Διπλωματική Εργασία. Αθανασίου Τάγαρη

Transcript

1 ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Αθανασίου Τάγαρη Αριθμός Μητρώου: 7134 Θέμα: «Έλεγχος μικροσυστήματος με φωτοβολταϊκό και ανεμογεννήτρια συνδεδεμένου στο δίκτυο» Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «Έλεγχος μικροσυστήματος με φωτοβολταϊκό και ανεμογεννήτρια, συνδεδεμένου στο δίκτυο» του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών: ΤΑΓΑΡΗ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ Α.Μ.: 7134 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο επιβλέπων: Ο Διευθυντής του Τομέα: Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 3

4 4

5 Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός φωτοβολταϊκού και ενός αιολικού συστήματος συνδεμένα στο δίκτυο. Το φωτοβολταϊκό σύστημα θα αποτελείται απο 400 πλαίσια συνδεμένα μεταξύ τους, έναν μετατροπέα ανύψωσης της συνεχούς τάσης που βγάζουν τα φωτοβολταϊκά στην έξοδό τους και έναω αντιστροφέα που μετατρέπει την συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη. Το αιολικό σύστημα αποτελείται απο μια ανεμογεννήτια, μια επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG), έναν ανορθωτή που μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση που δίνει στην έξοδό της η μηχανή σε συνεχή, και έναν αντιστροφέα που μετατρέπει την τελετυαια τάση σε εναλλασσόμενη. Στα συστήματα αυτά θα εφαρμόσουμε μια κατάλληλη στρατηγηκή ελέγχου, προκειμένου να έχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος. Στο παραπάνω σύστημα θα αναλύσουμε θεωρητικά τη λειτουργία του και στη συνέχεια θα το προσωμοιώσουμε μέσω του Simulink του MATLAB. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα καθώς και τις σημαντικότερες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που θα μπορούσαν να δώσον λύση στο πρόβλημα αυτό. Αναλύονται ξεχωριστά οι μορφές αυτές και μελετώνται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της καθεμίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο εξηγείται η αρχή λειτουργίας των φωτοβολταϊκών στοιχείων και πώς μπορούμε απο έναν απλό ημιαγωγό να παράγουμε τάση. Επιπλέον γίνεται αναφορά στην δομή των φωτοβολταϊκών κυττάρων και στον τρόπο σύνδεσης των κυττάρων μέσα σε ένα πλαίσιο. Τέλος, γίνεται η διάκριση των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε αυτόνομα και συνδεμένα στο δίκτυο και αναλύονται οι διαφορές των δύο. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση του φωτοβολταϊκού συστήματος που περιγράψαμε παραπάνω. Αρχικά, επικεντρωνόμαστε στην ηλιακή ακτινοβολία, και πώς μπορούμε να υπολογίσουμε την έντασή της. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού κυττάρου και αναλύεται η χαρακτηριστική του καμπύλη τάσης-ρεύματος. Τέλος, αναλύονται οι μετατροπείς που κάνουν την σύνδεση του φωτοβολταϊκού με το δίκτυο δυνατή, καθώς και ο έλεγχός τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα είδη ανεμογεννητριών που υπάρχουν και γίνεται διαχωρισμός τους ανάλογα με την διεύθυνση του άξονά τους και τις δυνατές συνδεσμολογίες με το δίκτυο. Τέλος, γίνεται αναφορά στους τρόπους ελέγχου μιας ανεμογεννήτριας καθώς και στα είδη των μηχανών που μπορούν να εξοπλίσουν μια ανεμογεννήτρια Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η θεωρητική ανάλυστη του αιολικού συστήματος που περιγράψαμε προηγουμένως. Η ανάλυση ξεκινάει απο τον άνεμο, τις κατανομές του και την μέγιστη μηχανική ισχύ μπορεί να δώσει στην ανεμογεννήτρια. Στη συνέχεια αναφερόμαστε στο κιβώτιο ταχυτήτων και στην DFIG. Τέλος, αναλύουμε τη λειτουργία του Back-to-Back μετατροπέα (που αποτελείται, όπως αναφέραμε και πρίν απο έναν αντιστροφέα και έναν ανορθωτή) και τον έλεγχό του. Στο έκτο κεφάλαιο παραθέτουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση, καθώς και τα κέρδη των ελεγκτών. Έπειτα, γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων της προσωμοίωσης καθώς και ο σχολιασμός μερικών απο αυτών που παρουσιάζουν ενδιαφέρον. Τέλος, γίνεται παράθεση των συμπερασμάτων στα οποία καταλήξαμε για το σύστημα, με βάση την προσομοίωση. 5

6 Ευχαριστίες Ευχαριστώ τον μεταπτυχιακό φοιτητή Ιωάννη Μαγγανά για την πολύτιμη βοήθειά στην εκπνόηση της παρούσας εργασίας. Επίσης ευχαριστώ τον καθηγητή και επιβλέποντα της διπλωματικής μου κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη που μου έδωσε την ευκαιρία να πάρω διπλωματική στο αντικείμενο αυτό. 6

7 Περιεχόμενα 1. Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Το Ενεργειακό Πρόβλημα Ενεργειακή Ζήτηση Διαθέσιμα Αποθέματα Ορυκτών Καυσίμων Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Μορφές Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Ηλιακή Ενέργεια Τρόποι Εκμετάλλευσης Ηλιακής Ενέργειας Παθητικά Ηλιακά Συστήματα Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Φωτοβολταϊκά Ηλιακά Συστήματα Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Ηλιακής Ενέργειας Αιολική Ενέργεια Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Αιολικής Ενέργειας Υδροηλεκτρική Ενέργεια Λειτουργία Υδροηλεκτρικών Εργοστασίων Ταξινόμηση Υδροηλεκτρικών Έργων Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Υδροηλεκτρικής Ενέργειας Γεωθερμική Ενέργεια Εφαρμογές Γεωθερμικής Ενέργειας Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Γεωθερμικής Ενέργειας Ενέργεια απο Βιομάζα Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Βιομάζας Ενέργεια απο Θάλασσες Ενέργεια απο τα Κύματα Παλιρροϊκή Ενέργεια Θερμική Ενέργεια Θαλασσών Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Ενέργειας των Θαλασσών Φωτοβολταϊκά Συστήματα Εισαγωγή Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Ημιαγωγός Επαφή p-n

8 2.2.3 Ορθή και Ανάστροφη Πόλωση της Διόδου Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Δομή Φωτοβολταϊκού Κυττάρου Συνδέσεις Φωτοβολταϊκών Κυττάρων Διάκριση Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα Φωτοβολταϊκά Συστήματα Διασυνδεμένα στο Δίκτυο Ανάλυση Λειτουργίας Φωτοβολταϊκού Συστήματος Ηλιακή Ακτινοβολία Βασικές Έννοιες Προσπίπτουσα Ηλιακή Ακτινοβολία σε Κεκλιμένο Επίπεδο Συνιστώσες του συστήματος Φωτοβολταϊκό Κύτταρο Ισοδύναμο Μοντέλο Φωτοβολταϊκού Κυττάρου Χαρακτηριστική Καμπύλη I-V Συντελεστής Πλήρωσης Απόδοση Φωτοβολταϊκού Κυττάρου Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Μετατροπέας DC/DC Ανύψωσης Τάσης (Boost) Μετατροπείς Ισχύος Μετατροπέας DC/DC Ανάλυση Λειτουργίας Μετατροπέα Boost Μοντελοποίηση Μετατροπέα Boost Έλεγχος Μετατροπέα Boost - MPPT Preturb and Opserve Στοιχειώδης Αγωγιμότητα (Incremental Conductance) Σάρωση Ρεύματος (Current Sweep) Σταθερής Τάσης (Constant Voltage) Σύγκριση των Μεθόδων Μετατροπέας DC/AC (Αντιστροφέας Inverter) Μετασχηματισμός Park Ανάλυση Λειτουργίας Αντιστοφέα R-L φίλτρο Αντιστροφέας DC διασύνδεση (DC-Link)

9 3.7 Έλεγχος Μέθοδος Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (P.W.M) PID Ελεγκτές Ελεγχος στην Πλευρά του Δικτύου Υπολογισμός Κερδών Το Μοντέλο του Συστήματος Ανεμογεννήτριες Εισαγωγή Κατηγοριοποίηση Ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου Άξονα Ανεμογεννήτριες Κάθετου Άξονα Σύγκριση των δυο τύπων Ανεμογεννητριών Η Δομή μιας Ανεμογεννήτριας Οριζοντίου Άξονα Ανεμογεννήτριες Σταθερής και Μεταβλητής Ταχύτητας Ανεμογεννήτριες Σταθερής Ταχύτητας Ανεμογεννήτριες Μεταβήτής Ταχύτητας Τύποι Συνδεσμολογίας Ανεμογεννητριών Τύπος Α Τύπος B Τύπος C Τύπος D Μέθοδοι Ρύθμισης Ισχύος Stall Control (Passive) Pitch Control Active Stall Control Είδη Γεννητριών Σύγκριση Γεννητριών Ανάλυση Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος Ο Άνεμος Η Κατανομή της Ταχύτητας του Ανέμου Η Ισχύς του Ανέμου Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος Cp Οι Συνιστώσες του Συστήματος Κιβώιο Ταχητήτων Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Back-to-Back Μετατροπέας

10 5.5.1 Μετατροπέας AC/DC (Ανορθωτής) DC-Διασύνδεση Έλεγχος Υπολογισμός Κερδών Το Μοντέλο του Συστήματος Προσομοίωση Συστήματος στο SIMULINK και Συμπεράσματα Προσομοίωση Φωτοβολταϊκού Συστήματος Προσομοίωση Επαγωγικής Γεννήτριας Διπλής Τροφοδοσίας Προσομοίωση Συστήματος Φωτοβολταϊκού και Ανεμογεννήτιας Συνδεμένα στο Δίκτυο Φορτίο Συστήματα Ανεμογεννήτιας και Φωτοβολταϊκού Δίκτυο Παρατηρήσεις - Συμπεράσματα

11 Κεφάλαιο 1 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 11

12 1.1 Το Ενεργειακό Πρόβλημα Ο άνθρωπος συνδέθηκε με την έννοια ενέργεια από την πρώτη στιγμή της ύπαρξής του πάνω στη Γη. Αρχικά όπως και οι άλλοι ζωντανοί οργανισμοί μέσω της τροφής ο πρωτόγονος άνθρωπος συσσώρευε στις κατάλληλες αποθήκες του σώματός του ενέργεια, την οποία χρησιμοποιούσε για να κινηθεί, να κυνηγήσει, να αντιμετωπίσει τους εχθρούς του. Πολύ αργότερα άρχισε να χρησιμοποιεί την ενέργεια άλλων ζωντανών οργανισμών (μυϊκή δύναμη των ζώων) αυξάνοντας σημαντικά τις δυνατότητές του και ενισχύοντας τη θέση του στο όχι και τόσο φιλικό περιβάλλον στο οποίο έπρεπε να επιβιώσει. Η εκμετάλλευση της ενέργειας που υπήρχε άφθονη και σε διάφορες μορφές στο φυσικό περιβάλλον (ενέργεια καυσίμων, αιολική, υδραυλική ενέργεια) ήταν το όχημα που μαζί με την ανάπτυξη των ιδιαίτερων ψυχοπνευματικών του ικανοτήτων του, του έδωσαν τη δυνατότητα να ακολουθήσει την μεγαλειώδη εξελικτική του πορεία φτάνοντας στο σημερινό τεχνολογικό θαύμα. Τα ίδια αυτά στοιχεία θα καθορίσουν την πορεία και την τεχνολογική εξέλιξή του και στο μέλλον, μόνο που οι πρώτες ανησυχίες τόσο για τις επιπτώσεις στον ίδιο και στο περιβάλλον, όσο και για την τελική κατάληξη αυτής της πορείας, πολλαπλασιάζονται και ενισχύονται με ανάλογους ρυθμούς. Ποιοι όμως είναι οι κυριότεροι σταθμοί της πορείας του ανθρώπου στην προσπάθειά του να εκμεταλλευτεί τις διάφορες πηγές ενέργειας; Στο τέλος της λίθινης εποχής αρχίζει η χρησιμοποίηση της μυϊκής δύναμης των ζώων στις μεταφορές και την καλλιέργεια της γης. Το 3000 πχ αρχίζει η λειτουργία του μεταλλείου ασημιού στο Θορικό Λαυρίου. Το 2500 πχ κατασκευάζονται στην Αρκαδία μεταλλευτικοί κλίβανοι, αρχίζει η επεξεργασία μετάλλων. Το 1500 πχ κατασκευάζονται στη Θήρα Ιστιοφόρα πλοία Το 1400 πχ κατασκευάζονται αρδευτικά έργα στην Κωπαϊδα Το 580 πχ κατασκευάζεται η πρώτη πρέσα λαδιού Το 350 πχ κατασκευάζονται οι πρώτοι ανεμόμυλοι και λίγο αργότερα οι πρώτοι υδραυλικοί τροχοί Γύρω στο 100 πχ ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς κατασκευάζει την πρώτη θερμική μηχανή. Στα μέσα του 18ου αιώνα κατασκευάζεται η πρώτη ατμομηχανή που σηματοδοτεί την έναρξη της βιομηχανικής επανάστασης και με ταχύτατους ρυθμούς περνώντας από διάφορα στάδια (εξηλεκτρισμός, ανάπτυξη των συγκοινωνιών, χρήση της πυρηνικής ενέργειας, κατάκτηση του διαστήματος) 12

13 φτάσαμε στη σημερινή εποχή, την εποχή της πληροφορικής, της ψηφιακής τεχνολογίας, της παγκοσμιοποίησης και βέβαια του ενεργειακού προβλήματος, που εμφανίζεται οξύτερο από ποτέ. Όταν αναφερόμαστε στο «Ενεργειακό Πρόβλημα» εννοούμε την παραγωγή ενέργειας κυρίως από μη-ανανεώσιμες πηγές, πράγμα που οδηγεί σε σοβαρές επιπτώσεις για το περιβάλλον, αλλά και για την κοινωνία (αύξηση τιμών, εξάντληση ενεργειακών αποθεμάτων κτλ) Το «Ενεργειακό Πρόβλημα» ανάγεται σε δύο τομείς: Στην συνεχή αύξηση της ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας Και στην συνεχή μείωση των διαθέσιμων αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων Παρακάτω θα εξετάσουμε τους λόγους αυτούς πιο αναλυτικά Ενεργειακή Ζήτηση Είναι αρκετά εύκολο να κατανοήσουμε τι σημαίνει αύξηση της ενέργειας που καταναλώνεται αν αναλογιστούμε το πλήθος των ηλεκτρικών συσκευών που έχουμε σήμερα στο σπίτι μας σε σχέση με τις συσκευές που είχαμε, ας πούμε, πριν 50 χρόνια, ή τον αριθμό των αυτοκινήτων που κυκλοφορούν τώρα στους δρόμους σε σχέση με τότε. Στο ίδιο συμπέρασμα θα καταλήξουμε αν παρατηρήσουμε τις ενεργοβόρες εγκαταστάσεις ενός σύγχρονου κτιρίου (πχ νοσοκομείου με κεντρική εγκατάσταση κλιματισμού, δίκτυο υπολογιστών, ιατρικό εξοπλισμό) και τις συγκρίνουμε με ένα ανάλογο κτίριο που κατασκευάστηκε πριν μερικές δεκαετίες. Υπολογίζεται ότι ο πρωτόγονος άνθρωπος χρησιμοποιούσε για τις ανάγκες του ενέργεια ίση με 6,3 MJ την ημέρα που έπαιρνε μέσω της τροφής του. Ο σημερινός άνθρωπος χρησιμοποιεί περίπου 1000 MJ δηλαδή 150 φορές περισσότερη. 13

14 Όπως αναφέραμε και προηγουμένως η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας έχει αυξηθεί δραματικά τον προηγούμενο αιώνα και συνεχίζει να αυξάνεται. Αυτό συμβαίνει καταρχάς γιατί ο μέσος άνθρωπος των αναπτυγμένων χωρών του κόσμου καταναλώνει περισσότερη ενέργεια (ως αποτέλεσμα της αύξησης του βιοτικού επιπέδου των χωρών αυτών). Έννοιες όπως ο φωτισμός τα βράδια, ο κλιματισμός των εσωτερικών χώρων, οι μαζικές συγκοινωνίες και η αλματώδης αύξηση της βιομηχανίας δεν υπήρχαν στις αρχές του προηγούμενου αιώνα. Πράγματα όπως το τηλέφωνο και το αυτοκίνητο τα οποία ανήκαν μόνο σε πολύ προνομιούχους πριν από μισό αιώνα, τώρα αποτελούν αντικείμενα καθημερινότητας, ενώ το ηλεκτρικό ρεύμα έχει φτάσει μέχρι και στις πιο δυσπρόσιτες περιοχές αυτών των χωρών. Μπορούμε να πούμε δηλαδή ότι η κοινωνία σαν σύνολο απαιτεί ολοένα και περισσότερη ενέργεια. Επίσης, σε χώρες που θα μπορούσαν να θεωρηθούν υπανάπτυκτες πριν από μερικά χρόνια, αρχίζουν να δημιουργούνται συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ οι πολίτες τους αποκτούν πρόσβαση σε αυτοκίνητα και άλλες τεχνολογίες που δεν είχαν πιο παλιά. Στην κατηγορία αυτή ανοίκουν οι περισσότεροι άνθρωποι της Γής. Απο τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η ζήτηση ενέργειας θα αυξηθεί ακόμα περισσότερο αφού ολοένα και περισσότεροι άνθρωποι έρχονται σε επαφή με το ηλεκτρικό ρεύμα και τις άλλες τεχνολογίες. Τέλος, στις χώρες που αναφέραμε πριν, η βιομηχανία παρουσιάζει αλματώδη ανάπτυξη καθώς σιγά σιγά αυτοματοποιείται και απαιτεί λιγότερους εργάτες, με κόστος όμως την κατανάλωση πολύ μεγαλύτερων ποσών ενέργειας. Συνοψίζοντας, η αλματώδης ανάπτυξη της ενεργειακής ζήτησης που έγινε τον περασμένο αιώνα θα συνεχιστεί, καθώς ολοένα και περισσότερες, προηγουμένως υπανάπτυκτες χώρες, βρίσκονται σε οικονομική και βιομηχανική ανάπτυξη, ενώ ολοένα και περισσότεροι άνθρωποι αποκτούν πρόσβαση σε ηλεκτρική ενέργεια Διαθέσιμα Αποθέματα Ορυκτών Καυσίμων Τα ορυκτά καύσιμα (κάρβουνο, λιγνήτης, λιθάνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο κτλ), είναι η κύρια πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται από την βιομηχανική επανάσταση του 18 ου αιώνα μέχρι σήμερα. Εκτιμάται πως τα ορυκτά καύσιμα καλύπτουν το 86% των ετησίων ενεργειακών αναγκών παγκοσμίως, ενώ η κατανάλωση τους το 2007 αποτελούταν απο 36% πετρέλαιο, 27.4% κάρβουνο και 23% φυσικό αέριο. Στις ΗΠΑ περίπου το 86% της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας προέρχεται από ορυκτά καύσιμα (ενώ μόνο το 6% από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας). 14

15 Στην Ελλάδα το % της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων: Οι κυριότεροι λόγοι για την μεγάλη διάδοση αυτή των ορυκτών καυσίμων παγκοσμίως είναι η ευκολία με την οποία μπορούν να εξορυχθούν (η να αντληθούν), να μεταφερθούν και να καούν προκειμένου η χημική τους ενέργεια να μετατραπεί σε ηλεκτρική, πράγμα που τα κάνει φθηνά. Επίσης σημαντικός παράγοντας είναι η αξιοπιστία που έχουν (σε σύγκριση με τις περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας), δηλαδή μπορούν να λειτουργούν κάτω απο οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες και για όλο το εικοσιτετράωρο. Τέλος, η τεχνολογία που μπορεί να αξιοποιήσει τα ορυκτά καύσιμα είναι ανεπτυγμένη λόγω των πολλών ετών που τα χρησιμοποιούσαμε ως αποκλειστική πηγή ενέργειας. 15

16 Τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν όμως είναι σοβαρά. Η μόλυνση του περιβάλλοντος με κατάλοιπα, οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα που παράγεται από την καύση τους (πράγμα που συμβάλλει στην εμφάνιση του φαινομένου του θερμοκηπίου) και ο σχετικά μικρός συντελεστής απόδοσης που έχουν οι θερμικές μηχανές, είναι μερικά απο αυτά. Η καύση των ορυκτών καυσίμων παράγει περίπου 21.3 δισεκατομμύρια τόνους (21.3 γιγατόνους) διοξειδίου του άνθρακα ( CO 2 ) ετησίως, αλλά εκτιμάται ότι μόνο περίπου το μισό του ποσού αυτού μπορεί να απορροφηθεί μέσω φυσικών διεργασιών. Συνεπώς, υπάρχει μια αύξηση δισεκατομμυρίων τόνων ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα ανά έτος (ένας τόνος ατμοσφαιρικού άνθρακα είναι ισοδύναμος με 44/12 ή 3.7 τόνους διοξειδίου του άνθρακα). Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα από τα αέρια του θερμοκηπίου, που συμβάλλει στην υπερθέρμανση του πλανήτη, προκαλώντας αύξηση στη μέση επιφανειακή θερμοκρασία της Γης. Το παραπάνω διάγραμμα δείχνει τα παγκόσμια επίπεδα εκπομπών ορυκτού άνθρακα ανά τύπο καυσίμου από το Σημείωση: Ο άνθρακας αντιπροσωπεύει μόνο το 27% την μάζας του διοξειδίου του άνθρακα. Το κυριότερο ίσως πρόβλημα που παρουσιάζουν τα ορυκτά καύσιμα είναι ότι εξαντλούνται. Δεν βρίσκονται σε αφθονία στην φύση αλλά είναι περιορισμένα και κάποια στιγμή θα τελειώσουν. Τα αποθέματα των ορυκτών καυσίμων όπως έχουν εκτιμηθεί κατά την διάρκεια ήταν: Κάρβουνο 905 δισεκατομμύρια τόνοι Πετρέλαιο δισεκατομμύρια βαρέλια Φυσικό αέριο τρισεκατομμύρια κυβικά μέτρα 16

17 Αντίστοιχα η παραγωγή τους κατά την διάρκεια του 2006 ήταν Κάρβουνο τόνοι την μέρα Πετρέλαιο 84 εκατομμύρια βαρέλια την μέρα Φυσικό αέριο δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα την μέρα Η εκτίμηση για την χρονική στιγμή εξάντλησης των αποθεμάτων με τα μέχρι τώρα εκτιμώμενα αποθέματα και την τρέχουσα κατανάλωση είναι: Κάρβουνο 148 χρόνια Πετρέλαιο 43 χρόνια Φυσικό αέριο 61 χρόνια Δεδομένου όμως ότι συνεχώς αυξάνεται η ο ρυθμός κατανάλωσής τους ενδέχεται να εξαντληθούν αρκετά πιο νωρίς. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η κατανάλωση των τριών βασικών μορφών ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο) τα προηγούμενα 200 χρόνια καθώς και οι προβλέψεις για το μέλλον: Ενδεικτική είναι η δραματική πτώση που θα υπάρξει στα μέσα του 21 ου αιώνα που πιθανότατα να συνοδευτεί και από οικονομικές επιπτώσεις (αύξηση τιμών, κοινωνικά προβλήματα κτλ.) 17

18 1.2 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Με τον όρο ανανεώσιμες (ή ήπιες) πηγές ενέργειας εννοούμε αυτές οι οποίες δεν εξαντλούνται αλλά υπάρχουν σε αφθονία στην φύση (πχ ήλιος, άνεμοι). Ένα χαρακτηριστικό που έχουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ότι δεν απαιτούν ενεργητική παρέμβαση από τον άνθρωπο (όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση), αλλά απλώς την εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. Ο όρος «ήπιες», αναφέρεται στο γεγονός ότι οι πηγές ενέργειας αυτές δεν μολύνουν το περιβάλλον ούτε με καυσαέρια ούτε με κατάλοιπα, σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούμε σήμερα. Η ανάγκη για επένδυση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πρωτοεμφανίστηκε στην πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1974 και παγιώθηκε μετά την συνειδητοποίηση των παγκόσμιων σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων την τελευταία δεκαετία. Παρακάτω θα αναλύσουμε τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε σχέση με τις συμβατικές: 18

