«ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΑΣΗΣ PWM ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗ Α.Π.Ε. ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ «ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΑΣΗΣ PWM ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗ Α.Π.Ε. ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΘΩΜΑΣ του Αποστόλου ΦΟΙΤΗΤΗΣ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ : /2012

2 II

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα : «ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΤΑΣΗΣ PWM ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗ Α.Π.Ε. ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ» του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών : Νικολάου Θωμά του Αποστόλου (Α.Μ. 6041) Παρουσιάστηκε δημόσια στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών στις.. Οκτωβρίου 2012 και εξετάσθηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη εξεταστική επιτροπή : Επιβλέπων : Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Συνεξεταστής : Γιαννακόπουλος Γαβριήλ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Ο επιβλέπων Ο διευθυντής του τομέα Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής III

4 IV

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε κατά το χρονικό διάστημα στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Στην παρούσα δ.ε εξετάζεται ο έλεγχος διαφόρων τύπων μετατροπέων, εστιάζοντας κυρίως στον έλεγχο μετατροπέα ελεγχόμενου από ρεύμα στην πλευρά του δικτύου. Γίνεται προσομοίωση με ένα μοντέλο χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα matlab/simulink. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον καθηγητή και διευθυντή του τομέα Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας κύριο Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την πολύτιμη συνεισφορά του. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον διδακτορικό φοιτητή κύριο Μιχάλη Μπουρδούλη για την πολύτιμη βοήθεια του στην προσπάθεια μου. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την οικογένεια μου που μου συμπαραστάθηκε με τον καλύτερο δυνατό τρόπο κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Νικολάου Θωμάς Οκτώβριος,2012 V

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα, στις διάφορες μορφές ενέργειας, στα διάφορα είδη μετατροπέων και τα είδη ελέγχου. Πιο συγκεκριμένα, ασχολούμαστε με τον έλεγχο σε μετατροπείς από την πλευρά του δικτύου που χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες. Επιπλέον, εξομοιώνουμε έναν μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου για να ρυθμίσουμε την DC τάση. Πιο συγκεκριμένα : Στον κεφάλαιο 1, θα ασχοληθούμε με το ενεργειακό πρόβλημα και την κλιματική αλλαγή, τα οποία αποτελούν δύο από τα πιο σοβαρά προβλήματα του πλανήτη. Ακόμα, θα αναφερθούμε στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως στην αιολική. Επίσης, θα γίνει μία μικρή αναφορά με βάση διαγράμματα για τους κανονισμούς που ισχύουν σε διάφορες χώρες της Ευρώπης όσον αφορά τη λειτουργία των Εγκαταστάσεων Αιολικής Ενέργειας. Στον κεφάλαιο 2, γίνεται αναφορά στον τριφασικό διπλό μετατροπέα τάσης, στη λειτουργία του, στο μοντέλο του καθώς και στις κατάλληλες εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του μετατροπέα. Στο κεφάλαιο 3, γίνεται περιγραφή του ελέγχου με διπλούς βρόγχους, γίνεται μία σύντομη αναφορά στο PLL και δίνονται οι κατάλληλες εξισώσεις. Επιπλέον, γίνεται μια σύντομη περιγραφή του μοντέλου που χρησιμοποιείται στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία καθώς και η διαμόρφωση των θεωρητικών εξισώσεων για εφαρμογή στο συγκεκριμένο μοντέλο. Στο κεφάλαιο 4, θα αναφερθούμε στις δομές μετατροπέων για διασύνδεση με ανεμογεννήτριες, καθώς επίσης και στον έλεγχο από την πλευρά της γεννήτριας. Τέλος, γίνεται μια μικρή αναφορά στον έλεγχο ισχύος. VI

7 Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζουμε το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε με το πρόγραμμα matlab/simulink, τις παραμέτρους καθώς επίσης και γραφικές παραστάσεις που δείχνουν την επίδραση αλλαγών στα διάφορα μεγέθη του μοντέλου, αλλαγών όπως για παράδειγμα η εισαγωγή θορύβου στην dc πηγή ρεύματος ή μια πτώση τάσης του δικτύου. VII

8 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 : Γενικά για Α.Π.Ε 1.1 Ενεργειακό Πρόβλημα Η κλιματική Αλλαγή Το πρωτόκολλο του Κιότο Ευρωπαϊκές Δεσμεύσεις Οι ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ποιές είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Ηλιακή Ενέργεια Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Ηλιακής Ενέργειας Ενέργεια από Βιομάζα Εφαρμογές της Βιομάζας Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Βιομάζας Γεωθερμική Ενέργεια Δημιουργία Γεωθερμικής Ενέργειας Εφαρμογές Γεωθερμικής Ενέργειας Οφέλη από την Αξιοποίηση της Γεωθερμικής Ενέργειας Ενέργεια από Ωκεανούς Ενέργεια από Παλίρροιες Ενέργεια από Κύματα Υδροηλεκτρική Ενέργεια Τύποι Υδροστροβίλων Επιπτώσεις στο Περιβάλλον Αιολική Ενέργεια Ιστορικά Στοιχεία Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Αιολικής Ενέργειας Τρέχουσα Κατάσταση της Αιολικής Ενέργειας Παγκόσμια Ευρώπη Ελλάδα Κανονισμοί Απόκλιση τάσης και συχνότητας υπό κανονική λειτουργία...37 VIII

9 Έλεγχος συχνότητας Έλεγχος άεργου ισχύος σε κατάσταση κανονικής λειτουργίας Συμπεριφορά ΕΑΕ σε διαταράξεις του δικτύου Έγχυση άεργου ρεύματος σε περιπτώσεις σφάλματος δικτύου Μελλοντικές τάσεις Τοπικός Έλεγχος Τάσης Προσομοίωση Αδράνειας Απόσβεση Ταλάντωσης Ισχύος (ΑΤΙ)...46 Κεφάλαιο 2 : Διπλός Μετατροπέας Τάσης Δομή Κυκλώματος Οι Αρχές της Λειτουργίας Απώλειες ενέργειας Μοντέλα και έλεγχος του διπλού μετατροπέα d-q σύστημα αναφοράς Ταξινόμηση των μετατροπέων τάσης...55 Κεφάλαιο 3 : Περιγραφή Ελέγχου με διπλούς βρόγχους Ελεγκτής πραγματικής και άεργου ισχύος Μέθοδος ελέγχου ρεύματος και μέθοδος ελέγχου τάσης Δυναμικό μοντέλο μετατροπέα πραγματικής-άεργου ισχύος PLL Εφαρμογή στο παρών μοντέλο Κεφάλαιο 4 : Δομές για μετατροπείς από την πλευρά του δικτύου για διασύνδεση με ανεμογεννήτριες Διασύνδεση Ανεμογεννητριών με το δίκτυο Διαμόρφωση ισχύος στις Ανεμογεννήτριες Γεννήτρια Επαγωγής Διπλής Τροφοδοσίας(DFIG) Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Δρομέα Τοπολογίες μετατροπέων ισχύος στην πλευρά του δικτύου Έλεγχος Ανεμογεννήτριας Σύστημα ελέγχου στην πλευρά της γεννήτριας...77 IX

10 4.6.2 Σύστημα ελέγχου στην πλευρά του δικτύου...79 Κεφάλαιο 5 : Εφαρμογή με μεγέθη-μοντέλο προσομοίωσης-γραφικές παραστάσεις Μοντέλο σε matlab/simulink Παράμετροι μοντέλου Προσομοίωση και Γραφικές Παραστάσεις-Σχόλια...84 Συμπεράσματα.133 Βιβλιογραφία X

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Ενεργειακό Πρόβλημα Το ενεργειακό πρόβλημα εμφανίστηκε μετά από τις δύο πετρελαϊκές κρίσεις του 1973 και του Μπορούμε να πούμε ότι η ουσία του ενεργειακού προβλήματος βρίσκεται στη συσχέτιση των ενεργειακών αποθεμάτων που διαρκώς μειώνονται με τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας που διαρκώς αυξάνονται. Το ενεργειακό πρόβλημα παρουσιάζει τα εξής χαρακτηριστικά ανεξαρτήτως τόπου και χρόνου : 1

12 Άνοδος στις τιμές της ενέργειας. Εξάντληση των ενεργειακών πόρων. Ρύπανση της ατμόσφαιρας και γενικότερη μόλυνση του περιβάλλοντος. Συνεχόμενη αύξηση της παγκόσμιας ενεργειακής κατανάλωσης με αποτέλεσμα την αβεβαιότητα επάρκειας της ενεργειακής τροφοδοσίας. Η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση αυξάνεται διαρκώς με αποτέλεσμα την ανάγκη για παραγωγή μεγαλύτερων ποσών ενέργειας. Έτσι, το 78% της ενέργειας προέρχεται από ορυκτά καύσιμα, το 16% από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ( από αυτές, όμως, το 10% προέρχεται από την εκμετάλλευση της βιομάζας ) και το 6% από πυρηνικούς σταθμούς. Είναι αναγκαία και επιβεβλημένη, λοιπόν, η μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων και για αυτό γίνεται προσπάθεια για την αύξηση του ποσοστού παραγωγής ενέργειας από τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.). Σχ. 1.1 Συμμετοχή καυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρισμού Η Κλιματική Αλλαγή Κάθε χρόνο ως αποτέλεσμα των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, δισεκατομμύρια τόνοι διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) κυρίως από την καύση ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο) καθώς και άλλων αερίων όπως το μεθάνιο και το υποξείδιο του αζώτου, απελευθερώνονται 2

13 στην ατμόσφαιρα, αλλάζοντας τη σύσταση των αερίων που παρέμενε σταθερή για δεκάδες χιλιάδες χρόνια. Το διοξείδιο του άνθρακα θεωρείται υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου το οποίο οδηγεί στην υπερθέρμανση της ατμόσφαιρας και μαζί με άλλους παράγοντες στη δραματική αλλαγή του κλίματος στις επόμενες δεκαετίες. Η συνολική ποσότητα CO 2 της ατμόσφαιρας αυξήθηκε κατά 30% τους τελευταίους δύο αιώνες λόγω της ανθρώπινης δραστηριότητας. Ωστόσο, εξακολουθούμε να επιβαρύνουμε την ατμόσφαιρα με 6 δισεκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα κάθε χρόνο με αποτέλεσμα να οδηγούμε σε αύξηση τη μέση θερμοκρασία της γης τα επόμενα 100 χρόνια από 2 έως και 6 ο C. Oι συνέπειες της υπερθέρμανσης δε θα είναι ίδιας έκτασης και έντασης σε όλα τη μήκη και πλάτη του πλανήτη. Ωστόσο, επικίνδυνα κλιματολογικά φαινόμενα όπως οι πλημμύρες, οι ξηρασίες και άλλα, αναμένεται να εμφανίζονται με μεγαλύτερη συχνότητα. Κάποιες άλλες συνέπειες της υπερθέρμανσης του πλανήτη είναι η μείωση των αποθεμάτων του νερού, οι υψηλές θερμοκρασίες τη θερινή περίοδο, οι απότομες μεταβολές στη θερμοκρασία του πλανήτη, οι συχνότερες μετακινήσεις του πληθυσμού και των αγαθών και τέλος η μείωση του πληθυσμού των φυτών και ζώων και η ταυτόχρονη εξαφάνιση μερίδας αυτών. Οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου είναι ήδη φανερές και εκδηλώθηκαν τρεις φορές περισσότερες φυσικές καταστροφές στον κόσμο σε σχέση με την προηγούμενη δεκαετία(κυρίως τυφώνες και πλημμύρες), ενώ ταυτόχρονα τετραπλασιάστηκε το κόστος των καταστροφών από παρόμοια φαινόμενα. Το μεγαλύτερο μέρος της περιβαλλοντικής κρίσης προέρχεται από τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργούν με την καύση λιγνίτη, λιθάνθρακα, πετρελαίου και άλλων ορυκτών καυσίμων προκαλώντας την αλόγιστη ρύπανση στον αέρα, το έδαφος, το υπέδαφος, τον υδροφόρο ορίζοντα αλλά και την υγεία των πολιτών. Στην Ευρώπη, οι πιο ρυπογόνοι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν στην Ελλάδα, την Γερμανία, την Πολωνία και την Ισπανία. Η Ελληνική ΔΕΗ είναι η 5 η μεγαλύτερη εταιρία παραγωγής λιγνίτη στον κόσμο και οι πιο ρυπογόνοι θερμοηλεκτρικοί σταθμοί στην Ευρώπη είναι αυτοί του Άγιου Δημητρίου και της Καρδίας στην Κοζάνη. Οι σταθμοί της ΔΕΗ εκλύουν κάθε χρόνο 43 εκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, ποσό που αποτελεί το 40% των συνολικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα της χώρας. 3

14 1.1.2 Το πρωτόκολλο του Κιότο Για την αντιμετώπιση των ραγδαίων κλιματικών αλλαγών η διεθνής κοινότητα συμφώνησε στη μείωση των εκπομπών αερίων υπογράφοντας τη σύμβαση πλαίσιο για την κλιματική αλλαγή, γνωστή ως το πρωτόκολλο του Κιότο. Η συμφωνία αυτή επικυρώθηκε από περισσότερες από 100 χώρες στο Κιότο της Ιαπωνίας το Οι αναπτυγμένες χώρες, λοιπόν, δεσμεύτηκαν να μειώσουν συνολικά τις εκπομπές των 6 κύριων αερίων του θερμοκηπίου (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, υποξείδιο του αζώτου και διάφορα βιομηχανικά φθοριούχα αέρια) κατά 5,2 % με βάση τις εκπομπές του 1990 ως το Το πρωτόκολλο του Κιότο αποτελεί ένα θετικό βήμα για τη σωτηρία του πλανήτη και για την προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, καθώς αποτελεί την πρώτη συμφωνία που έθεσε συγκεκριμένο στόχο μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου και αναγνώρισε την κοινή αλλά διαφοροποιημένη ευθύνη των διαφόρων χωρών. Σχ. 1.2 Σχηματική αναπαράσταση εκπομπών GHGs με και χωρίς λήψη μέτρων. Ωστόσο, μια σειρά πολύπλοκων μηχανισμών δημιουργήθηκαν μαζί με το πρωτόκολλο του Κιότο. Οι μηχανισμοί αυτοί δίνουν το δικαίωμα στις ανεπτυγμένες χώρες να εμπορεύονται πιστώσεις μεταξύ τους, δηλαδή, όταν μια χώρα καταφέρει να μειώσει σε μεγαλύτερο ποσοστό τα αέρια του θερμοκηπίου από αυτό για το οποίο δεσμεύτηκε, μπορεί να εμπορευτεί την επιπλέον αυτή ποσότητα με κάποια άλλη χώρα, η οποία δεν κατάφερε να φτάσει τον αρχικό της στόχο. 4

15 1.1.3 Ευρωπαϊκές Δεσμεύσεις Το πιο αποτελεσματικό ρυθμιστικό πλαίσιο για τον περιορισμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και την ταυτόχρονη ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει πραγματοποιηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή πρότεινε το 2007 μια δέσμη μέτρων προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι σοβαρές κλιματικές αλλαγές και ταυτόχρονα να ενισχυθεί η ενεργειακή ασφάλεια και η ανταγωνιστικότητα της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Έτσι, τέθηκαν τρεις στόχοι με χρονικό ορίζοντα το 2020: 1) Η αύξηση του ποσοστού διείσδυσης των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας στην τελική κατανάλωση στο επίπεδο του 20%. 2) Η βελτίωση της απόδοσης των ενεργειακών συστημάτων κατά 20%. 3) Η αύξηση του ποσοστού χρησιμοποίησης των βιοκαυσίμων στις μεταφορές στο 10%. Η ύπαρξη μιας συνιστάμενης προσπάθειας από όλα τα κράτη μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης οδηγεί στη μείωση της εξάρτησης της Ευρώπης από τα ορυκτά καύσιμα με ταυτόχρονη αύξηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. 1.2 Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Με τον όρο Ήπιες Μορφές Ενέργειας ή Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ή Εναλλακτικές Πηγές Ενέργειας ή Καθαρές Πηγές Ενέργειας νοείται ένα σύνολο από μορφές ενέργειας οι οποίες αφενός είναι ανεξάντλητες στη φύση και αφετέρου συγκριτικά με άλλες μορφές ενέργειας επιβαρύνουν κατά πολύ λιγότερο το περιβάλλον. Ο όρος «ήπιες» δηλώνει ότι για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται καμία ανθρώπινη παρέμβαση με την έννοια της εξόρυξης, άντλησης ή και καύσης κάποιου καυσίμου υλικού, εν αντιθέσει με τις σε μεγάλη κλίμακα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας (π.χ. στην Ελλάδα απαιτείται εξόρυξη και καύση λιγνίτη στις μεγάλες λιγνιτικές μονάδες της Δ.Ε.Η.). Επίσης, ο ίδιος όρος αναφέρεται και στο γεγονός ότι οι Α.Π.Ε. γενικά δεν αποδεσμεύουν στο περιβάλλον υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα και τοξικά ή ραδιενεργά απόβλητα. Για παράδειγμα, η καύση άνθρακα και πετρελαίου απελευθερώνει υδρογονάνθρακες και διοξείδιο του άνθρακα συμβάλλοντας στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ στα πυρηνικά εργοστάσια υπάρχει μεγάλο πρόβλημα τόσο στην εξόρυξη ραδιενεργού 5

16 καύσιμου υλικού, όσο και στα πυρηνικά απόβλητα μετά το πέρας της ζωής του πυρηνικού αντιδραστήρα. Από την άλλη, ο όρος «Ανανεώσιμες» αναφέρεται στο γεγονός ότι οι μορφές αυτές ενέργειας είναι εν αφθονία στο φυσικό περιβάλλον και για τη χρησιμοποίησή τους δεν επηρεάζεται η ροή ενέργειας που ήδη υπάρχει στη φύση. Επίσης, ο όρος «Εναλλακτικές» χρησιμοποιείται για να τονίσει τη διαφορά από τις μέχρι σήμερα ευρέως χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση ο όρος «εναλλακτικές» στην ουσία αναφέρεται σε κάτι το νεωτεριστικό, κάτι το διαφορετικό από τα ήδη καθιερωμένα δεδομένα. Ο όρος «Καθαρές Πηγές Ενέργειας» αναφέρεται στο περιβάλλον, με την έννοια ότι οι Α.Π.Ε. είναι φιλικές προς το περιβάλλον, δηλαδή αφήνουν πολύ λιγότερα κατάλοιπα σε αυτό, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας Ποιες είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι κατά κύριο λόγο οι ακόλουθες : Η Αιολική Ενέργεια Η Ενέργεια από Βιομάζα Η Γεωθερμική Ενέργεια Η Ενέργεια από τους Ωκεανούς Ενέργεια από Παλίρροιες Ενέργεια από Κύματα Η Υδροηλεκτρική Ενέργεια Η Ηλιακή Ενέργεια Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Βασικά πλεονεκτήματα των Α.Π.Ε.: Αποτελούν ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους εξαντλήσιμους πόρους, όπως τα ορυκτά καύσιμα. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. 6

