιασ ιδανικισ ενεργειακισ μθχανισ που λειτουργεί με κυψζλεσ καυςίμου,ο κεωρθτικόσ βακμόσ τθσ απόδοςισ τθσ ουςιαςτικά δεν περιορίηεται άνω από κάποιο μζγιςτο όριο και γι αυτό μπορεί κεωρθτικά να γίνει ίςοσ με τθ μονάδα. Αυτό γιατί,αντίκετα με μία ιδανικι κερμικι μθχανι,κάκε ιδανικι ενεργειακι μθχανι κυψελϊν καυςίμου δεν εμπεριζχει τθ μετατροπι κάποιου ποςοφ κερμότθτασ ςε μθχανικό ζργο κατά τθ λειτουργία τθσ,δθλαδι δεν υφίςταται κερμικζσ απϊλειεσ κατ αυτι προσ το περιβάλλον τθσ.αυτό ζχει ςαν αποτζλεςμα θ διαφορά των δφο χαρακτθριςτικϊν κερμοκραςιϊν λειτουργίασ τθσ Τ1 και Τ2 να μπορεί κεωρθτικά να γίνει οςοδιποτε μεγάλθ,με αποτζλεςμα ο κεωρθτικόσ βακμόσ τθσ απόδοςισ να προςεγγίηει τθ μονάδα. Στθ πράξθ βζβαια,όπωσ κα δοφμε και ςτθ ςυνζχεια,κατά τθν πραγματικι λειτουργία μιασ ενεργειακισ μθχανισ κυψελϊν καυςίμου, ο πρακτικόσ βακμόσ απόδοςθσ αυτισ δεν προκφπτει ποτζ τόςο μεγάλοσ, μιασ και εμφανίηονται πάντοτε κάποιεσ απϊλειεσ ιςχφοσ προσ το περιβάλλον τθσ (οι οποίεσ οφείλονται κατά κφριο λόγο ςε περιφερειακζσ απϊλειζσ τθσ κατά τον ενεργειακό κφκλο λειτουργίασ τθσ). 124

125 Ραρολαυτά,εξαιτίασ τθσ μθ φπαρξθσ ουςιαςτικϊν κερμικϊν απωλειϊν προσ το περιβάλλον τουσ,οι πραγματικζσ μθχανζσ κυψελϊν καυςίμου παρουςιάηουν γενικά μεγαλφτερα όρια ανοχισ ςε χαμθλζσ κερμοκραςίεσ ειςόδου ςε ςχζςθ με τισ πραγματικζσ ενεργειακζσ κερμικζσ μθχανζσ (οι οποίεσ,όπωσ γνωρίηουμε,φτάνουν μζχρι και τουσ 50 o C),γεγονόσ το οποίο τισ κακιςτά περιςςότερο ικανζσ από αυτζσ ςε παραγωγι μεγάλων ωφζλιμων ιςχφων εξόδου τουσ και μεγαλφτερων πραγματικϊν βακμϊν απόδοςισ τουσ ςε ςχζςθ μ αυτζσ ) Πρακτικι προςζγγιςθ τθσ απόδοςισ τουσ Στθ ςυνζχεια κα εξετάςουμε τθν απόδοςθ ιςχφοσ που παρουςιάηουν οι διάφορεσ κυψζλεσ καυςίμου ςτθν πράξθ,κατά τθν εφαρμογι τουσ ςε διάφορεσ μθχανικζσ διατάξεισ παραγωγισ ενζργειασ.θ απόδοςι τουσ αυτι κα ςυγκρικεί με τθν πραγματικι απόδοςθ ιςχφοσ που παρουςιάηουν οι διάφορεσ κερμικζσ μθχανζσ παραγωγισ ενζργειασ ορυκτϊν καυςίμων ςτθ πράξθ,όταν λειτουργοφν ςτισ ίδιεσ ςυνκικεσ περιβάλλοντοσ μ αυτζσ. Ασ κεωριςουμε ζτςι ζνα πραγματικό μεταφορικό όχθμα υδρογόνου το οποίο τροφοδοτείται από κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου που ανικουν ςε κάποιο ςυνθκιςμζνο τφπο τουσ (π.χ. κυψζλεσ καυςίμου PEMFC). Πταν το όχθμα αυτό καταναλϊςει κακαρό υδρογόνο αποδεικνφεται,ότι ο βακμόσ απόδοςθσ τθσ θλεκτρικισ ιςχφοσ των κυψελϊν καυςίμου του κα ανζλκει ςε υψθλά ποςοςτά,τα οποία κυμαίνονται μζχρι το 80% περίπου.ο υψθλόσ όμωσ αυτόσ βακμόσ απόδοςθσ τθσ ιςχφοσ ςτθ ςυνζχεια κα μειωκεί αρκετά,κατά τθ μετατροπι παραγόμενθσ θλεκτρικισ ενζργειασ ςε μθχανικι,μζςα ςτα διάφορα εςωτερικά μζρθ του οχιματοσ που εξετάηουμε.το φαινόμενο αυτό οφείλεται κυρίωσ ςτισ υψθλζσ τριβζσ που αναπτφςςουν τα μζρθ αυτά μεταξφ τουσ κατά τθ λειτουργία τουσ και τθν μετατροπι τθσ ιςχφοσ. Εκτόσ όμωσ από αυτό,ςε ζνα πραγματικό όχθμα κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου,ο αρχικά υψθλόσ βακμόσ απόδοςθσ τθσ θλεκτρικισ ιςχφοσ του μειϊνεται περαιτζρω και λόγω τθσ απαγωγισ κερμότθτασ που παρατθρείται από το εςωτερικό του,εξαιτίασ τθσ μικρισ κερμοκραςιακισ διαφοράσ που παρουςιάηει ςυνικωσ με το εξωτερικό του περιβάλλον.θ μείωςθ βζβαια αυτι είναι πολφ μικρότερθ από αυτι εξαιτίασ των τριβϊν,μιασ και θ κερμοκραςιακι διαφορά είναι, όπωσ είπαμε,ςχετικά μικρι. 125

126 Κα πρζπει επίςθσ να ποφμε,ότι τα περιςςότερα οχιματα κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου που ζχουν καταςκευαςτεί μζχρι ςιμερα και χρθςιμοποιοφνται,δεν ζχουν τθν δυνατότθτα να καταναλϊνουν απευκείασ κακαρό υδρογόνο (λόγω τθσ αδυναμίασ αποκικευςισ του με κάποια μζκοδο αποκικευςθσ εκτόσ τθσ αζριασ και τθσ υγρισ),αλλά αντίκετα λειτουργοφν με οριςμζνα υδρογονοφχα καφςιμα τα οποία απαιτοφν ζναν αναμορφωτι καυςίμου (reformer) για να μετατραποφν ςε κακαρό υδρογόνο και να καταναλωκοφν ςτθ ςυνζχεια ςτισ κυψζλεσ καυςίμου.για τον λόγο αυτό, ο υψθλόσ βακμόσ απόδοςθσ τθσ θλεκτρικισ ιςχφοσ που παράγεται από τισ κυψζλεσ καυςίμου τουσ αναμζνεται ότι κα μειωκεί κι άλλο,εξαιτίασ τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ που δαπανάται ςτον αναμορφωτι τουσ προκειμζνου να μετατρζψει τα υδρογονοφχα τουσ καφςιμα ςε κακαρό υδρογόνο. Ππωσ αποδεικνφεται ςτθ πράξθ,ο τελικόσ ςυνολικόσ βακμόσ απόδοςθσ ιςχφοσ ενόσ οποιουδιποτε μεταφορικοφ οχιματοσ κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου με κυψζλεσ καυςίμου,δεν μπορεί να υπερβεί το 25% με 35% περίπου.αυτό ςθμαίνει, ότι ο αρχικά πολφ υψθλόσ θλεκτρικόσ βακμόσ απόδοςθσ των κυψελϊν καυςίμου ενόσ μεταφορικοφ οχιματοσ υδρογόνου μειϊνεται κατά 45% με 55% περίπου κατά τθν μετατροπι τθσ ιςχφοσ ςε ωφζλιμθ ενζργεια του οχιματοσ, γεγονόσ το οποίο οφείλεται κυρίωσ ςτισ αυξθμζνεσ απϊλειεσ ενζργειασ που παρατθροφνται μζςα ςτο όχθμα αυτό, όταν αυτι μετατρζπεται από θλεκτρικι ςε μθχανικι ςτα εςωτερικά μθχανικά του μζρθ. Ασ κεωριςουμε τϊρα ζνα άλλο ρεαλιςτικό μεταφορικό όχθμα,όμοιασ καταςκευισ με το μεταφορικό όχθμα του υδρογόνου που εξετάςαμε,το οποίο όμωσ τροφοδοτείται από μία ΜΕΚ ενόσ ορυκτοφ καυςίμου (π.χ. ςυμβατικισ βενηίνθσ),δθλαδι από ζναν κινθτιρα εςωτερικισ καφςθσ αυτοφ.το μεταφορικό αυτό όχθμα λειτουργεί υπό τισ ίδιεσ ςυνκικεσ περιβάλλοντοσ με το προθγοφμενο όχθμα (πίεςθ, κερμοκραςία, μορφολογία εδάφουσ κ.τ.λ.),ζτςι ϊςτε να είναι δυνατι θ ςφγκριςι του μ αυτό. Στο δεφτερο αυτό όχθμα εμφανίηονται,ωσ γνωςτόν,αρκετά αυξθμζνεσ απϊλειεσ ενζργειασ λόγω τθσ κερμότθτασ που εκλφεται από το εςωτερικό του προσ το περιβάλλον και θ οποία προζρχεται από τθν υψθλι κερμικι ενζργεια που παράγεται κατά τθν καφςθ του ορυκτοφ του καυςίμου (τθσ ςυμβατικισ βενηίνθσ ςτθ ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ). Οι αυξθμζνεσ αυτζσ απϊλειεσ ενζργειασ ζχουν προφανϊσ ςαν αποτζλεςμα να μειϊνεται ςθμαντικά θ αποδοτικότθτά του ςε παραγωγι ιςχφοσ,πωσ κα δοφμε και παρακάτω. 126

127 Στο δεφτερο αυτό όχθμα παρατθροφνται επίςθσ και κάποιεσ απϊλειεσ ενζργειασ λόγω τθσ τριβισ που αναπτφςςεται μεταξφ των διαφόρων μθχανικϊν μερϊν του κινθτιρα του αλλά και λόγω τθσ επιπλζον ενζργειασ που δαπανάται ςε διάφορα μζρθ του κινθτιρα του προκειμζνου να μπορζςει να λειτουργιςει αποτελεςματικά (π.χ. ανεμιςτιρεσ,αντλίεσ κ.τ.λ.). Ππωσ μπορεί να αποδειχτεί μετά από πειραματικζσ μετριςεισ,ζνα οποιοδιποτε ρεαλιςτικό μεταφορικό όχθμα με ΜΕΚ ςυμβατικισ βενηίνθσ δεν μπορεί να παρουςιάςει τελικό ςυνολικό βακμό απόδοςθσ ιςχφοσ μεγαλφτερο από 20% περίπου,δθλαδι υπολείπεται ςε αποδοτικότθτα ιςχφοσ ςε ςχζςθ με το μεταφορικό όχθμα των κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου κατά 5% με 15% περίπου. Από τα δφο παραπάνω πρακτικά παραδείγματα των μεταφορικϊν οχθμάτων που εκτζκθκαν μπορεί ςυγκεντρωτικά να εξαχκεί το ςυμπζραςμα,ότι το μεταφορικό όχθμα κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου εμφανίηει από τθ μία ελαφρϊσ μεγαλφτερθ αποδοτικότθτα ιςχφοσ ςε ςχζςθ με το μεταφορικό όχθμα ΜΕΚ ςυμβατικισ βενηίνθσ,αλλά όχι τόςο μεγαλφτερθ ϊςτε να δικαιολογείται θ απευκείασ χρθςιμοποίθςι του ζναντι αυτοφ.το ςυμπζραςμα αυτό ιςχφει γενικότερα και για τα περιςςότερα από τα υπόλοιπα ενεργειακά ςυςτιματα κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου,ςυγκρινόμενα με τα περιςςότερα από τα υπόλοιπα ενεργειακά ςυςτιματα με ΜΕΚ,όχι μόνο ςυμβατικισ βενηίνθσ, αλλά και των λοιπϊν ορυκτϊν καυςίμων (π.χ.πετρζλαιο,φυςικό αζριο, γαιάνκρακασ (λιγότερο) κ.τ.λ.).θ διαφορά ςε αποδοτικότθτα ιςχφοσ που παρατθρείται ς αυτά,δεν είναι ςυνικωσ τόςο μεγάλθ ϊςτε να δικαιολογείται θ απρόςκοπτθ αντικατάςταςι τουσ από ενεργειακά ςυςτιματα με κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου.εξάλλου,δεδομζνου ότι προσ το παρόν θ τιμι εμπορίασ και χριςθσ των διαφόρων ορυκτϊν καυςίμων είναι ακόμα ςχετικά χαμθλι,θ αντικατάςταςθ των ενεργειακϊν ςυςτθμάτων αυτϊν από ςυςτιματα κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου δεν παρουςιάηει κάποια οικονομικι ωφζλεια κατά τθν εμπορικι τουσ χριςθ (ασ αναλογιςτοφμε εξάλλου και το γεγονόσ,ότι μζχρι ςτιγμισ το κόςτοσ εμπορίασ και χριςθσ του υδρογόνου είναι ακόμα αρκετά υψθλό και ότι οι διάφορεσ ενεργειακζσ τεχνολογίεσ του χρθςιμοποιοφν υλικά τα οποία δεν είναι ανταγωνιςτικά ωσ προσ τθν τιμι τουσ). 127

128 Ραρολαυτά,αν λάβουμε υπόψθ μασ και κάποιουσ επιπλζον ςθμαντικοφσ παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν μακροπρόκεςμθ εξζλιξθ των ενεργειακϊν ςυςτθμάτων κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου ςτο μζλλον,μποροφμε με βεβαιότθτα να ποφμε,ότι θ μερικι ι και ολικι αντικατάςταςθ των ςυςτθμάτων με ΜΕΚ ορυκτϊν καυςίμων είναι αφενόσ επιβεβλθμζνθ και αφετζρου πολφ πικανι.κι αυτό γιατί, όπωσ ζχουμε αναφζρει από τθν αρχι τθσ παροφςασ εργαςίασ,το μζλλον των διαφόρων ορυκτϊν καυςίμων ςαν ενεργειακά υλικά και ιδιαίτερα αυτό του πετρελαίου,παρουςιάηει αποδεδειγμζνα πλζον πολφ μικρό ακόμα χρόνο ηωισ.ακόμα και με τισ πιο ελαςτικζσ μετριςεισ και προβλζψεισ, τα ικανά να αντλθκοφν και να αξιοποιθκοφν αποδοτικά ςτο μζλλον υπάρχοντα ακόμα αποκζματα πετρελαίου ςτο υπζδαφοσ τθσ Γθσ,δεν κα διαρκζςουν περιςςότερο από 40 το πολφ χρόνια,γεγονόσ το οποίο κακιςτά αναγκαία τθν αντικατάςταςθσ των διαφόρων ενεργειακϊν ςυςτθμάτων που χρθςιμοποιοφν αυτό και τα διάφορα παράγωγά του (π.χ.βενηίνθ) από κάποια άλλα εναλλακτικισ μορφισ ενεργειακά ςυςτιματα μζςα ςτο ςυγκεκριμζνο διάςτθμα.τα ενεργειακά ςυςτιματα με κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου μποροφν πράγματι να αποτελζςουν αυτι τθν εναλλακτικι μορφι μιασ και,από πλευράσ αποδοτικότθτασ τουλάχιςτον,ανταποκρίνονται όπωσ είπαμε πλιρωσ ς αυτό.εκτόσ αυτοφ,είναι και γενικά παραδεκτό πλζον,ότι ο ανκρϊπινοσ πολιτιςμόσ ςε παγκόςμιο επίπεδο δεν ζχει τθν πολυτζλεια να ςυνεχίςει να εξελίςςεται πάνω ςτθ Γθ βαςιηόμενοσ ςτο τωρινό ενεργειακό μοντζλο ανάπτυξισ του,το οποίο ζχει διαμορφωκεί ιδθ εδϊ και 150 περίπου χρόνια (από τθν αρχι τθσ χρθςιμοποίθςθσ τθσ ατμομθχανισ και του γαιάνκρακα) και το οποίο ςυνεχίηει να υπάρχει μζχρι και ςιμερα.το ενεργειακό αυτό μοντζλο ανάπτυξισ του ζχει φτάςει το φυςικό περιβάλλον τθσ Γθσ ςτα όρια τθσ ενεργειακισ του αντοχισ, γεγονόσ το οποίο αποδεικνφεται ςυνεχϊσ από τθν γενικότερθ διατάραξθ τθσ οικολογικισ ιςορροπίασ του και τθσ εξάντλθςθσ των φυςικϊν ενεργειακϊν του πόρων. 128

129 Τα ενεργειακά ςυςτιματα των κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου και γενικότερα θ τεχνολογία παραγωγισ ενζργειασ με πρϊτθ φλθ το υδρογόνο,προςφζρουν ριηικι λφςθ ςτο πρόβλθμα αυτό,μιασ και ωσ γνωςτό,θ εφαρμογι τουσ ςυνεπάγεται τθν ςθμαντικι μείωςθ των ποςοτιτων του CO 2 και των υπολοίπων αζριων ρφπων που εκπζμπονται από τισ ςυμβατικζσ τεχνολογίεσ των ορυκτϊν καυςίμων.να επιςθμανκεί επίςθσ,ότι εκτόσ του ότι οι διάφορεσ ενεργειακζσ τεχνολογίεσ κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου είναι ιδιαίτερα φιλικζσ προσ το φυςικό περιβάλλον τθσ Γθσ,απαιτοφν πολφ μικρότερεσ ποςότθτεσ υδρογονοφχων καυςίμων και υδρογόνου για να λειτουργιςουν,το μεγαλφτερο μζροσ των οποίων μπορεί να ανακυκλωκεί και να ξαναχρθςιμοποιθκεί ςτθ διαδικαςία παραγωγισ ενζργειασ από το υδρογόνο.είναι δθλαδι αειφόρεσ ωσ προσ τθ λειτουργικότθτά τουσ, ςυνδυάηοντασ τθν πολφ μικρι επίδραςι τουσ ςτθν οικολογικι ιςορροπία του φυςικοφ περιβάλλοντοσ με τισ πολφ μικρζσ απαιτιςεισ τουσ ςε φυςικζσ πρϊτεσ φλεσ αυτοφ. Καταλιγοντασ,μποροφμε να ποφμε,ότι οι κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου και τα ενεργειακά τουσ ςυςτιματα αποτελοφν πράγματι ςυμφζρουςα εναλλακτικι λφςθ ςτο ενεργειακό πρόβλθμα που αντιμετωπίηει ςιμερα θ ανκρωπότθτα,λόγω τθσ ολικισ ςχεδόν εξάρτθςθσ αυτισ από τα ορυκτά καφςιμα και τισ ΜΕΚ.Υπάρχει ακόμα βεβαίωσ το πρόβλθμα τθσ οικονομικότθτασ τθσ εφαρμογισ τουσ ςε μαηικι και ςε τοπικι κλίμακα, αλλά κι αυτό αναμζνεται ότι ςτο μζλλον κα λυκεί ςίγουρα. 129

130 Θ ςυνεχισ ανακάλυψθ και ανάπτυξθ ςυνκζτων υλικϊν αποκικευςθσ του υδρογόνου ςε ςτερεά κατάςταςθ και θ βελτίωςθ τθσ αποδοτικότθτασ των κυψελϊν καυςίμων του με τθ χριςθ νζων αποδοτικότερων μεμβρανϊν θλεκτρόλυςθσ αυτϊν,είναι μερικά μόνο από τα επιτεφγματα τα οποία αναμζνεται να μειϊςουν ςθμαντικά το κόςτοσ χριςθσ και εκμετάλλευςθσ του υδρογόνου ςαν ενεργειακό καφςιμο,κακιςτϊντασ το ανταγωνιςτικότερο ςε ςχζςθ με τα υπόλοιπα ορυκτά καφςιμα και τθν χρθςιμοποίθςθ αυτϊν για ενεργειακοφσ ςκοποφσ.εκτόσ αυτοφ,θ μαηικι ανάπτυξθ και επζκταςθ του δικτφου διανομισ του υδρογόνου ςτο μζλλον,κα μειϊςει αρκετά το κόςτοσ χριςθσ του,ζτςι ϊςτε να μπορζςει να αποτελζςει ζνα φτθνό και προςιτό ενεργειακό καφςιμο ςε διατάξεισ με κυψζλεσ καυςίμου του,όπωσ ακριβϊσ ςυμβαίνει και ςιμερα με τα διάφορα ορυκτά καφςιμα.σθμαντικι ϊκθςθ ς αυτό αναμζνεται ότι κα δϊςει και θ ανάπτυξθ των διαφόρων εναλλακτικϊν τεχνολογιϊν παραγωγισ του μζςω ΑΡΕ (π.χ. μζςω τθσ θλιακισ ι τθσ αιολικισ ενζργειασ) οι οποίεσ με τθ μαηικι εφαρμογι τουσ κα μπορζςουν να το παράγουν φκθνά και χωρίσ τθν κατανάλωςθ ςθμαντικϊν ποςοτιτων ενζργειασ. 3.7) Εμπορικζσ μζκοδοι παραγωγισ του υδρογόνου Σρόποι διανομισ του 3.7.1) Ειςαγωγι Θ οικονομία του υδρογόνου αποτελείται ςυνοπτικά από τουσ εξισ επί μζρουσ βαςικοφσ τομείσ:τθν παραγωγι - διανομι,τθν αποκικευςθ και τθ χριςθ του υδρογόνου.τϊρα κα αναφερκοφμε ςε διάφορεσ εμπορικζσ μεκόδουσ παραγωγισ του υδρογόνου,χωρίσ να επεκτακοφμε ςε επιμζρουσ λεπτομζρειεσ.επίςθσ κα γίνει περιγραφι του τρόπου με τον οποίο το υδρογόνο μπορεί να διανεμθκεί,μετά τθν φάςθ τθσ παραγωγισ του,ςτα διάφορα ςθμεία τθσ ηιτθςθσ του. 130

131 3.7.2) Παραγωγι του υδρογόνου ) Βαςικότερεσ κατθγορίεσ εμπορικϊν μεκόδων παραγωγισ του Τδρογόνου Οι εμπορικζσ μζκοδοι παραγωγισ του υδρογόνου χωρίηονται ςε τρεισ βαςικζσ κατθγορίεσ: τισ κερμοχθμικζσ τισ θλεκτρολυτικζσ τισ φωτολυτικζσ Ριο αναλυτικά ζχουμε ότι: Α)οι κερμοχθμικζσ μζκοδοι χωρίηονται ςε: παραγωγι του υδρογόνου από ορυκτά καφςιμα παραγωγι του υδογόνου μζςω τθσ αεριοποίθςθσ ι τθσ πυρόλυςθσ τθσ βιομάηασ παραγωγι του υδρογόνου από τα ςουφλίδιά του(ςουφλίδια είναι κάκε χθμικι ζνωςθ που ςχθματίηεται κατά τθν αντίδραςθ ενόσ οποιουδιποτε μετάλλου με το ςτοιχείο S ι και με τα αρνθτικά ςφμπλοκα ιόντα του S με άλλα ςτοιχεία,π.χ.so 3 ) παραγωγι του υδογόνου από τθν πυρθνικι ενζργεια 131

132 Β)οι θλεκτρολυτικζσ μζκοδοι χωρίηονται ςε: παραγωγι του υδρογόνου μζςω τθσ θλεκτρόλυςθσ του νεροφ Γ)οι φωτολυτικζσ μζκοδοι χωρίηονται ςε: φωτοβιολογικι μζκοδοσ παραγωγισ του υδρογόνου φωτοθλεκτρόλυςθ 3.7.3) Διανομι του υδρογόνου ) Σρόποι διανομισ του υδρογόνου πλεονεκτιματα,μειονεκτιματα των ςυςτθμάτων διανομισ του Θ διανομι του υδρογόνου παίηει ξεχωριςτό ρόλο ςτθν ανάπτυξθ και εδραίωςθ τθσ οικονομίασ του υδρογόνου.ο τρόποσ ςυγκρότθςθσ του δικτφου διανομισ του υδρογόνου, τόςο ςε τοπικό,όςο και ςε ευρφτερο επίπεδο,διαφζρει ςθμαντικά από αυτόν που χρθςιμοποιείται ςιμερα, ςε παγκόςμια κλίμακα,για τθ διανομι των διαφόρων ςυμβατικϊν ορυκτϊν καυςίμων (πετρζλαιο,φυςικό αζριο κ.τ.λ.).ωσ γνωςτόν,τα περιςςότερα ςυμβατικά ορυκτά καφςιμα που καταναλϊνονται ςτισ μζρεσ μασ από τον άνκρωπο (με εξαίρεςθ το φυςικό αζριο), μεταφζρονται αποκλειςτικά ςε υγρι ι ςτερεά μορφι.το γεγονόσ αυτό κακιςτά τισ υπάρχουςεσ υποδομζσ μεταφοράσ τουσ ακατάλλθλεσ για τθν μεταφορά του υδρογόνου,το οποίο ςε ςυνικεισ ςυνκικεσ περιβάλλοντοσ είναι αζριο. 132

133 Ακόμα και αν το υδρογόνο μετατρζπονταν ςε υγρό,μζςω ςυμπίεςθσ και μεταφζρονταν από το ςθμερινό υπάρχον ςφςτθμα μαηικισ διανομισ των υγρϊν ορυκτϊν καυςίμων,θ μεταφορά του αυτι κα ςιμαινε αφενόσ τθν κατανάλωςθ μεγάλων ποςοτιτων ενζργειασ για τθν μετατροπι του ςε υγρό (με αποτζλεςμα το κόςτοσ για τθ μεταφορά του να γινόταν υπερβολικά μεγάλο) και αφετζρου κα παρουςίαηε αυξθμζνα προβλιματα αςφάλειασ και αξιοπιςτίασ εξαιτίασ των ιδιαίτερων ςυνκθκϊν που επικρατοφν κατά τθ μεταφορά του υδρογόνου ςε υγρι μορφι (υψθλζσ πιζςεισ).από τθν άλλθ μεριά, θ υποδομι του παγκόςμιου δικτφου διανομισ που χρθςιμοποιείται ςιμερα για τθ μεταφορά του φυςικοφ αερίου ςαν αζριο, είναι εξίςου ανεπαρκισ για τθ μεταφορά του αζριου υδρογόνου,μιασ και οι ςυνκικεσ πιζςεων που απαιτοφνται για τθ μεταφορά του φυςικοφ αερίου ςε ςυνικεισ κερμοκραςίεσ περιβάλλοντοσ είναι πολφ μικρότερεσ από τισ αντίςτοιχεσ τθσ μεταφοράσ του υδρογόνου.ζτςι, από τα παραπάνω μποροφμε να εξάγουμε το ςυμπζραςμα, ότι θ μελλοντικι διανομι του υδρογόνου με αςφαλι και αποτελεςματικό τρόπο,μπορεί να γίνει μόνο μζςω ειδικοφ ςχεδιαςμοφ του μελλοντικοφ δικτφου μεταφοράσ του,ο οποίοσ αναγκαςτικά κα είναι μεγαλφτερων απαιτιςεων από αυτόν που εφαρμόηεται ςιμερα για τθ μεταφορά των ςυμβατικϊν υγρϊν ι αζριων ορυκτϊν καυςίμων. 133

134 3.8) Μζκοδοι αποκικευςθσ του υδρογόνου Οι κυριότερεσ μζκοδοι που ζχουν ανακαλυφκεί μζχρι ςιμερα για τθν αποτελεςματικι αποκικευςθ του υδρογόνου είναι οι εξισ: 1. Σε φιάλεσ αερίου κάτω από υψθλζσ ςυνκικεσ πίεςθσ 2. Σαν υγρό ςε κρυογονικζσ δεξαμενζσ 3. Ρροςροφθμζνο ςε διάφορα ςτερεά υλικά που χαρακτθρίηονται από μεγάλθ ειδικι επιφάνεια των δομικϊν τουσ λίκων 4. Συγκρατοφμενο πάνω ςε ενδοπλεγματικζσ κζςεισ μζςα ςτο κρυςταλλικό πλζγμα διαφόρων μετάλλων 5. Δεςμευμζνο μζςω χθμικϊν δεςμϊν ιοντικισ ι ομοιοπολικισ φφςθσαπό διάφορεσ χθμικζσ ενϊςεισ 134

135 Κεφάλαιο 4: ΒΙΟΜΑΖΑ 135

136 4.1) Ειςαγωγι Γενικά, ωσ βιομάηα ορίηεται θ φλθ που ζχει βιολογικι (οργανικι) προζλευςθ. Ρρακτικά, ςτον όρο βιομάηα εμπεριζχεται οποιοδιποτε υλικό προζρχεται άμεςα ι ζμμεςα από το φυτικό κόςμο. Ριο ςυγκεκριμζνα, ς αυτιν περιλαμβάνονται: Οι φυτικζσ φλεσ που προζρχονται είτε από φυςικά οικοςυςτιματα, όπωσ π.χ. τα αυτοφυι φυτά και δάςθ, είτε από τισ ενεργειακζσ καλλιζργειεσ (ζτςι ονομάηονται τα φυτά που καλλιεργοφνται ειδικά με ςκοπό τθν παραγωγι βιομάηασ για παραγωγι ενζργειασ) γεωργικϊν και δαςικϊν ειδϊν, όπωσ π.χ. το ςόργο το ςακχαροφχο, το καλάμι, ο ευκάλυπτοσ κ.ά., τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα τθσ φυτικισ, ηωικισ, δαςικισ και αλιευτικισ παραγωγισ, όπωσ π.χ. τα άχυρα, ςτελζχθ αραβόςιτου, ςτελζχθ βαμβακιάσ,κλαδοδζματα, κλαδιά δζνδρων, φφκθ, κτθνοτροφικά απόβλθτα, οι κλθματίδεσ κ.ά., τα υποπροϊόντα που προζρχονται από τθ μεταποίθςθ ι επεξεργαςία των υλικϊν αυτϊν, όπωσ π.χ. τα ελαιοπυρθνόξυλα, υπολείμματα εκκοκκιςμοφ βαμβακιοφ, το πριονίδι κ.ά. το βιολογικισ προζλευςθσ μζροσ των αςτικϊν λυμάτων και ςκουπιδιϊν. Θ βιομάηα αποτελεί μία δεςμευμζνθ και αποκθκευμζνθ μορφι τθσ θλιακισ ενζργειασ και είναι αποτζλεςμα τθσ φωτοςυνκετικισ δραςτθριότθτασ των φυτικϊν οργανιςμϊν. 136

