Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΑΡΑΓΙΑΝΝΗΣ ΚΑΛΤΣΙΚΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Μελέτη υβριδικού συστήματος με fuel cell» Επιβλέπουσα Πυργιώτη Ελευθερία Επίκουρη Καθηγήτρια Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάιος 2015

2 Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτήν τη Διπλωματική Εργασία εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνεύεται ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη υβριδικού συστήματος με fuel cell» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΚΑΡΑΓΙΑΝΝΗ ΚΑΛΤΣΙΚΗ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΥ του ΓΕΩΡΓΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 06/05/2015 Η Επιβλέπουσα Πυργιώτη Ελευθερία Επίκουρη Καθηγήτρια Ο Διευθυντής του Τομέα Αλεξανδρίδης Αντώνιος Καθηγητής

4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω από το βάθος της καρδιάς μου την Επίκουρη Καθηγήτρια κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την ευκαιρία που μου έδωσε να εργαστώ πάνω σε αυτό το πολύ ενδιαφέρον αντικείμενο, καθώς και για την καθοδήγηση και συμπαράσταση που μου παρείχε κατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής. Επίσης, θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στον καθηγητή κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την πολύτιμη βοήθεια και τις υποδείξεις του κατά τη διάρκεια της δουλειάς μου. Ακόμα, οφείλω να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα και φίλο κ. Ιωάννη Ναξάκη, ο οποίος με βοήθησε τόσο με χρήσιμη βιβλιογραφία, όσο και με τις πολύτιμες συμβουλές του κατά την επίλυση των διαφόρων προβλημάτων που προέκυψαν. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένειά μου για την ψυχολογική και ηθική υποστήριξη, καθώς και για την αμέριστη συμπαράσταση και εμπιστοσύνη που έδειξαν στις επιλογές μου. Την παρούσα εργασία την αφιερώνω στη μητέρα μου Αμαλία.

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη υβριδικού συστήματος με fuel cell» Φοιτητής: Καραγιάννης Καλτσίκης Χαράλαμπος Αλέξανδρος του Γεωργίου Επιβλέπουσα: κ. Πυργιώτη Ελευθερία Περίληψη Σκοπός της παρούσας διπλοματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός υβριδικού συστήματος, το οποίο αποτελείται από μια κυψέλη καυσίμου και μπαταρίες, για την τροφοδοσία ενός μεταβαλλόμενου AC φορτίου. Επίσης, μελετώνται οι διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος που απαιτούνται για να γίνει εφικτή η διασύνδεση της κυψέλης καυσίμου και των μπαταριών με το AC φορτίο. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά του υδρογόνου και τους λογους που οδήγησαν στην αύξηση της χρήσης του τα τελευταία κυρίως χρόνια. Ακόμα, παρουσιάζονται οι διάφορες μέθοδοι παράγωγης του υδρογόνου, το οποιο αποτελεί το καύσιμο των περισοτέρων τύπων κυψελών καυσίμου. Στη συνέχεια, ακολουθεί η δομή και η ανάλυση του τρόπου λειτουργίας των διάφορων τύπων κυψελών καυσίμου. Έπειτα, παρουσιάζονται συνοπτικά οι διακοπτικοί μετατροπείς συνεχούς ρεύματος, διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος, τις οποίες χρειαζόμαστε για την εξομάλυνση και τη σταθεροποίηση σε μια επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου των κυψελών καυσίμου, καθώς και τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Ακόμα, γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης κυψελών καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Ballard Power Systems. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη μετρήσεων και την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη λειτουργία μίας κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, τόσο στη μόνιμη όσο και τη μεταβατική κατάσταση. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μοντέλο του υβριδικού συστήματος στο Simulink, όπου προσομειώνονται η κυψέλη καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Nexa και οι μπαταρίες WP18-12I της εταιρίας LONG, ως πηγές τάσης. Ως μεταβλητό AC φορτίο χρησιμοποιείται μια θερμάστρα αλογόνου, με κατανάλωση ισχύος από 450W έως 1800W. Μελετάται η

8 συμπεριφορά τόσο της κυψέλης καυσίμου όσο και των μπαταριών στις διάφορες αυξομειώσεις του φορτίου, καθώς και η απόκριση των μετατροπέων συνεχούς ρεύματος και του αντιστροφέα. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση στο Simulink. Από τα αποτελέσματα εξάγονται συμπεράσματα για τη λειτουργία του μοντέλου και προκύπτουν πιθανές προτάσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος.

9 Abstract The purpose of the present thesis is the study of a hybrid system, that consists of a fuel cell and batteries, in order to supply a changing AC load with power. The power electronics, that are required to make possible the interconnection of the fuel cell and the batteries with the AC load, are also being studied. To begin with, there is a reference to the essential features of hydrogen and the reasons that led to its increased use, mainly in recent years. In addition to this, the different methods for hydrogen production are being displayed. Hydrogen is the fuel for most fuel cell types. Moreover, the structure and the analysis on how the various types of fuel cells operate is considered. Furthermore, there is a brief presentation on DC-DC converters, power electronic devices, that are necessary in order to normalize and stabilize at a desired value the output of the fuel cell and convert DC voltage into AC. What is more, there is a description of the experimental arrangement of the fuel cell 1.2kW of the Ballard Power Systems company. The aforementioned device was used for taking measurements and draw conclusions on the operation of a PEM type fuel cell, in both the permanent and the transitory state. Afterwards, a model of the hybrid system is being developed in Simulink. As far as the voltage sources are concerned, the 1.2kW fuel cell of the Ballard Power Systems company along with the batteries WP18-12I of the LONG company are being simulated. A halogen stove with power consumption varying from 450W to 1800W is being used as the variable AC load. The behavior of both the fuel cell and the batteries to the various load fluctuations is being studied, as well as the response of the DC converters and the inverter. Finally, the results obtained from the simulation in Simulink are being presented. From them, conclusions are drawn on the functioning of the model and possible proposals arise to improve the overall performance of the system.

10

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Εισαγωγή Τα χαρακτηριστικά του υδρογόνου Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Παραγωγή του υδρογόνου Θερμικές μέθοδοι Παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιμα Παραγωγή υδρογόνου από πυρινική ενέργεια Παραγωγή υδρογόνου από τα σουλφίδιά του Παραγωγή υδρογόνου από βιομάζα Ηλεκτρολυτικές μέθοδοι Φωτολυτικές μέθοδοι Φωτοβιολογική διάσπαση νερού Φωτοήλεκτροχημική διάσπαση νερου. 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή Δομή της κυψέλης καυσίμου Τύποι κυψελων καυσίμου Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) Αλκαλυκή κυψέλη καυσίμου (AFC) Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC) Κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων (MCFC) Κυψέλη καυσίμου στερεών οξειδίων (SOFC). 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Εισαγωγή Μετατροπέας τύπου Buck Μετατροπέας τύπου Boost

12 3.4 Μετατροπέας τύπου Buck Boost Μετατροπέας με πλήρη γέφυρα Λειτουργία ως μετατροπέα συνεχούς ρεύματος Λειτουργία ως αντιστροφέα.. 39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Εισαγωγή Χαρακτηριστικά της κυψέλης καυσίμου Σύστημα παροχής υδρογόνου Σύστημα παροχής οξυγόνου Σύστημα ψύξης Σύστημα ελέγχου Συστήματα ασφαλείας Λειτουργία της κυψέλης καυσίμου Χαρακτησιστικές καμπύλες της κυψέλης καυσίμου Καμπύλη πόλωσης Καμπύλη απόδοσης Δυναμική απόκριση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟ SINULINK Εισαγωγή Matlab Simulink Κυψέλη καυσίμου Μπαταρίες Φορτίο Ηλεκτρονικά Ισχύος Μετατροπέας τύπου Buck Μετατροπέας τύπου γέφυρας Αντιστροφέας Ρυθμιστής ροής υδρογόνου Τελικό μοντέλο

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Αποελέσματα προσομοίωσης Πρώτο σενάριο προσομοίωσης Δεύτερο σενάριο προσομοίωσης Συμπεράσματα Προτάσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΩΝ

14 4

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ 1.1 Εισαγωγή Η ενέργεια αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αγαθά της σύγχρονης κοινωνίας, οδηγώντας στη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου του ανθρώπου σε τεράστιο βαθμό, ιδιαίτερα τα τελευταία εκατό χρόνια. Οι πρωτογενείς πηγές ενέργειας είναι τα ορυκτά καύσιμα (άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό αέριο), οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (υδροηλεκτρική, αιολική, ηλιακή, γεωθερμική, βιομάζα και βιοκαύσιμα) και η πυρηνική ενέργεια. Μέχρι την εμφάνιση της ενεργειακής κρίσης του πετρελαίου, το 1973, κυριαρχούσε η εντύπωση ότι τα αποθέματα του πλανήτη μας σε ορυκτά καύσιμα ήταν ανεξάντλητα. Η εντύπωση αυτή, ωστόσο, σύντομα αποδείχθηκε εσφαλμένη. Το διαφαινόμενο ενεργειακό πρόβλημα, δηλαδή η μέχρι τότε αποκλειστική εξάρτηση του ενεργειακού συστήματος από τα ορυκτά καύσιμα, γεγονός που είχε ως αναπόφευκτο αποτέλεσμα τη ραγδαία μείωσή τους, σε συνδυασμό με τη συνεχή αύξηση των ενεργειακών αναγκών, κατέστησε επιτακτική την ανάγκη για αξιοποίηση και των υπολοίπων πηγών ενέργειας, οι οποίες παρέμεναν έως τότε ανεκμετάλλευτες [1]. Ένας ακόμα λόγος που ώθησε στη στροφή αυτή, είναι η αργή αλλά σταθερή παγκόσμια κλιματική αλλαγή, οφειλόμενη κατά κύριο λόγο σε ανθρωπογενείς επιδράσεις. Ιστορικά κανένας άλλος παράγοντας δεν έχει επηρεάσει το περιβάλλον τόσο όσο η ενέργεια. Με τη συνεχή αύξηση της χρήσης των ορυκτών καυσίμων αυξήθηκαν και οι ρύποι που προέρχονται από το διοξείδιο του άνθρακα και τα οξείδια του αζώτου. Επίσης, έχει παρατηρηθεί σημαντική αύξηση του όζοντος, καθώς και των υπολοίπων αερίων που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας οδηγώντας στην υπερθέρμανση του πλανήτη [2]. Μια λύση που έχει εφαρμοστεί σε κάποιες χώρες είναι η πυρινική ενέργεια, η οποία αποτελεί μια μέθοδο παραγωγής ενέργειας με μεγάλη συγκέντρωση ισχύος, σχετικά οικονομική και με υπάρχουσα τεχνογνωσία. Επιπλέον, τα πυρινικά καύσιμα δεν παράγουν διοξείδιο του άνθρακα και έτσι δεν μολύνουν το περιβάλλον. Ωστόσο, παράγουν επικίνδυνα ραδιενεργά απόβλητα, ενώ σε περίπτωση ατυχήματος οι επιπτώσεις για το περιβάλλον και 5

16 τους ανθρώπους είναι ολέθριες, λόγω της ραδιενέργειας που εκλύεται. Ένα από τα σοβαρότερα ατυχήματα συνέβη στο Τσέρνομπιλ στις 26 Απριλίου του 1986, καθιστώντας μέχρι και σήμερα, μετά από περίπου 30 χρόνια, την περιοχή μη κατοικήσιμη. Επίσης χιλιάδες θάνατοι από καρκίνο και λευχαιμία συνδέονται με το ατύχημα αυτό. Η άποψη που έχει επικρατήσει κυρίως τα τελευταία χρόνια είναι η αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι οποίες δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον, καθώς έχουν μηδενικά απόβλητα. Ακόμα, είναι πρακτικά ανεξάντλητες και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησής μας από τους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους. Έπειτα, είναι αρκετά εύκολη η συντήρηση και η κατασκευή του εξοπλισμού τους. Από την άλλη μεριά όμως, οι πηγές αυτές, εξαιρουμένης της υδροηλεκτρικής, έχουν μικρή συγκέντρωση ισχύος, ενώ η διαθεσιμότητά τους δεν είναι πάντα ταυτόχρονη με τη ζήτηση. Επιπλέον, με βάση τα σημερινά δεδομένα το κόστος της ενέργειας που παράγουν είναι υπερβολικά υψηλο. Τέλος, οι δυνατότητές τους θα αυξάνονταν αισθητά, αν ήταν δυνατή η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγουν με μεγάλο συντελεστή απόδοσης και χαμηλό κόστος. Όλα τα προηγούμενα οδήγησαν στην αναζωπύρωση της ιδέας της δημιουργίας μιας οικονομίας υδρογόνου, η οποία είχε πρωτοεμφανιστεί στις αρχές του 1970 από το Ινστιτούτο Πυρινικής Ενέργειας στη Βιέννη. Ουσιαστικά πρόκειται για την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούμε μέχρι σήμερα για την κίνηση, τη θέρμανση και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με υδρογόνο. Με βάση αυτήν την ιδέα, το υδρογόνο μέσω των κυψελών καυσίμου (fuel cells) θα παράγει ηλεκτρισμό με μοναδικό καυσαέριο νερό. Αν και ακόμα υπάρχουν αρκετές δυσκολίες που πρέπει να ξεπεραστούν, πριν να μπορέσει να εφαρμοστεί μία οικονομία υδρογόνου, γίνεται μια σημαντική ερυνητική προσπάθεια τόσο στην Αμερική όσο και στην Ευρώπη και την Ιαπωνία για την επίτευξη αυτής της ιδέας [3]. 1.2 Τα χαρακτηριστικά του υδρογόνου Το υδρογόνο (H) είναι ένα χημικό στοιχείο με ατομικό αριθμό 1, το οποίο αποτελεί το ελαφρύτερο στοιχείο του περιοδικού πίνακα. Η μονοατομική του αλλομορφή (Εικόνα 1) είναι η πιο άφθονη χημική ουσία στο σύμπαν, του οποίου θεωρείται ότι αποτελεί το 75% της συνολικής βαρυονικής μάζας. Σε κανονικές (STP) συνθήκες (θερμοκρασία 25 C και πίεση 1atm) είναι ένα άχρωμο, άοσμο, άγευστο, μη τοξικό, αμέταλλο και πολύ εύφλεκτο διατομικό αέριο (H2). Λόγω της ικανότητάς του να σχηματίζει εύκολα ομοιοπολικούς δεσμούς με τα περισσότερα αμέταλλα, στη Γη συνήθως συναντάται σε μορφή μορίου όπως το νερό και οι οργανικές ενώσεις [i], [ii]. 6