17 Το λειτουργικό τους κόστος είναι συνήθως χαμηλό και δεν επηρεάζεται από την κατάσταση που επικρατεί στην παγκόσμια οικονομία ούτε από τις τιμές των συμβατικών καυσίμων. Βοηθούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος, αφού είναι διάσπαρτες γεωγραφικά και προσφέρουν κάλυψη των ενεργειακών αναγκών σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα των ενεργειακών αναγκών των χρηστών (π.χ. ηλιακή ενέργεια για παραγωγή θερμότητας, αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή). Οι επενδύσεις των Α.Π.Ε. δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Βασικά μειονεκτήματα των Α.Π.Ε.: Ο συντελεστής απόδοσης των Α.Π.Ε. είναι αρκετά μικρός (της τάξης του 30%) με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγάλο αρχικό κεφάλαιο και μεγάλη επιφάνεια γης. Αυτός είναι και ο λόγος που οι Α.Π.Ε., προς το παρόν, χρησιμοποιούνται σαν συμπληρωματικές πηγές ενέργειας και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους καθώς, επίσης, και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Η συμπεριφορά τους μπορεί, λοιπόν, να χαρακτηριστεί ως στοχαστική, καθώς εμπεριέχει το στοιχείο της πιθανότητας. Γενικά, οι αιολικές μηχανές προσβάλλουν την αισθητική ορισμένων και υπάρχει η άποψη ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πτηνών. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. 7

18 1.2.3 Ηλιακή Ενέργεια Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Κατά μέσο όρο προσπίπτει ενέργεια της τάξης των kwh σε κάθε τετραγωνικό μέτρο το χρόνο. Το φως του ηλίου που φτάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται κυρίως από δύο συνιστώσες : το άμεσο φως και το έμμεσο ή διάχυτο φως. Η διαμόρφωση του ηλιακού φάσματος του φωτός που εκπέμπει ο ήλιος προσομοιάζεται συνήθως με την ακτινοβολία ενός μέλανος σώματος θερμοκρασίας περίπου 5800 Κ.Τόση είναι, κατά μέσο όρο η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας του ηλίου. Η προσέγγιση αυτή είναι επαρκής για τη μελέτη των θερμικών εφαρμογών της ηλιακής ακτινοβολίας όπως π.χ. η θέρμανση νερού με τη βοήθεια ηλιακών θερμοσιφώνων. Στις περιπτώσεις αυτές ενδιαφέρει συνήθως η συνολική θερμική ισχύς της ακτινοβολίας και ο μηχανισμός μετάδοσης θερμότητας. Δεν ισχύει το ίδιο όμως και για τη φωτοβολταϊκή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας, αφού αυτή καθορίζεται από τη λεπτομερειακή φωτονική σύσταση της ακτινοβολίας. Από τον ήλιο όμως, εκπέμπεται και ηλιακός άνεμος ο οποίος είναι μια ασθενής σωματιδιακή ακτινοβολία, που αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, κυρίως, ηλεκτρόνια και πρωτόνια. 8

19 Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί και η εξάρτηση της έντασης ης ηλιακής ακτινοβολίας από το υψόμετρο της γης που δέχεται την ακτινοβολία κάτι που δείχνει και την επίδραση της ατμόσφαιρας στην ηλιακή ακτινοβολία. Έχει μετρηθεί ότι, ενώ στη στάθμη της θάλασσας η μέγιστη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας φτάνει μέχρι τα W/m 2, η τιμή της αυξάνεται κατά περίπου 7 W/m 2 για κάθε 100m ύψους της τοποθεσίας, επειδή μειώνεται αντίστοιχα το πάχος του στρώματος της ατμόσφαιρας που διασχίζουν οι ηλιακές ακτίνες Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα της Ηλιακής Ενέργειας Τα βασικά πλεονεκτήματα της Ηλιακής Ενέργειας είναι: Ότι προέρχεται από ανανεώσιμη και ελεύθερα διαθέσιμη ενεργειακή πηγή. Ότι παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση μετατροπής. Είναι σχετικά εύκολη η μέθοδος κατασκευής των ηλιακών στοιχείων. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται από πρώτες ύλες που αφθονούν, όπως το πυρίτιο(άμμος). Μεγάλη διάρκεια ζωής των ηλιακών στοιχείων (πάνω από 20 με 30 χρόνια. Δεν υπάρχει συνεχώς ανάγκη επίβλεψης και συντήρησης (αρκεί μια επιθεώρηση μια φορά το μήνα). Δεν προκαλείται ρύπανση ούτε θόρυβος στο περιβάλλον, ενώ δεν έχουμε άχρηστα παραπροϊόντα ή απόβλητα, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Δίνει τη δυνατότητα αυτονόμησης από τα κεντρικά δίκτυα διανομής. Τα βασικά μειονεκτήματα της Ηλιακής Ενέργειας είναι : Το υψηλό κόστος κατασκευής των ηλιακών στοιχείων. Η δαπανηρή αποθήκευση της παραγόμενης ηλιακής ενέργειας λόγω της μη συνεχούς και της μεγάλης διακύμανσης ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η χρησιμοποίηση μεγάλων σχετικά επιφανειών, λόγω της μικρής πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας. 9

20 1.2.4 Ενέργεια από Βιομάζα Γενικά ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά, στον όρο βιομάζα εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυσικό κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, σε αυτήν περιλαμβάνονται : Οι φυσικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα, όπως π.χ. τα αυτοφυή φυτά και δάση, είτε από τις ενεργειακές καλλιέργειες (έτσι ονομάζονται τα φυτά που καλλιεργούνται με σκοπό την παραγωγή βιομάζας για παραγωγή ενέργειας) γεωργικών και δασικών ειδών, όπως π.χ. το σακχαρούχο, το καλάμι, ο ευκάλυπτος και άλλα. Τα υποπροϊόντα και τα κατάλοιπα της φυσικής, ζωϊκής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής, όπως π.χ. τα άχυρα, στελέχη αραβοσίτου, στελέχη βαμβακιάς, κλαδοδέματα, κλαδιά δένδρων, φύκη, κτηνοτροφικά απόβλητα και άλλα. Τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών, όπως π.χ. τα ελαιοπυρηνόξυλα, υπολείμματα εκκοκισμού βαμβακιού, το πριονίδι και άλλα. Το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών. H βιομάζα προέρχεται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία. Αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Κατά τη φωτοσύνθεση, η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, καθώς και ανόργανα συστατικά και νερό από το έδαφος. Η διεργασία αυτή μπορεί να παρασταθεί σχηματικά ως εξής : H 2 O + CO 2 + Hλιακή Ενέργεια + Ανόργανα στοιχεία = Βιομάζα + Ο 2 Η βιομάζα αποτελεί μια σημαντική ανεξάντλητη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατόν να συμβάλει σημαντικά στην ενεργειακή επάρκεια, αντικαθιστώντας τα συνεχώς εξαντλούμενα αποθέματα ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, άνθρακας, φυσικό αέριο κ.α.). Η χρήση της βιομάζας ως πηγή ενέργειας δεν είναι νέα. Σε αυτήν, εξάλλου, συγκαταλέγονται τα καυσόξυλα και οι ξυλάνθρακες που μέχρι το τέλος του περασμένου αιώνα κάλυπταν το 97% των ενεργειακών αναγκών της χώρας. 10

21 Εφαρμογές της Βιομάζας Η βιομάζα μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών (παραγωγή θερμότητας, ψύξης, ηλεκτρισμού κλπ.) είτε με απευθείας καύση, είτε με μετατροπή της σε αέρια, υγρά ή και στερεά καύσιμα μέσω θερμοχημικών ή βιομηχανικών διεργασιών. Επειδή η αξιοποίηση της βιομάζας αντιμετωπίζει συνήθως τα μειονεκτήματα της μεγάλης διασποράς του μεγάλου όγκου και των δυσχερειών συλλογής μεταποίησης μεταφοράς αποθήκευσης, επιβάλλεται η αξιοποίησή της να γίνεται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον τόπο παραγωγής της. Έτσι, αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευχερέστερα σε μια πληθώρα εφαρμογών όπως : Κάλυψη των αναγκών θέρμανσης ψύξης ή και ηλεκτρισμού σε γεωργικές και άλλες βιομηχανίας Τηλεθέρμανση κατοικημένων περιοχών Θέρμανση θερμοκηπίων Παραγωγή υγρών καυσίμων με βιοχημική μετατροπή της βιομάζας Παραγωγή καυσίμων με θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας Ενεργειακές καλλιέργειες Βιοαέριο Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα της Βιομάζας Τα κυριότερα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση της βιομάζας για παραγωγή ενέργειας είναι τα ακόλουθα: Η αποτροπή του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του ρύπου αυτού στην ατμόσφαιρα γιατί, ενώ κατά την καύση της παράγεται CO 2, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται σημαντικές ποσότητες αυτού του ρύπου. Η αποφυγή της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας με το διοξείδιο του θείου (so 2 ) που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων και συντελεί στο φαινόμενο της «όξινης βροχής». Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε θείο είναι πρακτικά αμελητέα. 11

22 Η μείωση της ενεργειακής εξάρτησης που είναι αποτέλεσμα της εισαγωγής καυσίμων από τρίτες χώρες, με αντίστοιχη εξοικονόμηση συναλλάγματος. Η εξασφάλιση εργασίας και η συγκράτηση των αγροτικών πληθυσμών στις παραμεθόριες και τις άλλες γεωργικές περιοχές, δηλαδή, η βιομάζα συμβάλλει στην περιφερειακή ανάπτυξη της χώρας. Τα μειονεκτήματα που συνδέονται με τη χρησιμοποίηση της βιομάζας και αφορούν, ως επί το πλείστον, δυσκολίες στην εκμετάλλευσή της, είναι τα εξής : Ο μεγάλος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητά της σε υγρασία, ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Η δυσκολία στη συλλογή, μεταποίηση, μεταφορά και αποθήκευσή της έναντι των ορυκτών καυσίμων. Οι δαπανηρότατες εγκαταστάσεις και εξοπλισμός που απαιτούνται για την αξιοποίηση της βιομάζας, σε σχέση με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Η μεγάλη διασπορά και η εποχιακή παραγωγή της. Εξαιτίας των παραπάνω μειονεκτημάτων και για την πλειοψηφία των εφαρμογών της, το κόστος της βιομάζας παραμένει, συγκριτικά προς το πετρέλαιο, υψηλό. Ήδη όμως, υπάρχουν εφαρμογές στις οποίες η αξιοποίηση της βιομάζας παρουσιάζει οικονομικά οφέλη. Επιπλέον, το πρόβλημα αυτό βαθμιαία εξαλείφεται αφενός λόγω της ανόδου των τιμών του πετρελαίου, αφετέρου και σημαντικότερο, λόγω της βελτίωσης και ανάπτυξης των τεχνολογιών αξιοποίησης της βιομάζας. Τέλος, πρέπει κάθε φορά να συνυπολογίζεται το περιβαλλοντικό όφελος, το οποίο, αν και συχνά δεν μπορεί να αποτιμηθεί με οικονομικά μεγέθη εντούτοις είναι ουσιαστικής σημασίας για την ποιότητα της ζωής και το μέλλον της ανθρωπότητας. 12

23 Γεωθερμική Ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της Γης. Η ενέργεια αυτή σχετίζεται με την ηφαιστειότητα και τις ειδικότερες γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες κάθε περιοχής. Στη χώρα μας υπάρχει ένα πλήθος θερμών ιαματικών πηγών, τις οποίες συναντά κανείς από τη Θράκη ως την Πελοπόννησο και από τα νησιά του ανατολικού Αιγαίου ως τη Στερεά Ελλάδα. Αυτή η χρήση των θερμών νερών για θεραπευτικούς σκοπούς ήταν γνωστή εδώ και χιλιάδες χρόνια σε όλο σχεδόν τον κόσμο. Βέβαια, εκτός από τις θεραπευτικές τους ιδιότητες τα ζεστά νερά ή πιο σωστά, τα γεωθερμικά ρευστά μπορούν να αξιοποιηθούν και για ενεργειακούς σκοπούς. Η γεωθερμική ενέργεια είναι μια ήπια και σχετικά ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή, η οποία με τα σημερινά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικές ενεργειακές ανάγκες Δημιουργία Γεωθερμικής Ενέργειας Η Γη αποτελείται από ανομοιογενή στρώματα που έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες και μπορεί να εμφανίζονται σε στερεή, πλαστική ή ρευστή μορφή, ανάλογα των θερμοκρασιών και των πιέσεων που επικρατούν σ αυτά. Τα στρώματα στα οποία χωρίζεται η γη είναι: 13

24 Η Λιθόσφαιρα, η οποία είναι το εξωτερικό στρώμα της, έχει βάθος 100 χιλιόμετρα και συνήθως σ αυτήν περιλαμβάνεται και το άνω μέρος του μανδύα. Ο Μανδύας που βρίσκεται κάτω από τη λιθόσφαιρα και προχωρεί μέχρι βάθους 2900 χιλιομέτρων. Ο Πυρήνας που βρίσκεται κάτω από τον μανδύα και έχει ακτίνα 3500 χιλιόμετρα. Με δεδομένο ότι τα εσώτερα στρώματα είναι θερμότερα από τα εξώτερα, η ροή της θερμότητας γίνεται από το εσωτερικό προς το εξωτερικό της Γης. Όσο προχωρούμε προς το κέντρο της, η θερμοκρασία αυξάνει. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας ονομάζεται γεωθερμική βαθμίδα και στο στρώμα της Λιθόσφαιρας έχει κανονική τιμή περίπου 30 0 C ανά χιλιόμετρο. Το φαινόμενο κατά το οποίο σε μια περιοχή η θερμοκρασία αυξάνει με ταχύτερο ρυθμό ονομάζεται γεωθερμική ανωμαλία. Αυτό είναι γνώρισμα περιοχής όπου συντρέχουν ειδικές γεωλογικές συνθήκες και όπου είναι πιθανό να υπάρχει εκμεταλλεύσιμη γεωθερμική ενέργεια. Για να υφίσταται διαθέσιμο θερμό νερό ή ατμός σε μια περιοχή, πρέπει να υπάρχει κάποιος ταμιευτήρας αποθήκευσής του. Ο ταμιευτήρας σχηματίζεται, όταν ένας αδιαπέρατος από το νερό ορίζοντας βρίσκεται κάτω από έναν περατό. Η γεωμορφολογία της περιοχής πρέπει να είναι κατάλληλη ώστε το βρόχινο νερό να μπορεί να διεισδύσει σ αυτούς τους βαθύτερους ορίζοντες οι οποίοι με τη σειρά τους, πρέπει να βρίσκονται κοντά σ ένα θερμικό κέντρο. Στην περίπτωση αυτή, το νερό του ταμιευτήρα θερμαίνεται και ανεβαίνει προς την επιφάνεια, ενώ το ψυχρότερο νερό κατεβαίνει βαθύτερα, όπου στη συνέχεια θερμαίνεται. Τέλος, τα γεωθερμικά ρευστά εμφανίζονται κάποιες φορές επιφανειακά, με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού, ενώ άλλες φορές πρέπει να γίνει γεώτρηση Εφαρμογές Γεωθερμικής Ενέργειας Ο σημαντικότερος παράγοντας για την αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας κάποιας περιοχής είναι η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών που εντοπίζονται σ αυτήν. Εξάλλου, αυτή είναι που καθορίζει και το είδος της εφαρμογής που μπορεί να πραγματοποιηθεί. Τέτοιες εφαρμογές μπορεί να είναι ηλεκτροπαραγωγή, θέρμανση χώρων, ψύξη και κλιματισμός, θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών, ιχθυοκαλλιέργειες, βιομηχανικές εφαρμογές, όπως αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Όλες οι εφαρμογές αυτές 14

25 ταξινομημένες ανάλογα με τη θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού φαίνονται και στον παρακάτω πίνακα αναλυτικά: 0 c Εφαρμογές 20 Υδατοκαλλιέργειες 30 Πισίνες, αποπαγοποίηση, ζύμωση 50 Θέρμανση υπαίθριων καλλιεργειών 60 Θέρμανση θερμοκηπίων 80 Ψύξη 90 Ξήρανση ιχθύων 100 Ξήρανση οργανικών υλικών, χόρτου, λαχανικών, κλπ. Πλύση και ξήρανση μαλλιού 110 Ξήρανση και επεξεργασία λεπτόκοκκου τσιμέντου 120 Παραγωγή πόσιμου νερού με απόσταξη 130 Εξάτμιση του νερού στην επεξεργασία της ζάχαρης, παραγωγή άλατος με εξάτμιση και κρυσταλλοποίηση 140 Κονσερβοποιία. Ελάχιστη θερμοκρασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 150 Παραγωγή αλουμίνας με τη μέθοδο Bayer 160 Ξήρανση ιχθυαλεύρων ή ξυλείας 170 Παραγωγή βαρέως ύδατος με τη μέθοδο του υδρόθειου 180 Εξάτμιση διαλυμάτων υψηλής συγκέντρωσης Πίνακας 1.1 : Εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας ταξινομημένες ανάλογα με τη θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού. Όπως προκύπτει από τον πίνακα, για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιούνται, συνήθως, γεωθερμικά ρευστά υψηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, η μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος με τη βοήθεια γεωθερμικού ρευστού εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του, δηλαδή, τη θερμοκρασία του τα διαλελυμένα και αιωρούμενα στερεά και το επίπεδο των αερίων που εμπεριέχονται σ αυτό. Η συνηθέστερα εφαρμοζόμενη μεθοδολογία είναι η εκτόνωση ατμού, η οποία χρησιμοποιείται, όταν το γεωθερμικό ρευστό εξέρχεται από τη γεώτρηση με πίεση και χωρίς τη βοήθεια άντλησης. Κατ αυτήν, το γεωθερμικό ρευστό διέρχεται από έναν διαχωριστήρα ατμού, ο οποίος στη συνέχεια διοχετεύει τον ατμό προς εκτόνωση σε ένα στροβιλοφόρο κινητήρα συνδεδεμένο με μια ηλεκτρογεννήτρια. Προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση της διαδικασίας αυτής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στροβιλοφόρος κινητήρας διπλής εισόδου. Μια άλλη συνήθης μεθοδολογία είναι του δυαδικού κύκλου και χρησιμοποιείται, όταν η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών είναι 15