137 Κατϋ αυτιν, θ χλωροφφλλθ των φυτϊν μεταςχθματίηει τθν θλιακι ενζργεια με μια ςειρά διεργαςιϊν, χρθςιμοποιϊντασ ωσ βαςικζσ πρϊτεσ φλεσ διοξείδιο του άνκρακα από τθν ατμόςφαιρα κακϊσ και νερό και ανόργανα ςυςτατικά από το ζδαφοσ. Θ διεργαςία αυτι μπορεί να παραςτακεί ςχθματικά ωσ εξισ: Νερό + Διοξείδιο του άνκρακα +Ηλιακι ενζργεια (φωτόνια) + Ανόργανα ςτοιχεία=>βιομάηα + Οξυγόνο Από τθ ςτιγμι που ςχθματίηεται θ βιομάηα, μπορεί πλζον κάλλιςτα να χρθςιμοποιθκεί ωσ πθγι ενζργειασ.θ βιομάηα αποτελεί μια ςθμαντικι, ανεξάντλθτθ και φιλικι προσ το περιβάλλον πθγι ενζργειασ, θ οποία είναι δυνατό να ςυμβάλλει ςθμαντικά ςτθν ενεργειακι επάρκεια, αντικακιςτϊντασ τα ςυνεχϊσ εξαντλοφμενα αποκζματα ορυκτϊν καυςίμων(πετρζλαιο, άνκρακασ, φυςικό αζριο κ.ά.). Θ χριςθ τθσ βιομάηασ ωσ πθγισ ενζργειασ δεν είναι νζα. Σ αυτιν, εξάλλου, ςυγκαταλζγονται τα καυςόξυλα και οι ξυλάνκρακεσ που, μζχρι το τζλοσ του περαςμζνου αιϊνα, κάλυπταν το 97% των ενεργειακϊν αναγκϊν τθσ χϊρασ. 4.2) Παγκόςμιο και Ελλθνικό Δυναμικό Θ βιομάηα που παράγεται κάκε χρόνο ςτον πλανιτθ μασ υπολογίηεται ότι ανζρχεται ςε 172 διςεκ. τόνουσ ξθροφ υλικοφ, με ενεργειακό περιεχόμενο δεκαπλάςιο τθσ ενζργειασ που καταναλίςκεται παγκοςμίωσ ςτο ίδιο διάςτθμα. Το τεράςτιο αυτό ενεργειακό δυναμικό παραμζνει κατά το μεγαλφτερο μζροσ του ανεκμετάλλευτο, κακϊσ, ςφμφωνα με πρόςφατεσ εκτιμιςεισ, μόνο το 1/7 τθσ παγκόςμιασ κατανάλωςθσ ενζργειασ καλφπτεται από τθ βιομάηα (Σχ.) και αφορά κυρίωσ τισ παραδοςιακζσ χριςεισ τθσ (καυςόξυλα κλπ.). 137

138 Θ ςυμμετοχι τθσ βιομάηασ (%) ςτθν παγκόςμια κατανάλωςθ ενζργειασ Στθν Ελλάδα, τα κατ ζτοσ διακζςιμα γεωργικά και δαςικά υπολείμματα ιςοδυναμοφν ενεργειακά με 3-4 εκατ. τόνουσ πετρελαίου, ενϊ το δυναμικό των ενεργειακϊν καλλιεργειϊν μπορεί, με τα ςθμερινά δεδομζνα, να ξεπεράςει άνετα εκείνο των γεωργικϊν και δαςικϊν υπολειμμάτων. Το ποςό αυτό αντιςτοιχεί ενεργειακά ςτο 30-40% τθσ ποςότθτασ του πετρελαίου που καταναλϊνεται ετθςίωσ ςτθ χϊρα μασ. 138

139 Σθμειϊνεται ότι 1 τόνοσ βιομάηασ ιςοδυναμεί με περίπου 0,4 τόνουσ πετρελαίου. Eντοφτοισ, με τα ςθμερινά δεδομζνα, καλφπτεται μόλισ το 3% περίπου των ενεργειακϊν αναγκϊν τθσ με τθ χριςθ τθσ διακζςιμθσ βιομάηασ.θ βιομάηα ςτθ χϊρα μασ χρθςιμοποιείται κυρίωσ για τθν παραγωγι, κατά τον παραδοςιακό τρόπο, κερμότθτασ ςτον οικιακό τομζα (μαγειρικι, κζρμανςθ), για τθ κζρμανςθ κερμοκθπίων, ςε ελαιουργεία, κακϊσ και, με τθ χριςθ πιο εξελιγμζνων τεχνολογιϊν, ςτθ βιομθχανία (εκκοκκιςτιρια βαμβακιοφ, παραγωγι προϊόντων ξυλείασ, αςβεςτοκάμινοι κ.ά.), ςε περιοριςμζνθ, όμωσ, κλίμακα. Ωσ πρϊτθ φλθ ςε αυτζσ τισ περιπτϊςεισ χρθςιμοποιοφνται υποπροϊόντα τθσ βιομθχανίασ ξφλου,ελαιοπυρθνόξυλα, κουκοφτςια ροδακίνων και άλλων φροφτων, τςόφλια αμυγδάλων,βιομάηα δαςικισ προζλευςθσ, άχυρο ςιτθρϊν, υπολείμματα εκκοκκιςμοφ κ.ά. Ραρ όλα αυτά, οι προοπτικζσ αξιοποίθςθσ τθσ βιομάηασ ςτθ χϊρα μασ είναι εξαιρετικά ευοίωνεσ, κακϊσ υπάρχει ςθμαντικό δυναμικό, μεγάλο μζροσ του οποίου είναι άμεςα διακζςιμο. Ραράλλθλα, θ ενζργεια που μπορεί να παραχκεί είναι, ςε πολλζσ περιπτϊςεισ, οικονομικά ανταγωνιςτικι αυτισ που παράγεται από τισ ςυμβατικζσ πθγζσ ενζργειασ. Από πρόςφατθ απογραφι, ζχει εκτιμθκεί ότι το ςφνολο τθσ άμεςα διακζςιμθσ βιομάηασ ςτθν Ελλάδα ςυνίςταται από περίπου τόνουσ υπολειμμάτων γεωργικϊν καλλιεργειϊν (ςιτθρϊν, αραβόςιτου, βαμβακιοφ, καπνοφ, θλίανκου, κλαδοδεμάτων, κλθματίδων, πυρθνόξυλου κ.ά.), κακϊσ και από τόνουσ δαςικϊν υπολειμμάτων υλοτομίασ (κλάδοι, φλοιοί κ.ά.). Ρζραν του ότι το μεγαλφτερο ποςοςτό αυτισ τθσ βιομάηασ δυςτυχϊσ παραμζνει αναξιοποίθτο, πολλζσ φορζσ αποτελεί αιτία πολλϊν δυςάρεςτων καταςτάςεων (πυρκαγιζσ, δυςκολία ςτθν εκτζλεςθ εργαςιϊν, διάδοςθ αςκενειϊν κ.ά.). 139

140 Από τισ παραπάνω ποςότθτεσ βιομάηασ, το ποςοςτό τουσ εκείνο που προκφπτει ςε μορφι υπολειμμάτων κατά τθ δευτερογενι παραγωγι προϊόντων (εκκοκκιςμόσ βαμβακιοφ, μεταποίθςθ γεωργικϊν προϊόντων, επεξεργαςία ξφλου κ.ά.) είναι άμεςα διακζςιμο, δεν απαιτεί ιδιαίτερθ φροντίδα ςυλλογισ, δεν παρουςιάηει προβλιματα μεταφοράσ και μπορεί να τροφοδοτιςει απ ευκείασ διάφορα ςυςτιματα παραγωγισ ενζργειασ. Μπορεί, δθλαδι, θ εκμετάλλευςι του να καταςτεί oικονομικά ςυμφζρουςα. Ραράλλθλα με τθν αξιοποίθςθ των διαφόρων γεωργικϊν και δαςικϊν υπολειμμάτων,ςθμαντικζσ ποςότθτεσ βιομάηασ είναι δυνατό να λθφκοφν από τισ ενεργειακζσ καλλιζργειεσ. Συγκριτικά με τα γεωργικά και δαςικά υπολείμματα, οι καλλιζργειεσ αυτζσ ζχουν το πλεονζκτθμα τθσ υψθλότερθσ παραγωγισ ανά μονάδα επιφανείασ,κακϊσ και τθσ ευκολότερθσ ςυλλογισ. Στο ςθμείο αυτό, αξίηει να ςθμειωκεί ότι οι ενεργειακζσ καλλιζργειεσ αποκτοφν τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερθ ςθμαςία για τισ ανεπτυγμζνεσ χϊρεσ, που προςπακοφν,μζςω των καλλιεργειϊν αυτϊν, να περιορίςουν, πζραν των περιβαλλοντικϊν και ενεργειακϊν τουσ προβλθμάτων, και το πρόβλθμα των γεωργικϊν πλεοναςμάτων. Ππωσ είναι γνωςτό, ςτισ χϊρεσ τθσ Ευρωπαϊκισ Ζνωςθσ τα γεωργικά πλεονάςματα, και τα οικονομικά προβλιματα που αυτά δθμιουργοφν, οδθγοφν αναπόφευκτα ςτθ μείωςθ τθσ γεωργικισ γθσ και τθσ αγροτικισ παραγωγισ. Υπολογίηεται ότι, τθν προςεχι δεκαετία, κα μποροφςαν να αποδοκοφν ςτισ ενεργειακζσ καλλιζργειεσ εκατ. ςτρζμματα γεωργικισ γθσ, προκειμζνου να αποφευχκοφν τα προβλιματα των επιδοτιςεων των γεωργικϊν πλεοναςμάτων και τθσ απόρριψθσ αυτϊν ςτισ χωματερζσ, με ταυτόχρονθ αφξθςθ των ευρωπαϊκϊν ενεργειακϊν πόρων. 140

141 Στθ χϊρα μασ, για τουσ ίδιουσ λόγουσ, 10 εκατομμφρια ςτρζμματα καλλιεργιςιμθσ γθσ ζχουν ιδθ περικωριοποιθκεί ι προβλζπεται να εγκαταλειφκοφν ςτο άμεςο μζλλον. Εάν θ ζκταςθ αυτι αποδοκεί για τθν ανάπτυξθ ενεργειακϊν καλλιεργειϊν, το κακαρό όφελοσ ςε ενζργεια που μπορεί να αναμζνεται υπολογίηεται ςε 5-6 ΜΤΛΡ (1 ΜΤΛΡ= 10 6 ΤΛΡ, όπου ΤΛΡ ςθμαίνει: Τόνοι Λςοδφναμου Ρετρελαίου) δθλαδι ςτο 50-60% τθσ ετιςιασ κατανάλωςθσ πετρελαίου ςτθν Ελλάδα. Στον ελλθνικό χϊρο ζχει αποκτθκεί ςθμαντικι εμπειρία ςτον τομζα των ενεργειακϊν καλλιεργειϊν. Από τθν πραγματοποίθςθ ςχετικϊν πειραμάτων και πιλοτικϊν εφαρμογϊν, προζκυψαν τα εξισ ςθμαντικά ςτοιχεία: Θ ποςότθτα βιομάηασ που μπορεί να παραχκεί ανά ποτιςτικό ςτρζμμα ανζρχεται ςε 3-4 τόνουσ ξθρισ ουςίασ, ιτοι 1-1,6 ΤΛΡ. Θ ποςότθτα βιομάηασ, που μπορεί να παραχκεί ανά ξθρικό ςτρζμμα μπορεί να φτάςει τουσ 2-3 τόνουσ ξθρισ ουςίασ, ιτοι 0,7-1,2 ΤΛΡ ) Παγκόςμια αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ Θ βιομάηα είναι ακόμα μια αναπτυςςόμενθ και υποςχόμενθ ανανεϊςιμθ πθγι ενζργειασ. Κα μποροφςε να αποδϊςει το 9% τθσ παγκόςμιασ πρωτογενοφσ ενζργειασ και το 24% των ενεργειακϊν αναγκϊν μζχρι το Σφμφωνα με το Γερμανικό τμιμα τθσ WWF θ βιοενζργεια ςε παγκόςμιο επίπεδο μπορεί να καλφψει το διπλάςιοτων ενεργειακϊν μασ αναγκϊν με τθν ςωςτι εκμετάλλευςθ ςτο απϊτερο μζλλον. Στθν Βραηιλία θ βιοαικανόλθ το οποίο είναι βιοκαφςιμο που προζρχεται από τθν επεξεργαςία ηαχαροκάλαμων αντικατζςτθςε τθν κατανάλωςθ βενηίνθσ πάνω από 40%. Ρροβλζπεται επίςθσ ότι θ παραγωγι τθσ ςτθν Βραηιλία μζχρι το 2015 κα φτάςει τα 20 εκατομμφρια τόνουσ ποςοςτό το οποίο κα ζχει αυξθκεί 60% από τθν τωρινι παραγωγι. Στον αντίποδα θ Ε.Ε είναι ο μεγαλφτεροσ παραγωγόσ βιοντίηελ με τθν Γερμανία να καλφπτει από μόνθ τθσ το 50% τθσ παραγωγισ. Ρρωτοπόροι ςτον τομζα των βιοκαυςίμων 2 θσ γενιάσ όπωσ κα τα χαρακτθρίηαμε είναι θ Βραηιλία οι ΘΡΑ να τθν ακολουκοφν θ Σουθδία και ο Καναδάσ. 141

142 4.3) Πλεονεκτιματα και Μειονεκτιματα από τθν Ενεργειακι Αξιοποίθςθ τθσ Βιομάηασ Τα κυριότερα πλεονεκτιματα που προκφπτουν από τθ χρθςιμοποίθςθ τθσ βιομάηασ για παραγωγι ενζργειασ είναι τα ακόλουκα: 1. Θ αποτροπι του φαινομζνου του κερμοκθπίου, το οποίο οφείλεται ςε μεγάλο βακμό ςτο διοξείδιο του άνκρακα (CO2) που παράγεται από τθν καφςθ ορυκτϊν καυςίμων. Θ βιομάηα δεν ςυνειςφζρει ςτθν αφξθςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ του ρφπου αυτοφ ςτθν ατμόςφαιρα γιατί, ενϊ κατά τθν καφςθ τθσ παράγεται CO2, κατά τθν παραγωγι τθσ και μζςω τθσ φωτοςφνκεςθσ επαναδεςμεφονται ςθμαντικζσ ποςότθτεσ αυτοφ του ρφπου. 2. Θ αποφυγι τθσ επιβάρυνςθσ τθσ ατμόςφαιρασ με το διοξείδιο του κείου (SO2) που παράγεται κατά τθν καφςθ των ορυκτϊν καυςίμων και ςυντελεί ςτο φαινόμενο τθσ όξινθσ βροχισ. Θ περιεκτικότθτα τθσ βιομάηασ ςε κείο είναι πρακτικά αμελθτζα. 3. Θ μείωςθ τθσ ενεργειακισ εξάρτθςθσ, που είναι αποτζλεςμα τθσ ειςαγωγισ καυςίμων από τρίτεσ χϊρεσ, με αντίςτοιχθ εξοικονόμθςθ ςυναλλάγματοσ. 4. Θ εξαςφάλιςθ εργαςίασ και θ ςυγκράτθςθ των αγροτικϊν πλθκυςμϊν ςτισπαραμεκόριεσ και τισ άλλεσ γεωργικζσ περιοχζσ, ςυμβάλλει δθλαδι θ βιομάηα ςτθν περιφερειακι ανάπτυξθ τθσ χϊρασ. 1.2t βάλλον-διοξείδ 142

143 Τα μειονεκτιματα που ςυνδζονται με τθ χρθςιμοποίθςθ τθσ βιομάηασ και αφοροφν,ωσ επί το πλείςτον, δυςκολίεσ ςτθν εκμετάλλευςι τθσ, είναι τα εξισ: 1. Ο μεγάλοσ όγκοσ τθσ και θ μεγάλθ περιεκτικότθτά τθσ ςε υγραςία, ανά μονάδα παραγόμενθσ ενζργειασ. 2. Θ δυςκολία ςτθ ςυλλογι, μεταποίθςθ, μεταφορά και αποκικευςι τθσ, ζναντι των ορυκτϊν καυςίμων. 3. Οι δαπανθρότερεσ εγκαταςτάςεισ και εξοπλιςμόσ που απαιτοφνται για τθν αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ, ςε ςχζςθ με τισ ςυμβατικζσ πθγζσ ενζργειασ. 4. Θ μεγάλθ διαςπορά και θ εποχιακι παραγωγι τθσ. Εξ αιτίασ των παραπάνω μειονεκτθμάτων και για τθν πλειοψθφία των εφαρμογϊν τθσ, το κόςτοσ τθσ βιομάηασ παραμζνει, ςυγκριτικά προσ το πετρζλαιο, υψθλό. Ιδθ,όμωσ, υπάρχουν εφαρμογζσ ςτισ οποίεσ θ αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ παρουςιάηει οικονομικά οφζλθ. Επιπλζον, το πρόβλθμα αυτό βακμιαία εξαλείφεται, αφ ενόσ λόγω τθσ ανόδου των τιμϊν του πετρελαίου, αφ ετζρου και ςθμαντικότερο, λόγω τθσ βελτίωςθσ και ανάπτυξθσ των τεχνολογιϊν αξιοποίθςθσ τθσ βιομάηασ. Τζλοσ, πρζπει κάκε φορά να ςυνυπολογίηεται το περιβαλλοντικό όφελοσ, το οποίο, αν και ςυχνά δεν μπορεί να αποτιμθκεί με οικονομικά μεγζκθ, εντοφτοισ είναι ουςιαςτικισ ςθμαςίασ για τθν ποιότθτα τθσ ηωισ και το μζλλον τθσ ανκρωπότθτθτασ. 143

144 4.4) Ενεργειακι Αξιοποίθςθ τθσ Βιομάηασ-Εφαρμογζσ Θ βιομάηα μπορεί να αξιοποιθκεί για τθν κάλυψθ ενεργειακϊν αναγκϊν (παραγωγι κερμότθτασ, ψφξθσ, θλεκτριςμοφ κ.λ.π.) είτε με απ ευκείασ καφςθ, είτε με μετατροπι τθσ ςε αζρια, υγρά ι/και ςτερεά καφςιμα μζςω κερμοχθμικϊν ι βιοχθμικϊν διεργαςιϊν (Ρίν. 1). Ρίνακασ 1. Υπάρχουςεσ τεχνολογίεσ αξιοποίθςθσ βιομάηασ 144

145 Επειδι θ αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ αντιμετωπίηει ςυνικωσ τα μειονεκτιματα τθσ μεγάλθσ διαςποράσ, του μεγάλου όγκου και των δυςχερειϊν ςυλλογισ-μεταποίθςθσ-μεταφοράσ-αποκικευςθσ, επιβάλλεται θ αξιοποίθςι τθσ να γίνεται όςο το δυνατόν πλθςιζςτερα ςτον τόπο παραγωγισ τθσ. Ζτςι, αυτι μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ευχερζςτατα ςε μια πλθκϊρα εφαρμογϊν: 4.4.1) Κάλυψθ των αναγκϊν κζρμανςθσ-ψφξθσ ι/και θλεκτριςμοφ ςε γεωργικζσ και άλλεσ βιομθχανίεσ Με τουσ ςυμβατικοφσ τρόπουσ παραγωγισ τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ, μεγάλεσ ποςότθτεσ κερμότθτασ απορρίπτονται ςτο περιβάλλον, είτε μζςω των ψυκτικϊν κυκλωμάτων, είτε μζςω των καυςαερίων. Με τθ ςυμπαραγωγι, όπωσ ονομάηεται θ ςυνδυαςμζνθ παραγωγι κερμικισ και θλεκτρικισ ενζργειασ από τθν ίδια ενεργειακι πθγι, το μεγαλφτερο μζροσ τθσ κερμότθτασ αυτισ ανακτάται και χρθςιμοποιείται επωφελϊσ. Ζτςι, αφ ενόσ επιτυγχάνεται ςθμαντικι εξοικονόμθςθ ενζργειασ, κακϊσ αυξάνεται ο βακμόσ ενεργειακισ μετατροπισ του καυςίμου ςε ωφζλιμθ ενζργεια, aφ ετζρου μειϊνονται αντίςτοιχα και οι εκπομπζσ ρφπων. Επίςθσ, ελαττϊνονται οι απϊλειεσ κατά τθ μεταφορά τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ, κακϊσ τα ςυςτιματα ςυμπαραγωγισ είναι ςυνικωσ αποκεντρωμζνα και βρίςκονται πιο κοντά ςτουσ καταναλωτζσ απϋ ότι οι κεντρικοί ςτακμοί θλεκτροπαραγωγισ. Ρράγματι, οι ςυμβατικοί ςτακμοί παρουςιάηουν βακμό απόδοςθσ 15-40%, ενϊ ςτα ςυςτιματα ςυμπαραγωγισ αυτόσ φκάνει μζχρι και 75-85%. Θ ςυμπαραγωγι από βιομάηα ςτθν Ελλάδα παρουςιάηει ςθμαντικό ενδιαφζρον ςε αςτικό-περιφερειακό επίπεδο. Θ εξάπλωςθ τθσ εφαρμογισ τθσ πρζπει να εξεταςκεί με βαςικό ςτόχο τθ δθμιουργία πολλϊν μικρϊν αποκεντρωμζνων ςτακμϊν ςυμπαραγωγισ. Αυτοί κα πρζπει να εγκαταςτακοφν ςε περιοχζσ τθσ χϊρασ με ςθμαντικζσ ποςότθτεσ διακζςιμθσ βιομάηασ, οι οποίεσ να βρίςκονται ςυγχρόνωσ κοντά ςε καταναλωτζσ κερμότθτασ, κακϊσ θ μεταφορά τθσ κερμότθτασ παρουςιάηει υψθλζσ απϊλειεσ και αυξθμζνο κόςτοσ. 145

146 Οι καταναλωτζσ τθσ παραγόμενθσ κερμότθτασ των προαναφερκζντων ςτακμϊν ςυμπαραγωγισ μπορεί να είναι χωριά ι πόλεισ, τα οποία κα κερμαίνονται μζςω κάποιασ εγκατάςταςθσ ςυςτιματοσ τθλεκζρμανςθσ, κερμοκιπια, βιομθχανικζσ μονάδεσ με αυξθμζνεσ απαιτιςεισ ςε κερμότθτα κ.ά. Θ παραγόμενθ από τα ςυςτιματα ςυμπαραγωγισ θλεκτρικι ενζργεια είναι δυνατό είτε να ιδιοκαταναλϊνεται είτε να πωλείται ςτθ ΔΕΘ, ςφμφωνα με όςα ορίηονται ςτο Ν. 2244/94 ( φκμιςθ κεμάτων θλεκτροπαραγωγισ από ανανεϊςιμεσ πθγζσ ενζργειασ και από ςυμβατικά καφςιμα ). Ζνα παράδειγμα βιομθχανίασ όπου με τθν εγκατάςταςθ μονάδασ ςυμπαραγωγισ υποκαταςτάκθκαν, πολφ επιτυχϊσ, ςυμβατικά καφςιμα από βιομάηα, είναι ζνα εκκοκκιςτιριο ςτθν περιοχι τθσ Βοιωτίασ. Σ αυτό εκκοκκίηονται ετθςίωσ τόνοι βαμβακιοφ και, από τθν παραγωγικι αυτι διαδικαςία, προκφπτουν ετθςίωσ τόνοι υπολειμμάτων, τα οποία ςτο παρελκόν καίγονταν ςε πφργουσ αποτζφρωςθσ, χωρίσ ιδιαίτερο ζλεγχο, δθμιουργϊντασ ζτςι κινδφνουσ αναφλζξεωσ. Θ απαραίτθτθ ξιρανςθ του βαμβακιοφ πριν τον εκκοκκιςμό παλαιότερα γινόταν με τθν καφςθ πετρελαίου και διοχζτευςθ των καυςαερίων ςτο προσ ξιρανςθ βαμβάκι, μζχρι που εγκαταςτάκθκε ςφςτθμα ςυμπαραγωγισ κερμότθτασ και θλεκτριςμοφ, το οποίο αξιοποιεί, μζςω καφςθσ, τα υπολείμματα του εκκοκκιςμοφ. Θ ιςχφσ του λζβθτα βιομάηασ είναι kcal/h και ο παραγόμενοσ ατμόσ ζχει πίεςθ 10 bar. Το ζργο που παράγεται, κατά τθν εκτόνωςθ του ατμοφ ςε ζνα ςτρόβιλο, μετατρζπεται ςτθ γεννιτρια ςε θλεκτρικι ενζργεια ιςχφοσ 500 kw. Μετά τθν εκτόνωςι του, ο ατμόσ οδθγείται, μζςω ςωλθνϊςεων, αφ ενόσ ςε εναλλάκτεσ κερμότθτασ, όπου κερμαίνεται ο αζρασ ςε κερμοκραςία 130 C, ο οποίοσ, εν ςυνεχεία, χρθςιμοποιείται για τθν ξιρανςθ του βαμβακιοφ ςε ειδικοφσ γι αυτό το ςκοπό πφργουσ, αφ ετζρου ςτο ςπορελαιουργείο, όπου χρθςιμοποιείται ςτισ πρζςςεσ ατμοφ για τθν εξαγωγι του βαμβακόλαδου. 146

147 Με τθν εγκατάςταςθ του παραπάνω ςυςτιματοσ, καλφπτεται το ςφνολο των αναγκϊν ςε κερμότθτα του εκκοκκιςτθρίου, κακϊσ και μζροσ των αναγκϊν του ςε θλεκτρικι ενζργεια. Θ εξοικονόμθςθ ςυμβατικϊν καυςίμων που επιτυγχάνεται ετθςίωσ φκάνει τουσ 630 τόνουσ πετρελαίου. Ζτςι, θ αρχικι επζνδυςθ, ςυνολικοφ φψουσ δρχ., αποςβζςκθκε ςε μόλισ 6-7 εκκοκκιςτικζσ περιόδουσ. Αξίηει, τζλοσ, να ςθμειωκεί ότι ανάλογεσ μονάδεσ, μόνο για παραγωγι κερμότθτασ όμωσ, ζχουν ιδθ εγκαταςτακεί και λειτουργοφν ςε 17 εκκοκκιςτιρια βαμβακιοφ ςτθ χϊρα μασ, ςτα οποία αντικαταςτάκθκε πλιρωσ θ χριςθ του πετρελαίου και του μαηοφτ από αυτι των υπολειμμάτων του εκκοκκιςμοφ ) Σθλεκζρμανςθ κατοικθμζνων περιοχϊν Τθλεκζρμανςθ ονομάηεται θ εξαςφάλιςθ ηεςτοφ νεροφ τόςο για τθ κζρμανςθ των χϊρων, όςο και για τθν απευκείασ χριςθ του ςε ζνα ςφνολο κτιρίων, ζναν οικιςμό, ζνα χωριό ι μία πόλθ, από ζναν κεντρικό ςτακμό παραγωγισ κερμότθτασ. Θ παραγόμενθ κερμότθτα μεταφζρεται με δίκτυο αγωγϊν από το ςτακμό προσ τα κερμαινόμενα κτίρια. Θ τθλεκζρμανςθ παρουςιάηει μεγάλθ ανάπτυξθ ςε πολλζσ χϊρεσ, κακϊσ εμφανίηει ςθμαντικά πλεονεκτιματα, όπωσ είναι θ επίτευξθ υψθλότερου βακμοφ απόδοςθσ, ο περιοριςμόσ τθσ ρφπανςθσ του περιβάλλοντοσ και θ δυνατότθτα χρθςιμοποίθςθσ μθ ςυμβατικϊν καυςίμων, οπότε προκφπτουν επιπλζον οικονομικά και περιβαλλοντικά οφζλθ. Στθν Ελλάδα ζχει ιδθ εγκαταςτακεί θ πρϊτθ μονάδα τθλεκζρμανςθσ με χριςθ βιομάηασ. Θ μονάδα αυτι, που βρίςκεται ςτθν κοινότθτα Νυμφαςίασ του Νομοφ Αρκαδίασ, ζχει ονομαςτικι ιςχφ kcal/h και καλφπτει τισ ανάγκεσ κζρμανςθσ 80 κατοικιϊν και 600 μ2 κοινοτικϊν χϊρων. Ωσ καφςιμθ φλθ χρθςιμοποιοφνται τρίμματα ξφλου, τα οποία προζρχονται από τεμαχιςμό ςε ειδικό μθχάνθμα υπολειμμάτων υλοτομίασ από γειτονικό δάςοσ ελάτων. Το ζργο αυτό αποτελεί πρότυπο για τθν ανάπτυξθ παρόμοιων εφαρμογϊν ςε κοινότθτεσ και διμουσ τθσ χϊρασ, δεδομζνου ότι εξαςφαλίηει ςθμαντικι εξοικονόμθςθ ςυμβατικϊν καυςίμων, αξιοποίθςθ των τοπικϊν ενεργειακϊν πόρων και ςυνειςφζρει ςτθ βελτίωςθ του περιβάλλοντοσ. 147

148 4.4.3) Θζρμανςθ κερμοκθπίων Θ αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ ςε μονάδεσ παραγωγισ κερμότθτασ για τθ κζρμανςθ κερμοκθπίων αποτελεί μία ενδιαφζρουςα και οικονομικά ςυμφζρουςα προοπτικι για τουσ ιδιοκτιτεσ τουσ. Ιδθ, ςτο 10% περίπου τθσ ςυνολικισ ζκταςθσ των κερμαινόμενων κερμοκθπίων τθσ χϊρασ, αξιοποιοφνται διάφορα είδθ βιομάηασ. Ζνα παράδειγμα αυτοφ του είδουσ χριςθσ τθσ βιομάηασ αποτελεί μία κερμοκθπιακι μονάδα ζκταςθσ 2 ςτρεμμάτων, ςτο Νομό Σερρϊν, ςτθν οποία καλλιεργοφνται οπωροκθπευτικά. Σε αυτι τθ μονάδα ζχει εγκαταςτακεί ςφςτθμα παραγωγισ κερμότθτασ, ςυνολικισ κερμικισ ιςχφοσ kcal/h, το οποίο χρθςιμοποιεί ωσ καφςιμο άχυρο ςιτθρϊν. H ετιςια εξοικονόμθςθ ςυμβατικϊν καυςίμων που επιτυγχάνεται φκάνει τουσ 40 τόνουσ πετρελαίου ) Παραγωγι υγρϊν καυςίμων με βιοχθμικι μετατροπι βιομάηασ Θ παραγωγι υγρϊν καυςίμων με βιοχθμικι διεργαςία (Σχ. 3) επικεντρϊνεται, κυρίωσ, ςτθν παραγωγι βιοαικανόλθσ (οιnoπνεφματοσ) με ηφμωςθ ςακχάρων, αμφλου, κυτταρινϊν και θμικυτταρινϊν που προζρχονται από διάφορα είδθ βιομάηασ (αραβόςιτοσ, ςόργο το ςακχαροφχο κ.ά.). Θ τεχνολογία ηφμωςθσ των ςακχάρων είναι ςιμερα γνωςτι και ανεπτυγμζνθ, ενϊ εκείνθ τθσ ηφμωςθσ των κυτταρινϊν και θμικυτταρινϊν βρίςκεται υπό εξζλιξθ. Θ βιοαικανόλθ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςε κινθτιρεσ οχθμάτων, ωσ ζχει ι ςε πρόςμιξθ με βενηίνθ, ωσ καφςιμο κίνθςθσ. 148