17 Έτσι το υδρογόνο σε αντίθεση με το φυσικό αέριο και το πετράλαιο δεν είναι μια πηγή ενέργειας που υπάρχει ελέυθερη σε αξιοποιήσιμη μορφή στη φύση. Είναι ένας φορέας ενέργειας, μια δευτερεύουσα μορφή ενέργειας, η οποία χρειάζεται να παραχθεί ακριβώς όπως και ο ηλεκτρισμός. Εικόνα 1: Το άτομο του υδρογόνου [ii] Πλεονεκτήματα Αρχικά, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως από άποψη ρύπων αποτελεί το τέλειο καύσιμο, αφού παράγει ως μοναδικό καυσαέριο νερό. Η ποσότητα νερού που παράγεται είναι ελάχιστη και μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα, ακόμα και σε περίπτωση μαζικής χρήσης του υδρογόνου. Έτσι, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι οι εκπομπές ρύπων του είναι μηδενικές, πετυχαίνοντας το στόχο ενός φιλικού προς το περιβάλλον αυτοκινήτου, χωρίς καυσαέρια. Η ενέργεια των φωτοβολταϊκών και των ανεμογεννητριών πρέπει να καταναλωθεί τη στιγμη που παράγεται ακόμα και αν δεν είναι ταυτόχρονη με τη ζήτηση, δημιουργώντας έτσι την ανάγκη για αποθήκευση της επιπλέον ποσότητας. Μετατρέποντας την περισσευούμενη ενέργεια σε υδρογόνο, ένα αέριο που μπορεί να αποθηκευτεί, λύνεται το πρόβλημα αυτό, εξομαλύνοντας έτσι την αστάθεια παροχής των φωτοβολταϊκών και των αιολικών. Επίσης, το υδρογόνο έχει μεγάλη τιμή πυκνότητας ενέργειας ανά μονάδα βάρους συγκριτικά με τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές και το υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό καύσιμο. Ταυτόχρονα, είναι πιο ασφαλές από όλα τα άλλα καύσιμα, καθώς είναι 14 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα και γι αυτό διαχέεται γρήγορα στην ατμόσφαιρα σε περίπτωση διαρροής, χωρίς να είναι τοξικό. 7

18 Αντίθετα, τα υπόλοιπα καύσιμα έχουν μεγάλο χρόνο επικινδυνότητας μέχρι να ξεφύγουν από τη θέση τους. Έπειτα, οι κυψέλες καυσίμου, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού από το υδρογόνο, δεν έχουν καθόλου κινητά μέρη. Αυτό συνεπάγεται ήσυχη λειτουργία και ελάχιστη συντήρηση. Ακόμα, οι κυψέλες καυσίμου έχουν φτάσει να είναι μέχρι και δυόμισι φορές τόσο αποδοτικές όσο οι κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ως ένα παράδειγμα, το μοντέλο Highlander SUV της Toyota με κυψέλες καυσίμου αποδείχθηκε τρεις φορές πιο οικονομικό από τη βασική έκδοση με βενζίνη [4]. Τέλος, το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί με αρκετές διαφορετικές μεθόδους σε οποιαδήποτε χώρα, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα των οποίων τα κοιτάσματα βρίσκονται μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές του πλανήτη. Έτσι, μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη αποκεντρωμένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας, ωφελώντας φτωχότερα και λιγότερα ανεπτυγμένα κράτη, τα οποία εξαρτόνται ενεργειακά από άλλα ισχυρότερα Μειονεκτήματα Τα μειονεκτήματα του υδρογόνου προέρχονται κυρίως από τη σχετικά πρόσφατη στροφή της έρευνας για την αξιοποίησή του ως καύσιμο. Έτσι, δυστυχώς δεν έχουν εξελιχθεί αρκετά οι κατάλληλες τεχνικές για να είναι σε θέση να αξιοποιηθεί μαζικά στην πράξη. Κατ αρχάς, το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι αυτό της ασφαλούς και αποτελεσματικής αποθήκευσης του υδρογόνου, καθώς σε αντίθετη περίπτωση είναι εξαιρετικά εύφλεκτο. Δεδομένου ότι το υδρογόνο σε αέρια μορφή είναι πολύ ελαφρύ, για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων σε μικρές δεξαμενές απαιτείται συμπίεση σε υψηλές πιέσεις. Εναλλακτικά, για την αποθήκευσή του σε υγρή μορφή απαιτούνατι πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ώστε να επιτευχθεί η υγροποίηση του. Έτσι, οι ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που απαιτούνται για την αποθήκευση του υδρογόνου σε αέρια ή υγρή μορφή αντίστοιχα συνεπάγονται και σημαντική κατανάλωση ενέργειας για την επίτευξή τους, καθιστώντας την αποθήκευσή του αρκετά δαπανηρή. Έπειτα, η υψηλή τιμή των κυψελών καυσίμου, οι οποίες αποτελούν τη μεγαλύτερη πηγή εκμετάλλευσης του υδρογόνου ως καύσιμο, αποτελεί ένα βασικό μειονέκτημα. Ακόμα, η τεχνολογία τους δε θεωρείται πλήρως αξιόπιστη, καθώς υπάρχουν αρκετά τεχνικά προβλήματα. Για παράδειγμα, οι κυψέλες καυσίμου που προσανατολίζονται για οικιακή και μεταφορική χρήση εμφανίζουν μικρή ανοχή σε «μη καθαρά» υδρογονούχα καύσιμα, ενώ αυτές που στοχεύουν σε βιομηχανική χρήση χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλές 8

19 θερμοκρασίες λειτουργίας. Αυτά έχουν ως αποτέλεσμα οι κυψέλες καυσίμου να μην είναι αρκετά ανταγωνιστικές συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες συμβατικές διατάξεις ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παραγωγή ενέργειας. Τέλος, η έλλειψη ενός οργανομένου δικτύου διανομής υδρογόνου αποτελεί τροχοπέδη για τη μαζική χρήση του από όλες τις χώρες. Έτσι, λόγω της ανυπαρξίας του δικτύου διανομής το κόστος ανεφοδιασμού του υδρογόνου παραμένει υψηλό, ενώ οι διάφορες τεχνολογίες παραγωγής του μέσω ανανεώσιμων πηγών ενέργειας δεν έχουν εξελιχθεί σε ικανοποιητικό επίπεδο [iii]. Ωστόσο, τα προβλήματα αυτά αναμένεται να ξεπεραστούν καθώς γίνεται αξιόλογη έρευνα για την ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων αποθήκευσης του υδρογόνου σε στερεή μορφή, μειώνοντας έτσι σε τεράστιο βαθμό τις ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που απαιτούνται για την αποθήκαυσή του. Παράλληλα, καθώς τα υλικά κατασκευής των κυψελών καυσίμου και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας συνεχώς βελτιώνονται, μειώνεται τόσο το κόστος παραγωγής του υδρογόνου όσο και η τιμή των κυψελών καυσίμου. 1.3 Παραγωγή του υδρογόνου κατηγορίες: Οι κυριότερες εμπορικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου χωρίζονται σε τρεις τις θερμικές, τις ηλεκτρολυτικές και τις φωτολυτικές Θερμικές μέθοδοι Μερικές θερμικές μέθοδοι χρησιμοποιούν την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε διάφορες πηγές, όπως το φυσικό αέριο, ο άνθρακας και η βιομάζα, ώστε να απελευθερώσουν το υδρογόνο, που είναι μέρος της μοριακής τους δομής. Σε άλλες διαδικασίες, η θερμότητα σε συδυασμό με κλειστούς χημικούς κύκλους παράγει υδρογόνο από πρώτες ύλες όπως το νερό. Οι τελευταίες είναι γνωστές και ως θερμοχημικές διαδικασίες [iv]. 9

20 Παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιμα Η παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιμα, ιδιαίτερα από φυσικό αέριο, αποτελεί την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδο παραγωγής υδρογόνου. Η συγκερκιμένη μέθοδος είναι η πιο ώριμη τεχνολογικά, καθώς αποτελεί την παλαιότερη εμπορική μέθοδο παραγωγής του υδρογόνου, με αποτέλεσμα να είναι και η οικονομικότερη. Τεράστιες ποσότητες υδρογόνου παράγονται ετησίως σε παγκόσμια κλίμακα, έχοντας ως πρώτη ύλη τα ορυκτά καύσιμα. Οι ποσότητες αυτές καταναλώνονται κυρίως σε διυλιστήρια πετραλαίου για την παραγωγή βενζίνης και στη χημική βιομηχανία για την παρασκευή λιπασμάτων και χημικών. Στον ακόλουθο πίνακα (Πίνακας 1) φαίνονται οι διάφορες ποσότητες υδρογόνου που παράγονται κατά μέσο όρο παγκοσμίως από τα διάφορα ορυκτά καύσιμα, καθώς και μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, η οποία αποτελεί τη δεύτερη πιο διαδεομένη εμπορική μέθοδο παραγωγής υδρογόνου. Πηγή Δισεκατομμύρια m 3 /έτος Ποσοστό(%) Φυσικό Αέριο Πετρέλαιο Κάρβουνο Ηλεκτρόλυση 20 4 Σύνολο Πίνακας 1: Παγκόσμια παραγωγή υδρογόνου ανά πηγή (έτος αναφοράς 2003) [5] Οι διεργασίες με τις οποίες το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από τα ορυκτά καύσιμα είναι οι εξής: Η αναμόρφωση του φυσικού αερίου και των ελαφρών κλασμάτων του πετρελαίου, μέσω της επίδρασης υδρατμών σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται μεταξύ 850 C και 1000 C, με την ταυτόχρονη παρουσία καταλυτών, γίνεται σύμφωνα με τις σχέσεις: CH4 + H2O + heat CO + 3H2 (1.1) CO + H2O CO2 + H2 + heat (1.2) Από τις δύο αυτές μεθόδους, η πρώτη με την εξαγωγή του υδρογόνου από το φυσικό αέριο (μεθάνιο - CH4) είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος παραγωγής υδρογόνου, καθώς είναι πιο οικονομική, πολύ καθαρή και αποδοτική. Ωστόσο, πρέπει να τονίσουμε ότι και οι δύο παραπάνω αντιδράσεις παράγουν ρύπους (μονοξείδιο του άνθρακα CO και διοξείδιο του άνθρακα CO2). Το διοξείδιο του άνθρακα έιναι υπαίτιο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ το μονοξείδιο του άνθρακα εμποδίζει την ομαλή λειτουργία των κυψελών 10

21 καυσίμου, σε περίπτωση που διοχετευθεί σε αυτές μαζί με το υδρογόνο που παράγεται από τις παραπάνω αντιδράσεις. Η αεριοποίηση ή απανθράκωση ανθράκων αποτελεί την παλαιότερη μέθοδο παραγωγής υδρογόνου από ορυκτά καύσιμα. Κατά την αεριοποίησή του ο άνθρακας, θερμάινεται περίπου στους 900 C, παρουσία υδρατμών και καθαρού οξυγόνου, με αποτέλεσμα τη θερμική του διάσπαση σε υργά, αέρια και στερεά προϊόντα. Μεταξύ των προϊόντων αυτών παράγεται και το υδρογόνο. Αυτή η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλα ανθρακούχα υλικά, όπως για παράδειγμα η βιομάζα ή τα αστικά απόβλητα. Πρόκειται για μία σχετικά οικονομική μέθοδο. Μία ακόμα μέθοδος είναι η μερική οξείδωση του φυσικού αερίου. Σε αυτήν την περίπτωση, η μερική καύση του μεθανίου με οξυγόνο παράγει υδρογόνο, μονοξείδιο του άνθρακα και θερμότητα, σύμφωνα με τη σχέση: CH4 + ½O2 CO + 2H2 + heat (1.3) Εδώ, όπως και στην πρώτη περίπτωση έχουμε παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα, το οποίο πρέπει να απομακρυνθεί, προκειμένου το παραγώμενο υδρογόνο να είναι σε θέση να διοχετευθεί στις κυψέλες καυσίμου. Η θερμική διάσπαση των διαφόρων υδρογανανθράκων, που περιέχονται στα ορυκτά καύσιμα, αποτελεί μία τέταρτη μέθοδο παραγωγής υδρογόνου. Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο, η θερμική διάσπαση του φυσικού αερίου και των διαφόρων κλασμάτων του πετρελαίου, παργάγει σαν προϊόντα υδρογόνο και καθαρό άνθρακα σε μορφή σκόνης. Ωστόσο, η παραγωγή υδρογόνου με θερμική διάσπαση υδρογονανθράκων απαιτεί την κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, αρκετά μεγαλύτερων από αυτά που απαιτεί η αναμόρφωση του φυσικού αερίου ή των άλλων κλασμάτων του πετρελαίου. Για το λόγο αυτό το κόστος της θερμικής διάσπασης των ορυκτών καυσίμων είναι αρκετά υψηλό, χωρίς να μπορεί να ανταγωνιστεί το κόστος της αναμόρφωσής τους και γι αυτό η εφαρμογή της μεθόδου αυτής είναι αρκετά περιορισμένη. Μία τελευτάια μέθοδος παραγωγής υδρογόνου από ορυκτά καύσιμα αποτελεί η παραγωγή του από στερεό άνθρακα, σύμφωνα με τη σχέση: C(S) + H2O + heat CO + H2 (1.4) Εδώ, όπως και σε άλλες περιπτώσεις έχουμε παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα, το οποίο πρέπει να απομακρυνθεί από το παραγώμενο υδρογόνο, πρωτόυ αυτό διοχετευθεί σε κυψέλες καυσίμου, ώστε να εξασφαλιστεί η ομαλή λειτουργία τους. Αυτή η μέθοδος δεν χρησιμοποιείται μαζικά, λόγω του υψηλού κόστους διάθεσης της πρώτης ύλης της, δηλαδή του στερεού άνθρακα (C(S)) [5]. 11