26 μικρότερη των C, καθώς και στις περιπτώσεις όπου το γεωθερμικό ρευστό περιέχει διαβρωτικά στοιχεία και ενώσεις που μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα αντοχής στο στρόβιλο. Το γεωθερμικό ρευστό αποδίδει την ενέργειά του σ ένα δεύτερο ρευστό μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας και στη συνέχεια επανεισέρχεται στον ταμιευτήρα. Το δεύτερο αυτό ρευστό έχει χαμηλότερο σημείο βρασμού από το γεωθερμικό και ατμοποιείται στην έξοδο του εναλλάκτη. Το ατμοποιημένο ρευστό οδηγείται σ ένα στροβιλοφόρο κινητήρα, συνδεδεμένο και σ αυτή την περίπτωση με μια ηλεκτρογεννήτρια, και μετά την εκτόνωσή του, συμπυκνώνεται για να οδηγηθεί και πάλι στον εναλλάκτη θερμότητας. Η διαδικασία αυτή δεν επιβαρύνει καθόλου το περιβάλλον, διότι τόσο το γεωθερμικό όσο και το δευτερεύον ρευστό είναι απομονωμένα από την ατμόσφαιρα. Ως δευτερεύοντα ρευστά συνήθως χρησιμοποιούνται υδρογονάνθρακες, όπως είναι το ισοβουτάνιο και το προπάνιο Οφέλη από την Αξιοποίηση της Γεωθερμικής Ενέργειας Τα κυριότερα οφέλη που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για παραγωγή ενέργειας είναι τα ακόλουθα : Οικονομικά οφέλη : Η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας συμβάλλει στην εξοικονόμηση συμβατικών καυσίμων τα οποία βεβαίως δεν είναι ανεξάντλητα. Η εκμετάλλευση των διαθέσιμων γεωθερμικών πεδίων, επιτρέπει την αξιοποίηση των συμβατικών καυσίμων, ειδικά του πετρελαίου, σ άλλες εφαρμογές όπου αυτά είναι καταλληλότερα ή και η χρήση τους οικονομικά πιο συμφέρουσα. Μια τέτοια χρήση είναι οι μεταφορές και η βιομηχανία όπου συχνά απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες. Σ αυτές τις περιπτώσεις ούτε η γεωθερμία, αλλά ούτε οι άλλες Α.Π.Ε. μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα, κυρίως λόγω της δυσκολίας μεταφοράς τους. Περιβαλλοντικά οφέλη : Από περιβαλλοντικής απόψεως, με την παραγωγή ενέργειας γεωθερμικής προέλευσης επιτυγχάνεται μείωση των εκπομπών CO 2 στην ατμόσφαιρα, που είναι το κύριο αίτιο του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο απειλεί σοβαρά την οικολογική ισορροπία του πλανήτη μας με τις κλιματικές μεταβολές που προκαλεί. Παράλληλα, επιτυγχάνεται η μείωση και των άλλων εκπεμπόμενων ρύπων, οι οποίοι έχουν εξίσου μακροχρόνιες βλαπτικές επιδράσεις. Σημαντικότερος από αυτούς είναι το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) που προκαλεί την όξινη βροχή, η οποία αποτελεί σημαντικό πρόβλημα για τις βιομηχανικά ανεπτυγμένες 16

27 χώρες. Η εκπομπή ατμοσφαιρικών ρύπων από μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που λειτουργεί με χρήση γεωθερμίας είναι μικρότερη του ενός χιλιοστού μιας αντίστοιχης μονάδος που χρησιμοποιεί ως καύσιμο άνθρακα. Οφέλη των μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας : Η εκμετάλλευση των γεωθερμικών ρευστών δίνει τη δυνατότητα να κατασκευαστούν τοπικά μικρές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής (συνήθως μικρότερες των 100 mw). Ως συνέπεια αυτού του γεγονότος, οι γεωθερμικές μονάδες μπορούν να εγκατασταθούν σε πολύ μικρότερο χρόνο από τις μονάδες που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα, οι οποίες επιπροσθέτως, για λόγους οικονομίας, έχουν πολύ μεγάλο μέγεθος. Πέραν τούτου, η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος καθίσταται περισσότερο αξιόπιστη, όταν οι μονάδες παραγωγής του είναι διεσπαρμένες και δεν παρουσιάζεται συγκέντρωση λίγων μονάδων σε μια μικρή περιοχή Ενέργεια από Ωκεανούς Ενέργεια από τις παλίρροιες Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής είναι ένας ηλεκτρικός σταθμός που μετατρέπει την ενέργεια των παλιρροιών της θάλασσας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο παλιρροϊκός σταθμός εκμεταλλεύεται τη διαφορά στάθμης του ύδατος κατά την πλημμυρίδα και την άμπωτη. Όταν ένα φράγμα κλείσει τον κόλπο ή τις εκβολές ενός ποταμού που ρέει στη 17

28 θάλασσα σχηματίζεται υδατοδεξαμενή, που καλείται λεκάνη παλιρροϊκού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Αν η πλημμυρίδα προκαλεί αρκετή διαφορά ύψους (πάνω από 4 μέτρα) μπορεί να δημιουργηθεί αρκετή πίεση για να περιστρέψει υδροστροβίλους συνδεδεμένους με ηλεκτρογεννήτριες που έχουν εγκατασταθεί στο φράγμα. Παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής με λεκάνη, που λειτουργεί σε κανονικό παλιρροϊκό κύκλο 12 ωρών την ημέρα, μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια αδιάκοπα για 4-5 ώρες τέσσερις φορές τη μέρα με αντίστοιχα διαλείμματα μιας ή δύο ωρών. Για να αποφευχθεί η ανομοιόμορφη παραγωγή ηλεκτρισμού, η λεκάνη του παλιρροϊκού σταθμού μπορεί να χωριστεί με φράγματα σε δύο ή τρεις μικρότερες. Στην πρώτη λεκάνη η στάθμη ύδατος διατηρείται στη στάθμη της άμπωτης και στη δεύτερη στη στάθμη πλημμυρίδας, ενώ η Τρίτη λεκάνη είναι εφεδρική. Η γεννήτρια υδραυλικού κινητήρα εγκαθίσταται στα διαχωριστικά φράγματα. Αλλά ακόμα και αυτή η διάταξη δεν αποτρέπει εντελώς τις διακυμάνσεις της ηλεκτρικής ισχύος που προκαλούνται από την περιοδική υφή των παλιρροιών σε περίοδο μισού μήνα. Όταν ο παλιρροϊκός σταθμός περιληφθεί στο σύστημα ηλεκτρικής ισχύος με άλλους θερμικούς σταθμούς, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει μπορεί να βοηθήσει για την κάλυψη του φορτίου αιχμής του συστήματος. Αν το σύστημα περιλαμβάνει υδροηλεκτρικούς σταθμούς με υδατοδεξαμενές, ο παλιρροϊκός σταθμός μπορεί να αντισταθμίσει τις διακυμάνσεις της παλιρροϊκής ενέργειας, που παρουσιάζονται κατά την περίοδο ενός μηνός. Οι γεννήτριες τυμπάνου διυδραυλικών κινητήρων που εγκαθίστανται στους παλιρροϊκούς σταθμούς, μπορούν να λειτουργήσουν με σχετικά υψηλό βαθμό απόδοσης σε άμεσα ή ανάστροφα συστήματα γεννήτριας και αντλίας και σαν ανοίγματα για τη ροή ύδατος. Κατά τις ώρες που η περίοδος χαμηλού φορτίου του συστήματος συμπίπτει με την άμπωτη ή την πλημμυρίδα, ο γεννήτριες διυδραυλικών κινητήρων κλείνουν ή λειτουργούν σαν αντλίες κατευθύνοντας το νερό από τη λεκάνη κάτω της στάθμης της άμπωτης στη λεκάνη πάνω από τη στάθμη της πλημμυρίδας. Έτσι, συσσωρεύεται ενέργεια μέχρι τη στιγμή της ζήτησης αιχμής. Όταν η πλημμυρίδα ή η άμπωτη συμπίπτουν χρονικά με το μέγιστο φορτίο του συστήματος ο παλιρροϊκός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής λειτουργεί σαν γεννήτρια. Κατά συνέπεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν εφεδρικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής. Ο παλιρροϊκός σταθμός 240 mw στο στόμιο του ποταμού Ρανς στη Γαλλία που κατασκευάστηκε το 1966 λειτουργεί μ αυτό τον τρόπο. 18

29 Ενέργεια από Κύματα Τα θαλάσσια κύματα είναι μια ισχυρή πηγή ενέργειας. Ωστόσο, 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. 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, σ ένα 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 κορφή του θαλάμου.σ αυτή την τρύπα τοποθετούμε μια τουρμπίνα, η οποία γυρίζει με την κίνηση του αέρα μέσα έξω, με αποτέλεσμα η τουρμπίνα να λειτουργεί ως γεννήτρια. Ένα πρόβλημα σ αυτό το σχέδιο είναι ότι ο κινούμενος αέρας μπορεί να είναι πολύ θορυβώδης, εκτός και αν εγκατασταθεί στο στρόβιλο σιγαστήρας. Παρόλα αυτά 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 φθηνότερα από άλλα θαλάσσια κύματα και τις υπόλοιπες συμβατικές τεχνολογίες Υδροηλεκτρική Ενέργεια Νερό συγκεντρωμένο σε οποιοδήποτε ύψος επάνω από τη στάθμη της θάλασσας αντιπροσωπεύει αποθηκευμένη βαρυτική ενέργεια η οποία διαχέεται στη φύση από δίνες και ρεύματα, καθώς το νερό ρέει κατηφορικά σε ρυάκια, χείμαρρους και ποτάμια μέχρι να φτάσει στη θάλασσα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του αποθηκευμένου νερού και όσο ψηλότερα βρίσκεται, τόσο περισσότερη είναι η ενέργεια που περιέχει. Έτσι, το αποθηκευμένο νερό σ έναν ταμιευτήρα πίσω από ένα φράγμα περιέχει σημαντική δυναμική ενέργεια η οποία μπορεί να παράγει σημαντικότατα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. 19

30 Για την εκμετάλλευση αυτής της ενέργειας σε μια ελεγχόμενη μορφή, μπορεί να εκτραπεί σ ένα σωλήνα ένα μέρος ή όλο το νερό ενός φυσικού υδάτινου διαύλου. Στη συνέχεια, μπορεί να οδηγηθεί ως ένα ρεύμα νερού υπό πίεση σ ένα υδροτροχό ή στροβιλοτροχό, έτσι ώστε το νερό που προσπίπτει στα πτερύγια να προκαλεί την περιστροφή του τροχού και την παραγωγή μηχανικής ενέργειας. Στους νερόμυλους, μεγάλοι ξύλινοι υδροτροχοί περιστρέφονται αργά ώστε να στρέφουν μυλόπετρες για το άλεσμα του σιταριού. Παρόμοιες αρχές χρησιμοποιήθηκαν για την άντληση νερού, την κοπή ξύλων και την οδήγηση απλών μηχανών σε εργοστάσια. Ωστόσο, σήμερα, ένας σύγχρονος στρόβιλος συνδέεται σε μια γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία στη συνέχεια μεταδίδεται στο σημείο όπου υπάρχει ζήτηση αυτής. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η μεγαλύτερη και πιο ώριμη εφαρμογή ανανεώσιμης ενέργειας, με περίπου 1000 GW εγκαταστημένης ισχύος, τα οποία παρήγαγαν το 2009 πάνω από το 14% της ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως. Στη Δυτική Ευρώπη, τα υδροηλεκτρικά συνεισέφεραν το 20% περίπου της ηλεκτρικής ενέργειας στην Ε.Ε. (αποφεύγοντας μ αυτό τον τρόπο την εκπομπή εκατομμυρίων τόνων CO 2 ετησίως). Παρά το μεγάλο υφιστάμενο υδροηλεκτρικό δυναμικό, υπάρχουν ακόμη περιθώρια για περαιτέρω ανάπτυξη, καθώς, σύμφωνα με τις περισσότερες εκτιμήσεις, αυτό αποτελεί μόνο το 10% περίπου του συνολικού παγκόσμιου βιώσιμου υδροδυναμικού. 20

31 Τύποι Υδροστροβίλων Ένας υδροστρόβιλος είναι μια περιστρεφόμενη μηχανή που μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια του νερού σε μηχανική ενέργεια. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι στροβίλων, γνωστοί ως στρόβιλοι «ώσης» και «αντίδρασης». Ο «στρόβιλος ώσης» μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια του νερού σε κινητική ενέργεια μιας δέσμης νερού η οποία εκρέει από ένα ακροφύσιο και προσπίπτει επάνω στους κάδους ή τα πτερύγια του δρομέα. Ο «στρόβιλος αντίδρασης» χρησιμοποιεί την πίεση αλλά και την ταχύτητα του νερού για να αναπτύξει μηχανική ισχύ. Ο δρομέας κατακλύζεται πλήρως και τόσο η πίεση όσο και η ταχύτητα μειώνονται από την είσοδο προς την έξοδο. Οι περισσότεροι υφιστάμενοι στρόβιλοι μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής: Στρόβιλοι τύπου Kaplan και έλικας Στρόβιλοι τύπου Francis Στρόβιλοι τύπου Pelton και άλλοι στρόβιλοι ώσης i) Οι στρόβιλοι Kaplan και τύπου έλικας είναι αξονικής ροής στρόβιλοι αντίδρασης που γενικά χρησιμοποιούνται για μικρά ύψη πτώσης (συνήθως κάτω από 16 m). Ο στρόβιλος Kaplan έχει ρυθμιζόμενα πτερύγια δρομέα και μπορεί να διαθέτει ή όχι ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια. Εάν είναι ρυθμιζόμενα και τα πτερύγια του δρομέα και τα οδηγά πτερύγια ο στρόβιλος περιγράφεται ως «διπλής ρύθμισης», ενώ εάν είναι σταθερά τα οδηγά πτερύγια, τότε λέγεται «απλής ρύθμισης». Στη συμβατική του έκδοση ο στρόβιλος Kaplan έχει ένα σπειροειδές περίβλημα (είτε από χάλυβα είτε από σιδηροπαγές σκυρόδεμα). Η ροή εισάγεται ακτινικά προς το εσωτερικό και εκτελεί μια στροφή ορθής γωνίας προτού εισέλθει στο δρομέα με αξονική κατεύθυνση. Όταν ο δρομέας έχει σταθερά πτερύγια, ο στρόβιλος είναι γνωστός ως τύπου έλικας. Οι στρόβιλοι έλικας μπορούν να έχουν κινητά ή σταθερά οδηγά πτερύγια. Οι μη ρυθμιζόμενοι στρόβιλοι τύπου έλικας χρησιμοποιούνται μόνο όταν, τόσο η παροχή όσο και το ύψος πτώσης, παραμένουν πρακτικώς σταθερά. 21

32 Σχ. 1.3 Υδροστρόβιλος Kaplan της εταιρίας ecofer ii) Οι στρόβιλοι Francis είναι στρόβιλοι αντίδρασης ακτινικής ροής με σταθερά πτερύγια δρομέα και ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια, που χρησιμοποιούνται για μεσαία ύψη πτώσης. Ο δρομέας αποτελείται από κάδους που διαμορφώνονται από σύνθετες καμπύλες. Ένας στρόβιλος Francis περιλαμβάνει συνήθως ένα χυτοσιδηρό ή χαλύβδινο σπειροειδές περίβλημα για τη διανομή του νερού γύρω από ολόκληρη την περίμετρο του δρομέα και αρκετές σειρές πτερυγίων που καθοδηγούν και ρυθμίζουν τη ροή του νερού προς το δρομέα. 22

33 Σχ. 1.4 Υδροστρόβιλος francis με HFF τουρμπίνα της εταιρείας ecofer iii) Οι στρόβιλοι Pelton είναι στρόβιλοι ώσης με μία ή πολλαπλές δέσμες, καθεμιά από τις οποίες εκρέει μέσα από ένα ακροφύσιο με μια βελονοβαλβίδα για τον έλεγχο της ροής. Αυτοί χρησιμοποιούνται για μεσαία και μεγάλα ύψη πτώσης. 23

34 Σχ. 1.5 Υδροστρόβιλος pelton της εταιρίας hydrosolarenergy Επιπτώσεις στο Περιβάλλον Κάποια περιβαλλοντικά προβλήματα υφίστανται όπου το νερό αποσπάται σε κάποια απόσταση από το σημείο στο οποίο εκβάλλει πίσω στον ποταμό. Τότε, το τμήμα του παρακαμφθέντος ποταμού μπορεί να αποξηρανθεί ή να είναι δυσάρεστο στην όψη, εκτός εάν επιτρέπεται μια επαρκής ροή αντιστάθμισης. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι νέες εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικών σχεδιάζονται έτσι ώστε να αφήνεται μια ικανοποιητική ποσότητα νερού να παρακάμπτει τους στροβίλους, το οποίο δεν είναι δύσκολο εκτός από τις περιόδους χαμηλής ροής. Ένα άλλο θέμα που απαιτεί προσοχή είναι η ανάγκη αποφυγής κάθε επίπτωσης στα ψάρια και την ποτάμια χλωρίδα και πανίδα, αλλά οι σύγχρονες εγκαταστάσεις σχεδιάζονται με το πρόβλημα αυτό κατά νου. Μερικά συστήματα μικρού ύψους πτώσης επιτρέπουν στα ψάρια να περνούν αλώβητα μέσα από το στρόβιλο, αλλά εφαρμόζονται και διάφορα είδη στοιχείων προστασίας. Τέλος, υπάρχουν και κάποια άλλα ζητήματα περιβαλλοντικής επίπτωσης που σχετίζονται με την οξυγόνωση του νερού(ή την έλλειψή 24

35 της), το θόρυβο του ηλεκτρικού εξοπλισμού, τα ηλεκτρικά καλώδια, τη γενική εμφάνιση μιας εγκατάστασης κλπ. Εντούτοις, είναι δυνατόν όλα αυτά τα προβλήματα να αμβλυνθούν με τη χρήση κατάλληλων τεχνικών σχεδιασμού και το τελικό προϊόν αποτελεί μια μακροβιότατη, αξιόπιστη και εν δυνάμει οικονομική πηγή καθαρής ενέργειας Αιολική Ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας η οποία παράγεται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία. Ο ήλιος θερμαίνει ανομοιόμορφα την επιφάνεια της γης, δηλαδή, κάθε τόπος στην υδρόγειο θερμαίνεται διαφορετικά. Η ανομοιόμορφη αυτή θέρμανση προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων μαζών αέρα από μια περιοχή σε μια άλλη δημιουργώντας κατ αυτό τον τρόπο τους ανέμους. Ο άνεμος είναι δυνατόν να περιστρέφει ανεμότροχους, να προωθεί ιστιοφόρα πλοία ή να κινεί αντικείμενα, μπορεί, δηλαδή, η ενέργειά του να καταστεί εκμεταλλεύσιμη. Η πηγή αυτής της ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητη, ανανεούμενη συνεχώς, γι αυτό και ονομάζεται ανανεώσιμη. Εάν υπήρχε η δυνατότητα με τη σημερινή τεχνολογία να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα 25