149 Σχιμα 3. Βιοχθμικι μετατροπι τθσ βιομάηασ Ραρά το γεγονόσ ότι, εκτόσ ελαχίςτων περιπτϊςεων (π.χ. αντικατάςταςθαεροπορικισ βενηίνθσ), το κόςτοσ τθσ βιοαικανόλθσ είναι υψθλότερο εκείνου τθσ βενηίνθσ, θ χριςθ τθσ ωσ καφςιμο κίνθςθσ αυξάνει ςυνεχϊσ ανά τον κόςμο, με προεξάρχουςεσ τθ Βραηιλία και τισ ΘΡΑ. Αυτό ςυμβαίνει διότι αφ ενόσ θ βιοαικανόλθ είναι κακαρότερο καφςιμο από περιβαλλοντικισ πλευράσ και αφ ετζρου δίνει διζξοδο ςτα γεωργικά προβλιματα. Για τουσ λόγουσ αυτοφσ θ παραγωγι και χριςθ τθσ βιοαικανόλθσ παρουςιάηουν εξαιρετικά ευνοϊκζσ προοπτικζσ για το μζλλον ) Παραγωγι υγρϊν καυςίμων με κερμοχθμικι μετατροπι βιομάηασ Θ κερμοχθμικι μετατροπι τθσ βιομάηασ (Σχ. 4) οδθγεί είτε ςτθν απ ευκείασ παραγωγι ενζργειασ (καφςθ), είτε ςτθν παραγωγι καυςίμου, το οποίο ςτθ ςυνζχεια μπορεί να χρθςιμοποιθκεί αυτόνομα. Θ τεχνολογία τθσ αςτραπιαίασ πυρόλυςθσ αποτελεί μία από τισ πολλά υποςχόμενεσ λφςεισ για τθν ενεργειακι αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ. Κατ αυτιν, τα ογκϊδθ δαςικά και αγροτικά υπολείμματα, αφοφ ψιλοτεμαχιςκοφν, μετατρζπονται, με τθ βοικεια ειδικοφ αντιδραςτιρα, ςε υγρό καφςιμο υψθλισ ενεργειακισ πυκνότθτασ, το βιοζλαιο. 149

150 Σχιμα 4. Κερμοχθμικι μετατροπι τθσ βιομάηασ Το βιοζλαιο μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ωσ υποκατάςτατο του πετρελαίου (ζχει λίγο μικρότερθ από τθ μιςι κερμογόνο δφναμθ του πετρελαίου) ςε εφαρμογζσ κζρμανςθσ (λζβθτεσ, φοφρνουσ κ.λ.π.) αλλά και παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ (μθχανζσ εςωτερικισ καφςθσ κ.ά.). Θ αςτραπιαία πυρόλυςθ τθσ βιομάηασ αποτελεί τθν οικονομικότερθ διεργαςία θλεκτροπαραγωγισ, ιδίωσ ςτθν περιοχι μικρισ κλίμακασ ιςχφοσ (<5ΜWe). To KAΡΕ, ςε ςυνεργαςία με διεκνϊσ αναγνωριςμζνα Ρανεπιςτιμια και Εταιρείεσ Ραραγωγισ Θλεκτρικοφ εφματοσ, αναπτφςςει από το 1991 μία πρότυπθ πιλοτικι μονάδα αςτραπιαίασ πυρόλυςθσ, δυναμικότθτασ 10 kg/h. Εκτιμάται ότι, ςφντομα, κα καταςτεί δυνατι (δθλ. oικονομικά ςυμφζρουςα) θ μετάβαςθ από τισ πιλοτικζσ ςε επιδεικτικζσ μονάδεσ πυρόλυςθσ βιομάηασ μεγαλφτερθσ δυναμικότθτασ. Με τθν αεριοποίθςθ παράγεται αζριο καφςιμο, το οποίο μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςε καυςτιρεσ αερίου για τθν παραγωγι ενζργειασ. Οι ςχετικζσ τεχνολογίεσ όμωσ βρίςκονται ακόμθ ςε ερευνθτικό ςτάδιο και κα απαιτθκεί ςθμαντικι περαιτζρω προςπάκεια προκειμζνου να μπορζςουν τα πιλοτικά προγράμματα να φτάςουν ςε ςθμείο να είναι οικονομικά ςυμφζρουςα θ εφαρμογι τουσ ςε ευρεία κλίμακα. 150

151 4.4.6) Ενεργειακζσ καλλιζργειεσ Οι ενεργειακζσ καλλιζργειεσ, ςτισ οποίεσ περιλαμβάνονται τόςο οριςμζνα καλλιεργοφμενα είδθ όςο και άγρια φυτά, ζχουν ςαν ςκοπό τθν παραγωγι βιομάηασ, θ οποία μπορεί, ςτθ ςυνζχεια, να χρθςιμοποιθκεί για διαφόρουσ ενεργειακοφσ ςκοποφσ, ςφμφωνα με όςα αναφζρκθκαν ςτα προθγοφμενα ςχετικά με τισ εφαρμογζσ τθσ βιομάηασ. Οι ςθμαντικότερεσ παγκοςμίωσ χριςεισ τθσ βιομάηασ που προζρχεται από τζτοιου είδουσ καλλιζργειεσ, ςε αναπτυγμζνεσ χϊρεσ, παρουςιάηονται ςτον Ρίνακα 2. χϊρα καλλιζργεια Σελικό προϊόν χριςεισ Βραηιλία ηαχαροκάλαμο αλκοόλθ καφςιμο μεταφοράσ ΘΡΑ καλαμπόκι αλκοόλθ καφςιμο Γαλλία Άλλεσ χϊρεσ ηαχαρότευτλα, ςιτάρι, κ.λ.π. ελαιοκράμβθ & αλκοόλθ βιοντιηελ θλίανκοσ τθσ Ε.Ε. Σουθδία ιτιά Ψιλοτεμαχιςμζνο ξφλο μεταφοράσ καφςιμο μεταφοράσ καφςιμο μεταφοράσ Ρίνακασ 2. Ενεργειακζσ καλλιζργειεσ μεγάλθσ κλίμακασ Σόνοι ι ςτρζμματα/ ζτοσ 9 εκατομμφρια τόνοι/ζτοσ 4 εκατομμφρια τόνοι/ζτοσ τόνοι/ζτοσ τόνοι/ζτοσ καφςθ ςτρζμματα/ζ τοσ 151

152 Ειδικότερα ςτθν Ελλάδα, εξαιτίασ των ευνοϊκϊν κλιματικϊν ςυνκθκϊν, πολλζσ καλλιζργειεσ προςφζρονται για ενεργειακι αξιοποίθςθ και δίνουν υψθλζσ ςτρεμματικζσ αποδόςεισ. Οι πιο ςθμαντικζσ από αυτζσ είναι του καλαμιοφ, τθσ αγριοαγκινάρασ, του ςόργου του ςακχαροφχου, του μίςχανκου, του ευκάλυπτου και τθσ ψευδοακακίασ, για τισ οποίεσ, τα τελευταία χρόνια, γίνεται εντατικι μελζτθ εφαρμογισ ςτισ ελλθνικζσ ςυνκικεσ. Ενδεικτικά παρουςιάηονται οριςμζνα ςτοιχεία για τα παρακάτω είδθ ενεργειακϊν καλλιεργειϊν: Το καλάμι (Σχ. 5) είναι φυτό ικαγενζσ τθσ Νότιασ Ευρϊπθσ. Δίνει υψθλζσ αποδόςεισ, πάνω από 3 τόνουσ το ςτρζμμα. Είναι φυτό πολυετζσ, δθλαδι ςπζρνεται άπαξ και κάκε χρόνο γίνεται ςυγκομιδι του, και, μετά τθν πρϊτθ εγκατάςταςθ, οι μόνεσ δαπάνεσ αφοροφν τα ζξοδα ςυγκoμιδισ του. Ζχει, ςυνεπϊσ, χαμθλό ετιςιο κόςτοσ καλλιζργειασ. Θ παραγόμενθ από το καλάμι βιομάηα μπορεί να αξιοποιθκεί ςε μονάδεσ εςωτερικισ καφςθσ, για τθν παραγωγι κερμότθτασ και θλεκτρικοφ ρεφματοσ. 152

153 Σχιμα 5. Φυτεία καλαμιοφ ςτθν κεντρικι Ελλάδα (ζπανω) και παραγωγι βιομάηασ (κάτω) κατά τθν τελικι ςυγκομιδι, για δφο καλλιεργθτικζσ περιόδουσ Θ αγριοαγκινάρα είναι ζνα άλλο ςθμαντικό φυτό (Σχ. 6), κατάλλθλο για ενεργειακι αξιοποίθςθ, το οποίο προςαρμόηεται καυμάςια ςτισ ελλθνικζσ ςυνκικεσ. Είναι φυτό πολυετζσ, με υψθλζσ αποδόςεισ τθσ τάξεωσ των 2,5-3 τόνων/ςτρζμμα. Το κυριότερο, όμωσ, πλεονζκτθμά του είναι ότι θ ανάπτυξι του λαμβάνει χϊρα από τον Οκτϊβριο ζωσ τον Λοφνιο και, ςυνεπϊσ, αναπτφςςεται με το νερό των βροχοπτϊςεων (δθλαδι δεν απαιτεί άρδευςθ). Θ παραγόμενθ από τθν αγριαγκινάρα βιομάηα μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςε εφαρμογζσ παρόμοιεσ με αυτζσ του καλαμιοφ. 153

154 Σχιμα 6. Φυτεία αγριαγκινάρασ ςτθν κεντρικι Ελλάδα (αριςτερά) και παραγωγι βιομάηασ ανά ςτρζμμα (δεξιά) 154

155 Επίςθσ, ςτθ Βόρεια Ευρϊπθ, όπου είναι πολφ διαδεδομζνεσ οι ενεργειακζσ καλλιζργειεσ, καλλιεργοφνται ςιμερα διάφορα πολυετι φυτά για ενεργειακοφσ ςκοποφσ. Στθ Σουθδία π.χ. καλλιεργοφνται ςτρζμματα με ιτιά, τθσ οποίασ θ κοπι γίνεται κάκε τζςςερα χρόνια. Θ παραγόμενθ ποςότθτα βιομάηασ, αφοφ προθγουμζνωσ ψιλοτεμαχιςκεί, οδθγείται ςε μονάδεσ ςυμπαραγωγισ κερμότθτασ και θλεκτριςμοφ ) Βιοαζριο Σθμαντικζσ ενεργειακζσ ανάγκεσ μποροφν επίςθσ να καλυφκοφν με τθ χριςθ του βιοαερίου ωσ καυςίμου ςε μθχανζσ εςωτερικισ καφςθσ, για τθν παραγωγι κερμότθτασ και θλεκτριςμοφ. Αυτό αποτελείται κυρίωσ από μεκάνιο και διοξείδιο του άνκρακα και παράγεται από τθν αναερόβια χϊνευςθ κτθνοτροφικϊν κυρίωσ αποβλιτων, όπωσ είναι τα λφμματα των χοιροςταςίων, πτθνοτροφίων, βουςταςίων, κακϊσ και βιομθχανικϊν και αςτικϊν οργανικϊν απορριμμάτων. Στθν περίπτωςθ των κτθνοτροφικϊν αποβλιτων, θ παραγωγι του βιοαζριου γίνεται ςε ειδικζσ εγκαταςτάςεισ, απλοφςτερεσ ι ςυνκετότερεσ, ανάλογα με το είδοσ τθσ εφαρμογισ. Σ αυτζσ, εκτόσ από το βιοαζριο, παράγεται και πολφ καλισ ποιότθτασ οργανικό λίπαςμα, του οποίου θ διάκεςθ ςτθν αγορά μπορεί να ςυμβάλλει ςτθν οικονομικι βιωςιμότθτα μίασ εφαρμογισ αυτοφ του είδουσ. Στθν περίπτωςθ των αςτικϊν απορριμμάτων, το βιοαζριο παράγεται ςτουσ Χϊρουσ Υγειονομικισ Ταφισ Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ), όπωσ φαίνεται ςτο Σχιμα 7. Θ μάςτευςι του μπορεί να αρχίςει μετά από το δεφτερο ι τρίτο χρόνο τθσ απόκεςθσ των απορριμμάτων αυτϊν και εξαρτάται από τθν ποςότθτά τουσ. Από τθν άλλθ πλευρά, θ ποςότθτα του βιοαζριου που μαςτεφεται εξαρτάται κυρίωσ από τθν περιεκτικότθτα των αποτικεμζνων απορριμμάτων ςε οργανικά υλικά, κακϊσ και από τθν ποιότθτα του υλικοφ επικάλυψθσ των ςτρϊςεων. Αυτό κα πρζπει να είναι όςο το δυνατόν πιο ςτεγανό, ϊςτε να επιτυγχάνεται θ αναερόβια χϊνευςθ, εμποδίηοντασ, ταυτόχρονα, τθν απαζρωςθ του παραγόμενου βιοαερίου. 155

156 Σχιμα 7. Χϊροσ Υγειονομικισ Ταφισ Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ) 4.4.8) Παραγωγι οργανοχουμικϊν λιπαςμάτων από πτθνοτροφικά απόβλθτα Στθν περιοχι των Μεγάρων, εγκαταςτάκθκε μονάδα παραγωγισ οργανικϊν λιπαςμάτων από τθν επεξεργαςία των αποβλιτων των πολυάρικμων πτθνοτροφείων τθσ περιοχισ. Μια τζτοια μονάδα ζχει ςθμαντικζσ ευνοϊκζσ επιπτϊςεισ ςτο περιβάλλον, δεδομζνου ότι θ περιοχι απαλλάςςεται από ςθμαντικζσ ποςότθτεσ πτθνοτροφικϊν αποβλιτων, που προκαλοφν προβλιματα ςτουσ κατοίκουσ λόγω τθσ τοξικότθτάσ τουσ και του κινδφνου διάδοςθσ μολυςματικϊν αςκενειϊν. Συμβάλλει, όμωσ, και ςτθν εξοικονόμθςθ ςθμαντικϊν ποςοτιτων ςυμβατικϊν καυςίμων, τα οποία κα απαιτοφνταν για τθν κατ άλλο τρόπο παραγωγι ανόργανων λιπαςμάτων ίςθσ λιπαντικισ αξίασ. Θ μονάδα ζχει δυναμικότθτα επεξεργαςίασ τόνων πτθνοτροφικϊν αποβλιτων ετθςίωσ και θ θλεκτρικι ενζργεια που εξοικονομείται, ςτο ίδιο διάςτθμα, φκάνει περίπου τισ 500 MWh. 156

157 4.5) Λζβθτεσ-Καυςτιρεσ βιομάηασ Οι εταιρείεσ που καταςκευάηουν τουσ πιο διαδεδομζνουσ τφπουσ καυςτιρων είναι: Α)HKS LAZAR Οι λζβθτεσ-καυςτιρεσ βιομάηασ τθσ εταιρείασ HKS LAZAR αποτελοφν ίςωσ τθν ςυμφερότερθ λφςθ με πολλά πλεονεκτιματα κακότι ζχει ςτο βαςικό πακζτο όλουσ εκείνουσ τουσ αυτοματιςμοφσ που τθν κακιςτοφν φιλικι προσ τον χριςτθ και ςυγχρόνοσ είναι εξοπλιςμόσ με ιδιαίτερα μεγάλθ αξιοπιςτία.οι λζβθτεσ pellets τθσ LAZAR ζχουν πολφ υψθλό βακμό απόδοςθσ 92.1% και θ ιςχφσ τουσ φτάνει τα 41 kw. B)ARCA Οι καυςτιρεσ-λζβθτεσ βιομάηασ τθσ εταιρείασ ARCA αποτελοφν μια από τισ λίγεσ λφςεισ οι οποίεσ μποροφν να καλφψουν ιςχφ ζωσ 150 kw με πλιρωσ αυτοματοποιθμζνο εξοπλιςμό.θ μικρι ςυντιρθςθ που απαιτείται με τα μεγάλα μεςοδιαςτιματα κακαριςμοφ αλλά και θ πατενταριςμζνθ τεχνολογία αποτελοφν τα μεγαλφτερα πλεονεκτιματα για αυτοφ του είδουσ τπν εξοπλιςμό.τζλοσ,μεγάλο πλεονζκτθμα είναι θ δυνατότθτα ανάλογα με το μοντζλο να χρθςιμοποιθκεί ωσ κάυςιμο τόςο pellets όςο και ξφλο. Γ)TERMODINAMIK 157

158 Δ)CETIK Θ τουρκικι εταιρεία προςφζρει ίςωσ τθν πιο αποτελεςματικι λφςθ ςτθν καλφτερθ τιμι,με πολλζσ ευκολίεσ ςον χειριςμό λόγω καταςκευισ τθσκαι του ειδικοφ controller που ςυμπεριλαμβάνεται ςτον ςτάνταρ εξοπλιςμό κακϊσ και μικρό βακμό ςυντιρθςθσ.με τθν ευριτατθ γκάμα τθσ είναι ςε κζςθ να καλφψει κάκε είδουσ ανάγκθ προςφζροντασ λφςεισ ςε κατοικία αλλά και επαγγελματικό χϊρο με εξοπλιςμο ιςχφοσ ζωσ και 1000 kw. E)ULMA BURNERS Οι καυςτιρεσ pellets τθσ εταιρείασ ULMA αξιοποιοφν τθν οικονομία που προςφζρει θ βιομάηα κατά τθν λειτουργία του ςυςτιματοσ,ενϊ μποροφν εφκολα και με μικρζσ διαφοροποιιςεισ να αντικαταςτιςουν ζνα υπάρχον ςφςτθμα πετρελαίου.θ κερμικι ιςχφσ που καλφπτεται από τουσ καυςτιρεσ pellets τθσ εταιρείασ ULMA φτάνει ζωσ τα 50 kw ζνω μζςα ςτο 2011 προβλζπεται να καλφπτεται ιςχφσ ζωσ και 200 kw. Τζλοσ,κα αναφζρουμε λίγα πράγματα για τουσ καυςτιρεσ βιομάηασ pellets: Εκτόσ από τα γνωςτά καυςόξυλα, θ χριςθ τθσ βιομάηασ γίνεται ςυνικωσ με τθν καφςθ κρυμμάτων ξφλου (wood chips) ι ςυςςωματωμάτων (pellets, μικρά πεπιεςμζνα κομμάτια από ςκόνθ ξφλου ι αγροτικά παραπροϊόντα) ςε ςφγχρονουσ λζβθτεσ υψθλισ τεχνολογίασ, με αυτόματθ τροφοδοςία καυςίμου και θλεκτρονικά ελεγχόμενθ παροχι αζρα, οι οποίοι είναι ςε κζςθ να αποδϊςουν περιςςότερο από το 90% τθσ ενζργειασ που περιζχεται ςτο ξφλο για κζρμανςθ. Τα πιο εξελιγμζνα ςυςτιματα διακζτουν αυτόματο ςφςτθμα κακαριςμοφ των επιφανειϊν εναλλακτϊν κερμότθτασ και αυτόματθ απομάκρυνςθ τθσ ςτάχτθσ, ενϊ οριςμζνα μοντζλα ςυμπιζηουν τισ ςτάχτεσ, ϊςτε το κακάριςμα να είναι αναγκαίο μόνο δφο φορζσ το χρόνο. 158

159 4.6) Προοπτικζσ τθσ βιομάηασ-επίλογοσ Σφμφωνα με τα διάφορα ςενάρια, τα αποκζματα των ςυμβατικϊν πθγϊν ενζργειασ (πετρελαίου, άνκρακα κ.α.) πλθςιάηουν ςτθν εξάντλθςι τουσ, ενϊ και οι διακζςιμεσ ποςότθτεσ των πυρθνικϊν καυςίμων είναι οπωςδιποτε περιοριςμζνεσ, πζραν του ότι θ χριςθ τουσ εγκυμονεί τεράςτιουσ κινδφνουσ. Στο ενδιάμεςο διάςτθμα, μζχρι δθλαδι να εξαντλθκοφν τα γνωςτά αποκζματα καυςίμων υλϊν, προβλζπεται ο διπλαςιαςμόσ των κατοίκων του πλανιτθ και ο πολλαπλαςιαςμόσ των ενεργειακϊν τουσ αναγκϊν. Τα κοιτάςματα ορυκτϊν καυςίμων, ςτερεϊν, υγρϊν και αζριων, που προιλκαν από το φυτικό κόςμο, ο οποίοσ χρειάςτθκε πολλζσ χιλιετίεσ για να δθμιουργθκεί με τθ φωτοςφνκεςθ, εξορφςςονται με ξζφρενουσ ρυκμοφσ και καίγονται. Το αποτζλεςμα είναι, μζςα ςε διάςτθμα δφο μόνο αιϊνων, να κοντεφει να εξαντλθκεί το προϊόν του μακροχρόνιου ζργου τθσ φφςθσ, κακϊσ επίςθσ να ζχει ιδθ επιβαρυνκεί ςοβαρά το περιβάλλον. Το τελευταίο αυτό γεγονόσ εγκυμονεί τεράςτιουσ οικολογικοφσ κινδφνουσ για τον πλανιτθ (φαινόμενο κερμοκθπίου, όξινθ βροχι κ.λ.π.). Επιδίωξθ τθσ Ευρωπαϊκισ Ζνωςθσ (Ε.Ε.) είναι οι εκπομπζσ CO2 των χωρϊν μελϊν τθσ να να ζχουν ςτακεροποιθκεί το ζτοσ 2000 ςτα επίπεδα του 1990, με περαιτζρω ςτόχο τθ μείωςι τουσ μζχρι το Υπάρχουν δε ςχζδια για τθν επιβολι φορολογίασ CO2, θ οποία κα είναι ανάλογθ των εκπομπϊν ρφπων που προκαλεί θ κατανάλωςθ ενζργειασ από το βιομθχανικό τομζα. Οι ανανεϊςιμεσ πθγζσ ενζργειασ, οι οποίεσ δεν εμφανίηουν τον κίνδυνο εξάντλθςισ τουσ και είναι φιλικζσ προσ το περιβάλλον, προβάλουν ςιμερα ωσ θ μόνθ ελπίδα, θ οποία διαγράφεται ςτο ηοφερό ενεργειακό και περιβαλλοντικό ορίηοντα του πλανιτθ. 159

160 Αξίηει επίςθσ να αναφερκεί ότι, θ ςυμφωνία τθσ GATT και θ από αυτιν απορρζουςα νζα Κοινι Αγροτικι Ρολιτικι (Κ.Α.Ρ.) τθσ Ε.Ε. κα δθμιουργιςουν ςοβαρότατα προβλιματα διάκεςθσ των αγροτικϊν προϊόντων που προορίηονται για διατροφι και παραγωγι βιομθχανικϊν πρϊτων υλϊν. Σφμφωνα με τισ προβλζψεισ, 150 εκατομμφρια ςτρζμματα γόνιμων και άλλα τόςα ςτρζμματα περικωριακϊν εκτάςεων είναι πικανό να περιζλκουν ςε αγρανάπαυςθ, εκτόσ εάν οι εκτάςεισ αυτζσ χρθςιμοποιθκοφν για τθν παραγωγι ενζργειασ. Για το λόγο αυτό, θ Ε.Ε. δαπανά τεράςτια ποςά ςτθν ζρευνα για τθν αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ και τθν ανάπτυξθ των βιοκαυςίμων ςτισ περικωριοποιοφμενεσ εκτάςεισ. Ο ςτόχοσ, τζλοσ, τθσ Ευρωπαϊκισ Ζνωςθσ, όςον αφορά το ζτοσ 2010, είναι να γίνουν εκείνα τα βιματα που κα επιτρζψουν να καλυφκεί από ανανεϊςιμεσ πθγζσ το 12% των ενεργειακϊν αναγκϊν των χωρϊνμελϊν τθσ, με προβλεπόμενθ ενιςχυμζνθ ςυμμετοχι τθσ βιομάηασ ςτθν προςπάκεια αυτι. 160

161 Ανακεφαλαιϊνοντασ, θ αξιοποίθςθ τθσ βιομάηασ για τθν παραγωγι ενζργειασ ςυμβάλλει: Στθν εξοικονόμθςθ ςυμβατικϊν καυςίμων, με αντίςτοιχθ εξοικονόμθςθ ςυναλλάγματοσ. Στθ μείωςθ τθσ εξάρτθςθσ τθσ χϊρασ από ξζνεσ ενεργειακζσ πθγζσ. Στθν εξαςφάλιςθ εργαςίασ και τθ ςυγκράτθςθ των πλθκυςμϊν ςτθν περιφζρεια. Στθν προςταςία και βελτίωςθ του περιβάλλοντοσ, κακϊσ θ βιομάηα ωσ καφςιμο πλεονεκτεί και από περιβαλλοντικισ απόψεωσ ζναντι των ςυμβατικϊν καυςίμων. Θ ανάπτυξθ και εξάπλωςθ τθσ χριςθσ τθσ βιομάηασ χρειάηεται τθ ςυμβολι όλων. Τα οφζλθ που μποροφν να αποκομιςκοφν είναι ςθμαντικά, τόςο από ενεργειακισ- οικονομικισ πλευράσ όςο και από τθν πλευρά τθσ προςταςίασ του περιβάλλοντοσ, αρκεί να καταβλθκεί θ προςπάκεια που απαιτείται ϊςτε να γίνει ςυςτθματικι εκμετάλλευςθ και ςτθ χϊρα μασ του πλοφςιου δυναμικοφ που αυτι διακζτει. 161

162 Κεφάλαιο 5: ΦΤΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 162

163 5.1) Σι είναι το φυςικό αζριο Το φυςικό αζριο είναι ζνα φυςικό προϊόν που βρίςκεται ςε υπόγεια κοιτάςματα τθσ γθσ και είτε ςυναντάται μόνο του είτε ςυνυπάρχει με κοιτάςματα πετρελαίου. Είναι μίγμα υδρογονανκράκων ςε αζρια κατάςταςθ, αποτελοφμενο κυρίωσ από μεκάνιο (ςε ποςοςτό άνω του 85%), που είναι ο ελαφρφτεροσ υδρογονάνκρακασ, είναι πολφ κακαρό, χωρίσ προςμίξεισ και κειοφχα ςυςτατικά. Είναι μια «φυςικι μορφι ενζργειασ» που μπορεί να χρθςιμοποιθκεί χωρίσ ιδιαίτερθ επεξεργαςία και κάνει τζλεια καφςθ ςτισ κατάλλθλεσ ςυςκευζσ. Το φυςικό αζριο αποτελεί το φιλικότερο ςυμβατικό καφςιμο ςτο περιβάλλον και ςτον άνκρωπο. 5.2) Παραγωγι-Προζλευςθ Φυςικοφ Αερίου Το Φυςικό Αζριο ςυναντάται ςε υπόγειουσ ςχθματιςμοφσ (κοιτάςματα) με τθ μορφι μίγματοσ αζριων υδρογονανκράκων ςε ελεφκερθ μορφι ι διαλυμζνων ςτο νερό ι το πετρζλαιο ι απορροφθμζνων από πετρϊματα. Με κριτιριο τθ προζλευςθ του διακρίνεται ςε δυο μεγάλεσ κατθγορίεσ: το «ςυμβατικό», που είναι άμεςα απολιψιμο από γεωτριςεισ (είναι θ κφρια μορφι που παράγεται ςιμερα) και το «μθ ςυμβατικό», που περιζχεται ςε άμμουσ και ςχιςτόλικουσ. 163

164 Το «ςυμβατικό» Φυςικό Αζριο, με τθ ςειρά του, διακρίνεται ςε ότι αφορά τθ εκμετάλλευςθ του: ςτο «ςυναρτθμζνο» με το πετρζλαιο, το οποίο είναι παραπροϊόν τθσ άντλθςθσ του πετρελαίου και ςτο «μθ ςυναρτθμζνο». Κατά τθν πραγματοποίθςθ μιασ γεϊτρθςθσ το Φυςικό Αζριο ανζρχεται ςτθν επιφάνεια λόγω τθσ μεγάλθσ πίεςθσ. Ραρόλα αυτά όμωσ πάντοτε απαιτείται κάποια μορφι άντλθςθσ για να το παραλάβουμε. Ο πιο ςυνθκιςμζνοσ τρόποσ είναι με αντλίεσ οι οποίεσ φζρνουν ςτθν επιφάνεια πετρζλαιο και Φυςικό Αζριο. Θ ροι του Φυςικοφ Αερίου από τον ταμιευτιρα μπορεί να βελτιωκεί με τθν δθμιουργία μικροςκοπικϊν ρθγμάτων μζςα ςτο πζτρωμα (ςυνικωσ με τθ χριςθ ρευςτοφ ςε υψθλι πίεςθ) που επιτρζπουν ςτο αζριο να διαφφγει. Για τθν διακρατικι μεταφορά του αερίου αλλά και τθν περεταίρω διανομι του ςτο εςωτερικό τθσ χϊρασ χρθςιμοποιοφνται αγωγοί υψθλισ πίεςθσ και μεγάλων διαμζτρων, που μεταφζρουν το Φυςικό αζριο ςε αζρια μορφι. Ραράλλθλα γίνεται και διαμετακόμιςι του με ειδικά κρυογενικά πλοία ι οχιματα, που μεταφζρουν το Φυςικό Αζριο ςε υγροποιθμζνθ μορφι. Τζλοσ, ζχει αρχίςει πρόςφατα θ μεταφορά υγροποιθμζνου αερίου με χριςθ αγωγϊν μεταφοράσ 164

165 5.3) Προμικεια φυςικοφ αερίου Το φυςικό αζριο υπάρχει ςε μεγάλα αποκζματα που ιδθ ζχει διαπιςτωκεί ότι επαρκοφν τουλάχιςτον 100 ζτθ ςε χϊρεσ όπωσ θ πρϊθν Σοβιετικι Ζνωςθ, το Λράν, το Κατάρ, το Λράκ, θ Νιγθρία, θ Αλγερία, οι ΘΡΑ κ.ά. Θ Ελλάδα ςιμερα προμθκεφεται φυςικό αζριο από 3 διαφορετικζσ πθγζσ: από τθ ωςία (μζςω Βουλγαρίασ) μζςω αγωγϊν ςε αζρια μορφι, από τθν Αλγερία με δεξαμενόπλοια ςε υγροποιθμζνθ μορφι (ςτισ εγκαταςτάςεισ τθσ νιςου εβυκοφςασ, ςτον κόλπο των Μεγάρων) και από το 2007, από το Αηερμπαϊτηάν (μζςω Τουρκίασ) μζςω αγωγϊν ςε αζρια μορφθ 5.4) Σο ςφςτθμα Μεταφοράσ και Διανομισ του Φυςικοφ Αερίου Το ςφςτθμα του Φυςικοφ Αερίου ζχει ωσ ςκοπό τθν αςφαλι τροφοδοςία των μεγάλων καταναλωτικϊν κζντρων τθσ χϊρασ και αποτελείται από: το δίκτυο μεταφοράσ του Φυςικοφ Αερίου. τον τερματικό ςτακμό αποκικευςθσ του υγροποιθμζνου (LNG) αλγερινοφ Φυςικοφ Αερίου ςτθν εβυκοφςα(κόλποσ των Μεγάρων). Το υγροποιθμζνο Φυςικό Αζριο επαναεριοποιείται και τροφοδοτεί το δίκτυο μεταφοράσ. το ςφςτθμα διανομισ του Φυςικοφ Αερίου ςτουσ καταναλωτζσ 165