19 Πλεονεκτήματα 1. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας υπάρχουν σε αφθονία στην φύση και δεν εξαντλούνται όπως τα ορυκτά καύσιμα. 2. Δεν μολύνουν το περιβάλλον γιατί δεν απαιτείται καύση για την παραγωγή ενέργειας. 3. Οι περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι διαθέσιμες παντού στη Γη, σε αντίθεση πχ με το πετρέλαιο που βρίσκεται μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές. 4. Το κόστος λειτουργίας χρήσης των εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούν ήπιες μορφές ενέργειας είναι πολύ μικρό. Μειονεκτήματα 1. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν μπορούν αυτήν την στιγμή να παράγουν τόση ενέργεια όση οι μη συμβατικές και έτσι δεν μπορούν από μόνες τους να καλύψουν τις ενεργειακές μας ανάγκες. 2. Η τεχνολογία για να «παγιδεύσει» την ανανεώσιμη ενέργεια είναι δαπανηρή. Για παράδειγμα η κατασκευή ενός υδροηλεκτρικού σταθμού απαιτεί υψηλό αρχικό κεφάλαιο για την κατασκευή και την συντήρηση. 3. Δεν μπορούν να μεταφερθούν όπως τα συμβατικά καύσιμα (άνθρακας, πετρέλαιο). Πρέπει η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας να γίνει στην τοποθεσία της συλλογής της πηγής ενέργειας. 4. Οι περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν έχουν μεγάλη αξιοπιστία. Επηρεάζονται από τις καιρικές συνθήκες και έτσι είναι αδύνατο να προβλέψουμε ποτέ θα δίνουν ενέργεια και πόση θα δίνουν. 5. Σημαντικό επίσης μειονέκτημα είναι το μικρό ποσοστό των πηγών αυτών που μπορούμε να αξιοποιήσουμε. Για παράδειγμα το ανώτατο όριο για τον βαθμό απόδοσης στα φωτοβολταϊκά είναι 44% ενώ στα αιολικά το 59%. Στην πράξη ο βαθμός απόδοσης είναι αρκετά χαμηλότερος. 19

20 1.2.1 Μορφές Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) διακρίνονται στις εξής μορφές: Ηλιακή Ενέργεια Αιολική Ενέργεια Υδροηλεκτρική Ενέργεια Γεωθερμική Ενέργεια Ενέργεια των θαλασσών (παλίρροιες και κύματα) Ενέργεια Βιομάζας Παρακάτω θα αναλύσουμε συνοπτικά το κάθε είδος ΑΠΕ 1.3 Ηλιακή Ενέργεια 20

21 15 Η Γη δέχεται 174 PW ( W ) ηλιακής ακτινοβολίας στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Περίπου το 30% ανακλάται πίσω στο διάστημα, ενώ το υπόλοιπο απορροφάται από τους ωκεανούς, τα σύννεφα και τη στεριά. Η συνολική ηλιακή ενέργεια που απορροφάται από τη Γη είναι περίπου exajoules (EJ) ετησίως. Μια ώρα ηλιακής ενέργειας, αντιστοιχεί σε περισσότερη ενέργεια απ ότι καταναλώνεται ετησίως σε όλο τον κόσμο. Το ποσό της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στην επιφάνεια του πλανήτη είναι τόσο μεγάλο που σε ένα χρόνο είναι περίπου δύο φορές περισσότερο απ όσο θα μπορούσε ποτέ να ληφθεί από το σύνολο των μη-ανανεώσιμων πόρων της Γης (άνθρακα, πετρελαίου, φυσικού αερίου, και ουρανίου) Τρόποι Εκμετάλλευσης Ηλιακής Ενέργειας Η εκμετάλευση της ηλιακής ενέργειας μπορεί να είναι είτε άμεση (ως θερμική) είτε έμμεση (μετατρέποντάς την σε ηλεκτρική μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων). Υπάρχουν δυο τρόποι με τους οποίους μπορούμε να εκμεταλλευτούμε άμεσα την ενέργεια αυτή: παθητικά η ενεργητικά Παθητικά Ηλιακά Συστήματα Τα παθητικά συστήματα, αποσκοπούν κυρίως στην θέρμανση ή στον δροσισμό ενός κτηρίου. Χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα δομικά υλικά ώστε να πετύχουμε μια καλή θερμομόνωση του κτηρίου μπορούμε να μειώσουμε τις ανάγκες του κτηρίου για θέρμανση τον χειμώνα εκμεταλλευόμενοι το «φαινόμενο του θερμοκηπίου». Επίσης με κατάλληλη χρήση των σκιάστρων μπορούμε να μειώσουμε και τις ανάγκες ψύξης το καλοκαίρι, προστατεύοντας το σπίτι από τον ήλιο και διευκολύνοντας την φυσική κυκλοφορία του αέρα στο εσωτερικό του κτηρίου. Τέλος με σωστή τοποθέτηση φωταγωγών και ανοιγμάτων μπορούμε να μειώσουμε τις ανάγκες τεχνητού φωτισμού του κτηρίου τη διάρκεια της μέρας Ενεργητικά Ηλιακά Συστήματα Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, έχουν ως βασική αρχή την συλλογή της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω ενός «ηλιακού συλλέκτη». Ο συλλέκτης αυτός περιλαμβάνει μια μαύρη, συνήθως επίπεδη μεταλλική επιφάνεια, η οποία απορροφά την ακτινοβολία και θερμαίνεται. Πάνω από την απορροφητική επιφάνεια βρίσκεται ένα διαφανές κάλυμμα (συνήθως από γυαλί ή πλαστικό) που παγιδεύει τη θερμότητα (φαινόμενο θερμοκηπίου). Σε επαφή με την απορροφητική επιφάνεια τοποθετούνται λεπτοί σωλήνες μέσα στους οποίους διοχετεύεται κάποιο υγρό, που απάγει την θερμότητα και τη μεταφέρει, με τη βοήθεια μικρών αντλιών (κυκλοφορητές), σε μια μεμονωμένη δεξαμενή αποθήκευσης. Η ηλιακή ακτινοβολία αφού συλλεχθεί από τον συλλέκτη χρησιμοποιείται στην θέρμανση κάποιου υγρού (συνήθως νερού), το οποίο με την σειρά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για την θέρμανση εσωτερικών χώρων είτε και απευθείας από τον άνθρωπο. Το πιο απλό και διαδεδομένο σήμερα ενεργητικό ηλιακό σύστημα θέρμανσης νερού είναι ο ηλιακός θερμοσίφωνας. 21

22 Φωτοβολταϊκά Ηλιακά Συστήματα Η λειτουργία την φωτοβολταϊκών ηλιακών συστημάτων στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Μερικά υλικά, όπως το πυρίτιο με πρόσμιξη άλλων στοιχείων, γίνονται ημιαγωγοί (άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα προς μια μόνο διεύθυνση). Σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν τη δυνατότητα να δημιουργούν διαφορά δυναμικού όταν φωτίζονται και κατά συνέπεια να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Συνδέοντας μεταξύ τους πολλά μικρά κομμάτια τέτοιων υλικών (φωτοβολταϊκές κυψέλες ή στοιχεία), τοποθετώντας τα σε μία επίπεδη επιφάνεια (φωτοβολταϊκό πλαίσιο) και στρέφοντάς τα προς τον ήλιο, γίνεται δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Με τα φωτοβολταϊκά συστήματα θα ασχοληθούμε πιο αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Ηλιακής Ενέργειας Πλεονεκτήματα Ανανεώσιμη. Όπως αναφέραμε και πριν, η ηλιακή ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, δηλαδή δεν θα εξαντληθεί ποτέ. Άφθονη. Όπως αναλύσαμε και πριν η ηλιακή ενέργεια που φτάνει στη Γη είναι άφθονη. Συγκεκριμένα, στην επιφάνεια της Γής φτάνουν TW ηλιακής ακτινοβολίας φορές περισσότερη ενέργεια απ ότι καταναλώνει ολόκληρη η Γη. Φιλική στο περιβάλλον. Δεν προκαλεί ρύπους στο περιβάλλον. Παρόλα αυτά υπάρχουν εκπομπές που μπορούν να σχετιστούν με την κατασκευή, μεταφορά και εγκατάστασή τους μηδαμινές βέβαια σε σχέση με τις περισσότερες συμβατικές μορφές ενέργειας. Διαθεσιμότητα. Η ηλιακή ενέργεια είναι διαθέσιμη σε ολόκληρη τη Γη, όχι μόνο σε χώρες κοντά στον ισημερινό. Πολλές εφαρμογές. Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολλούς διαφορετικούς σκοπούς. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε περιοχές χωρίς πρόσβαση σε δίκτυο, για την απόσταξη νερού στην Αφρική ή ακόμα και σε δορυφόρους στο διάστημα. Συλλογή. Χάρη στο σχήμα του συλλέκτη και του φωτοβολταϊκά πάνελ, μπορούν να τοποθετηθούν σε πολλά μέρη τα οποία δεν έχουν κάποια χρήση (όπως ταράτσες και αυλές σπιτιών). Αθόρυβη. Δεν υπάρχουν καθόλου κινητά μέρη στις περισσότερες εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας, πράγμα που την κάνει αθόρυβη 22

23 Χαμηλό Κόστος Συντήρησης. Η πλειοψηφία των ηλιακών συστημάτων δεν χρειάζεται πολλή συντήρηση. Οι οικιακοί συλλέκτες χρειάζονται μόνο καθαρισμό 1-2 φορές τον χρόνο ενώ οι σοβαροί κατασκευαστές προσφέρουν χρόνια συντήρηση. Μειονεκτήματα Ακριβή. Το κόστος κατασκευής ενός πάνελ με υψηλή απόδοση είναι αρκετά μεγάλο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι διάφορα υλικά είναι σπάνια στην φύση και κατά συνέπεια ακριβά. Ειδικά τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης από Τελλουριούχο Κάδμιο (CdTe) ή χαλκό ίνδιο, γάλλιο σεληνιούχο (CIGS), είναι αρκετά ακριβά. Διαλειπτικότητα. Ακόμα και σε καλές καιρικές συνθήκες, ηλιακή ενέργεια έχουμε μόνο κατά τη διάρκεια της μέρας. Επίσης, επειδή είναι δύσκολο να προβλέψουμε τις καιρικές συνθήκες, η ηλιακή ενέργεια δεν είναι αρκετά αξιόπιστη. Δαπανηρή Αποθήκευση. Λόγω του προηγούμενου, καθίσταται απαραίτητη η αποθήκευση ενέργειας σε αυτόνομα δίκτυα. Τα μέσα που έχουμε στην διάθεσή μας για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας (μπαταρίες) δεν είναι αποδοτικά, έχουν μικρή διάρκεια ζωής και η αντικατάστασή τους είναι ακριβή. Επίσης τα χημικά που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες μολύνουν το περιβάλλον. Μεγάλη Επιφάνεια. Η ηλιακή ακτινοβολία που πέφτει στην Γη έχει μικρή πυκνότητα. Η μέση πυκνότητα ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην 2 επιφάνεια της Γης είναι περίπου 250 W / m. Δεδομένου και του χαμηλού συντελεστή απόδοσης που έχουν τα φωτοβολταϊκά συστήματα, για να καλύψουμε τις ενεργειακές μας ανάγκες χρειαζόμαστε μια πολύ μεγάλη επιφάνεια. 23

24 1.4 Αιολική Ενέργεια Αιολική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του πνέοντος ανέμου. Οι άνεμοι δημιουργούνται έμμεσα από τον ήλιο και την ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της γης. Η εκμετάλλευση του ανέμου γίνεται από την αρχαιότητα μέσω των ιστιοφόρων πλοίων και αργότερα μέσω των ανεμόμυλων. Η πρώτη ανεμογεννήτρια δημιουργήθηκε στα τέλη του 19 ου αιώνα ενώ μέχρι σήμερα η τεχνολογία έχει διαδοθεί πολύ. Από τα παραπάνω μπορούμε να συμπεράνουμε ότι υπάρχουν δύο τρόποι εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας: Άμεσα, χρησιμοποιώντας την κινητική της ενέργεια για την μετακίνηση των ιστιοφόρων πλοίων ή την κίνηση του ανεμόμυλου. Ή έμμεσα, μετατρέποντάς την πρώτα σε ηλεκτρική, μέσω μιας ανεμογεννήτριας. Για την δεύτερη περίπτωση θα μιλήσουμε σε επόμενο κεφάλαιο Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Χρήσης της Αιολικής Ενέργειας 24

25 Πλεονεκτήματα Ανανεώσιμη. Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι δεν θα εξαντληθεί ποτέ. Φιλική στο περιβάλλον. Η αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας δεν μολύνει το περιβάλλον ούτε με ατμοσφαιρικούς ρύπους ούτε με κατάλοιπα. Τεράστιες Δυνατότητες. Η ισχύς του ανέμου είναι πολύ μεγάλη. Μελέτες δείχνουν ότι η ισχύς του ανέμου παγκοσμίως είναι περισσότερη από 400TW 20 φορές μεγαλύτερη από τις ανθρώπινες ανάγκες. Αποδοτικό από άποψη χώρου. Οι μεγαλύτερες ανεμογεννήτριες παράγουν ισχύ από 5-7.5MW, αρκετή για να τροφοδοτήσει πάνω από 600 σπίτια. Χαμηλό κόστος λειτουργίας. Αφότου η ανεμογεννήτρια έχει κατασκευαστεί και ανεγερθεί, το κόστος λειτουργίας της είναι πολύ χαμηλό Μειονεκτήματα Λειτουργία σε δυσπρόσιτες περιοχές. Οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται για την τροφοδότηση δυσπρόσιτων ορεινών περιοχών η νησιών τα οποία δεν έχουν δυνατότητα σύνδεσης σε δίκτυο Απρόβλεπτη. Ο άνεμος δεν είναι σταθερός αλλά κυμαίνεται απρόβλεπτα. Το γεγονός αυτό μειώνει την αξιοπιστία των αιολικών συστημάτων και καθιστά αδύνατο να τροφοδοτήσουν φορτία βάσης. Υψηλό Κόστος Κατασκευής. Το κόστος κατασκευής και τοποθέτησης μιας ανεμογεννήτριας είναι πολύ υψηλό που σε πολλές περιπτώσεις συμφέρει κάποια άλλη μορφή ενέργειας. Οι επενδύσεις σε ανεμογεννήτριες συνήθως κάνουν απόσβεση στα χρόνια. Θόρυβος. Η εγκατάστασή τους κοντά σε κατοικημένες περιοχές παρουσιάζει το επιπλέον πρόβλημα του θορύβου. Απειλή στην άγρια πανίδα. Πολλά πουλιά και διάφορα άλλα είδη ιπτάμενων ζώων πεθαίνουν από την πρόσκρουση σε ανεμογεννήτριες. Επίσης ο έντονος θόρυβος μπορεί να πειράξει διάφορα ζώα που μένουν κοντά. Ωστόσο οι επιπτώσεις αυτές θεωρούνται αμελητέες από τις περισσότερες περιβαλλοντολογικές οργανώσεις. 25

26 1.5 Υδροηλεκτρική Ενέργεια Η Υδροηλεκτρική Ενέργεια είναι η ενέργεια η οποία στηρίζεται στην εκμετάλλευση και τη μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του νερού των λιμνών και της κινητικής ενέργειας του νερού των ποταμών σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μέσω της πτερωτής του στροβίλου, έχουμε την μετατροπή της κινητικής ενέργειας του νερού σε μηχανική ενέργεια με την μορφή περιστροφής του άξονα της πτερωτής και στο δεύτερο στάδιο, μέσω της γεννήτριας, επιτυγχάνουμε τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το σύνολο των έργων και εξοπλισμού μέσω των οποίων γίνεται η μετατροπή της υδραυλικής ενέργειας σε ηλεκτρική, ονομάζεται Υδροηλεκτρικό Έργο (ΥΗΕ). Η Υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η πιο διαδεδομένη μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας καλύπτοντας το 16% των παγκοσμίων ηλεκτρικών αναγκών. Το 2010 παρήχθησαν 3447TWh ηλεκτρικής ενέργειας. 26

27 1.5.1 Λειτουργία Υδροηλεκτρικών Εργοστασίων Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων βασίζεται στην κίνηση του νερού λόγω διαφοράς μανομετρικού ύψους μεταξύ των σημείων εισόδου και εξόδου. Για το σκοπό αυτό κατασκευάζεται ένα φράγμα που συγκρατεί την απαιτούμενη ποσότητα νερού στον δημιουργούμενο ταμιευτήρα. Κατά τη διέλευσή του από τον αγωγό πτώσεως κινεί έναν στρόβιλο ο οποίος θέτει σε λειτουργία τη γεννήτρια. Μία τουρμπίνα που είναι εγκατεστημένη σε μεγάλη μονάδα μπορεί να ζυγίζει μέχρι 172 τόνους και να περιστρέφεται με 90 rpm. Η ποσότητα του ηλεκτρισμού που παράγεται καθορίζεται από αρκετούς παράγοντες. Δύο από τους σημαντικότερους είναι ο όγκος του νερού που ρέει και η διαφορά μανομετρικού ύψους μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας του ταμιευτήρα και του στροβίλου. Η ποσότητα ηλεκτρισμού που παράγεται είναι ανάλογη των δύο αυτών μεγεθών. Συνεπώς, ο παραγόμενος ηλεκτρισμός εξαρτάται από την ποσότητα του νερού του ταμιευτήρα. Για το λόγο αυτόν μόνο σε περιοχές με σημαντικές βροχοπτώσεις, πλούσιες πηγές και κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση είναι δυνατόν να κατασκευαστούν υδροηλεκτρικά έργα. Συνήθως η ενέργεια που τελικώς παράγεται, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά ως προς άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, καλύπτοντας φορτία αιχμής. Στη χώρα μας η υδροηλεκτρική ενέργεια ικανοποιεί περίπου το 9% των ενεργειακών μας αναγκών σε ηλεκτρισμό. 27

28 1.5.2 Ταξινόμηση Υδροηλεκτρικών Έργων Τα υδροηλεκτρικά έργα ταξινομούνται σε μεγάλης και μικρής κλίμακας Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά έργα διαφέρουν σημαντικά από της μεγάλης κλίμακας σε ότι αφορά τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Οι μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικές μονάδες απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών με σημαντικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Η κατασκευή φραγμάτων περιορίζει τη μετακίνηση των ψαριών, της άγριας ζωής και επηρεάζει ολόκληρο το οικοσύστημα καθώς μεταβάλλει ριζικά τη μορφολογία της περιοχής. Αντίθετα, τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά εγκαθίστανται δίπλα σε ποτάμια ή κανάλια και η λειτουργία τους παρουσιάζει πολύ μικρότερη περιβαλλοντική όχληση. Για το λόγο αυτό, οι υδροηλεκτρικές μονάδες μικρότερης δυναμικότητας των 30 MW χαρακτηρίζονται ως μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά έργα και συμπεριλαμβάνονται μεταξύ των εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Κατά τη λειτουργία τους, μέρος της ροής ενός ποταμού οδηγείται σε στρόβιλο για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας και συνακόλουθα ηλεκτρικής μέσω της γεννήτριας. Η χρησιμοποιούμενη ποσότητα νερού κατόπιν επιστρέφει στο φυσικό ταμιευτήρα ακολουθώντας τη φυσική της ροή Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Υδροηλεκτρικών Σταθμών Πλεονεκτήματα Φιλική στο περιβάλλον. Η παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας δεν μολύνει το περιβάλλον Αξιόπιστη. Σε σχέση με τις υπόλοιπες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, είναι μακράν η πιο αξιόπιστη, επειδή έχει αδιάλειπτη λειτουργία. Προσβάσιμη. Από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι η ευκολότερη να αξιοποιηθεί. Χαμηλό Κόστος Λειτουργίας. Η λειτουργία ενός υδροηλεκτρικού σταθμού δεν παρουσιάζει κανένα μεγάλο κόστος. Επιπλέον, το νερό μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί για τη γεωργία, την άρδευση, την ύδρευση πόλεων, κτλ., ως εκ τούτου οι απώλειες είναι ελάχιστες. Μεγάλη διάρκεια ζωής. Τα φράγματα και οι υδροηλεκτρική σταθμοί έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και μπορούν να δίνουν ενέργεια για πολλά χρόνια. 28

29 Γρήγορη εκκίνηση. Σε αντίθεση με πολλούς θερμοηλεκτρικούς σταθμούς που χρειάζονται πολλές ώρες για να ξεκινήσουν να λειτουργούν. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί μπορούν να ξεκινήσουν σε λίγα λεπτά (ή ακόμα και δευτερόλεπτα) Αποθήκευση ενέργειας. Οι υδραντλητικοί σταθμοί μπορούν να ανεβάζουν νερό στην δεξαμενή όταν υπάρχει περίσσεια ενέργειας και να το χρησιμοποιούν σε ώρες αιχμής. Επιπλέον δυνατότητες. Μέσω των υδατοταμιευτήρων δίνεται η δυνατότητα να ικανοποιηθούν και άλλες ανάγκες, όπως ύδρευση, άρδευση, ανάσχεση χειμάρρων, δημιουργία υγροτόπων, περιοχών αναψυχής και αθλητισμού. Επίσης μπορούν να επωφεληθούν και οι ιχθυοκαλλιέργειες. Μειονεκτήματα Κατασκευή. Η κατασκευή του φράγματος και του υδροηλεκτρικού σταθμού είναι έργο μεγάλης κλίμακας. Αυτό σημαίνει ότι απαιτεί μεγάλο αρχικό κεφάλαιο και πολύ χρόνο για την ολοκλήρωση του έργου. Μέγεθος Δεξαμενής. Η δεξαμενή που απαιτούνε τα μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικά εργοστάσια είναι τεράστια. Η κατασκευή μιας τέτοιας δεξαμενής μπορεί να καταστρέψει γειτονικούς βιοτόπους ή ακόμα και να αναγκάσει πολλές οικογένειες που μένουν εκεί να μετεγκατασταθούν. Ξηρασίες. Οι περίοδοι παρατεταμένης ξηρασίας μπορεί να έχουν επιπτώσεις στην παραγωγή ενέργειας. Σεισμική Επικινδυνότητα. Έχει παρατηρηθεί ότι στην Κίνα και στο Uttarakhand (Ινδία), οι μεγάλες κατασκευές φραγμάτων είναι υπεύθυνες για τις μεγάλης κλίμακας σεισμούς, που σημειώθηκαν σε αυτές τις περιοχές. Κατασκευή σε Περιορισμένες Τοποθεσίες. Σε αντίθεση με τις πρώτες δυο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που είδαμε, η υδροηλεκτρική ενέργεια δεν είναι άφθονη στην φύση. Ειδικά μεγάλου μεγέθους υδροηλεκτρικοί σταθμοί μπορούν να κατασκευαστούν μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές (όπου υπάρχει μεγάλη μάζα ή ροή νερού, υψομετρική διαφορά μεταξύ δεξαμενής και γεννήτριας, απαιτούμενος χώρος για δεξαμενή και σταθμό κτλ) Ατυχήματα. Παρά το μέγεθος και την αντοχή των φραγμάτων έχουν υπάρξει ατυχήματα σε περιόδους παρατεταμένης βροχοπτώσεως. Τα ατυχήματα αυτά μάλιστα προκαλούν τεράστιες ζημιές στην φύση και σε γειτονικές κοινότητες. 29

30 1.6 Γεωθερμική Ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια ονομάζεται η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμφανίζεται με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού. Η ενέργεια αυτή σχετίζεται με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της κάθε περιοχής. Είναι μια ανανεώσιμη μορφή ενέργειας που πηγάζει από το εσωτερικό της γης. Μεταφέρεται στην επιφάνεια με θερμική επαγωγή και με την είσοδο στον φλοιό της γης λειωμένου μάγματος από τα βαθύτερα στρώματά της. Για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, ζεστό νερό σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 150 o C μέχρι περισσότερο από 370 o C μεταφέρεται σε γεωτρήσεις από υπόγειες δεξαμενές σε ειδικές δεξαμενές και με την απελευθέρωση της πίεσης μετατρέπεται σε ατμό. Ο ατμός διαχωρίζεται από τα ρευστά διοχετεύονται σε περιφερειακά τμήματα της δεξαμενής για να βοηθήσουν να διατηρηθεί η πίεση. Αν η δεξαμενή χρησιμοποιηθεί για άμεση χρήση της θερμότητας τα γεωθερμικά ρευστά τροφοδοτούν έναν εναλλάκτη θερμότητας και να επιστέψουν στη γη. Το ζεστό νερό από την έξοδο του εναλλάκτη χρησιμοποιείται για την θέρμανση κτηρίων, θερμοκηπίων κ.α. Οι γεωθερμικές περιοχές συχνά εντοπίζονται από τον ατμό που βγαίνει από σχισμές του φλοιού της γης ή από την παρουσία θερμών πηγών. Για να υφίσταται διαθέσιμο θερμό νερό ή ατμό σε μια περιοχή πρέπει να υπάρχει κάποιος υπόγειος ταμιευτήρας αποθήκευσης του κοντά σε ένα θερμικό κέντρο. Στην περίπτωση αυτή, το νερό του ταμιευτήρια που συνήθως είναι βρόχινο νερό που έχει διεισδύσει στους βαθύτερους ορίζοντες της γης, θερμαίνεται και ανεβαίνει προς την επιφάνεια. Τα θερμικά αυτά ρευστά εμφανίζονται στην επιφάνεια είτε με τη μορφή θερμού νερού ή 30