22 Παραγωγή υδρογόνου από πυρινική ενέργεια Η χρήση της πυρινικής ενέργειας αποτελεί μια άλλη θερμοχημική μέθοδο παραγωγής του υδρογόνου. Κατά τη μέθοδο αυτήν, έχουμε παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου, μέσω διαφόρων θερμοχημικών κύκλων στους οποίους το νερό και υψηλής θερμοκρασίας θερμότητα είναι οι ροές εισαγωγής σε μια σειρά από χημικές αντιδράσεις. Η υψηλής θερμοκρασίας θερμική ενέργεια που απαιτείται για τη διεξαγωγή των χημικών αντιδράσεων, προέρχεται από τη διάσπαση πυρινικών καυσίμων, όπως το ουράνιο (U) ή το πλουτώνιο (Pu). Στους κύκλους αυτούς συμμετέχουν και διάφορες άλλες χημικές ουσίες, οι οποίες βοηθούν στην μαζικότερη διάσπαση του νερού και στην παραγωγή μεγαλυτέρων ποσοτήτων υδρογόνου. Οι ουσίες αυτές είναι πλήρως ανακυκλώσιμες, δηλαδή χρησιμοποιούνται ξανά και ξανά στις χημικές αντιδράσεις, σε αντίθεση με το νερό και το εκάστοτε πυρινικό καύσιμο, τα οποία καταναλώνονται. Ένας από τους σημαντικότερους θερμοχημικούς κύκλους παραγωγής υδρογόνου με τη βοήθεια της πυρινικής ενέργειας είναι αυτός του θείου ιωδίου. Σύμφωνα με αυτόν τον κύκλο λαμβάνουν χώρα οι ακόλουθες αντιδράσεις: I2 + SO2 + 2H2O 2HI + H2SO4 (1.5) H2SO4 + heat H2O + SO2 + ½O2 (1.6) 2HI + heat H2 + I2 (1.7) Οπότε συνολικά έχουμε: H2O + heat H2 + ½O2 (1.8) Η απόδοση του συγκεκριμένου κύκλου είναι αρκετά μεγάλη και μπορεί να ξεπεράσει το 50%. Σήμερα, έχουν ανακαλυφθεί περισσότεροι από 100 παρόμοιοι θερμοχημικοί κύκλοι για την παραγωγή του υδρογόνου, οι οποίοι πραγματοποιούνται μέσω διαφορετικών πρώτων υλών [5] Παραγωγή υδρογόνου από τα σουλφίδιά του Η θερμική διάσπαση των σουλφιδίων του υδρογόνου αποτελεί μία ακόμα θερμοχημική μέθοδο παραγωγής του υδρογόνου. Με τον όρο σουλφίδια (ή σουλφιδες), χαρακτηρίζονται τόσο οι οργανικές όσο και οι ανόργανες ενώσεις του θέιου (S) με άλλα στοιχεία ή ρίζες. Έτσι, το υδρόθειο (H2S), το οποίο αποτελεί την ανόργανη χημική ένωση 12

23 του υδρογόνου και του θείου, ονομάζεται αλλιώς και υδροσουλφίδιο ή σουλφίδιο του υδρογόνου (Εικόνα 2). Το υδρόθειο, μέσω της θερμικής του διάσπασης, αποτελεί μία πολύ καλή λύση για τη μαζική παραγωγή υδρογόνου. Κύριος λόγος είναι το γεγονός ότι τα περισσότερα ορυκτά καύσιμα που υπάρχουν στο υπέδαφος της γης περιέχουν στη μάζα τους σημαντικές ποσότητες υδρόθειου. Έτσι, αξιοποιώντας το υδρόθειο των ορυκτών καυσίμων μπορούμε να πετύχουμε μαζική παραγωγή του υδρογόνου με σχετικά οικονομικό τρόπο. Υπάρχουν αρκετές διεργασίες για την παραγωγή υδρογόνου απο τα σουλφίδιά του. Η πιο αποδοτική πραγματοποιείται μέσω της θερμικής διάσπασης του υδρόθειου που περιέχεται στο φυσικό αέριο. Η αντίδραση αυτή απαιτεί θερμότητα και μπορεί να παράγει υδρογόνο με απόδοση μέχρι και 50% περίπου [5]. CH4 + 2H2S + heat 4H2 +CS2 (1.9) Εικόνα 2: Το σουλφίδιο του υδρογόνου [v] Παραγωγή υδρογόνου από βιομάζα Η παραγωγή του υδρογόνου από βιομάζα μπορεί να γίνει τόσο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μέσω ηλεκτρόλυσης, όσο και με κατάλληλες μετατροπες της βιομάζας με θερμοχημικές και βιοχημικές διεργασίες. Σε αυτήν την παράγραφο θα ανφερθούμε στη δεύτερη περίπτωση. Οι θερμοχημικές διεργασίες έχουν αισθητά μικρότερο κόστος, καθώς μπορούν να λάβουν χώρα σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες και έτσι να έχουν υψηλότερους ρυθμούς αντίδρασης. Επίσης, μπορούν να συνδυάσουν ένα ευρύ φάσμα τύπων βιομάζας. Αντίθετα, οι βιοχημικές διεργασίες ειναι περιορισμένες μόνο σε υγρές πρώτες ύλες ή πρώτες ύλες που περιέχουν σάκχαρα. Η αεριοποίηση και η πυρόληση, οι οποίες αποτελούν θερμοχημικές διεργασίες, φαίνονται να είναι οι πιο πολλά υποσχόμενες μεσοπρόθεσμα τεχνολογίες για την εμπορευματοποίηση της παραγωγής του υδρογόνου από τη βιομάζα [5]. 13

24 1.3.2 Ηλεκτρολυτικές μέθοδοι Η ηλεκτρόλυση αποτελεί μία ηλεκτροχημική διεργασία, στην οποία η ηλεκτρική ενέργεια είναι η κινητήρια δύναμη για τη διεξαγωγή χημικών αντιδράσεων. Ρεύμα περνάει μέσα από τις ουσίες που υφίστανται ηλεκρτόλυση, με αποτέλεσμα αυτές να διασπόνται. Η ηλεκτρόλυση πρωτοπαρατηρήθηκε ως φαινόμενο το 1789, ενώ ο Nicholson και ο Charlisle ήταν οι πρώτοι που την εξέλιξαν ως τεχνολογία το Ήδη από τις αρχές του 1900 η ηλεκτρόλυση του νερού για την παραγωγή υδρογόνου βρήκε ευρεία απήχηση. Τότε, υπήρχαν πάνω από 400 βιομηχανικές μονάδες ηλεκτρόλυσης του νερού, οι οποίες χρησιμοποιούσαν ρεύμα από το δίκτυο ηλεκτρισμού. Ωστόσο, μετά τη δεκαετίκα του 50 ανακαλύφθηκαν νέες μέθοδοι για την παραγωγή υδρογόνου, με χαμηλότερο κόστος, με αποτέλεσμα η ηλεκτρόλυση του νερού να εγκαταλειφθεί στο μεγαλύτερο μέρος της και στις μέρες μας μόνο ένα σχετικά μικρό ποσοστό του παραγωμένου υδρογόνου παγκοσμίως να παράγεται με αυτόν τον τρόπο. Το νερό κατά τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης (Εικόνα 3) διασπάται στα στοιχεία που το αποτελούν, δηλαδή σε υδογόνο και οξυγόνο. Ο πυρήνας της ηλεκτρολυτικής μονάδας είναι το ηλεκτρολυτικό κελί, το οποίο γεμίζει με καθαρό νερό και έχει δύο ηλεκτρόδια συνδεδεμένα σε μια εξωτερική παροχή ρεύματος. Σε μία συγκεκριμένη τάση, η οποία ονομάζεται κρίσιμη τάση, μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, τα ηλεκτρόδια αρχίζουν να παράγουν αέριο υδρογόνο στο αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο και αέριο οξυγόνο στο θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο. Το ποσό των αερίων που παράγεται ανά μονάδα χρόνου είναι άμεσα σχετιζόμενο με το ρεύμα που διέρχεται απο το κελί [5]. Οι διεργασίες αυτές περιγράφονται από τις ακόλουθες αντιδράσεις: Στην κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) 2H + (aq) + 2e - H2(g) (1.10) Στην άνοδο (θετικό ηλεκτόδιο) 2H2O(liq) O2 + 4H + (aq) + 4e - (1.11) Οπότε συνολικά έχουμε: 2H2O(liq) O2(g) + 2H2(g) (1.12) Εικόνα 3: Ηλεκτρόλυση του νερού [vi] 14

25 Στην ηλεκτρόλυση του νερού δεν υπάρχουν παράπλευρες αντιδράσεις, οι οποίες θα παρήγαγαν ανεπιθύμητα παραπροϊόντα, με αποτέλεσμα την παραγωγή καθαρού υδρογόνου. Έτσι, δεομένου του σχετικά υψηλότερου κόστους της παραγωγής υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης από την αναμόρφωση των ορυκτών καυσίμων και κυρίως του φισικού αερίου, η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται μόνο όταν υπάρχουν αυξημένες απαιτήσεις για καθαρό υδρογόνο και οι ποσότητες που απαιτούνται δεν είναι μεγάλες. Επίσης, το οξυγόνο που παράγεται κατά τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού μπορεί να αξιοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές, κυρίως βιομηχανικού τύπου [vi] Φωτολυτικές μέθοδοι Οι φωτολυτικές μέθοδοι αξιοποιούν την ενέργεια του φωτός, ώστε να πετύχουν τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Σήμερα, βρίσκονται ακόμα στα πολύ πρώιμα στάδια της έρευνας, ωστόσο φαίνονται να έχουν σημαντικές δυνατότητες μακροπρόθεσμα για τη βιώσιμη παραγωγή υδρογόνου με ελάχιστες επιπτώσεις στο περιβάλλον. Οι φωτολυτικές μέθοδοι χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Τη φωτοβιολογική διάσπαση του νερού και Τη φωτοηλεκτροχημική διάσπαση του νερού, οι οποίες αναλύονται στη συνέχεια [iv] Φωτοβιολογική διάσπαση νερού Σε αυτήν τη διαδικασία, το υδρογόνο παράγεται απο νερό, χρησιμοποιώντας το φως του ηλίου και εξειδικευμένους μικροοργανισμούς, όπως η άλγη και τα κυανοβακτήρια. Οι μικροοργανισμοί αυτοί καταναλώνουν το νερό και παράγουν υδρογόνο ως υποπροϊόν των φυσικών μεταβολικών διεργαδιών τους, ακριβώς όπως τα φυτά παράγουν οξυγόνο κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Επί του παρόντος, τα μικρόβια αυτά διαχωρίζουν το νερό με πολύ αργούς ρυθμούς, για να μπορούν να αξιοποιηθούν αποτελεσματικά στην εμπορική παραγωγή του υδρογόνου. Ωστόσο, οι επιστήμονες ερευνούν τρόπους για την τροποποίηση των μικροοργανισμών ή την εύρεση νέων, οι οποίοι θα είναι σε θέση να παράγουν υδρογόνο 15

26 σε υψηλότερα ποσοστά. Η φωτοβιολογική διάσπαση του νερού αποτελεί μία μέθοδο παραγωγής του υδρογόνου πολλά υποσχόμενη και με ελάχιστες εκπομπές ρύπων [vii] Φωτοηλεκτροχημική διάσπαση νερού Σε αυτήν τη διαδικασία, το υδρογόνο παράγεται απο νερό, χρησιμοποιώντας το φως του ηλίου και εξειδικευμένους ημιαγωγούς, οι οποίοι ονομάζονται ηλεκτροχημικά υλικά. Στο φωτοηλεκτοχημικό σύστημα (PEC), οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούν την ενέργεια του φωτός, ώστε να πετύχουν την αποσύνδεση των μορίων του νερού στα συστατικά του, δηλαδή σε υδρογόνο και οξυγόνο. Ανάλογα με το μήκος κύματος του φωτός και την ενέργειά του χρησιμοποιούνται και διαφορετικά υλικά ημιαγωγών. Οι έρευνες προς το παρόν προσανατολίζονται στην εξεύρεση ημιαγωγών, οι οποίοι θα λειτοργούν αξιόπιστα και θα αντέχουν στην έκθεση στο νερό, με τα κατάλληλα ποσά ενέργειας για το διαχωρισμό του νερού. Για τη φωτοηλεκτροχημική διάσπαση του νερού, όπως και για τη φωτοβιολογική, έχουμε ακόμα λίγη τεχνογνωσία, ωστόσο σαν μέθοδος δείχνει να έχει αρκετές προοπτικές μακροπρόθεσμα [viii]. 16

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) 2.1 Εισαγωγή Η κυψέλη καυσίμου είναι μία ηλεκτροχημική συσκευή, η οποία λειτουργεί όπως η μπαταρία, μετατρέποντας τη χημική ενέργεια των αντιδρώντων σε ηλεκτρισμό. Ωστόσο, διαφέρει από τη μπαταρία στο γεγονός ότι για όσο χρονικό διάστημα τροφοδοτείται με καύσιμο (υδρογόνο) και οξειδωτικό (οξυγόνο), θα παράγει ασταμάτητα συνεχή τάση (DC) μαζί με νερό και θερμότητα (Εικόνα 4). Εικόνα 4: Οι είσοδοι και οι έξοδοι μιας κυψέλης καυσίμου [6] Οι κυψέλες καυσίμου παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα και γι αυτό τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει η εμπορευματοποίησή τους. Αρχικά, έχουν μηδενικούς ρύπους, καθώς το μοναδικό παραπροϊόν από τη χρήση τους είναι το νερό. Επιπλέον, λειτουργούν αθόρυβα, χωρίς να έχουν καθόλου κινούμενα τμήματα και έτσι δεν απαιτούν συχνή συντήρηση. Έπειτα, έχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος και αποδοτικότητα. Η αποδοτικότητά τους ξεπερνάει το 40% στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ποσοστό που είναι αρκετά καλύτερο από αυτό των κλασσικών μηχανών εσωτερικής καύσης. Τέλος, η θερμότητα που εκλύουν μπορεί να αξιοποιηθεί για θέρμανση, αυξάνοντας έτσι ακόμα περισσότερο το βαθμό απόδοσης των κυψελών καυσίμου [6]. 17