166 Μεταφορά του Φυςικοφ Αερίου χαρακτθρίηεται θ διοχζτευςθ και παροχζτευςθ του Αερίου, μζςω αγωγϊν πίεςθσ ςχεδιαςμοφ μεγαλφτερθσ των 19 bar (υπερπίεςθ) και θ διαμετακόμιςθ του ςε υγροποιθμζνθ μορφι, μζςω πλοίων ι οχθμάτων. Ο όροσ αυτόσ διαφζρει από τον όρο Διανομι του φυςικοφ Αερίου. Διανομι του Φυςικοφ Αερίου χαρακτθρίηεται θ διοχζτευςθ και παροχζτευςθ του Αερίου, μζςω αγωγϊν πίεςθσ ςχεδιαςμοφ μζχρι και 19 bar υπερπίεςθ, δθλαδι 20 bar απόλυτθ πίεςθ. 5.5) φςταςθ Θ ςφςταςθ του φυςικοφ αερίου διαφζρει ανάλογα με τθν πθγι προζλευςισ του. Οι προδιαγραφζσ του φυςικοφ αερίου δίνονται ςτον παρακάτω πίνακα: Μεκάνιο (CH 4 ) Min 85% Αικάνιο (C 2 H 6 ) Max 8,6% Ρροπάνιο (C 3 H 8 ) Max 3% Βουτάνια Max 2% Ρεντάνια και άλλοι Max 1% υδρογονάνκρακεσ Άηωτο (N 2 ) Max 5% Διοξείδιο του άνκρακα Max 3% (CO 2 ) Το φυςικό αζριο είναι ελαφρφτερο από τον αζρα με ςχετικι πυκνότθτα 0,55. Σε περίπτωςθ διαρροισ, διαχζεται και διαφεφγει άμεςα προσ τθν ατμόςφαιρα (ςε αντίκεςθ με το υγραζριο που είναι βαρφτερο από τον αζρα και ςε περίπτωςθ διαφυγισ ςυγκεντρϊνεται χαμθλά). Το φυςικό αζριο είναι άοςμο, αλλά κατά τθ μεταφορά του προςτίκεται μια ειδικι ουςία με χαρακτθριςτικι οςμι ϊςτε να ανιχνεφεται ςε περίπτωςθ διαφυγισ. 166

167 Τα όρια ανάφλεξθσ του φυςικοφ αερίου είναι 4,5% - 15%. Δθλαδι, θ καφςθ δεν μπορεί να ςυντθρθκεί εάν θ περιεκτικότθτα του αζρα ςε φυςικό αζριο είναι εκτόσ αυτϊν των ορίων. Λόγω τθσ ςφςταςισ του κατά τθν καφςθ του ζχει τθ χαμθλότερθ εκπομπι ρφπων από όλα τα ςυμβατικά καφςιμα. Επίςθσ, δεν περιζχει μονοξείδιο του άνκρακα ςυνεπϊσ δεν είναι τοξικό. Για τα αζρια ζχει οριςτεί μια κατάςταςθ αναφοράσ που καλείται κανονικι κατάςταςθ (και ςτθν οποία ανάγονται οι όγκοι τουσ) και θ οποία είναι 0 0 C για τθ κερμοκραςία και 1,01325 bar για τθν πίεςθ. Ο όγκοσ ενόσ κυβικοφ μζτρου αερίου ςε κανονικι κατάςταςθ αποτελεί ζνα κανονικό κυβικό μζτρο αερίου (1Nm 3 ). 5.6) Θερμογόνοσ Δφναμθ Ανωτζρα Κερμογόνοσ Δφναμθ (ΑΚΔ) ορίηεται θ ενζργεια που εκλφεται κατά τθν καφςθ 1 Nm 3 φυςικοφ αερίου όταν ςτα προϊόντα καφςθσ το νερό βρίςκεται ςε υγρι κατάςταςθ. Θ τιμι τθσ ΑΚΔ δεν είναι ςτακερι κακϊσ εξαρτάται από τθ ςφςταςθ του φυςικοφ αερίου και υπολογίηεται κάκε μινα από τθ ΔΕΡΑ ςφμφωνα με μετριςεισ που γίνονται ςτουσ ςτακμοφσ παραλαβισ του φυςικοφ αερίου. Μια μζςθ τιμι ΑΚΔ είναι 11,5 kwh/nm 3. Αντίςτοιχα ωσ Κατωτζρα Κερμογόνοσ Δφναμθ (ΚΚΔ) ορίηεται θ ενζργεια που εκλφεται κατά τθν καφςθ 1 Nm 3 φυςικοφ αερίου όταν ςτα προϊόντα καφςθσ το νερό βρίςκεται ςε αζρια κατάςταςθ δθλαδι ςε μορφι υδρατμϊν (οπότε ζχει απορροφιςει ενζργεια) και είναι χαμθλότερθ περίπου 10% από τθ ΑΚΔ. Μια μζςθ τιμι ΚΚΔ είναι 10,4 kwh/nm

168 5.7) Χριςεισ Το φυςικό αζριο μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςε πλικοσ εφαρμογϊν και περιπτϊςεων ςτο ςπίτι, ςτισ επιχειριςεισ και ςτθ βιομθχανία. Στον οικιακό τομζα για: κεντρικι κζρμανςθ πολυκατοικίασ αυτόνομθ κζρμανςθ μονοκατοικίασ ι διαμερίςματοσ παροχι ηεςτοφ νεροφ μαγείρεμα κλιματιςμό Στον επαγγελματικό τομζα για: κζρμανςθ μαγείρεμα και ψιςιμο παραγωγι ηεςτοφ νεροφ παραγωγι ατμοφ κλιματιςμό ςυμπαραγωγι θλεκτρικισ και κερμικισ ενζργειασ Μια ςειρά επαγγελματιϊν μπορεί να χρθςιμοποιιςει το φυςικό αζριο καλφπτοντασ τισ κακθμερινζσ ανάγκεσ των επιχειριςεϊν τουσ, όπωσ αρτοποιεία, εςτιατόρια, εργαςτιρια ηαχαροπλαςτικισ, κομμωτιρια, εργαςτιρια αργυροχρυςοχοΐασ, ςτεγνοκακαριςτιρια, ςυνεργεία αυτοκινιτων με φοφρνουσ βαφισ κ.ά. Επίςθσ, ξενοδοχεία, νοςοκομεία, εκπαιδευτικά ιδρφματα, μεγάλα κτίρια γραφείων, εμπορικά κζντρα και καταςτιματα, κολυμβθτιρια, ακλθτικζσ εγκαταςτάςεισ μποροφν να χρθςιμοποιιςουν το φυςικό αζριο καλφπτοντασ τισ ενεργειακζσ τουσ ανάγκεσ με οικονομία και αςφάλεια. 168

169 Στθ βιομθχανία για: κάλυψθ κερμικϊν αναγκϊν για όλεσ τισ παραγωγικζσ διαδικαςίεσ (παραγωγι ατμοφ, ξιρανςθ) κλιματιςμό ςυμπαραγωγι θλεκτρικισ και κερμικισ ενζργειασ Στον εμπορικό τομζα: ΚΑΣΑΝΑΛΩΣΕ ΚΤΡΙΕ ΧΡΗΕΙ ΚΤΡΙΟ ΤΠΟΚΑΘΙΣΑΜΕΝΟ ΚΑΤΙΜΟ Ξενοδοχεία Κζρμανςθ χϊρων Ρετρζλαιο Νοςοκομεία Εςτιατόρια & Ηαχαροπλαςτεία Εκπαιδευτικά Λδρφματα Μεγάλα Κτίρια Χϊροι Αναψυχισ Ραραγωγι Ηεςτοφ νεροφ Μαγείρεμα Ρλφςιμο-Στζγνωμα Σιδζρωμα ροφχων Κζρμανςθ χϊρων Ραραγωγι Ηεςτοφ νεροφ Μαγείρεμα Ρλφςιμο-Στζγνωμα Σιδζρωμα ροφχων Μαγείρεμα Κζρμανςθ χϊρων Ρετρζλαιο Υγραζριο & Θλεκτριςμόσ Ρετρζλαιο Ρετρζλαιο Ρετρζλαιο Υγραζριο & Θλεκτριςμόσ Ρετρζλαιο Θλεκτρικό ρεφμα Υγραζριο Ρετρζλαιο 169

170 Εμπορικά Καταςτιματα Κζρμανςθ χϊρων Θλεκτρικό ρεφμα Ρετρζλαιο Αρτοποιεία Ψιςιμο ψωμιοφ Μαηοφτ - Ρετρζλαιο Ρλυντιρια - Στεγνωτιρια Ακλθτικά Κζντρα Συνεργεία Αυτοκινιτων Ρλφςιμο-Στζγνωμα Σιδζρωμα ροφχων Κζρμανςθ χϊρων Ραραγωγι ηεςτοφ νεροφ Κζρμανςθ νεροφ κολυμβθτθρίων Φοφρνοι βαφισ Θλεκτρικό ρεφμα Θλεκτρικό ρεφμα Ρετρζλαιο Ρετρζλαιο Θλεκτρικό ρεφμα Τα κυριότερα πλεονεκτιματα του Φυςικοφ Αερίου, ςτον εμπορικό τομζα, μποροφν να ςυνοψιςκοφν ςτα εξισ: Συνεχισ παροχι: Εξοικονόμθςθ χρόνου από τθ διαδικαςία παραγγελιϊν και παραλαβϊν καυςίμου και δυνατότθτα εκμετάλλευςθσ των υπαρχόντων αποκθκευτικϊν χϊρων (αντί να αποτελοφν χϊρουσ δεξαμενϊν). Αιςκθτικι αρτιότθτα και αυξθμζνθ κακαριότθτα χϊρων και ςυςκευϊν. Μειωμζνθ ςυντιρθςθ, ορκολογικι χριςθ ενζργειασ, μείωςθ λειτουργικϊν δαπανϊν και οικονομία. Επιμικυνςθ τθσ διάρκειασ ηωισ του εξοπλιςμοφ και υψθλότερθ απόδοςθ. Κετικζσ επιπτϊςεισ ςτθν προςταςία του περιβάλλοντοσ. 170

171 Το ςθμαντικότερο πλεονζκτθμα όμωσ για όςουσ χρθςιμοποιοφν το Φυςικό Αζριο είναι το κόςτοσ του, το οποίο καταβάλλεται αφοφ πρϊτα ζχει καταναλωκεί και τουλάχιςτον με τα μζχρι τϊρα ςτοιχεία είναι φκθνότερο του πετρελαίου. Λδιαίτερθ αναφορά κα πρζπει να γίνει και ςτθν αςφάλεια κατά τθ χριςθ του Αερίου. Το Φυςικό Αζριο δεν είναι τοξικό και ςυνεπϊσ, δεν υπάρχει κίνδυνοσ δθλθτθρίαςθσ από τθν ειςπνοι του. Επειδι, είναι ελαφρφτερο από τον αζρα, θ διαφυγι του ςτο περιβάλλον ςε περίπτωςθ διαρροισ είναι εφκολθ. Ζτςι, ο κίνδυνοσ ζκρθξθσ είναι πολφ περιοριςμζνοσ ςε ςχζςθ με τουσ κινδφνουσ που υπάρχουν κατά τθ χριςθ υγραερίου. Επιπλζον, θ διαρροι αζριων καυςίμων είναι ςχεδόν αδφνατθ, λόγω των ςφγχρονων αςφαλιςτικϊν ςυςτθμάτων που διακζτουν οι ςυςκευζσ. Μπορεί δε να ανιχνευκεί εφκολα με τθ χριςθ ειδικϊν ανιχνευτϊν αερίου,οι οποίοι, ςυνδεδεμζνοι με θλεκτροβάνα ςτθ γραμμι κεντρικισ παροχισ αερίου, προκαλοφν αυτόματα διακοπι ςτθν κεντρικι παροχι αερίου ςε περίπτωςθ ανίχνευςθσ διαρροισ. 5.8) Ανταγωνιςτικά καφςιμα που υποκακιςτά το φυςικό αζριο Το φυςικό αζριο μπορεί να υποκαταςτιςει όλα τα γνωςτά και ευρζωσ χρθςιμοποιοφμενα καφςιμα και μορφζσ ενζργειασ. ΧΡΗΗ ΤΠΟΚΑΘΙΣΑΜΕΝΟ ΑΝΣΑΓΩΝΙΣΙΚΟ ΚΑΤΙΜΟ Κζρμανςθ χϊρων (κεντρικι ι Ρετρζλαιο Κζρμανςθσ & Θλεκτριςμόσ αυτόνομθ) Ραραγωγι ηεςτοφ νεροφ Θλεκτριςμόσ & Ρετρζλαιο Κίνθςθσ Ραραγωγι ατμοφ Ρετρζλαιο Κίνθςθσ & Μαηοφτ Μαγείρεμα-Ψιςιμο Θλεκτριςμόσ, Υγραζριο & Ρετρζλαιο Κίνθςθσ Κλιματιςμόσ (ψφξθκζρμανςθ) Θλεκτριςμόσ Βιομθχανικζσ χριςεισ Μαηοφτ, Ρετρζλαιο Κίνθςθσ & Υγραζριο 171

172 5.9) Οφζλθ Θ χριςθ του φυςικοφ αερίου ςε όλουσ τουσ τομείσ τθσ κατανάλωςθσ, ςε οικιακι, επαγγελματικι και βιομθχανικι χριςθ, προςφζρει αναρίκμθτα οφζλθ ςτο χριςτθ, ςυμβάλλοντασ παράλλθλα ςε ζνα κακαρότερο περιβάλλον και αναβακμίηοντασ τθν ποιότθτα ηωισ των πολιτϊν. 5.10) Οικονομία Το φυςικό αζριο αποτελεί διαχρονικά τθν πιο οικονομικι επιλογι και τθ καλφτερθ ενεργειακι επζνδυςθ ςε βάκοσ χρόνου για οικιακι και επαγγελματικι χριςθ προςφζροντασ ανταγωνιςτικά τιμολόγια ωσ προσ τισ ςυμβατικζσ μορφζσ ενζργειασ (πετρζλαιο, θλεκτρικό ρεφμα, υγραζριο κλπ.). 5.11) Ευκολία ςτθ χριςθ Το φυςικό αζριο είναι διακζςιμο όποτε το χρειάηεςτε κάκε ςτιγμι μζςα από το εγκαταςτθμζνο δίκτυο. Δεν χρειάηεται να το παραγγείλετε ι να είςτε ςε ετοιμότθτα για τθν παραλαβι του. Θ λειτουργία των ςυςκευϊν φυςικοφ αερίου είναι απλι και προςφζρει ευκολίεσ και άνεςθ ςτθν κακθμερινι ςασ ηωι (πχ. παροχι ηεςτοφ νεροφ ςτθ ςτιγμι). 5.12) Κακαριότθτα και εξοικονόμθςθ χϊρου Με το φυςικό αζριο δεν απαιτείται εγκατάςταςθ δεξαμενισ, αφοφ είναι διακζςιμο μζςα από το δίκτυο διανομισ, ενϊ απαλλάςςεςτε από τισ δυςάρεςτεσ οςμζσ και τα υπολείμματα του πετρελαίου. 172

173 5.13) Ακρίβεια ςτθ μζτρθςθ και χρζωςθ μετά τθν κατανάλωςθ Θ μζτρθςθ τθσ κατανάλωςθσ γίνεται από τισ ενδείξεισ του μετρθτι, όπωσ ςτισ περιπτϊςεισ τθσ ΔΕΘ και τθσ ΕΥΔΑΡ, ενϊ πλθρϊνετε πάντα μόνο όςο ζχετε καταναλϊςει και μετά τθν κατανάλωςι του. 5.14) Μειωμζνο κόςτοσ ςυντιρθςθσ ςυςκευϊν Θ κακαρι καφςθ του φυςικοφ αερίου εξαςφαλίηει μειωμζνο κόςτοσ ςυντιρθςθσ ςυςκευϊν και μεγαλφτερθ διάρκεια ηωισ. 5.15) Περιβάλλον Το φαινόμενο τθσ ατμοςφαιρικισ ρφπανςθσ, θ αυξανόμενθ ςθμαςία του φαινομζνου του κερμοκθπίου, θ καταςτροφι των δαςϊν, ζχουν καταςτιςει τθν προςταςία του περιβάλλοντοσ κζμα μείηονοσ ςθμαςίασ. Μια και βαςικι αιτία τθσ ατμοςφαιρικισ ρφπανςθσ αποτελεί θ χριςθ καυςίμων για τθν παραγωγι ενζργειασ, είναι αναγκαίο οι ενεργειακζσ επιλογζσ να ςυνδυάηουν τθν ανάπτυξθ με τθν περιβαλλοντικι προςταςία. Σο φυςικό αζριο είναι το πιο κακαρό και με τουσ χαμθλότερουσ ρφπουσ ςε ςχζςθ με όλα τα υπόλοιπα ςυμβατικά καφςιμα. Θ καφςθ του παράγει λιγότερο διοξείδιο του άνκρακα, οπότε υποκακιςτϊντασ τα άλλα καφςιμα ςυμβάλλει ςτθ μείωςθ του φαινομζνου του κερμοκθπίου. Δεν περιζχει ενϊςεισ κείου που ρυπαίνουν το περιβάλλον και προκαλοφν το φαινόμενο τθσ όξινθσ βροχισ. Θ καφςθ του είναι κακαρι και πρακτικά δεν εκπζμπει αικάλθ και αιωροφμενα ςωματίδια, περιορίηοντασ τθν ατμοςφαιρικι ρφπανςθ. 173

174 Το πρόβλθμα τθσ ατμοςφαιρικισ ρφπανςθσ παρουςιάηεται ιδιαίτερα οξυμμζνο τισ τελευταίεσ δεκαετίεσ ςτα μεγάλα αςτικά και βιομθχανικά κζντρα, από τθ ςυνεχϊσ αυξανόμενθ κατανάλωςθ ενζργειασ. Θ διεκνισ εμπειρία ζχει δείξει ιδθ ότι θ αντικατάςταςθ ςτερεϊν και υγρϊν καυςίμων με Φυςικό Αζριο αποτελεί για το ςθμερινό επίπεδο τεχνολογικισ ανάπτυξθσ τθν καλφτερθ επιλογι ςτο δρόμο για τθν απορρφπανςθ, δθλ. τθν μείωςθ του ρυκμοφ αφξθςθσ τθσ ρφπανςθσ και, κατά το δυνατόν, τθν τελικι μείωςι τθσ. Αυτό ςυμβαίνει γιατί το Φυςικό Αζριο, όπωσ ςχεδόν και όλα τα αζρια καφςιμα, είναι λιγότερο επιβλαβζσ περιβαλλοντικά ςε ςχζςθ με το πετρζλαιο ι τον άνκρακα. Αυτό ςθμαίνει ότι το Φυςικό αζριο είναι κακαρότερο, αφοφ κατά τθν καφςθ του δθμιουργοφνται μεγάλεσ ποςότθτεσ αβλαβϊν αερίων όπωσ είναι οι υδρατμοί, όχι ωςτόςο και ακϊο. Οι ρφποι που παράγονται κατά τθν καφςθ του Φυςικοφ Αερίου μποροφν να ομαδοποιθκοφν ςε «πρωτογενείσ», που εκπζμπονται κατευκείαν ςτθν ατμόςφαιρα, και ςε «δευτερογενείσ», που ςχθματίηονται ςτθν ατμόςφαιρα μετά από φωτοχθμικζσ ι και χθμικζσ αντιδράςεισ διαφόρων προϊόντων καφςθσ αυτοφ. Οι κυριότεροι ρυπαντζσ αναφζρονται ςυνοπτικά ςτθ ςυνζχεια. Το διοξείδιο του κείου (SO 2 ) αποτελεί ςοβαρότατθ απειλι για τθν ποιότθτα τθσ ατμόςφαιρασ κακϊσ ςυμβάλει ςτο «φαινόμενο τθσ Πξινθσ Βροχισ». Ακόμθ οξείδια του κείου προκαλοφν αναπνευςτικά προβλιματα ςτον άνκρωπο ςυντελοφν ςτθ μείωςθ τθσ χλωροφφλλθσ ςτα φυτά και προκαλοφν διάβρωςθ ςε κτίρια και μεταλλικζσ καταςκευζσ. Οι εκλυόμενεσ ποςότθτεσ SO 2 είναι ανάλογεσ με τθν περιεκτικότθτα του καυςίμου ςε κείο. Το κείο του καιόμενου καυςίμου, δίνει επίςθσ κάποιεσ ποςότθτεσ τριοξειδίου του κείου (SO 3 ), το οποίο με τουσ υδρατμοφσ των καυςαερίων μετατρζπεται ςε κειικό οξφ (H 2 SO 4 ). Ραρόλα αυτά θ καφςθ Φυςικοφ Αερίου παράγει 130 φορζσ λιγότερα οξείδια του κείου ςε ςχζςθ με τθν καφςθ του πετρελαίου. 174

175 Το διοξείδιο του άνκρακα (CO 2 ) είναι υπεφκυνο ςε ςθμαντικό βακμό για το παγκόςμιο «φαινόμενο του Κερμοκθπίου» (ςε ποςοςτό 55%) δθλαδι τθ μεταβολι τθσ κερμοκραςίασ που προκαλείται από τθν παγίδευςθ κερμικισ ακτινοβολίασ ςτα χαμθλότερα ςτρϊματα τθσ ατμόςφαιρασ. Γενικά είναι ακίνδυνο για τθ χλωρίδα και τα κτίρια. Θ καφςθ Φυςικοφ Αερίου παράγει μειωμζνα ποςοςτά CO 2 κατά 43% ςε ςχζςθ με τον άνκρακα και κατά 30% ςε ςχζςθ με το πετρζλαιο. Το μονοξείδιο του άνκρακα (CO), ςχθματίηεται κατά τθ διεργαςία τθσ καφςθσ και ςυντελεί κατά ανάλογο τρόπο ςτθ ρφπανςθ τθσ ατμόςφαιρασ αφοφ γριγορα μετατρζπεται ςε CO 2. Είναι ακίνδυνο για τθ χλωρίδα και τα οικοδομιματα όμωσ ςε ειδικζσ περιπτϊςεισ είναι δθλθτθριϊδεσ για τον άνκρωπο και τα ηϊα αφοφ προκαλεί διαταραχζσ ςτο κεντρικό νευρικό ςφςτθμα και ςτο καρδιακό κυκλοφορικό ςφςτθμα. Τα οξείδια του αηϊτου (NO X ) παίηουν ςθμαντικό ρόλο ςτθ δθμιουργία φωτοχθμικισ ρφπανςθσ («Φωτοχθμικό Νζφοσ») ενϊ ςυμμετζχουν και ςε ποςοςτό 10% ςτθ δθμιουργία του «Φαινομζνου του Κερμοκθπίου». Θ παραγωγι τουσ ζχει να κάνει τόςο με το είδοσ του καυςτιρα, εφόςον θ κακι ρφκμιςι των καυςτιρων ςυμβάλλει τθν παραγωγι τουσ, όςο και με τθν παροχι οξυγόνου. Τα οξείδια του αηϊτου που κυρίωσ παράγονται κατά τθν καφςθ του Φυςικοφ Αερίου είναι: το μονοξείδιο (NO), το διοξείδιο (ΝΟ 2 ), το τριοξείδιο (Ν 2 Ο 3 ) και το πεντοξείδιο του αηϊτου (Ν 2 Ο 5 ). 175

176 Από αυτά το διοξείδιο του αηϊτου είναι το τοξικότερο και ςε υψθλζσ ςυγκεντρϊςεισ βλάπτει τα αναπνευςτικά όργανα του ανκρϊπου προκαλϊντασ από βρογχίτιδα ζωσ και κανατθφόρα μόλυνςθ των πνευμόνων. Ραρόλα αυτά με τθν καφςθ Φυςικοφ Αερίου ζχουμε μείωςθ τθσ παραγωγισ οξειδίων του αηϊτου κατά 33% ςε ςχζςθ με το πετρζλαιο. Τζλοσ, οι άκαυςτοι υδρογονάνκρακεσ και τα αιωροφμενα ςωματίδια (κυρίωσ αικάλθσ ςε αμελθτζα περιεκτικότθτα), ςχθματίηονται κατά τθ διεργαςία τθσ καφςθσ,είναι παράγωγα ατελοφσ καφςθσ και ςυντελοφν ανάλογα ςτθ ρφπανςθ τθσ ατμόςφαιρασ. 5.16) Αςφάλεια ) Αςφάλεια από τθ φφςθ του Το φυςικό αζριο είναι ζνα απολφτωσ φυςικό προϊόν, είναι ελαφρφτερο από τον αζρα και ςε περίπτωςθ που απελευκερωκεί ςτθν ατμόςφαιρα απομακρφνεται άμεςα. Είναι άοςμο αλλά προςτίκεται χαρακτθριςτικι οςμι για τθν ανίχνευςθ πικανισ διαρροισ του. Επίςθσ δεν είναι τοξικό, αφοφ δεν περιζχει μονοξείδιο του άνκρακα ) Αςφάλεια από τισ εγκαταςτάςεισ Τα ζργα καταςκευισ δικτφου φυςικοφ αερίου ςτθν Αττικι πραγματοποιοφνται βάςει ςφγχρονων και αυςτθρϊν προδιαγραφϊν. Η λειτουργία του δικτφου παρακολουκείται 24 ϊρεσ το εικοςιτετράωρο, 365 μζρεσ το χρόνο με ειδικό θλεκτρονικό ςφςτθμα (SCADA) ςτο ςφγχρονο κζντρο ελζγχου τθσ εταιρείασ. Επιπλζον γίνονται προλθπτικοί και ςυςτθματικοί επιτόπιοι ζλεγχοι καλισ λειτουργίασ από εξειδικευμζνουσ τεχνικοφσ. 176

177 Εξειδικευμζνοι μθχανικοί, αδειοδοτθμζνοι υδραυλικοί εγκαταςτάτεσ και αδειοδοτθμζνοι τεχνικοί καυςτιρων αναλαμβάνουν τθν καταςκευι και ρφκμιςθ των εςωτερικϊν εγκαταςτάςεων φυςικοφ αερίου εκτόσ και εντόσ του κτιρίου. Ο κανονιςμόσ εςωτερικισ εγκατάςταςθσ που εφαρμόηει θ Εταιρεία Ραροχισ Αερίου Αττικισ Α.Ε. είναι εναρμονιςμζνοσ με τισ προδιαγραφζσ που ορίηει θ Ευρωπαϊκι Κοινότθτα και που εφαρμόηεται ςτθ Δυτικι Ευρϊπθ. Ρριν τθν ζναρξθ παροχισ φυςικοφ αερίου, πραγματοποιείται πάντα τελικόσ ζλεγχοσ τθσ εγκατάςταςθσ από τουσ τεχνικοφσ επικεωρθτζσ τθσ Εταιρείασ Ραροχισ Αερίου Αττικισ ) Αςφάλεια από τισ ςυςκευζσ Σε περίπτωςθ που ςβιςει θ φλόγα τθσ ςυςκευισ, ο ειδικόσ μθχανιςμόσ που διακζτουν οι ςυςκευζσ φυςικοφ αερίου διακόπτει αυτόματα τθν παροχι του. Επιπλζον μπορεί να τοποκετθκεί ειδικόσ ανιχνευτισ φυςικοφ αερίου ςτο χϊρο με αυτοματιςμό διακοπισ τθσ παροχισ του. 177

178 Κεφάλαιο 6: φγχρονθ Μθχανι Από τισ θλεκτρικζσ μθχανζσ που περιςτρζφονται ςε ςφγχρονθ ταχφτθτα, οι μεγαλφτερεσ και επίςθσ ίςωσ οι πιο ςυνθκιςμζνεσ είναι οι τριφαςικζσ ςφγχρονεσ μθχανζσ. Αν και θ καταςκευι των τριφαςικϊν ςφγχρονων μθχανϊν είναι ςχετικά πιο ακριβι από τισ επαγωγικζσ μθχανζσ, θ μεγαλφτερθ απόδοςι τουσ, τουσ δίνει το πλεονζκτθμα για μεγαλφτερεσ κλίμακεσ ιςχφοσ. Τριφαςικζσ ςφγχρονεσ μθχανζσ χρθςιμοποιοφνται ευρζωσ για τθν παραγωγι θλεκτρικισ ιςχφοσ και ςε μεγάλεσ κινθτιριεσ μθχανζσ. Ο ςτάτθσ τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ ςχθματίηεται από τον πυρινα που αποτελείται από μια ςυςτάδα από ελάςματα φερομαγνθτικοφ υλικοφ, με αυλάκια ςτθν εςωτερικι του επιφάνεια, όπου τοποκετοφνται οι αγωγοί των τυλιγμάτων του. Ο μαγνθτικόσ πυρινασ φωλιάηει μζςα ςε ζνα μεταλλικό πλαίςιο πάνω ςτο οποίο βρίςκεται το ακροκιβϊτιο τθσ μθχανισ κακϊσ και τα ρουλεμάν για τθν περιςτροφι του δρομζα. Οι ςπείρεσ των τυλιγμάτων του ςτάτθ διανζμονται εξίςου ςτα ηεφγθ των πόλων και οι άξονεσ των τριϊν φάςεων ιςαπζχουν κατά 2π / 3 θλεκτρικά ακτίνια. 178

179 Το ςχιμα του δρομζα ςε κάκετθ τομι μπορεί να είναι ζκτυπων πόλων ι κυλινδρικό. Θ καταςκευι με ζκτυπουσ πόλουσ χρθςιμοποιείται περιςςότερο ςε εφαρμογζσ με χαμθλζσ ταχφτθτεσ όπου θ διάμετροσ ςε ςχζςθ με το μικοσ του άξονα του δρομζα μπορεί να γίνει μεγαλφτερθ, ϊςτε να εξυπθρετεί το μεγάλο αρικμό πόλων. Οι μθχανζσ ζκτυπων πόλων ςυχνά χρθςιμοποιοφνται ςε υδρογεννιτριεσ ϊςτε να ςυνταιριάξουν με τθ χαμθλι ταχφτθτα λειτουργίασ των υδραυλικϊν ςτροβίλων. Οι ζκτυποι πόλοι ι αλλιϊσ και προεξζχοντεσ πόλοι τοποκετοφνται περιμετρικά ςτον άξονα του δρομζα και με κζντρο το δρομζα ςε ζνα ςχθματιςμό που κυμίηει το δίχτυ τθσ αράχνθσ. Θ εναλλαγι του ςιδθροπυρινα των πόλων και του διακζνου ζχει ςαν αποτζλεςμα τθ δθμιουργία των επικυμθτϊν μαγνθτικϊν γραμμϊν τθσ μαγνθτικισ ροισ. Ο κυλινδρικισ μορφισ καταςκευι του δρομζα είναι πιο δθμοφιλισ ςε εφαρμογζσ με μεγάλεσ ταχφτθτεσ όπου θ διάμετροσ ςε ςχζςθ με το μικοσ του πρζπει να παραμζνει μικρι ϊςτε να διατθροφνται οι μθχανικζσ καταπονιςεισ εξαιτίασ των φυγόκεντρων δυνάμεων μζςα ςε αποδεκτά όρια. Σφγχρονεσ μθχανζσ με δφο ι τζςςερισ πόλουσ χρθςιμοποιοφνται ςε γεννιτριεσ ατμοφ ϊςτε να ςυνταιριάξουν ικανοποιθτικά με τθ μεγάλθ ταχφτθτα λειτουργίασ των ςτροβίλων ατμοφ. Οι μεγάλοι κυλινδρικοί δρομείσ καταςκευάηονται από χυτό ςυμπαγζσ μολυβδοχρωμιοφχο χάλυβα με ακτινωτά αυλάκια μζςα ςτα οποία τοποκετοφνται τα τυλίγματα του πεδίου ςτισ δφο πλευρζσ για κάκε κυρίωσ πόλο. Στα τυλίγματα του πεδίου του δρομζα μπορεί να εφαρμόηεται ζνα ςυνεχζσ ρεφμα διζγερςθσ δια μζςου ενόσ ηεφγουσ μονωμζνων δακτυλίων ολίςκθςθσ που βρίςκεται τοποκετθμζνο πάνω ςτον άξονά του. Εναλλακτικά, θ ςυνεχισ διζγερςθ επιτυγχάνεται από τθν ανορκωμζνθ ζξοδο ενόσ μικροφ μετατροπζα διεγζρςεωσ που βρίςκεται τοποκετθμζνοσ πάνω ςτον ίδιο άξονα του δρομζα τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ. Θ δεφτερθ μζκοδοσ διζγερςθσ μασ απαλλάςςει από τουσ δακτυλίουσ ολίςκθςθσ και ονομάηεται διζγερςθ χωρίσ ψικτρεσ. 179