31 ατμού όπως προαναφέρθηκε είτε αντλούνται με γεώτρηση και αφού χρησιμοποιηθεί η θερμική τους ενέργεια, γίνεται επανέγχυση του ρευστού στο έδαφος με δεύτερη γεώτρηση. Έτσι ενισχύεται η μακροβιότητα του ταμιευτήρια και αποφεύγεται η θερμική ρύπανση του περιβάλλοντος Εφαρμογές Γεωθερμικής Ενέργειας Η βασική εφαρμογή της γεωθερμικής ενέργειας βασίζεται στη χρήση της θερμότητας της γης για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και άλλες χρήσεις (θέρμανση κτηρίων, θερμοκηπίων). Αυτή η θερμότητα μπορεί να προέρχεται από γεωθερμικά γκάιζερ που φθάνουν με φυσικό τρόπο ως την επιφάνεια της γης ή γεώτρηση στον φλοιό της γης σε περιοχές που η θερμότητα βρίσκεται αρκετά κοντά στην επιφάνεια. Αυτές οι πηγές είναι συνήθως από μερικές εκατοντάδες μέχρι 3000 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της γης. Μια δεύτερη εφαρμογή της γεωθερμικής ενέργειας εκμεταλλεύεται τις θερμές μάζες εδάφους ή υπογείων υδάτων για να κινήσουν θερμικές αντλίες για εφαρμογές θέρμανση και ψύξης Η κυριότερη θερμική χρήση της γεωθερμικής ενέργειας σήμερα, τόσο στην Ελλάδα όσο και παγκόσμια, αφορά στη θέρμανση θερμοκηπίων. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στις υδατοκαλλιέργειες, δεδομένου ότι πολλά είδη υδροβίων οργανισμών, όπως χέλια, γαρίδες ή φύκια αναπτύσσονται γρηγορότερα σε αυξημένες θερμοκρασίες ( 25 έως 30 o C ). Άλλη διαδεδομένη χρήση της γεωθερμίας είναι η θέρμανση οικισμών. Η θερμική ενέργεια που δεσμεύεται από τη γεωθερμική πηγή διοχετεύεται προς τους χρήστες με την βοήθεια ενός δικτύου αγωγών (τηλεθέρμανση). Στις άνυδρες νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές, μια άλλη εφαρμογή μπορεί να είναι θερμική αφαλάτωση θαλασσινού νερού, ενώ στις περιπτώσεις γεωθερμικών ρευστών υψηλής θερμοκρασίας ( 150 o C ) μπορεί να γίνει παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με την εκτόνωση ατμού. Η Ελλάδα διαθέτει μεγάλο αριθμό επιβεβαιωμένων γεωθερμικών πεδίων που είναι διάσπαρτα σε ολόκληρη σχεδόν τη χώρα, όπως η Ν.Κεσσάνη Ξάνθης, η Νιγρίτα Σερρών, η Λαγκαδά, η Θεσσαλονίκη, η Ελαιοχώρα Χαλκιδικής, η Στύψη και ο Άργεννος Λέσβου, η Μήλος, η Σαντορίνη και η Νίσυρος. Η συστηματική εκμετάλλευση τους μπορεί να επιφέρει στη χώρα μας σημαντικά οφέλη Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Γεωθερμικής Ενέργειας Πλεονεκτήματα Χαμηλές Εκπομπές. Ένας μέσο γεωθερμικός σταθμός παράγει περίπου 122 kg CO 2 για κάθε MWh ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό είναι περίπου το ένα όγδοο από των εκπομπών ενός ηλεκτρικού σταθμού καύσης άνθρακα. Ανανεώσιμη. Οι πηγές της ενέργειας αυτής αναπληρώνονται φυσικά, πράγμα που την κάνει ανεξάντλητη. 31

32 Δυνατότητες Επέκτασης. Μελέτες δείχνουν δυνατότητες παραγωγής εώς και 2TW παγκοσμίως. Τροφοδότηση φορτίου βάσης. Σε αντίθεση με τις υπόλοιπες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η γεωθερμική είναι η μόνη που μπορεί να τροφοδοτήσει φορτία βάσης. Ψύξη/Θέρμανση. Μπορεί να χρησιμεύσει για την ψύξη και την θέρμανση ακόμα και μικρών σπιτιών. Αυτό γίνεται μέσω της διαφοράς θερμοκρασίας που έχει η επιφάνειας της Γής σε σχέση με λίγα μέτρα στο εσωτερικό της. Χαμηλό κόστος. Επειδή δεν χρησιμοποιεί καύσιμο, μπορεί να βοηθήσει στην σταθερότητα των τιμών του ρεύματος. Μικρές Εγκαταστάσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του σταθμού μπορεί να κατασκευαστεί κάτω από το έδαφος. Μειονεκτήματα Περιβαλλοντολογικές Επιπτώσεις. Υπάρχουν πολλά αέρια θερμοκηπίου στο εσωτερικό της Γής που απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα μέσω των γεωθερμικών σταθμών. Αυτά είναι κυρίως διοξείδιο του θείου ( SO 2 )και διοξείδιο του πυριτίου ( SiO 2 ). Σε κάθε περίπτωση οι εκπομπές ενός γεωθερμικού σταθμού δεν φτάνουν αυτές ενός σταθμού που χρησιμοποιεί ορυκτά καύσιμα, όμως σε σχέση με τις υπόλοιπες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, που πρακτικά δεν μολύνουν καθόλου το περιβάλλον, αυτό μπορεί να θεωρηθεί μειονέκτημα. Αστάθεια Εδάφους - Σεισμική Επικινδυνότητα. Η κατασκευή ενός γεωθερμικού σταθμού μπορεί να έχει επιπτώσεις στην ευστάθεια της περιοχής. Στην πράξη, γεωθερμικοί σταθμοί έχουν οδηγήσει σε καθιζήσεις τόσο στη Γερμανία όσο και στη Νέα Ζηλανδία. Σεισμοί μπορούν να προκληθούν από υδραυλική ρωγμάτωση, η οποία είναι αναπόσπαστο μέρος της ανάπτυξης σταθμών «ενισχυμένου γεωθερμικού συστήματος» (enhanced geothermal system - EGS). Τον Ιανουάριο του 1997 η κατασκευή ενός γεωθερμικού σταθμού οδήγησε σε σεισμό 3.4 Richter. Κόστος Κατασκευής. Το αρχικό κεφάλαιο που απαιτείται για την κατασκευή ενός γεωθερμικού σταθμού είναι πολύ υψηλό, εξαιτίας κυρίως της γεώτρησης που απαιτείται. Τέτοιες επενδύσεις κάνουν μακροχρόνιες αποσβέσεις (της τάξης των χρόνων). Περιορισμένες Τοποθεσίες. Τα μεγάλα κοιτάσματα γεωθερμικής ενέργειας είναι σπάνια στην φύση και γι αυτό δεν μπορεί αυτή η μορφή ενέργειας να εξυπηρετήσει όλες τις χώρες. 32

33 1.7 Ενέργεια από Βιομάζα Η βιομάζα είναι το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των προϊόντων, αποβλήτων και υπολειμμάτων που προέρχονται από τη γεωργία, (συμπεριλαμβανομένων των φυτικών και των ζωικών ουσιών), τη δασοκομία και τις συναφείς βιομηχανίες, καθώς και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των βιομηχανικών και αστικών αποβλήτων. Ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά περιλαμβάνεται σε αυτήν οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από τον φυτικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, με τον όρο βιομάζα εννοούμε τα φυτικά και δασικά υπολείμματα (καυσόξυλα, κλαδοδέματα, άχυρα, πριονίδια, ελαιοπυρήνες, κουκούτσια), τα ζωικά απόβλητα (κοπριά, άχρηστα αλιεύματα), τα φυτά που καλλιεργούνται στις ενεργειακές φυτείες για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας, καθώς επίσης και τα αστικά απορρίμματα και τα υπολείμματα της βιομηχανίας τροφίμων, της αγροτικής βιομηχανίας και το βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα των αστικών απορριμμάτων. Η βιομάζα χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (θέρμανσης, ψύξης, ηλεκτρισμού κ.λπ.) και ακόμα για την παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων (βιοαιθανόλη, βιοντήζελ κ.λπ.). 33

34 1.7.1 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Βιομάζας Πλεονεκτήματα Ανανεώσιμη. Πάντα θα υπάρχουν πηγές βιομάζας, όπως οι καλλιέργειες, οι κοπριές και τα σκουπίδια. Η ανανέωση των πηγών αυτών απαιτεί μερικούς μήνες για να ολοκληρωθεί. Διατήρηση Άνθρακα. Η βιομάζα είναι κομμάτι του «κύκλου του άνθρακα». Ο ατμοσφαιρικός άνθρακας απορροφάται από τα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης, γίνεται καύσιμο και ελευθερώνεται ξανά στην ατμόσφαιρα. Εξαιτίας αυτού του κύκλου, η βιομάζα δεν συμβάλλει στην υπερθέρμανση του πλανήτη, γιατί όσο άνθρακα θα ελευθερώσει στην ατμόσφαιρα, τόσο έχει απορροφήσει ήδη από αυτήν. Οικονομικά Συμφέρουσα. Το κόστος της βιομάζας συνήθως είναι το 1/3 αυτού των συμβατικών καυσίμων Άφθονη. Βιομάζα υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες σε όλον τον πλανήτη. Επίσης, επειδή η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της σε ενέργεια συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα και βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. Αγροτική Ανάπτυξη. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας σε μια περιοχή, αυξάνει την απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με τη χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών (διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμι, κενάφ) τη δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες (ηλίανθος κ.ά.), και τη συγκράτηση του πληθυσμού στις εστίες τους, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικόοικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Μελέτες έχουν δείξει ότι η παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων έχει θετικά αποτελέσματα στον τομέα της απασχόλησης τόσο στον αγροτικό όσο και στο βιομηχανικό χώρο. Μειονεκτήματα Όγκος. Τόσο η παραγωγή όσο και η αποθήκευση της βιομάζας απαιτούν μεγάλους αποθηκευτικούς χώρους. Υψηλό Κόστος Παραγωγής. Οι σύγχρονες και βελτιωμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας απαιτούν υψηλό κόστος εξοπλισμού, συγκρινόμενες με αυτό των συμβατικών καυσίμων. Εποχιακή. Η μεγάλη διασπορά και η εποχιακή παραγωγή της βιομάζας δυσκολεύουν την συνεχή τροφοδοσία με πρώτη ύλη των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας. 34

35 1.8 Ενέργεια από τις Θάλασσες Οι ωκεανοί, που καλύπτουν το μεγαλύτερο τμήμα του πλανήτη μας, είναι μια τεράστια αποθήκη ενέργειας. Υπάρχει μηχανική ενέργεια στα παλιρροιακά κύματα, στα κύματα και στα θαλάσσια ρεύματα. Υπάρχει επίσης τεράστιο απόθεμα θερμικής ενέργειας, στη θερμότητα του νερού των ωκεανών. Το πρόβλημα είναι ότι αυτές οι μεγάλες ποσότητες ενέργειας είναι αρκετά διασκορπισμένες. Η ενέργεια των θαλάσσιων ρευμάτων, των κυμάτων και των ωκεανών προέρχεται από τον ήλιο. Η ενέργεια των παλιρροιακών κυμάτων όμως προέρχεται από την έλξη που ασκούν το φεγγάρι και ο ήλιος στα νερά των ωκεανών. Ο πρώτος παλιρροϊκός σταθμός κατασκευάσθηκε στον ποταμό La Rance στις ακτές της Βορειοδυτικής Γαλλίας το 1962 και οι υδροστρόβιλοί του μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καθώς το νερό κινείται κατά τη μια ή την άλλη κατεύθυνση. Άλλοι τέτοιοι σταθμοί λειτουργούν στη Ρωσία, στη θάλασσα Barents και στον κόλπο Fuhdy της Νέας Σκοτίας. Η θερμική ενέργεια των ωκεανών μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί με την εκμετάλλευση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του θερμότερου επιφανειακού νερού και του ψυχρότερου νερού του πυθμένα. Η διαφορά αυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον 3.5 o C. Τα πλεονεκτήματα από τη χρήση της ενέργειας των ωκεανών, εκτός από "καθαρή" και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, με τα γνωστά ευεργετήματα, είναι το σχετικά μικρό κόστος κατασκευής των απαιτούμενων εγκαταστάσεων, η μεγάλη απόδοση (40-70 KW ανά μέτρο μετώπων κύματος) και η δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση από το άφθονο θαλασσινό νερό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο. Στα μειονεκτήματα αναφέρεται το κόστος μεταφοράς της ενέργειας στη στεριά. Υπάρχουν τρείς βασικοί τρόποι να πάρουμε ενέργεια από την θάλασσα: από τα κύματα, από τις παλίρροιες καθώς και η εκμετάλλευση της θερμικής ενέργειας της θάλασσας. 35

36 1.8.1 Ενέργεια από τα Κύματα Τα θαλάσσια κύματα προκαλούνται από τον αέρα όπως φυσά πέρα από τη θάλασσα. Τα κύματα είναι μια ισχυρή πηγή ενέργειας. Το πρόβλημα είναι ότι δεν είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί αυτή η ενέργεια για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλα ποσά. κατά συνέπεια, οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος κυμάτων είναι σπάνιοι. Στα κύματα υπάρχει τουλάχιστον δεκαπλάσια ενέργεια από αυτή που υπάρχει στην παλίρροια. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι παραγωγής ενέργειας από τα κύματα, αλλά μια από τις αποτελεσματικότερες λειτουργεί όπως μια μηχανή κυμάτων πισινών. Έτσι, σε μια πισίνα, ο αέρας φυσιέται μέσα και έξω από μια μηχανή εκτός από τη λίμνη, η οποία κάνει το νερό να μετακινείται πάνω-κάτω, προκαλώντας τα κύματα. Παρόμοια, σε έναν σταθμό παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος κυμάτων, η άφιξη των κυμάτων προκαλεί άνοδο και πτώση του νερού εντός του θαλάμου του σταθμού, το οποίο προκαλεί τον αέρα να κινείται μέσα και έξω από μια τρύπα στην κορυφή του θαλάμου. Σε αυτή τη τρύπα τοποθετούμαι μία τουρμπίνα, η οποία γυρίζει με την κίνηση του αέρα μέσα-έξω, με αποτέλεσμα η τουρμπίνα να λειτουργεί ως γεννήτρια. 36

37 Ένα πρόβλημα σε αυτό το σχέδιο είναι ότι ο κινούμενος αέρας μπορεί να είναι πολύ θορυβώδης, εκτός και εάν εγκατασταθεί στο στρόβιλο σιγαστήρας. Ο θόρυβος δεν είναι τεράστιο πρόβλημα, δεδομένου ότι τα κύματα κάνουν αρκετό θόρυβο από μόνα τους. Το σύστημα εκμεταλλεύεται την ταχύτητα του κύματος, το ύψος, το βάθος και τη ροή κάτω από το πλησιάζον κύμα, παράγοντας κατά συνέπεια την ενέργεια αποτελεσματικότερα και φτηνότερα από άλλα θαλάσσια κύματα και τις υπόλοιπες συμβατικές τεχνολογίες. Μια από τις ελπιδοφόρες κατασκευές ονομάζεται «πάπια». Αποτελείται από μια σειρά από πτερύγια που κινούνται από τα κύματα πάνω-κάτω, όπως οι πάπιες. Η κίνησή τους γίνεται με άξονα μια κοιλότητα που περιέχει λάδι. Με την κίνηση τους αντλούν το λάδι και δίνουν κίνηση σε έναν στρόβιλο που με τη σειρά του κινεί μια γεννήτρια. Το πρόβλημα είναι ότι η γραμμή των πτερυγίων πρέπει να έχει μήκος μεγαλύτερο από ένα χιλιόμετρο Παλιρροϊκή Ενέργεια 37

38 Στα περισσότερα μέρη του πλανήτη μας τα νερά των θαλασσών κάνουν δύο κινήσεις κάθε ημέρα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται παλίρροια και οι δύο κινήσεις άμπωτη και πλημμυρίδα. Η διαφορά στη στάθμη της θάλασσας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας. Οι υδατοστρόβιλοι τοποθετούνται σε ένα φράγμα που κατασκευάζεται στις εκβολές ενός ποταμού προς τη θάλασσα. Σε λίγα όμως σημεία της γης η διαφορά της στάθμης είναι τόσο σημαντική, ώστε να είναι αξιοποιήσιμη. Ένα από αυτά είναι οι εκβολές του ποταμού Ρέινς στη βορειοδυτική Γαλλία όπου η διαφορά της στάθμης φθάνει τα 12 μέτρα. Εκεί λειτουργεί ένας σταθμός παραγωγής ενέργειας από το Άλλοι γνωστοί σταθμοί υπάρχουν, στη θάλασσα Μπάρεντς στην Ρωσία και στις εκβολές του ποταμού Σέβερν στην Αγγλία. Ο τρόπος παραγωγής ηλεκτρισμού από τις παλίρροιες μοιάζει πολύ με αυτόν της υδροηλεκτρικής ενέργειας με τη διαφορά ότι το νερό κινείται σε δύο κατευθύνσεις, ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη στην κατασκευή γεννητριών. Το πιο απλό σύστημα παραγωγής ενέργειας από παλίρροιες περιλαμβάνει ένα φράγμα στην εκβολή ενός ποταμού. Κάποιες θύρες στο φράγμα επιτρέπουν την είσοδο θαλασσινού νερού στη δεξαμενή που σχηματίζεται πίσω από το φράγμα. Η κίνηση του νερού προς τη δεξαμενή κατά την άνοδο της παλίρροιας και από την δεξαμενή κατά την άμπωτη κινεί τουρμπίνες και γεννήτριες πού παράγουν ηλεκτρισμό. Πολλά είδη τουρμπίνας χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από παλίρροιες. Για παράδειγμα η μονάδα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος La Rance κοντά στο St Malo στις ακτές της Βρεττάνης στη Γαλλία χρησιμοποιεί τουρμπίνα όπου το νερό περνάει γύρω από αυτή κάνοντας την συντήρηση της δύσκολη αφού η πρόσβαση προς αυτή είναι δύσκολη. Οι τουρμπίνες όπως αυτή που χρησιμοποιείται στην Annapolis Royal στη Nova Scotia μειώνουν αυτό το πρόβλημα αφού η γεννήτρια είναι πάνω σε μια ξεχωριστή κατασκευή. Αρκετά προγράμματα εκμετάλλευσης της παλιρροϊκής ενέργειας στην Μεγάλη Βρετανία προτείνουν τη χρήση κυλινδρικών τουρμπίνων. Σ αυτές η φτερωτή συνδέεται μέσω ενός μεγάλου άξονα με κάποια κλίση με τη γεννήτρια έτσι ώστε η πρόσβαση και η συντήρηση να είναι εύκολη. Οι παλιρροϊκοί φράχτες μοιάζουν με τεράστιες περιστρεφόμενες πόρτες που μπλοκάρουν εντελώς την είσοδο ενός καναλιού έτσι ώστε όλο το νερό της παλίρροιας να περνάει από αυτές. Μετά την πετρελαϊκή κρίση του 1970 προτάθηκε η χρήση παλιρροϊκών γεννητριών αλλά μόλις τα τελευταία πέντε χρόνια άρχισε η κατασκευή τους όταν λειτούργησε η τουρμπίνα στο Loch Linnhe. Μοιάζει με ανεμογεννήτρια αλλά προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες, μέσα στα οποία είναι και οι μειωμένες αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι παλιρροϊκές γεννήτριες εκμεταλλεύονται τα παλιρροϊκά ρεύματα που κινούνται με ταχύτητα 2-3 m/s για να παράγουν ηλεκτρισμό μεταξύ 4 και 13 KW/m2 38

39 1.8.3 Θερμική Ενέργεια Θαλασσών Στις τροπικές περιοχές ο ήλιος θερμαίνει το νερό στην επιφάνεια της θάλασσας, μέχρι και 25 o C. Ένας από τους πιθανούς τρόπους εκμετάλλευσης θα ήταν να χρησιμοποιηθεί η θερμότητα του νερού, για να μετατρέψει μια ουσία από την υγρή στην αέρια κατάστασή της. Στη συνέχεια με την αντίστροφη μετατροπή θα μπορούσαμε να αξιοποιήσουμε την ενέργεια. Ένα παράδειγμα της παραπάνω εφαρμογής με αμμωνία ως το μεσο μεταφοράς της ενέργειας είναι το εξής: Η αμμωνία (NH 3 ) είναι μια ουσία η οποία έχει θερμοκρασία βρασμού τους C (υπο πίεση 1atm), συνεπώς βρίσκεται σε αέρια μορφή στη φύση. Στον βυθό του ωκεανού όπου η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή (εώς και 0 C) η αμμωνία μπορεί να πάρει υγρή μορφή εύκολα με τη χρήση ενός συμπυκνωτή. Η υγρή αμμωνία, θα οδηγείται προς την επιφάνεια μέσω σωληνώσεων. Καθώς θα θερμαίνεται από το νερό του ωκεανού, θα μετατρέπεται σε αέριο, το οποίο θα κινεί μια γεννήτρια. Στη συνέχεια θα οδηγείται πάλι προς τον βυθό όπου θα ξαναμετατρέπεται σε υγρή αμμωνία στον συμπυκνωτή. 39

40 1.8.4 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της ενέργειας των θαλασσών. Πλεονεκτήματα Ανανεώσιμη. Ανήκει στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, πράγμα που σημαίνει ότι δεν πρόκειται να εξαντληθεί ποτέ. Φιλική στο περιβάλλον. Δεν μολύνει το περιβάλλον ούτε με κατάλοιπα ούτε με εκπομπές. Τεράστιες Δυνατότητες. Το μεγαλύτερο μέρος της Γής καλύπτεται από θάλασσες, ενώ ακτογραμμή παγκοσμίως είναι πολύ μεγάλη. Σε συνδυασμό οι τρείς τρόποι παραγωγής ενέργειας από την θάλασσα θα μπορούσαν να δώσουν πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας αρκετά για καλύψουμε τις ενεργειακές ανάγκες του πλανήτη. Αξιόπιστη. Σε αντίθεση με τις περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, οι παλίρροιες και τα κύματα μπορούν να δίνουν αδιάλειπτα ενέργεια. Χαμηλό Κόστος Λειτουργίας. Δεν είναι ακριβή η λειτουργία και η συντήρηση των μονάδων παραγωγής ενέργειας μέσω των θαλάσσιων κυμάτων. Αποδοτική από άποψη χώρου. Μια «φάρμα κυμάτων» μεγέθους μικτότερου από μισό τετραγωνικό μίλι, αποδίδει παραπάνω από 30MW ισχύος. Αρκετή για να τροφοδοτήσει πάνω από σπίτια. Μειονεκτήματα Οικονομικές Επιπτώσεις. Οι «φάρμες κυμάτων» είναι ορατές και από την στεριά και μπορεί να προκαλέσουν τουριστικά προβλήματα και αντιδράσεις γειτονικών κατοίκων. Επίσης μπορεί να οδηγήσουν στην υποβάθμιση της περιοχής. Κόστος. Σε πολλές περιπτώσεις η κατασκευή και η μελέτη τέτοιων έργων μπορεί να έχει μεγάλο κόστος. Η διάρκεια ζωής είναι αβέβαιη και επειδή είναι σχετικά νέα τεχνολογία δεν υπάρχουν αξιόπιστα δεδομένα για το πόσο μπορούν να λειτουργούν τέτοιοι σταθμοί 40