28 2.2 Ιστορική αναδρομή Η διαδικασία της διάσπασης του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό (ηλεκτρόλυση) περιγράφηκε το 1800 από τους Nicholson και Charlisle. Η πρώτη κυψέλη καυσίμου εφευρέθηκε στην Αγγλία το 1839 από τον William Grove. Ο Grove πίστευε ότι ήταν δυνατό να χρησιμοποίησει την αντίστροφη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης για να ανασυνθέσει νερό. Για να δοκιμάσει τη θεωρία του, συνδύασε ηλεκτρόδια σε ένα σειριακό κύκλωμα, με ξεχωριστά πλατινένια ηλεκτρόδια σε οξυγόνο και υδρογόνο βυθισμένα σε ένα αραιό διάλυμα θειικού οξέος για ηλεκτρολύτη. Με αυτήν τη διάταξη, γνωστή και ως μπαταρία αερίων ή κυψέλη καυσίμου του Grove (Εικόνα 5), κατάφερε να παράξει 12A ρεύμα σε περίπου 1.8V τάση [ix]. Εικόνα 5: Κυψέλη καυσίμου του Grove [ix] Ωστόσο, μέχρι τα μέσα του εικοστού αιώνα δεν έγινε ουσιαστική έρευνα πάνω σε αυτόν τον τομέα, καθώς ο κινητήρας εσωτερικής καύσης μονοπόλησε το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Τη δεκαετία του 1960, η ΝΑΣΑ ξεκίνησε εκτενή έρευνα πάνω στις κυψέλες καυσίμου, στην προσπάθειά της να τροφοδοτήει μια σειρά από επικείμενες διαστημικές αποστολές. Η χρήση των μπαταριών για τροφοδοσία είχε αποκλειστεί, λόγω του πολύ μεγάλου βάρους τους. Τελικά, οι έρευνες αυτές καρποφόρησαν οδηγώντας στην κατασκευή της κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) [7]. 18

29 Από τη δεκαετία του 1970 το παγκόσμιο ενδιαφέρον έχει στραφεί στην έρευνα των κυψελών καυσίμου για επίγεια χρήση. Σε αυτό συντέλεσε σημαντικά και η κρίση του πετρελαίου, καθώς τόσο οι ΗΠΑ όσο και οι χώρες της Ευρώπης αναγκάστηκαν να αναζητήσουν τρόπους για να είναι λιγότερο εξαρτημένες από το πετρέλαιο. Έτσι, έγινε σημαντική πρόοδος στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, με αποτέλεσμα τα τελευταία χρόνια οι κυψέλες καυσίμου να έχουν αρκετές εμπορικές εφαρμογές. Ένα παράδειγμα αποτελεί το Honda FCX Clarity, ένα αυτοκίνητο, το οποίο βγήκε για πρώτη φορά στην αγορά το 2008 και λειτουργεί με κυψέλες καυσίμου, έχοντας για καύσιμο υδρογόνο. 2.3 Δομή της κυψέλης καυσίμου Η βασική λειτουργία που εκτελούν οι κυψέλες καυσίμου είναι η αντίστροφη της ηλεκτρόλυσης, δηλαδή η ανασύνθεση του νερού από υδρογόνο και οξυγόνο για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Εναλλακτικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι το καύσιμο υδρογόνο καίγεται στην αντίδραση: 2H2 + O2 2H2O (2.1) Ωστόσο, αντί να απελευθερωθεί θερμική ενέργεια έχουμε παραγωγή ηλεκτρισμού. Τα δομικά στοιχεία μίας κυψέλη καυσίμου είναι ο ηλεκτρολύτης και τα ηλεκτρόδια (άνοδος και κάθοδος). Ο ηλεκτρολύτης επιτρέπει στα ιόντα, είτε θετικά είτε αρνητικά ανάλογα με το είδος της κυψέλης και του καυσίμου, να τον διαπερνούν. Επίσης, διευκολύνει τη μεταφορά των αντιδρώντων ουσιών από και προς τα ηλεκτρόδια. Τέλος, αποτελεί ένα φυσικό εμπόδιο που αποτρέπει την απ ευθείας ανάμιξη του καυσίμου με την οξειδοτική ουσία. Τα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται επίπεδα με ένα λεπτό στρώμα ηλεκτρολύτη ανάμεσά τους (Εικόνα 6), ώστε να υπάρχει η μέγιστη δυνατή επιφάνεια επαφής ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, τον ηλεκτρολύτη και το καύσιμο. Είναι φτιαγμένα από πορώδη αγώγιμα υλικά για να είναι σε θέση να παρέχουν την επιφάνεια, πάνω στην οποία θα πραγματοποιηθεί η ηλεκτροχημική αντίδραση. Επιπλέον, πρέπει να παρέχουν την ηλεκτρική σύνδεση με το φορτίο και να διαμοιράζουν τις ουσίες που αντιδρούν ομοιόμορφα. Τέλος, πρέπει να οδηγούν τα προϊόντα της αντίδρασης στην έξοδο της κυψέλης. Για να είμαστε σε θέση να αντιληφθούμε καλύτερα την αντίδραση ανάμεσα στο υδρογόνο και το οξυγόνο που παράγει το ηλεκτρικό ρεύμα, θα πρέπει να εξετάσουμε ξεχωριστά τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε κάθε ηλεκτρόδιο. Κατά τη λειτουργία της, η κυψέλη καυσίμου τροφοδοτείται ανελλιπώς με καύσιμο στην άνοδο, το οποίο στην 19

30 απλούστερη περίπτωση είνα καθαρό υδρογόνο και με μια οξειδοτική ουσία στην κάθοδο, η οποία στην απλούστερη περίπτωση είναι καθαρό οξυγόνο. Στην άνοδο μιας κυψέλης καυσίμου με όξινο ηλεκτρολύτη, το αέριο υδρογόνο ιονίζεται, με αποτέλεσμα να απελευθερόνονται ηλεκτρόνια και να δημιουργούνται θετικά ιόντα υδρογόνου (H + ), σύμφωνα με τη σχέση: 2H2 4H + + 4e - (2.2) Αυτή η αντίδραση απελευθερώνει ενέργεια. Στην κάθοδο το οξυγόνο αντιδρά με τα ηλεκτρόνια, τα οποία λαμβάνονται από το ηλεκτρόδιο και με τα θετικά ιόντα του υδρογόνου, τα οποία διέρχονται από τον ηλεκτρολύτη για να σχηματίσει νερό, σύμφωνα με τη σχέση: O2 + 4e - + 4H + 2H2O (2.3) Εικόνα 6: Βασική δομή μίας κυψέλης καυσίμου [8] Για να είναι σε θέση οι δύο προηγούμενες αντιδράσεις να συμβαίνουν αστασμάτητα, τα ηλεκτρόνια που παράγονται στην άνοδο πρέπει να περνάνε μέσω ενός ηλεκτρικού κυκλώματος στην κάθοδο. Επιπλέον, τα H + ιόντα πρέπει να είναι σε θέση να διαπερνάνε τον ηλεκτρολύτη (Εικόνα 7). Τα οξέα είναι ρευστά με ελεύθερα θετικά ιόντα υδρογόνου και έτσι εξυπηρετούν πολύ καλά τον προηγούμενο σκοπό. Ορισμένα πολυμερή μπορούν επίσης να φτιαχτούν, έτσι ώστε να περιέχουν κινητά H + ιόντα. Αυτά τα υλικά ονομάζονται μεμβράνες ανταλλαγής 20

31 πρωτονίων, καθώς τα θετικά ιόντα του υδρογόνου είναι πρωτόνια. Ωστόσο, ο ηλεκτρολύτης σε κάθε περίπτωση πρέπει να επιτρέπει να περνάνε από μέσα του μόνο τα θετικά ιόντα του υδρογόνου και όχι τα ηλεκτρόνια [8]. Εικόνα 7: Ροή των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων του υδρογόνου σε μια κυψέλη καυσίμου [8] 2.4 Τύποι κυψελών καυσίμου Η βασική δομή όλων των κυψελών καυσίμου είναι αυτή που περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο. Ωστόσο, το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται μπορεί να αλλάζει, ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία προορίζεται η κυψέλη καυσίμου. Έτσι, οι κυψέλες καυσίμου διακρίνονται με βάση τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν, ενώ τα όνοματά τους προέρχεται από το είδος του μεταφερόμενου ιόντος μέσα από τον ηλεκτρολύτη. Κάθε τύπος κυψέλης καυσίμου έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά, όπως τη θερμοκρασία λειτουργίας, το καύσιμο που καταναλώνει, την καθαρότητα των αντιδρόντων και τις επιμέρους χημικές αντιδράσεις που παραγματοποιούνται και επιλέγεται έτσι ώστε να εξυπηρετεί καλύτερα το σκοπό για τον οποίο θα χρησιμοποιηθεί. Οι βασικοί τύποι των κυψελών καυσίμου είναι: Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) Αλκαλική κυψέλη καυσίμου (Alkaline Fuel Cell AFC) 21

32 Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC) Κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC) Κυψέλη καυσίμου στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) Στον επόμενο πίνακα (Πίνακας 2) παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα βασικά χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου, οι οποίοι αναλύονται στη συνέχεια. Τύπος κυψέλης Θερμοκρασία Παραγώμενη ισχύς Απόδοση καυσίμου λειτουργίας μονάδας PEMFC 40%-60% <120 C <1kW-100kW AFC 60% <100 C 1kW-100kW PAFC 40% 150 C-200 C 5kW-400kW MCFC 50% 600 C-700 C 300kW-3MW SOFC 60% 500 C-1000 C 1kW-2MW Πίνακας 2: Βασικά χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου [x] Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) Οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, γνωστές και ως κυψέλες καυσίμου μεμβράνης πολυμερούς ηλεκτρολύτη (Polymer Electrolyte Membrane - PEM), χρησιμοποιούν ένα στερεό πολυμερές ως ηλεκτρολύτη και πορώδη ηλεκτρόδια από άνθρακα, τα οποία περιέχουν πλατινένιο καταλύτη. Χρειάζονται μόνο υδρογόνο και οξυγόνο από τον αέρα για να λειτουργήσουν (Εικόνα 8) και δεν απαιτούν καθόλου διαβρωτικά υγρά, όπως κάποιες άλλες κυψέλες καυσίμου. Οι αντιδράσεις, οι οποίες περιγράφουν τον τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της κυψέλης καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, περιγράφονται αναλυτικά στην παράγραφο 2.3. Οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα. Αρχικά, παρέχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος με μικρό βάρος και όγκο, σε σύγκριση με τις άλλες κυψέλες καυσίμου. Έπειτα, λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, περίπου στους 60 C με 80 C, γεγονός που τους επιτρέπει να ξεκινούν γρήγορα, μειώνοντας έτσι τις φθορές στις συνιστώσες του συστήματος και προσφέροντας μεγαλύτεη αντοχή. Επίσης, έχουν υψηλό βαθμό απόδοσης, περίπου 60%, όταν τροφοδοτούνται με καθαρό υδρογόνο, ενώ με χρήση ενός επεξεργαστή καυσίμου μπορούν 22

33 να λειτουργήσουν και με συμβατικά καύσιμα, όπως το φυσικό αέριο και η βενζίνη με απόδοση περίπου 40%. Λόγω των πλεονεκτημάτων τους, οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων έχουν βρει ευρεία χρήση σε εφαρμογές που έχουν σχέση με τη μεταφορά. Έτσι, χάρις στο γρήγορο χρόνο εκκίνησης και την ευνοϊκή αναλογία ισχύος προς βάρος είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για χρήση σε επιβατικά οχήματα, όπως αυτοκίνητα και λεωφορεία. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλες εφαρμογές, όπως οι μονάδες εφεδρικής ισχύος, οι φορητές μονάδες ισχύος και τα κατανεμημένα συστήματα παραγωγής. Εικόνα 8: Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων [xi] Ωστόσο, οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων έχουν και ένα βασικό μειονέκτημα. Για την ομαλή λειτουργία τους απαιτούν τη χρήση ενός καταλύτη ευγενούς μετάλλου, συνήθως πλατίνα, για το διαχωρισμό των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων του υδρογόνου. Ο καταλύτης αυτός προσθέτει στο κόστος του συστήματος, ενώ είναι εξαιρετικά ευαίσθητος στο μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Έτσι, εάν το υδρογόνο προέρχεται από κάποια αλκοόλη ή από κάποιον υδρογονάνθρακα, πρέπει πριν τη χρήση του να καθαριστεί απο τυχόν ρύπους μονοξειδίου του άνθρακα, διαδικασία η οποία επίσης αυξάνει το κόστος. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έρευνες γίνονται πάνω σε καταλύτες πλατίνας/ρουθηνίου, οι οποίοι είναι πιο ανθεκτικοί στο μονοξείδιο του άνθρακα [9], [xi]. 23

34 2.4.2 Αλκαλική κυψέλη καυσίμου (AFC) Η αλκαλική κυψέλη κασίμου ήταν μία από τις πρώτες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου που αναπτύχθηκαν. Αναπτύχθηκε για διαστημικές εφαρμογές τη δεκαετία του 1960 και χρησιμοποιήθηκε για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας και νερού στο διαστημικό όχημα Apollo, ενώ πιο πρόσφατα χρησιμοποιήθηκε και από τα διαστημικά λεωφορεία της ΝΑΣΑ (Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis, Endeavour και Enterprise). Η αλκαλική κυψέλη κασίμου (Εικόνα 9) χρησιμοποιεί ως ηλεκτρολύτη διάλυμα υδροξυλίου του καλίου (KOH). Ως καταλύτης στην άναδο και την κάθοδο μπορεί να χρησιμοποιειθεί ένα ευρύ φάσμα μετάλλων. Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι: Στην άνοδο H2 + 2OH - 2H2O + 2e - (2.4) Στην κάθοδο ½O2 + H2O + 2e - 2OH - (2.5) Οπότε συνολικά έχουμε: H2 + ½O2 H2O + electric energy + heat (2.6) Τα αρνητικά ιόντα του υδροξειλίου (OH - ) είναι το αγώγιμο τμήμα του ηλεκτρολύτη. Επειδή το KOH έχει την υψηλότερη αγωγιμότητα μεταξύ των αλκαλικών υδροξειδίων, προτιμάται σαν ηλεκτρολύτης. Εικόνα 9: Αλκαλική κυψέλη καυσίμου Βασικό πλεονεκτήμα της αλκαλικής κυψέλης καυσίμου αποτελεί ο υψηλός βαθμός απόδοσής της. Η απόδοσή της εξαρτάται κυρίως από το ρυθμό με τον οποίο πραγματοποιούνται οι χημικές αντιδράσεις, οι οποίες συμβαίνουν εντός της κυψέλης. Καλά σχεδιασμένες αλκαλικές κυψέλες καυσίμου έχουν αποδοτικότητα μέχρι και 60%. 24