180 Σε μια βαςικι απεικόνιςθ μιασ ςφγχρονθσ μθχανισ, ο άξονασ του βόρειου πόλου ονομάηεται ευκφσ ι άξονασ-d. Ο κάκετοσ ι άξονασ-q κακορίηεται από τθν κατεφκυνςθ που βρίςκεται 90 θλεκτρικζσ μοίρεσ μπροςτά από τον άξονα-d. Σε ςυνκικεσ λειτουργίασ χωρίσ φορτίο και μόνο με τθν επίδραςθ του πεδίου διζγερςθσ, θ μαγνθτεγερτικι δφναμθ επαγωγισ (ΜΕΔ) του πεδίου κα είναι κατά μικοσ του άξονα-d και θ εςωτερικι τάςθ του ςτάτθ, dλ af / dt, κα είναι κατά μικοσ του άξονα-q. 180

181 6.1) Επαγωγικζσ παράμετροι ςφγχρονθσ μθχανισ Τα κατανεμθμζνα τυλίγματα ςτάτθ και δρομζα μια μθχανισ είναι δυνατόν να αντικαταςτακοφν με ιςοδφναμα ςυγκεντρωμζνα τυλίγματα, που κεωροφνται τοποκετθμζνα κατά μικοσ των αξόνων τουσ και ζχουν κατάλλθλεσ ίδιεσ και αμοιβαίεσ επαγωγζσ όπωσ φαίνονται ςτο παραπάνω ςχιμα. Ο άξονασ του τυλίγματοσ α, που επιλζγεται ωσ άξονασ αναφοράσ, βρίςκεται ςε γωνία κ=0 ο. Ρροσ τθν αριςτερόςτροφθ κατεφκυνςθ και ςε γωνίεσ κ=2π/3 και κ=4π/3 βρίςκονται οι άξονεσ των τυλιγμάτων b και c αντίςτοιχα. Κακζνα από τα τυλίγματα τθσ μθχανισ χαρακτθρίηεται από μία αντίςταςθ R i, μια αυτεπαγωγι L ii και τιασ αμοιβαίεσ επαγωγζσ με τα άλλα τυλίγματα L ij. Για τισ αντιςτάςεισ των τυλιγμάτων του ςτάτθ ιςχφει R a = R b = R c = R s Για τισ αυτεπαγωγζσ των τυλιγμάτων του ςτάτθ ιςχφουν οι ςχζςεισ: Για μθχανι με κυλινδρικό δρομζα L m =0 οπότε ιςχφει L aa = L bb = L cc = L s 181

182 Οι αμοιβαίεσ επαγωγζσ τυλιγμάτων του ςτάτθ όλεσ αρνθτικζσ και περιγράφονται από τισ ςχζςεισ: Για μθχανι με κυλινδρικό δρομζα ιςχφει ότι L m =0, επομζνωσ L ab = L bc = L ca =-M s. Για τθν αυτεπαγωγι τυλίγματοσ δρομζα ιςχφει: Lff = Lf Για τισ αμοιβαίεσ επαγωγζσ τυλίγματοσ δρομζα με τυλίγματα ςτάτθ: 182

183 6.2) Εξιςϊςεισ τάςθσ ςφγχρονθσ μθχανισ Οι τερματικζσ εξιςϊςεισ τάςθσ των τυλιγμάτων τθσ μθχανισ δίνονται από τισ ςχζςεισ: Ππου: Είναι οι εξιςϊςεισ των πεπλεγμζνων ροϊν του κάκε τυλίγματοσ. 183

184 6.3) Εξιςϊςεισ κίνθςθσ δρομζα (εξιςϊςεισ ταλάντωςθσ μθχανισ) Θ κίνθςθ του δρομζα χαρακτθρίηεται από τθν θλεκτρικι γωνία κ r ανάμεςα ςτον ευκφ άξονα του δρομζα και τον άξονα τθσ φάςθσ α του ςτάτθ. Αν το πεδίο του δρομζα τθσ μθχανισ περιςτρζφεται με θλεκτρικι γωνιακι ταχφτθτα ω r (ςε θλεκτρικά rad/s), τότε ο ρυκμόσ μεταβολισ τθσ γωνίασ κ r είναι: Θ γωνία δ του δρομζα τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ ωσ θ θλεκτρικι γωνία (ςε θλεκτρικά rad) μεταξφ του εγκάρςιου μαγνθτικοφ άξονα τθσ μθχανισ και ενόσ άξονα αναφοράσ, είναι: όπου: δ 0 είναι θ αρχικι τιμι τθσ γωνίασ δ. ω sys είναι θ γωνιακι ταχφτθτα του άξονα αναφοράσ (ςε θλεκτρικά rad/s). Ραραγωγίηοντασ και τα δφο μζλθ τθσ εξίςωςθσ και λόγω τθσ 1 θσ εξίςωςθσ, προκφπτει: Αμελϊντασ τισ μθχανικζσ απϊλειεσ ςτον άξονα τθσ μθχανισ, κακϊσ επίςθσ και τισ απϊλειεσ λόγω τριβϊν, θ διαφορικι εξίςωςθ επιταχφνςεωσ του δρομζα δίνεται από τθ ςχζςθ: 184

185 όπου: Θ είναι θ ανθγμζνθ ςτθ βάςθ του ςυςτιματοσ ςτακερά αδράνειασ ςε s. ω τ είναι θ γωνιακι ταχφτθτα του πεδίου του δρομζα ςε θλεκτρικά rad/s. ω Β είναι θ βαςικι θλεκτρικι γωνιακι ταχφτθτα (ςε θλεκτρικά rad/s) του ςυςτιματοσ. T m είναι θ παραγόμενθ από το ςτρόβιλο μθχανικι ροπι ςε ανά μονάδα τιμι ανθγμζνθ ςτθ βάςθ του ςυςτιματοσ. T e είναι θ θλεκτρομαγνθτικι ροπι τθσ γεννιτριασ ςε ανά μονάδα τιμι ανθγμζνθ ςτθ βάςθ του ςυςτιματοσ. D είναι ο ςυντελεςτισ απόςβεςθσ ςε ανά μονάδα τιμι ςτθ βάςθ ιςχφοσ του ςυςτιματοσ. Οι διαφορικζσ εξιςϊςεισ είναι γνωςτζσ ςαν εξιςϊςεισ ταλάντωςθσ τθσ μθχανισ. 6.4) Ιςχφσ ςφγχρονθσ μθχανισ Θ πραγματικι και θ άεργοσ ιςχφσ που παρζχει ι απορροφά μία ςφγχρονθ μθχανι ανά φάςθ είναι : 185

186 Ππου: δ m :γωνία ιςχφοσ και ορίηεται ωσ δ m =<E a -<V a X d :ςφγχρονθ αντίδραςθ κατά τον d-άξονα Χ q : ςφγχρονθ αντίδραςθ κατά τον q-άξονα Για μθχανι με κυλινδρικό δρομζα ιςχφει X q =X d και επομζνωσ: Θετικι τιμι του P G δείχνει λειτουργία γεννιτριασ και λαμβάνεται για κετικό δ m, αντίκετα αρνθτικι τιμι του Q G αντιςτοιχεί ςε λειτουργία κινθτιρα και λαμβάνεται για αρνθτικό δ m Σε μθχανι με ζκτυπουσ πόλουσ θ μζγιςτθ πραγματικι ιςχφσ λαμβάνεται P max παρζχεται ςε μια γωνία δ m =δ c <90 ο, ενϊ ςε μια μθχανι με κυλινδρικό δρομζα θ μζγιςτθ πραγματικι ιςχφσ παρζχεται υπό γωνία δ m =90 ο.προςπάκεια για αφξθςθ τθσ παρεχόμενθσ ιςχφοσ πζραν τθσ P max οδθγεί ςε αποςυγχρονιςμό τθσ γεννιτριασ από το δίκτυο. 186

187 6.5) Eλεγχοσ ιςχφοσ ςφγχρονθσ μθχανισ Αν κεωριςουμε τθν περίπτωςθ ότι ζχουμε μια ςφγχρονθ γεννιτρια, όπωσ και ςτο ςφςτθμα που εξετάηει αυτι θ εργαςία, τότε θ ςυμπεριφορά τθσ γεννιτριασ ελζγχεται μζςω δφο δυνάμεων ελζγχου: Το ρεφμα πεδίου i fi Τθ μθχανικι ροπι ςτον άξονα τθσ γεννιτριασ τ mi Πταν μία από τισ δφο αυτζσ ποςότθτεσ μεταβλθκεί τότε μεταβάλλονται όλεσ οι ζξοδοι τθσ P Gi,Q Gi, V i,f. Μεταβάλλοντασ τθ μθχανικι ροπι του άξονα τ mi,διατθρϊντασ το ρεφμα διζγερςθσ i f ςτακερό, επθρεάηουμε κυρίωσ τθν πραγματικι ιςχφ P Gi. Επθρεάηεται και θ άεργοσ ιςχφσ Q Gi αλλά αυτι θ επίδραςθ είναι ςχετικά μικρι. Αν μεταβάλλουμε το ρεφμα διζγερςθσ i f, διατθρϊντασ τθ μθχανικι ροπι του άξονα ςτακερι, κα μεταβλθκεί ανάλογα και θ E και ςυνεπϊσ και θ άεργοσ ιςχφσ Q Gi, ενϊ θ πραγματικι ιςχφσ P Gi παραμζνει ςτακερι. 6.6) υμπεριφορά ςφγχρονθσ μθχανισ ςε τριφαςικό βραχυκφκλωμα 6.6.1) Σριφαςικό βραχυκφκλωμα 187

188 Το τριφαςικό ρεφμα βραχυκφκλωςθσ δίνεται από τθ ςχζςθ: όπου U είναι θ ονομαςτικι πολικι τάςθ του δικτφου και Z SC θ ςυνολικι ιςοδφναμθ ςφνκετθ αντίςταςθ του δικτφου, όπωσ αυτι προκφπτει από το ςθμείο του ςφάλματοσ. 1)υπομεταβατικι ςυνιςτϊςα ρεφματοσ,2)μεταβατικι ςυνιςτϊςα,3)μόνιμο ρεφμα ςφάλματοσ,4)ςυνεχισ ςυνιςτϊςα 188

189 Αμζςωσ μετά το βραχυκφκλωμα τα ρεφματα είναι πολφ μεγαλφτερα από ότι είναι μερικοφσ κφκλουσ αργότερα.το ρεφμα βραχυκφκλωςθσ αποτελείται από δφο ςυνιςτϊςεσ, μία θμιτονοειδισ μεταβαλλόμενθ ςυνιςτϊςα ςτακεροφ εφρουσ και μία ςυνιςτϊςα ςυνεχοφσ ρεφματοσ που φκίνει εκκετικά και προκαλεί αςυμμετρία των κυματομορφϊν ωσ προσ τον άξονα του χρόνου. Το ςυνεχϊσ μεταβαλλόμενο ρεφμα μποροφμε να το προςεγγίςουμε με τζςςερεισ ςυνιςτϊςεσ: τθν υπομεταβατικι ςυνιςτϊςα τθ μεταβατικι ςυνιςτϊςα το μόνιμο ρεφμα ςφάλματοσ τθ ςυνεχι ςυνιςτϊςα Οι χρονικζσ περίοδοι που ςχετίηονται με αυτά τα ρεφματα αναφζρονται ωσ υπομεταβατικι, μεταβατικι και περίοδοσ μόνιμθσ κατάςταςθσ. Θ υπομεταβατικι περίοδοσ εκτείνεται από 0 ζωσ 0,1sec μετά τθ διαταραχι, θ μεταβατικι περίοδοσ 0,1 ζωσ 6 sec και θ μόνιμθ κατάςταςθ αποκακίςταται ςε περιςςότερο από 6 sec μετά τθ διαταραχι. 189

190 Κεφάλαιο 7: ΜΟΝΣΕΛΟΠΟΙΗΗ ΤΣΗΜΑΣΟ 7.1) Πρόγραμμα Μοντελοποίθςθσ Πλθροφορίεσ για το PSCad / EMTDC Το πρόγραμμα που χρθςιμοποίκθκε για τθν προςομοίωςθ του αυτόνομου υβριδικοφ ςυςτιματοσ είναι το PSCad. Ρρόκειται για ζνα εφχρθςτο εργαλείο ανάλυςθσ παρόμοιων θλεκτρικϊν κυκλωμάτων. Διακζτει μία βιβλιοκικθ ονόματι master που χωρίηεται ςε επιμζρουσ όπωσ φαίνεται ςτο Σχ παρακάτω: Σχ

191 Επιπλζον μασ δίνει τθν δυνατότθτα να προςκζςουμε εμείσ τθν δικιά μασ βιβλιοκικθ που κα ζχουμε φτιάξει χρθςιμοποιϊντασ τθν γλϊςςα προγραμματιςμοφ Fortran. Ρεριςςότερεσ πλθροφορίεσ ςχετικά με το πρόγραμμα υπάρχουν ςτθν θλεκτρονικι διεφκυνςθ 7.2) Γενικι Περιγραφι υςτιματοσ Το αυτόνομο υβριδικό ςφςτθμα που κα αναλφςουμε ςτο παρόν ζγγραφο κα αποτελείται από μία ανεμογεννιτρια, ζνα φωτοβολταϊκό πάρκο, μία ςυςτοιχία θλεκτρολυτϊν που κα παράγουν υδρογόνο, μία ςυςτοιχία κυψελϊν καυςίμου για τθν παραγωγι θλεκτρικισ ενζργειασ απο το υδρογόνο και δφο γεννιτριεσ οι οποίεσ κα είναι ςυνδεδεμζνεσ με μθχανζσ εςωτερικισ καφςεωσ και κα ζχουν ωσ καφςιμο φυςικο αζριο και βιομάηα αντιςτοιχα. Κα πρζπει να τονίςουμε πωσ θ ενζργεια που κα απαιτείται για τθν παραγωγι υδρογόνου κα παρζχεται από το φωτοβολταϊκό πάρκο, ενϊ οι κυψζλεσ καυςίμου κα τροφοδοτοφν ζνα δευτερεφον φορτίο. Ραρακάτω παρουςιάηονται οι τιμζσ των επιμζρουσ ςτοιχείων που αποτελοφν το ςφςτθμα. 191

192 Επιμζρουσ τοιχεία Ονομαςτικζσ Σιμζσ Γεννιτρια που χρθςιμοποιεί ωσ καφςιμο φυςικό αζριο: Γεννιτρια που χρθςιμοποιεί ωσ καφςιμο βιομάηα: Ανεμογεννιτρια: Φωτοβολταϊκό Ράρκο: * Θλεκτρολφτεσ: * Κυψζλεσ Καυςίμου: Ρρωτεφον Φορτίο: Δευτερεφον Φορτίο: Ρυκνωτισ Αντιςτάκμιςθσ: 3MW 3MW 2MW 2MW 0.5 MW 1.3MW 5MW/3.5MVar 1.5MW/0.5MVar 3MVar *Σθμείωςθ: Ραρατθροφμε πωσ θ ενζργεια που παράγει το Φ/Β παραπάνω διαχωρίηεται ςε δφο τμιματα. 1.5MW ενζργειασ διοχετεφονται προσ το πρωτεφον φορτίο ενϊ τo υπόλοιπo 0.5MW χρθςιμοποιείται για τθν παραγωγι υδρογόνου από τουσ θλεκτρολφτεσ. Χρθςιμοποιϊντασ το πρόγραμμα μοντελοποίθςθσ και επιλζγοντασ τα κατάλλθλα ςτοιχεία από τισ βιβλιοκικεσ του PSCad προκφπτει το ςφςτθμα που φαίνεται ςτο ςχιμα Σχ

193 Σχ

194 Στθ ςυνζχεια παρουςιάηεται το κάκε υποςφςτθμα που ςυγκροτεί το ςυνολικό ςφςτθμα. 7.3) Ανεμογεννιτρια Θ ανεμογεννιτρια ςαν μοντζλο ςτο PSCad αποτελείται από δφο βαςικά τμιματα. Το πρϊτο είναι το αιολικό ςφςτθμα και το δεφτερο είναι θ ςφγχρονθ γεννιτρια ςτθν οποία προςδίδει ροπι ο ανεμοκινθτιρασ. Ριο αναλυτικά, το αιολικό ςφςτθμα αποτελείται από τον ανεμοκινθτιρα που ζχει τρεισ ειςόδουσ και δφο εξόδουσ όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα Σχ Είναι ιςχφοσ 2MVA, λειτουργεί υπό ςυχνότθτα 16.6Hz γιατί κεωροφμε πωσ θ ςφγχρονθ γεννιτρια είναι 6 πόλων, άρα: 50Hz(ςυχνότθτα δικτφου)/3(ηευγάρια πόλων)=16.6hz. Τζλοσ, τα πτερφγια του ζχουν μικοσ 40m. Στθν είςοδο Vw ςυνδζεται θ πθγι ανζμου θ οποία φαίνεται ςτο ςχιμα Θ πθγι ανζμου μπορεί να προςομειϊνει τθν ταχφτθτα με τθν οποία προςπίπτει ο άνεμοσ πάνω ςτα πτερφγια. 194

195 Σχ Στο ςχιμα παρουςιάηεται θ ταχφτθτα του ανζμου που τελικά προςπίπτει πάνω ςτα πτερφγια και τα κινεί όπωσ διαμορφϊνεται από τθν ταχφτθτα του ανζμου(e S ) ςτθν ευρφτερθ περιοχι. Σχ Θ είςοδοσ W αναφζρεται ςτθν ονομαςτικι ταχφτθτα αναφοράσ του άξονα τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ ϊςτε να ελζγχουμε κάκε ςτιγμι τθν παρεχόμενθ ιςχφ από τον ανεμοκινθτιρα(σχ.7.3.4). 195

196 Σχ Τζλοσ, θ τρίτθ είςοδοσ Beta χρθςιμοποιείται για να διαμορφϊνουμε κάκε ςτιγμι τθν γωνία των πτερυγίων(σχ.7.3.5). Σχ Ζχει ωσ ειςόδουσ τθν ονομαςτικι ταχφτθτα αναφοράσ του άξονα τθσ μθχανισ και τθν παραγόμενθ ιςχφ του ανεμοκινθτιρα ζτςι ϊςτε θ γωνία να ρυκμίηεται κάκε φορά αυτόματα. Συνολικά το μοντζλο προςομοίωςθσ τθσ γωνίασ των πτερυγίων φαίνεται ςτο ςχιμα

197 Σχ Οι ζξοδοι του ανεμοκινθτιρα είναι θ μθχανικι ροπι με τθν οποία κινείται θ ςφγχρονθ μθχανι και θ ιςχφσ που παράγεται. Στο ςχιμα φαίνεται πωσ μεταβάλλεται θ γωνία των πτερυγίων ςε ςχζςθ με τθν ταχφτθτα του ανζμου. Σχ

198 Ραρακάτω ςτο ςχιμα παρουςιάηεται το ςφςτθμα τθσ ανεμογεννιτριασ ολοκλθρωμζνο. Σχ

199 Στο ςχιμα βλζπουμε πωσ ςτθν ζξοδο τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ ζχουμε ςυνδζςει ζνα πθνίο με τιμι H. Το πθνίο χρθςιμεφει για τθ ςτακεροποίθςθ του ρεφματοσ εξόδου. Θ τιμι που παίρνει κακορίηεται μετά από δοκιμζσ προςζχοντασ θ κυμάτωςθ του ρεφματοσ εξόδου του μετατροπζα να μθν ξεπερνά τα προδιαγεγραμμζνα όριά του. Τα χαρακτθριςτικά τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ που χρθςιμοποιικθκε είναι τα εξισ. Θ RMS τιμι τθσ πολικισ τάςθσ τθσ μθχανισ είναι 400V ενϊ θ RMS τιμι του ρεφματοσ είναι 2.9kA. Τα υπόλοιπα χαρακτθριςτικά τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ φαίνονται ςτο παρακάτω ςχιμα. Για τθ διζγερςθ τθσ μθχανισ χρθςιμοποιικθκε ζνασ IEEE διεγζρτθσ όπωσ φαίνεται παρακάτω (Σχ.7.3.9). Σχ

200 Τα χαρακτθριςτικά του είναι τα εξισ: Στο ςθμείο των 35s εφαρμόηουμε χειροκίνθτα μία αφξθςθ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου από τα 14m/s ςτα 14.7m/s. Ραρατθροφμε πωσ το ςφςτθμα μζτα από μία διαταραχι επιςτρζφει ςτθν θρεμία λόγω τθσ παρζμβαςθσ του ςυςτιματοσ ελζγχου. Ριο κάτω ςτο ςχιμα βλζπουμε τα διαγράμματα τθσ φαςικισ τάςθσ και του ρεφματοσ ςτθν ζξοδο τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ. Επαλθκεφονται οι τιμζσ του ρεφματοσ και τθσ τάςθσ τθσ μθχανισ. Συγκεκριμζνα φαίνονται οι τιμζσ τθσ φαςικισ τάςθσ και του ρεφματοσ των τριϊν φάςεων: 230V(RMS)* =0.32kV και 2.92kA(RMS)* =4kA. Ππωσ αναφζραμε και πριν θ μεταβολι ςτθν ταχφτθτα του ανζμου κατά 0.7m/s προκαλεί μία ςτα διαταραχι ςτθν τάςθ και το ρεφμα που γριγοτα όμωσ φκίνει λόγω τθσ παρζμβαςθσ του ςυςτιματοσ ελζγχου. 200

201 Σχ

202 Στο ςχιμα φαίνονται τα διαγράμματα τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ που παράγει θ ςφγχρονθ γεννιτρια. Ππωσ και τα διαγράμματα τθσ ταχφτθτασ του άξονα, τθσ μθχανικισ και θλεκτρικισ ροπισ τθσ μθχανισ κακϊσ και τθσ μθχανικισ ροπισ που προςφζρει ο ανεμοκινθτιρασ μετρθμζνα ςε p.u.. Τα δφο τελευταία διαγράμματα αναφζρονται ςτθν ταχφτθτα του ανζμου που αξιοποιείται απο τθν ανεμογεννιτρια και ςτθν γωνία των πτερυγίων. Ριο ςυγκεκριμζνα, βλζπουμε τθν γωνία των πτερυγίων να αφξανει προκειμζνου να περιορίςει τθν αφξθςθ τθσ μθχανικισ ροπισ του ανεμοκινθτιρα και επομζνωσ τθν παραγωγι επιπλζον ιςχφοσ αφοφ είναι κακοριςμζνθ θ τιμι των 2MW. Τζλοσ, ςτα διαγράμματα παρατθροφμε μία διαταραχι ςτο 2 ο δευτερόλεπτο θ οποία φκίνει μζχρι το 5 ο δευτερόλεπτο. Αυτό οφείλεται ςτθν εντολι L2N θ οποία επιτρζπει το ξεκλείδωμα του δρομζα τθσ μθχανισ προκειμζνου να ελζγχεται από τον ανεμοκινθτιρα. 202

203 Σχ

204 7.4) Γεννιτρια Φυςικοφ Αερίου Θ γεννιτρια φυςικοφ αερίου αποτελείται από τθ μθχανι εςωτερικισ καφςεωσ, θ οποία προςδίδει τθν απαιτοφμενθ ροπι ςτον δρομζα τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ. Στο παρακάτω ςχιμα φαίνεται θ μθχανι εςωτερικισ καφςεωσ όπωσ επιλζχκθκε από τθν βιβλιοκικθ του PSCad. Σχ Θ είςοδοσ w αναφζρεται ςτον ζλεγχο τθσ ταχφτθτασ του άξονα (rpm) τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ. Ζτςι ελζγχεται θ ειςροι του καυςίμου ςτθν μθχανι εςωτερικισ καφςεωσ. Θ δεφτερθ είςοδοσ αναφζρεται ςτθν ποςότθτα καυςίμου που κα καταναλϊνεται απο τθν μθχανι. Το μοντζλο που χρθςιμοποιείται για τθν ρφκμιςθ τθσ ποςότθτασ καυςίμου είναι αυτό του Woodward και φαίνεται ςτο ςχιμα Σχ

205 Ο τρόποσ με τον οποίο γίνεται θ ρφκμιςθ τθσ ποςότθτασ είναι με τθν μεταβολι τθσ ταχφτθτασ αναφοράσ WREF. Αυξομειϊνοντασ τθν τιμι τθσ ταχφτθτασ αναφοράσ, ουςιαςτικά είναι ςαν να μεταβάλλουμε τθν ποςότθτα καυςίμου που ειςρζει ςτθν μθχανι εςωτερικισ καφςεωσ αλλάηοντασ ζτςι τθν μθχανικι ροπι τθσ μθχανισ καφςεωσ και επομζνωσ τθν παραγόμενθ ιςχφ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ. Ζνα επιπλζον ςφςτθμα ελζγχου που χρθςιμοποιοφμε φαίνεται ςτο ςχιμα Σχ Με αυτό το μοντζλο, ουςιαςτικά ελζγχουμε τθν ταχφτθτα του δρομζα w ςε ςχζςθ με τθν ταχφτθτα αναφοράσ WREF που αποτελεί τθν είςοδο του μοντζλου Woodward. Για να κατανοιςουμε πλιρωσ τθν λειτουργία αυτοφ του ςυςτιματοσ ελζγχου κεωροφμε πωσ θ ςφγχρονθ μθχανι ξεκινά ωσ κινθτιρασ. Ξεκινϊντασ με ταχφτθτα 0, θ μθχανικι ροπι και το μοντζλο Woodward δεν επιδροφν πάνω ςτθν ςφγχρονθ μθχανι αφοφ TIN=B=0. Μόλισ θ ταχφτθτα του δρομζα τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ ξεπεράςει το 0.997p.u. τότε θ μθχανικι ροπι ΤΛΝ επιδρά ςτθν ςφγχρονθ μθχανι που λειτουργεί πλζον ωσ γεννιτρια και το ςφςτθμα βρίςκεται ςε μόνιμθ κατάςταςθ. Από αυτι τθν ςτιγμι και πζρα μποροφμε να μεταβάλλουμε τθν WREF. 205

206 Κεωροφμε για το φυςικό αζριο πωσ θ απόδοςθ του είναι αρκετά μεγάλθ με αποτζλεςμα να μποροφμε να αυξιςουμε τθν ταχφτθτα αναφοράσ ζωσ και 2 φορζσ ςε ςχζςθ με τθν ονομαςτικι ταχφτθτα του δρομζα τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ. Στα παρακάτω γραφιματα (Σχ.7.4.4) παρατθροφμε πωσ όταν αυξιςουμε τθν ταχφτθτα αναφοράσ ςτα 1.8 p.u. ςτο 12 ο δευτερόλεπτο θ μθχανικι ροπι ςτθν ζξοδο τθσ μθχανισ εςωτερικισ καφςεωσ αυξάνει. Σχ Βλζπουμε πωσ όταν αυξάνουμε τθν ταχφτθτα κατά 0.8 p.u. θ μθχανικι ροπι αυξάνει κατά 0.5 p.u.. Ζπειτα θ μθχανικι ροπι που αποτελεί τθν ζξοδο τθσ μθχανισ εςωτερικισ καφςεωσ είναι αυτι που κινεί τον δρομζα τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ. 206

207 Το ολοκλθρωμζνο κφκλωμα τθσ γεννιτριασ φυςικοφ αερίου φαίνεται παρακάτω. Σχ

208 Στο ςχιμα βλζπουμε πωσ ςτθν ζξοδο τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ ζχουμε ςυνδζςει ζνα πθνίο με τιμι H. Το πθνίο χρθςιμεφει για τθ ςτακεροποίθςθ του ρεφματοσ εξόδου. Θ τιμι που παίρνει κακορίηεται μετά από δοκιμζσ προςζχοντασ θ κυμάτωςθ του ρεφματοσ εξόδου του μετατροπζα να μθν ξεπερνά τα προδιαγεγραμμζνα όριά του. Τα χαρακτθριςτικά τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ που χρθςιμοποιικθκε είναι τα εξισ. Θ RMS τιμι τθσ πολικισ τάςθσ τθσ μθχανισ είναι 400V ενϊ θ RMS τιμι του ρεφματοσ είναι 4.35kA. Τα υπόλοιπα χαρακτθριςτικά τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ φαίνονται ςτο παρακάτω ςχιμα. Για τθ διζγερςθ τθσ μθχανισ χρθςιμοποιικθκε ζνασ IEEE διεγζρτθσ όπωσ φαίνεται παρακάτω (Σχ.7.4.6). Σχ

209 Τα χαρακτθριςτικά του είναι τα εξισ: Στο ςθμείο των 12s εφαρμόηουμε χειροκίνθτα μία αφξθςθ ςτθν ταχφτθτα αναφοράσ WREF κατά 0.8p.u. ςε ςχζςθ με τθν ονομαςτικι ταχφτθτα του δρομζα τθσ μθχανισ που μεταφράηεται ςε αφξθςθ ςτθν ροι καυςίμου που ειςζρχεται ςτθν μθχανι εςωτερικισ κάυςεωσ. Ριο κάτω ςτο ςχιμα βλζπουμε τα διαγράμματα τθσ φαςικισ τάςθσ και του ρεφματοσ ςτθν ζξοδο τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ. Επαλθκεφονται οι τιμζσ του ρεφματοσ και τθσ τάςθσ τθσ μθχανισ. Συγκεκριμζνα φαίνονται οι τιμζσ τθσ φαςικισ τάςθσ και του ρεφματοσ των τριϊν φάςεων: 230V(RMS)* =0.32kV και 4.35kA(RMS)* =6.1kA. Ππωσ αναφζραμε και πριν θ αφξθςθ ςτθν WREF κατά 0.8p.u. προκαλεί μία προςωρινι μείωςθ ςτθν τάςθ και μία μόνιμθ αφξθςθ ςτο ρεφμα προ κειμζνου να δικαιολογθκεί θ αφξθςθ τθσ ενεργοφ και αζργου ιςχφοσ. 209

210 Σχ Στο ακόλουκο ςχιμα (Σχ.7.4.8) φαίνονται τα διαγράμματα τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ που παράγει θ ςφγχρονθ γεννιτρια. Βλζπουμε πωσ θ ενεργόσ ιςχφσ αυξάνει κατά 1.2MW και θ άεργοσ κατά 0.45MVar. Επιπλζον, παρουςιάηονται τα διαγράμματα τθσ ταχφτθτασ του άξονα, τθσ μθχανικισ ροπισ τθσ μθχανισ εςωτερικισ καφςεωσ και τθσ θλεκτρικισ ροπισ τθσ μθχανισ μετρθμζνα ςε p.u.. Τζλοσ, ςτα διαγράμματα παρατθροφμε μία διαταραχι ςτο 2 ο δευτερόλεπτο θ οποία φκίνει ςταδιακά. Αυτό οφείλεται ςτθν εντολι L2N θ οποία επιτρζπει το ξεκλείδωμα του δρομζα τθσ μθχανισ προκειμζνου να ελζγχεται από ςφςτθμα ελζγχου Woodward. 210