36 χρόνο ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα. Ωστόσο, ένα μόνο μικρό ποσοστό αυτής της τεράστιας ποσότητας ενέργειας είναι σήμερα εκμεταλλεύσιμο Ιστορικά Στοιχεία Από τα αρχαία χρόνια ο άνθρωπος γνώριζε για τη δύναμη του ανέμου και είχε ανάγκη να διαθέσει τον άνεμο προς όφελός του. Γι αυτό η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται για τουλάχιστον 3000 χρόνια. Έως το 12 ο αιώνα η αιολική ενέργεια χρησιμοποιούνταν για να παρέχει την απαιτούμενη μηχανική ενέργεια για την άντληση νερού ή για το άλεσμα των δημητριακών. Στις αρχές του 1970, με την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, το ενδιαφέρον για την αιολική ενέργεια επανήλθε στο προσκήνιο. Αυτή τη φορά, όμως, το κυρίως ενδιαφέρον ήταν η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και όχι μηχανικής ενέργειας ( κάτι που γινόταν έως τότε). Με τον τρόπο αυτό, κατέστη δυνατή η παροχή μιας αξιόπιστης και σταθερής πηγής ενέργειας με τη χρήση άλλων τεχνολογιών ενέργειας, η οποία θα λειτουργούσε ως εφεδρική για το ηλεκτρικό δίκτυο. Η πρώτη ανεμογεννήτρια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είχε ήδη αναπτυχθεί από τις αρχές του 20 ου αιώνα. Η τεχνολογία γύρω από τις ανεμογεννήτριες εξελίχθηκε βήμα βήμα από τις αρχές της δεκαετίας του 70 και ως το τέλος του 1990, η αιολική ενέργεια επανεμφανίστηκε ως μία από τις πιο σημαντικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας του 20 ου αιώνα, το παγκόσμιο δυναμικό αιολικής ενέργειας διπλασιάζεται σε περίπου κάθε τρία χρόνια. Τα προηγούμενα πέντε χρόνια, ο μέσος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας παγκοσμίως ήταν περίπου 28%. Ωστόσο, οι εκτιμήσεις για το 2013 λένε πως ο ρυθμός ανάπτυξης θα είναι 15% λόγω της παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης (κάτι που δείχνει ότι θα επηρεάσει τους ρυθμούς ανάπτυξης και τα επόμενα χρόνια). Η εξέλιξη της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών κινείται με ταχύτατους ρυθμούς σε ότι αφορά τις διαστάσεις τους.στα τέλη του 1989 μια ανεμογεννήτρια των 300 kw και με διάμετρο πτερυγίων στα 30 μέτρα ήταν ένα έργο τέχνης. Ωστόσο, ανεμογεννήτριες των 2000 kw και με διάμετρο 80 μέτρα ήταν διαθέσιμες από τους κατασκευαστές μόνο δέκα χρόνια αργότερα. Τώρα ανεμογεννήτριες των 4-5 MW είναι εμπορικά διαθέσιμες, ενώ για το έτος όπου γράφεται η παρούσα διπλωματική ( ) η εταιρία Vestas δημιούργησε ανεμογεννήτριες ισχύος 7 MW για 26

37 υπεράκτια αιολικά πάρκα με διάμετρο πτερυγίων 164 m. Τέλος, θεωρείται ότι η εξέλιξη στην τεχνολογία, στις διαστάσεις αλλά και στην ονομαστική ισχύ των ανεμογεννητριών θα ακολουθήσει υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης τα επόμενα χρόνια. Στο σχήμα 1.6 βλέπουμε την εξέλιξη των ανεμογεννητριών από το 1985 έως και σήμερα. Σχ. 1.6 Η εξέλιξη στις ανεμογεννήτριες από το 1985 έως και σήμερα. Παρακάτω παρουσιάζονται οι πιο σημαντικοί χρονολογικοί σταθμοί της εξέλιξης των ανεμογεννητριών(τόσο για παραγωγή μηχανικής ενέργειας όσο και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας): Τον 17 ο αιώνα π.χ. οι πρώτοι ανεμόμυλοι βρίσκονται στο σημερινό Αφγανιστάν και η χρήση τους ήταν για άλεσμα σιτηρών και άντληση ύδατος. Οι πρώτες λεπτομερείς αναφορές για τη χρήση ανεμόμυλων υπάρχουν σε ιστορικά έγγραφα από την Περσία, το Θιβέτ και την Κίνα το 1000 μ. Χ. Η χρήση τους ήταν για άλεσμα σιτηρών και άντληση ύδατος. Από την Περσία και τη Μέση Ανατολή οι ανεμόμυλοι διαδίδονταν στην Ευρώπη και κάνουν την εμφάνισή τους γύρω στο 11 ο με 12 ο αιώνα για το άλεσμα των δημητριακών. Στην Αμερική εμφανίζονται ανεμόμυλοι το 1800 μ.χ. από τους αποίκους και η χρήση τους για άντληση υδάτων αλλά και άλεσμα δημητριακών γίνεται πολύ δημοφιλής. 27

38 Το 1887 ο Σκωτσέζος James Blyth κατασκεύασε την πρώτη ανεμογεννήτρια που λειτουργούσε ως συσκευή φόρτισης μπαταριών. Το 1888 ο Αμερικανός Charles F. Brush λειτούργησε την πρώτη ανεμογεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στο Κλήβελαντ του Οχάιο. Το 1891 ο Δανός Poul la Cour κατασκεύασε ανεμογεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η τεχνολογία αυτή αναπτύχθηκε από τους Δανούς μηχανικούς κατά τη διάρκεια των δύο παγκοσμίων πολέμων. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 και μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση το ενδιαφέρον για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την αιολική ενέργεια επέστρεψε. Έτσι, μεγάλα ποσά δόθηκαν από χώρες όπως η Γερμανία, η Σουηδία και οι Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής για την εξέλιξη και την ανάπτυξη των ανεμογεννητριών. Έτσι, ξεκινά η σύγχρονη αιολική βιομηχανία. Το 1985 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 15 m και ισχύος 50 kw, ενώ έπειτα από 10 χρόνια αυτή η ισχύς άγγιζε τα 600 kw και η διάμετρος των πτερυγίων άγγιζε τα 46 m. Σήμερα έχουμε κατασκευές ανεμογεννητριών των 7 MW και με διάμετρο πτερυγίων 164 m Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Αιολικής Ενέργειας Τα κυριότερα οφέλη, τόσο οικονομικά όσο και περιβαλλοντικά, που προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση της αιολικής ενέργειας είναι τα ακόλουθα: Είναι μια ανεξάντλητη μορφή ενέργειας, διότι παρέχεται από τον ήλιο και επιπλέον υπάρχει αρκετό αιολικό δυναμικό στον πλανήτη, το οποίο μπορεί να υπερκαλύψει τις ενεργειακές μας ανάγκες. Ωστόσο, λιγότερο από το 1% του παγκοσμίου αιολικού δυναμικού αξιοποιείται αυτή τη στιγμή. Στην Ελλάδα το αιολικό δυναμικό που έχει καταγραφεί στα νησιά, αλλά και στα τμήματα της ηπειρωτικής χώρας είναι ιδανικό για την εγκατάσταση ανεμογεννητριών. Είναι μια καθαρή, ήπια μορφή ενέργειας, η οποία δεν μολύνει το περιβάλλον με απόβλητα (όπως η πυρηνική ενέργεια) και δε συμβάλλει, όπως τα ορυκτά καύσιμα, με καυσαέρια(π.χ το CO 2, τα οξείδια του αζώτου και τα οξείδια του θείου). Δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για τη συνολική κατασκευή και λειτουργία τους αλλά και τη λειτουργία των αιολικών πάρκων. Σ ένα μέσο αιολικό πάρκο η ανεμογεννήτρια θα αποσβέσει όλη 28

39 την ενέργεια που έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή, εγκατάσταση και λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των 3 μηνών. Έτσι, με μέσο χρόνο ζωής γύρω στα 20 χρόνια, αυτό μας δίνει μία απόδοση κοντά στο 800%, οπότε αποδίδει περίπου 80 φορές την ενέργεια η οποία δαπανήθηκε γι αυτή. Συμβάλλει στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ενεργειακούς πόρους οι οποίοι στο μέλλον θα εξαντληθούν. Τα αιολικά πάρκα αυξάνουν την αξιοπιστία του υπάρχοντος ισχυρού δικτύου και μπορούν να βοηθήσουν επαρκώς στην κάλυψη αιχμών. Με τη χρήση ανεμογεννητριών το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να πάει παντού, ακόμα και σε ορεινές και δύσβατες περιοχές, κάτι που στο παρελθόν ήταν οικονομικά ασύμφορο. Ο άνεμος, που αποτελεί το βασικό καύσιμο, παρέχεται δωρεάν από τη φύση και έτοιμο προς εκμετάλλευση χωρίς επιπλέον έξοδα επεξεργασίας. Το πετρέλαιο, για παράδειγμα, απαιτεί εξόρυξη, μεταφορά, επεξεργασία κτλ. Τα κυριότερα μειονεκτήματα από τη χρήση των ανεμογεννητριών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα ακόλουθα : Η αβεβαιότητα στην εμφάνιση του ανέμου, καθώς πρόκειται για ένα καθαρά στοχαστικό μέγεθος. Οπότε, το πρόβλημα που εισάγουν οι ανεμογεννήτριες είναι ότι δεν μπορούμε να αναμένουμε σταθερή παραγωγή ενέργειας από αυτές. Oι ανεμογεννήτριες εισάγουν διακυμάνσεις στο δίκτυο. Βέβαια, όσο περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουμε στο δίκτυο, τόσο μικρότερες είναι αυτές οι διακυμάνσεις και τόσο πιο σταθερή είναι η αναμενόμενη παραγωγή ενέργειας. Οι ανεμογεννήτριες παράγουν μηχανικό και αεροδυναμικό θόρυβο κυρίως για ταχύτητες ανέμου κάτω από 7 8 m/s. Ωστόσο, αφενός μεν το γεγονός ότι οι ανεμογεννήτριες ενσωματώνουν όλες τις τελευταίες τεχνολογίες μείωσης του θορύβου (μηχανικού και αεροδυναμικού), αφετέρου δε το γεγονός ότι τα αιολικά πάρκα εγκαθίστανται σε απόσταση λίγων εκατοντάδων μέτρων (τουλάχιστον) από τους γύρω οικισμούς εξασφαλίζουν ότι το αιολικό πάρκο δε θα προκαλέσει σημαντική αύξηση της υπάρχουσας στάθμης θορύβου εκτός των ορίων του. Στο σχήμα 1.7 βλέπουμε τα επίπεδα θορύβου για διάφορες δραστηριότητες. 29

40 Σχ. 1.7 Επίπεδα θορύβου για διάφορες δραστηριότητες. Υπάρχουν αρνητικές επιπτώσεις κατά τη φάση της κατασκευής στα είδη της χλωρίδας στην περιοχή κατάληψης του έργου αλλά οι επιπτώσεις αυτές κρίνονται ως ασθενείς ς προς την ένταση, τοπικού χαρακτήρα και μπορούν να χαρακτηριστούν σχεδόν ολικά αντιστρεπτές μετά το πέρας της φάσης της κατασκευής. Επιπλέον, από το σύνολο της πανίδας μόνο τα πτηνά μπορούν να επηρεαστούν από το αιολικό πάρκο κυρίως με θανάτωση (ή τραυματισμό) μετά από προσκρούσεις στους ανεμοκινητήρες. Ωστόσο, μακροχρόνιες έρευνες για τα πτηνά έχουν δείξει ότι οι θάνατοι (ή τραυματισμοί) από προσκρούσεις σε ανεμογεννήτριες είναι πολύ λιγότερες από τους θανάτους που προέρχονται από συγκρούσεις πτηνών με διάφορες κατασκευές των ανθρώπων όπως εναέριες ηλεκτρικές γραμμές, πυλώνες, ιστοί, κινούμενα οχήματα, παράθυρα κτιρίων κλπ. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι επιπτώσεις αυτές συγκριτικά θεωρούνται από πολύ μικρές έως αμελητέες από τις μεγαλύτερες περιβαλλοντικές οργανώσεις του πλανήτη ( Greenpeace. WWF. RSPM. κλπ. ) Τρέχουσα Κατάσταση της Αιολικής Ενέργειας Πολλές χώρες παγκοσμίως παράγουν μέρος της αναγκαίας ενέργειάς τους με την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Σύμφωνα με κανονισμούς, μέχρι το 2020, πρέπει να έχουμε αύξηση του ποσοστού διείσδυσης των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας στην τελική κατανάλωση στο επίπεδο το 20% για την Ευρωπαϊκή Ένωση. Γενικότερα, στις μέρες μας, υπάρχει μια στροφή προς την «πράσινη» ενέργεια από όλες τις χώρες παγκοσμίως, λόγω της ασύμφορης εξάρτησης από το πετρέλαιο. Λόγω της 30

41 ενθάρρυνσης τέτοιων πολιτικών, έχουν αρχίσει να εγκαθίστανται μεγάλης κλίμακας αιολικά πάρκα Παγκόσμια Παγκοσμίως υπάρχουν πολλές χώρες οι οποίες παράγουν ένα σημαντικό μέρος της αναγκαίας ηλεκτρικής ενέργειας με βάση την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Από αυτές ξεχωρίζουμε τη Γερμανία, την Ισπανία και τη Γαλλία από την Ευρώπη, την Κίνα και την Ινδία από την Ασία και τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής από την Αμερική. Στο σχήμα 1.8 της επόμενης σελίδας βλέπουμε τις χώρες με τη μεγαλύτερη παγκόσμια παραγωγή αιολικής ισχύος. 31

42 Σχ. 1.8 Οι χώρες με τη μεγαλύτερη παγκόσμια παραγωγή αιολικής ισχύος. 32

43 Σημαντική ήταν και η αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με βάση την αιολική ενέργεια τα τελευταία 15 χρόνια. Υπήρχε μια σταδιακή αύξηση της ετήσιας εγκατεστημένης αιολικής ενέργειας κάτι που οδήγησε την αιολική ενέργεια σε σημαντική συνιστώσα των Α. Π. Ε. Στο σχήμα 1.9 βλέπουμε την ετήσια παγκόσμια εγκατάσταση αιολικής ισχύος από το 1996 έως και σήμερα. Σχ. 1.9 Η ετήσια παγκόσμια εγκατάσταση αιολικής ισχύος από το 1996 έως και σήμερα. Σ αυτή την ετήσια συνεισφορά κυρίαρχο ρόλο έχουν τα τελευταία 8 χρόνια η Ευρώπη, οι Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής αλλά και η Ασία. Παρακάτω απεικονίζεται η ετήσια συνεισφορά σε κάθε ήπειρο από το 2003 έως και το Στο σχήμα 1.10 βλέπουμε την ετήσια εγκατάσταση αιολικής ισχύος ανά Ήπειρο από το 2003 έως και σήμερα. 33

44 Σχ Η ετήσια εγκατάσταση αιολικής ισχύος ανά Ήπειρο από το 2003 έως και σήμερα Ευρώπη Σύμφωνα με στατιστικά, το 2011, η αιολική ενέργεια παρήγαγε συνολικά στην Ευρωπαϊκή Ένωση (στην Ευρωπαϊκή Ένωση των 27 χωρών) MW. Εμφανίζει ένα μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης της τάξης του 20% τα τελευταία 10 χρόνια, κάτι που αναμένεται να σταματήσει λόγω της παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης. Έως το 2000 αναμένεται η παραγωγή αιολικής ενέργειας από τον άνεμο να είναι 230 GW εγκατεστημένης ισχύος εκ των οποίων 190 GW χερσαία και 40 GW υπεράκτια. Στο σχήμα 1.11 βλέπουμε την εγκατεστημένη αιολική ισχύ ανά κράτος στην ΕΕ για το

45 Σχ Η εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανά κράτος στην ΕΕ για το Πρωτοπόρες χώρες στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Α. Π.Ε. είναι η Γερμανία, η Ισπανία, η Ιταλία, η Γαλλία, το Ηνωμένο Βασίλειο, η Πορτογαλία και η Δανία. Αυτές έχουν το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος από εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Ωστόσο, η Δανία έχει τη μεγαλύτερη ανάπτυξη τεχνολογιών που αφορούν Α.Π.Ε και ιδίως τεχνολογιών που αφορούν την Αιολική Ενέργεια. Η Ευρώπη αύξησε την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας από το 2%της συνολικής παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας (12,887 MW) το 2000, στο 10% της συνολικής παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας (93,957 MW) το Έτσι, δημιουργείται ένας νέος ενεργειακός χάρτης στην Ευρώπη, όπου η αιολική ενέργεια κατέχει ένα σημαντικό ποσοστό της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Στο σχήμα 1.12 βλέπουμε το ποσοστό συμμετοχής των διαφόρων πηγών ενέργειας στην ΕΕ το 2000 αλλά και σήμερα. 35

46 Σχήμα 1.12 Το ποσοστό συμμετοχής των διαφόρων πηγών ενέργειας στην ΕΕ το 2000 αλλά και σήμερα Ελλάδα Η χώρα μας διαθέτει πλούσιο αιολικό δυναμικό, ειδικότερα στα παράλια της ηπειρωτικής Ελλάδας και κυρίως στα νησιά του Αιγαίου Πελάγους, όπου οι άνεμοι, που πνέουν, ξεπερνούν πολύ συχνά σε ένταση τα 8 Beaufort (ταχύτητα ανέμου άνω των 60 km / h). Η αιολική ενέργεια, λοιπόν, μπορεί να αποτελέσει σημαντική δύναμη ανάπτυξης. Έτσι, τα τελευταία 10 χρόνια η αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας ήταν ραγδαία. Πλέον, υπάρχουν 1626,5 MW εγκατεστημένη ισχύς και αναμένονται να εγκατασταθούν άλλα 145MW παρά τις δυσμενείς οικονομικές συνθήκες για το Στο σχήμα 1.13 βλέπουμε τη συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύ στην Ελλάδα από το 1987 έως και σήμερα. Σχ Η συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ελλάδα από το 1987 έως και σήμερα. 36

47 1.2.9 Κανονισμοί Οι Εγκαταστάσεις Αιολικής Ενέργειας (ΕΑΕ) πρέπει να λειτουργούν κοντά στην ονομαστική τάση λειτουργίας και στην ονομαστική συχνότητα για να αποφευχθεί η αποσύνδεση λόγω παροδικών διαταραχών. Τυπικά αυτή η απαίτηση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές ζώνες: -Συνεχή λειτουργία σε ένα περιορισμένο εύρος γύρω από το σημείο λειτουργίας -Λειτουργία για περιορισμένο χρόνο με πιθανή μειωμένη έξοδο σε ακραία τιμή της τάσης -Άμεση αποσύνδεση Απόκλιση τάσης και συχνότητας υπό κανονική λειτουργία Οι Εγκαταστάσεις Αιολικής Ενέργειας είναι υποχρεωμένες να λειτουργούν σε συγκεκριμένο εύρος της ονομαστικής τάσης σε συνάρτηση με την συχνότητα για να αποφευχθεί η αποσύνδεσή τους από το δίκτυο λόγω διαταράξεων. Τα διαγράμματα του σχήματος 1.14 της επόμενης σελίδας δείχνουν το εύρος της επιτρεπόμενης λειτουργίας για κάθε περίπτωση. Να παρατηρήσουμε εδώ πως στα γραμμοσκιασμένα με ρίγες τμήματα στα παρακάνω διαγράμματα επιτρέπεται η λειτουργία των ΕΑΕ μόνο μέχρι 10 δευτερόλεπτα, στην ανοιχτή γκρίζα περιοχή 10 λεπτά, στην λίγο πιο σκούρα γκρι 20 και στην ακόμα πιο σκούρα 30.Η γραμμοσκιασμένη μαύρη περιοχή αντιστοιχεί σε κανονική λειτουργία. Δηλαδή, οι ΕΑΕ είναι υποχρεωμένες να λειτουργούν σε περιορισμένες περιοχές τάσης-συχνότητας ενώ μόλις βγουν έξω από αυτές είναι υποχρεωμένες να επαναφέρουν το σύστημα σε προηγούμενη λειτουργία εντός ενός περιορισμένου χρονικού περιθωρίου. Σε διαφορετική περίπτωση αποκόπτονται άμεσα από το δίκτυο. 37