35 Ωστόσο, η αλκαλική κυψέλη καυσίμου έχει και ένα βασικό μειονέκτημα. Είναι υπερβολικά ευαίσθητη στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Ακόμα και πολύ μικρές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα επηρεάζουν σημαντικά τη συμπεριφορά της κυψέλης αυτής και μειώνουν το χρόνο ζωής της. Έτσι, απαιτείται ο καθαρισμός τόσο του υδρογόνου όσο και του οξυγόνου, πριν να χρησιμοποιηθούν στην κυψέλη. Η διαδικασία του καθαρισμού έχει υψηλό κόστος, με αποτέλσεμα η αλκαλική κυψέλη καυσίμου να χρησιμοποιείται περισσότερο για διαστημικές αποστολές. Στη γη χρησιμοποιείται σπανιότερα στο στρατό, στις μεταφορές και ως μονάδα εφεδρικής ισχύος [10], [xi] Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC) Η κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος αποτελεί την πρώτη τεχνολογία κυψελών καυσίμου που εμπορευματοποιήθηκε. Χρησιμοποιείται κυρίως σε κατανεμημένα συστήματα παραγωγής, τα περισσότερα από τα οποία παράγουν από 50kW έως 200kW, ενώ έχουν κατασκευαστεί και μεγαλύτερες μονάδες με ισχύ από 1MW έως 5MW. Το μεγαλύτερο εργοστάσιο που λειτουργεί σήμερα με κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος κατάφερε την παραγωγή 11MW ισχύος με την ποιότητα του δικτύου εναλλασσομένου ρεύματος (ac). Επίσης, αυτός ο τύπος κυψέλης καυσίμου χρησιμοποιείται σπανιότερα και για την τροφοδοσία μεγάλων οχημάτων, όπως τα λεωφορεία. Οι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος χρησιμοποιούν υγρό φωσφορικό οξύ ως ηλεκτρολύτη και πορώδη ηλεκτρόδια από άνθρακα, τα οποία περιέχουν πλατινένιο καταλύτη. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι (Εικόνα 10): Στην άνοδο H2 2H + + 2e - (2.7) Στην κάθοδο ½O2 + 2H + + 2e - H2O (2.8) Οπότε συνολικά έχουμε: ½O2 + H2 H2O (2.9) Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου φωσφορικού οξέος είναι η μεγάλη ανοχή που παρουσιάζουν σε μη καθαρά καύσιμα. Έτσι, ακόμα και ορυκτά καύσιμα που έχουν αναμορφωθεί σε υδρογόνο και περιέχουν λίγες ακαθαρσίες δεν επηρεάζουν την ομαλή λειτουργία αυτού του τύπου κυψέλης καυσίμου. Επιπλέον, όταν χρησιμοποιούνται για τη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας πετυχαίνουν εξαιρετικά καλές αποδόσεις φτάνοντας μέχρι και το 85%. Αντίθετα, όταν χρησιμοποιούνται μόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας η απόδοσή τους κυμαίνεται μεταξύ 37% και 42%. Βασικό μειονέκτημα των κυψελών καυσίμου φωσφορικού οξέος, όπως και των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, αποτελεί η ανάγκη για χρήση 25

36 πλατινένιου καταλύτη, ο οποίος αυξάνει αισθητά το κόστος του συστήματος. Έπειτα, παράγουν λιγότερη ισχύ, για δεδομένο βάρος και όγκο, σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου. Έτσι συνήθως είναι ογκώδη και βαριά και γι αυτό χρησιμοποιούνται κυρίως σε στατικές εφαρμογές, ενώ αποφεύγεται η χρήση τους στα οχήματα. Τέλος, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας στην οποία λειτουργούν, περίπου 200 C, απαιτούν σχετικά μεγάλους χρόνους εκκίνησης [10], [viii]. Εικόνα 10: Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος [xi] Κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων (MCFC) Οι κυψέλες καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων αναπτύσσονται κυρίως για μονάδες ηλεκτροπαραγωγής που παράγουν ισχύ από το φυσικό αέριο και τον άνθρακα. Επίσης, χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί εταιρίες, τόσο στην Αμερική όσο και στην Ευρώπη και την Ιαπωνία, οι οποίες προσπαθούν να πετύχουν την εμπορευματοποίηση αυτού του τύπου κυψέλης καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων λειτουργούν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως 650 C και άνω. Χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρολύτη αποτελούμενο από ένα μίγμα τηγμένου ανθρακικού άλατος, ο οποίος βρίσκεται εντός ενός πορώδους, κεραμικού, χημικά αδρανούς δοχείου από οξείδιο λιθίου αργιλίου (LiAlO2). Λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας στην οποία λειτουργούν, μη πολύτιμα μέταλλα μπορούν να 26

37 χρησιμοποιηθούν ως καταλύτες στην άνοδο και την κάθοδο, μειώνοντας έτσι το κόστος της διάταξης. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι (Εικόνα 11): Στην άνοδο H2 + CO3 2- H2O + CO2 + 2e - (2.10) Στην κάθοδο ½O2 + CO2 + 2e - CO3 2- (2.11) Οπότε συνολικά έχουμε: H2 + ½O2 + CO2(κάθοδος) H2O + CO2(άνοδος) (2.12) Εικόνα 11: Κυψέλη καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων [xi] Βασικό πλεονέκτημα των κυψελών καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων αποτελεί ο υψηλός βαθμός απόδοσης, οποίος φτάνει το 85%, όταν η θερμότητα που αποβάλλεται από το σύστημα συλλαμβάνεται και αξιοποιείται. Ακόμα και όταν η θερμότητα τους δεν αξιοποιείται και οι κυψέλες καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων χρησιμοποιούνται μόνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αν συνδυστούν με έναν στρόβυλο η αποτελεσματικότητά τους προσεγγίζει το 65%. Έπειτα, σε αντίθεση με τις περισσότερες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου, δεν είναι επιρρεπείες ούτε σε μονοξείδιο ούτε σε διοξείδιο του άνθρακα, ενώ μπορούν να χρησιμοποιήσουν και οξείδια του άνθρακα ως καύσιμο. Το κύριο μειονέκτημα της τρέχουσας τεχνολογίας κυψελών καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων είναι η μικρή ανθεκτικότητα. Οι υψηλές θερμοκρασίες στις οποίες λειτουργούν και ο διαβρωτικός ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιούν επιταχύνουν αισθητά τη διάβρωση και την κατάρρευση των υλικών τους, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο χρόνος ζωής της κυψέλης καυσίμου. Επιπλέον, έχουν μεγάλους χρόνους εκκίνησης, λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας, στην οποία λειτουργούν. Τέλος, παρουσιάζουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος για τον όγκο που καταλαμβάνουν και το βάρος τους [10], [xi]. 27

38 2.4.5 Κυψέλη καυσίμου στερεών οξειδίων (SOFC) Οι κυψέλες καυσίμου στερεών οξειδίων χρησιμοποιούν σκληρούς, μη πορώδης κεραμικούς ηλεκτρολύτες. Γι αυτό είναι γωνστές και ως κεραμικές κυψέλες καυσίμου. Λειτουργούν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως στους 1000 C, γεγονός που, όπως και στις κυψέλες καυσίμου τήγματος ανθρακικών αλάτων, επιτρέπει τη χρήση καταλύτη από μη πολύτιμα μέταλλα, μειώνοντας έτσι το κόστος της διάταξης. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι (Εικόνα 12): Στην κάθοδο O2 + 4e - 2O 2- (2.13) Στην άνοδο H2 + O 2- H2O + 2e - (2.14) Οπότε συνολικά έχουμε: H2 + ½O2 H2O (2.15) Εικόνα 12: Κυψέλη καυσίμου στερεών οξειδίων [xi] Κύριο πλεονέκτημα των κυψελών στερεών οξειδίων αποτελεί ο υψηλός βαθμός απόδοσης, ο οποίος κυμαίνεται μεταξύ 50% και 60%, για τη μετατροπή του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Όμως, η απόδοσή τους προσεγγίζει το 80% με 85% σε εφαρμογές που έχουν σχεδιαστεί για να αξιοποιούν τη θερμότητα που αποβάλλουν. Επιπλέον, είναι οι πιο ανθεκτικές κυψέλες καυσίμου στο θείο και δε δηλητηριάζονατι από μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και ως καύσιμο. Η ιδιότητά τους αυτή, τους επιτρέπει να χρησιμοποιούν ακόμα και αερία κατασκευασμένα από άνθρακα ως καύσιμο. 28

39 Οι εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας των κυψελών καυσίμου στερεών οξειδίων αποτελούν και το βασικό τους μειονέκτημα. Οι θερμοκρασίες αυτές έχουν ως συνέπεια αρκετά αργή εκκίνηση και την απαίτηση για πολύ καλή θερμική θωράκιση για τη διατήρηση της θερμότητας και την προστασία του προσωπικού. Επίσης, οι υψηλές θερμοκρασίες επιβάλλουν και υψηλές απαιτήσεις ανθεκτικότητας των υλικών, καθώς υπάρχει ο κίνδυνος της διάβρωσης και της καταστροφής των υλικών τους, αυξάνοντας έτσι το κόστος της διάταξης αισθητά. Αυτά τα μειονεκτήματα καθιστούν τη χρήση των κυψελών καυσίμου στερεών οξειδίων αδύνατη για μεταφορά και άλλες μικρές φορητές εφαρμογές. Έτσι, χρησιμοποιούνατι κυρίως ως μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας [11], [xi]. 29

40 30

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 3.1 Εισαγωγή Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος (dc-dc converters) είναι διατάξεις ισχύος, οι οποίες επιτρέπουν τη μετατροπή μιας τάσης συνεχούς μορφής, σε συνεχή τάση με ρυθμιζόμενο σταθερό πλάτος ή και πολικότητα. Ένας απλός διακοπτικός μετατροπέας συνεχούς ρεύματος αποτελείται από ένα διακοπτικό στοιχείο και ένα κατωδιαβατό φίλτρο εξόδου (Εικόνα 13). Οι διακοπτικοί μετατροπείς χρησιμοποιούν διακόπτες, οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες, για να πετυχαίνουν τη μετατροπή της συνεχούς τάσης. Έτσι, η συνεχής τάση εισόδου μετατρέπεται σε μια μεταβαλλόμενη τάση υψηλής συχνότητας, από την οποία στη συνέχεια λαμβάνεται η ελεγχόμενη συνεχής τάση εξόδου, μέσω φιλτραρίσματος ή και ανόρθωσης. Εικόνα 13: Δομή ενός μετατροπέα συνεχούς ρεύματος [12] Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές όπως τα τροφοδοτικά των υπολογιστών, των κινητών τηλεφώνων, τα συτήματα ισχύος των διαστημοπλοίων, ο τηλεπικοινωνιακός εξοπλισμός, καθώς και οι μηχανές συνεχούς ρεύματος. Τα τελευταία χρόνια βρίσκουν ευρεία απήχηση σε εφαρμογές που σχετίζονται με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και με κυψέλες καυσίμου. Αυτό συμβαίνει λόγω της απαίτησης για σταθεροποίηση της τάσης εξόδου ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης εισόδου και του φορτίου. Με άλλα λόγια πετυχαίνουμε τη σταθεροποήση του πλάτους της τάσης εξόδου των φωτοβολταϊκών, των ανεμογεννητριών και των κυψελών καυσίμου, το οποίο θα 31

42 μεταβαλλόταν ανάλογα με τις μεταβολές της ηλιοφάνειας, του ανέμου και της παροχής καυσίμου αντίστοιχα, καθώς και με τις μεταβολές του φορτίου. Οι μετατριπείς συνεχούς ρεύματος διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες, με βάση τη χρήση ή όχι μετασχηματιστή απομόνωσης. Για λόγους απλότητας θα ασχοληθούμε μόνο με τους μετατροπείς συνεχούς ρεύματος χωρίς γαλβανική απομόνωση της εξόδου από την είσοδο. Οι βασικές τοπολογίες τους παρουσιάζονται συνοπτικά στη συνέχεια [12], [13]. 3.2 Μετατροπέας τύπου Buck Ο μετατροπέας τύπου Buck (Εικόνα 14) είναι ένας μετατροπέας υποβιβασμού της τάσης, δηλαδή η μέση τιμή της τάσης εξόδου είναι μικρότερη από την αντίστοιχη της τάσης εισόδου. Το πλάτος της τάσης εξόδου ελέγχεται μέσω του χρόνου αγωγής του διακοπτικού στοιχείου (S). Για όσο χρόνο ο διακόπτης παραμένει κλειστός, το πηνίο διαρρέεται από ρεύμα και η εναλλασσόμενη συνιστώσα περνάει από τον πυκνωτή, ενώ η συνεχής από το φορτίο. Αντίθετα, για όσο χρόνο ο διακόπτης παραμέναι ανοιχτός, η αποθηκευμένη ενέργεια στο πηνίο δημιουργεί ένα ρεύμα εκφόρτισης που διαρρέει το κύκλωμα μέσω της διόδου, η οποία πολώνεται ορθά. Εικόνα 14: Μετατροπέας τύπου Buck [xii] Το LC φίλτρο εξόδου επιλέγεται έτσι ώστε η συχνότητα αποκοπής του να είναι αρκετά μικρότερη από τη συχνότητα του διακοπτικού στοιχείου. Σκοπός του φίλτρου είναι να αποκόπτει τις αρμονικές που δημιουργούνται κατά τη διακοπτική λειτουργία του μετατροπέα, περιορίζοντας έτσι σε μεγάλο βαθμό την κυμάτωση της τάσης εξόδου. Το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο (IL) ισούται με τη συνεχή συν την εναλλασόμενη συνιστώσα. Σε καθαρά ωμικό φορτίο μεταφέρεται μόνο η συνεχής συνιστώσα του ρεύματος του πηνίου, ενώ στην περίπτωση του ωμικοεπαγωγικού φορτίου μεταφέρεται και ένα 32