211 Σχ

212 7.5) Γεννιτρια με βιομάηα Θ ςτρατθγικι για τον ςχεδιαςμό του μοντζλου PSCad για τθν γεννιτρια με καφςιμο τθν βιομάηα είναι ακριβϊσ ίδια με αυτι για το φυςικό αζριο. Ωςτόςο, πρζπει να τονίςουμε πωσ θ απόδοςθ των δφο καυςίμων είναι διαφορετικι. Αναφορικά να ποφμε πωσ θ απόδοςθ του φυςικοφ αερίου είναι πολφ μεγαλφτερθ από αυτι τθσ βιομάηασ. Στθν περίπτωςθ του μοντζλου μασ ςτο PSCad αυτό ρυκμίηεται μζςω του άνω ορίου του slider για τθν ταχφτθτα αναφοράσ WREF. Συγκεκριμζνα, για τθν βιομάηα κζτουμε ωσ ανϊτατο όριο το 1.3p.u.. Το ολοκλθρωμζνο μοντζλο για τθν βιομάηα φαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα Σχ

213 Στο ςχιμα βλζπουμε πωσ ςτθν ζξοδο τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ ζχουμε ςυνδζςει ζνα πθνίο με τιμι H. Το πθνίο χρθςιμεφει για τθ ςτακεροποίθςθ του ρεφματοσ εξόδου. Θ τιμι που παίρνει κακορίηεται μετά από δοκιμζσ προςζχοντασ θ κυμάτωςθ του ρεφματοσ εξόδου του μετατροπζα να μθν ξεπερνά τα προδιαγεγραμμζνα όριά του. Τα χαρακτθριςτικά τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ που χρθςιμοποιικθκε είναι τα εξισ. Θ RMS τιμι τθσ πολικισ τάςθσ τθσ μθχανισ είναι 400V ενϊ θ RMS τιμι του ρεφματοσ είναι 4.35kA. Τα υπόλοιπα χαρακτθριςτικά τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ φαίνονται ςτο παρακάτω ςχιμα. Για τθ διζγερςθ τθσ μθχανισ χρθςιμοποιικθκε ζνασ IEEE διεγζρτθσ όπωσ φαίνεται παρακάτω (Σχ.7.5.2). Σχ

214 Τα χαρακτθριςτικά του είναι τα εξισ: Στο ςθμείο των 12s εφαρμόηουμε και πάλι χειροκίνθτα μία αφξθςθ ςτθν ταχφτθτα αναφοράσ WREF κατά 0.3p.u. ςε ςχζςθ με τθν ονομαςτικι ταχφτθτα του δρομζα τθσ μθχανισ που μεταφράηεται ςε αφξθςθ ςτθν ροι καυςίμου που ειςζρχεται ςτθν μθχανι εςωτερικισ κάυςεωσ. Ριο κάτω ςτο ςχιμα βλζπουμε τα διαγράμματα τθσ φαςικισ τάςθσ και του ρεφματοσ ςτθν ζξοδο τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ. Επαλθκεφονται οι τιμζσ του ρεφματοσ και τθσ τάςθσ τθσ μθχανισ. Συγκεκριμζνα φαίνονται οι τιμζσ τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ των τριϊν φάςεων: 230V(RMS)* =0.32kV και 4.35kA(RMS)* =6.1kA. Ππωσ αναφζραμε και πριν θ αφξθςθ ςτθν WREF κατά 0.3p.u. προκαλεί μία προςωρινι μείωςθ ςτθν τάςθ και μία μικρι μόνιμθ αφξθςθ ςτο ρεφμα προ κειμζνου να δικαιολογθκεί θ αφξθςθ τθσ ενεργοφ και αζργου ιςχφοσ. 214

215 Σχ Στο ςχιμα φαίνονται τα διαγράμματα τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ που παράγει θ ςφγχρονθ γεννιτρια. Βλζπουμε πωσ θ ενεργόσ ιςχφσ αυξάνει κατά 0.4MW και θ άεργοσ κατά 0.2MVar. Επιπλζον, παρουςιάηονται τα διαγράμματα τθσ ταχφτθτασ του άξονα, τθσ μθχανικισ ροπισ τθσ μθχανισ εςωτερικισ καφςεωσ και τθσ θλεκτρικισ ροπισ τθσ μθχανισ μετρθμζνα ςε p.u.. Τζλοσ, ςτα διαγράμματα παρατθροφμε μία διαταραχι ςτο 2 ο δευτερόλεπτο θ οποία φκίνει ςταδιακά. Αυτό οφείλεται ςτθν εντολι L2N θ οποία επιτρζπει το ξεκλείδωμα του δρομζα τθσ μθχανισ προκειμζνου να ελζγχεται από ςφςτθμα ελζγχου Woodward. 215

216 Σχ

217 7.6) Φωτοβολταϊκό Πάρκο Χρθςιμοποιϊντασ μία βιβλιοκικθ του PSCad μποροφμε να προςομοιϊςουμε τα κφτταρα και τα πάνελ ευρφτερα. Το ΦΒ πάρκο που μελετάμε ζχει 10 ςυςτοιχίεσ, κάκε μία από τισ οποίεσ αποτελείται από 28 πλαίςια. Τα πλαίςια είναι τοποκετθμζνα 2 14, δθλαδι 2 ςειρζσ των 14 πάνελ θ κακεμιά. Το κάκε πλαίςιο αποτελείται από 4800 κφτταρα που είναι δομθμζνα ςε 240 ςειρζσ των 20 κυττάρων θ κακεμία. Σε περίπτωςθ που θ ΦΒ ςυςτοιχία δεν περιεχόταν ςτθ βιβλιοκικθ, τότε κα ζπρεπε να ςχεδιάςουμε το ιςοδφναμό τθσ. Λαμβάνοντασ υπόψθ ότι το ιςοδφναμο κφκλωμα ενόσ ΦΒ κυττάρου, ζχει τθν παρακάτω μορφι(σχ.7.6.1): Σχ τότε θ ΦΒ ςυςτοιχία ζχει το εξισ ιςοδφναμο (ενδεικτικι μορφι Σχ.7.6.2): D Rsh + + IL D Rsh + + IL D Rsh + + Rs Rs Rs D Rsh + + IL D Rsh + + IL D Rsh + + Rs Rs Rs D Rsh + + IL D Rsh + + IL D Rsh + + E19 Rs Rs Rs D Rsh + + IL D Rsh + + IL D Rsh + + Σχ

218 Ππωσ γνωρίηουμε, οι παράγοντεσ που κακορίηουν τθ ςυμπεριφορά του πλαιςίου είναι θ κερμοκραςία και θ ακτινοβολία. Σχετικά με τθν επίδραςθ τθσ ακτινοβολίασ και τθσ κερμοκραςίασ ςτθν ςυμπεριφορά ενόσ ΦΒ ςτοιχείου (ι ενόσ ΦΒ πλαιςίου ι ςυςτοιχίασ κατ επζκταςθ) ςυνδζουμε ςτο μοντζλο του PSCad ςτουσ ακροδζκτεσ τθσ φωτοβολταϊκισ ςυςτοιχίασ δφο sliders με τουσ οποίουσ κα ελζγχουμε αυτοφσ τουσ παράγοντεσ όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα Σχ Σθμειϊνουμε ότι ζχουμε κεωριςει τθ κερμοκραςία των πλαιςίων ςτακερι, ίςθ με 25 και τθν ακτινοβολία ίςθ με 1000W/m 2. Ραρακάτω ςτο ςχιμα βλζπουμε πωσ θ μεταβολι τθσ ακτινοβολίασ μεταβάλλει το ρζυμα και τθν τάςθ ςτουσ ακροδζκτεσ τθσ φωτοβολταϊκισ ςυςτοιχίασ. Συγκεκριμζνα, κεωροφμε πωσ ςτο 11 ο δευτερόλεπτο τθσ προςομοίωςθσ θ ακτινοβολία αυξάνεται ςτα 1220 W/m*m. Τα διαγράμματα τθσ ςτιγμιαίασ τάςθσ και του ςτιγμιαίου ρεφματοσ παρακάτω μασ δείχνουν επιπλζον και τθν παραγόμενθ ιςχφ του φωτοβολταϊκοφ πάρκου. Ριο ςυγκεκριμζνα, θ τάςθ είναι 3.3kV και το ρεφμα 0.6kA. Άρα, και θ ενεργόσ ιςχφσ που παράγει θ ΦΒ ςυςτοιχία κα είναι 2MW όπωσ και το είχαμε κακορίςει αρχικά. Αυτό γιατί όπωσ κα δοφμε αργότερα ςτθν λειτουργία του MPPT κα ορίςουμε τθν παραγόμενθ άεργο ιςχφ ςε 0Var. 218

219 Σχ Μετά το 11 ο δευτερόλεπτο θ τάςθ αυξάνεται ςτα 3.45kV και το ρεφμα παραμζνει ςτακερό. 219

220 Ο ςκοπόσ του MPPT είναι να διατθρεί το ςθμείο λειτουργίασ ςτο ςθμείο μζγιςτθσ ιςχφοσ, ανεξάρτθτα από οποιεςδιποτε μεταβολζσ (ςτθν ακτινοβολία, τθ κερμοκραςία κλπ). Θ διάταξθ του MPPT ςτο PSCad φαίνεται παρακάτω ςτο ςχιμα Σχ Στο ςχιμα 7.6.6, παρατθροφμε τθ ςτακεροποίθςθ τθσ Vmppt, κακϊσ μεταβάλλουμε τθν τάςθ και το ρεφμα τθσ ςυςτοιχίασ όπωσ αναφζραμε παραπάνω με μεταβολι τθσ θλιακισ ακτινοβολίασ ςτο 11 ο δευτερόλεπτο. 220

221 Σχ Στο ςφςτθμα μασ για τθν φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία δεν κα χρθςιμοποιιςουμε DC/DC μετατροπζα. Αντίκετα, θ παραγωγι του ςιματοσ phase λοιπόν, το οποίο επιδρά ςτο θμιτονοειδζσ ςιμα ελζγχου ςτον τριφαςικό αντιςτροφζα AC/DC γίνεται με τθν εξισ τροποποίθςθ ςτο μοντζλο του MPPT που φαίνεται ςτο ςχιμα

222 Σχ Στο παραπάνω ςχιμα, Vin είναι θ τιμι τθσ τάςθσ ςτθν dc πλευρά του αντιςτροφζα, πάνω ςτον πυκνωτι ςτθν είςοδό του (ο πυκνωτισ φαίνεται ςτο ςχιμα ). Θ τιμι αυτισ τθσ τάςθσ λοιπόν ςυγκρίνεται με το ςιμα Vmpp το οποίο παράγεται από τθ μονάδα MPPT control και προφανϊσ μεταβάλλεται ανάλογα με τθν τάςθ Vpv και το ρεφμα Ipv που παράγονται από τθν φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία κάκε ςτιγμι. Για τον DC/AC μετατροπζα χρθςιμοποιιςαμε τριφαςικοφσ αντιςτροφείσ. Το κφκλωμα του τριφαςικοφ αντιςτροφζα που κα χρθςιμοποιιςουμε ςτθν εξομοίωςθ φαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα (τριφαςικι γζφυρα με 6 διακόπτεσ ιςχφοσ): 222

223 Σχ Τα διακοπτικά ςτοιχεία είναι IGBT που δζχονται παλμοφσ ζναυςθσ και ςβζςθσ με τθ μζκοδο PWM (διαμόρφωςθ εφρουσ παλμοφ), από μια κατάλλθλθ μονάδα παλμοδότθςθσ. Με τθ χριςθ IGBT και όχι thyristor, πετυχαίνουμε και ελεγχόμενθ αποκοπι (εκτόσ από ελεγχόμενθ ζναυςθ) με τθν εφαρμογι ενόσ ςιματοσ ελζγχου ςτθν πφλθ του. Ο πυκνωτισ χρειάηεται ςτθν πλευρά τθσ dc ειςόδου για να απομονϊςει τθ ςυςτοιχία από τισ μεταβαλλόμενεσ τάςεισ που παράγονται κατά τθ λειτουργία των διακοπτϊν. Οι δίοδοι τοποκετοφνται γιατί όταν το φορτίο δεν είναι απλά ωμικό, αλλά περιζχει και ςτοιχεία που αποκθκεφουν ενζργεια (L, C), το ρεφμα φορτίου δεν αλλάηει πολικότθτα ςυγχρόνωσ με τθν τάςθ φορτίου. Ζτςι, οι δίοδοι επιτρζπουν ςτο ρεφμα να ςυνεχίςει να ρζει (μζχρι να μθδενιςτεί) με τθν φορά που είχε, ακόμθ και μετά το ςβιςιμο των αντίςτοιχων διακοπτικϊν ςτοιχείων. 223

224 Ο αντιςτροφζασ λοιπόν μετατρζπει τθ ςυνεχι τάςθ ςε εναλλαςςόμενθ με τθ μζκοδο τθσ διαμόρφωςθσ PWM. Για το ςκοπό αυτό είναι απαραίτθτθ μία κατάλλθλθ μονάδα παλμοδότθςθσ. Στο ςθμείο αυτό κα παρουςιάςουμε ζνα πιο περίπλοκο κφκλωμα παλμοδότθςθσ που ςχεδιάςαμε ςτο PSCAD. Στο κφκλωμα αυτό κα κάνουμε χριςθ οριςμζνων τυποποιθμζνων μονάδων που περιζχει το PSCAD για τθν παλμοδότθςθ διακοπτικϊν ςτοιχείων. Στθν προςομοίωςι μασ κα προτιμιςουμε αυτόν τον τρόπο ςχεδιαςμοφ, για λόγουσ που κα φανοφν παρακάτω. Θ μονάδα παλμοδότθςθσ που κα χρθςιμοποιιςουμε είναι θ εξισ (Σχ.7.6.9): Σχ

225 Το ςιμα που ειςζρχεται ςτο πάνω μζροσ τθσ μονάδασ (ςιμα Dblck) κακορίηει το χρονικό ςθμείο εκκίνθςθσ λειτουργίασ τθσ μονάδασ παλμοδότθςθσ και ςυνεπϊσ του αντιςτροφζα. Θ μονάδα παράγει 6 εξόδουσ (g1-g6, μία για κάκε διακοπτικό ςτοιχείο), όπου ζκαςτθ περιζχει 2 ςιματα. Το πρϊτο ςιμα αναφζρεται ςτο ανοιγοκλείςιμο του κάκε ςτοιχείου, δθλαδι αν κα δεχτεί παλμό ζναυςθσ ι ςβζςθσ, ενϊ το δεφτερο αναφζρεται ςτθ χρονικι ςτιγμι που κα αποςταλεί ο παλμόσ. Θ μονάδα ζχει 4 ειςόδουσ όπου ζκαςτθ είναι ζνα διάνυςμα 6 ςυνιςτωςϊν, δθλαδι μία ςυνιςτϊςα για κάκε διακοπτικό ςτοιχείο. Αναφερόμενοι ςτο ίδιο ςτοιχείο, οι δφο είςοδοι δθμιουργοφν τουσ παλμοφσ ζναυςθσ ενϊ οι άλλοι δφο είςοδοι δθμιουργοφν τουσ παλμοφσ ςβζςθσ. Τα 6 ςιματα αναφοράσ για τθν ζναυςθ RSgnOn και τθ ςβζςθ RSgnOff και τα 6 τριγωνικά ςιματα για τθν ζναυςθ TrgOn και τθ ςβζςθ TrgOff παράγονται από δφο ξεχωριςτζσ μονάδεσ, ενϊ θ ςφγκριςι τουσ για τθν παραγωγι των παλμϊν πραγματοποιείται εντόσ τθσ μονάδασ παλμοδότθςθσ. 225

226 Θ δθμιουργία των ςθμάτων αναφοράσ (θμιτονοειδι ςιματα) φαίνεται ςτο ςχιμα Σχ Θ μονάδα PLL χρθςιμοποιείται για το ςυγχρονιςμό του αντιςτροφζα με το δίκτυο. Στθν είςοδό τθσ δζχεται τισ 3 τάςεισ αναφοράσ (ςχιμα) και ςτθν ζξοδό τθσ παράγει 6 ςιματα ράμπασ μετατοπιςμζνα κατά 60 ο μεταξφ τουσ. Στα ςιματα αυτά προςτίκεται θ τιμι του ςιματοσ phase, το οποίο εκφράηει γωνία, προκειμζνου να επιτφχουμε μετατόπιςθ φάςθσ των τελικϊν ςθμάτων ελζγχου. Στθ ςυνζχεια, τα μετατοπιςμζνα ςιματα περνοφν μζςα από τθ μονάδα sin και μετατρζπονται ςε θμιτονοειδι ςιματα, τα οποία τελικά πολλαπλαςιάηονται με το ςιμα ma και ζτςι προκφπτουν τα ςιματα αναφοράσ. 226

227 Στθν περίπτωςθ που ο ςυντελεςτισ ma είναι μονάδα, ςτο ςχιμα παρατθροφμε τα ςιματα αναφοράσ ζναυςθσ ςτα διακοπτικά ςτοιχεία 1,2 και 3. Σχ

228 Σχετικά με το ςυντελεςτι διαμόρφωςθσ πλάτουσ ma, ι αντίςτοιχα το ςιμα ma το οποίο αναφζραμε παραπάνω και με το οποίο πολλαπλαςιάηουμε το θμιτονοειδζσ ςιμα αναφοράσ, αυτό χρθςιμοποιείται για να κακορίςει το μζτρο του θμιτονοειδοφσ ςιματοσ αναφοράσ. Το ςιμα αυτό δεν παίρνει μία τυχαία τιμι, αλλά προκφπτει από τον PI ελεγκτι του ςχιματοσ Στθν ζξοδο του PI ζχουμε το ςφάλμα μεταξφ τθσ επικυμθτισ τιμισ τθσ αζργου ιςχφοσ (θ οποία τοποκετείται ςτθν τιμι μθδζν) και τθσ πραγματικισ τιμισ αυτισ. Με άλλα λόγια, με το ςυντελεςτι ma ελζγχουμε τθν ζγχυςθ αζργου ιςχφοσ ςτο δίκτυο μζςω τθσ διαμόρφωςθσ τθσ τάςθσ ( ςφμφωνα με τον τφπο -, βλζπουμε ότι θ άεργοσ ιςχφσ που μεταφζρεται από ζναν κόμβο ςε ζναν άλλο εξαρτάται κυρίωσ από τθν τιμι τθσ τάςθσ ςτουσ κόμβουσ αυτοφσ ). Αλλάηοντασ λοιπόν τθν τιμι του πλάτουσ τθσ τάςθσ εξόδου του μετατροπζα, ρυκμίηουμε τθ ροι τθσ αζργου ιςχφοσ και ταυτόχρονα τθν τιμι του ςυντελεςτι ιςχφοσ. Στο ςχιμα παρουςιάηεται ο εν λόγω PI ελεγκτισ: Σχ

229 Σχετικά με το ςιμα phase που είδαμε παραπάνω, όπωσ αναφζραμε αυτό εκφράηει μία μετατόπιςθ φάςθσ. Θ μονάδα θ οποία δθμιουργεί το ςιμα phase παρουςιάηεται ςτο ςχθμα Ππωσ παρατθροφμε, το ςιμα phase προκφπτει από τθ ςφγκριςθ τθσ επικυμθτισ τιμισ τθσ τάςθσ ςτον πυκνωτι ςτθν είςοδο του αντιςτροφζα (DC link) με τθν πραγματικι τιμι αυτισ. Ρρζπει να τονίςουμε ότι είναι πολφ ςθμαντικό θ τάςθ ςτο ςθμείο αυτό τθσ διάταξθσ (δθλαδι ανάμεςα ςτο dc/dc μετατροπζα και ςτον dc/ac αντιςτροφζα) να είναι ςτακερι. Σε διαφορετικι περίπτωςθ, το ςφςτθμα δεν μπορεί να ελεγχκεί κακϊσ δεν μποροφν να απεμπλακοφν οι ζλεγχοι για τθν ανίχνευςθ μζγιςτθσ ιςχφοσ και για το μθδενιςμό τθσ αζργου ιςχφοσ. Για το λόγο αυτό λοιπόν απαιτείται ο πυκνωτισ αυτόσ να είναι ιδιαίτερα μεγάλοσ. Τζλοσ, πρζπει να ςθμειϊςουμε ότι επειδι το ςιμα που παράγεται από τον PI ελεγκτι είναι ςε rad αλλά θ μονάδα shift δζχεται ςιμα ςε μοίρεσ, μετατρζπουμε το ςιμα από rad ςε μοίρεσ πολλαπλαςιάηοντασ με 180 και διαιρϊντασ με π. Σχ

230 Θ δθμιουργία των τριγωνικϊν παλμϊν φαίνεται ςτο ςχιμα Σχ Ππωσ αναφζραμε και παραπάνω, θ μονάδα PLL παίρνει ωσ ειςόδουσ 3 θμιτονοειδι ςιματα αναφοράσ (ςχιμα), τα οποία ζχουν διαφορά φάςθσ 120 ο μεταξφ τουσ και ςυχνότθτα 50Hz, με ςκοπό να πετφχει το ςυγχρονιςμό του αντιςτροφζα με το δίκτυο. Κλειδϊνοντασ λοιπόν τθ φάςθ και τθ ςυχνότθτα των προαναφερκζντων ςθμάτων, παράγει 6 ςιματα ράμπασ, μετατοπιςμζνα κατά 60 ο μεταξφ τουσ. Στθ ςυνζχεια, βλζπουμε ότι θ ράμπα πολλαπλαςιάηεται με ζναν αρικμό (102.0). Ο αρικμόσ αυτόσ είναι ακζραιο πολλαπλάςιο του 3 ϊςτε να περιορίηονται οι άρτιεσ αρμονικζσ. Ο λόγοσ που επιλζξαμε τθν τιμι 102 είναι ϊςτε μετά τον πολλαπλαςιαςμό να προκφψει θ επικυμθτι ςυχνότθτα του ςιματοσ αναφοράσ. Στθν περίπτωςι μασ λοιπόν, θ τριγωνικι κυματομορφι που κα προκφψει κα ζχει ςυχνότθτα =5100Hz. H εξιγθςθ για τθν αφξθςθ τθσ ςυχνότθτασ είναι θ εξισ: οι τιμζσ από 0 ζωσ 360 αντιςτοιχοφν ςε ζναν πλιρθ κφκλο, ο οποίοσ επαναλαμβάνεται κάκε 1/50=0.02sec. Ρολλαπλαςιάηοντασ λοιπόν τθν ζξοδο με το 102 είναι ςαν να παίρνουμε ςτον ίδιο χρόνο το ςιμα 102 φορζσ, άρα του αυξάνουμε τθ ςυχνότθτα 102 φορζσ. 230

231 Το module Angle Resolver μεταφράηει τισ τιμζσ τθσ ράμπασ ςε μοίρεσ και τισ εξάγει πάλι ωσ μοίρεσ, δθλαδι περιορίηει όλα τα ςιματα ςε τιμζσ από 0 ζωσ 360 μοίρεσ χωρίσ να αλλοιϊνει τθ ςυχνότθτά τουσ. Το επόμενο module ονομάηεται Non-Linear Transfer Characteristic. Θ μονάδα αυτι δζχεται το ςιμα ειςόδου ςε μοίρεσ και το μετατρζπει ςε τριγωνικό ςιμα με τιμζσ ςτθν περιοχι *-1,1+ τόςο για τθν ζναυςθ όςο και για τθ ςβζςθ των διακοπτικϊν ςτοιχείων (TrgOn, TrgOff αντίςτοιχα). Στο ςχιμα που ακολουκεί παρατθροφμε τουσ τριγωνικοφσ παλμοφσ ζναυςθσ και ςβζςθσ για τα διακοπτικά ςτοιχεία 1 και 2. Σχ

232 Λαμβάνοντασ υπόψθ όλα τα παραπάνω που αναφζραμε για τον 2 ο τρόπο ςχεδιαςμοφ μονάδασ παλμοδότθςθσ, κα παρακζςουμε ςτο ςθμείο αυτό τισ γραφικζσ παραςτάςεισ (χ ) που προζκυψαν από τθν προςομοίωςθ του τριφαςικοφ αντιςτροφζα ςτο PSCAD. Ωσ είςοδο του τριφαςικοφ αντιςτροφζα τοποκετιςαμε μια πθγι ςυνεχοφσ τάςθσ πλάτουσ 320V. Ο ςυντελεςτισ διαμόρφωςθσ πλάτουσ είναι μονάδα και ςτθν ζξοδο του αντιςτροφζα ζχουμε ςυνδζςει ωμικό φορτίο ςε αςτζρα, 10 Ohm/φάςθ. Το κφκλωμα που χρθςιμοποιιςαμε για να πάρουμε τισ γραφικζσ παραςτάςεισ του αντιςτροφζα είναι το ακόλουκο (Σχ ): Σχ

233 Σχ Στο ςχιμα που ακολουκεί Σχ παρατθροφμε ότι θ φαςικι τάςθ είναι μόνο κετικι, γεγονόσ που οφείλεται ςτθν dc ςυνιςτϊςα θ οποία απαλείφεται ςτα πολικά ςιματα. Επίςθσ παρατθροφμε ότι το ρεφμα είναι κακαρά εναλλαςςόμενο: 233

234 Σχ

235 Στθν ζξοδο του αντιςτροφζα ςυνδζεται ζνα φίλτρο το οποίο εξομαλφνει τθν κυματομορφι τθσ τάςθσ και ςτθν πραγματικότθτα μπορεί να κεωρθκεί ωσ αναπόςπαςτο τμιμα του αντιςτροφζα. Ρρόκειται για ζνα χαμθλοπερατό φίλτρο LC το οποίο αποκόπτει τισ ανϊτερεσ αρμονικζσ που εμφανίηονται ςτο φάςμα ςυχνοτιτων του ρεφματοσ και οι οποίεσ οφείλονται ςτθ λειτουργία του αντιςτροφζα. Οι τιμζσ του πθνίου και του πυκνωτι κακορίηονται από δοκιμζσ, ϊςτε να πετφχουμε ζνα επικυμθτό αποτζλεςμα και να πλθροφνται τα απαραίτθτα κριτιρια. Mετά από μία ςειρά δοκιμϊν καταλιγουμε ςτθν επιλογι πθνίου 13mH και πυκνωτι 50μF. Ρρζπει επίςθσ να ςθμειϊςουμε ότι κα ςυμπλθρϊςουμε το ςχιμα με τθν τοποκζτθςθ ςε ςειρά με κάκε πθνίο μίασ αντίςταςθσ 0.001Ohm ϊςτε να ζχουμε απόςβεςθ ςε περίπτωςθ ςυντονιςμοφ. Στο ςχιμα που ακολουκεί Σχ παρατθροφμε τθν τελικι μορφι που ζχει το φίλτρο που τοποκετοφμε ςτθν ζξοδο του αντιςτροφζα. 235

236 Σχ Ραρακάτω, ςτο ςχιμα φαίνεται το πλιρεσ μοντζλο ςτο PSCad του ΦΒ πάρκου. Σχ

237 Τζλοσ, ςτα διαγράμματα που ακολουκοφν (Σχ ) πατατθροφμε τθν ςτιγμιαία τάςθ και ρεφμα μετά το φίλτρο, όπωσ επίςθσ και τθν ενεργό και αζργο ιςχφ. Ρρζπει να τονίςουμε βζβαια βλζποντασ το ςχιμα πωσ θ άεργοσ ιςχφσ ζχει επιλεχκεί να είναι 0. Στα διαγράμματα φαίνεται επιπλζον και θ αντίδραςθ του ΦΒ πάρκου ςτθν αφξθςθ τθσ ακτινοβολίασ ςτο 11 ο δευτερόλεπτο. Σχ

238 7.7) Ηλεκτρολφτεσ Στθν αρχι τθσ ανάλυςισ μασ αναφζραμε πωσ το φωτοβολταϊκό πάρκο αποδίδει 2MW ενζργειασ εκ των οποίων το 0.5MW χρθςιμοποιείται ςτουσ θλεκτρολφτεσ για τθν παραγωγι υδρογόνου. Ο τρόποσ με τον οποίο παίρνουμε αυτό το ποςό απο το ΦΒ πάρκο ςτο μοντζλο του PSCad είναι με τθν βοικεια ενόσ απλόυ διαιρζτθ ταςθσ. Στθν ουςία πρόκειται για ζνα φίλτρο όπωσ φαίνεται παρακάτω που ςυνδζεται παράλλθλα ςτθν φωτοβολταϊκι ςυςτοιχία. Εδϊ ςτο ςχιμα φαίνεται θ ςφνδεςθ του ςτθν ςυςτοιχία. Σχ

239 Τϊρα κα πρζπει να μοντελοποιιςουμε τθν ςυςτοιχία των θλεκτρολυτϊν ςτο PSCad. Θ χαρακτθριςτικι ρεφματοσ τάςθσ για κάκε κελί του θλεκτρολφτθ περιγράφεται μακθματικά από τθ μθ γραμμικι ςχζςθ (εξίςωςθ): όπου: Ucell Urev Iel Τel Α θ τάςθ ςτα άκρα κάκε ενόσ από τα εν ςειρά κελιά θ αντιςτρζψιμθ τάςθ που υπολογίηεται με βάςθ το κερμοδυναμικό μοντζλο το ρεφμα που διαρρζει τα κελιά του θλεκτρολφτθ θ κερμοκραςία λειτουργίασ του θλεκτρολφτθ θ επιφάνεια των θλεκτροδίων τθσ ανόδου και τθσ κακόδου ri οι παράμετροι ωμικισ αντίςταςθσ του θλεκτρολφτθ s, ti οι παράμετροι υπερδυναμικοφ (overvoltage) ςτα θλεκτρόδια 239