48 Σχ Διαγράμματα τάσης-συχνότητας για διάφορες χώρες Οι πιο αυστηρές τιμές για συνεχή λειτουργία για την συχνότητα εμφανίζονται στην Βρετανία( Hz) και για την τάση στη Δανία(90-106% της ονομαστικής τάσης).για χαμηλότερες συχνότητες εκτός της περιοχής συνεχής λειτουργίας κάποιες χώρες, όπως για παράδειγμα η Ουκρανία, απαιτούν τη διατήρηση της ισχύς εξόδου ώστε να ελέγξουν την συχνότητα. Τα πιο «χαλαρά» όρια για την συχνότητα( Hz) ισχύουν στην Ιρλανδία. Αυτό συμβαίνει λόγω του ότι στην Ιρλανδία το ηλεκτρικό σύστημα είναι αποκομμένο και με ασθενείς διασυνδέσεις. Γι αυτό και επιτρέπονται μεγαλύτερα όρια συχνότητας. Στην Ισπανία, το εύρος τάσης για συνεχή λειτουργία είναι μεγαλύτερο από κάθε άλλη χώρα (η συχνότητα μεταβάλλεται από 48 έως 51 Hz),όπου 38

49 έχουμε αποσύνδεση για συχνότητες κάτω από 48 Hz για περισσότερο από 3 δευτερόλεπτα Έλεγχος συχνότητας Η ενεργός ισχύς που αποδίδεται στο δίκτυο υποχρεούται να αλλάζει ανάλογα με την τιμή της συχνότητας, έτσι ώστε να διασφαλιστεί η ομαλή συμμετοχή των ΕΑΕ στον έλεγχο. Σχ Διάγραμμα ισχύος-συχνότητας για την Ιρλανδία Το σχήμα 1.15 δείχνει κατά πόσο πρέπει να μειωθεί η ενεργός ισχύς ανάλογα με την τιμή της συχνότητας για την Ιρλανδία. Για παράδειγμα στην Γερμανία, όταν η συχνότητα ξεπερνάει τα 50,2 Hz οι ΕΑΕ είναι αναγκασμένες να μειώσουν την πραγματική τους ισχύ κατά 40% Έλεγχος άεργου ισχύος σε κατάσταση κανονικής λειτουργίας Στο σχήμα 1.16 φαίνονται τα επιτρεπτά όρια τάσης-άεργου ισχύος και ενεργού ισχύος-άεργου ισχύος για διάφορες χώρες όπως η Γερμανία, η 39

50 Ισπανία και η Δανία. Εάν για κάποιο λόγο το σύστημα βγει εκτός ορίων λειτουργίας, είναι υποχρεωμένο να επανέλθει εντός τεσσάρων λεπτών. Σχ Διαγράμματα τάσης-άεργου ισχύος και ενεργού-άεργου ισχύος για Γερμανία(ac),Ισπανία(d) και Δανία(e) 40

51 Συμπεριφορά ΕΑΕ σε διαταράξεις του δικτύου Το σχήμα 1.17 δείχνει υπό ποιες προϋποθέσεις και μετά από πόσο χρόνο μπορεί μία ΕΑΕ να αποσυνδεθεί από το δίκτυο σε περιπτώσεις συμμετρικών ή ασύμμετρων σφαλμάτων στο δίκτυο. Η κανονική λειτουργία περιγράφεται από το χωρίο με άσπρο φόντο και κουκίδες. Για τις τιμές της τάσης που βρίσκονται μέσα στο μαύρο χρώμα η ΕΑΕ δεν θα έπρεπε να αποσυνδεθεί, ωστόσο θα μπορούσε να αποσυνδεθεί και να επανασυνδεθεί σε δύο δευτερόλεπτα. Για το γκρίζο πεδίο μια ΕΑΕ μπορεί να αποσυνδεθεί για περισσότερο από δύο δευτερόλεπτα κατόπιν συνεννόησης με τον διαχειριστή του συστήματος μεταφοράς, ενώ στο άσπρο χωρίο μπορεί να αποσυνδεθεί. Σχ Διάγραμμα αποσύνδεσης μια ΕΑΕ σε περίπτωση σφάλματος Στο επόμενο σχήμα(σχ. 1.18) φαίνονται τα όρια της άεργης συνιστώσας του ρεύματος για διάφορα σφάλματα δικτύου(τριφασικό, 41

52 μονοφασικό και διφασικό) για διατήρηση της τάσης κατά τη διάρκεια των σφαλμάτων και της αποκατάστασης. Σχ Ελάχιστο άεργο ρεύμα που απαιτείται για διάφορα σφάλματα Ενδεικτικά να αναφέρουμε ότι τα δύο παραπάνω διαγράμματα είναι για την Γερμανία Στη συνέχεια, στα σχήματα 1.19 και 1.20 φαίνονται δύο παρόμοια διαγράμματα για την Ισπανία. Στο πρώτο, όταν μια ΕΑΕ δουλεύει στα όρια της μαύρης περιοχής δεν μπορεί να αποσυνδεθεί από το δίκτυο σε περίπτωση μονοφασικού, διφασικού η τριφασικού σφάλματος. Στην γκρίζα περιοχή μπορεί να αποσυνδεθεί μόνο σε περίπτωση διφασικού σφάλματος, ενώ για οποιοδήποτε άλλο σφάλμα πρέπει να μείνει συνδεδεμένη με το δίκτυο. Στο σχ δείχνεται η ελάχιστη απαιτούμενη τιμή του άεργου ρεύματος που πρέπει να εγχυθεί στο σύστημά μας σε κάθε περίπτωση σφάλματος. 42

53 Σχ Διάγραμμα αποσύνδεσης μια ΕΑΕ σε περίπτωση σφάλματος 43

54 Σχ Ελάχιστο άεργο ρεύμα που απαιτείται για κάθε σφάλμα Έγχυση άεργου ρεύματος σε περιπτώσεις σφάλματος δικτύου Οι απαιτήσεις για άεργο ισχύ της γεννήτριάς μας σε περιπτώσεις πτώσεως τάσης λόγω σφάλματος στο δίκτυο είναι παρόμοιες με την περίπτωση της ρύθμισης τάσης αυτόματα σε μια σύγχρονη γεννήτρια και εκφράζονται από έναν PI ελεγκτή τάσης με έξοδο άεργο ρεύμα. Αυτό φαίνεται στο επόμενο σχήμα(σχ. 1.21), όπου το V c είναι η αναφορά μας για την τάση, το V είναι η τιμή της τάσης στο σημείο που ελέγχουμε και το Ι r το άεργο ρεύμα που παίρνουμε. 44

55 Σχ Έγχυση άεργου ρεύματος κατά τη διάρκεια σφαλμάτων Μελλοντικές τάσεις Τοπικός Έλεγχος Τάσης Και στη Γερμανία αλλά και στην Ισπανία έχει αυξηθεί η περιπλοκότητα των κανονισμών όσων αφορά την έγχυση άεργου ρεύματος κατά τη διάρκεια σφαλμάτων. Υπολογίζεται δε, ότι ο τοπικός έλεγχος τάσης θα είναι αναγκαίος τα επόμενα χρόνια, ιδιαίτερα για τις υπεράκτιες ανεμογεννήτριες Προσομοίωση Αδράνειας Οι Ισπανικοί κανονισμοί αναφέρουν πως στο άμεσο μέλλον θα καταστεί αναγκαία η προσομοίωση της αδράνειας, ακόμα κι αν τώρα είναι ακόμα προαιρετική. Αυτό θα γίνει με τη μορφή ενός PD ελεγκτή ο οποίος θα έχει σαν είσοδο την μεταβολή της συχνότητας και θα βγάζει στην έξοδό του μεταβολή στην ισχύ που απαιτείται, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Να αναφέρουμε εδώ πως θα πρέπει να ισχύουν οι παρακάτω προϋποθέσεις : Το κέρδος k d θα πρέπει να ρυθμίζεται μεταξύ των 0 και 15 sec και ο χρόνος αντίδρασης πρέπει να είναι τέτοιος ώστε σε 50 ms η πραγματική ισχύς να αυξάνεται κατά τουλάχιστον 5%. Η νεκρή ζώνη της συχνότητας θα πρέπει να μειωθεί στα ± 10 mhz. 45

56 Η προσομοίωση αδράνειας πρέπει να απενεργοποιείται για τάσεις κάτω των 0,85 p.u. Σχ Προσομοίωση αδράνειας Απόσβεση Ταλάντωσης Ισχύος (ΑΤΙ) Ένας άλλος κανονισμός που πρόκειται να ενσωματωθεί σύντομα, ο οποίος λέει πως το σύστημα πρέπει να μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει την ισχύ που δίνει ώστε να μειώσει την ταλάντωση ισχύος στις χαμηλές συχνότητες(0,15-2,0 Hz).Για να γίνει αυτό όμως θα πρέπει : Η ΑΤΙ θα πρέπει να ενσωματωθεί στον ήδη υπάρχοντα ρυθμιστή ισχύος-συχνότητας. Η νεκρή ζώνη της συχνότητας θα πρέπει να μειωθεί στα ± 10 mhz. Η ΑΤΙ θα πρέπει να απενεργοποιείται για τάσεις μικρότερες από 0,85 p.u. 46

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΔΙΠΛΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΤΑΣΗΣ 2.1 Δομή Κυκλώματος Σχ. 2.1 Διπλός τριφασικός μετατροπέας τάσης Το σχήμα 2.1 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα του διπλού μετατροπέα τάσεως. Ο διπλός αυτός μετατροπέας αποτελείται από τρεις πανομοιότυπους μετατροπείς μισής-γέφυρας. Ο μετατροπέας του Σχήματος ονομάζεται διπλός μετατροπέας εφόσον σε κάθε μια από τις AC-πλευρές του το επίπεδο τάσης μπορεί να θεωρηθεί είτε VDC είτε V DC. Οι DC πλευρές του μετατροπέα μισής-γέφυρας συνδέονται παράλληλα με μια κοινή DC πηγή τάσης. Η AC πλευρά κάθε μετατροπέα μισής-γέφυρας συνδέεται με μια φάση ενός τριφασικού AC συστήματος (δε φαίνεται στο 47

58 Σχ. 2.1). Ο διπλός μετατροπέας τάσης μπορεί να παρέχει ένα αμφίδρομο μονοπάτι ροής ρεύματος ανάμεσα στην DC-πλευρά (πηγή τάσης) και στο τριφασικό AC σύστημα. Το σύστημα AC μπορεί να είναι παθητικό, για παράδειγμα, ένα RLC φορτίο, ή, ενεργό, όπως για παράδειγμα, μια σύγχρονη μηχανή. Στο διπλό μετατροπέα τάσης του Σχήματος, συμβολίζουμε τους μετατροπείς μισής-γέφυρας με τα γράμματα a, b, και c, για να συνδέσουμε τον καθένα με την αντίστοιχη φάση στο σύστημα AC. 2.2 Οι Αρχές της Λειτουργίας Με βάση τη στρατηγική μεταγωγής του PWM(pulse-width modulation) συμπεραίνεται ότι η AC-πλευρά τάσης του μη ιδανικού μετατροπέα μισής-γέφυρας δίνεται από την παρακάτω σχέση: ' Vdc i() t V ( t) m( t) V r i( t) (2.1) t e e Όπου το V e και το e 2 it ( ) r δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις: Qrr Qtc trr Ve Vd ( ) ron Vdc ( ) Ts Ts (2.2) trr re (1 ) ron ron T (2.3) s Και το T s είναι η περίοδος μεταγωγής του μετατροπέα. Η τερματική τάση V t' () t της AC-πλευράς του μετατροπέα, ελέγχεται Vdc με βάση τη σχέση (2.1). Ο όρος mt () αντιπροσωπεύει μια εξαρτώμενη 2 πηγή τάσης που μπορεί να ελεγχθεί από το mt (). Ο όρος rei () t της σχέσης (2.1) μπορεί να θεωρηθεί ως ωμική πτώση τάσης. Παρόλα αυτά, ο όρος it () Ve αντιπροσωπεύει μια τάση κορυφής της οποίας η πολικότητα it ( ) εξαρτάται από την πολικότητα του ρεύματος της AC-πλευράς. Αν το ρεύμα είναι αρνητικό, το offset προστίθεται στην τελική τάση, ενώ θα αφαιρείται από την τελική τάση αν το ρεύμα είναι θετικό. Ο μέσος όρος της τελικής τάσης της AC-πλευράς του μετατροπέα αποτελείται είναι μία ημιτονοειδής κυματομορφή αν το mt () είναι μια ημιτονοειδής συνάρτηση με το απαιτούμενο πλάτος και συχνότητα. Παρόλα 48

59 αυτά, όπως φαίνεται από τη σχέση ο όρος στη λειτουργία ελέγχου από το mt () στο it () V it ( ) e εισάγει μια νεκρή ζώνη V t' () t, που σχετίζεται με το V t' () t είναι ελαφρώς μηδενικό σημείο του ρεύματος. Συνεπώς, το «νοθευμένο» σε σύγκριση με μία καθαρή ημιτονοειδή κυματομορφή. Η παραμόρφωση είναι αμελητέα εφόσον το V e είναι τυπικά μόνο μερικά βολτ(v). Η τιμή αυτή είναι σημαντικά μικρότερη από το τυπικό επίπεδο τάσης των συστημάτων των μετατροπέων τάσεως. Η επίδραση της παραμόρφωσης μετριάζεται εφόσον το mt () συχνά ελέγχεται από ένα σύστημα κλειστού βρόγχου που προσπαθεί να αναγκάσει το ρεύμα της ACπλευράς να ανιχνεύσει μια ημιτονοειδή εντολή χωρίς παραμορφώσεις. Για αυτούς τους λόγους, δε θα ασχοληθούμε άλλο με το θέμα της παραμόρφωσης της τάσης οπότε θα χρησιμοποιήσουμε τη σχέση: V ' dc Vt ( t) m( t) roni ( t) (2.4) 2 Στο σχήμα(σχ. 2.1) του διπλού μετατροπέα τάσης φαίνονται 3 πανομοιότυποι μετατροπείς μισής-γέφυρας, ένας για κάθε φάση της AC πλευράς. Βέβαια, οι τρεις τερματικές τάσεις της AC πλευράς δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις: ' Vdc Vta( t) ma ( t) ronia ( t) 2 ' Vdc Vtb( t) mb ( t) ronib ( t) 2 ' Vdc Vtc( t) mc ( t) ronic ( t) 2 (2.5) Φαίνεται πως για να έχουμε μια ισορροπημένη τριφασική AC τάση και ρεύμα τα ma () t, mb () t και mc () t πρέπει να αποτελούν ένα εξισορροπημένο τριφασικό σήμα. 49

60 2.2.1 Απώλειες ενέργειας Οι απώλειες ενέργειας του μετατροπέα μισής γεφυρας DC/AC δίνονται από: Q Q P V V i r i rr tc 2 loss dc( ) e e (2.6) Ts Ωστόσο, οι απώλειες ενέργειας του διπλού μετατροπέα τάσης του σχήματος είναι το άθροισμα των απωλειών στις τρεις φάσεις, δηλαδή: Q Q P P V V i i i r i i i (2.7) rr tc loss loss( abc) 3 dc( ) e( a b c ) e( a b c ) Ts Εάν το i a, i b και το i c αποτελούν μια ισορροπημένη τριφασική ημιτονοειδής κυματομορφή με συχνότητα ω, λόγω των απολύτων και των τετραγώνων στη σχέση η P loss περιέχει όρους με συχνότητα διπλάσια από την ω. Ωστόσο, η μέση τιμή των απωλειών σε μια περίοδο δίνεται από : 3( Q Q ) 6 ˆ 3 rr tc 2 Ploss VDC [ ] Vei rei (2.8) Ts 2 i loss Όπου το î είναι το πλάτος του τριφασικού ρεύματος. ˆ 50

61 2.3 Μοντέλα και έλεγχος του διπλού μετατροπέα Σχ. 2.2 μέσο ισοδύναμο κύκλωμα διπλού μετατροπέα Το σχήμα 2.2 απεικονίζει το μέσο ισοδύναμο κύκλωμα του διπλού μετατροπέα, όπου το πραγματικό κύκλωμα του διπλού μετατροπέα «εξισώνεται» με το ιδανικό κύκλωμα, βάζοντας μία αντίσταση σε κάθε 51

62 φάση, την ron και μια ισοδύναμη πηγή ρεύματος στην DC μεριά: 3( Qrr Qtc ) iloss. Βεβαίως, η r on και το i loss θεωρούνται περίπου σταθερά Ts και ανεξάρτητα από τις τάσεις και τα ρεύματα του μετατροπέα, επομένως μπορούν να παραληφθούν. Σχ. 2.3 μέσο ισοδύναμο κύκλωμα ιδανικού διπλού μετατροπέα 52

63 Το σχήμα 2.3 δείχνει το μέσο ισοδύναμο κύκλωμα ενός ιδανικού διπλού μετατροπέα τάσεως, όπου οι τάσεις στην AC πλευρά δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις: VDC Vta ( t) ma ( t) 2 VDC Vtb ( t) mb ( t) (2.9) 2 VDC Vtc ( t) mc ( t) 2 Το m () t είναι ένα συμμετρικό τριφασικό σήμα: abc m ˆ a ( t) m( t)cos[ ( t)] 2 m ( ) ˆ b t m( t)cos[ ( t) ] (2.10) 3 4 m ( ) ˆ c t m( t)cos[ ( t) ] 3 όπου το ε(t) περιέχει την πληροφορία για τη συχνότητα και τη φορά των φάσεων. Φυσικά, για τις δύο μεριές του μετατροπέα ισχύει ότι: V ( t) i ( t) V ( t) i ( t) V ( t) i ( t) V ( t) i ( t) (2.11) DC DC ta a tb b tc c Δηλαδή, ισχύει η διατήρηση της ισχύος d-q Σύστημα Αναφοράς Ένας μετατροπέας τάσης ελέγχεται συνήθως στο αβ-πλαίσιο αναφοράς ή στο d-q.εμείς θα αναφερθούμε στο d-q πλαίσιο. Χρησιμοποιούμε το d-q πλαίσιο αναφοράς επειδή σε έναν μετατροπέα τάσης ο οποίος εξαρτάται από το ρεύμα είναι δύσκολο να γίνει αντιστάθμιση αφού οι μεταβλητές είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις του χρόνου και επιπλέον το κλειστό σύστημα ελέγχου πρέπει να έχει αρκετά μεγάλο εύρος ζώνης για να εξασφαλίσει την μετάδοση με ελάχιστα σφάλματα στη μόνιμη ημιτονοειδή κατάσταση, όπως επίσης και απόρριψη θορύβου σε ικανοποιητικό βαθμό. Στο d-q πλαίσιο αναφοράς τα σήματα και 53