43 ποσοστό της εναλλασσόμενης συνιστώσας του. Ο μηδενισμός ή όχι του ρέυματος του πηνίου, διακρίνει τη λειτουργεία του μετατροπέα σε λειτουργία με ασυνεχή αγωγή του ρεύματος (DCM) και σε λειτουργία με συνεχή αγωγή του ρεύματος (CCM) αντίστοιχα. Ανάλογα με τη λειτουργία του μετατροπέα ισχύουν και διαφορετικές εξισώσεις. Συνήθως όλοι οι μετατροπείς λειτουργούν με συνεχή αγωγή, καθώς ο έλεγχός τους γίνεται αισθητά απλούστερος. Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα με συνεχή αγωγή του ρεύματος ισχύουν: (Vin - Vo)DTs = Vo(1 - D)Ts D = V o V in (3.1) Vripple(p-p) = π2 V o (1 D)( f c) 2 (3.2) 2 f s Όπου: fs = 1 T s : η διακοτική συχνότητα του σιακόπτη D = t on T s 1 fc = 2π LC : ο κύκλος λειτουργίας (duty cycle) του διακόπτη : η συχνότητα αποκοπής του LC φίλτρου Οι κυματομορφές σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζονται σετη Εικόνα 15. Εικόνα 15: Buck συνεχής αγωγή του ρεύματος [xii] Εικόνα 16: Buck ασυνεχής αγωγή του ρεύματος [xii] Το όριο της συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής καθορίζεται από την τιμή του ρεύματος που διαρρέει την επαγωγή, η οποία δίνεται από τη σχέση: Iolim = V o (1 D)T s 2L (3.3) Τέλος, ο μετατροπέας λειτουργεί με ασυνεχή αγωγή, όταν η τιμή του ρεύματος που διαρρέει την επαγωγή είναι μικρότερη από αυτήν του οριακού ρεύματος. Η λειτουργία του μετατροπέα με ασυνεχή αγωγή έχει τα πλεονεκτήματα της ταχήτερης δυναμικής απόκρισης 33

44 και του μικρότερου όγκου, ωστόσο απαιτεί σημαντικά πολυπλοκότερο έλεγχο. Στην συγκεκριμένη περίπωση ισχύουν: ILmin = 0 (3.4) Vo = D(1 D)V in T s 2L (3.5) Οι κυματομορφές σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζονται στην Εικόνα 16 [13], [14], [15], [xii]. 3.3 Μετατροπέας τύπου Boost Ο μετατροπέας τύπου Boost (Εικόνα 17) είναι ένας μετατροπέας ανύψωσης της τάσης, δηλαδή η μέση τιμή της τάσης εξόδου είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη της τάσης εισόδου. Το πλάτος της τάσης εξόδου και σε αυτήν την περίπτωση ελέγχεται μέσω του χρόνου αγωγής του διακοπτικού στοιχείου (S). Για όσο χρόνο ο διακόπτης παραμένει κλειστός, το πηνίο αποθηκεύει την ενέργεια από την είσοδο με τη μορφή μαγνητικού πεδίου, ενώ η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, απομονώνοντας τη βαθμίδα εξόδου. Αντίθετα, για όσο χρόνο ο διακόπτης παραμέναι ανοιχτός, η αποθηκευμένη ενέργεια στο πηνίο μαζί με την ενέργεια από την είσοδο μεταφέρονται στην έξοδο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η τάση εξόδου του μετατροπέα να είναι πάντα μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Για το LC φίλτρο εξόδου ισχύει ότι και στην περίπτωση του Buck μετατροπέα. Βασική προϋπόθεση όμως είναι ο πυκνωτής εξόδου του Boost μετατροπέα να είναι αρκετά μεγάλος, ώστε να μπορεί να εξασφαλίζει μια σταθερή τάση εξόδου. Εικόνα 17: Μετατροπέας τύπου Boost [xiii] Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα με συνεχή αγωγή του ρεύματος ισχύουν: V o V in = 1 (1 D) (3.6) Vripple(p-p) = V o R L C DT s (3.7) 34

45 Οι κυματομορφές σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζονται σετη Εικόνα 18. Στο μετατροπέα ανύψωσης της τάσης, η μέση τιμή του ρεύματος στην επαγωγή δεν είναι ίση με το ρεύμα στο φορτίο, όπως συνέβαινε στον μετατροπέα υποβιβασμού της τάσης. Εδώ το ρεύμα της επαγωγής είναι ίσο με το ρεύμα εισόδου IL = Iin. Έτσι, στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής το ρεύμα του φορτίου δίνεται από τη σχέση: Iolim = V o T s 2L (1 D)2 D (3.8) V o V in = D+δ 1 δ 1 Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα με ασυνεχή αγωγή του ρεύματος ισχύει: Οι κυματομορφές σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζονται στην Εικόνα 19 [13], [14], [15], [xiii]. (3.9) Εικόνα 18: Boost συνεχής αγωγή του ρεύματος [xiii] Εικόνα 19: Boost ασυνεχής αγωγή του ρεύματος [xiii] 3.4 Μετατροπέας τύπου Buck - Boost Ο μετατροπέας τύπου Buck - Boost (Εικόνα 20) είναι ένας μικτός μετατροπέας, ο οποίος χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπου η τάση εξόδου είναι επιθυμητό να είναι είτε μικρότερη είτε μεγαλύτερη από τη τάση εισόδου. Ουσιαστικά πρόκειται για εναν εν σειρά συνδυασμό ενός μετατροπέα υποβιβασμού και ενός ανύψωσης της τάσης. Κύριο γνώρισμα αυτού του μετατροπέα είναι η αναστροφή της πολικότητας της τάσης εξόδου σε σχέση με την τάση εισόδου. Για όσο χρόνο ο διακόπτης παραμένει κλειστός, το πηνίο αποθηκεύει την ενέργεια από την είσοδο με τη μορφή μαγνητικού πεδίου, ενώ η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, απομονώνοντας τη βαθμίδα εξόδου, ακριβώς όπως συμβαίνει και στον 35

46 μετατροπέα ανύψωσης της τάσης. Αντίθετα, για όσο χρόνο ο διακόπτης παραμέναι ανοιχτός, η αποθηκευμένη ενέργεια στο πηνίο μεταφέρεται στην έξοδο, ενώ η είσοδος δεν παρέχει ενέργεια. Για το LC φίλτρο εξόδου ισχύει ότι και στις προηγούμενες περιπτώσεις. Βασική προϋπόθεση και εδώ είναι ο πυκνωτής εξόδου να είναι αρκετά μεγάλος, ώστε να μπορεί να εξασφαλίζει μια σταθερή τάση εξόδου. Εικόνα 20: Μετατροπέας τύπου Buck Boost [xiv] Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα με συνεχή αγωγή του ρεύματος ισχύουν: V o V in = D (1 D) (3.6) Vripple(p-p) = V o R L C DT s (3.7) Οι κυματομορφές σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζονται σετη Εικόνα 21. Όταν η ενέργεια της επαγωγής μηδενίζεται ακριβώς στο τέλος της περιόδου Ts, ο μετατροπέας λειτουργεί στο όριο της συνεχούς αγαωγής του ρεύματος. Τότε για την τιμή του ρεύματος εξόδου ισχύει: Iolim = V o T s 2L (1 D)2 (3.8) Εικόνα 21: Buck Boost συνεχής αγωγή του Ρεύματος [xiv] Εικόνα 22: Buck - Boost ασυνεχής αγωγή του ρεύματος [xiv] 36

47 V o V in = D δ 1 Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα με ασυνεχή αγωγή του ρεύματος ισχύει: Οι κυματομορφές σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζονται στην Εικόνα 22 [13], [14], [15], [xiv]. (3.9) 3.5 Μετατροπέας με πλήρη γέφυρα Ο μετατροπέας πλήρους γέφυρας (Εικόνα 23) αποτελείται από δύο σκέλη το Α και το Β. Το κάθε σκέλος περιλαμβάνει δυο πλήρως ελεγχόμενους διακόπτες, αντιπαράλληλα με τους οποίους συνδέονται δίοδοι. Από τους δύο διακόπτες κάθε σκέλους, ο ένας είναι σε κατάσταση αγωγιμότητας και ο άλλος σε αποκοπή. Εικόνα 23: Μετατροπέας πλήρους γέφυρας [13] Ο μετατροπέας πλήρους γέφυρας χειρίζεται μεγάλα ποσά ισχύος και στα τέσσερα τεταρτημόρια του επιπέδου io uo. Επιτρέπει την ανάπτυξη τάσης στην έξοδο με θετική ή αρνητική πολικότητα, ενώ το ρεύμα ρέει με οποιαδήποτε φορά. Έτσι, επιτρέπει την αμφίδρομη ροή ισχύος μεταξύ εισόδου και εξόδου, ιδιότητα που δεν έχουν οι προηγούμενοι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος καθώς όλοι λειτουργούν στο ένα τεταρτημόριο. Ωστόσο, όπως και στους υπόλοιπους μετατροπείς είναι απαραίτητη η χρήση LC φίλτρου εξόδου για την αποκοπή των αρμινικών και τον περιορισμό της κυμάτωσης της τάσης εξόδου. 37

48 Με την κατάλληλη ρύθμιση των διακοπτών του μετατροπέα πλήρους γέφυρας της Εικόνας 23 είναι δυνατή η μεταροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας - inverter) και η μετατροπή της συνεχούς τάσης σε συνεχή με ρυθμιζόμενο πλάτος και πολικότητα (μετατροπέας συνεχούς ρεύματος - dc dc converter). Επίσης, τροποποιώντας ελαφρώς τη διάταξη της Εικόνας 23 είναι δυνατή και η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή (ανορθωτής - rectifier). Ωστόσο, δεν θα αναφερθούμε σε αυτήν τη λειτουργία του μετατροπέα γέφυρας, καθώς ξεφεύγει από τα όρια της διπλοματικής [13], [14], [15] Λειτουργία ως μετατροπέα συνεχούς ρεύματος Ο μετατροπέας πλήρους γέφυρας χρησιμοποιείται κυρίως στον έλεγχο της ταχύτητας των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, καθώς ο κινητήρας δρα ως φίλτρο για το ρεύμα εξόδου. Συγκρινόμενος με τους προηγούμενους μετατροπείς συνεχούς ρεύματος, έχει καλύτερα λειτουργικά χαρακτηριστικά, αλλά ο βαθμός αξιοπιστίας των διακοπτών του (ισχύς εξόδου μετατροπέα/ισχύς διακοπτών) είναι αρκετά μικρότερος. Κατά τον έλεγχο των διακοπτών του χρησιμοποιούνται δύο τεχνικές, η διαμόρφωση εύρους παλμών με διπολική τάση εξόδου (PWM with bipolar voltage switching) και η διαμόρφωση εύρους παλμών με μονοπολική τάση εξόδου (PWM with unipolar voltage switching). Κατά τη διαμόρφωση εύρους παλμών με διπολική τάση εξόδου, τα σήματα ελέγχου των διακοπτών παράγονται από τη σύγκριση μιας τριγωνικής περιοδικής κυματομορφής, η οποία οριζει τη διακοπτική συχνότητα fs, με την τάση ελέγχου uc. Όταν η τάση ελέγχου είναι μεγαλύτερη από την τριγωνική κυματομορφή (uc > utr), άγουν οι διακόπτες S1 και S2 και η τάση εξόδου είναι ίση με την τάση εισόδου Vin. Στην αντίθετη περίπτωση (uc < utr), άγουν οι διακόπτες S3 και S4 και η τάση εξόδου είναι ίση με -Vin. Το ζεύγος των διακοπτών S1 και S2 λειτουργεί με κύκλο λειτουργίας D1 και το ζεύγος των διακοπτών S3 και S4 με κύκλο λειτουργίας D2. Στην τεχνική PWM με διπολική τάση εξόδου ισχύουν: D1 = 1 2 (1 + u c Ṽ tr ) (3.10) D2 = 1 D1 (3.11) V o V in = u c Ṽ tr (3.12) Όπου: Ṽtr : το μέγιστο της τάσης ελέγχου uc Στην τεχνική PWM με μονοπολική τάση εξόδου, η μορφή της τάσης εξόδου βελτιώνεται, καθώς η τριγωνική κυματομορφή συγκρίνεται εκτός από το κύριο σήμα ελέγχου 38