240 Εάν ςυμβολίςουμε με Nel το πλικοσ των εν ςειρά ςυνδεδεμζνων κελιϊν, θ ςυνολικι τάςθ του θλεκτρολφτθ δίνεται απλά από τθ ςχζςθ: Πλεσ οι παράμετροι προςδιορίηονται κατόπιν κατάλλθλων πειραματικϊν μετριςεων. Θ αρχικι εξίςωςθ δείχνει ότι ο θλεκτρολφτθσ μπορεί να κεωρθκεί ωσ ζνασ μεταβλθτόσ, μθ γραμμικόσ αντιςτάτθσ. Σε μία δεδομζνθ κερμοκραςία, θ παραπάνω εξίςωςθ μπορεί να επιλυκεί ωσ προσ το ρεφμα του θλεκτρολφτθ με αποτζλεςμα τον οριςμό τθσ ςυνάρτθςθσ ρεφματοσ-τάςθσ Λel = F(Uel). Στο μοντζλο προςομοίωςθσ που μελετάται θ πρωτογενισ είςοδοσ ςτο μοντζλο του θλεκτρολφτθ είναι θ περίςςεια ιςχφοσ που παρατθρείται ςτο δίκτυο, Pel, θ οποία προφανϊσ ςυνδζεται με τθν τάςθ και το ρεφμα του θλεκτρολφτθ με βάςθ τθ ςχζςθ: Θ επίδραςθ τθσ κερμοκραςίασ ςτον τρόπο λειτουργίασ του θλεκτρολφτθ ςχετίηεται με τθ μεταβολι των υπερδυναμικϊν ςτα θλεκτρόδια. Ριο ςυγκεκριμζνα, θ αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ επιφζρει ελάττωςθ των υπερδυναμικϊν και ςυνεπϊσ τθσ τάςθσ λειτουργίασ του κελιοφ. Ζχουμε κεωριςει ότι θ ιςχφσ ειςόδου διατθρείται ςτακερι, θ ελάττωςθ τθσ τάςθσ ςυνεπάγεται αφξθςθ του ρεφματοσ λειτουργίασ και κατ επζκταςθ του ρυκμοφ παραγωγισ υδρογόνου. Επομζνωσ θ αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ βελτιϊνει τθ λειτουργικι ςυμπεριφορά του θλεκτρολφτθ. Ππωσ ζχει ιδθ αναφερκεί ο ρυκμόσ παραγωγισ υδρογόνου είναι ευκζωσ ανάλογοσ τθσ ζνταςθσ του ρεφματοσ λειτουργίασ του θλεκτρολφτθ. Ο βακμόσ απόδοςθσ Faraday ορίηεται ωσ ο λόγοσ μεταξφ τθσ πραγματικισ προσ τθ κεωρθτικι μζγιςτθ ποςότθτα υδρογόνου που παράγεται ςτθ μονάδα του χρόνου από τον θλεκτρολφτθ. Θ μείωςθ τθσ απόδοςθσ που περιγράφεται από το βακμό απόδοςθσ Faraday οφείλεται ςε απϊλειεσ λόγω παραςιτικϊν ρευμάτων κατά μικοσ των αγωγϊν των αερίων και για αυτό ςυχνά αναφζρεται ωσ βακμόσ απόδοςθσ ρεφματοσ.τα παραςιτικά ρεφματα αυξάνονται με τθ μείωςθ τθσ πυκνότθτασ ρεφματοσ που διαρρζει τον θλεκτρολφτθ λόγω τθσ αφξθςθσ τθσ ενεργοφσ επιφάνειασ του αγϊγιμου διαλφματοσ και άρα ελάττωςθ τθσ θλεκτρικισ του αντίςταςθσ. 240

241 Επιπρόςκετα, το μζγεκοσ των παραςιτικϊν ρευμάτων ςε κάκε κελί είναι ανάλογο τθσ τάςθσ του κελιοφ, που δίνεται από τθν παραπάνω εξίςωςθ. Άρα, το κλάςμα των παραςιτικϊν ρευμάτων προσ το ςυνολικό ρεφμα του θλεκτρολφτθ αυξάνεται όςο μικρότερθ είναι θ πυκνότθτα ρεφματοσ. Ραράλλθλα, αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ επιφζρει ελάττωςθ τθσ αντίςταςθσ του διαλφματοσ, που μεταφράηεται ςε υψθλότερεσ απϊλειεσ παραςιτικϊν ρευμάτων και ςυνεπϊσ μικρότερο βακμό απόδοςθσ Faraday. Για τθ μοντελοποίθςθ του βακμοφ απόδοςθσ Faraday με βάςθ τισ παραπάνω πειραματικζσ διαπιςτϊςεισ ζχουν προτακεί δφο διαφορετικζσ μθ γραμμικζσ μακθματικζσ ςχζςεισ. Αρχικά, ςτθν εργαςία του Ulleberg προτάκθκε θ ακόλουκθ εξίςωςθ: Ο ρυκμόσ παραγωγισ υδρογόνου με βάςθ τθν εξίςωςθ υπολογίηεται ςε mol*sec -1. όπου: z ο αρικμόσ των μεταφερόμενων θλεκτρονίων για κάκε μόριο νεροφ που υφίςταται χθμικι μετατροπι (z = 2) F θ ςτακερά του Faraday (F = C kmol -1 ) 241

242 Θ υλοποίθςθ λοιπόν του θλεκτρολφτθ ςτο PSCad φαίνεται ςτο ςχιμα 7.7.2: Σχ

243 Σχ Ραρακάτω ςτον πίνακα παρουςιάηονται οι τιμζσ των μεταβλθτϊν που χρειάςτθκαν για τθν υλοποίθςθ του μοντζλου του θλεκτρολφτθ. 243

244 Στα διαγράμματα που ακολουκοφν μποροφμε να μελετιςουμε 2 πράγματα. Ρρϊτον, με βάςθ το ρεφμα που μασ παρζχεται μποροφμε να δοφμε τθν ποςότθτα υδρογόνου που παράγουν οι θλεκτρολφτεσ που είναι περίπου ςτα 0.4ml. Επιπλζον με βάςθ τθν αρχικι εξίςωςθ μποροφμε να δοφμε πόςθ ενζργεια απαιτείται γι αυτι τθν διάςπαςθ. 244

245 Δεφτερον, μεταβάλλοντασ ςτο 7 ο δευτερόλεπτο τθν ακτινοβολία ςτο ΦΒ πάρκο από 1000W/m 2 ςε 600W/m 2 βλζπουμε τισ επιπτϊςεισ ςτθν παραγωγι υδρογόνου. Σχ

246 7.8) Κυψζλεσ Καυςίμου Τδρογόνου Επειδι δεν υπάρχει ζτοιμο μοντζλο κυψζλθσ καυςίμου ςτθ βιβλιοκικθ του προγράμματοσ PSCad, κα καταςκευάςουμε δικό μασ μοντζλο. Κα ςτθριχκοφμε ςτισ παρακάτω εξιςϊςεισ: Ππου: V Ε Nernst ΔV ohm ΔV act ΔV trans θ τάςθ ςτα άκρα των κυψελϊν καυςίμου κεωρθτικι τάςθ εξόδου των κυψελϊν καυςίμου θ οποία εξαρτάται από τθ κερμοκραςία και από τισ μερικζσ πιζςεισ των ειςόδων Οφείλεται ςτθν αντίςταςθ που αντιμετωπίηουν τα θλεκτρόνια μζςα από το υλικό των θλεκτροδίων και όλων των διαςυνδζςεων Οφείλονται ςτισ αργζσ αντιδράςεισ που γίνονται ςτθν επιφάνεια των θλεκτροδίων Κακϊσ το καφςιμο χρθςιμοποιείται, αλλάηει θ ςυγκζντρωςι του ςτθν επιφάνεια των θλεκτροδίων με αποτζλεςμα να αλλάηει θ τάςθ 246

247 Θ εξίςωςθ για τθν τάςθ Nernst δίνεται παρακάτω: Ππου: F ςτακερά του Faraday (96487 C/mol) R παγκόςμια ςτακερά των αερίων (8314 J/k mol) p είναι οι μερικζσ πιζςεισ T απόλυτθ κερμοκραςία λειτουργίασ (1273Κ) Ν αρικμόσ κυψελϊν καυςίμου που ζχει τεκεί ίςοσ με 314 Ε ο θ θλεκτρεγερτικι δφναμθ που είναι ίςθ με 1.18V 247

248 Οι μερικζσ πιζςεισ των Θ 2, Ο 2 και Θ 2 Ο φαίνονται ςτισ εξιςϊςεισ παρακάτω: 248

249 Το ρεφμα ςτισ παραπάνω εξιςϊςεισ δίνεται από τον τφπο Οι διάφορεσ μεταβλθτζσ που χρθςιμοποιοφνται ςτισ παραπάνω εξιςϊςεισ καταγράφονται παρακάτω: K H2 οι παροχισ υδρογόνου (kmol/s atm)* K O2 οι παροχισ οξυγόνου (2.81 x 10-4 kmol/s atm)* K H2O οι παροχισ νεροφ (2.52 x 10-3 kmol/s atm)* 249

250 τ H2 Χρόνοσ που απαιτείται για τθν ενεργοποιιςθ τθσ βαλβίδασ που ελζγχει τθν ροι υδρογόνου (26.1s) τ O2 Χρόνοσ που απαιτείται για τθν ενεργοποιιςθ τθσ βαλβίδασ που ελζγχει τθν ροι οξυγόνου (2.91s) τ H2O Χρόνοσ που απαιτείται για τθν ενεργοποιιςθ τθσ βαλβίδασ που ελζγχει τθν ροι νεροφ (78.3s) τ e Pref Χρόνοσ που απαιτείται για τθν ενεργοποίθςθ ελζγχου του παραγόμενου ρεφματοσ με βάςθ τθ P ref (0.8s) Ραραγόμενθ ενεργόσ ιςχφσ αναφοράσ (ΜW) *Προςοχι: Ρρζπει να αναφζρουμε εδϊ πωσ θ παροχι υδρογόνου κα ελζγχεται από τουσ θλεκτρολφτεσ που αναλφςαμε ςε προθγοφμενο κεφάλαιο, ενϊ για τισ παροχζσ οξυγόνου και νεροφ κεωροφμε ότι ελζγχονται από εξωτερικοφσ παράγοντεσ γι αυτό και κεωροφνται ςτακερζσ ςτθν προκειμζνθ περίπτωςθ. 250

251 Το μοντζλο των κυψελϊν καυςίμου ςτο PSCad επομζνωσ κα είναι όπωσ ςτο ςχιμα 7.8.1: Σχ

252 Θ ζξοδοσ Vfc οδθγείται ςτθ ςυνζχεια ωσ είςοδοσ ςε ζναν DC/DC μετατροπζα (χ.7.8.2) ϊςτε να ρυκμιςτεί κατάλλθλα ο λόγοσ μεταςχθματιςμοφ του μετατροπζα και να ταυτιςτεί εκ νζου το ςθμείο λειτουργίασ με το ςθμείο μζγιςτθσ ιςχφοσ. Ριο ςυγκεκριμζνα, θ τάςθ Vfc οδθγείται ωσ είςοδοσ ςτο κφκλωμα ελζγχου του DC/DC μετατροπζα, ϊςτε να κακορίηονται κατάλλθλα οι παλμοί ζναυςθσ του διακοπτικοφ ςτοιχείου του μετατροπζα και αυτόσ να λειτουργεί είτε ωσ μετατροπζασ ανφψωςθσ είτε ωσ μετατροπζασ υποβιβαςμοφ τάςθσ. Σχ Θ τάςθ ειςόδου του μετατροπζα είναι θ ςυνολικι τάςθ εξόδου των κυψελϊν καυςίμου, ενϊ θ τάςθ εξόδου του μετατροπζα είναι θ τάςθ ειςόδου του αντιςτροφζα. Το πθνίο χρθςιμεφει για τθ ςτακεροποίθςθ του ρεφματοσ εξόδου. Θ τιμι που παίρνει κακορίηεται μετά από δοκιμζσ προςζχοντασ θ κυμάτωςθ του ρεφματοσ εξόδου του μετατροπζα να μθν ξεπερνά τα προδιαγεγραμμζνα όριά του. Ο πυκνωτισ χρθςιμεφει για τθ ςτακεροποίθςθ τθσ τάςθσ εξόδου. Θ τιμι του προκφπτει ομοίωσ μετά από δοκιμζσ ϊςτε θ κυμάτωςθ τθσ τάςθσ εξόδου του μετατροπζα να μθν ξεπερνά τα προδιαγεγραμμζνα όριά του. 252

253 Το κφκλωμα ελζγχου του μετατροπζα DC/DC, ουςιαςτικά δθλαδι το κφκλωμα ελζγχου του IGBT που περιζχεται ςτον μετατροπζα, φαίνεται ςτο ςχιμα 7.8.3: Σχ Vfc_ref είναι θ ονομαςτικι τάςθ τθν οποία κζλουμε να παρζχει ο μετατροπζασ DC/DC ςτθν ζξοδό του, δθλαδι ςτθν είςοδο του inverter. Στθν είςοδο του ελεγκτι PI ειςζρχεται θ διαφορά μεταξφ τθσ τάςθσ ςτθν ζξοδο τθσ ςυςτοιχίασ (Vfc) και τθσ επικυμθτισ τάςθσ (Vfc_ref). Το ςιμα που παράγει ο PI ελεγκτισ, ςυγκρίνεται με ζνα τριγωνικό ςιμα και ζτςι παράγονται οι παλμοί ζναυςθσ του IGBT 253

254 Το κφκλωμα του τριφαςικοφ αντιςτροφζα που κα χρθςιμοποιιςουμε ςτθν εξομοίωςθ φαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα (τριφαςικι γζφυρα με 6 διακόπτεσ ιςχφοσ): Σχ Τα διακοπτικά ςτοιχεία είναι IGBT που δζχονται παλμοφσ ζναυςθσ και ςβζςθσ με τθ μζκοδο PWM (διαμόρφωςθ εφρουσ παλμοφ), από μια κατάλλθλθ μονάδα παλμοδότθςθσ. Με τθ χριςθ IGBT και όχι thyristor, πετυχαίνουμε και ελεγχόμενθ αποκοπι (εκτόσ από ελεγχόμενθ ζναυςθ) με τθν εφαρμογι ενόσ ςιματοσ ελζγχου ςτθν πφλθ του. Ο πυκνωτισ χρειάηεται ςτθν πλευρά τθσ dc ειςόδου για να απομονϊςει τθ ςυςτοιχία από τισ μεταβαλλόμενεσ τάςεισ που παράγονται κατά τθ λειτουργία των διακοπτϊν. Οι δίοδοι τοποκετοφνται γιατί όταν το φορτίο δεν είναι απλά ωμικό, αλλά περιζχει και ςτοιχεία που αποκθκεφουν ενζργεια (L, C), το ρεφμα φορτίου δεν αλλάηει πολικότθτα ςυγχρόνωσ με τθν τάςθ φορτίου. Ζτςι, οι δίοδοι επιτρζπουν ςτο ρεφμα να ςυνεχίςει να ρζει (μζχρι να μθδενιςτεί) με τθν φορά που είχε, ακόμθ και μετά το ςβιςιμο των αντίςτοιχων διακοπτικϊν ςτοιχείων. 254

255 Ζνα απλό κφκλωμα μονάδασ παλμοδότθςθσ που ςχεδιάςαμε ςτο PSCAD, παρουςιάηεται ςτο παρακάτω ςχιμα 7.8.5: Σχ Στθν αριςτερι πλευρά παρατθροφμε τθ δθμιουργία τθσ κυματομορφισ αναφοράσ, θ οποία ζχει θμιτονοειδι μορφι. Συγκεκριμζνα, δθμιουργοφνται 3 τζτοιεσ κυματομορφζσ, μετατοπιςμζνεσ κατά 120 ο μεταξφ τουσ. Στθν κορυφι του ςχιματοσ παρατθροφμε τθ δθμιουργία τθσ τριγωνικθσ κυματομορφισ, θ οποία ζχει το ρόλο του φορζα. Σε κάκε comparator (ςυγκριτισ) γίνεται θ ςφγκριςθ μεταξφ των δφο κυματομορφϊν που προαναφζραμε. Στα ςθμεία όπου θ κυματομορφι αναφοράσ > τριγωνικι κυματομορφι, παράγεται παλμόσ ζναυςθσ (π.χ. για τουσ παλμοφσ g1 του διακοπτικοφ ςτοιχείου «1»). 255

256 Στα ακόλουκα ςχιματα γίνονται φανερά όςα αναφζραμε παραπάνω (Σχ.7.8.6, 7.8.7, 7.8.8): Σχ.7.8.6: Κυματομορφζσ αναφοράσ (παρουςιάηεται με διαφορετικό χρϊμα κακεμία από τισ 3 θμιτονοειδείσ κυματομορφζσ) Σχ.7.8.7: Τριγωνικι κυματομορφι (φορζασ) ςυχνότθτασ 2500Hz Σχ.7.8.8: Σφγκριςθ τριγϊνου με αντίςτοιχο θμίτονο και παραγωγι των παλμϊν ζναυςθσ g1 256

257 Το μοντζλο για τθν παραγωγι ιςχφοσ μζςω υδρογόνου ολοκλθρϊνεται παρακάτω (Σχ.7.8.9): Σχ Mετά από μία ςειρά δοκιμϊν καταλιγουμε ςτθν επιλογι πθνίου 0.2mH και πυκνωτι 25μF για το φίλτρο μασ. Ρρζπει επίςθσ να ςθμειϊςουμε ότι κα ςυμπλθρϊςουμε το ςχιμα με τθν τοποκζτθςθ ςε ςειρά με κάκε πθνίο μίασ αντίςταςθσ 0.001Ohm ϊςτε να ζχουμε απόςβεςθ ςε περίπτωςθ ςυντονιςμοφ. 257

258 Στο ςχιμα που ακολουκεί (Σχ ) παρατθροφμε τθν τελικι μορφι που ζχει το φίλτρο που τοποκετοφμε ςτθν ζξοδο του αντιςτροφζα. Σχ Ραρακάτω ςτα διαγράμματα (Σχ ) βλζπουμε διάφορα μεγζκθ ςτθν ζξοδο του ςυςτιματοσ παραγωγισ ιςχφοσ από υδρογόνο κακϊσ και το πωσ επθρεάηονται από τθν μεταβολι τθσ ακτινοβολίασ του ιλιου που προςπίπτει πάνω ςτθ ΦΒ ςυςτοιχία. 258

259 Σχ

260 Σχ

261 7.9) Μεταςχθματιςτζσ Στο ςφςτθμα χρθςιμοποιικθκαν 5 μεταςχθματιςτζσ Δ-Υ όπωσ φαίνονται ςτο ςχιμα Είναι ιςχφοσ 5MVA και χρθςιμοποιικθκαν για να ανυψϊςουν τθν τάςθ των ςυςτθμάτων ςτα 20kV τθσ γραμμισ μεταφοράσ. Τζλοσ, μετά το τζλοσ των γραμμϊν μεταφοράσ υπάρχουν άλλοι 5 μεταςχθματιςτζσ Υ-Δ όπωσ φαίνονται ςτο ςχιμα και ςκοπόσ τουσ είναι να υποβιβάςουν τθν τάςθ από τα 20kV ςτα 400V του ηυγοφ. Σχ Σχ ) Γραμμι Μεταφοράσ Στο μοντζλο χρθςιμοποιικθκαν 5 γραμμζσ μεταφοράσ, μία για κάκε υποςφςτθμα και αναπαραςτικθκαν με το π- ιςοδφναμο που φαίνεται ςτο Σχ όπωσ και τα επιμζρουσ χαρακτθριςτικά τθσ παρακάτω. Το μικοσ των γραμμϊν μεταφοράσ κεωρικθκε 10km. Σχ

262 7.11)Φορτία Δικτφου Για τθν προςομοίωςθ των δφο φορτίων ζνα για το κεντρικό ςφςτθμα ςτα 9.5/3 MW/MVar και ζνα για το δευτερεφον του υδρογόνου ςτα 1.5/0.3 MW/MVar επιλζχκθκαν από τθν βιβλιοκικθ του PSCad τα φορτία που φαίνονται ςτα ςχιματα που ακολουκοφν. Θ τάςθ που κα ζχουν ςτα άκρα τουσ τα δφο φορτία κα είναι αυτι των ηυγϊν, δθλαδι 400V. Σχ ) Πυκνωτισ Αντιςτάκμιςθσ Στο κεντρικό ςφςτθμα ζχει ςυνδεκει ςτο ηυγό των 400V και ζνασ πυκνωτισ αντιςτάκμιςθσ (Σχ ) ϊςτε να επιτυγχάνεται θ παροχι τθσ απαιτοφμενθσ αζργου ιςχφοσ ςτο δίκτυο για τθν αντιςτάκμιςθ τθσ αζργου ιςχφοσ του φορτίου. Ο πυκνωτισ αντιςτάκμιςθσ που χρθςιμοποιικθκε παρουςιάηεται ςτο ςχιμα που ακολουκεί. Σχ

263 Κεφάλαιο 8: ΜΕΛΕΣΗ ΤΣΗΜΑΣΟ ΣΗΝ ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΣΑΣΑΗ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΑ 8.1) Αυτόνομο Τβριδικό φςτθμα Στθν ενότθτα αυτι κα γίνει θ παρουςίαςθ των αποτελεςμάτων, του προγράμματοσ μοντελοποίθςθσ, για το κεντρικό αυτόνομο υβριδικό ςφςτθμα ςτθν μόνιμθ κατάςταςθ λειτουργίασ. Στο ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων του ρεφματοσ του πρωτεφοντοσ φορτίου: Σχ Θ τιμι I Lrms = =14kA 263

264 Στο ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων τθσ τάςθσ του φορτίου: Σχ Θ τιμι V Lrms = =0.23kV Στο παρακάτω ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ τθσ ενεργοφ και τθσ αζργου ιςχφοσ του πρωτεφοντοσ φορτίου και όπωσ φαίνεται από τισ τιμζσ επαλθκεφονται οι αρχικζσ τιμζσ 9.5 MW /3 MVar: Σχ

265 Στθ ςυνζχεια παρουςιάηεται (Σχ.8.1.4) θ διακφμανςθ του ςυντελεςτι ιςχυόσ cosφ κακϊσ και θ διάταξθ μζτρθςισ του. Λςχφει cosφ= V L - I L. Σχ Ραρατθροφμε ότι θ διακφμανςθ του ςυντελεςτι ιςχφοσ cosφ κυμαίνεται ςτο το οποίο είναι μζςα ςτο όριο

266 Θ διακφμανςθ τθσ πολικισ τάςθσ του ηυγοφ των 400V πάνω ςτον οποίο είναι ςυνδεδεμζνο το πρωτεφον φορτίο φαίνεται ςτο ςχιμα 8.1.5: Σχ Τζλοσ, παρουςιάηεται θ διάταξθ και κυματομορφι τθσ ςυχνότθτασ f του δικτφου ςτο ςχιμα Σχ

267 Θ ςυχνότθτα του δικτφου κυμαίνεται από 50.07Hz ζωσ Hz. Αυτι θ διαταραχι ςυμβαίνει ςτο 2 ο δευτερόλεπτο γιατί τότε απελευκερϊνεται ο δρομζασ των τριϊν ςφγχρονων γεννθτριϊν με βάςθ τθν εντολι L2N και οι μθχανζσ μεταβαίνουν από πθγζσ ςε ςφγχρονεσ γεννιτριεσ. 8.2) Ανεμογεννιτρια Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ που παράγει θ ανεμογεννιτρια και τροφοδοτεί το δίκτυο φαίνονται ςτο ςχιμα 8.2.1: Σχ Θ ενεργόσ ιςχφσ είναι 2MW και θ άεργοσ 0.3MVar. Στθ ςυνζχεια (Σχ.8.2.2) γίνεται παρουςίαςθ των διαγραμμάτων των ροπϊν τθσ ανεμογεννιτριασ και ςυγκεκριμζνα τθσ μθχανικισ ροπισ (Tm) και τθσ θλεκτρικισ ροπισ (Te), όπωσ και τθσ αποδιδόμενθσ μθχανικισ ροπισ του ανεμοκινθτιρα (Tturbine). Τζλοσ, παρουςιάηονται τα διαγράμματα των ςτροφϊν τθσ γεννιτριασ, τθσ ταχφτθτασ του ανζμου και τθσ γωνίασ των πτερυγίων. 267

268 Σχ

269 Τζλοσ, ςτο ςχιμα φαίνονται οι κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων τθσ τάςθσ εξόδου τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ που ακολουκοφν τθν κυματομορφι τθσ τάςθσ του ηυγοφ. 8.3) Γεννιτρια Φυςικοφ Αερίου Σχ Αρχικά,ςτο ςχιμα παρουςιάηουμε τισ κυματομορφζσ τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ τθσ γεννιτριασ Φυςικοφ Αερίου που προςφζρονται ςτο δίκτυο. Υπό το φορτίο 9.5 MW /3 MVar θ μθχανι παρζχει 3 MW /0.8 MVar. Ακόμθ απεικονίηονται οι κυματομορφζσ τθσ μθχανικισ και θλεκτρικισ ροπισ τθσ γεννιτριασ. 269

270 Σχ Στο ςχιμα παρουςιάηεται θ θλεκτρικι ροπι που παράγει θ ςφγχρονθ μθχανι. Βλζπουμε ςτο 2 ο δευτερόλεπτο μία διαταραχι που διαρκεί 2.5 δευτερόλεπτα και οφείλεται ςτθν μετάβαςθ τθσ μθχανισ από πθγι ςε ςφγχρονθ γεννιτρια. Σχ

271 Τζλοσ, ςτο ςχιμα φαίνονται οι κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων τθσ τάςθσ εξόδου τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ που ακολουκοφν τθν κυματομορφι τθσ τάςθσ του ηυγοφ. 8.4) Γεννιτρια με βιομάηα Σχ Αρχικά,ςτο ςχιμα παρουςιάηουμε τισ κυματομορφζσ τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ τθσ γεννιτριασ Φυςικοφ Αερίου που προςφζρονται ςτο δίκτυο. Υπό το φορτίο 9.5 MW/3 MVar θ μθχανι παρζχει 3 MW/0.6 MVar. Ακόμθ απεικονίηονται οι κυματομορφζσ τθσ μθχανικισ και θλεκτρικισ ροπισ τθσ γεννιτριασ. 271

272 Σχ Στο ςχιμα παρουςιάηεται θ θλεκτρικι ροπι που παράγει θ ςφγχρονθ μθχανι. Βλζπουμε ςτο 2 ο δευτερόλεπτο μία διαταραχι που διαρκεί 2.5 δευτερόλεπτα και οφείλεται ςτθν μετάβαςθ τθσ μθχανισ από πθγι ςε ςφγχρονθ γεννιτρια. Σχ

273 Τζλοσ, ςτο ςχιμα φαίνονται οι κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων τθσ τάςθσ εξόδου τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ που ακολουκοφν τθν κυματομορφι τθσ τάςθσ του ηυγοφ. 8.5) Φωτοβολταϊκό Πάρκο Σχ Θ ονομαςτικι ιςχφσ που παρζχει το ΦΒ πάρκο ςτο πρωτεφον φορτίο μζςω του ηυγοφ των 400V όταν λειτουργεί ταυτόχρονα και θ ςυςτοιχία κυψελϊν καυςίμου υδρογόνου είναι 1.5MW όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα Σχ

274 Από τα αποτελζςματα τθσ προςομοίωςθσ φαίνεται πωσ το ΦΒ πάρκο απορροφά τθν άεργο ιςχφ που παράγουν οι ανεμογεννιτρια, θ ςφγχρονθ μθχανι φυςικοφ αερίου και θ γεννιτρια βιομάηασ. Ριο ςυγκεκριμζνα, ( )MVar = 1.7MVar. Θ τάςθ και των τριϊν φάςεων φαίνεται ςτο ςχιμα 8.5.2: Σχ Και θ μεταβολι τθσ ακτινοβολίασ του θλίου κακ όλθ τθν διάρκεια του πειράματοσ ςτο ςχιμα Σχ

275 8.6) Κυψζλεσ Καυςίμου Τδρογόνου Ππωσ αναφζραμε και ςε προθγοφμενο κεφάλαιο 0.5MW από τθν παραγόμενθ ενεργό ιςχφ του ΦΒ πάρκου απαιτείται για τθν παραγωγι υδρογόνου και ζπειτα τθν παραγωγι ενζργειασ για τθν κάλυψθ ενόσ δευτερεφοντοσ φορτίου ιςχφοσ 1.5MW. Κεωροφμε επίςθσ πωσ το δευτερεφον φορτίο είναι κακαρά ωμικό και θ παραγωγι αζργου ιςχφοσ είναι 0 όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα Σχ Ραρακάτω παρουςιάηονται τα διαγράμματα του ρεφματοσ και τθσ τάςθσ DC μεγζκθ- που επικρατοφν ςτα άκρα των θλεκτρολυτϊν, όπωσ επίςθσ και το διάγραμμα παραγωγισ Θ 2 (Σχ.8.6.2). 275

276 Σχ

277 Ραρατθροφμε και ςτα τζςςερα διαγράμματα για τα μεγζκθ P el, V el, I el και l H2 πωσ θ διαταραχι ςτο 2 ο δευτερόλεπτο, που οφειλζται ςτθν μετάβαςθ των τριϊν μθχανϊν από πθγζσ ςε ςφγχρονεσ γεννιτριεσ, φκίνει όπωσ και ςτα υπόλοιπα ςυςτιματα ςτα επόμενα 2 δευτερόλεπτα. Τζλοσ, βλζπουμε τισ κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων τθσ τάςθσ ςτα άκρα των κυψελϊν καυςίμου (Σχ.8.6.3). Σχ

278 8.7) Δευτερζυον Φορτίο Στο ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων του ρεφματοσ του φορτίου I L2. Σχ I L2rms = =2.2kA Στο ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ των τριϊν φάςεων τθσ τάςθσ του VL2. Επειδι το δευτερεφον φορτίο είναι απευκείασ ςυνδεδεμζνο ςτθν ζξοδο του μεταςχθματιςτι που υποβιβάηει τθν τάςθ ςτα 400V(rms), τότε και θ φαςικι τάςθ ςτα άκρα του φορτίου κα είναι 230V(rms). 278

279 Σχ VL2rms = =0.23kV Στο παρακάτω ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ του δευτερεφοντοσ φορτίου. Σχ

280 Στθ ςυνζχεια παρουςιάηεται θ διακφμανςθ του ςυντελεςτι ιςχυόσ cosφ κακϊσ και θ διάταξθ μζτρθςισ του (8.7.4). Λςχφει cosφ= V L - I L. Σχ Ραρατθροφμε ότι θ τιμι του ςυντελεςτι ιςχφοσ cosφ είναι ςτο 1 (κακαρά ωμικό φορτίο) το οποίο δικαιολογείται αφοφ θ αζργοσ ιςχφσ του φορτίου είναι 0. Θ διακφμανςθ τθσ πολικισ τάςθσ του ηυγοφ των 400V πάνω ςτον οποίο είναι ςυνδεδεμζνο το δευτερεφον φορτίο φαίνεται ςτο ςχιμα 8.7.5: Σχ

281 Τζλοσ, παρουςιάηεται θ διάταξθ και κυματομορφι τθσ ςυχνότθτασ f του δικτφου (Σχ.8.7.6). Σχ

282 Κεφάλαιο 9:ΜΕΛΕΣΗ ΤΣΗΜΑΣΟ Ε ΔΙΑΣΑΡΑΧΕ 9.1) Ειςαγωγι Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται θ μελζτθ τθσ ςυμπεριφοράσ του αυτόνομου υβριδικοφ ςυςτιματοσ ςε δφο ειδϊν μεταβατικά φαινόμενα. Το πρϊτο είδοσ αναφζρεται ςτθν μελζτθ του ςυςτιματοσ ςτθν περίπτωςθ που κάποιο υποςφςτθμα αποςυνδεκεί απότομα. Στο δεφτερο είδοσ κα μελετιςουμε τθν ςυμπεριφορά του ςυςτιματοσ ςε περίπτωςθ κάποιου τριφαςικοφ βραχυκυκλϊματοσ ςτθν ςφγχρονθ γεννιτρια ενόσ υποςυςτιματοσ. 9.2) Βραχυκφκλωμα των τριϊν φάςεων ωσ προσ τθν γθ ςτο ηυγό τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ του υποςυςτιματοσ του φυςικοφ αερίου Περιγραφι Μεταβατικοφ Φαινομζνου Στθν παροφςα ενότθτα κα μελετθκεί θ ςυμπεριφορά του ςυςτιματοσ ςτθν περίπτωςθ τριφαςικοφ βραχυκυκλϊματοσ. Το βραχυκφκλωμα εμφανίηεται ακριβϊσ μετά τθν γεννιτρια φυςικοφ αερίου και ςτισ τρεισ φάςεισ του κυκλϊματοσ. Θ διάρκεια του βραχυκυκλϊματοσ είναι 1sec και ςυμβαίνει τθ ςτιγμι t=9sec. Τα τυπικά χαρακτθριςτικά του βραχυκυκλϊματοσ ςτο περιβάλλον προςομοίωςθσ φαίνονται ςτθν εικόνα παρακάτω (Σχ.9.2.1): 282