41 Κεφάλαιο 2 Φωτοβολταϊκά Συστήματα 41

42 2.1 Εισαγωγή Με τον γενικό όρο φωτοβολταϊκά χαρακτηρίζονται οι βιομηχανικές διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στην ουσία πρόκειται για ηλεκτρογεννήτριες που συγκροτούνται από πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία σε επίπεδη διάταξη που έχουν ως βάση λειτουργίας το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το Φωτοβολταϊκό φαινόμενο περιγράφεται ως η πόλωση των ηλεκτρικών φορτίων συγκεκριμένων υλικών όταν αυτά εκτεθούν σε φωτεινή ακτινοβολία. Κάτι τέτοιο παρατηρείται στα φυσικά στοιχεία που ανήκουν στην ομάδα των ημιαγωγών καθώς και στις τεχνητές ημιαγωγές διατάξεις. Η πόλωση των ηλεκτρικών φορτίων συνεπάγει τη δημιουργία διαφοράς δυναμικού μεταξύ των δημιουργουμένων πόλων, δηλαδή τη δημιουργία μιας υποτυπώδους ηλεκτρικής γεννήτρια. 2.2 Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Για να περιγράψουμε την λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου πρέπει πρώτα να περιγράψουμε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ημιαγωγός Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά, το συνηθέστεροτων οποίων είναι το πυρίτιο. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό κύτταρο, μέρος της ακτινοβολίας διεγείρει ηλεκτρόνια τα οποία υπερνικούν το έργο εξόδου και πλέον μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα στον ημιαγωγό. Η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου υποχρεώνει τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς συγκεκριμένη κατεύθυνση, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Για να αυξηθεί η ροή των ελεύθερων ηλεκτρονίων προστίθενται στο καθαρό κρυσταλλικό πυρίτιο προσμίξεις, όπως ο φώσφορος και το βόριο. Το άτομο του πυρητίου έχει 14 ηλεκτρόνια κατανεμημένα σε τρείς στοιβάδες. Οι δυο κοντινότερες στον πυρήνα είναι συμπληρωμένες με 2 και 8 ηλεκτρόνια αντίστοιχα, ενώ στην εξωτερική στοιβάδα βρίσκονται τα υπόλοιπα 4 ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας είναι αυτά τα οποία συμμετέχουν σε δεσμούς. Το καθαρό κρυσταλλικό πυρίτιο δεν είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού καθώς δεν υπάρχουν ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια. Όταν διοχετεύεται ενέργεια στο κρυσταλλικό πυρίτιο, κάποια ηλεκτρόνια διεγείρονται, σπάζουν τους δεσμούς τους και απομακρύνονται προς γειτονικά τους άτομα. Το άτομο πυρητήου από το οποίο αποσπάστηκε το ηλεκτρόνιο είναι πλέον ένα θετικά φορτισμένο ιον το οποίο μπορεί να έλξει άλλα ηλεκτρόνια. Αυτήν την «κενή θέση» την οποία δημιουργεί το 42

43 ηλεκτρόνιο όταν φεύγει την ονομάζουμε «οπή». Οι οπές έχουν θετικό φορτίο ίσο κατά μέτρο με το φορτίο του ηλεκτρονίου. Ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε εναν ημιαγωγό είναι μικρός και έτσι δεν μπορεί να χρησιμεύσει στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Για το λόγο αυτό εισάγονται άτομα άλλων στοιχείων στην κρυσταλλική δομή, όπως π.χ. φωσφόρου, το οποίο ονομάζεται και «δότης» ενώ το πυρήτιο «αποδέκτης». Ο φώσφορος έχει 5 ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα. Τα 4 συμμετέχουν σε δεσμούς με τα γειτονικά άτομα πυρητίου, ενώ το πέμπτο συγκρατείται ηλεκτροστατικά από τα πρωτόνια του πυρήνα. Το συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο απαιτεί σημαντικά χαμηλότερη ενέργεια για να απομακρυνθεί απο τον πυρήνα και να κινηθεί ελεύθερα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Τα ηλεκτρόνια αυτά του φωσφόρου που συμμετέχουν στην αγωγή είναι πολύ περισσότερα απο τα αντίστοιχα ηλεκτρόνια του πυρητίου και έτσι ο «ντοπαρισμένος ημιαγωγός» είναι πολύ πιο αγώγιμος απο τον αντίστοιχο ενδογενή. Επιλέγοντας το ποσοστό του δότη σε σχέση με του αποδέκτη μπορούμε να επιλέξουμε την επιθυμητή αγωγιμότητα. Η πρόσμιξη του κρυσταλλικού πυριτίου με άτομα φωσφόρου δημιουργεί ημιαγωγό τύπου n. Όταν προστίθεται στο κρυσταλλικό πυρίτιο βόριο προκύπτουν ημιαγωγοί τύπου p. Το βόριο έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 3 ηλεκτρόνια που συμμετέχουν σε δεσμούς με άτομα πυριτίου. Επειδή σε κάθε άτομο απαιτούνται 8 ηλεκτρόνια για τη συμπλήρωση της εξωτερικής τους στοιβάδας, στην εξωτερική στοιβάδα του βορίου υπάρχουν διαθέσιμες 2 ελεύθερες θέσεις ηλεκτρονίων, δημιουργώντας έτσι δυο οπές στη δομή του υλικού, οι οποίες μπορούν να καταληφθούν απο άλλα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Σημαντικό είναι να επισημάνουμε οτι οι ημιαγωγοί τύπου p και n παρά την περήσεια ηλεκτρονίων και οπών είναι ηλεκτρικά ουδέτεροι. Στην παρακάτω εικόνα φαίνονται τα αποτελέσματα των προσμίξεων φωσφόρου (P) και βορίου (B) στο κρυσταλλικό πλέγμα του πυριτίου (Si): 43

44 2.2.2 Επαφή p-n Ενώνοντας δυο ημιαγωγούς τύπου p και n μεταξύ τους σχηματίζουμε ενα ηλεκτρικό στοιχείο που ονομάζεται δίοδος. Ενδιαφέρον έχει να μελετήσουμε τι συμβαίναι στο σημείο επαφής του ημιαγωγού τύπου p με αυτόν τύπου n. Λόγω της ασυμμετρίας στη συγκέντρωση ηλεκτρονίων και οπών που παρουσιάζουν οι δύο περιοχές παρατηρείται στην περιοχή της επαφής τους το φαινόμενο της διάχυσης. Σύμφωνα με αυτό, ηλεκτρόνια από την περιοχή n (που έχει περίσσεια ηλεκτρονίων) μεταφέρονται προς την περιοχή p με αποτέλεσμα είναι να δημιουργείται στον ημιαγωγό n μια περιοχή κοντά στην διεπαφή p-n όπου είναι θετικά φορτίσμένη. Αντίστοιχα οπές από την περιοχή p (που έχει έλλειμα ηλεκτρονίων δηλαδή περίσσεια οπών) μεταφέρονται στην περιοχή n. Συνέπεια αυτού είναι ένα τμήμα του ημιαγωγού p κοντά στην διεπαφή p-n να είναι αρνητικά φορτίσμένο. Την περιοχή αυτή κοντά στην επαφή που υπάρχουν θετικά και αρνητικά φορτία την ονομάζουμε ζώνη απογύμνωσης. Λόγω του παραπάνω φαινομένου δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαφής p-n πράγμα που συνεπάγει την δημιουργία ενός εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή της επαφής, με κατεύθυνση από την περιοχή n προς την περιοχή p. Το πεδίο αυτό ασκεί μια απωθητική δύναμη προς τα ηλεκτρόνια που προσπαθούν να περάσουν απο την περιοχή n στην p, με αποτέλεσμα να σταματήσει σταδιακά το φαινόμενο της διάχυσης. Με αυτό τον τρόπο το σύστημα επέρχεται σε μια κατάσταση δυναμικής ισορροπίας Ορθή και Ανάστροφη Πόλωση της Διόδου Συνδέοντας την δίοδο σε ενα κύκλωμα, παρατηρούμε δύο τρόπους με τους οποίους μπορούμε να συνδέσουμε μια δίοδο. Ο πρώτος είναι έτσι ώστε η φορά του ρεύματος να περνάει απο τον ημιαγωγό τύπου p στον ημιαγωγό τύπου n (η συμβατική φορά του ρεύματος είναι αντίθετη απο την φορά των ηλεκτρονίων). Αυτό ονομάζεται ορθή πόλωση της διόδου. Ο δεύτερος τρόπος είναι να συνδέσουμε την δίοδο αντίθετα και αποκαλείται ανάστροφη πόλωση. Τις περιπτώσεις αυτές θα τις μελετήσουμε συνδέοντας μια πηγή τάσης στα άκρα της διόδου Στην πρώτη περίπτωση (ορθή πόλωση) ο θετικός πόλος της πηγής συνδέεται με τον ημιαγωγό τύπου p της διόδου. Τότε, τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεμπόδιστα από την πηγή, διαμέσου του τμήματος τύπου n, προς την περιοχή της ένωσης όπου επανασυνδέονται με τις οπές που σχηματίζονται με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής, διαμέσου του τμήματος τύπου p. 44

45 Αντίθετα, στην ανάστροφη πόλωση, δηλαδή αν ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδεθεί με το τμήμα τύπου p και ο θετικός με το τμήμα τύπου n, τότε επανασυνδέονται οι οπές του τμήματος τύπου p με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή, και, από την άλλη μεριά, απομακρύνονται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τμήματος τύπου n, προς το θετικό πόλο της πηγής. Έτσι, οι συγκεντρώσεις των φορέων μειώνονται πάρα πολύ, το πάχος της ζώνης απογύμνωσης αυξάνει, και τα φορτισμένα άτομα των προσμίξεων δημιουργούν ένα ισχυρό εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο που είναι αντίθετο προς το πεδίο που επιβάλλει η πηγή. Το αποτέλεσμα είναι ότι τώρα η δίοδος προβάλει μεγάλη αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα. Δηλαδή μπορεί μια δίοδος που έχει σε ορθή πόλωση αντίσταση μόλις 10Ω, να την αυξάνει στην αντίστροφη πόλωση σε 100 ΜΩ, δηλαδή να γίνεται δέκα εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει ακριβώς την ιδιόμορφη μεταβολή της έντασης του ρεύματος που διαρρέει μια δίοδο ένωσης p-n, σε συνάρτηση με την τιμή της τάσης και το είδος της πόλωσης που εφαρμόζεται. 45

46 2.2.4 Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Φέρνοντας σε επαφή τους ημιαγωγούς τύπου n και p σχηματίζεται ηλεκτρικό πεδίο. Τα ηλεκτρόνια του πυριτίου τύπου n κινούνται προς τις κενές θέσεις του πυριτίου τύπου p για να τις καλύψουν. Στην ένωση των δύο υλικών επιτυγχάνεται ισορροπία και δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα στις δύο πλευρές. Το ηλεκτρικό πεδίο λειτουργεί σαν ηλεκτρόδιο, επιτρέποντας τα ηλεκτρόνια να περάσουν από το πυρίτιο p στο n αλλά όχι αντίστροφα. Όταν φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας, κατάλληλου μήκους κύματος, προσπίπτουν σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο διεγείρουν ηλεκτρόνια και τα ελευθερώνουν δημιουργώντας παράλληλα αντίστοιχες οπές. Κάθε φωτόνιο με αρκετή ενέργεια θα ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο και θα δημιουργήσει μια οπή. Αν αυτό συμβεί κοντά στο ηλεκτρικό πεδίο ή αν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και μια οπή βρεθούν κοντά στην ένωση p-n ημιαγωγών, το πεδίο θα εξαναγκάσει το ηλεκτρόνιο να πάει στον ημιαγωγό n και θα οδηγήσει την οπή στο πυρίτιο p. Αυτό προκαλεί μεγαλύτερη ανισορροπία στην ηλεκτρική ουδετερότητα και αν χρησιμοποιηθεί μία εξωτερική αγώγιμη οδός τα ηλεκτρόνια θα περάσουν μέσα από αυτή για να πάνε στην αρχική τους θέση από όπου το ηλεκτρικό πεδίο τα απομάκρυνε. Η ροή αυτή των ηλεκτρονίων δημιουργεί το ρεύμα, και το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί την τάση του ρεύματος. 46

47 Το μέγιστο θεωρητικό ποσό ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι περίπου το 25% της ενέργειας που δέχεται, αλλά το πιο συνηθισμένο ποσοστό είναι λιγότερο από 15%. Καθώς η ηλιακή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν είναι μονοχρωματική, αποτελείται από φάσμα διαφορετικών μηκών κυμάτων, άρα και από φωτόνια διαφορετικών επιπέδων ενέργειας. Τα φωτόνια χαμηλού ενεργειακού περιεχομένου δεν μπορούν να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού και απλώς διέρχονται μέσα από το φωτοβολταϊκό κύτταρο. Μόνο τα φωτόνια που μεταφέρουν μεγαλύτερη ή ίση ενέργεια από ένα συγκεκριμένο ποσό που εξαρτάται από το υλικό που είναι κατασκευασμένο το κύτταρο (ενεργειακό διάκενο) μπορούν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια. Η τεχνολογία των ημιαγώγιμων υλικών επέτρεψε την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας στην παραγωγή ηλεκτρισμού, καθώς ενδεχόμενη χρήση αγώγιμων υλικών, όπως τα μέταλλα, θα οδηγούσε μεν σε μεγαλύτερη ροή ηλεκτρονίων αλλά θα παρουσίαζε πολύ χαμηλή τάση πεδίου. 2.3 Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Στα προηγούμενα υποκεφάλαια αναλύσαμε τη λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου. Ένα κύτταρο όμως παράγει πολύ μικρή ισχύ από μόνο του (της τάξης του 1W). Συνδέοντας πολλά φωτοβολταϊκά κύτταρα (ή κυψέλες ή στοιχεία) μεταξύ τους, δημιουργούμε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο (ή πάνελ). Επίσης αν συνδέσουμε πολλά πλαίσια μεταξύ τους, φτιάχνουμε μια φωτοβολταϊκή συστοιχία. 47

48 2.3.1 Δομή Φωτοβολταϊκού Κυττάρου Κατασκευαστικά για λόγους μηχανικής αντοχής και ευχρηστίας, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν ενσωματωμένα στο περίγραμμά τους μεταλλικά ελάσματα ανοδιωμένου αλουμινίου, και για λόγους προστασίας είναι αεροστεγώς και υδατοστεγώς κλεισμένα μέσα σε ειδικό γυαλί και ειδικό μονωτικό πλαστικό. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από μια μεταλλική βάση, δυο στρώσεις πυριτίου (η μία τύπου n και η άλλη τύπου p), ένα μη ανακλαστικό στρώμα επικάλυψης και μεταλλικά αγώγιμα ελάσματα στην επιφάνεια του στοιχείου.. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται, όπως βλέπουμε στο παραπάνω σχήμα από πολλά λεπτά οριζόντια και κάθετα ελάσματα. Τα οριζόντια είναι περισσότερα από τα κάθετα και είναι αυτά τα στοιχεία που μαζεύουν τα ηλεκτρόνια που διεγείρονται και αποτελούν το ρεύμα. Στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται στα κάθετα παχιά ελάσματα, που ονομάζονται διαφορετικά ζυγοί (busbars). Οι ζυγοί των στοιχείων ενώνονται μεταξύ τους και έτσι έχουμε πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα μεταξύ τους τα οποία και αποτελούν το πλαίσιο. Κάθε πλαίσιο έχει δύο ακροδέκτες τον θετικό και τον αρνητικό πόλο. 48

49 2.3.2 Συνδέσεις Φωτοβολταϊκών Κυττάρων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με πέντε διαφορετικούς τρόπους : 1. Σε μια απλή σειρά όπου συνδέουμε τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μεταξύ τους σε σειρά. 2. Σε απλές παράλληλες σειρές ( Series Parallel, SP ) όπου συνδέουμε φωτοβολταϊκά στοιχεία μεταξύ τους σε σειρά και αυτή τη σειρά τη συνδέουμε παράλληλα με άλλες σειρές. Συνήθως κάθε σειρά αποτελείται από 9 στοιχεία και κάθε πλαίσιο από 4 σειρές. 3. Σε διατάξεις αθροιστικές σταυρωτού δεσμού ( Total Crossed Tied, TCT), που προκύπτει από την SP διάταξη συνδέοντας τα ηλεκτρικά συστήματα σταυρωτά σε κάθε σειρά του σημείου συνάντησης. 4. Σε διάταξη γεφυρωτής διασύνδεσης (bridge linked) στην οποία όλα τα στοιχεία αλληλοσυνδέονται με γεφυρωτή σύνδεση). 5. Σε διάταξη κυψέλης (honeycomb) 49

50 2.4 Διάκριση Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Υπάρχουν δυο κύριες κατηγορίες συστημάτων, το αυτόνομο και το διασυνδεδεμένο με το δίκτυο Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα Τα αυτόνομα (stand alone) ή αλλιώς «εκτός δικτύου» (off-grid) φωτοβολταϊκά συστήματα είναι τα συστήματα τα οποία μπορούν να τροφοδοτούν από μόνα τους ένα κτήριο, χωρίς αυτό να είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο. Στα συστήματα αυτά το φωτοβολταϊκό μπορεί να λειτουργεί από μόνο του ή να λειτουργεί σε «συνεργασία» με κάποια άλλη πηγή ενέργειας (ανανεώσιμη ή μη). Στην περίπτωση αυτή το φορτίο μπορεί να τροφοδοτείται είτε με συνεχή είτε με εναλλασσόμενη τάση. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα διαθέτουν και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας (πχ με μπαταρίες). Με αυτόν τον τρόπο το φορτίο μπορεί να τροφοδοτείται και σε ώρες που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία. 50

51 2.4.2 Φωτοβολταϊκά Συστήματα Διασυνδεμένα στο Δίκτυο Στα συστήματα αυτά το δίκτυο μπορεί να λειτουργεί είτε τροφοδοτώντας το φορτίο ως βοηθητική πηγή σε ώρες που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια (εφεδρικό δίκτυο), είτε λαμβάνοντας ισχύ από το φωτοβολταϊκό (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Στην δεύτερη περίπτωση ο ιδιοκτήτης του συστήματος «πουλάει» ρεύμα στην εταιρία ηλεκτρισμού και έχει διάφορα πλεονεκτήματα όπως το να μην χρειάζεται συσσωρευτές για την αποθήκευση ενέργειας (οι οποίοι είναι αντιοικονομικοί, με μικρό συντελεστή απόδοσης, μικρή διάρκεια ζωής, απαιτούν χώρο και είναι επιβλαβείς για το περιβάλλον). Όταν έχουμε διασυνδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα η τάση που παράγουν πρέπει να είναι συγχρονισμένη με το δίκτυο (αυτό επιτυγχάνεται μέσω μετατροπέων). 51

52 52

53 Κεφάλαιο 3 Ανάλυση Λειτουργίας Φωτοβολταϊκού Συστήματος 53

54 3.1 Ηλιακή Ακτινοβολία Προκειμένου να μπορέσουμε να αναλύσουμε την λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού συστήματος πρέπει πρώτα να αναφερθούμε στην ηλιακή ακτινοβολία Βασικές Έννοιες Άμεση Ακτινοβολία (Beam Radiation): Είναι η άμεση συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην Γή. Συχνά αναφέρεται και ως ακτινική συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία αυτή δεν έχει υποστεί διάχυση από την ατμόσφαιρα. Διάχυτη Ακτινοβολία (Diffuse Radiation): Είναι η συνιστώσα την ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην Γη αφού έχει αλλάξει κατεύθυνση από την ατμόσφαιρα. Ολική Ηλιακή Ακτινοβολία (Total Solar Radiation): Είναι η ολική ακτινοβολία που δέχεται η επιφάνεια της Γης από τον ήλιο. Είναι, δηλαδή, το άθροισμα της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας. Ένταση Ακτινοβολίας (Irradiance): Συχνά χρησιμοποιείται και ο όρος «Πυκνότητα Ισχύος Ηλιακής Ακτινοβολίας». Είναι η ισχύς της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μια επιφάνεια ενός τετραγωνικού μέτρου. Στην βιβλιογραφία χρησιμοποιείται το σύμβολο G και μετριέται 2 σε W/m στο SI. Πυκνότητα Ενέργειας Ηλιακής Ακτινοβολίας (Irradiation / Insolation / Radiant Exposure): Συχνά αναφέρεται και ως «Ηλιακή Έκθεση» ή απλά ως «Ακτινοβολία». Είναι η ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μια επιφάνεια ενός τετραγωνικού μέτρου. Η μονάδα 2 μέτρησης της στο SI είναι J/m. Προκύπτει από την ολοκλήρωση της έντασης της ακτινοβολίας σε διάρκεια μιας μέρας ή μιας ώρας. Για την ωριαία ακτινοβολία χρησιμοποιείται το σύμβολο I ενώ για την ημερήσια ακτινοβολία το σύμβολο H. Απόκλιση: Είναι η γωνιακή απόσταση του ήλιου από τον Ισημερινό, με θετικές τις βόρειες αποκλίσεις. Συμβολίζεται με δ και παίρνει τιμές από Υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: 284 n 23.45sin Όπου n είναι η n-οστή μέρα του έτους (πχ 1 η Ιανουαρίου: n=1, 31 η Δεκεμβρίου: n=365) 54

55 Αζιμούθια Γωνία Επιφάνειας: Είναι η γωνιακή απόσταση της προβολής της καθέτου της επιφανείας του φωτοβολταϊκού σε οριζόντιο επίπεδο με τον τοπικό μεσημβρινό (νοητή γραμμή νότου-βορά). Συμβολίζεται με γ και παίρνει τιμές από (θετική προς τα δυτικά). Ωριαία Γωνία: Είναι η γωνιακή μετατόπιση του ήλιου, ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού, λόγω της περιστροφής της Γής κατά την 15 ώρα. Συμβολίζεται με ω και είναι θετική για τις ώρες μετά μεσημβρίας. Κλίση Επιφάνειας: Είναι η γωνία μεταξύ της επιφάνειας του πλαισίου και του οριζόντιου επιπέδου. Για την κλίση της επιφάνειας χρησιμοποιείται το σύμβολο β, ενώ παίρνει τιμές από Ζενιθιακή Γωνία: είναι η γωνία που σχηματίζεται ανάμεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και την κατακόρυφο στο σημείο παρατήρησης (ζενίθ). Υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο: z 1 cos (cos cos cos sin sin ) Γωνία Πρόσπτωσης: Είναι η γωνία μεταξύ της άμεσης ακτινοβολίας στην επιφάνεια του πλαισίου και της καθέτου προς την επιφάνεια. Στην γωνία πρόσπτωσης αναφερόμαστε ως θ. Για τον υπολογισμό της χρησιμοποιούμε τον παρακάτω τύπο 1 sin sin cos sin cos sin cos cos cos cos cos cos cos sin sin cos cos cos sin sin sin Όπου φ το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής που είναι εγκατεστημένο το πλαίσιο με Δείκτες στα G,H,I: Για άμεση ακτινοβολία χρησιμοποιείται ο δείκτης b (beam), για διάχυτη ο δείκτης d (diffuse). Για ακτινοβολία σε κεκλιμένη επιφάνεια χρησιμοποιείται ο δείκτης T, για κάθετη επιφάνεια ο δείκτης n, ενώ αν δεν υπάρχει κανένας δείκτης αναφερόμαστε στην οριζόντια επιφάνεια Προσπίπτουσα Ηλιακή Ακτινοβολία σε Κεκλιμένο Επίπεδο Όταν έχουμε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο τοποθετημένο σε κάποια κλίση β, έχουμε τρείς συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτουν σε αυτό. Την άμεση b, την διάχυτη d και την ανακλώμενη από το έδαφος g. 55

56 Για να υπολογίσουμε την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε κεκλιμένη επιφάνεια θα χρησιμοποιήσουμε το ισοτροπικό μοντέλο (υπάρχουν και άλλα πιο πολύπλοκα και πιο ακριβή όπως το μοντέλο HDKR ή το μοντέλο Perez). Ορίζουμε τον παρακάτω συντελεστή (γεωμετρικός παράγοντας): R b GbT Gbn cos cos G G cos cos b bn z z ο οποίος είναι ο λόγος της ακτινικής συνιστώσας σε κεκλιμένη επιφάνεια προς την ακτινική συνιστώσα σε οριζόντια επιφάνεια. Για το βόρειο ημισφαίριο όπου έχουμε ιδανική αζιμουθιακή γωνία ( 0 ): R b cos( ) cos cos sin( ) sin cos cos cos sin sin Σύμφωνα με το ισοτροπικό μοντέλο η ολική ωριαία ακτινοβολία που προσπίπτει σε μια κεκλιμένη επιφάνεια γωνίας β δίνεται από την σχέση: 1 cos 1 cos IT IbTb Id Ib Id g 2 2 όπου ο συντελεστής ανάκλασης του εδάφους. g 56