49 uc και με το αρνητικό του uc = -uc. Από τη σύγκριση των σημάτων uc και utr προκύπτουν οι παλμοί οδήγησης των διακοπτών του σκέλους Α. Αντίστοιχα, από τη σύγκριση των σημάτων uc και utr προκύπτουν οι παλμοί οδήγησης των διακοπτών του σκέλους Β. Έτσι, οι διακόπτες στα δύο σκέλη του μετατροπέα ελέγχονται ανεξάρτηατα. Αν D1 ο κύκλος λειτουργίας των διακοπτών του σκέλους Α και D2 ο κύκλος λειτουργίας του σκέλους Β, τότε ισχύουν ακριβώς οι ίδιες σχέσεις ( ) με την τεχνική με διπολική τάση εξόδου. Το κύριο πλεονέκτημα της PWM τεχνικής με μονοπολική τάση εξόδου, είναι ότι η τάση εξόδου μεταβάλλεται είτε μεταξύ του μηδέν και της θετικής τάσης +Vin όταν uc > 0, είτε μεταξύ του μηδέν και της αρνητικής τάσης -Vin όταν uc < 0. Επιπλέον, η συχνότητα της τάσης εξόδου είναι διπλάσια, σε σχέση με τη συχνότητα λειτουργίας των διακοπτών fs, η οποία είναι ίση με τη συχνότητα του τριγωνικού σήματος [13], [14], [15] Λειτουργία ως αντιστροφέα Στη λειτουργία του μετατροπέα πλήρους γέφυρας ως μετατροπέα συνεχούς ρεύματος, οι παλμοί έναυσης των διακοπτών παράγονταν από τη σύγκριση μιας σταθερής τάσης ελέγχου με μια περιοδική τριγωνική κυματομορφή, η οποία ορίζει τη διακοπτική συχνότητα. Αντίστοιχα στο μονοφασικό αντιστροφέα, οι διακόπτες του μετατροπέα πλήρους γέφυρας ελέγχονται από τους παλμούς που προκύπτουν από τη σύγκριση της ίδιας τριγωνικής κυματομορφής, με ένα ημιτονοειδές σήμα ελέγχου: uc = Ṽcsin(ω1t) (3.13) Η συχνότητα του ημιτονοειδούς σήματος ελέγχου ορίζει τη θεμελιώδη συχνότητα της τάσης εξόδου, η οποία έχει μαλμική μορφή. Επομένως, η τάση εξόδου δεν είναι ημιτονοειδής, αλλά περιέχει αρμονικές. Οι αρμονικές αυτές είναι οι ελάχιστες δυνατές όταν το σήμα ελέγχου έχει ημιτονοειδή μορφή. Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής ονομάζεται φέρουσα συχνότητα fc. Ο λόγος της φέρουσας προς τη θεμελιώδη συχνότητα ονομάζεται συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας kf: kf = f c f 1 (3.14) Ο λόγος του πλάτους του σήματος ελέγχου προς το πλάτος του τριγωνικού σήματος, ονομάζεται συντελεστής διαμόρφωσης kα: kα = Ṽ c Ṽ tr (3.15) Όπως στους μετατροπέις συνεχούς ρεύματος, έτσι και στους αντιστροφέις κατά τον έλεγχο των διακοπτών υπάρχουν δύο παραλλαγές της ημιτονοειδούς PWM τεχνικής, η 39

50 ημιτονοειδείς PWM τεχνική με διπολική τάση εξόδου (sinusoidal PWM with bipolar voltage switching) και η ημιτονοειδείς PWM τεχνική με μονοπολική τάση εξόδου (sinusoidal PWM with unipolar voltage switching). Στην ημιτονοειδή PWM τεχνική με διπολική τάση εξόδου (Εικόνα 24), όπως και στους μετατροπέις συνεχούς ρεύματος, όταν η τάση ελέγχου είναι μεγαλύτερη από την τριγωνική κυματομορφή (uc > utr), άγουν οι διακόπτες S1 και S2 και η τάση εξόδου είναι ίση με την τάση εισόδου Vin. Στην αντίθετη περίπτωση (uc < utr), άγουν οι διακόπτες S3 και S4 και η τάση εξόδου είναι ίση με -Vin. Σε αυτήν την τεχνική ο συντελεστής kf πρέπει να είναι ακέραιος και περιττός αριθμός, μεγαλύτερος του εννέα (kf > 9). Τότε η τάση εξόδου περιέχει μόνο περιττές αρμονικές, οι οποίες εμανίζονται ως πλευρικές ζώνες γύρω από τη φέρουσα συχνότητα και τα πολλαπλάσιά της δεν εξαρτώνται από την τιμή του kf. fh = (jkf ± i)f1 (3.16) Επιπλέον αν ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους είναι μικρότερος της μονάδος (kα < 1), η θεμελιώδης συνιστώσα της τάσης εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με την τάση ελέγχου. (Ṽo)1 = kαvin (3.17) Εικόνα 24: Ημιτονοειδής PWM με διπολική τάση εξόδου [14] 40

51 Στην ημιτονοειδή PWM τεχνική με μονοπολική τάση εξόδου (Εικόνα 25), η τριγωνική κυματομορφή συγκρίνεται εκτός από το κύριο ημιτονοειδές σήμα ελέγχου uc και με το αρνητικό του uc = -uc. Από τη σύγκριση των σημάτων uc και utr προκύπτουν οι παλμοί οδήγησης των διακοπτών του σκέλους Α. Αν uc > utr τότε S1 ON και S4 OFF (3.18) Αν uc < utr τότε S1 OFF και S4 ON (3.19) Αντίστοιχα, από τη σύγκριση των σημάτων uc και utr προκύπτουν οι παλμοί οδήγησης των διακοπτών του σκέλους Β. Αν uc > utr τότε S3 ON και S2 OFF (3.20) Αν uc < utr τότε S3 OFF και S2 ON (3.21) Στην ημιτονοειδή PWM τεχνική με μονοπολική τάση εξόδου, ο συντελεστής kf λαμβάνει άρτιες τιμές. Έτσι, στη τάση εξόδου εμφανίζονται αποκλειστικά περιττές αρμονικές. Η τιμή της κορυφής της θεμελιώδους συνιστώσας της τάσης εξόδου ορίζεται από την ίδια ακριβώς σχέση (σχέση 3.17) με την ημιτονοειδή PWM τεχνική με διπολική τάση εξόδου. Το κύριο πλεονέκτημα της ημιτονοειδούς PWM τεχνικής με μονοπολική τάση εξόδου, είναι ο διπλασιασμός της συχνότητας των αρμονικών στην τάση εξόδου, σε σχέση με τη φέρουσα συχνότητα [13], [14], [15]. fh = (jkf ± i)f1 (3.22) 41

52 Εικόνα 25: Ημιτονοειδής PWM με μονοπολική τάση εξόδου [14] 42

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ 4.1 Εισαγωγη Στο παρών κεφάλαιο θα γίνει περιγραφή της πειραματικής διάταξης (Εικόνα 26), η οποία χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη συμπεριφορά μιας στοίβας κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM FC), τόσο στη μόνιμη όσο και τη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε η κυψέλη καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Ballard Power Systems (Εικόνα 27). Εικόνα 26: Χρησιμοποιηθείσα πειραματική διάταξη Ακόμα, καταγράφονται χαρακτηριστικά μεγέθη της κυψέλης καυσίμου, μεταβάλλοντας διάφορες παραμέτρους που επηρεάζουν τη λειτουργία της. Ως φορτίο χρησιμοποιήθηκε μία μεταβλητή ωμική αντίσταση (cosφ = 0), η οποία λάμβανε τιμές από 0 έως 85,2 Ω (Εικόνα 28). Οι μετρήσεις αυτές βοηθούν στη γεφύρωση της θεωρείας με την πράξη και πραγματοποιούνται με τη βοήθεια ενός προσωπικού ηλεκτρονικού υπολογιστή, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με την κυψέλη καυσίμου. 43

54 Εικόνα 27: Χρησιμοποιηθείσα κυψέλη καυσίμου Εικόνα 28: Χρησιμοποιηθείσα μεταβλητή ωμική αντίσταση 4.2 Χαρακτηριστικά της κυψέλης καυσίμου Το 1.2kW Nexa Power Module αποτελείται από 47 κελιά καυσίμου με ενεργό εμβαδόν 110cm 2 το κάθε ένα. Aποδίδει 1200W υπό ονομαστική τάση λειτουργίας 26V. Η τάση εξόδου κυμαίνεται μεταξύ 26V στην περίπτωση του πλήρους φορτίο και 46V σε κατάσταση ανοικτοκυκλώματος. Στον πίνακα 3 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά της συστοιχίας, όπως αυτά παρατίθενται στο εγχειρίδιο της κατασκευάστριας εταιρίας [16]. 44

55 Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά της χρησιμοποιηθήσας κυψέλης καυσίμου [16] Πρόκειται για ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα κελιών καυσίμου, το οποίο περιλαμβάνει μία σειρά από υποσυστήματα (Εικόνα 29). Η συστοιχία ψύχεται με ανεμιστήρα (cooling fan), ώστε η θερμοκρασία της να διατηρείται κάτω από τους 65 ο C. Επίσης, υπάρχει εξωτερική μπαταρία για την επίτευξη της εκκίνησης και της διακοπής της λειτουργίας της συστοιχίας [16]. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται συνοπτικά τα επιμέρους υποστίριξης της κυψέλης καυσίμου. 45

56 Εικόνα 29: Δομική απεικόνιση της πειραματικής συστοιχίας [16] Σύστημα παροχής υδρογόνου Η συστοιχία λειτουργεί με καθαρό υδρογόνο (99.99%). Το σύστημα τροφοδοσίας υδρογόνου είναι από τα πλέον πολύπλοκα, καθώς παρακολουθεί και ρυθμίζει την παροχή υδρογόνου στην είσοδο της συστοιχίας. Αποτελείται από τα εξής μέρη: Αισθητήρας πίεσης, ο οποίος παρακολουθεί τις συνθήκες παροχής υδρογόνου και εξασφαλίζει την επαρκή παροχή του συστήματος με καύσιμα. Βαλβίδα εκτόνωσης της πίεσης, η οποία προστατεύει τα εξαρτήματα από υπερβολική αύξηση της πίεσης του καυσίμου. Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, η οποία παρέχει απομόνωση από την προμήθεια καυσίμου, κατά τη διαδικασία τερματισμού της λειτουργίας του συστήματος των κυψελών καυσίμου. Ρυθμιστή πίεσης, ο οποίος διατηρεί την κατάλληλη πίεση παροχής υδρογόνου στις κυψέλες καυσίμου. Ανιχνευτή διαρροής υδρογόνου, ο οποίος παρακολουθεί τη συγκέντρωση του καυσίμου και αν χρειαστεί τερματίζει τη λειτουργία του. 46

57 Καθώς το υδρογόνο εισέρχεται στο σύστημα από τις φιάλες, ο ρυθμιστή πίεσης προσασμόζει την πίεση του στα επιθυμητά επίπεδα. Κατά τη λειτουργία της συστοιχίας, άζωτο και το παραγώμενο νερό διασχίζουν τις μεμβράνες των κυψελών και σταδιακά συσσωρεύονται στο εισερχόμενο υδρογόνο. Αυτό έχει σαν συνέπεια τη σταθερή μείωση της απόδοσης ορισμένων βασικών κυτάρων καυσίμου, τα οποία ονομάζονται κύτταρα εκκαθάρισης (purge cells). Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος μία βαλβίδα εξαέρωσης του υδρογόνου στην έξοδο της στοίβας ανοίγει περιοδικά. Έτσι, καθαρίζονται τα αδρανή συστατικά στην άνοδο και αποκαθίστανται οι επιδόσεις του συστήματος. Μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό (μικρότερο του 1%) του παρεχόμενου υδρογόνου εξέρχεται από το σύστημα χωρίς να αντιδράσει. Το εξερχόμενο υδρογόνο διαφεύγει από τη συστοιχία μέσω του αέρα που ψύχει το σύστημα και αραιώνεται σε επίπεδα πολύ μικρότερα από το κατώτερο όριο αναφλεξιμότητάς του. Ο ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου εξασφαλίζει ότι το όριο αυτό δεν έχει απιτευχθεί [16] Σύστημα παροχής οξυγόνου Ο αέρας οδηγείται με κατάλληλο ρυθμό στην κάθοδο της συστοιχίας μέσω ενός μικρού σε μέγεθος συμπιεστή. Ο συμπιεστής ρυθμίζει την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται, ώστε να μπορεί να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις ρεύματος του φορτίου. Μεγαλύτερο φορτίο απαιτεί και περισσότερο ρεύμα και άρα και μεγαλύτερα ροή αέρα. Πριν να φτάσει στις κυψέλες καυσίμου, ο αέρας υγροποιείται, για να διατηρηθεί ο κορεσμός της μεμβράνης και να παραταθεί η διάρκεια ζωής των κυψελών. Ένας εναλλάκτης υγρασίας μεταφέρει το παραγώμενο νερό από τις κυψέλες καυσίμου και τη θερμότητα από την υγρή έξοδο της καθόδου στον ξηρό εισερχόμενο αέρα. Η περίσσεια ποσότητα νερού εξάγεται από το σύστημα και έιτε εξατμίζεται στο περιβάλλον, είτε μπορεί να αποσταγγιστεί και να συλλεχθεί [16] Σύστημα ψύξης Το σύστημα ψύξης της αποτελείται από έναν ανεμιστήρα, ο οποίος βρίσκεται στη βάση της συστοιχίας και διοχετεύει αέρα μέσω των καθέτων καναλιών ψύξης. Η θερμοκρασία λειτουργίας των κυψελών καυσίμου διατηρείται στους 65 ο C μεταβάλλοντας την ταχύτητα του ανεμιστήρα. Η θερμοκρασία της συστοιχίας μετριέται τη στιγμή που ο αέρας 47

58 απάγεται από το σύστημα. Η εξαγώμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές συμπαραγωγής θερμότητας. Τέλος, το σύστημα ψύξης χρησιμοποιείται και για την αραίωση του εξερχομένου υδρογόνου σε επίπεδα πολύ μικρότερα από το κατώτερο όριο αναφλεξιμότητάς του, όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο [16] Σύστημα ελέγχου Η λειτουργία της συστοιχίας είναι αυτοματοποιημένη από ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου. Η κάρτα ελέγχου δέχεται τα σήματα εισόδου από τους αισθητήρες, οι οποίοι είναι τοποθετημένοι σε καίρια σημεία του συστήματος και ελέγχουν ζωτικής σημασίας υπορουτίνες. Τα κυριότερα σήματα εισόδου είναι: Η θερμοκρασία της συστοιχίας κυψελών καυσίμου. Η πίεση του υδρογόνου. Η συγκέντρωση διαρροής του υδρογόνου. Η τάση και το ρεύμα της συστοιχίας κυψελών καυσίμου. Η ροή μάζας του αέρα. Η τάση των κυττάρων εκκαθάρισης (purge cell voltage). Η κατάσταση του ελεγκτή τάσης κελιού (Cell Voltage Checker - CVC). Η συγκέντρωση οξυγόνου του περιβάλλοντος. Ασυνήθιστες ή μη ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας έχουν ως αποτέλεσμα είτε την προειδοποίηση είτε τον συναγερμό και την αυτόματη διακοπή της λειτουργίας, ανάλογα με τη σοβαρότητα. Στην πρώτη περίπτωση η μονάδα συνεχίζει να λειτουργεί και ο ελεγκτής προσπαθεί να επανορθώσει το πρόβλημα. Αντίθετα, στην δεύτερη περίπτωση ο ελεγκτής ξεκινάει μία ελεγχόμενη διαδικασία τερματισμού [16] Συστήματα ασφαλείας Το 1.2kW Nexa Power Module διαθέτει αυτόματες λειτουργίες, για να εξασφαλίσει την ασφάλεια του χρήστη και να εμποδίσει την καταστροφή του εξοπλισμού. Όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, μία ασυνήθιστη κατάσταση λειτουργίας οδηγεί σε προειδοποίηση ή σε συναγερμό και αυτόματη διακοπή της λειτουργίας, ανάλογα 48