64 οι μεταβλητές μετατρέπονται σε ισοδύναμες συνεχείς ποσότητες.ισχύει η παρακάτω σχέση: j ( t) VDC j ( t) ( Vtd jvtq ) e ( md jmq ) e (2.12) 2 Η οποία αναλύεται στις: VDC VDC Vtd ( t) md ( t) και Vtq ( t) mq ( t) (2.13) 2 2 Οι παραπάνω σχέσεις δείχνουν ότι οι μεταβλητές του d και q άξονα της ac πλευράς είναι ανάλογες γραμμικά με τις αντίστοιχες συνιστώσες του V σήματος με συντελεστή αναλογίας. Επίσης, είναι εμφανές ότι ο διπλός DC 2 μετατροπέας τάσης μπορεί να περιγραφεί από δύο γραμμικά, εξαρτώμενα από το χρόνο υποσυστήματα στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Όσον αφορά την ισχύ στην AC πλευρά ισχύει ότι: 3 Pt ( t) [ Vtd ( t) id ( t) Vtq ( t) iq( t)] (2.14) 2 Οπότε η αρχή διατήρησης της ισχύος παίρνει τη μορφή : 3 VDC ( t) idc ( t) [ Vtd ( t) id ( t) Vtq ( t) iq( t)] (2.15) 2 Σχ. 2.4 μοντέλο του ιδανικού μετατροπέα στο d-q σύστημα 54

65 Παρακάτω φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα ελέγχου ενός διπλού μετατροπέα που ελέγχεται από ρεύμα στο d-q πλαίσιο αναφοράς: Σχ. 2.5 Γενικό διάγραμμα ελέγχου ενός μετατροπέα στο d-q σύστημα αναφοράς Από το σχήμα 2.5 φαίνεται πως ένα σύστημα κλειστού βρόγχου ρυθμίζει το i d και το i q ελέγχοντας το V td και το V tq, τα οποία με τη σειρά τους ελέγχονται από το m d και το m αντίστοιχα. 2.4 Ταξινόμηση των μετατροπέων τάσης q Επιβαλλόμενης συχνότητας : Σε αυτή την περίπτωση μετατροπέα, ο μετατροπέας είναι συνδεδεμένος με ένα σχετικά μεγάλο εναλλασσόμενο σύστημα, το οποίο επιβάλλει τη συχνότητα λειτουργίας και παραμένει σταθερή. Ελεγχόμενης συχνότητας : Σε αυτή την περίπτωση μετατροπέα η συχνότητα του εναλλασσόμενου συστήματος ρυθμίζεται από το σύστημα ελέγχου του μετατροπέα, όπου η πληροφορία για τη συχνότητα αναφοράς μπορεί να προέρχεται από ένα εποπτικό σύστημα ελέγχου. Μεταβαλλόμενης συχνότητας : Σε αυτή την περίπτωση μετατροπέα, ο μετατροπέας είναι συνδεδεμένος με μια ηλεκτρική μηχανή και η συχνότητα λειτουργίας είναι μια μεταβλητή ολόκληρου του συστήματος και εξαρτάται από το σημείο λειτουργίας του συστήματος, δεν ρυθμίζεται άμεσα. 55

66 Τέλος να σημειώσουμε πως ένας μετατροπέας τάσης θα μπορούσε να είναι ένας συνδυασμός των παραπάνω περιπτώσεων. 56

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΕ ΔΙΠΛΟΥΣ ΒΡΟΓΧΟΥΣ Σχ. 3.1 Σχηματικό διάγραμμα μετατροπέα με συχνότητα επιβαλλόμενη από το δίκτυο Το σχήμα 3.1 δείχνει έναν μετατροπέα τάσης με συχνότητα επιβαλλόμενη από το δίκτυο. Ο μετατροπέας μοντελοποιείται από ένα επεξεργαστή ισχύος χωρίς απώλειες παράλληλα με έναν πυκνωτή και μία πηγή ρεύματος, η οποία αντιπροσωπεύει τις απώλειες ισχύος και σε σειρά με τρεις αντιστάσεις στην AC πλευρά αντιπροσωπεύοντας τις απώλειες ισχύος λόγω αγωγιμότητας. Στην DC πλευρά υπάρχει μία πηγή τάσης. Κάθε φάση του μετατροπέα συνδέεται με το AC σύστημα με έναν κλάδο RL σε σειρά. Θεωρούμε ότι το AC σύστημα μοντελοποιείται από μια ιδανική τριφασική ημιτονοειδής πηγή τάσης και με μια σχετικά σταθερή συχνότητα. Ο μετατροπέας του σχήματος ανταλλάσσει την ενεργό και άεργο ισχύ με το AC σύστημα στο σημείο ένωσης(pcc).ο μετατροπέας του σχήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε σαν ελεγκτής πραγματικής και άεργου ισχύος είτε σαν ελεγχόμενη θύρα τροφοδοσίας DC τάσης. 57

68 3.1 Ελεγκτής πραγματικής και άεργου ισχύος Ο μετατροπέας τάσης του παραπάνω σχήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένας ελεγκτής πραγματικής και άεργου ισχύος. Σε αυτή την περίπτωση η DC πλευρά συνδέεται παράλληλα με μια DC πηγή τάσης με σκοπό να ελέγχει την στιγμιαία τιμή της πραγματικής και άεργου ισχύος που ανταλλάσσει ο μετατροπέας με το AC σύστημα, δηλαδή το P s (t) και το Q s (t). 3.2 Μέθοδος ελέγχου ρεύματος και μέθοδος ελέγχου τάσης Για να ελέγξουμε το P s (t) και το Q s (t) υπάρχουν δυο τρόποι, ο πρώτος εκ των οποίων ονομάζεται μέθοδος ελέγχου τάσης και φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχ. 3.2 Σχηματικό διάγραμμα μετατροπέα πραγματικής/άεργου ισχύος ελεγχόμενου από τάση Χρησιμοποιείται ως επί των πλείστον σε υψηλής τάσης/ισχύος εφαρμογές. Από το σχήμα φαίνεται ότι σε έναν μετατροπέα τάσης η πραγματική και άεργος ισχύς ελέγχονται από την φάση και το πλάτος της 58

69 τάσης της AC πλευράς του μετατροπέα αντίστοιχα. Εάν το πλάτος και φάση της V tabc είναι περίπου ίσες με αυτά της V sabc η πραγματική και άεργος ισχύς σχεδόν αποκόπτονται και δυο ανεξάρτητοι αντισταθμιστές χρησιμοποιούνται για τον έλεγχό τους. Η μέθοδος ελέγχου τάσης είναι απλή και περιλαμβάνει έναν μικρό αριθμό από βρόγχους ελέγχου. Ωστόσο, έχει μία αδυναμία : δεν υπάρχει κλειστός βρόγχος ελέγχου στη γραμμή ρεύματος του μετατροπέα. Συνεπώς, ο μετατροπέας δεν προστατεύεται από υπερεντάσεις. Ο δεύτερος τρόπος ονομάζεται μέθοδος ελέγχου ρεύματος. Σε αυτή την περίπτωση η γραμμή ρεύματος του μετατροπέα ελέγχεται αυστηρά από ένα σύστημα ελέγχου ρεύματος μέσω της τερματικής τάσης στην AC πλευρά του μετατροπέα. Στη συνέχεια, η πραγματική και η άεργος ισχύς ελέγχονται από τη γωνία και το πλάτος του ρεύματος του μετατροπέα. Ωστόσο, ο μετατροπέας προστατεύεται από ψηλές τιμές ρεύματος. Ακόμα, ένα σοβαρό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η ανοσία σε αλλαγές σε διάφορες παραμέτρους του μετατροπέα ή του AC δικτύου. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένας μετατροπέας ελεγχόμενος από ρεύμα στο d-q σύστημα: Σχ. 3.3 Σχηματικό διάγραμμα μετατροπέα πραγματικής/άεργου ισχύος ελεγχόμενου από ρεύμα 59

70 3.3 Δυναμικό μοντέλο μετατροπέα πραγματικής-άεργου ισχύος Έστω ότι ισχύουν: V ˆ sa( t) Vs cos( 0t 0) ˆ 2 Vsb ( t) Vs cos( 0t 0 ) (3.1) 3 ˆ 4 Vsc ( t) Vs cos( 0t 0 ) 3 Όπου το V ˆs είναι το πλάτος της γραμμής του ουδετέρου, 0 είναι η συχνότητα του AC δικτύου και 0 είναι η αρχική φάση της πηγής. Επομένως ο φάσορας για την V s είναι: ˆ j( 0t 0) V () t V e (3.2) s s Η AC πλευρά του μετατροπέα περιγράφεται από τη σχέση: di L ( R ron ) i Vt Vs dt (3.3) Έτσι, αντικαθιστώντας την V s στην (3.3) έχουμε: di j( 0t 0) L ( R ron ) i Vt Vse (3.4) dt j Αντικαθιστώντας το i e j και το V V e στην παραπάνω dq σχέση(σχέση 3.4) έχουμε ότι : d j j j j( 0t 0) L ( idqe ) ( R ron )( idqe ) Vtdqe Vse (3.5) dt Ξαναγράφοντας την (3.5) παίρνουμε : d d j( 0t 0 ) L ( idq ) j( L ) idq ( R ron ) idq Vtdq Vse (3.6) dt dt Και χωρίζοντας πραγματικό και φανταστικό μέρος : did d L ( L ) iq ( R ron ) id Vtd Vs cos( 0t 0 ) (3.7) dt dt diq d L ( L ) id ( R ron ) iq Vtq Vs sin( 0t 0 ) (3.8) dt dt t tdq 60

71 d Αντικαθιστώντας στο σύστημα των εξισώσεων(σχέση 3.8) έχουμε: dt did L L ( t) iq ( R ron ) id Vtd Vs cos( 0t 0 ) dt (3.9) diq L L ( t) id ( R ron ) iq Vtq Vs sin( 0t 0 ) dt (3.10) d () t dt (3.11) Στις παραπάνω εξισώσεις( ) οι i, d i q και ρ είναι οι μεταβλητές κατάστασης, ενώ οι V td, V tq και ω είναι οι είσοδοι ελέγχου. Το παραπάνω σύστημα δεν είναι γραμμικό λόγω των όρων : id, iq,cos( 0t 0 ) και sin( 0t 0 ). Για να ερευνήσουμε λίγο παραπάνω το σύστημα αυτών των εξισώσεων( ) υποθέτουμε ότι το ρ έχει μηδενική αρχική κατάσταση και το ( t) 0, οπότε το ρ παραμένει 0 συνεχώς και άρα : did L ( R r ) ˆ on id Vtd Vs cos( 0t 0) (3.12) dt diq L ( R r ) ˆ on iq Vtq Vs sin( 0t 0) (3.13) dt Οι εξισώσεις (3.12) και (3.13) περιγράφουν δυο ανεξάρτητα συστήματα πρώτης τάξης τα οποία διεγείρονται από τις εισόδους V ˆ cos( ) s 0t 0 και Vˆ s sin( 0t 0 ) αντίστοιχα. Η χρησιμότητα του d-q συστήματος εξαρτάται από τη σωστή επιλογή των ω και ρ. Στην περίπτωση που 0 και () t 0t 0 τότε οι παραπάνω εξισώσεις(3.12 και 3.13) γίνονται : did L L ˆ 0iq ( R ron ) id Vtd Vs (3.14) dt diq L L ˆ 0iq ( R ron ) iq Vtq Vs (3.15) dt οι οποίες περιγράφουν ένα γραμμικό σύστημα δεύτερης τάξης που διεγείρεται από τη σταθερά V ˆs. Ωστόσο, εάν οι V td και V tq είναι DC μεταβλητές το i και το d i q είναι κι αυτά DC μεταβλητές στη μόνιμη κατάσταση. Ο μηχανισμός που δίνει πάντα () t 0t 0 61

72 ονομάζεται PLL(βρόγχος κλειδωμένης φάσης) και συνοψίζεται παρακάτω. 3.4 PLL Αναλύοντας την V s στο d-q σύστημα αναφοράς παίρνουμε ότι: V ˆ cos( ) sd Vs 0t 0 (3.16) V V ˆ sin( t ) (3.17) sq s 0 0 Οπότε οι (3.14) και (3.15) λόγω των (3.16), (3.17) και της () t 0t 0 δίνει: did L L ( t) iq ( R ron ) id Vtd Vsd dt (3.18) diq L L ( t) id ( R ron ) iq Vtq Vsq dt (3.19) Η σχέση () t 0t 0 αντιστοιχεί σε Vsq 0.Επομένως δημιουργούμε έναν μηχανισμό για να ρυθμίσουμε την V στο μηδέν, χρησιμοποιώντας τον παρακάτω νόμο ανάδρασης : ( t) H( p) V ( t) (3.20) sq d(.) Όπου το H(p) είναι μία γραμμική συνάρτηση μεταφοράς και το p dt είναι ένα διαφορικό. Αντικαθιστώντας το V και το ω βγάζουμε την παρακάτω σχέση : d H( p) Vˆ s sin( 0t 0 ) (3.21) dt Αυτή η εξίσωση συνεπώς, η οποία περιγράφει ένα μη γραμμικό δυναμικό σύστημα, ονομάζεται PLL. Η χρησιμότητά του έγκειται στη ρύθμιση του ρ στην τιμή 0t 0. Ωστόσο το PLL μπορεί να παρουσιάσει μη ικανοποιητική συμπεριφορά σε κάποιες περιπτώσεις. Για παράδειγμα, εάν ξεκινάει από την αρχική κατάσταση ρ(0)=0 και ω(0)=0 τότε ο όρος H( p) V ˆ s sin( 0t 0 ) της παραπάνω εξίσωσης έχει μία ημιτονοειδή εξάρτηση από το χρόνο με συχνότητα ω 0.Ακόμα,εάν η H(s) έχει μία χαμηλή απόκριση συχνότητας, το δεξί μέλος της παραπάνω εξίσωσης, συνεπώς και το αριστερό, παρουσιάζει sq sq 62

73 μικρές ημιτονοειδείς διαταραχές γύρω από το μηδέν και το ρ δεν παίρνει ποτέ την τιμή 0t 0.Για να αποτρέψουμε αυτές τις διαταραχές τροποποιούμε τον νόμο ανάδρασης όπως παρακάτω : ( t) H( p) Vsq( t), (0) 0 και min max (3.22) Στην περίπτωση που το PLL πάρει την τιμή 0t 0 ο όρος 0t 0 είναι πολύ κοντά στο μηδέν και sin( 0t 0 ) ( 0t 0 ) οπότε η εξίσωση του PLL απλοποιείται στην παρακάτω : d Vˆ sh( p)( 0t 0 ) dt (3.23) Αυτή η εξίσωση αντιπροσωπεύει ένα κλασσικό βρόγχο ανάδρασης(ο οποίος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα) στον οποίο το 0t 0 είναι η είσοδος αναφοράς, το ρ είναι η έξοδος και το V s H(s) είναι η συνάρτηση μεταφοράς. Σχ. 3.4 Σύστημα ελέγχου του PLL Στο σχήμα 3.5 φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα του PLL : Σχ. 3.5 Σχηματικό διάγραμμα του PLL 63

74 Από αυτό το σχήμα φαίνεται ότι το PLL μετατρέπει την τριφασική abc τάση στο d-q σύστημα αναφοράς και προσαρμόζει την ταχύτητα ω ώστε το V sq να αναγκάζεται να πηγαίνει στο μηδέν στη μόνιμη κατάσταση. Το αποτέλεσμα είναι να ισχύει 0t 0 καιv ˆ sd Vs. Τώρα, όσον αφορά την πραγματική και άεργο ισχύ του μετατροπέα ελεγχόμενου από ρεύμα του προηγούμενου σχήματος έχουμε τις εξισώσεις για την AC πλευρά : 3 Ps ( t) [ Vsd ( t) id ( t) Vsq ( t) iq( t)] (3.24) 2 3 Qs ( t) [ V sd ( t) iq ( t) Vsq ( t) id ( t)] (3.25) 2 Όπου το V sd και το V sq είναι οι συνιστώσες τάσης του d-q συστήματος. Όπως περιγράψαμε παραπάνω, όταν το PLL είναι στη μόνιμη κατάσταση τότε το V είναι μηδέν. Επομένως οι παραπάνω εξισώσεις(3.24 και 3.25) sq γίνονται : 3 Ps ( t) Vsd ( t) id ( t) 2 (3.26) 3 Qs ( t) Vsd ( t) iq ( t) 2 (3.27) Συνεπώς, από τη μορφή των εξισώσεων συμπεραίνουμε ότι η πραγματική και η άεργος ισχύς ελέγχονται από το i d και το i q αντίστοιχα. 2 idref ( t) 3V sd Psref ( t) (3.28) 2 iqref ( t) 3V sd Qsref ( t) (3.29) Τώρα, στην περίπτωση που οι τιμές των ρευμάτων πάνε γρήγορα στην τιμή αναφοράς, δηλαδή id idref και iq iqref τότε Ps Psref και Q Q δηλαδή η πραγματική και άεργος ισχύς μπορούν να ελέγχονται s sref από τις αντίστοιχες τιμές αναφοράς τους. Οπότε, εφόσον η V sd είναι DC μεταβλητή σε μόνιμη κατάσταση τα ρεύματα i dref και i qref είναι επίσης DC μεταβλητές εάν τα P sref και Q sref είναι συνεχή σήματα. Επομένως, ξαναγράφοντας τις εξισώσεις του PLL για μόνιμη κατάσταση(3.18 και 3.19) και ω(t)=ω 0 παίρνουμε : 64

75 did L L 0 iq ( R ron ) id Vtd Vsd dt (3.30) diq L L 0 id ( R ron ) iq Vtq Vsq dt (3.31) όπου : VDC Vtd ( t) md ( t) 2 (3.32) VDC Vtq ( t) mq ( t) 2 (3.33) Οι ( ) εκφράζουν το μοντέλο του μετατροπέα στο d-q σύστημα. Το i d και το i q είναι οι μεταβλητές κατάστασης, οι V td και V tq είναι οι είσοδοι ελέγχου και οι V sd και V sq οι είσοδοι διαταραχής. Λόγω των όρων L 0 η δυναμική των d i q είναι συζευγμένη. Για να την αποσυζεύξουμε ορίζουμε : 2 md ( ud L 0i q Vsd ) VDC (3.34) mq 2 ( uq L 0i d VDC Vsq ), (3.35) όπου το u d και το u q είναι δυο καινούριες είσοδοι ελέγχου. Άρα οι εξισώσεις (3.30) και (3.31) παίρνουν την παρακάτω μορφή : did L ( R ron ) id ud dt (3.36) diq L ( R ron ) iq uq dt (3.37) Αυτές οι εξισώσεις περιγράφουν δύο αποσυζευγμένα γραμμικά συστήματα. Παρατηρούμε πως το i d και το i q ελέγχονται από το u d και το u q αντίστοιχα. Στο σχήμα 3.6 της επόμενης σελίδας φαίνεται ο d και ο q άξονας του μετατροπέα ελεγχόμενου από ρεύμα όπου τα u d και uq είναι οι έξοδοι των εσωτερικών βρόγχων. 65