57 3.2 Συνιστώσες του Συστήματος Το φωτοβολταϊκό σύστημα που θα μελετήσουμε αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια (πλαίσια συνδεδεμένα σε σειρά και παράλληλα), ένας μετατροπέας Boost, και ένας αντιστροφέας, συνδεδεμένα όπως στο παρακάτω σχήμα. Συνοπτικά η λειτουργία του συστήματος έχει ως εξής: Το φωτοβολταϊκό έχει ως «είσοδο» την ηλιακή ακτινοβολία και δίνει μια τάση εξόδου V PV. Προκειμένου να δίνει πάντοτε την μέγιστη ισχύ (παρά τις διακυμάνσεις στην ηλιακή ακτινοβολία), συνδέεται μετά το φωτοβολταϊκό ένας μετατροπέας Boost (ή μετατροπέας ανύψωσης τάσης) που σκοπό έχει να κρατάει το φωτοβολταϊκό στο σημείο μέγιστης ισχύος. Προκειμένου, όμως, να συνδεθεί στο δίκτυο πρέπει η τάση να γίνει εναλλασσόμενη. Για αυτό το λόγο συνδέεται ενας αντιστροφέας στην έξοδο του Boost, ο οποίος μετατρέπει την τάση σε εναλλασσόμενη και την συγχρονίζει στο δίκτυο. Ο έλεγχος στον αντιστροφέα έχει δύο στόχους: να κρατάει την τάση της DC διασύνδεσης σταθερή και να μηδενίζει (ή έστω να ελαχιστοποιεί την άεργο ισχύ). Παρακάτω θα αναλύσουμε κάθε μια από τις συνιστώσες του συστήματος και θα εξάγουμε το συνολικό μοντέλο του συστήματος. 3.3 Φωτοβολταϊκό Κύτταρο Ισοδύναμο Μοντέλο Φωτοβολταϊκού Κυττάρου 57

58 Το φωτοβολταϊκό κύτταρο όπως βλέπουμε παραπάνω αναπαριστάται από μια πηγή ρεύματος που δίνει ρεύμα I L (ή αλλιώς φωτόρευμα), παράλληλα με μία ιδανική δίοδο και μια αντίσταση R SH (Shunt Resistance), σε σειρά μια δεύτερη αντίσταση R S (Series Resistance). Το ρεύμα εξόδου είναι το I ενώ η τάση εξόδου είναι η V (σε αυτά θα αναφερόμαστε ως I PV και V PV. Τυπικές τιμές για το στα περισσότερα φωτοβολταϊκά ότι 500 SH R S είναι συνήθως μεταξύ 1Ω και 3Ω. Για το R. R SH, ισχύει Στο σκοτάδι (όταν δεν υπάρχει δηλαδή ηλιακή ακτινοβολία), το κύτταρο συμπεριφέρεται σαν δίοδος. Το φωτόρευμα δίνεται από την σχέση: IL I e qv AkT 0 1 Όπου I0 το αντίστροφο ρεύμα κόρου, q το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο ( q C), k η σταθερά Boltzmann ( J / K ), Τ η απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin και A ένας συντελεστής ανάλογα με την κατασκευή και την ποιότητα της διόδου (συνήθως παίρνει τιμές από 1 εώς 2). Το ρεύμα I PV, όταν συνδέσουμε φορτίο R L υπολογίζεται από την σχέση: q( VL IPV RL ) V I R AkT IPV IL I0 e 1 RSH L PV L Η εξίσωση αυτή δεν είναι γραμμική. Οι παράμετροι IL, RSH, RS, A ποικίλουν ανάλογα με την θερμοκρασία Χαρακτηριστική Καμπύλη I-V 58

59 Η χαρακτηριστική I-V είναι μια καμπύλη που δείχνει την το ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού I PV συναρτήσει της τάσης εξόδου του V PV. Με μια πρώτη ματιά βλέπουμε ότι μοιάζει με την χαρακτηριστική της διόδου απλά μετατοπισμένη στο πρώτο τεταρτημόριο. Τα δυο μεγέθη τα οποία μας ενδιαφέρουν αρχικά είναι τα εξής: I SC (Short Circuit Current) ή ρεύμα βραχυκύκλωσης, είναι η τιμή της έντασης του ρεύματος που δίνει το φωτοβολταϊκό κύτταρο όταν του βραχυκυκλώσουμε τα άκρα. V OC (Open Circuit Voltage) ή τάση ανοιχτοκύκλωσης, είναι η τάση που έχουν τα άκρα του φωτοβολταϊκού όταν είναι ανοιχτοκυκλωμένα. Η καμπύλη αντιπροσωπεύει το εύρος λειτουργίας του κυττάρου, δηλαδή όλα τα ζεύγη τιμών που μπορεί να πάρουν τα I PV και V PV. Κάθε ζεύγος τιμών αντιπροσωπεύει και ένα σημείο λειτουργίας του κυττάρου. Το σημείο το καθορίζει το φορτίο που θα συνδεθεί στα άκρα του κυττάρου. Αυτό το βλέπουμε καλύτερα στο παρακάτω σχήμα όπου για αντίσταση R βρισκόμαστε σε διαφορετικό σημείο λειτουργίας απ ότι με την αντίσταση R opt. Προφανώς στην περίπτωση αυτή R Ropt Επειδή η ισχύς εξαρτάται απο την τάση και το ρεύμα (σύμφωνα με τον τύπο P VI ), τα οποία όπως είδαμε εξαρτώνται από το φορτίο, συμπεραίνουμε ότι υπάρχει και εξάρτηση της ισχύος που δίνει το φωτοβολταϊκό από το φορτίο, άρα και από το σημείο λειτουργίας. Την εξάρτηση αυτή την δείχνει το παρακάτω σχήμα: 59

60 Από το σχήμα μπορούμε να δούμε ότι υπάρχει ένα σημείο λειτουργίας στο οποίο η ισχύς που δίνει το φωτοβολταϊκό γίνεται μέγιστη. Αυτό το σημείο το ονομάζουμε σημείο μέγιστης ισχύος (MPP Maximum Power Point) και μπορούμε να το δούμε και στις δυο πρώτες καμπύλες. Γενικά θέλουμε το φωτοβολταϊκό μας να λειτουργεί πάντα σε αυτό το σημείο Συντελεστής Πλήρωσης Την ισχύ ενός φωτοβολταϊκού μπορούμε να την βρούμε υπολογίζοντας το εμβαδό του ορθογωνίου που σχηματίζεται από το σημείο λειτουργίας, τους άξονες της τάσης και του ρεύματος και την αρχή των αξόνων. Το μεγαλύτερο εμβαδό θα το βρούμε εκεί που έχουμε και την μέγιστη ισχύ, δηλαδή στο MPP, όπου το ορθογώνιο θα έχει εμβαδό PMP VMP IMP. Ο λόγος του παραπάνω εμβαδού προς το εμβαδό του ορθογωνίου που σχηματίζουν τα σημεία V OC και I SC ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης (Fill Factor - FF), και είναι χαρακτηριστικό μέγεθος του κυττάρου. 60

61 Όσο πιο κοντά στην μονάδα είναι ο συντελεστής πλήρωσης τόσο πιο κοντά πλησιάζει το κύτταρο στην συμπεριφορά μιας ιδανικής πηγής ρεύματος. Τυπικές τιμές για το FF είναι μεταξύ 0.7 και Απόδοση Φωτοβολταϊκού Κυττάρου Την απόδοση ενός κυττάρου στο σημείο μέγιστης ισχύος την υπολογίζουμε από τον παρακάτω τύπο: P V I FF V OC I P G A G A MP MP MP IN c c 2 Όπου G η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ( W / m ) και Ac η επιφάνεια του 2 κυττάρου ( m ). Η απόδοση αυτή είναι και η μέγιστη που μπορεί να φτάσει ένα συγκεκριμένο φωτοβολταϊκό κύτταρο ανάλογα με το σημείο λειτουργίας του. Η απόδοση, όμως, όπως θα δούμε εξαρτάται από πολλούς παράγοντες οι κυριότεροι των οποίων είναι η θερμοκρασία και η ακτινοβολία. Ακτινοβολία Όταν μεταβάλλεται η ένταση της ακτινοβολίας, διατηρώντας σταθερή την θερμοκρασία, μεταβάλλεται και η I-V χαρακτηριστική του κυττάρου κατά τον εξής τρόπο: SC 61

62 Καθώς μεταβάλλεται η ακτινοβολία μεταβάλλεται και το σημείο μέγιστης ισχύος πράγμα που σημαίνει ότι μεταβάλλεται και ο αριθμητής και ο παρονομαστής του κλάσματος. Ο λόγος που μεταβάλλεται και ο βαθμός απόδοσης είναι επειδή η εξάρτηση του παρονομαστή από την ακτινοβολία είναι γραμμική και η εξάρτηση του I είναι σχεδόν γραμμική, η εξάρτηση του V OC είναι λογαριθμική. SC Θερμοκρασία Η θερμοκρασία επηρεάζει κατά κύριο λόγο την τάση ανοιχτοκύκλωσης. Το ρεύμα βραχυκύκλωσης παρουσιάζει πολύ μικρή μεταβολή στις αλλαγές της θερμοκρασίας. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην χαρακτηριστική I-V του φωτοβολταϊκού φαίνεται παρακάτω: Προφανώς άμα αλλάξει η θερμοκρασία χωρίς να αλλάξει η ακτινοβολία θα αλλάξει και ο βαθμός απόδοσης του κυττάρου. 62

63 Η τυπική μεταβολή της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου συναρτήσει της θερμοκρασίας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι η αντίσταση R S, η γήρανση, οι οπτικές απώλειες, η χωροταξική τοποθέτηση, η δίοδος αντεπιστροφής, η σκίαση, ο άνεμος, η ρύπανση, οι ηλεκτρικές απώλειες κ.α Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Όπως έχουμε αναφέρει συνδέοντας πολλά φωτοβολταϊκά κύτταρα μαζί σχηματίζουμε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο και συνδέοντας πολλά πλαίσια μαζί σχηματίζουμε μια συστοιχία:. 63

64 Συνδέοντας δυο κύτταρα (ή πλαίσια) σε σειρά παίρνουμε διπλάσια τάση στην έξοδο, ενώ συνδέοντας δυο κύτταρα (ή πλαίσια) παράλληλα, παίρνουμε διπλάσιο ρεύμα. Έτσι ανάλογα με την τάση και το ρεύμα που θέλουμε να δίνει η συστοιχία συνδέουμε κατάλληλα τα πλαίσιά μας. Στην κανονική λειτουργία η ισχύς μένει ανεπηρέαστη από τον τρόπο σύνδεσης των πλαισίων μας. Ο τρόπος σύνδεσης βέβαια των κυττάρων παίζει ρόλο στην ισχύ εξόδου σε περιπτώσεις μερικής ή ολικής σκίασης κάποιων κυττάρων (ή πλαισίων). Τα προβλήματα που δημιουργούνται είναι αυτά της απώλειας ισχύος και της τοπικής υπερθέρμανσης (Hot Spot). Αυτά μπορούν να αντιμετωπιστούν με κατάλληλη τοποθέτηση διόδων παράκαμψης και την χρήση πλεονάζουσων συνδέσεων. 3.4 Μετατροπέας DC/DC Ανύψωσης Τάσης (Boost) Ο μετατροπέας Boost είναι ένας μετατροπέας συνεχούς ρεύματος σε συνεχές (DC/DC), που ανυψώνει την τάση. Κάνει δηλαδή την τάση εξόδου μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Πριν αναφερθούμε όμως στην λειτουργία του Boost, θα πούμε δυο λόγια γενικά για τους μετατροπείς ισχύος Μετατροπείς Ισχύος Οι μετατροπείς ισχύος είναι διατάξεις ημιαγωγικών στοιχείων που επιτρέπουν τον έλεγχο στην τάση και στο ρεύμα σε ένα κύκλωμα. Μπορούν να ανυψώνουν ή να υποβιβάζουν μια τάση, να μετατρέπουν μια συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (και το αντίστροφο), να αλλάζουν την συχνότητα και την αλληλουχία των φάσεων σε μια AC τάση και πολλά άλλα. Η λειτουργία των μετατροπέων ισχύος στηρίζεται στο τρανζίστορ. Το τρανζίστορ είναι ένα ημιαγώγιμο στοιχείο που έχει πάρα πολλές εφαρμογές, κυρίως στην ηλεκτρονική. Ο τρόπος που χρησιμοποιείται το τρανζίστορ στους μετατροπείς ισχύος είναι απλός. Το τρανζίστορ έχει τρία βασικά ηλεκτρόδια ( πχ Gate, Drain, Source για MOSFET, Gate, Collector, Emitter για IGBT). Όσο τροφοδοτούμε το ηλεκτρόδιο της πύλης (G), το τρανζίστορ επιτρέπει να περάσει ρεύμα από το ένα από τα εναπομείναντα ηλεκτρόδια στο άλλο, λειτουργώντας ως δίοδο. Αν δεν τροφοδοτούμε την πύλη τότε λειτουργεί σαν βραχυκύκλωμα. Με τον τρόπο αυτό χρησιμοποιούμε το τρανζίστορ σαν έναν διακόπτη που ελέγχεται μέσω του ηλεκτροδίου της πύλης. Ελέγχοντας το πότε ανοίγει, το πότε κλείνει και πόση ώρα θα μείνει αναμμένο ένα ή περισσότερα τρανζίστορ, πετυχαίνουμε τις παραπάνω ιδιότητες. Στην αγορά χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον τα IGBT (Insolated-Gate Bipolar Transistor), τα οποία έχουν χρόνους μετάβασης της τάξης του 1μsec, η πύλη απαιτεί μια μικρή τάση της τάξης των 2-3V ενώ μπορούν να διαχειριστούν μέχρι και τάσεις και ρεύματα της τάξης των 1.7kV και 1.2kA.. Υπάρχουν τριών ειδών μετατροπείς ισχύος: Μετατροπείς AC/DC (Ανορθωτές Rectifier) Μετατροπείς DC/AC (Αντιστροφείς Inverter) Μετατροπείς DC/DC 64

65 Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας θα αναλύσουμε και τα τρία είδη μετατροπέων ισχύος Μετατροπείς DC/DC Χρησιμοποιούνται γενικά για την σταθεροποίηση μια μη σταθερής συνεχούς τάσης, για την ανύψωση ή τον υποβιβασμό μιας συνεχούς τάσης κ.α. Τα πιο βασικά είδη μετατροπέων DC/DC είναι τα ακόλουθα: Μετατροπείς ανύψωσης τάσης (Boost) Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης (Buck) Μετατροπείς ανύψωσης/υποβιβασμού (Buck Boost) Μετατροπείς Ćuk (ανύψωσης/υποβιβασμού) Η χρησιμότητά των DC/DC μετατροπέων είναι τεράστια στην σημερινή βιομηχανία γιατί είναι ο καλύτερος τρόπος να ελέγξουμε μια συνεχή τάση. Επίσης δίνει την δυνατότητα της μεταβολής του πλάτους μιας συνεχούς τάσης, δυνατότητα που δεν υπήρχε παλιότερα (αντίστοιχα με τον μετασχηματιστή σε εναλλασσόμενες τάσεις). Ο μόνος άλλος τρόπος ελέγχου μιας συνεχούς τάσης είναι μέσω ενός συστήματος DC κινητήρα/γεννήτριας μηχανικά συζευγμένα μεταξύ τους. Αυτή η μέθοδος όμως λόγω του κόστους, του όγκου του συστήματος και των απωλειών δεν είναι καθόλου αποτελεσματική. Στα φωτοβολταϊκά η σημασία τους είναι ιδιαίτερη λόγω της επιθυμίας μας να λειτουργούν πάντα στο σημείο μέγιστης ισχύος. Ο έλεγχος, συνεπώς, των μετατροπέων αυτών αποσκοπεί σε αυτό ακριβώς, πράγμα το οποίο επιτυγχάνει μέσω της μεθόδου ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT Maximum Power Point Tracking). Στην μέθοδο αυτή θα αναφερθούμε παρακάτω Ανάλυση Λειτουργίας Μετατροπέα Boost 65

66 Το τρανζίστορ εδώ παριστάνεται με έναν διακόπτη S. Η έξοδος του φωτοβολταϊκού παριστάνεται με μία DC πηγή τάσης. Το σχήμα Α είναι κατά την αγωγή του τρανζίστορ, όπου όλο το ρεύμα περνάει μέσω αυτού και του πηνίου L. Το σχήμα Β είναι όταν το τρανζίστορ βρίσκεται σε αποκοπή. Στην περίπτωση αυτή το ρεύμα περνάει μέσω του φορτίου. Πριν προχωρήσουμε στην ανάλυση πρέπει να αναφέρουμε μια πολύ σημαντική έννοια για τους μετατροπείς ισχύος. Ως λόγο κατάτμησης (Duty Cycle) ton ορίζουμε τον χρόνο που άγει το τρανζίστορ προς μια περίοδο δηλαδή. T Αφού ισχύει ότι 0 ton T, ο λόγος κατάτμησης μπορεί να παίρνει τιμές από 0 1. Αρχικά υποθέτουμε ότι ο διακόπτης είναι ανοιχτός και ότι ο πυκνωτής είναι φορτισμένος στην τάση της πηγής (μείον μια μικρή πτώση τάσης στα άκρα της διόδου). Μετά από χρονικό διάστημα t on, ο διακόπτης κλείνει και το ρεύμα περνάει (ακαριαία) όλο μέσα από αυτόν. Τ τάση στα άκρα του πηνίου θα είναι: V L di1 L dt Όμως στην περίπτωση αγωγής του τρανζίστορ ισχύει ότι η τάση του πηνίου VL Ολοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση από t 0 έως t ton προκύπτει: V. PV VPV i( ton) i(0) ton L Όταν ανοίξει το τρανζίστορ, το πηνίο θα δώσει την αποθηκευμένη του ενέργεια στον πυκνωτή και στο φορτίο. Το ρεύμα του πηνίου μειώνεται και το di dt γίνεται αρνητικό: di dt Η τάση του πηνίου τώρα θα ισούται με VL VOUT VPV. Άρα V L L di VPV VOUT L dt Μετά από ολοκλήρωση από t t μέχρι t T (όπου Τ είναι η περίοδος): on VPV VOUT i( T) i( ton) toff L 66

67 off Όπου t T t. on toff ο χρόνος σβέσης του τρανζίστορ που ορίζεται ως η διαφορά Ο μετατροπέας Boost έχει δύο περιοχές λειτουργίας: την περιοχή συνεχούς αγωγής ρεύματος (CCM Continuous Circuit Mode) και την περιοχή ασυνεχούς αγωγής (DCM - Discontinuous Circuit Mode). Βασικό πλεονέκτημα της συνεχούς αγωγής είναι η γραμμική εξάρτηση της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου. Θεωρούμε πως ο μετατροπέας λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής. Η μέση τιμή της τάσης του πυκνωτή υπολογίζεται ως εξής: T T max 1 1 di L VL V dt L dt di 0 T T dt T L 0 0 i i min Στην μόνιμη κατάσταση, δηλαδή, η μέση τιμή της τάσης του πηνίου είναι μηδέν. Αντίστοιχα και η μέση τιμή του ρεύματος των πυκνωτών είναι επίσης μηδέν. Από την ισότητα των δύο παραπάνω σχέσεων ισχύει t on V V t V L L PV PV OUT off Αντικαθιστώντας στην παραπάνω σχέση το t off με t off T t on και μετά από πράξεις προκύπτει τελικά η γραμμική εξάρτηση που αναφέραμε πιο πριν: V V OUT PV 1 1 Από την παραπάνω σχέση βλέπουμε ότι όντως έχουμε ανύψωση τάσης αφού Τέλος για στα ρεύματα εξόδου και εισόδου ισχύει η αντίστροφη σχέση από αυτή των τάσεων, δηλαδή: I I OUT L (1 ) Δηλαδή το ρεύμα εξόδου υποβιβάζεται σε σχέση με το ρεύμα εισόδου αφού Το αποτέλεσμα αυτό είναι λογικό γιατί πρέπει να ισχύει η αρχή διατήρησης της ενέργειας, και άμα θεωρήσουμε ιδανικά τα στοιχεία του Boost τότε: IOUT P V I (1 ) V V I P 1 IN PV L OUT OUT OUT OUT 67

68 3.4.4 Μοντελοποίηση Μετατροπέα Boost Προκειμένου να μοντελοποιήσουμε την λειτουργία του μετατροπέα Boost, πρέπει να εξάγουμε τις διαφορικές εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία του. Από το ισοδύναμο κύκλωμα του Boost, βλέπουμε ότι υπάρχουν δυο στοιχεία τα οποία αποθηκεύουν ενέργεια: ο πυκνωτής C και το πηνίο L. Θεωρούμε σαν μεταβλητές κατάστασης, λοιπόν, το ρεύμα του πηνίου I και την τάση του πυκνωτή VC VOUT VDC. Επίσης για λόγους απλότητας θα αναφερθούμε στο φορτίο ως R (δηλαδή R R ) και στον λόγο κατάτμησης ως (δηλαδή ). load Όταν ο το τρανζίστορ δεν άγει ισχύει ότι Άρα di L VPV V dt L I I I I I V C dv I V R dt R DC DC DC C L DC C L L L DC dvdc IL VDC dt C RC Όταν το τρανζίστορ άγει Και di L V PV dt L dv dt DC V RC DC Χρησιμοποιώντας τον λόγο κατάτμησης, οι παραπάνω εξισώσεις μπορούν παίρνουν την ακόλουθη μορφή di L VPV (1 ) V dt L 68 DC dvdc (1 ) IL VDC dt C RC Οι παραπάνω εξισώσεις περιγράφουν την συμπεριφορά του συστήματος στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας.