283 Σχ Για να προςομοιϊςουμε το τριφαςικό βραχυκφκλωμα χρθςιμοποιοφμε το μοντζλο του βραχυκυκλϊματοσ που υπάρχει ςτο πρόγραμμα ςτθν βιβλιοκικθ *Breakers_Faults+ και ρυκμίηουμε τα τυπικά χαρακτθριςτικά του όπωσ ςτο ςχιμα. 283

284 9.2.1) Περιγραφι υμπεριφοράσ Αυτόνομου υςτιματοσ Για να περιγράψουμε τθν μεταβατικι ςυμπεριφορά τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ προςεγγίηουμε το μεταβαλλόμενο ρεφμα με τρία διακριτά επίπεδα ρεφματοσ: το υπομεταβατικό, το μεταβατικό και το ρεφμα μόνιμθσ κατάςταςθσ. Οι χρονικζσ περίοδοι που ςχετίηονται με αυτά τα ρεφματα αναφζρονται ωσ υπομεταβατικι, μεταβατικι και περίοδοσ μόνιμθσ κατάςταςθσ. Στισ περιςςότερεσ μθχανζσ, θ υπομεταβατικι περίοδοσ εκτείνεται από 0-0.1sec μετά τθ διαταραχι, θ μεταβατικι περίοδοσ από 0.1-6sec, ενϊ θ μόνιμθ κατάςταςθ, όπου όλα τα μεταβατικά φαινόμενα ζχουν παρζλκει, αποκακίςταται ςε περιςςότερο από 6sec μετά το βραχυκφκλωμα. Θ ενεργόσ τιμι (rms) του ρεφματοσ βραχυκυκλϊςεωσ για τθν υπομεταβατικι περίοδο προκφπτει από το ςχιμα : Λ max = =123.7kA Σχ

285 Τθ χρονικι ςτιγμι που επιβάλλεται το βραχυκφκλωμα ςτο δίκτυο (μζςω ενόσ γειωτι με πολφ μικρι τιμι αντίςταςθσ γείωςθσ) θ τάςθ εξόδου τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ αποκτά το δυναμικό τθσ γθσ, δθλαδι πρακτικά μθδενίηεται. Το φαινόμενο επεκτείνεται ς όλο το δίκτυο με τθ μορφι τθσ ςτιγμιαίασ βφκιςθσ τάςθσ. Αυτι θ βφκιςθ τθσ τάςθσ παρουςιάηεται και ςτο πρακάτω ςχιμα που δείχνει τθν τάςθ του φορτίου V L. Σχ Το φαινόμενο επεκτείνεται ςε όλο το δίκτυο με τθ μορφι τθσ ςτιγμιαίασ βφκιςθσ τάςθσ θ τιμι τθσ οποίασ διαφοροποιείται ςτα διάφορα ςθμεία του δικτφου ανάλογα και με τθν πτϊςθ τάςθσ που οφείλεται ςτθ ςφνκετθ αντίςταςθ που ειςάγουν τα ςτοιχεία του δικτφου. Ράντωσ όπωσ είναι φυςικό θ μεγαλφτερθ πτϊςθ τάςθσ παρατθρείται ςτο ηυγό που επιβάλλεται το βραχυκφκλωμα. Αφοφ ζχουμε βφκιςθ τθσ τάςθσ και πτϊςθ του ρεφματοσ του φορτίου κατά τθ διάρκεια του βραχυκυκλϊματοσ κα ζχουμε και πτϊςεισ τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ, με τισ οποίεσ τροφοδοτείται το φορτίο από το ςφςτθμα. Αυτζσ οι πτϊςεισ παρουςιάηονται ςτο παρακάτω ςχιμα

286 Σχ Κατά τθ διάρκεια του μεταβατικοφ φαινομζνου παρατθρείται μία μεγάλθ μεταβολι του ςυντελεςτι ιςχφοσ, μετά το πζρασ όμωσ του φαινομζνου επανζρχεται ςτισ αρχικζσ του τιμζσ (Σχ ). Σχ

287 Θ τάςθ V rms του φορτίου παρουςιάηει μία μεγάλθ πτϊςθ κατά τθ διάρκεια του βραχυκυκλϊματοσ, ςτθ ςυνζχεια όμωσ με τθν βοικεια των ρυκμιςτϊν τάςθσ των ςφγχρονων μθχανϊν επανζρχεται ςτο αρχικό επίπεδο (Σχ ). Σχ Θ διακφμανςθ τθσ ςυχνότθτασ τθ ςτιγμι t=9sec που ςυμβαίνει το τριφαςικό βραχυκφκλωμα φαίνεται ςτο παρακάτω διάγραμμα Σχ

288 9.2.2) υμπεριφορά Γεννιτριασ Φυςικοφ Αερίου Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ που αποδίδει ςτο κοινό ηυγό θ γεννιτρια φυςικοφ αερίου παρουςιάηεται παρακάτω ςτο ςχιμα Σχ Θ τάςθ ςτθν ζξοδο του υποςυςτιματοσ τθσ γεννιτριασ φυςικοφ αερίου ακολουκεί τθν βφκιςθ τθσ τάςθσ του κοινοφ ηυγοφ (Σχ ). Σχ

289 Ραρακάτω φαίνονται τα διαγράμματα τθσ μθχανικισ και θλεκτρικισ ροπισ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ (Σχ ). Σχ Σε αντίκεςθ με το ςχιμα θ ενεργόσ ιςχφσ εξόδου τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ (πριν το τριφαςικό βραχυκφκλωμα) παρουςιάηει αφξθςθ και αυτο δικαιολογείται και γραφικά από τθν απότομθ αφξθςθ τθσ μθχανικισ και θλεκτρικισ ροπισ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ. 289

290 9.2.3) υμπεριφορά ανεμογεννιτριασ Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ τθσ ανεμογεννιτριασ φαίνονται ςτο επόμενο ςχιμα Σχ Αυτι θ διαταραχι ςτθν ενεργό και άεργο ιςχφ επιβεβαιϊνεται και από τθν διαταραχι ςτθν θλεκτρικι ροπι τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ και τθν διαταραχι ςτον αρικμό των ςτροφϊν του δρομζα τθσ μθχανισ,που παρουςιάηονται ςτο ςχιμα Σχ Θ αφξθςθ των ρευμάτων ςτο ςτάτθ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ ζχει ςαν ςυνζπεια τθν αφξθςθ τθσ αζργου ιςχφοσ που αποδίδει ςτο δίκτυο. 290

291 9.2.4) υμπεριφορά Γεννιτριασ Βιομάηασ Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ τθσ γεννιτριασ με βιομάηα φαίνονται ςτο επόμενο ςχιμα Σχ Ραρατθρείται ότι θ γεννιτρια με βιομάηα ςυμμετζχει ςτο μεταβατικό φαινόμενο παρουςιάηοντασ ςτιγμιαία μείωςθ και ςτισ δφο τιμζσ τθσ ιςχφοσ αλλά με τθν πάροδο του χρόνου επανζρχεται ςτισ τιμζσ που απζδιδε πριν το βραχυκφκλωμα. Αυτι θ μείωςθ ςτθν ενεργό και άεργο ιςχφ επιβεβαιϊνεται και από τθν μείωςθ ςτθν θλεκτρικι ροπι τθσ ςφγχρονθσ μθχανισ και τθν μείωςθ ςτθν μθχανικι ροπι και επαναφορά ςτισ αρχικζσ τιμζσ τουσ μετά το τζλοσ του μεταβατικοφ φαινομζνου. Αυτό παρουςιάηεται ςτο ακόλουκο ςχιμα

292 Σχ Θ μείωςθ των ρευμάτων ςτο ςτάτθ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ ζχει ςαν ςυνζπεια τθν μείωςθ τθσ αζργου ιςχφοσ που αποδίδει ςτο δίκτυο. 292

293 9.2.5) υμπεριφορά Φωτοβολταϊκοφ Πάρκου Το ΦΒ πάρκο ακολουκεί τθν πορεία του μεταβατικοφ φαινομζνου παρουςιάηοντασ μία ςτιγμιαία πτϊςθ τθσ ενεργοφ ιςχφοσ και μία αφξθςθ τθσ αζργου ιςχφοσ. Οι μεταβολζσ αυτζσ φαίνονται παρακάτω ςτο ςχιμα Σχ Θ τάςθ ςτθν ζξοδο του υποςυςτιματοσ τθσ φωτοβολταϊκοφ πάρκου ακολουκεί τθν βφκιςθ τθσ τάςθσ του κοινοφ ηυγοφ (Σχ ). Σχ

294 9.2.6) υμπεριφορά Κυψελϊν Καυςίμου Τδρογόνου Λόγω του βραχυκυκλϊματοσ και τθν αφξθςθ τθσ αζργου ιςχφοσ ςτο ΦΒ πάρκο ςυνεπάγεται και μείωςθ ςτο ρεφμα που παράγει θ ςυςτοιχία και ωσ ςυνζπεια το ρεφμα που διαρρζει τουσ θλεκτρολφτεσ όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα Σχ Κάτι τζτοιο όπωσ ζχουμε εξθγιςει κα ζχει ςυνζπειεσ και ςτθν παραγωγι υδρογόνου. Θ μείωςθ όμωσ που παρατθρείται ςτθν παραγωγι λόγω του τριφαςικοφ βραχυκυκλϊματοσ είναι παροδικι και διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα όπωσ φαίνεται παρακάτω ςτο ςχιμα Σχ

295 Ραρακάτω φαίνεται ςτα διαγράμματα τθσ ιςχφοσ και των φαςικϊν τιμϊν τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ του φορτίου που εξυπθρετοφν οι κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου ( ). Σχ

296 Βλζπουμε πωσ θ μείωςθ ςτθν παραγωγι υδρογόνου προκαλεί μείωςθ ςτθν ενεργό ιςχφ του δευτερεφοντοσ φορτίου. Θ άεργοσ παραμζνει 0 αφοφ το φορτίο είναι κακαρά ωμικό. Κάτι τζτοιο δικαιολογεί και τον ςυντελεςτι ιςχφοσ που παραμζνει 1 (Σχ ). Σχ Θ διακφμανςθ τθσ ςυχνότθτασ ςτο δευτερεφον φορτίο τθ ςτιγμι t=9sec που ςυμβαίνει το τριφαςικό βραχυκφκλωμα φαίνεται ςτο παρακάτω διάγραμμα (Σχ ). Σχ

297 9.3) υμπεριφορά υςτιματοσ ςε Απότομθ Αποςφνδεςθ τθσ Ανεμογεννιτριασ Περιγραφι του μεταβατικοφ φαινομζνου Σε απότομεσ αυξιςεισ τθσ ταχφτθτασ του ανζμου, θ ανεμογεννιτρια αποςυνδζεται από το δίκτυο για λόγουσ προςταςίασ από υπερβολικι επιτάχυνςθ. Επίςθσ αποςφνδεςθ μπορεί να ζχουμε και λόγω ζλλειψθσ ανζμου. Θ αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ ςτο πρόγραμμα μοντελοποίθςθσ μπορεί να γίνει είτε με χειροκίνθτο τρόπο είτε με τθν επιλογι ςυγκεκριμζνθσ χρονικισ ςτιγμισ, χρθςιμοποιϊντασ ζναν χρονοδιακόπτθ. Οι διατάξεισ και για τουσ δφο τρόπουσ παρουςιάηονται ςτο ςχιμα Στθ ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ ζχει επιλεχκεί ςαν χρονικι ςτιγμι αποςφνδεςθσ t=12sec. Σχ

298 Το ςφςτθμα που εξετάηεται παραμζνει το ίδιο με αυτό που μελετιςαμε ςτα προθγοφμενα κεφάλαια ) υμπεριφορά Αυτόνομου Τβριδικοφ υςτιματοσ Στο ςχιμα παρουςιάηονται τα διαγράμματα τθσ ενεργοφσ και αζργου ιςχφοσ του πρωτεφοντοσ φορτίου. Σχ Ραρατθροφμε πωσ θ ενεργόσ ιςχφσ του φορτίου μειϊνεται ελάχιςτα μζτα τθν αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ(μόλισ κατά 0.05MW). Αυτό ςυμβαίνει γιατί ζχουμε απότομθ αφξθςθ του φορτίου των ςφγχρονων γεννθτριϊν των υποςυςτθμάτων φυςικοφ αερίου και βιομάηασ. 298

299 Στα ςχιματα που ακολουκοφν (Σχ ) βλζπουμε τισ κυματομορφζσ των φάςεων τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ του φορτίου. Σχ

300 Στο ςχιμα παρουςιάηεται θ ςυχνότθτα f κατά τθν αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ. Σχ Στο παρακάτω ςχιμα παρουςιάηεται ο ςυντελεςτισ ιςχφοσ cosφ. Σχ Από το ςχιμα φαίνεται πωσ το ςυνθμίτονο του δικτφου παραμζνει μετά το μεταβατικό φαινόμενο ςτισ ίδιεσ πολφ ικανοποιθτικζσ τιμζσ, με μία ελάχιςτα μεγαλφτερθ διακφμανςθ. 300

301 9.3.2) υμπεριφορά Γεννιτριασ Φυςικοφ Αερίου Θ βεβιαςμζνθ ζξοδοσ τθσ ανεμογεννιτριασ από το δίκτυο δθμιουργεί επιπλζον φόρτιςθ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ του υποςυςτιματοσ του φυςικοφ αερίου επθρεάηοντασ ζτςι τθν τάςθ και τθν ςυχνότθτα τουσ. Σε ότι αφορά τθν ενεργό ιςχφ που καλφπτει θ ςφγχρονθ γεννιτρια, μπορεί να κεωρθκεί, ότι θ απόρριψθ φορτίου τθσ ανεμογεννιτριασ ιςοδυναμεί με απότομθ αφξθςθ του φορτίου τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ του υποςυςτιματοσ φυςικοφ αερίου. Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ φαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα Ζτςι, ςτθν περίπτωςθ τθσ απότομθσ αποςφνδεςθσ τθσ ανεμογεννιτριασ το υποςφςτθμα φυςικοφ αερίου καλφπτει το φορτίο που μζχρι τθ ςτιγμι τθσ αποςφνδεςθσ τθσ ανεμογεννιτριασ καλυπτόταν από αυτιν. Σχ Αυτό βζβαια γίνεται με τθν κατάλλθλθ ρφκμιςθ τθσ μθχανικισ ροπισ που εφαρμόηεται ςτον άξονα των ςφχρονων γεννθτριϊν, κάτι που εφαρμόηεται άμεςα με ρφκμιςθ τθσ παροχισ καυςίμου ςτον κινθτιρα φυςικοφ αερίου. 301

302 Με τθν αφξθςθ τθσ κατανάλωςθσ καυςίμου θ ςφγχρονθ γεννιτρια αποδίδει περιςςότερθ ενεργό ιςχφ και καλφπτει ζτςι μζροσ τθσ ενεργοφ ιςχφοσ που απζδιδε ςτο δίκτυο θ ανεμογεννιτρια μζχρι τθ ςτιγμι τθσ αποςφνδεςισ τθσ από αυτό.θ μθχανικλι ροπι φαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα Σχ Στο ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ των φάςεων τθσ τάςθσ εξόδου τθσ γεννιτριασ φυςικοφ αερίου. Ραρατθροφμε ότι μετά τθν αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ ζχουμε μία μικρι τθσ πτϊςθ τάςθσ. Σχ

303 Θ ζλλειψθ ςε ενεργό ιςχφ είναι μεγαλφτερθ από τθν ζλλειψθ ςε άεργο ιςχφ. Επομζνωσ θ αφξθςθ τθσ ενεργοφ ςυνιςτϊςασ του ρεφματοσ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ είναι μεγαλφτερθ από τθν αφξθςθ τθσ αζργου, γεγονόσ που προκαλεί αφξθςθ του ρεφματοσ ςτο ςτάτθ τθσ και άρα μία πτϊςθ τάςθσ ςτθν ζξοδό τθσ ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Βιομάηασ Θ βεβιαςμζνθ ζξοδοσ τθσ ανεμογεννιτριασ από το δίκτυο δθμιουργεί επιπλζον φόρτιςθ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ του υποςυςτιματοσ τθσ βιομάηασ επθρεάηοντασ ζτςι τθν τάςθ και τθν ςυχνότθτα τουσ. Σε ότι αφορά τθν ενεργό ιςχφ που καλφπτει θ ςφγχρονθ γεννιτρια, μπορεί να κεωρθκεί, ότι θ απόρριψθ φορτίου τθσ ανεμογεννιτριασ ιςοδυναμεί με απότομθ αφξθςθ του φορτίου τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ του υποςυςτιματοσ βιομάηασ. Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ φαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα Ζτςι, ςτθν περίπτωςθ τθσ απότομθσ αποςφνδεςθσ τθσ ανεμογεννιτριασ το υποςφςτθμα βιομάηασ καλφπτει μαηί με το υποςφςτθμα φυςικοφ αερίου όπωσ είδαμε παραπάνω το φορτίο που μζχρι τθ ςτιγμι τθσ αποςφνδεςθσ τθσ ανεμογεννιτριασ καλυπτόταν από αυτιν. Σχ

304 Αυτό βζβαια γίνεται με τθν κατάλλθλθ ρφκμιςθ τθσ μθχανικισ ροπισ που εφαρμόηεται ςτον άξονα των ςφχρονων γεννθτριϊν, κάτι που εφαρμόηεται άμεςα με ρφκμιςθ τθσ παροχισ καυςίμου ςτον κινθτιρα βιομάηασ. Με τθν αφξθςθ τθσ κατανάλωςθσ καυςίμου θ ςφγχρονθ γεννιτρια αποδίδει περιςςότερθ ενεργό ιςχφ και καλφπτει ζτςι μζροσ τθσ ενεργοφ ιςχφοσ που απζδιδε ςτο δίκτυο θ ανεμογεννιτρια μζχρι τθ ςτιγμι τθσ αποςφνδεςισ τθσ από αυτό.θ μθχανικι και θλεκτρικι ροπι παρουςιάηονται ςτο ςχιμα Σχ

305 Στο ςχιμα παρουςιάηονται οι κυματομορφζσ των φάςεων τθσ τάςθσ εξόδου τθσ γεννιτριασ βιομάηασ. Ραρατθροφμε ότι μετά τθν αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ ζχουμε μία μικρι τθσ πτϊςθ τάςθσ. Σχ Θ ζλλειψθ ςε ενεργό ιςχφ είναι μεγαλφτερθ από τθν ζλλειψθ ςε άεργο ιςχφ. Επομζνωσ θ αφξθςθ τθσ ενεργοφ ςυνιςτϊςασ του ρεφματοσ τθσ ςφγχρονθσ γεννιτριασ είναι μεγαλφτερθ από τθν αφξθςθ τθσ αζργου, γεγονόσ που προκαλεί αφξθςθ του ρεφματοσ ςτο ςτάτθ τθσ και άρα μία πτϊςθ τάςθσ ςτθν ζξοδό τθσ ) υμπεριφορά Ανεμογεννιτριασ Σφμφωνα με το μεταβατικό φαινόμενο που μελετάμε τθ χρονικι ςτιγμι t=12sec ζχουμε μία απότομθ αποςφνδεςθ από το ςφςτθμα τθσ ανεμογεννιτριασ. Κατά ςυνζπεια, όπωσ φαίνεται και ςτο παρακάτω ςχιμα ζχουμε τον απότομο μθδενιςμό τθσ ενεργοφ και αζργου ιςχφοσ τθσ ανεμογεννιτριασ. 305

306 Σχ ) υμπεριφορά Φωτοβολταϊκοφ Πάρκου Κεωρθτικά το ΦΒ πάρκο δεν πρζπει να επθρεάηεται από τθν αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ αφοφ θ ιςχφσ τθσ είναι ςτακερι. Ρρακτικά όμωσ εξαιτίασ τθσ μικρισ πτϊςθσ τθσ τάςθσ κοινοφ ηυγοφ παρουςιάηεται μία ςταδιακι μικρι πτϊςθ ςτθν ενεργό ιςχφ και μία μόνιμθ μικρι αφξθςθ ςτθν αζργο ιςχφ τθσ. Αυτζσ οι μεταβολζσ φαίνονται ςτο παρακάτω ςχιμα Σχ

307 Θ τάςθ εξόδου του ΦΒ πάρκου παρουςιάηει τθν ίδια μικρι μεταβολι με αυτι των γεννθτριϊν και θ απεικόνιςθ τθσ φαίνεται παρακάτω(σχ ). Σχ ) υμπεριφορά Κυψελϊν Καυςίμου Λόγω τθσ απορρόφθςθσ άεργου ιςχφοσ από το ΦΒ πάρκο ζχουμε μείωςθ του ρεφματοσ τθσ ΦΒ ςυςτοιχίασ και επομζνωσ και ςτα άκρα των θλεκτρολυτϊν (Σχ ). Σχ

308 Κάτι τζτοιο όπωσ ζχουμε εξθγιςει κα ζχει ςυνζπειεσ και ςτθν παραγωγι υδρογόνου. Θ μείωςθ όμωσ που παρατθρείται ςτθν παραγωγι λόγω τθσ απορρόφθςθσ αζργου ιςχφοσ από τθν ΦΒ ςυςτοιχία κα είναι μόνιμθ όπωσ φαίνεται παρακάτω ςτο ςχιμα Σχ Ραρακάτω φαίνεται ςτα διαγράμματα τθσ ιςχφοσ και των φαςικϊν τιμϊν τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ του φορτίου που εξυπθρετοφν οι κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου. 308

309 Σχ Βλζπουμε πωσ θ μείωςθ ςτθν παραγωγι υδρογόνου προκαλεί μείωςθ ςτθν ενεργό ιςχφ του δευτερεφοντοσ φορτίου. Θ άεργοσ παραμζνει 0 αφοφ το φορτίο είναι κακαρά ωμικό. Κάτι τζτοιο δικαιολογεί και τον ςυντελεςτι ιςχφοσ που παραμζνει 1(Σχ ). 309

310 Σχ Θ διακφμανςθ τθσ ςυχνότθτασ ςτο δευτερεφον φορτίο τθ ςτιγμι t=12sec που ςυμβαίνει θ αποςφνδεςθ τθσ ανεμογεννιτριασ φαίνεται ςτο παρακάτω διάγραμμα Σχ

311 9.4) υμπεριφορά υςτιματοσ ςε Απότομθ Αποςφνδεςθ των Ηλεκτρολυτϊν Περιγραφι του Μεταβατικοφ Φαινομζνου Σε περιπτϊςεισ που απαιτείται θ πλιρθσ χριςθ του ΦΒ πάρκου από το πρωτεφον φορτίο, όπωσ για παράδειγμα θ ζλλειψθ καυςίμου (φυςικοφ αερίου είτε βιομάηασ) ι εξοικονόμθςθ του ςε περίπτωςθ παρατεταμζνθσ θλιοφάνειασ, τότε διακόπτεται θ παροχι ενζργειασ προσ τουσ θλεκτρολφτεσ. Θ διακοπι ςτο πρόγραμμα μοντελοποίθςθσ μπορεί να γίνει είτε με χειροκίνθτο τρόπο είτε με τθν επιλογι ςυγκεκριμζνθσ χρονικισ ςτιγμισ, χρθςιμοποιϊντασ ζναν χρονοδιακόπτθ. Οι διατάξεισ και για τουσ δφο τρόπουσ παρουςιάηονται ςτο ςχιμα Στθ ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ ζχει επιλεχκεί ςαν χρονικι ςτιγμι αποςφνδεςθσ t=10sec. Σχ

312 Το ςφςτθμα παραμζνει το ίδιο που μελετιςαμε και ςτα προθγοφμενα μεταβατικά φαινόμενα ) υμπεριφορά Δευτερεφοντοσ Φορτίου Στο ςχιμα παρουςιάηεται θ παροχι ιςχφοσ ςτο δευτερεφον φορτίο από τισ κυψζλεσ καυςίμου υδρογόνου. Σχ

313 Στο ςχιμα φαίνεται θ μεταβολι τθσ V L2rms κατά τθν διάρκεια τθσ διακοπισ παραγωγισ υδρογόνου. Σχ Επίςθσ παρουςιάηονται τα διαγράμματα των τριϊν φάςεων τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ του δευτερεφοντοσ φορτίου. 313

314 Σχ Ραρατθροφμε πωσ το ρεφμα και θ τάςθ δεν μθδενίηονται απευκείασ, αλλά λόγω των ςτακερϊν υδρογόνου, οξυγόνου και νεροφ ςτισ κυψζλεσ καυςίμου απαιτείται ζνα χρονικό διάςτθμα κάποιων δευτερολζπτων προκειμζνου να μθδενιςκεί πλιρωσ θ παροχι ενεργοφ ιςχφοσ ςτο φορτίο. 314

315 Θ διακφμανςθ τθσ ςυχνότθτασ του φορτίου L2 τθ ςτιγμι t=10sec που ςυμβαίνει θ διακοπι φαίνεται ςτο ςχιμα Σχ Θ διακφμανςθ αυτι είναι πάρα πολφ μικρι και βρίςκεται μζςα ςτα επιτρεπτά όρια ) υμπεριφορά Ηλεκτρολυτϊν Αυτό που αναφζραμε ςτθν προθγοφμενθ ενότθτα γίνεται περιςςότερο φανερό ςτα γραφιματα που ακολουκοφν (Σχ ) και περιγράφουν τθν κατάςταςθ ςτουσ θλεκτρολφτεσ. 315

316 Σχ Ριο ςυγκεκριμζνα, βλζπουμε πωσ όταν διακοπεί θ ςφνδεςθ του ΦΒ πάρκου με τουσ θλεκτρολφτεσ, το ρεφμα ςτα άκρα των θλεκτρολυτϊν φκίνει αμζςωσ όπωσ και θ παραγωγι υδρογόνου. Ωςτόςο, όπωσ είδαμε ςτθν μοντελοποιιςθ των κυψελϊν καυςίμου οι τ Θ2, τ Ο2, τ Θ2Ο και τ e ςτακερζσ ευκφνονται τθν ςταδιακι μείωςθ των διαγραμμάτων των V curh2, I curh2, V rmsl2 και P H2. 316

317 9.4.3) υμπεριφορά Φωτοβολταϊκοφ Πάρκου Στα ςχιματα παρακάτω (Σχ ) κα παρατθριςουμε τι ςυμβαίνει μόλισ αποςυνδεκοφν οι θλεκτρολφτεσ από τθν ΦΒ ςυςτοιχία. Συγκεκριμζνα, βλζπουμε το ρεφμα ςτα άκρα τθσ ςυςτοιχίασ πωσ μετά τθν αποςφνδεςθ γίνεται 0.6kA από 0.45kA. Σχ Αντίκετα, θ τάςθ παραμζνει ςτακερι αφοφ τα υποςυςτιματα του ΦΒ πάρκου και των θλεκτρολυτϊν είναι παράλλθλα ςυνδεδεμζνα μεταξφ τουσ (Σχ ). Σχ

318 Τζλοσ ςτο διάγραμμα βλζπουμε τθν αφξθςθ κατά 0.5MW τθσ ενεργοφ ιςχφοσ του ΦΒ πάρκου που προςφζρεται ςτο πρωτεφον φορτίο. Θ ενζργεια αυτι(0.5mw) είναι θ ενζργεια που απαιτείται από τουσ θλεκτρολφτεσ για τθν παραγωγι υδρογόνου. Ραρατθροφμε και μία μικρι αφξθςθ τθσ άεργου ιςχφοσ. Σχ Κατά τθν διάρκεια τθσ αποςφνδεςθσ παρατθρείται και μία διαταραχι ςτθν τάςθ του υποςυςτιματοσ ςτον ηυγό ςτον οποίο ειναι ςυνδεδεμζνο (Σχ ). Σχ

319 9.4.4) υμπεριφορά Πρωτεφοντοσ Φορτίου Θ τάςθ και το ρεφμα του πρωτεφοντοσ φορτίου παρουςιάηουν μία μικρι αφξθςθ τθν ςτιγμι τθσ αποςφνδεςθσ αλλά γριγορα επανζρχονται ςτισ αρχικζσ τουσ τιμζσ (Σχ ). Σχ

320 Αφοφ ζχουμε μία προςωρινι αφξθςθ τθσ τάςθσ και του ρεφματοσ κατά τθν διάρκεια τθσ αποςφνδεςθσ κα ζχουμε και αφξθςθ ςτθν ενεργό και άεργο ιςχφ, με τισ οποίεσ τροφοδοτείται το φορτίο. Αυτζσ οι ςτιγμιαίεσ αυξιςεισ φαίνονται ςτο ςχιμα Σχ Κατά τθν διάρκεια του μεταβατικοφ φαινομζνου παρατθρείται μία μεταβολι του ςυντελεςτι ιςχφοσ (Σχ ), που επανζρχεται με που αποκακίςταται θ ενζργεια του φορτίου. Σχ

321 Θ διακφμανςθ τθσ ςυχνότθτασ τθ ςτιγμι t=10sec που ςυμβαίνει θ αποςφνδεςθ των θλεκτρολυτϊν φαίνεται παρακάτω (Σχ ). Σχ ) υμπεριφορά Γεννιτριασ Φυςικοφ Αεριοφ Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ που αποδίδει ςτον κοινό ηυγό θ γεννιτρια φυςικοφ αερίου παρουςιάηεται ςτο παρακάτω ςχιμα Ραρατθρείται μία πτϊςθ των τιμϊν των δφο ιςχφων(κατά 0.25MW και 0.1MVar), αφοφ πλζον αυτό καλφπτεται από το ΦΒ πάρκο. Σχ

322 Θ τάςθ ςτθν ζξοδο του υποςυςτιματοσ ακολουκεί τθν διαταραχι τθσ τάςθσ του κοινοφ ηυγοφ και παρουςιάηεται ςτο ακόλουκο ςχιμα Σχ Σε αντιςτοιχία με τθν μείωςθ τθσ ενεργοφ ιςχφοσ και θ μθχανικι ροπι μειϊνεται (Σχ ). Αυτό ερμθνεφεται ωσ μείωςθ ςτθν παροχι φυςικοφ αερίου. Σχ

323 9.4.6) υμπεριφορά Γεννιτριασ Βιομάηασ Θ ενεργόσ και άεργοσ ιςχφσ που αποδίδει ςτον κοινό ηυγό θ γεννιτρια με βιομάηα παρουςιάηεται ςτο παρακάτω ςχιμα Ραρατθρείται μία πτϊςθ των τιμϊν των δφο ιςχφων(κατά 0.25MW και 0.1MVar), αφοφ πλζον αυτό καλφπτεται από το ΦΒ πάρκο. Σχ Θ τάςθ ςτθν ζξοδο του υποςυςτιματοσ ακολουκεί τθν διαταραχι τθσ τάςθσ του κοινοφ ηυγοφ και παρουςιάηεται ςτο ακόλουκο ςχιμα Σχ

324 Σε αντιςτοιχία με τθν μείωςθ τθσ ενεργοφ ιςχφοσ και θ μθχανικι και θλεκτρικι ροπι μειϊνεται (Σχ ). Αυτό ερμθνεφεται ωσ μείωςθ ςτθν παροχι βιομάηασ. Σχ