76 Σχ. 3.6 Σύστημα ενός μετατροπέα ελεγχόμενου από ρεύμα Στον d-άξονα ο βρόγχος έχει σαν είσοδο ed idref id και έξοδο u d. Στη συνέχεια, σύμφωνα με τις προηγούμενες εξισώσεις παίρνουμε m d. Με παρόμοιο τρόπο από τον q-άξονα βγαίνει το m. Έπειτα, μετά από έναν πολλαπλασιασμό των m d και q VDC m q με το παίρνουμε τα V td και V tq τα 2 i και i q.έτσι, καταλήγουμε σε ένα πιο οποία ελέγχουν τα ρεύματα d απλουστευμένο διάγραμμα του μετατροπέα που φαίνεται παρακάτω (Σχ. 3.7) : 66

77 Σχ. 3.7 απλοποιημένο διάγραμμα του μετατροπέα του Σχ. 3.6 Παρατηρούμε πως το kd () s μπορεί να είναι ένας απλός PI ελεγκτής, τέτοιος ώστε : k ps ki kd () s, (3.38) s όπου τα k p και k i είναι το αναλογικό και ολοκληρωτικό κέρδος αντίστοιχα. Οπότε, το κέρδος βρόγχου είναι : k p s ki / k p ls ( ) ( ). (3.39) Ls s ( R ron) / L Να επισημάνουμε πως λόγω του πόλου στο σημείο s ( R ron) / L το πλάτος και η φάση του κέρδους βρόγχου ξεκινάει να πέφτει από μία σχετικά χαμηλή συχνότητα. Ωστόσο, ο πόλος ακυρώνεται από το μηδενικό στο σημείο s ki / k p και το κέρδος βρόγχου παίρνει τη μορφή ls ( ) ( ). Ls Οπότε, η συνάρτηση μεταφοράς του κλειστού βρόγχου l( s) / [1 l( s)] Id ( s) 1 γίνεται : Gi () s I ( s) s 1 με : k / p L i και ki ( R r on) / i dref i Όπου i είναι η σταθερά χρόνου του κλειστού συστήματος. Από την παραπάνω ανάλυση παρατηρούμε ότι εάν επιλέξουμε κατ αυτό τον τρόπο τα k p και k i η αντίδραση του i στη μεταβολή του d i dref είναι μια k p 67

78 συνάρτηση μεταφοράς πρώτης τάξης στην οποία η σταθερά χρόνου επιλέγεται από εμάς. Για τον μετατροπέα που ελέγχεται από ρεύμα, πρέπει να επισημάνουμε ότι για την τάση στην DC πλευρά του μετατροπέα πρέπει να ισχύει: V 2Vˆ. DC t Τώρα, για να βρούμε την V t (για την χειρότερη κατάσταση λειτουργίας) χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις του PLL για την μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, θεωρώντας Vsq 0 και ( R r on ) 0 και έχουμε: did Vtd L L 0i q Vsd (3.40) dt diq Vtq L L 0i d (3.41) dt Αντικαθιστούμε το i και το d i q από τις σχέσεις που εμπλέκουν την πραγματική και άεργο ισχύ(3.28 και 3.29) και παίρνουμε: 2L dps 2L 0 Vtd ( ) ( ) Qs Vsd (3.42) 3V sd dt 3V sd 2L dqs 2L 0 Vtq ( ) ( ) Ps, (3.43) 3V sd dt 3V sd θεωρώντας ότι η V sd είναι σταθερά. 3.5 Εφαρμογή στο παρόν μοντέλο Στην παρούσα διπλωματική εργασία, θα παρουσιάσουμε την εφαρμογή των θεωρητικών εξισώσεων σε ένα μοντέλο με τη βοήθεια του προγράμματος matlab/simulink.εξομοιώνουμε έναν μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου για να ρυθμίσουμε την DC τάση. Αυτό το μοντέλο αποτελείται από δύο PI ελεγκτές συνδεδεμένους διαδοχικά. Ο εσωτερικός PI ελεγκτής, ο οποίος είναι πιο γρήγορος και παίρνει την αναφορά του από τους εξωτερικούς έχει τις παρακάτω εξισώσεις: t ref ref d Id d d pd d d 0 u k ( I I ) d k ( I I ) και (3.44) 68

79 t ref ref q Iq q q pq q q 0 u k ( I I ) d k ( I I ) (3.45) όπου τα k Id, k Iq και k pd ref αντίστοιχα. Τα I d και σύμφωνα με τις : t ref ref ref d IV m m PV m m 0, k pq είναι τα ολοκληρωτικά και αναλογικά κέρδη ref I q δίνονται από δύο εξωτερικούς PI ελεγκτές I k ( U U ) d k ( U U ) (3.46) t ref ref ref q IC dc dc PC dc dc 0 I k ( V V ) d k ( V V ) (3.47) όπου τα κέρδη kiv kid /3 και kpv kpd /3.Επίσης, η τάση U m υπολογίζεται εφόσον υπολογίσουμε τις τιμές των U md και U mq θεωρώντας ότι η γραμμή χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη με την μισή αντίσταση και επαγωγή σε καθένα από αυτά, δηλαδή: R L L did Umd Id Ud s Iq dt (3.48) R L L diq Umq Iq Uq s Id και dt (3.49) U U U (3.50) 2 2 m md mq Ακόμα, θεωρούμε ron 0,δηλαδή θεωρούμε ότι τα διακοπτικά στοιχεία έχουν αντίσταση μηδέν. Τέλος, χρησιμοποιούμε τις παρακάτω εξισώσεις για την ισχύ: Ισχύς στην dc πλευρά : P V I (3.51) dc dc s Ισχύς στην έξοδο του μετατροπέα : 69

80 3 Pconv ( Vd Id VqI q ) 2 (3.52) Ισχύς στην πλευρά του δικτύου : 3 P ( UdId UqIq ) 2 (3.53) 3 Q ( UqId UdIq ) 2 (3.54) 70

81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΔΟΜΕΣ ΓΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΛΕΥΡΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΓΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ 4.1 Διασύνδεση Ανεμογεννητριών με το δίκτυο Η διασύνδεση μιας ανεμογεννήτριας (ΑΓ) με το δίκτυο είναι ένα «ευαίσθητο» θέμα. Στην πράξη, οι αστάθειες τάσης των ΑΓ μεγάλης ισχύος ή των αιολικών πάρκων μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στη γραμμή μεταφοράς, η οποία είναι σχεδιασμένη για σταθερή ισχύ και στην ευστάθεια του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ).Αυτό το γεγονός είναι που δημιουργεί αμφιβολίες σχετικά με την αυξανόμενη διείσδυση της αιολικής ενέργειας στα ΣΗΕ. Ωστόσο, εάν ο αιολικός ενεργειακός σταθμός, είτε μεγάλη ΑΓ είτε αιολικό πάρκο, συμπεριφερόταν σαν μια κλασσική πηγή ισχύος αφήνοντας το περιθώριο να επιλέγουμε το ποσό της ισχύος που εισάγουμε καθώς και τη χρονική στιγμή που το εισάγουμε το βασικό αυτό πρόβλημα θα έπαυε να υπάρχει. Η χρησιμοποίηση της πρόγνωσης του καιρού βοηθά πολύ τη διαχείρηση του ενεργειακού σταθμού αλλά δεν είναι αρκετή για να κάνει τον αιολικό ενεργειακό σταθμό να συμπεριφερθεί όπως ένας κανονικός ενεργειακός σταθμός. Μία πιθανή λύση στο συγκεκριμένο πρόβλημα θα ήταν εάν μπορούσαμε να αποθηκεύσουμε την ενέργεια με ικανοποιητικό τρόπο. Απ την άλλη μεριά, η αυξημένη χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών ισχύος, ιδιαίτερα στην πλευρά του δικτύου, ελαττώνει αισθητά το πρόβλημα επιτρέποντας στον αιολικό ενεργειακό σταθμό να συμπεριφέρεται όπως ένας κανονικός ενεργειακός σταθμός. Θα ασχοληθούμε περισσότερο με συστήματα μετατροπέων που χρησιμοποιούνται στις ΑΓ. Χωρίζονται σε μειωμένης ισχύος και αυξημένης ισχύος. Στην πράξη, για να μπορέσουμε να διαχειριστούμε με επιτυχία την υψηλή ισχύ είτε χρησιμοποιούμε τοπολογίες μετατροπέων υψηλής ισχύος είτε περισσότερες μέσης ισχύος συνδεδεμένες σε σειρά ή παράλληλα. 4.2 Διαμόρφωση ισχύος στις Ανεμογεννήτριες Η βασική διαμόρφωση ισχύος στις ΑΓ αποτελείται από δύο μέρη : ένα μηχανικό και ένα ηλεκτρικό μέρος. Παρατηρώντας το σχήμα που δείχνει την μετατροπή ισχύος στην ΑΓ συμπεραίνουμε πως το πρώτο υποσύστημα παίρνει την κινητική ενέργεια από τον άνεμο και τη διαθέτει σε έναν ρότορα που κινείται. Το δεύτερο υποσύστημα είναι υπεύθυνο για την μετατροπή της ενέργειας σε ηλεκτρική, καθιστώντας την κατάλληλη για το δίκτυο. Τα δύο υποσυστήματα συνδέονται με μια γεννήτρια, η οποία 71

82 μετατρέπει την μηχανική ενέργεια του πρώτου υποσυστήματος στην ηλεκτρική του δεύτερου υποσυστήματος. Σχ. 4.1 Βασική διαμόρφωση ισχύος Με βάση αυτή την περιγραφή που δώσαμε παραπάνω, θα μπορούσε κανείς να πει πως υπάρχουν τρία στάδια κατά τη μετατροπή της αιολικής ενέργειας: - το πρώτο είναι μηχανικό και ρυθμίζει το βήμα πτερυγίων, την εκτροπή του άξονα της ΑΓ και την ταχύτητα του άξονα του κινητήρα - το δεύτερο είναι ηλεκτρομηχανικό και μπορεί να αποτελείται από ζεύγη πόλων, αντιστάσεις δρομέα κοκ και έναν μετατροπέα ισχύος ο οποίος προσαρμόζει την ταχύτητα και τη ροπή του άξονα του κινητήρα και τις κυματομορφές τάσης/έντασης της γεννήτριας. - το τρίτο είναι ηλεκτρικό και προσαρμόζει τις κυματομορφές του ρεύματος δικτύου. 4.3 Γεννήτρια Επαγωγής Διπλής Τροφοδοσίας(DFIG) Το βασικό βήμα που μας επέτρεψε να ελέγχουμε την ισχύ σε μια ΑΓ ήταν με την γεννήτρια επαγωγής διπλής τροφοδοσίας(dfig). Σε αυτή την περίπτωση ο στάτης είναι απευθείας συνδεδεμένος με το δίκτυο ενώ τα τυλίγματα του δρομέα είναι συνδεδεμένα διαμέσου δαχτυλιδιών ολίσθησης με έναν μετατροπέα. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απαραίτητο και η ρύθμιση της ταχύτητας μέσω του ρότορα χρησιμοποιείται για τη μεγιστοποίηση της ισχύς που παίρνουμε από τον άνεμο. Με αυτή την σύνδεση μπορούμε να κάνουμε αλλαγές στο δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα, επεμβαίνοντας σε έναν back-to-back* μετατροπέα μπορούμε να αλλάξουμε την πραγματική και άεργο ισχύ που εγχέονται στο δίκτυο. Ο στάτης είναι απευθείας συνδεδεμένος στο δίκτυο. Αυτό σημαίνει πως κατά τη διάρκεια μιας διατάραξης στο δίκτυο, υψηλά ρεύματα δημιουργούνται από την DFIG και αυτό βοηθάει τα κυκλώματα προστασίας 72

83 να βρουν την πηγή της διατάραξης λόγω του επακόλουθου υπερρεύματος. Απ την άλλη, αυτό μπορεί να μειώσει τη δυνατότητα της DFIG γεννήτριας να μένει συνδεδεμένη με το δίκτυο και να μειώσει την έγχυση ισχύος, επαναφέροντας έτσι ισορροπία στο δίκτυο, εκτός κι αν υπάρχει ένα σύστημα προστασίας από υπερτάσεις. Στο σχήμα 4.2 φαίνεται μία τέτοια γεννήτρια. Σχ. 4.2 Γεννήτρια επαγωγής διπλής τροφοδοσίας(dfig) *Ο back-to-back μετατροπέας αποτελείται από δυο μετατροπείς, έναν μετατροπέα στην πλευρά της μηχανής (machine side) και έναν μετατροπέα στην πλευρά του δικτύου (grid side), οι οποίοι συνδέονται «πλάτη με πλάτη» (back-to-back). 73

84 4.4 Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Δρομέα Μια άλλη βελτίωση της συμπεριφοράς της ΑΓ επιτυγχάνεται(σχ. 4.3) αν χρησιμοποιήσουμε γεννήτρια επαγωγής βραχυκυκλωμένου δρομέα και έναν back-to-back μετατροπέα ισχύος. Ο μετατροπέας συνδέεται μόνο σε: - μεσαίες και χαμηλές τιμές της ισχύς όπου ο μετατροπέας χρησιμοποιείται για βελτιστοποίηση της μεταφοράς της ισχύς(sw 2 και SW 3 κλειστα,sw 1 ανοιχτοκύκλωμα) - μέγιστη ισχύ μόνο ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου είναι συνδεδεμένος για αντιστάθμιση αρμονικών και άεργου ισχύς(sw 1 και SW 3 Κλειστά,SW 2 ανοιχτοκύκλωμα) Σχ. 4.3 Γεννήτρια επαγωγής με back-to-back σύνδεση για αντιστάθμιση άεργου ισχύος Εάν χρησιμοποιήσουμε έναν μετατροπέα back-to-back μέγιστης ισχύος θα έχουμε μια επαγωγική γεννήτρια αποκομμένη από το δίκτυο και συνεπώς αυτό το σύστημα μπορεί να συμβάλλει ενεργά στην αντιμετώπιση των διαταράξεων του δικτύου και στην επαναφορά στην κατάσταση λειτουργίας πριν την διατάραξη. Ωστόσο, αυτό το κύκλωμα δεν συμβάλλει στην ισχύ βραχυκύκλωσης επειδή ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου περιορίζει το ρεύμα βραχυκυκλώσεως. Αυτό το σύστημα μπορεί να είναι σε κατάσταση stand-by και να λειτουργεί πχ σε ένα νησί. Ωστόσο, το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απαραίτητο και ο μετατροπέας ισχύος λειτουργεί σε πλήρη κλίμακα. Ένα παρόμοιο σύστημα(σχ. 4.4) μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας μία σύγχρονη γεννήτρια μη συγχρονισμένη με το δίκτυο. Αυτό το σύστημα ονομάζεται σύγχρονο αφού η συχνότητα είναι σε συγχρονισμό με την περιστροφή του δρομέα. Ωστόσο, επειδή η συχνότητα 74

85 δεν είναι συγχρονισμένη με τη συχνότητα του δικτύου είναι αναγκαία η χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών ισχύος. Σχ. 4.4 Μετατροπέας back-to-back με σύγχρονη γεννήτρια 4.5 Τοπολογίες μετατροπέων ισχύος στην πλευρά του δικτύου Υπάρχουν πολλές απαιτήσεις όσον αφορά τις τοπολογίες μετατροπέων στις ΑΓ, κάποιες εκ των οποίων είναι η αξιοπιστία, η ελάχιστη συντήρηση, το όσο το δυνατόν μικρότερες διαστάσεις και μικρές απώλειες ισχύος. Η AC/AC μετατροπή μπορεί να είναι άμεση η έμμεση. Στην έμμεση υπάρχει ένα DC link που συνδέει τους δύο μετατροπείς(ac/dc,dc/ac).το πλεονέκτημα της έμμεσης είναι η αποσύζευξη μεταξύ του δικτύου και της γεννήτριας, ενώ το βασικό μειονέκτημα είναι η αναγκαιότητα για μαζική αποθήκευση ενέργειας στο DC link.συμπερασματικά, η έμμεση μετατροπή υπερέχει της άμεσης στις χαμηλές τάσεις και λόγω του ότι προσφέρει μία αδράνεια στην μεταφορά ισχύος από τη γεννήτρια στο δίκτυο. Τώρα, όσον αφορά την άμεση μετατροπή, το βασικό πλεονέκτημα έγκειται στο ότι είναι μετατροπή ισχύος ενός σταδίου(και φυσικά χωρίς την ενδιάμεση αποθήκευση ενέργειας).ακόμα, άλλα πλεονεκτήματα είναι ότι το θερμικό φορτίο των συσκευών ισχύος είναι καλύτερο, υπάρχουν λιγότερες απώλειες και καλύτερη αρμονική απόδοση στην πλευρά της γεννήτριας. Τα μειονεκτήματα ωστόσο είναι πολλά : υπάρχουν μεγαλύτερες απώλειες και πιο σύνθετος έλεγχος, ο σχεδιασμός του φίλτρου στη πλευρά του δικτύου είναι μία πιο σύνθετη διαδικασία και δεν υπάρχει ένας ενιαίος λόγος μεταφοράς τάσης. 75

86 4.6 Έλεγχος Ανεμογεννήτριας Η ισχύς πρέπει να ελέγχεται μέσω του αεροδυναμικού συστήματος και πρέπει να αντιδρά βάση ενός δεδομένου σημείου με σκοπό να μεγιστοποιείται η παραγωγή ισχύος για κάθε τιμή της αιολικής ενέργειας που είναι διαθέσιμη. Τα δύο υποσυστήματα(ηλεκτρικό και μηχανικό) χαρακτηρίζονται από διαφορετικούς σκοπούς ελέγχου αλλά συνεισφέρουν στον ίδιο σκοπό : τον έλεγχο της ισχύος που διατίθεται στο δίκτυο. Το ηλεκτρικό υποσύστημα είναι υπεύθυνο για την διασύνδεση με το δίκτυο και τον έλεγχο της ενεργού και άεργου ισχύος, καθώς επίσης και για την προστασία από υπερφόρτωση. Το μηχανικό υποσύστημα είναι υπεύθυνο για τον περιορισμό της ισχύος(έλεγχος μεταβολής της κλίσης των πτερυγίων), για τη μεγιστοποίηση της σύλληψης ενέργειας, για τον περιορισμό της ταχύτητας και την μείωση του θορύβου. Το σύστημα ελέγχου ισχύος πρέπει να μπορεί να μειώσει την ισχύ με μηχανικά και ηλεκτρικά «φρένα».το γενικό σύστημα του ελέγχου φαίνεται στο σχήμα 4.5. Όταν λειτουργεί κάτω από τη μέγιστη παραγωγή ισχύος η ΑΓ μεταβάλλει την ταχύτητα ανάλογα και με την ταχύτητα του ανέμου για να κρατήσει τη γωνία βήματος πτερυγίων σταθερή. Ένας ελεγκτής της γωνίας βήματος πτερυγίων περιορίζει την ισχύ όταν η ΑΓ φτάσει την ονομαστική ισχύ. Το σύστημα ελέγχου της πλευράς της γεννήτριας είναι υπεύθυνο για να επωφεληθεί από την μέγιστη ισχύ του ανέμου. Το σύστημα ελέγχου της πλευράς του δικτύου κρατάει την τιμή της τάσης του DC-link σταθερή. Χρησιμοποιούνται βρόγχοι ρεύματος και τάσης και στους δύο μετατροπείς. Σχ. 4.5 Δομή ελέγχου ανεμογεννήτριας 76