69 Η αναπαράσταση των εξισώσεων στον χώρο κατάστασης είναι η ακόλουθη: I I L L L L V V 1 1 V DC DC 0 C RC PV Όπου df () t f() t dt Έλεγχος Μετατροπέα Boost MPPT Ο έλεγχος του μετατροπέα όπως φαίνεται από την παραπάνω σχέση, μπορεί να γίνει μεταβάλλοντας τον λόγο κατάτμησης δ. Το εύρος των τιμών που μπορεί να πάρει η τάση V OUT είναι από VPV VOUT. Υπάρχουν πολλοί τρόποι να ελέγξουμε τον λόγο δ. Ο πιο απλός είναι με την μέθοδο της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (Pulse Width Modulation PWM). Την μέθοδο PWM θα την χρησιμοποιήσουμε παρακάτω σε άλλους μετατροπείς. Ο έλεγχος αυτός που θα χρησιμοποιήσουμε στον Boost θα είναι, όπως αναφέραμε προηγουμένως θα γίνει με την μέθοδο MPPT, δηλαδή της ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος του φωτοβολταϊκού. Ο λόγος που εφαρμόζουμε τον έλεγχο αυτόν είναι προκειμένου να παίρνουμε την μέγιστη ισχύ από το φωτοβολταϊκό. Το σημείο μέγιστης ισχύος (MPP) βρίσκεται, όπως είδαμε και πριν, στο «γόνατο» της καμπύλης. Στο σημείο αυτό ισχύει ότι dv di V I Υπάρχουν τέσσερεις βασικές μέθοδοι ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος Perturb and Observe Η μετάφραση του ονόματος της μεθόδου είναι «Διατάραξε και Παρατήρησε». Η μέθοδος αποσκοπεί σε αυτό ακριβώς το πράγμα. Ο ελεγκτής μεταβάλλει την τάση κατά ένα μικρό ποσό dv και μετράει την ισχύ του φωτοβολταϊκού. Αν η ισχύς είναι μεγαλύτερη από ότι ήταν πριν την μεταβολή συνεχίζει την ίδια διαδικασία. Αν η ισχύς βγει μικρότερη, μεταβάλλει την τάση κατά ένα ποσό dv. Με τον τρόπο αυτό φτάνει στο σημείο μέγιστης ισχύος. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι η απλότητα και η ευκολία στην εφαρμογή, μπορεί όμως να δημιουργήσει ταλαντώσεις στην ισχύ εξόδου, γιατί δεν «κλειδώνει» ποτέ στο σημείο μέγιστης ισχύος αλλά συνεχώς κάνει «δοκιμές». Η μέθοδος αυτή μπορεί να οδηγήσει σε πολύ ψηλή απόδοση αρκεί να εφαρμοστεί μια προβλεπτική και προσαρμοστική στρατηγική. Η μέθοδος Perturb and Observe είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος MPPT. 69

70 Στοιχειώδης Αγωγιμότητα (Incremental Conductance) Στην μέθοδο αυτή, ο ελεγκτής μετράει τις στοιχειώδεις μεταβολές στο ρεύμα και στην τάση του φωτοβολταϊκού προκειμένου να προβλέψει την επίδραση μιας αλλαγής τάσης. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί την στοιχειώδη αγωγιμότητα di/dv του φωτοβολταϊκού περικειμένου να υπολογίσει το την μεταβολή της ισχύος προς την τάση (dp/dv). Η εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος γίνεται συγκρίνοντας την στοιχειώδη μεταβολή στην αγωγιμότητα di/dv προς την αγωγιμότητα της διάταξης I/V. Με βάση τον παραπάνω τύπο, όταν αυτά τα δυο γίνουν ίσα τότε βρισκόμαστε στο σημείο μέγιστης ισχύος. Ο ελεγκτής διατηρεί την τάση μέχρι να αλλάξει η ακτινοβολία και να επαναληφθεί η διαδικασία. Η μέθοδος αυτή απαιτεί περισσότερους υπολογισμούς, αλλά μπορεί να ανιχνεύσει τις αλλαγές στης συνθήκες πολύ πιο γρήγορα από την μέθοδο (P&O). Όπως όμως και η (P&O), μπορεί να προκαλέσει και αυτή ταλαντώσεις στην ισχύ εξόδου όταν υπάρχει γρήγορη μεταβολή των συνθηκών του περιβάλλοντος Σάρωση Ρεύματος (Current Sweep) Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί μια σάρωση της κυματομορφής του ρεύματος του φωτοβολταϊκού, όπως η I-V χαρακτηριστική. Η κυματομορφή αυτή ανανεώνεται σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η τάση του σημείου μέγιστης ισχύος υπολογίζεται από την χαρακτηριστική Σταθερής Τάσης (Constant Voltage) Στην μέθοδο αυτή η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο διακόπτεται στιγμιαία και μετριέται η τάση ανοιχτοκύκλωσης V του φωτοβολταϊκού. Ο ελεγκτής συνεχίζει την λειτουργία σε μια σταθερή τιμή (πχ 0.76 της τάσης OC V OC ). Ο λόγος αυτός της VMP προς την VOC προκύπτει είτε εμπειρικά είτε από μοντέλα και αναμενόμενες συνθήκες λειτουργίας. Στην βιβλιογραφία υπάρχει μια σύγχυση με την μέθοδο της σταθερής τάσης, επειδή χρησιμοποιείται για να περιγράψει διάφορες τεχνικές. Η μέθοδος που αναφέραμε εμείς ονομάζεται αλλιώς και μέθοδος «ανοιχτής τάσης» (Open Voltage) Σύγκριση των Μεθόδων Όπως αναφέραμε οι πρώτες δύο μέθοδοι μπορούν να προκαλέσουν ταλαντώσεις στην ισχύ εξόδου. Η τελευταία μέθοδος έχει το μειονέκτημα ότι σπαταλείται ενέργεια κατά τον μηδενισμό του ρεύματος κάθε φορά που παίρνουμε μέτρηση. Επίσης ο λόγος που αναφέραμε πριν (πχ 76%) δεν είναι απαραίτητα ακριβής. Γενικά, οι μέθοδοι έχουν εφαρμογή σε διαφορετικές περιπτώσεις μεταξύ τους. Η πιο διαδεδομένη είναι η μέθοδος P&O, η οποία λόγω του χαμηλού της κόστους και της απλότητας στην εφαρμογή της πλεονεκτεί απέναντι στις άλλες. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής θα ασχοληθούμε με την πρώτη μέθοδο δηλαδή την μέθοδο Perturb and Observe. 70

71 3.5 Μετατροπέας DC/AC (Αντιστροφέας - Inverter) Ο αντιστροφέας είναι μια συσκευή που επιτρέπει την μετατροπή μιας συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Υπάρχουν πολλές κατηγοριοποιήσεις των μετατροπέων αυτών (πχ μονοφασικοί/τριφασικοί ημιγέφυρας/πλήρους γέφυρας). Εμείς στα θα αναφερθούμε κυρίως στον τριφασικό αντιστροφέα πλήρους γέφυρας. Ο μετατροπέας αυτός αποτελείται από 6 τρανζίστορ χωρισμένα σε δύο ομάδες των τριών. Όταν το τροφοδοτούμε με τετραγωνικούς παλμούς με ίδιο εύρος το κάθε τρανζίστορ μιας ομάδας έχει διαφορά φάσης 120 o από άλλα δυο της ίδιας ομάδας. Με αυτόν τον τρόπο πετυχαίνουμε μια τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδο. Συνήθως χρησιμοποιούμε την μέθοδο PWM για τον έλεγχο της τοπολογίας αυτής. Ο στόχος του μετατροπέα αυτού είναι, όπως έχουμε πει να μετατρέψει την έξοδο του φωτοβολταϊκού σε εναλλασσόμενη και να την συγχρονίσει με το δίκτυο Μετασχηματισμός Park Πριν προχωρήσουμε στην ανάλυση όμως του μετατροπέα πρέπει να αναφερθούμε στον μετασχηματισμό Park. Ο μετασχηματισμός Park είναι ένας διανυσματικός μετασχηματισμός που μετατρέπει τις τριφασικές a-b-c συνιστώσες σε ένα νέο σύστημα συντεταγμένων το d-q-0. Οι νέες συνιστώσες ονομάζονται συνιστώσες ευθέως άξονα (d), εγκάρσιου άξονα (q) και μηδενικής ακολουθίας (0). Ο λόγος που το κάνουμε αυτό είναι για να μειώσουμε την πολυπλοκότητα στις διαφορικές εξισώσεις. Ο μετασχηματισμός αυτός ουσιαστικά ανάγει τις a-b-c σε ένα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς, προκειμένου να εξαλείψει ορισμένες χρονικά μεταβαλλόμενες συνιστώσες. Στην μόνιμη ημιτονοειδή κατάσταση η συνιστώσα μηδενικής ακολουθίας όμως είναι μηδέν άρα προκύπτει ένα σύστημα με μονό δύο συνιστώσες. Ο μετασχηματισμός Park υλοποιείται μέσω μιας μήτρας που ονομάζεται T : [ X ] [ T ] [ X ] dq0 dq0 abc 71

72 Η μήτρα του μετασχηματισμού Park ορίζεται ως εξής: 2 2 cosst cosst cosst Tdq 0 sinst sin st sin st όπου s η γωνιακή συχνότητα του μετασχηματισμού. Εάν επιθυμούμε να επιστρέψουμε στο αρχικό μας σύστημα πρέπει να εφαρμόσουμε τον αντίστροφο μετασχηματισμό Park που ορίζεται ως εξής: [ X ] [ T ] [ X ] 1 abc dq0 dq0 όπου cosst sinst Tdq 0 cosst sin st cosst sin st Οι άξονες d-q είναι κάθετοι μεταξύ τους με τον εγκάρσιο άξονα να προηγείται του ευθέως κατά 90 o, ενώ μηδενική ακολουθία έχουμε μόνο σε περιπτώσεις ασυμμετρίας του συστήματος. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του μετασχηματισμού αυτού είναι ότι στην μόνιμη κατάσταση ο μετασχηματισμός αυτός μετατρέπει όλα τα εναλλασσόμενα μεγέθη σε συνεχή. Το στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 72

73 Σημαντικό ρόλο για τον μετασχηματισμό Park παίζει ο προσανατολισμός του πλαισίου αναφοράς. Ο άξονας d του πλαισίου έχει μια γωνία με τον άξονα αναφοράς s. Μέσω της γωνίας αυτής μπορούμε να προσανατολίσουμε το σύστημα σε οποιοδήποτε διάνυσμα θέλουμε. Η μήτρα του μετασχηματισμού στην περίπτωση που έχουμε αρχική φάση τροποποιείται ως εξής: s 2 2 cos( st s ) cosst s cosst s Tdq 0 sin( st s ) sin st s sin st s x Η αρχική φάση s δίνεται από την παρακάτω σχέση s arctan x Όπου x και x η α και η β συνιστώσα του διανύσματος x. Το διάνυσμα x στο οποίο θέλουμε να προσανατολίσουμε το στρεφόμενο πλαίσιο d q έχει δύο συνιστώσες στο στατό πλαίσιο αναφοράς α β. Ο στατός μετασχηματισμός Park είναι ένας μετασχηματισμός στον οποίο το πλαίσιο δεν είναι περιστρεφόμενο (d-q) αλλά σταθερό (α-β) Αυτή η ενδιάμεση μετατροπή διευκολύνει τους υπολογισμούς και μας βοηθά στο να πετύχουμε τον επιθυμητό προσανατολισμό του στρεφόμενου πλαισίου κάνοντας χρήση της γωνίας φs που περιγράφηκε παραπάνω. Ο στατός μετασχηματισμός Park προκύπτει από τη σχέση για ωs=0 και δίνεται από τη παρακάτω σχέση: 73

74 T Τόσο οι τάσεις όσο και τα ρεύματα που θα μελετήσουμε, όμως, εμπλέκονται στο χώρο κατάστασης μέσω διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Για τον λόγο αυτό, εκτός αυτών που αναφέραμε μέχρι τώρα, θα χρειαστούμε και τον μετασχηματισμό Park στον χώρο κατάστασης. Παραγωγίζοντας την σχέση του μετασχηματισμού Park στον χρόνο προκύπτει το εξής: d dt [ dq0] dx [ ] [ X abc dq0] [ X abc] [ T dq0] dt dt dt dx [ ] d[ X dq0] d[ T 0] abc dq 1 [ Tdq0] [ Tdq0] [ X dq0] dt dt dt dx [ ] dx [ dq0] abc [ Tdq0] s [ Xdq0] dt dt Η ισχύς σε ένα d-q σύστημα δίνεται από τη σχέση: T 3 T P() t Vabc Iabc V dq0 I dq Ανάλυση Λειτουργίας Αντιστροφέα 74

75 Η πλευρά του δικτύου αποτελείται από τον μετατροπέα, το σημείο διασύνδεσής του με τον Boost και ένα R-L φίλτρο που χρησιμοποιείται για να μειώνει τις αρμονικές που φτάνουν στο δίκτυο από τον μετατροπέα και να επιτρέπει τον έλεγχο της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα. Τον μετατροπέα αυτόν συχνά τον αναφέρουμε ως μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου (Grid Side Converter GSC). Στην ανάλυσή μας θα θεωρήσουμε ότι το δίκτυο τροφοδοτεί το φωτοβολταϊκό, δηλαδή θετική φορά ρεύματος θα έχουμε όταν το ρεύμα κατευθύνεται προς το φωτοβολταϊκό R-L Φίλτρο Οι εξισώσεις που περιγράφουν της συμπεριφορά του φίλτρου είναι οι εξής U af I af I af V af d U bf Rf Ibf Lf Ibf Vbf dt U I I V cf cf cf cf όπου Uaf, Ubf, U cf : η στιγμιαία τιμή της τάσης του δικτύου. Vaf, Vbf, V cf : Η στιγμιαία τιμή της τάσης στην έξοδο του μετατροπέα. Iaf, Ibf, I cf : Η στιγμιαία τιμή της τάσης του φίλτρου. R, L : Η αντίσταση και η επαγωγή του φίλτρου. f f Το ισοδύναμο κύκλωμα του φίλτρου στο a-b-c είναι: 75

76 Εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Park στην παραπάνω εξίσωση παίρνουμε: U af I af I af V af d [ Tdq 0] U bf Rf [ Tdq 0] Ibf Lf [ Tdq 0] Ibf [ Tdq 0] Vbf dt U cf I cf I cf V cf Προκύπτει τελικά: Udf Idf d Idf Idf Vdf Rf Lf slf U qf I df dt I df I df V df Όπου U, U : Η τάση του δικτύου στον d και q άξονα. V df df qf, V : Η τάση στην έξοδο του μετατροπέα στους d και q άξονες. qf I, I : Το ρεύμα του φίλτρου στον d και q άξονα. df s qf : η κυκλική συχνότητα του μετασχηματισμού. Εάν θέλουμε να προσανατολίσουμε τις παραπάνω σχέσεις στο δίκτυο τότε θέτουμε U df dgrid 0 U U 2U qf qgrid grid, rms 2 f s U grid Όπου U grid, rms, η ρίζα της μέσης τετραγωνικής τιμής του δικτύου (RMS Root Mean Square). : Η κυκλική συχνότητα του δικτύου (σε rad/sec), ενώ f η συχνότητα του grid δικτύου (σε Hz). Προς το παρόν δεν θα προσανατολίσουμε το d-q πλαίσιο. I qf Η παραπάνω σχέση, αν την αναλύσουμε ως προς τις παραγώγους των I df, μας δίνει: και L I U R I L I V f df df f df s f qf df L I U R I L I V f qf qf f qf s f df qf Οι παραπάνω εξισώσεις περιγράφουν την συμπεριφορά του φίλτρου στην πλευρά του δικτύου. 76

77 Αντιστροφέας Ο Αντιστροφέας παίρνει σαν είσοδο την τάση εξόδου του Boost (την οποία είχαμε ονομάσει V dc, και δίνει στην έξοδό του τα Vaf, Vbf, Vcf ή αλλιώς τα Vdf, V qf στο πεδίο του Park. Η αρχή λειτουργίας του, όπως και στους μετατροπείς DC/DC, βασίζεται στο τρανζίστορ και στην σχετική διάρκεια αγωγής του ως προς την περίοδο, ή όπως αλλιώς το ονομάσαμε αυτό, στον λόγο κατάτμησής του. Έτσι, με διάφορες τεχνικές, πετυχαίνουμε τον έλεγχο που θέλουμε. Δεν θα αναφερθούμε συγκεκριμένα εδώ στο πώς το καταφέρνει αυτό σε αυτό το κεφάλαιο. Ορίζουμε τον λόγο κατάτμησης του μετατροπέα στον d και q άξονα, αντίστοιχα ως: m df Vdf και V dc m qf V V qf dc Αντικαθιστώντας τα Vdf και Vqf από στις παραπάνω διαφορικές προκύπτει: R m U I I I V f df df df df s qf dc Lf Lf Lf R m U I I I V f qf qf qf qf s df dc Lf Lf Lf Η ενεργός και η άεργος ισχύς του δικτύου δίνονται από τις σχέσεις P 3 U I 2 U I Q 3 U I 2 U I GSC, grid df df qf qf GSC, grid df df qf qf Ενώ η ενεργός και η άεργος ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα δίνονται από τις σχέσεις: P 3 3 V I V I V 2 2 m I m I Q 3 3 V I V I V 2 2 m I m I f df df qf qf dc df df qf qf f qf df df qf dc qf df df qf Για να προκύψουν αυτές οι σχέσεις έχουμε θεωρήσει τα IGBT στοιχεία ως ιδανικά ημιαγωγικά στοιχεία. Λειτουργούν δηλαδή ως ιδανικοί διακόπτες χωρίς να υπάρχουν διακοπτικές απώλειες κατά την έναυση και την σβέση. Κατά συνέπεια και ο αντιστροφέας θεωρείται ιδανικός έτσι ώστε να ισχύει PIN POUT. Την ίδια παραδοχή κάνουμε και για τον μετατροπέα Boost που αναλύσαμε προηγουμένως. 77

78 3.6 DC Διασύνδεση (DC-Link) Η DC διασύνδεση είναι το τμήμα που ενώνει τον μετατροπέα Boost με τον αντιστροφέα. Η τάση στα άκρα του DC-Link επιθυμούμε να κρατιέται σταθερή, για αυτό την ελέγχουμε μέσω του αντιστροφέα (θα μιλήσουμε στο επόμενο κεφάλαιο για αυτό). Το ρεύμα I S που βλέπουμε να «μπαίνει» στον μετατροπέα ισούται με I I, (1 ) I S Boost out L Στην ανάλυσή μας θεωρούμε την αντίσταση R του DC-Link απείρως μεγάλη, ώστε να μην περνάει καθόλου ρεύμα από αυτήν. Επίσης επειδή το ρεύμα είναι συνεχές στην μόνιμη κατάσταση δεν περνάει ρεύμα ούτε από τον πυκνωτή. Δηλαδή στην μόνιμη κατάσταση IS I S. Θεωρώντας τον πυκνωτή ιδανικό και εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της ενέργειας προκύπτει ότι: όπου PBoost PC Pf P f : Η ενεργός ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα (ο μετατροπέας θεωρείται ιδανικός όπως είπαμε πριν) P C : Η ισχύς του πυκνωτή. Στην μόνιμη κατάσταση αφού δεν περνάει ρεύμα από τον πυκνωτή PC 0 PBoost Pf. Η ισχύς P C ισούται με dvdc PC Vdc IC Vdc C dt 78

79 P Boost : Η ισχύς που δίνει στην έξοδο του ο μετατροπέας Boost. Ισούται με P V I. Boost dc S Η παραπάνω σχέση αντικαθιστώντας τις ισχύς γίνεται: dc 3 V I CV dv V m I m I dt 2 dc s dc dc df df qf qf Απαλείφοντας τα Vdc ερχόμαστε στην ακόλουθη μορφή: dc 3 I C dv m I m I dt 2 s df df qf qf Λύνοντας ως προς τάση Vdc στο DC-Link. dvdc dt προκύπτει η διαφορική εξίσωση που περιγράφει την V 3 m I m I 1 (1 ) I 2C C dc df df qf qf L Η προηγούμενη εξίσωση που είχαμε βγάλει για Vdc στο μοντέλο του Boost, ισχύει μόνο στην περίπτωση που συνδέσουμε για φορτίο μια αντίσταση R στην έξοδο του μετατροπέα. Η τελευταία εξίσωση είναι αυτή που θα χρησιμοποιήσουμε. 3.7 Έλεγχος Όπως και στους μετατροπείς DC/DC έτσι και οι αντιστροφείς ελέγχονται μέσω του λόγου κατάτμησης των ημιαγωγικών τους στοιχείων. Όμως είδαμε στην ανάλυση όμως του αντιστροφέα, ορίσαμε δύο λόγους, έναν για τον d άξονα και έναν για τον q. Μπορούμε συνεπώς με τον μετατροπέα αυτόν να ελέγξουμε δύο διαφορετικά μεγέθη. Πρώτα όμως θα αναφερθούμε στην διαμόρφωση του εύρους των παλμών που είναι η μέθοδος που θα χρησιμοποιήσουμε για την παλμοδότηση των IGBT. 79

80 3.7.1 Μέθοδος Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών (P.W.M) Με την μέθοδο PWM επιτυγχάνεται ο έλεγχος της βασικής αρμονικής της τάσης εξόδου. Η πιο συνηθισμένη μορφή PWM είναι η ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation SPWM). Πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι η τάση εξόδου προσεγγίζει όσο το δυνατόν περισσότερο στο ημίτονο, μειώνοντας έτσι τις αρμονικές που εισάγει ο μετατροπέας στο δίκτυο. Η αρχή λειτουργίας είναι απλή. Έχουμε μια πριονωτή φέρουσα (carrier) κυματομορφή αναφοράς που ονομάζουμε V. Η συχνότητα της φέρουσας κυματομορφής s tri f καθορίζει πόσο γρήγορα θα αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες. Επίσης έχουμε μια ημιτονοειδή κυματομορφή αναφοράς που ονομάζουμε V control, η οποία θα είναι το πρότυπο της τάσεως εξόδου. Συγκρίνοντας την V tri με την V control, προκύπτει μια παλμική κυματομορφή με τον εξής τρόπο. Όταν Vtri Vcontrol τότε παίρνει την ελάχιστη τιμή ενώ όταν Vtri Vcontrol παίρνει την μέγιστη. Με τον τρόπο αυτό στην παλμική κυματομορφή αλλάζει το εύρος των παλμών έτσι ώστε να είναι μεγαλύτερη η διάρκειά τους στις θετικές τιμές του ημιτόνου και μικρότερη στις αρνητικές. Η διαδικασία αυτή φαίνεται καλύτερα στο παρακάτω σχήμα. Η παλμική αυτή κυματομορφή είναι αυτή που δίνεται ως σήμα σε κάθε τρανζίστορ. Για τριφασικούς μετατροπείς έχουμε τρία ημίτονα με διαφορά φάσης 120 o που συγκρίνονται με την ίδια πριονωτή κυματομορφή για να πράξουν τρία διαφορετικά παλμικά σήματα ελέγχου. 80

81 Η μέθοδος PWM για τριφασικό μετατροπέα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Ο λόγος κατάτμησης ελέγχεται μέσω της συχνότητας f της εξής τρόπο: V control με τον m f f f s Επίσης ορίζουμε και τον συντελεστή διαμόρφωσης του πλάτους: m A V V control tri Για να λειτουργούμε στην γραμμική περιοχή του μετατροπέα πρέπει πάντα να ισχύει ma 1, δηλαδή το πλάτος του ημιτόνου να μην ξεπερνάει το πλάτος των τριγώνων. 81

82 Οι αρμονικές σε ένα σύστημα PWM συγκεντρώνονται γύρω απο τα ακέραια πολλαπλάσια του λόγου m όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. f PID Ελεγκτές Ελεγκτές είναι στοιχεία που καθορίζουν τον τρόπο λειτουργίας διαφόρων ενεργειακών συστημάτων έτσι ώστε η έξοδός τους να είναι η επιθυμητή. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο ελεγκτής πρέπει να κρατάει σταθερή την έξοδο (στην επιθυμητή τιμή), παρά τις ανωμαλίες που μπορεί να παρουσιαστούν στο σύστημα. Αυτό μπορούμε να το πετύχουμε καλύτερα με τους ελεγκτές ανατροφοδότησης. Το πιο διαδεδομένο είδος ελεγκτών είναι οι ελεγκτές τριών όρων P.I.D (Proportional, Integral, Derivative). Όπως λέει και το όνομά του ο ελεγκτής PID έχει τρείς όρους: Ο αναλογικός ελεγκτής P βοηθάει στην βελτίωση της συμπεριφοράς του συστήματος στην μεταβατική και στην μόνιμη κατάσταση. Δεν μπορεί όμως να αντιμετωπίσει απο μόνος του όλες τις πιθανές διαταραχές που μπορούν να συμβούν σε ένα σύστημα. Η χρήση του αναλογικού ελεγκτή θα έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση του χρόνου ανύψωσης και την μείωση, αλλα ποτέ την εξάλειψη του σφάλματος μόνιμης κατάστασης. Ο ολοκληρωτικός ελεγκτής I χρησιμοποιείται να βελτιώσει το σφάλμα στην μόνιμη κατάσταση, γιατι όσο υπάρχει σφάλμα, η έξοδος του ελεγκτή, λόγω του ολοκληρώματος αυξάνεται με αποτέλεσμα την εξάλειψη του σφάλματος. Η χρήση του όμως θα χειροτερεύει την μεταβατική απόκριση του συστήματος. Ο διαφορικός ελεγκτής D αυξάνει την σταθερότητα του συστήματος, μειώνοντας την υπερύψωση και βελτιώνοντας την μεταβατική απόκριση. Τέλος βελτιώνει και την συμπεριφορά του συστήματος στην μόνιμη κατάσταση. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το διάγραμμα ενός ελεγκτή PID. Το Μ είναι το σύστημα που θέλουμε να ελέγξουμε, Το e(t) είναι το σφάλμα που ορίζεται ως την είσοδο του συστήματος μείον την έξοδο του. Οι τρείς όροι του PID φαίνονται μετά με τα αντίστοιχα κέρδη τους KP, KI, K D. Την είσοδο του ελεγκτή συχνά την ονομάζουμε και αναφορά (reference). 82

83 Η συνάρτηση μεταφοράς του PID ορίζεται ως εξής: K K s K s K C s K K s s s 2 I D P I PID () P D Ενώ το σήμα ελέγχου που δίνει ο PID στο πεδίο του χρόνου: u K e( t) K e( t) dt K P I D de() t dt Τα αποτελέσματα της επίδρασης καθενός απο τους όρους P, I και D σε ένα σύστημα κλειστού βρόχου συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα: Έλεγχος στην Πλευρά του Δικτύου Σκοπός του ελέγχου που θα εφαρμόσουμε θα είναι να ελέγξουμε τις τάσεις Vdf και Vqf προκειμένου να μεταβάλλουμε τους λόγους κατάτμησης των μετατροπέων Vdf Vqf που ορίζονται ως mdf και mqf. Ο έλεγχος που θα εφαρμόσουμε θα έχει Vdc Vdc δύο σκοπούς: ref Πρώτον θα προσπαθήσουμε να κάνουμε I I 0 προκειμένου να μηδενίζεται η άεργος ισχύς. Και δεύτερον θέλουμε να κρατάμε την τάση Vdc και ίση με ref V dc. df df σταθερή 83

84 Προκειμένου να ελέγξουμε τον αντιστροφέα θα εφαρμόσουμε PI έλεγχο, γιατι μας προσφέρει μηδενικό σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Προϋπόθεση να λειτουργήσει σωστά ο έλεγχος είναι το σύστημα να είναι γραμμικό. Άρα το πρώτο στάδιο πρέπει να είναι η γραμμικοποίηση των διαφορικών εξισώσεων των ρευμάτων του d και q άξονα. Δηλαδή των L I U R I L I V f df df f df s f qf df L I U R I L I V f qf qf f qf s f df qf Ο μη γραμμικός όρος της πρώτης εξίσωσης είναι ο sli f qf ενώ της δεύτερης ο sli f df. Οι δύο αυτοί κάνουν τα ρεύματα να εξαρτώνται το ένα του άλλου, κάνουν δηλαδή τις εξισώσεις συζευγμένες μεταξύ τους. Προκειμένου όμως να γίνει σωστός έλεγχος ( δηλαδή η έλεγχος του ενός ρεύματος μην ελέγχει και το άλλο), προσπαθούμε να απαλείψουμε τους μη γραμμικούς αυτούς όρους. Έτσι ορίζουμε δυο νέες μεταβλητές: u U L I V df df s f qf df u U L I V qf qf s f df qf Με αντικατάσταση στις παραπάνω εξισώσεις προκύπτει: Lf Idf Rf Idf udf 0 L I R I u 0 f qf f qf qf Στις παραπάνω σχέσεις, λύνοντας ως προς Vdf στις σχέσεις των λόγων κατάτμησης προκύπτει ότι: 84 και Vqf U L I u Vdf Udf slf Iqf udf mdf V και αντικαθιστώντας τις df s f qf df U L I u Vqf Uqf slf Idf uqf mqf V Τις μεταβλητές udf dc qf s f df qf και u qf τις δίνει ο PI ελεγκτής ως εξής: ref t ref 0 ref t ref u K I I K I I dt df Pdf df df Idf df df u K I I K I I dt qf Pqf qf qf Iqf 0 qf qf ref Όπως είπαμε και πριν ορίζουμε το I 0 προκειμένου να μηδενιστεί η άεργος ισχύς που εισάγει ο μετατροπέας μας στο δίκτυο. Η άεργος ισχύς δίνεται απο df dc

85 3 τον τύπο Qf Vqf Idf Vdf Iqf. Επειδή όταν συγχρονίζεται στο δίκτυο ισχύει 2 3 Vdf 0 Qf Vqf Idf βλέπουμε ότι όντως αν μηδενίσουμε το Idf τότε και η άεργος 2 ισχύς θα μηδενιστεί. Μια απλοποιημένη μορφή του PI ελεγκτή του d άξονα φαίνεται παρακάτω Απο την δεύτερη σχέση όμως θέλουμε να ελέγξουμε το V dc. Ο τρόπος που το επιτυγχάνουμε αυτό είναι βάζοντας δύο PI ελεγκτές σε «σειρά» δηλαδή η έξοδος του ενός να είναι η αναφορά του άλλου. Αυτό ονομάζεται και τοπολογία Cascade. Το I δηλαδή δίνεται απο τον παρακάτω PI: t I K V V K V V dt ref ref ref qf Pdc dc dc Idc 0 dc dc ref qf Μια απλοποιημένη μορφή του PI ελεγκτή του d άξονα φαίνεται παρακάτω Τον PI που κάνει έλεγχο στο ρεύμα θα τον αποκαλούμε «εσωτερικό βρόχο» ενώ τον άλλον «εξωτερικό βρόχο». 85

86 3.7.4 Υπολογισμός Κερδών Η παραπάνω σχέσεις με μετασχηματισμό Laplace παίρνουν την μορφή: sl I ( s) R I ( s) u ( s) f df f df df sl I ( s) R I ( s) u ( s) f qf f qf qf Οι παραπάνω σχέσεις για τον PI με μετασχηματισμό Laplace παίρνουν την εξής μορφή: 1 slfidf ( s) RfIdf ( s) KPdf Idf ( s) Idf ( s) KIdf Idf ( s) Idf ( s) s 1 slfiqf ( s) RfIqf ( s) KPqf Iqf ( s) Iqf ( s) KIqf Iqf ( s) Iqf ( s) s ref ref ref ref Κάνοντας πράξεις προκύπτει ότι: KIdf KIdf ref slf R f KPdf Idf ( s) K Pdf Idf ( s) s s KIqf KIqf ref slf R f KPqf Iqf ( s) K Pqf Iqf ( s) s s I () s sk K I s s L s R K K I () s sk K I s s L df Pdf Idf ref 2 df ( ) f ( f Pdf ) Idf qf Pqf Iqf ref 2 qf () f s( R f KPqf ) KIqf I I I I df ref df qf ref qf () s 1 () s slf 1 s sk Pdf () s 1 () s slf 1 s sk Pqf R f K R f K Idf Iqf Θέτοντας στην μορφή: K Pdf Lf KPqf και if K Idf Rf KIqf καταλήγουμε if 86

87 Idf ( s) Iqf ( s) 1 ref ref I ( s) I ( s) 1 s df qf if όπου if η σταθερά χρόνου Τέλος, τα κέρδη στον εξωτερικό βρόχο επιλέγονται έτσι ώστε να είναι πιο αργός απο τον εσωτερικό. 3.8 Το Μοντέλο του Συστήματος Συνδυάζοντας τις εξισώσεις που καταλήξαμε στα προηγούμενα υποκεφάλαια προκύπτει το συνολικό μοντέλο του συστήματος στον χώρο κατάστασης: VPV L L I 1 3 df 3 L m mqf L 0 I 0 V C 2C 2C V dc dc U df I mdf R f df 0 I df s Lf I Lf L f I qf qf Uqf mqf Rf 0 s L f Lf L f Το VPV είναι η τάση που μας δίνει στην έξοδό του το φωτοβολταϊκό, εξαρτάται απο την ηλιακή ακτινοβολία και υπολογίζεται με βάση αυτά που είπαμε στο (3.3). Όπως είπαμε και προηγουμένως εάν θέλουμε να συγχρονίσουμε το σύστημά μας στο δίκτυο τότε πρέπει να θέσουμε: U df 0 U U 2U max rms qf grid grid Όπου max rms U grid η μέγιστη τιμή της τάσης του δικτύου και U grid η ενεργός τιμή. 87

88 88

89 Κεφάλαιο 4 Ανεμογεννήτριες 89

90 4.1 Εισαγωγή Η ανεμογεννήτρια είναι μια συσκευή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Ανεμογεννήτριες υπάρχουν σε διάφορα μεγέθη και χρησιμοποιούνται για ποικίλους σκοπούς. Οι μικρότερες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται για εφαρμογές όπως η φόρτιση μιας μπαταρίας ή ως βοηθητική ισχύς σε πλοία Ενώ οι μεγάλες διασυνδεδεμένες συστοιχίες ανεμογεννητριών γίνονται ολοένα σημαντικότερες για την παραγωγή «καθαρής» ηλεκτρικής ενέργειας. 4.2 Κατηγοριοποίηση Ανεμογεννητριών Οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες: Τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου και κατακόρυφου (ή κάθετου) άξονα Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου Άξονα Οριζόντιου άξονα (Horizontal Axis Wind Turbines - HAWT ) είναι οι ανεμογεννήτριες οι οποίες περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα οριζόντιο ως προς το επίπεδο του εδάφους. Είναι η συνηθισμένη εικόνα της ανεμογεννήτριας που έχουμε οι περισσότεροι στο μυαλό μας, αφού αυτές έχουν επικρατήσει για διάφορους λόγους που θα αναφέρουμε παρακάτω. Στην εικόνα παραπάνω βλέπουμε μια τέτοια ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα. Τα πτερύγιά της περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα ο οποίος είναι οριζόντιος ως προς το επίπεδο του εδάφους. Είναι φανερό ότι κάθε στιγμή, πρέπει να προσανατολίζεται προς την κατεύθυνση του ανέμου Ανεμογεννήτριες Κάθετου Άξονα 90

91 Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα (Vertical Axis Wind Turbines VAWT) αντίθετα, περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα ο οποίος είναι κάθετος ως προς το επίπεδο του εδάφους. Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα, από τον τρόπο της κατασκευής τους, «πιάνουν» τον αέρα από κάθε κατεύθυνση. Στην διπλανή φωτογραφία απεικονίζεται μια ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα τύπου «savonius», που είναι και η απλούστερη σε ότι αφορά την κατασκευή της. Αποτελείται ουσιαστικά από ένα σωλήνα κομμένο στη μέση κατά μήκος, με τα δύο κομμάτια τοποθετημένα κάθετα όπως στο παρακάτω σχέδιο (αυτό που βλέπουμε όταν κοιτάμε κάθετα την ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα τύπου savonius από ψηλά): Αυτός ο τύπος κάθετου άξονα ονομάζεται savonius και είναι ο ευκολότερος στην κατασκευή (είναι όμως και ο τύπος ανεμογεννήτριας με τη χαμηλότερη απόδοση). Υπάρχουν και άλλοι τύποι ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα, που βελτιώνουν την απόδοση σημαντικά (πχ. η «darrieus» που φαίνεται παρακάτω), ποτέ όμως δεν φτάνουν την απόδοση μιας σωστά σχεδιασμένης ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα, γι αυτό και έχουν επικρατήσει οι τελευταίες. 91

92 4.2.3 Σύγκριση των δύο τύπων ανεμογεννητριών Πλεονεκτήματα Ανεμογεννήτριας Κάθετου Άξονα: Ανάλογα με τον τύπο ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα, έχουμε πολύ μεγαλύτερη ευκολία κατασκευής σε σχέση με την κατασκευή ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα. Κυρίως όσον αφορά την ευκολότερη κατασκευή (ιδιοκατασκευή) των πτερυγίων και την έλλειψη της ανάγκης για μηχανισμό φρεναρίσματος της ανεμογεννήτριας σε υψηλές ταχύτητες ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα δεν χρειάζεται να προσανατολίζονται κάθε φορά ως προς την κατεύθυνση του ανέμου. Λόγω κατασκευής "πιάνουν" τον αέρα από όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό τις κάνει καταλληλότερες σε τοποθεσίες όπου ο αέρας δεν είναι σταθερός ή όπου περιβάλλονται από κάποια μικρά εμπόδια (με σημαντικά μειωμένη απόδοση όμως). Το κόστος κατασκευής τους είναι χαμηλότερο από το κόστος κατασκευής μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα λόγω απλούστερου σχεδιασμού. Είναι ασφαλέστερες διότι δεν υπάρχει ο κίνδυνος να σπάσει κάποιο πτερύγιο, ούτε κινούνται με την μεγάλη ταχύτητα στροφών που κινούνται οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. Πλεονεκτήματα Ανεμογεννήτριας Οριζόντιου Άξονα: Το πρώτο και σημαντικότερο μειονέκτημα είναι ότι οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν υψηλότερη απόδοση από τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα. Αυτό ισχύει σε μεγάλο βαθμό για τον τύπο "savonius" όπου δεν ξεπερνούν το 15%, αλλά και στους άλλους τύπους σε μικρότερο βαθμό (μια καλή μικρή ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα έχει μέση απόδοση 30%- 40%). 92

93 Από το προηγούμενο προκύπτει ότι για να έχει μια ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα την ίδια περίπου παραγωγή με μια οριζόντιου άξονα, θα πρέπει η κάθετου άξονα να έχει μέχρι και τριπλάσια επιφάνεια επαφής με τον αέρα. Αυτό συνεπάγεται ότι οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν μικρότερο όγκο και βάρος. Λόγω υψηλότερων στροφών περιστροφής ανά λεπτό, χρειάζονται πιο ασθενείς ανέμους για να ξεκινήσουν την φόρτιση των συσσωρευτών (με δεδομένο το ίδιο μοτέρ σε οριζόντιου άξονα ανεμογεννήτρια). Για τους παραπάνω λόγους έχει επικρατήσει στην αγορά κυρίως οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα. 4.3 Η δομή μιας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα Μια τυπική ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα αποτελείται από τα εξής μέρη: Δρομέας: Αποτελείται από δύο ή τρία πτερύγια από ενισχυμένο πολυεστέρα. Τα πτερύγια συνδέονται με μία πλήμνη η οποία συνδέεται με τον άξονα χαμηλής ταχύτητας. Επίσης στον δρομέα ανήκουν ολα τα υδραυλικά η μηχανικά συστήματα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του βήματος των πτερυγίων. 93

94 Σύστημα Μετάδοσης της Κίνησης: Αποτελείται από τον κύριο άξονα, τα έδρανα και το κιβώτιο ταχυτήτων, το οποίο προσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στην σύγχρονη ταχύτητα της γεννήτριας. Η ταχύτητα περιστροφής παραμένει σταθερή στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας της μηχανής. Γεννήτρια: Σκοπός της είναι να μετατρέπει την μηχανική ενέργεια του άξονα σε ηλεκτρική. Μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε επαγωγική. Συνδέεται με την έξοδο του κιβωτίου ταχυτήτων και συνήθως βρίσκεται πάνω στον πύργο της ανεμογεννήτριας. Οι περισσότερες γεννήτριες έχουν και ένα σύστημα πέδης, που συνήθως είναι ένα απλό δισκόφρενο τοποθετημένο στον κύριο άξονα ή στον άξονα της γεννήτριας. Σύστημα Προσανατολισμού: Σκοπός του είναι να προσανατολίζει τον άξονα περιστροφής του δρομέα παράλληλα με την διεύθυνση του ανέμου. Πύργος: Είναι στην ένας σωληνωτός ή δικτυωτός πυλώνας που πάνω του στηρίζεται η άτρακτος. Πίνακας Ελέγχου: Σκοπός του είναι να παρακολουθεί να συντονίζει και να ελέγχει όλες τις λειτουργίες της ανεμογεννήτριας. Βρίσκεται συνήθως στην βάση του πύργου. Μια πιο λεπτομερής αναπαράσταση της ατράκτου φαίνεται παρακάτω: 94

95 4.4 Ανεμογεννήτριες Σταθερής και Μεταβλητής Ταχύτητας Ανεμογεννήτριες Σταθερής Ταχύτητας Οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας στρέφονται με σταθερό αριθμό στροφών ανεξάρτητα της ταχύτητας του ανέμου. Η σύνδεσή τους με το δίκτυο γίνεται απευθείας με έναν μετασχηματιστή στο δίκτυο όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Με τον τρόπο αυτό στην ανεμογεννήτρια «επιβάλλεται» μια σταθερή γωνιακή ταχύτητα περιστροφής. Η γεννήτρια στην περίπτωση αυτή μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε επαγωγική. Στις σύγχρονες οι στροφές παραμένουν σταθερές ενώ στις επαγωγικές γεννήτριες ο αριθμός στροφών μπορεί να μεταβληθεί σε ένα σχετικά μικρό εύρος τιμών. Η μεταβολή αυτή εξαρτάται από το φορτίο. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι μηχανές αυτές είναι επαγωγικές βραχυκυκλωμένου κλωβού, γιατί είναι κατασκευαστικά πιο απλές και κατά συνέπεια και πιο φτηνές. Επίσης η δυνατότητα που έχουν να μεταβάλλουν λίγο τις στροφές τους είναι χρήσιμη στην εξομάλυνση στις διακυμάνσεις της ισχύος. Το μειονέκτημα που έχουν είναι ότι απορροφούν άεργο ισχύ και απαιτούν την σύνδεση πυκνωτών παράλληλα για αντιστάθμιση. Τα συστήματα σταθερών στροφών χρησιμοποιούν μέθοδο ελέγχου «stall» (απώλεια αεροδυναμικής στήριξης) ή μέθοδο «pitch» (μεταβολή της κλίσης των πτερυγίων) Για τις μεθόδους ελέγχου θα αναφερθούμε αναλυτικότερα πιο μετά. Τα συστήματα σταθερών στροφών χαρακτηρίζονται από την απλότητά και την αξιοπιστία τους καθώς και τις μηδενικές ανάγκες συντήρησης που έχουν. Όμως η έλλειψη ευελιξίας που παρουσιάζουν ως προς την ρύθμιση των στροφών μπορεί να προκαλέσει και σοβαρά προβλήματα στην λειτουργία της γεννήτριας. Πιο συγκεκριμένα, εάν η μεταβαλλόμενη αεροδυναμική ροπή περιέχει αρμονικές που βρίσκονται κοντά στις συχνότητες συντονισμού του συστήματος μετάδοσης της ισχύος, θα εμφανιστούν έντονες ταλαντώσεις στον άξονα και στην ισχύ εξόδου της γεννήτριας. 95

96 4.4.2 Ανεμογεννήτριες Μεταβλητής Ταχύτητας Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας μπορούν, όπως λέει και το όνομά τους να μεταβάλλουν την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες αυτές συνδέονται μέσω μετατροπέων ισχύος στο δίκτυο. Η πιο απλή περίπτωση συστήματος μεταβλητής ταχύτητας φαίνεται παρακάτω: Το βασικό πλεονέκτημα που παρουσιάζει η λειτουργία μεταβλητής ταχύτητας είναι η εκμετάλλευση μεγαλύτερου ποσοστού της κινητικής ενέργειας του ανέμου και κατά συνέπεια η βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης της μηχανής. Επίσης στα συστήματα μεταβλητών στροφών είναι δυνατός και ο έλεγχος της αέργου ισχύος. Τέλος, στα συστήματα αυτά, δίνεται η δυνατότητα της εξομάλυνσης των μηχανικών ροπών και η απόσβεση των ταλαντώσεων στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης της μηχανής, πράγμα που σημαίνει αύξηση της διάρκειας ζωής της μηχανής. Η αυξημένη πολυπλοκότητα, όμως, του μετατροπέα, αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα των συστημάτων αυτών γιατί αυξάνουν το κόστος της κατασκευής. Επιπλέον, λόγω του μετατροπέα, εισέρχονται στο δίκτυο και ανώτερες αρμονικές, και είναι αναγκαία η εγκατάσταση φίλτρων για τον περιορισμό τους. 4.5 Τύποι Συνδεσμολογίας Ανεμογεννητριών Οι ανεμογεννήτριες ανάλογα με το τύπο της γεννήτριας, τον έλεγχό της και τη δυνατότητα τους για μεταβλητή ταχύτητα, χωρίζονται σε τέσσερις βασικές κατηγορίες Τύπος Α: Τύπου Α είναι οι ανεμογεννήτριες σταθερής ταχύτητας με επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού, συνδεδεμένες κατ ευθείαν στο δίκτυο μέσω μετασχηματιστή. Επειδή ως γνωστών οι επαγωγικές γεννήτριες απαιτούν άεργη ισχύ για τη μαγνήτιση τους, συνδέονται στους ακροδέκτες τους συστοιχίες πυκνωτών για αντιστάθμιση. Επίσης, η σύνδεση με το δίκτυο μπορεί να πραγματοποιηθεί ομαλά μέσω ενός soft-starter. 96

97 Λόγω της σταθερής ταχύτητας, οι διακυμάνσεις του ανέμου οδηγούν σε μηχανικές καταπονήσεις (διακυμάνσεις στη ροπή) που με τη σειρά τους οδηγούν σε διακυμάνσεις της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Στη περίπτωση ασθενούς δικτύου, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε διακυμάνσεις της τάσης του σημείου κοινής σύνδεσης (PCC). Τα μειονεκτήματα της λοιπόν είναι ότι δεν υποστηρίζει έλεγχο ταχύτητας για βελτιστοποίηση της παραγόμενης από τον άνεμο ενέργειας, απαιτεί ισχυρό δίκτυο για να μη δημιουργεί έντονες διακυμάνσεις τάσης και πρέπει η κατασκευή της να αντέχει σε μεγάλες μηχανικές καταπονήσεις. Σημαντικό πλεονέκτημά της ωστόσο το χαμηλό κόστος. O τύπος αυτός είναι γνωστός και ως «Δανική Ιδέα» (Danish Concept) Τύπος Β: Στο τύπο αυτό ανήκουν ανεμογεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα με περιορισμένη δυνατότητα ελέγχου της ταχύτητας μέσω της χρήσης εξωτερικών αντιστάσεων στο δρομέα. Έτσι η συνολική αντίσταση του δρομέα είναι μεταβαλλόμενη και η μεταβολή της ταχύτητας δεν ξεπερνά το 10%. Ο τύπος αυτός χρησιμοποιούνταν κυρίως μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 90. Στα πλεονεκτήματα της συγκαταλέγονται η μερική έστω βελτίωση της εκμεταλλευόμενης ενέργειας και η ρύθμιση της ισχύς στην έξοδο. Μειονεκτήματά της ωστόσο, το μεγαλύτερο κόστος σε σχέση με τις τύπου Α μηχανές και η συντήρηση που απαιτεί το σύστημα των ψηκτρών δακτυλιδιών του δρομέα. 97

98 4.5.3 Τύπος C: Τύπου C, είναι οι ανεμογεννήτριες που θα εξετάσουμε στη παρούσα διπλωματική. Γνωστές όπως αναφέραμε και ως Επαγωγικές Γεννήτριες Διπλής Τροφοδοσίας (Doubly-Fed Induction Generators - DFIGs), περιλαμβάνουν γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα και μετατροπέα συχνότητας που τροφοδοτεί το δρομέα, διαστασιολογημένο ωστόσο σε κλάσμα της συνολικής ισχύος της μηχανής. Μάλιστα το μέγεθος του μετατροπέα είναι ανάλογο με τη ρύθμιση ταχύτητας που επιθυμούμε. Συνήθως αυτή περιορίζεται στο +-30% της βασικής. Σε αυτές τις ταχύτητες το μικρό κόστος του μετατροπέα καθιστά το συγκεκριμένο τύπο αρκετά δελεαστικό. Μειονέκτημα αποτελεί η ανάγκη συντήρησης των ψηκτρών δακτυλιδιών του δρομέα καθώς και η ανάγκη αυστηρής προστασίας των μετατροπέων σε περίπτωση σφάλματος στο δίκτυο. Περισσότερα γι αυτόν τον τύπο θα δοθούν φυσικά στη συνέχεια της παρούσας εργασίας Τύπος D: Στον τύπο αυτό περιλαμβάνονται οι ανεμογεννήτριες με έλεγχο ταχύτητας σε όλο το εύρος (από 0 έως 100% της σύγχρονης). Η σύνδεση επιτυγχάνεται μέσω ενός μετατροπέα συχνότητας μεταξύ στάτη και δικτύου. Η γεννήτρια μπορεί να είναι ασύγχρονη, σύγχρονη με τύλιγμα στο δρομέα και σύγχρονη μόνιμου μαγνήτη. Πλεονέκτημα του συγκεκριμένου τύπου είναι η μέγιστη εκμετάλλευση της ενέργειας του ανέμου και η δυνατότητα αποφυγής χρήσης κιβωτίου ταχυτήτων. Μειονεκτεί ωστόσο εξαιτίας της απαίτησης μετατροπέα ισχύος διαστασιολογημένο στη συνολική ισχύ της μηχανής, με αποτέλεσμα, να αυξάνει τόσο το κόστος αγοράς όσο και οι απώλειες στο μετατροπέα σε σχέση με τον τύπο C. 98

99 4.6 Μέθοδοι Ρύθμισης Ισχύος Αναλόγως τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η ρύθμιση της ισχύος από τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας, διακρίνουμε τρεις βασικές στρατηγικές ελέγχου Stall Control (Passive) Απλό, εύρωστο και φτηνό σύστημα που προσφέρει περιορισμό της παραγόμενης ισχύς στις μεγάλες ταχύτητας μέσω της αεροδυναμικής του πτερυγίου. H γωνία κλίσης των πτερυγίων είναι σταθερή και επιλέγεται τέτοια τιμή ώστε η τουρμπίνα να φτάνει την ονομαστική ισχύ στην επιθυμητή ταχύτητα. Τα πτερύγια σε υψηλές ταχύτητες ανέμου (χαμηλές τιμές του λ) εμφανίζουν απώλεια αεροδυναμικής στήριξης Ωστόσο, δεν δίνει μεγάλη ευελιξία ρύθμισης κατά την διαδικασία της εκκίνησης. 99