87 4.6.1 Σύστημα ελέγχου στην πλευρά της γεννήτριας Ο έλεγχος της γεννήτριας γίνεται με βάση το βασικό στόχο : να μεγιστοποιήσει την ισχύ που παίρνουμε από τον άνεμο και να περιορίσει το «φρένο» ισχύος της ΑΓ. Με βάση λοιπόν αυτούς τους δύο στόχους παίρνουμε τη βέλτιστη ταχύτητα. Υπάρχουν κάποιοι διαφορετικοί ελεγκτές ανάλογα με τη γεννήτρια: Ι) η γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού με έναν πλήρους κλίμακας backto-back μετατροπέα(σχ. 4.6), η οποία συνήθως επιλεγόταν για χαμηλές τιμές της ισχύος και για αυτόνομα συστήματα, ωστόσο τελευταία χρησιμοποιείται και για ΑΓ υψηλής ισχύος. Ακόμα, αυτή η γεννήτρια χρησιμοποιείται σε ήπιους ανέμους, μετατρέποντας την σταθερή ταχύτητα σε μεταβαλλόμενη ταχύτητα με έναν back-to-back μετατροπέα μειωμένης ισχύος, έτσι ώστε να βελτιστοποιήσουμε την μεταφορά ισχύος και όταν χρειάζεται να αντισταθμίσουμε την άεργο ισχύ. Σχ. 4.6 Γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού με έναν πλήρους κλίμακας back-to-back μετατροπέα ΙΙ) σύγχρονη γεννήτρια. Η πιο συνηθισμένη ΑΓ με σύγχρονη γεννήτρια περιλαμβάνει έναν παθητικό ανορθωτή και έναν μετατροπέα επαναφοράς(boost converter) για να αυξήσουμε την τάση σε χαμηλή ταχύτητα(σχ. 4.7). Η γεννήτρια ελέγχεται από το ρεύμα ελέγχου του μετατροπέα επαναφοράς αλλά έτσι δεν μπορούμε να ελέγξουμε τις αρμονικές και την φάση του ρεύματος σε σχέση με την Η.Ε.Δ της γεννήτριας. Συνήθως χρησιμοποιούμε φίλτρα για να αποκόψουμε την 5 η και 7 η αρμονική. 77

88 Σχ. 4.7 Σύγχρονη γεννήτρια με back-to-back μετατροπέα ΙΙΙ) γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Σε αυτή την γεννήτρια χρησιμοποιούμε τον έλεγχο ολίσθησης προσπαθώντας να μεγιστοποιήσουμε την απόσπαση ισχύος και να ελαχιστοποιήσουμε τις μηχανικές καταπονήσεις. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για να μεταβάλλουμε την ταχύτητα της γεννήτριας «πειράζοντας» την αντίσταση του δρομέα. Η οποιαδήποτε μεταβολή στην αντίσταση του δρομέα αφήνει αναλλοίωτη την σύγχρονη ταχύτητα. Αυτή η μέθοδος λειτουργεί πιο κάτω από την ονομαστική ισχύ, η γεννήτρια φέρεται σαν μία συμβατική μηχανή επαγωγής και πιο πάνω από την ονομαστική ισχύ, ενώ οι αντιστάτες σε σειρά με τον δρομέα προσαρμόζονται έτσι ώστε να κρατήσουν την ισχύ στην ονομαστική τιμή. Προφανώς, χρησιμοποιώντας επιπλέον αντιστάτες σε σειρά με τον δρομέα αυξάνουν τις απώλειες ισχύος ανάλογα με την ταχύτητα ολίσθησης. Η γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας, εξοπλισμένη με μετατροπείς ισχύος ελεγχόμενους από τάση η οποία συνδέεται στην πλευρά του δικτύου και στην πλευρά του δρομέα, που φαίνεται στο σχήμα 4.8 είναι μία από τις πιο συνηθισμένες επιλογές στα συστήματα ΑΓ.Ο έλεγχος της ΑΓ είναι τέτοιος ώστε κάτω από τη μέγιστη ισχύ η ΑΓ μεταβάλλει την ταχύτητα ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου και κρατάει την γωνία βήματος πτερυγίων σταθερή. Στην περίπτωση ασθενών ανέμων η ταχύτητα της ΑΓ σταθεροποιείται στην μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή ώστε να μην έχουμε υπερτάσεις. Ένας ελεγκτής της γωνίας βήματος πτερυγίου είναι υπεύθυνος για τον περιορισμό της ισχύος όταν η ΑΓ φτάσει την ονομαστική ισχύ. 78

89 Σχ. 4.8 γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας Σύστημα ελέγχου στην πλευρά του δικτύου Στις περισσότερες περιπτώσεις ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου είναι ένας μετατροπέας τάσης που ελέγχει την μεταφορά ενεργού και άεργου ισχύος μεταβάλλοντας το πλάτος και την φάση της παραγόμενης τάσης, όπως αναφέραμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο. 79

90 80

91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΕ ΜΕΓΕΘΗ-ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΕΙΩΣΗΣ-ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε την προσομοίωση που πραγματοποιήσαμε. Ασχοληθήκαμε με πέντε(ι-v) διαφορετικές περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση(ι) βάλαμε βηματικές αλλαγές στο I,δηλαδή την πηγή ρεύματος της dc πλευράς του μετατροπέα. Φυσικά, s ref μηδενίζουμε την τιμή αναφοράς του d-άξονα, δηλαδή Id 0. Στην δεύτερη περίπτωση(ii), το I παρουσιάζει ημιτονοειδή μεταβολή γύρω από την s ref ονομαστική του τιμή. Και εδώ Id 0. Στην τρίτη περίπτωση (ΙΙΙ) εισάγουμε και έναν επιπλέον θόρυβο στο I s. Στην τέταρτη περίπτωση(iv) κρατάμε σταθερό το I s στην τιμή αναφοράς του και βυθίζουμε την τάση σε διάφορες τιμές. Τέλος, στην πέμπτη περίπτωση(v), συνδυάζουμε τις δύο παραπάνω περιπτώσεις. 5.1 Μοντέλο σε matlab/simulink Στην επόμενη σελίδα φαίνεται το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε για την προσομοίωση μας(σχ. 5.1), του οποίου τις εξισώσεις αναφέραμε στο κεφάλαιο 3. Το μοντέλο που φαίνεται στο σχήμα 5.1 τροποποιείται λίγο σε κάθε περίπτωση, για παράδειγμα στις 3 πρώτες περιπτώσεις δεν υπάρχει ο ref εξωτερικός ελεγκτής στον άξονα d, εφόσον θέτουμε I 0. d 81

92 Σχ. 5.1 Μοντέλο προσομοίωσης στο πρόγραμμα simulink 82

93 5.2 Παράμετροι μοντέλου Στη συνέχεια, παραθέτουμε τις παραμέτρους που χρησιμοποιήσαμε για την εξομοίωση στο simulink όπως επίσης τις τιμές των κερδών των ελεγκτών που βγαίνουν από τους τύπους του κεφαλαίου 3, καθώς επίσης και τις τιμές αναφοράς μας για την άεργο ισχύ και την τάση. Ακόμα, να προσθέσουμε πως χρησιμοποιήσαμε σαν σταθερά χρόνου την 0.01sec. i s 2*50* C 0.01 R 0.04 L U q U d 0 I 35 s Πίνακας 5.1 Παράμετροι μοντέλου k R / 0.01 id k L / 0.01 pq k R / 0.01 iq k L / 0.01 pq k 50 Ic k 25 Pc Πίνακας 5.2 Κέρδη ελεγκτών ref Q 0 V 1200 ref dc Πίνακας 5.3 Τιμές αναφοράς 83

94 I s (A) 5.3 Προσομοίωση και Γραφικές Παραστάσεις-Σχόλια Για κάθε μία από τις παραπάνω (Ι-V)περιπτώσεις ελέγχουμε την επίδραση της κάθε αλλαγής στα διάφορα μεγέθη Id, IqVdc, Umd, Umq, Um, P, Q. Περίπτωση Ι: Βηματικές αλλαγές στο I s ref Θέτουμε Id 0 και συνδέουμε στο I s έναν timer. Οι αλλαγές του I s φαίνονται στο σχήμα 5.2: t (sec) Σχ. 5.2 Εξάρτηση του I s συναρτήσει του χρόνου Δηλαδή το I s παίρνει την τιμή 35 Α για τα πρώτα 10 sec της προσομοίωσης, η οποία είναι και η ονομαστική του τιμή, την τιμή 10 Α για 84

95 I d (V) τα επόμενα 10 και την τιμή -20 Α για 20<t<30 sec. Να σχολιάσουμε εδώ πως το I s είναι η πηγή συνεχούς ρεύματος με ονομαστική τιμή λειτουργίας τα 35 Α. Έτσι λοιπόν, η επίδραση των αλλαγών του I s στο Id δείχνεται στο παρακάτω σχήμα(σχ. 5.3). Παρατηρούμε πως το ρεύμα στον d-άξονα πρακτικά είναι μηδέν, όπως και επιθυμούσαμε t (sec) Σχ. 5.3 Εξάρτηση του I d συναρτήσει του χρόνου Το ρεύμα στον q-άξονα φαίνεται στη συνέχεια στο σχήμα 5.4. Παρατηρούμε από το σχήμα 5.4 πως το I ξεκινάει απ την τιμή 28,3 περίπου και σε κάθε πτώση της πηγής συνεχούς ρεύματος I s πέφτει όπως φαίνεται στο σχήμα. Στην πρώτη πτώση του I s το ρεύμα I q πέφτει στην τιμή 9 Α περίπου, ενώ στην επόμενη μεταβολή του I s, το Iq πάει στην τιμή -18 Α. q 85

96 I q (A) t (sec) Σχ. 5.4 Εξάρτηση του I q από το χρόνο Στη συνέχεια, στο σχήμα 5.5 φαίνεται η επίδραση στην τάση V dc λόγω της πτώσης του I s. Η V dc είναι η συνεχής τάση στην dc μεριά του μετατροπέα. Παρατηρούμε ότι η V dc, η οποία έχει σε ονομαστική λειτουργία τιμή V, πρακτικά δεν επηρεάζεται από τις μεταβολές του I s.παρουσιάζει μία μικρή μεταβολή(της τάξης του 1-2 V), η οποία είναι αμελητέα σε σχέση με τα 1200 V που είναι η ονομαστική τιμή της. 86

97 Vdc (V) t (sec) Σχ. 5.5 Εξάρτηση της V dc από το χρόνο της Τα επόμενα σχήματα(σχ.5.6-σχ.5.8) δείχνουν την μεταβολή της U mq και τέλος της U m συναρτήσει του χρόνου. U md, 87

98 Umd (V) t (sec) Σχ. 5.6 Εξάρτηση της U md από το χρόνο Η τάση U md, δηλαδή η τάση του d-άξονα στο μέσο της γραμμής ξεκινάει απ την τιμή 22 V, ενώ σε κάθε πτώση του ρεύματος της dc πλευράς του μετατροπέα πέφτει και η τιμή της, με τον τρόπο που φαίνεται στο σχήμα

99 Umq (V) t (sec) Σχ. 5.7 Εξάρτηση της U mq από το χρόνο Στο σχήμα 5.7 φαίνεται η εξάρτηση της U mq από το χρόνο. Παρατηρούμε πως η U πρακτικά δεν επηρεάζεται από την πτώση του ρεύματος στη dc mq μεριά του μετατροπέα. Παρατηρούμε ωστόσο, ότι τις χρονικές στιγμές που γίνεται η πτώση του ρεύματος παρουσιάζονται κάποιες υπερυψώσεις της τάσης U. mq 89

100 Um (V) t (sec) Σχ. 5.8 Εξάρτηση της U m από το χρόνο Παρατηρούμε πως η U m παραμένει πρακτικά ανεπηρέαστη από τις αλλαγές στο I s, αν και η U md επηρεάζεται από αυτές τις μεταβολές, ωστόσο η τιμή της Umq παίζει πολύ μεγαλύτερο ρόλο στην τιμή της U m αφού είναι πολύ μεγαλύτερη συγκριτικά με την U md (σχέσεις ) Στη συνέχεια(σχήματα 5.9 και 5.10) φαίνονται η πραγματική και η άεργος ισχύς αντίστοιχα στην πλευρά του δικτύου συναρτήσει του χρόνου. 90

101 P (W) 8 x t (sec) Σχ. 5.9 Εξάρτηση της P από το χρόνο Βλέπουμε πως η πραγματική ισχύς μειώνεται με τη μείωση του I s ενώ αλλάζει πρόσημο όταν αλλάζει και το I s.στην κανονική λειτουργία, η τιμή της ισχύος είναι 42 kw, ενώ πέφτει κάτω από 20 kw στην πτώση του ρεύματος I s.επίσης, όταν το I s αλλάζει πρόσημο τότε και η ισχύς γίνεται αρνητική. Δηλαδή αλλάζει η ροή ισχύος στο κύκλωμά μας. Θετικό πρόσημο της P σημαίνει πως έχουμε ροή ισχύος από την dc μεριά προς την ac πλευρά του μετατροπέα. Αρνητικό πρόσημο σημαίνει το ακριβώς αντίθετο. 91

102 Q (Var) t (sec) Σχ Εξάρτηση της Q από το χρόνο Από το σχήμα 5.10 παρατηρούμε πως η άεργος ισχύς παραμένει αναλλοίωτη και ίση με το μηδέν καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσής μας. Περίπτωση ΙΙ: Ημιτονοειδής μεταβολή γύρω από την τιμή I 35A s ref Θέτουμε Id 0 και τώρα θεωρούμε μια ημιτονοειδή μεταβολή γύρω από την τιμή 35 Α(ονομαστική τιμή λειτουργίας του I s ) με πλάτος 5 Α και συχνότητα 5 Hz. Η εξάρτηση του I s με το χρόνο φαίνεται στο σχήμα

103 I s + 5sin(10pi*t) t (sec) Σχ Εξάρτηση του I s συναρτήσει του χρόνου Για το I d παίρνουμε σε αυτή την περίπτωση την γραφική παράσταση που ακολουθεί στο σχήμα Ενώ στο σχήμα 5.13 φαίνεται η εξάρτηση του I σαν συνάρτηση του χρόνου. q 93

104 I d (A) t (sec) Σχ Εξάρτηση του I d συναρτήσει του χρόνου Βλέπουμε πως το I d πρακτικά παραμένει μηδέν, όπως και επιθυμούμε. Στην επόμενη γραφική παράσταση φαίνεται η μεταβολή στο I q λόγω της μεταβολής του I s. 94

105 I q (A) t (sec) Σχ Εξάρτηση του I q συναρτήσει του χρόνου Παρατηρούμε ότι το I q παρουσιάζει μία ημιτονοειδή μεταβολή γύρω από την τιμή 28 Α με πλάτος περίπου 4 Α και συχνότητα ίδια με το ρεύμα στην dc μεριά του μετατροπέα. Στη συνέχεια(σχ. 5.14) βλέπουμε τη μεταβολή στην V dc σαν συνάρτηση του χρόνου. 95

106 V dc (V) t (sec) Σχ Εξάρτηση της V dc συναρτήσει του χρόνου Από το παραπάνω σχήμα παρατηρούμε ότι η V dc παρουσιάζει μία πολύ μικρή περιορισμένη ημιτονοειδή ταλάντωση γύρω από την τιμή ονομαστικής λειτουργίας της. Ύστερα, παραθέτουμε τις τρεις γραφικές παραστάσεις των U md, U mq και U m στα σχήματα 5.15, 5.16 και 5.17 αντίστοιχα. 96

107 U md (V) t (sec) Σχ Εξάρτηση της U md συναρτήσει του χρόνου Από το παραπάνω σχήμα, βλέπουμε πως η U md παρουσιάζει ημιτονοειδή ταλάντωση γύρω από το σημείο 22,5 V με πλάτος ταλάντωσης περίπου 3 V. 97

108 U mq (V) t (sec) Σχ Εξάρτηση της U mq συναρτήσει του χρόνου Από το σχήμα 5.16 βλέπουμε πως η ημιτονοειδής διέγερση του I s υπεισέρχεται στην τιμή της U, η οποία ταλαντώνεται γύρω από την τιμή V με πλάτος της τάξης των 0,3V. mq 98

109 U m (V) t (sec) Σχ Εξάρτηση της U m συναρτήσει του χρόνου Η U m παρουσιάζει ημιτονοειδή ταλάντωση συναρτήσει του χρόνου γύρω από την τιμή V(η οποία είναι και η ονομαστική τιμή λειτουργίας) με πλάτος 0.3 V.Παρατηρούμε ότι πάλι κυρίαρχο ρόλο παίζει το U mq στην τιμή του U m. Έπειτα, φαίνονται οι γραφικές παραστάσεις των P,Q ως προς το χρόνο στα σχήματα 5.18 και 5.19 αντίστοιχα. 99

110 P (W) 5 x t (sec) Σχ Εξάρτηση της P συναρτήσει του χρόνου Από το σχήμα 5.19 βλέπουμε πως η μεταβολή της πραγματικής ισχύος είναι ημιτονοειδής γύρω από την τιμή 42 kw με πλάτος 6 kw. 100

111 Q (Var) t (sec) Σχ Εξάρτηση της Q συναρτήσει του χρόνου Η άεργος ισχύς δεν επηρεάζεται από τη μεταβολή στο I s και παραμένει μηδέν. Περίπτωση III: Ημιτονοειδής μεταβολή του I s γύρω από την τιμή 35 Α και εισάγεται και ένας θόρυβος. Στο προηγούμενο μοντέλο μας λοιπόν προσθέτουμε έναν θόρυβο gauss στην τιμή του I s. Ο θόρυβος έχει τα παρακάτω στοιχεία: Μέση τιμή μηδέν Διακύμανση 0,1 και Χρόνο δείγματος 0,5 sec 101

112 Σχ παράμετροι θορύβου Oπότε το I s παίρνει την μορφή που φαίνεται στο σχήμα 5.21 στην επόμενη σελίδα. 102