100 Ενδεικτική καμπύλη Ισχύος Ανεμογεννήτριας με έλεγχο passive-stall control Pitch control 100

101 Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει συνεχή έλεγχο των πτερυγίων, προσφέροντας έτσι αναβαθμισμένο έλεγχο ισχύος, εύκολες εκκινήσεις καθώς και άμεσο αεροδυναμικό φρενάρισμα σε περίπτωση κινδύνου. Μέρος ή ολόκληρο το πτερύγιο περιστρέφεται γύρο από τον διαμήκη άξονά του, μεταβάλλοντας έτσι τη γωνία πρόσπτωσης άρα και την παραγόμενη άντωση. Ο τύπος αυτός ελέγχου χρησιμοποιείται κατά κόρον από τις ανεμογεννήτριες τελευταίας γενιάς. Το μειονέκτημα του ωστόσο, πέρα από το μεγαλύτερο κόστος, λόγω αυξημένης πολυπλοκότητας σε σχέση με το stall έλεγχο, είναι οι μεγάλες διακυμάνσεις στην ισχύ για μικρές διακυμάνσεις της ταχύτητας του ανέμου σε μεγάλες ταχύτητες. Ο μηχανισμός δεν είναι τόσο γρήγορος ώστε να αποφύγει τελείως διακυμάνσεις στην ισχύ. Έτσι, ναι μεν ο μηχανισμός είναι ικανός να απορροφά αργές μεταβολές του ανέμου, ωστόσο αυτό δεν είναι εφικτό να εξαλειφθούν οι ριπές. 101

102 4.6.3 Active stall control Το σύστημα αυτό έχει γίνει αρκετά αποδεκτό τελευταία σε μεγάλες τουρμπίνες σταθερής ταχύτητας γιατί συνδυάζει τα βασικά χαρακτηριστικά του συστήματος stall, παρέχοντας παράλληλα και μία ευελιξία για ταχύ αεροδυναμικό φρενάρισμα σε περίπτωση κινδύνου όπως και εύκολες εκκινήσεις. Τα πτερύγια στρέφονται προς την αντίθετη κατεύθυνση από ότι στον έλεγχο βήματος πτερυγίου (σε ένα μικρό εύρος 0 4 περίπου). Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι η ισχύς εξόδου της γεννήτριας μπορεί να ελεγχθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια και κατά συνέπεια δεν καταπονείται το σύστημα σε περιόδους ριπών ανέμου. Ο ενεργός έλεγχος της γωνίας pitch χρησιμοποιείται σε μεγάλες ανεμογεννήτριες, άνω του 1 MW 102

103 Από τους τρεις τύπους ελέγχου, αυτός που χρησιμοποιείται κατά κόρον από της ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών είναι ο μηχανισμός με συνεχή έλεγχο της γωνίας των πτερυγίων (pitch control). Επιδιώκεται ο σχεδιασμός όσο το δυνατό γρηγορότερου συστήματος ενώ η ευελιξία και τα οφέλη που παρέχονται από την αποτελεσματικότερη ρύθμιση ισχύος είναι ικανά να αντισταθμίσουν το μεγαλύτερο κόστος του συγκεκριμένου μηχανισμού σε σχέση με τους άλλους δύο. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται συγκεντρωμένοι οι συνδυασμοί των διαφόρων τύπων μηχανών και των διαφόρων μηχανισμών ελέγχου: 103

104 4.7 Είδη Γεννητριών Η επικρατέστερη γεννήτρια σήμερα, όπως θα δούμε παρακάτω είναι η επαγωγική και κυρίως (σε ποσοστό μεγαλύτερο του 70%) η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Συνολικά τα είδη των γεννητριών που μπορούν να εξοπλιστούν σε μια ανεμογεννήτρια είναι: Σύγχρονες Γεννήτριες - Σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη ( Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) - Σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (Wound-Rotor Synchronous Generator - WRSG) Ασύγχρονες (επαγωγικές) γεννήτριες - Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (Squirrel-Cage Induction Generator - SCIG). - Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (Wound-Rotor Induction Generator - WRIG) - Επαγωγικές γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (Opti-Slip Gnduction Generator - OSIG) - Επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας (Doubly-Fed Induction Generator - DFIG) Επίσης ανάλογα με το αν μπορούν να μεταβάλλουν ή όχι την ταχύτητά τους χωρίζονται σε: - Επαγωγικές γεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας (Fixed-Speed Induction Generator - FSIG) - Επαγωγικές γεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας (Variable-Speed Induction Generator - VSIG) Σύγκριση Γεννητριών Οι γεννήτριες σταθερής ταχύτητας FSIG (Τύπου Α) είναι συνήθως γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) είτε με σταθερό (FSIG1) είτε με μεταβλητό (FSIG2) αριθμό πόλων. Οι γεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας VSIG χρησιμοποιούνται στους τύπους B,C και D. Πιο συγκεκριμένα: Στον Τύπο B χρησιμοποιούνται συνήθως επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) που αν έχουν την δυνατότητα μεταβολής της εσωτερικής τους αντίστασης ονομάζονται γεννήτριες μεταβλητής αντίστασης δρομέα (OSIG). 104

105 Στον Τύπο C χρησιμοποιείται η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Στον Τύπο D χρησιμοποιείται η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) ή η σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Οι ιδιαιτερότητες κάθε τύπου είναι λογικό να επιδρούν με διαφορετικό τρόπο στη συνολική απόδοση του αιολικού συστήματος. Για παράδειγμα, ανεμογεννήτρια τύπου D, έχει μειωμένες μηχανικές απώλειες λόγω μη χρήσης κιβωτίου ταχυτήτων αλλά έχει αυξημένες ηλεκτρικές απώλειες λόγο των απωλειών στο μετατροπέα ισχύος. Συνολικές Απώλειες ανά τύπο μηχανής. Οι απώλειες δίνονται ως ποσοστό της μέγιστης ισχύος στον άξονα της μηχανής 105

106 Κατανομή της αποσπώμενης από τον άνεμο ισχύος για μία μέση ταχύτητα 6m/sec. Το 100% αντιστοιχεί στην ισχύ για βέλτιστο αεροδυναμικό συντελεστή. Αποδοτικότητα των Διαφόρων Τύπων Ανεμογεννητριών ως συνάρτηση της Μέσης Ταχύτητας Ανέμου. 106

107 Κεφάλαιο 5 Ανάλυση Λειτουργίας Αιολικού Συστήματος 107

108 5.1 Ο Άνεμος Όπως έχουμε αναφέρει, η μηχανή που θα εξεταστεί στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Πριν όμως να μπορέσουμε να αναλύσουμε τη λειτουργία της και να την μοντελοποιήσουμε πρέπει να αναφερθούμε στην μορφή ενέργειας που την τροφοδοτεί (στην «είσοδό» της δηλαδή), που δεν είναι άλλη απο τον άνεμο Η Κατανομή της Ταχύτητας του Ανέμου Η φύση του ανέμου όπως γνωρίζουμε είναι τυχαία. Δηλαδή δεν μπορούμε να προβλέψουμε ποτέ με ακρίβεια, ούτε την ταχύτητά του ούτε καν την διεύθυνση σε πολλές περιπτώσεις. Ο λόγος που θέλουμε να γνωρίζουμε την ταχύτητα του ανέμου είναι για να μπορέσουμε να υπολογίσουμε την ισχύ που θα αποδίδει μια ανεμογεννήτρια ώστε να κρίνουμε αν θα είναι συμφέρουσα η εγκατάστασή της. Την μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου σε μια περιοχή μπορούμε να την βρούμε εύκολα απο τις διάφορες μετεωρολογικές υπηρεσίες. Δεν αρκεί όμως μόνο αυτό. Η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να προσεγγιστεί μέσω της κατανομής Weibull. Η κατανομή αυτή μας δείχνει πόσο συχνά άνεμοι διαφορετικών ταχυτήτων θα εμφανιστούν σε μια τοποθεσία, γνωρίζοντας την μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου στην περιοχή αυτή. Με αυτήν την κατανομή μπορούμε να επιλέξουμε μια ανεμογεννήτρια με την βέλτιστη ταχύτητα σύνδεσης (cut-in speed: η ταχύτητα στην οποία η ανεμογεννήτρια αρχίζει να παρέχει χρησιμοποιήσιμη ισχύ) και την βέλτιστη ταχύτητα αποκοπής (cut-out speed: η ταχύτητα πάνω απο την οποία η ανεμογεννήτρια δεν μπορεί να δώσει μεγαλύτερη ισχύ). Η κατανομή Weibull δίνεται απο τον παρακάτω τύπο: p v k v cc k1 v k c Όπου v η μέση ταχύτητα του ανέμου, k η παράμετρος μορφής και c η παράμετρος κλίμακας της κατανομής. e Για μέση ταχύτητα ανέμου v 7 m/ sec, η κατανομή έχει την διπλανή μορφή. Παρατηρούμε ότι οι ισχυροί άνεμοι είναι αρκετά σπάνιοι ενώ οι περισσότεροι άνεμοι εμφανίζονται για v 6 m/ sec. Το 50% της κατανομής που φαίνεται με μια μαύρη γραμμή στο σχήμα αντιστοιχεί στην ταχύτητα v 6.6 m/ sec. 108

109 Η κατανομή Weibull για k=2 ονομάζεται κατανομή Reyleigh και δίνεται απο την σχέση: p v 2v 2 c e 2v c Η κατανομή Reyleigh είναι πιο εύχρηστη απο την κατανομή Weibull. Παρακάτω φαίνεται η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της κατανομής Reyleigh για διάφορες τιμές της παραμέτρου κλίμακας: Η Ισχύς του Ανέμου Μία αέρια μάζας m όταν έχει ταχύτητα v w έχει κινητική ενέργεια ίση με 1 2 K m v w 2 3 Αν η πυκνότητα του αέρα (τυπική τιμή 1.3 kg / m ) που μεταβάλλεται 2 με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και S μια κυκλική επιφάνεια ( S R ), τότε η αέρια μάζα που θα περνάει απο τον κύκλο ανά μονάδα χρόνου θα ισούται με: m S v w 109

110 Επιλέξαμε κυκλική επιφάνεια γιατί η επιφάνεια σάρωσης των πτερυγίων μιας 2 ανεμογεννήτριας είναι S R A όπου R η ακτίνα του πτερυγίου. Αντικαθιστώντας την μάζα m με την μάζα που περνάει απο την επιφάνεια ανά μονάδα χρόνου, παίρνουμε την μηχανική ισχύ του ανέμου: P w 1 S v 2 3 w Αυτή αντιπροσωπεύει την ολική ισχύ που περνάει απο τον χώρο την επιφάνεια της ανεμογεννήτριας. Η ανεμογεννήτρια όμως δεν μπορεί να δεσμεύσει όλη αυτή την ενέργεια, κυρίως λόγω της εκτροπής που υφίσταται ο άνεμος στα πτερύγιά της. Αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος C P τον λόγο της μηχανικής ισχύος που χρησιμοποιεί μια ανεμογεννήτρια προς την ισχύ του ανέμου. Δηλαδή: C P P P m w Τελικά αντικαθιστώντας τον συντελεστή προκύπτει ότι: C P στην σχέση για την ισχύ 1 P AC v 2 3 m P w Αεροδυναμικός Συντελεστής Ισχύος Cp Ο συντελεστής C P εξαρτάται τόσο απο τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας όσο και απο τις συνθήκες λειτουργίας της. Στην πράξη είναι συνάρτηση της γωνίας του βήματος των πτερυγίων (αναφερθήκαμε σε αυτό στο προηγούμενο κεφάλαιο) και του λόγου της ταχύτητας του ακροπτερυγίου (tipspeed ratio). Ο τελευταίος ορίζεται ως: Ο συντελεστής R R v C P υπολογίζεται απο την παρακάτω σχέση: C P 110 w 12,5 e 116 i, i Όπου i

111 Η μέγιστη θεωρητική τιμή του C P είναι το 59.3% το οποίο ονομάζεται και όριο του Betz. Όμως στην πράξη, ο C είναι της τάξης του 30% - 40% P Στα παρακάτω σχήματα φαίνεται ο C P συναρτήσει του β και του λ. Η μέγιστη τιμή του C P στο παρακάτω σχήμα είναι χαμηλότερη απο την μέγιστη θεωρητική αλλά κοντά στο 50% Το μέγιστο αυτό όριο του C P εμφανίζεται για 0 και opt όπου και CP, opt Αυτό μπορούμε να το δούμε καλύτερα στο παρακάτω σχήμα 111

112 5.2 Οι Συνιστώσες του Συστήματος Έχοντας υπολογίσει την μηχανική ισχύ που δίνει ο άνεμος στην ανεμογεννήτρια μπορούμε τώρα να αναλύσουμε μια - μια τις συνιστώσες του συστήματός μας. Ο άξονας των πτερυγίων ενώνεται με την γεννήτρια μηχανικά, μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων. Η γεννήτρια συνδέεται με έναν Back-to-Back μετατροπέα που είναι στην ουσία ένας ανορθωτής σε σειρά με έναν αντιστροφέα. Στην έξοδο του αντιστροφέα υπάρχει ένα RL φίλτρο σαν αυτό που είχαμε και στα φωτοβολταϊκά. Η γεννήτρια και οι μετατροπείς συνδέονται στο δίκτυο όπως στο παραπάνω σχήμα. 5.3 Κιβώτιο Ταχυτήτων Οι επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας γενικά είναι μηχανές με λίγα ζεύγη πόλων (πχ p=3), αυτό σημαίνει ότι ο δρομέας (Rotor) τους στρέφεται με σχετικά γρήγορη ταχύτητα σε σχέση με αυτήν που στρέφονται τα πτερύγια. Για τον λόγο αυτό τοποθετούμε ένα κιβώτιο ταχυτήτων με λόγο μετασχηματισμού n πριν την μηχανή. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνουμε η μηχανή να στρέφεται n g φορές πιο γρήγορα απο ότι τα πτερύγια. Η αρχή λειτουργίας του κιβωτίου ταχυτήτων είναι απλή. Έχουμε δύο γρανάζια με διαφορετική ακτίνα (έστω R 1, R 2 ) που το ένα στρέφει το άλλο. Επειδή η γραμμική ταχύτητα είναι η ίδια και για τα δύο γρανάζια στο σημείο περιστροφής, για 1 R1 τις γωνιακές ταχύτητες θα ισχύει 1R1 2R2. Αν επιλέξουμε λόγο R ακτινών ίσο με n g, τότε θα έχουμε ότι 1 n g g 112

113 Έστω ότι τώρα 1 gen r η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα και 2 rot η γωνιακή ταχύτητα των πτερυγίων τότε θα ισχύει ότι: n r g rot Παρακάτω φαίνεται μια σχηματική αναπαράσταση ενός κιβωτίου ταχυτήτων, με προδιαγραφές αυτές που αναφέραμε πριν. Στην ανάλυση που θα κάνουμε δεν θα λάβουμε υπόψη την δυσκαμψία του άξονα K sh και την ροπή T sh. Επειδή υποθέτουμε ιδανικό κιβώτιο, δηλαδή δεν υπάρχουν μηχανικές απώλειες στην μετάδοση της κίνησης, απο την αρχή διατήρησης της ενέργειας θα ισχύει: P P T T rot m m rot rot m r T T n rot rot m g rot T n T rot g m rot Όπου P m η μηχανική ισχύς του άξονα των πτερυγίων, P m η μηχανική ισχύς του άξονα της γεννήτριας, Trot η ροπή του άξονα των πτερυγίων, και T m η ροπή του άξονα της γεννήτριας. Παραγωγίζοντας την παραπάνω σχέση των γωνιακών ταχυτήτων έχουμε: drot 1 dr dt n dt Άρα θα ισχύουν και οι παρακάτω δύο σχέσεις για την γεννήτρια και τα πτερύγια: 113 g

114 d J T n T 1 r rot rot g m ng dt dr J gen Te Tm r dt Προσθέτοντας τις παραπάνω δύο σχέσεις κατά μέλη: d T n dt n d T 1 r rot J 2 rot J gen Te r g g r rot J Te dt ng r άρα τελικά η σχέση που συνδέει την ηλεκτρική ( T e ) με τη μηχανική ροπή ( T m ) είναι η ακόλουθη: T T J d dt r e m r όπου β η σταθερά της τριβής, ενώ η συνολική ροπή αδράνειας του δρομέα της γεννήτριας δίνεται απο τη σχέση: 1 J Jrot J n 2 g gen 5.4 Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας Στο a-b-c σύστημα, το ηλεκτρικό μέρος της μηχανής περιγράφεται απο τις εξισώσεις: Vas Ias as d V R I bs s bs bs dt V cs I cs cs όπου Vas, Vbs, V cs η στιγμιαία τιμή της τάσεως στον στάτη στην αντίστοιχη φάση, Ias, Ibs, Ics η στιγμιαία τιμή του ρεύματος του στάτη στην αντίστοιχη φάση, as, bs, cs η στιγμιαία τιμή της ροής του στάτη στην αντίστοιχη φάση και Rs η ανά φάση αντίσταση των τυλιγμάτων του στάτη. 114

115 Στην DFIG, όμως, η τάση του στάτη ισούται με την τάση του δικτύου. Εφαρμόζοντας τον μετασχηματισμό Park που αναλύσαμε στο κεφάλαιο 3, οι παραπάνω εξισώσεις στο d-q σύστημα εκφράζονται ως: Vds d ds I qs ds s Rs V qs dt qs I ds qs Τα παραπάνω μεγέθη με δείκτη d αναφέρονται στον d άξονα και αυτά με δείκτη q στον q άξονα. Πιο αναλυτικά οι παραπάνω σχέσεις: V V R I ds ds s qs s ds R I qs qs s ds s qs Οι αντίστοιχες σχέσεις για τις τάσεις του δρομέα είναι: V ( p ) R I dr dr s r qr r dr V ( p ) R I qr qr s r dr s qr Όπου V, V η τάση του δρομέα στον αντίστοιχο άξονα (d-q),, η ροή dr qr του δρομέα στον αντίστοιχο άξονα, I, I το ρεύμα του δρομέα στον αντίστοιχο dr άξονα, s η γωνιακή συχνότητα του μετασχηματισμού r, η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα, p ο αριθμός ζευγών πόλων της μηχανής και R r η ανά φάση αντίσταση του δρομέα της μηχανής. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή της μηχανής δίνεται απο την σχέση: qr 3 T p I I 2 e ds ds qs qs Ενώ η μηχανική ροπή στον άξονα της μηχανής συνδέεται με την μηχανική ισχύ με την παρακάτω σχέση dr qr T m Pm r Όπου η ισχύς P m υπολογίζεται συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου απο την σχέση που εξάγαμε στο 5.1.2: 1 3 Pm ACP vw 2 115

116 Ενώ η σχέση που συνδέει την μηχανική με την ηλεκτρική ροπή (όπως αναφέραμε στο 5.3) είναι η εξής: T T J d dt r e m r Έπειτα από πράξεις προκύπτουν οι αλγεβρικές σχέσεις που συνδέουν ροές και ρεύματα ως εξής: L I L I ds s ds m dr L I L I qs s qs m qr L I L I dr r dr m ds L I L I qr r qr m qs Όπου επαγωγή. L s η επαγωγή του στάτη, L r η επαγωγή του δρομέα και L m η αμοιβαία Συνδυάζοντας τις παραπάνω προκύπτουν οι εξισώσεις που περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά της μηχανής: L R R I V m s ds s dr ds s qs ds Ls Ls L R R I V m s qs s qr qs s ds qs Ls Ls R L R L R L I I p I 2 2 r s s m s m dr ( ) 2 2 dr s r qr 2 2 ds Lr Ls Ls Lm Lr Ls Ls Lm L L L p V V L L L L L L L L L m s m 2 r qs 2 dr 2 ds r s m r s m r s m I qr R L L L R L 2 2 r s s m 2 2 r s Ls Lm I RL ( p ) I s m qr s r qr 2 2 qs Lr Ls Ls Lm L L L p V V L L L L L L L L L m s m 2 r ds 2 qr 2 qs r s m r s m r s m 3pLm T r qsidr dsiqr r 2JL J J s 116 m

117 5.5 Back-to-Back Μετατροπέας Ο back-to-back μετατροπέας είναι ένας μετατροπέας δύο βαθμίδων, δηλαδή δύο μετατροπείς συνδεμένους σε σειρά. Αποτελείται απο έναν AC/DC μετατροπέα (Ανορθωτής Rectifier) και έναν DC/AC μετατροπέα (Αντιστροφέας Inverter), συνδεδεμένους μέσω ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας (πυκνωτές στο DC- Link). Στο τέλος του αντιστροφέα, όπως και στο φωτοβολταϊκό, υπάρχει ένα R-L φίλτρο. Ο back-to-back μετατροπέας είναι ένας μετατροπέας συχνότητας (ή αλλιώς και μηχανισμός ρύθμισης ταχύτητας). Αποτελείται απο IGBT ημιαγωγικά στοιχεία και παλμοδοτείται με PWM. Ο μετατροπέας αυτός, αν και εμφανίζει μεγαλύτερες απώλειες στα διακοπτικά στοιχεία λόγω της μεγαλύτερης διακοπτικής συχνότητας, αυξάνει σημαντικά την τάξη των αρμονικών της τάσης εξόδου με αποτέλεσμα να μειώνεται η επίδρασή τους. Την ανάλυση του αντιστροφέα την κάναμε στο κεφάλαιο 3.5. Οι εξισώσεις που θα χρησιμοποιήσουμε λοιπόν είναι οι ίδιες με αυτές που είχαμε εξάγει στο κεφάλαιο αυτό Μετατροπέας AC/DC (Ανορθωτής) Ο ανορθωτής είναι μια συσκευή που μετατρέπει εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή. Αυτό το καταφέρνει μέσω μίας γέφυρας απο ημιαγωγικά στοιχεία τα οποία αναγκάζουν το ρεύμα να περνάει κατά μια συγκεκριμένη φορά απο το φορτίο. Οι ανορθωτές χωρίζονται σε πολλές κατηγορίες (πλήρεις ανορθωτές/ημιανορθωτές, πλήρους/μερικώς/μη ελεγχόμενης γέφυρας, μονοφασικοί/τριφασικοί κ.α). Στην παρούσα διπλωματική θα χρησιμοποιήσουμε τον τριφασικό (πλήρως ελεγχόμενο) ανορθωτή με IGBT ημιαγωγικά στοιχεία. Τα ημιαγωγικά στοιχεία, όπως βλέπουμε και απο το παραπάνω σχήμα είναι 6, χωρισμένα σε δύο ομάδες των τριών. Σε κάθε χρονική στιγμή μόνο ένα ημιαγωγικό στοιχείο άγει τη φορά απο κάθε ομάδα. Τον μετατροπέα αυτόν τον ονομάζουμε και «μετατροπέας απο την πλευρά της μηχανής» (ή Rotor Side Converter RSC) και όλα τα μεγέθη που θα σχετίζονται με αυτόν θα έχουν τον δείκτη «r». Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το αποτέλεσμα της ανόρθωσης της τάσης. Η παλμοδότηση των τρανζίστορ αποσκοπεί στην μείωση της ενεργούς τιμής της τάσης του ανορθωμένου σήματος. 117

118 Ο έλεγχος και εδώ είναι παρόμοιος με αυτόν στον αντιστροφέα. Ορίζουμε δύο λόγους κατάτμησης για τον d και τον q άξονα αντίστοιχα: m dr V V dr και dc m qr V V qr dc Όπου V dr και V qr οι τάσεις στον δρομέα στον d και q άξονες αντίστοιχα και Vdc η τάση της DC-διασύνδεσης. Για το πώς υλοποιείται ο έλεγχος θα μιλήσουμε αμέσως μετά. Η ενεργός και η άεργος ισχύς του ανορθωτή δίνονται απο τις παρακάτω σχέσεις: 3 3 P V I V I V m I m I Q V I V I V m I m I 2 2 r dr dr qr qr dc dr dr qr qr r qr dr dr qr dc qr dr dr qr DC-Διασύνδεση Κάνοντας τις ίδιες παραδοχές αυτές που κάναμε στο φωτοβολταϊκό, για την ιδανικότητα των μετατροπέων και εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της ενέργειας προκύπτει: Pr PC Pf Όπου P r η ενεργός ισχύς της γεννήτριας, PC η ενεργός ισχύς του πυκνωτή και Pf η ενεργός ισχύς του δικτύου. 118