59 με τη σοβαρότητα. Το σύστημα ασφαλείας αξιοποιεί τους ακόλουθους μηχανισμούς παρακολούθησης και τερματισμού της λειτουργίας της συστοιχίας: Οι παράμετροι λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου παρακολουθούνται συνεχώς, για να εξασφαλιστεί ότι βρίσκονται εντός των φυσιολογικών ορίων. Οι παράμετροι αυτές περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία λειτουργίας, το ρεύμα που διαρρέει τη στοίβα, την τάση εξόδου και την πίεση του καυσίμου. Προειδοποιήσεις και συναγερμοί υπάρχουν σε όλες αυτές τις παραμέτρους. Ο ελεγκτής τάσης κελιού (CVC) παρακολουθεί συνεχώς τη λειτουργία και την απόδοση κάθε ζεύγους κελιών. Η παρουσία έστω και ενός ελαττωματικού κελιού, οδηγεί στον τερματισμό της λειτουργίας του συστήματος. Ο ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου είναι τοποθετημένος στο σύστημα παροχής καυσίμου και είναι σε θέση να ανιχνέυσει υπερβολική ποσότητα υδρογόνου καθαρισμού ή την παρουσία εξωτερικής διαρροής καυσίμου. Σε αυτήν την περίπτωση τερματίζεται η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Ο αισθητήρας οξυγόνου μετρά τη συγκέντρωση του οξυγόνου στον περιβάλλοντα χώρο. Το σύστημα τερματίζει αυτόματα τη λειτουργία του, αν τα επίπεδα συγκέντρωσης του οξυγόνου πέσουν κάτω από τα επιτρεπτά. Μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα κλείνει, κάθε φορά που η μονάδα είναι εκτός λειτουργίας, απομονώνοντας έτσι την παροχή καυσίμου και εμποδίζοντας την είσοδο του υδρογόνου στη συστοιχία σε περίπτωση συναγερμού και διακοπής της λειτουργίας της. Μια βαλβίδα εκτόνωσης της πίεσης, ανοίγει σε συνθήκες υπερπίεσης και απελευθερώνει το επιπλέον υδρογόνο στο σύστημα ψύξης, για την προστασία του εξοπλισμού. Αν η συγκέντρωση του απελευθερωμένου υδρογόνου ξεπεράσει τα όρια ασφαλείας, η λειτουργία του συστήματος διακόπτεται [16]. 4.3 Λειτουργία της κυψέλης καυσίμου Για τη λειτουργία της μονάδας απαιτείται σύνδεση με μία μπαταρία 24V για την υποστήριξη των διαδικασιών έναρξης και τερματισμού της λειτουργίας της, επαρκής παροχή υδρογόνου και ένα σήμα έναρξης 5V για την ενεργοποίηση του συστήματος ελέγχου. Πριν να εφαρμοστεί η ισχύς της μπαταρίας η μονάδα παραμένει απενεργοποιημένη. Σε αυτήν 49

60 την κατάσταση οι αισθητήρες, οι ενεργοποιητές και ο μικροεπεξεργαστής είναι απενεργοποιημένοι. Μόλις συνδεθεί η τροφοδοσία 24V, τότε το σύστημα μεταβαίνει στην κατάσταση αναμονής. Σε αυτήν την κατάσταση οι αισθητήρες και οι ενεργοποιητές είναι ενεργοποιημένοι και ο μικροεπεξεργαστής μεταδίδει συνεχώς δεδομένα για την κατάσταση του συστήματος. Όταν στην κατάσταση αναμονής εφερμοστεί το σήμα έναρξης 5V στο σύστημα ελέγχου, ξεκινάει η ακολουθία εκκίνησης. Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα καυσίμου ανοίγει και η βαλβίδα καθαρισμού ανοιγοκλείνει περιοδικά, για να γεμίσει η στοίβα των κελιών με υδρογόνο. Έπειτα, ο συμπιεστής αέρα ενεργοποιείται, για να παρέχει αρκετό αέρα στη στοίβα κελιών. Τέλος, ενεργοποιείται και ο ανεμιστήρας, για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του συστήματος και την αραίωση του υδρογόνου που αποβάλλεται από το σύστημα καθαρισμού. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ενεργοποίησης, η τάση της στοίβας αυξάνεται από τα 0V μέχρι την τιμή του ανοιχτοκυκλώματος. Αφού ολοκληρωθεί μία σειρά από ελέγχους, το σύστημα μεταβαίνει από την κατάσταση εκκίνησης στην κατάσταση λειτουργίας. Η διαδικασία εκκίνησης διαρκεί συνήθως από 10 έως 30 δευτερόλεπτα. Όταν το σύστημα είναι σε κατάσταση λειτουργίας, η μονάδα ελέγχου τροφοδοτείται πλέον από την παραγόμενη από τη στοίβα ενέργεια. Επίσης, ο ηλεκτρονόμος ενεργοποιείται και το εξωτερικό φορτίο συνδέεται με τη στοίβα. Σε αυτό το σημείο το σύστημα είναι σε θέση να αποδώσει το μέγιστο της ισχύος του. Έαν ξεπεραστούν τα φυσιολογικά όρια λειτουργίας εμφανίζονται τα σήματα προειδοποίησης και συναγερμού, ανάλογα με τη σοβαρότητα. Μόλις το σήμα των 5V απομακρυνθεί απο τη μονάδα ελέγχου, το σύστημα μεταβαίνει στην κατάσταση τερματισμού λειτουργίας. Σε αυτήν την κατάσταση, ο ηλεκτρονόμος ανοίγει για να απομονώσει το εξωτερικό φορτίο από την κυψέλη καυσίμου και η τροφοδοσία της μονάδας ελέγχου περνάει στην εξωτερική μπαταρία. Η διαδικασία τερματισμού υπό κανονικές συνθήκες διαρκεί περίπου 45 δευτερόλεπτα [16]. 4.4 Χαρακτησιστικές καμπύλες της κυψέλης καυσίμου Για την καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου της εταιρίας Ballard, αλλά και γενικότερα όλων των κυψελών καυσίμου τύπου PEM, στη συνέχεια παρατίθενται οι χαρακτησιστικές καμπύλες: 50

61 Πόλωσης (τάση συναρτήσει του ρεύματος) και Απόδοσης (απόδοση συναρτήσει του ρεύματος) Καμπύλη πόλωσης Με τον όρο καμπύλη πόλωσης εννοούμε την καμπύλη που παρουσιάζει τη μεταβολή του ρεύματος εξόδου συναρτήσει της τάσης εξόδου. Σε κατάσταση ανοιχτοκυκλώματος οι κυψέλες καυσίμου τύπου PEM έχουν τη μέγιστη τάση, με το ελάχιστο ρεύμα και ισχύ. Όσο το φορτίο αυξάνεται, τόσο αυξάνεται και το ρεύμα εξόδου με ταυτόχρονη μείωση της τάσης εξόδου. Εικόνα 30: Καμπύλη τάσης συναρτήσει του ρεύματος [16] Σύμφωνα με τον κατασκευαστή η ονομαστική τάση λειτουργίας είναι 26V. Στην καμπύλη πόλωσης του κατασκευαστή (Εικόνα 30) το ονομαστικό ρεύμα προκύπτει 46A, αποδίδοντας έτσι ονομαστική ισχύ 1200W. Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν επαληθεύουν τις τιμές του κατασκευαστή με μικρές αποκλισεις. Η πιο αξιοσημείωτη απόκλιση παρατηρήθηκε στο ονομαστικό σημείο λειτουργίας, όπου για 26V η κυψέλη απέδιδε 45A. Η μείωση αυτή στο ρεύμα εξόδου της κυψέλης καυσίμου οφείλεται στη 51

62 γήρανσή της, γεγονός που σύμφωνα και με τον κατασκευαστή συντελεί στη μέιωση της απόδοσής της. Τέλος, αυξάνοντας την ισχύ του φορτίου πέραν της ονομαστικής, παρατηρήθηκε ότι η κυψέλη καυσίμου ήταν ικανή να παράγει ισχύ έως 1.45kW περίπου Καμπύλη απόδοσης Η απόδοση του συστήματος ορίζεται από το λόγο της καθαρής ισχύος εξόδου προς την ελάχιστη θερμογώνο δύναμη του υδρογόνου, που καταναλώνεται κατά την αντίδραση των κυψελών καυσίμου. Σύμφωνα με την καμπύλη απόδοσης του κατασκευαστή (Εικόνα 31) η απόδοση του συστήματος σε πλήρη ισχύ είναι 38%, ενώ η μέγιστη απόδοση του συστήματος είναι περίπου 50% και επιτυγχάνεται για φορτίο περίπου 300W. 4.5 Δυναμική απόκριση Εικόνα 31: Καμπύλη απόδοσης συναρτήσει του ρεύματος [16] Η συστοιχία των κυψελών καυσίμου παρέχει αμέσως το απαιτούμενο ρεύμα για να υποστηρίξει μία αλλαγή του φορτίου. Η ταχύτητα ροής του υδρογόνου παρέχεται αυτόματα 52

63 από το ρυθμιστή, υπό την προϋπόθεση να διατηρείται επαρκής η πίεση του καυσίμου. Η άμεση απόκριση της αντλίας ροής αέρα είναι ζωτικής σημασίας για την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Η δυναμική απόκριση του συστήματος, σε βηματικές αλλαγές του φορτίου, παρουσιάζεται στην Εικόνα 32. Εκεί, απεικονίζονται οι αλλαγές στην τάση εξόδου, στο ρεύμα της συστοιχίας και τη ροή του αέρα που προκύπτουν λόγω των βηματικών αλλαγών στο φορτίο. Εικόνα 32: Δυναμική απόκριση σε βηματικές αλλγές του φορτίου [16] Στην κατάσταση ανοιχτοκυκλώματος ο ρυθμός ροής του αέρα κυμαίνεται περίπου στα 16 slpm. Κατά την αύξηση του φορτίου σε πλήρη ισχύ, η αντλία αέρα επιταχύνει γρήγορα για να παρέχει ένα ρυθμό ροής αέρα περίπου στα 85slpm. Παρατηρείται μία σύντομη (μισό δευτερόλεπτο) υποτίναξη της τάσης της στοίβας (της τάξης των 2.5V), πρωτού να σταθεροποιηθεί στα 26V. Το ρεύμα της συστοιχίας αυξάνει ελαφρώς, λόγω της αυξημένης ισχύος που χρειάζεται ο συμιεστής αέρα. 53

64 Παρόμοιες μεταβολές συμβαίνουν και κατά τη μείωση του φορτίου από πλήρη ισχύ στην κατάσταση ανοιχτοκυκλώματος. Η ροή αέρα μειώνεται σταδιακά, λόγω της αδράνειας στην αντλία αέρα. Η τάση εξόδου ανακάμπτει σταδιακά και σταθεροποιείται στα 43V σε διάστημα μισού δευτερολέπτου. Τέλος, το ρεύμα της συστοιχίας μειώνεται, προσεγγίζοντας τα 0A [16]. Παρατηρτούμε ότι ο χρόνος δυναμικής απόκρισης της κυψέλης είναι πολυ μικρός, της τάξης των μερικών εκατοντάδων millisecond. Η καθυστέρηση αυτή οφείλεται στην αδυναμία της αντλίας του αέρα να προσφέρει αρκετή ποσότητα αέρα, ώστε αυτό να μπορέσει να αντιδράσει με το υδρογόνο. Επίσης, η αδυναμία της κυψέλης καυσίμου να ανταπεξέλθει ακαριαία στις αλλαγές του φορτίου οφείλεται και στις απώλειες διάχυσης. Ωστόσο, η δυναμική συμπεριφορά της συγκεκριμένης κυψέλης καυσίμου είναι αρκετά καλή, καθιστώντας την κατάλληλη για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης. 54

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΤΟ SIMULINK 5.1 Εισαγωγή Όπως έχει γίνει κατανοητό έως τώρα, η κυψέλη καυσίμου έχει ως έξοδο μία μεταβαλλόμενη DC τάση. Όσο μεγαλώνει το φορτίο που πρέπει να τροφοδοτήσει τόσο αυξάνεται το ρεύμα έξοδου της και αντίστοιχα μειώνεται η τάση εξόδου της Vfc (καμπύλη πόλωσης V-I). Προκειμένου να συνδεθεί με ένα φορτίο θα πρέπει η τάση Vfc να σταθεροποιηθεί, χρησιμοποιώντας ένα μετατροπέα συνεχούς ρεύματος. Αν το φορτίο που επιθυμούμε να τροφοδοτίσουμε απαιτεί μεγαλύτερη ισχύ από αυτήν που μπορεί να προσφέρει η κυψέλη καυσίμου, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μία επιπλέον πηγή τάσης, όπως μία μπαταρία, ένα φωτοβολταϊκό ή μία γεννήτρια. Σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει να φροντίσουμε να δημιουργήσουμε ένα DC κανάλι πάνω στο οποίο θα συνδεθεί η κυψέλη καυσίμου και η επιπλέον πηγή τάσης. Αυτό επιτυγχάνεται συνδέοντας παράλληλα μετατροπείς συνεχούς ρεύματος με κοινή τάση εξόδου, οι οποίοι στο άλλο άκρο θα συνδέθουν με τις πηγές τάσης. Επίσης, στην περίπτωση της τροφοδοσίας ενός AC φορτίου θα πρέπει να γίνει χρήση ενός αντιστροφέα (inverter) για την μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Ο αντιστροφέας θα πρέπει να έχει σταθεροποιημένη τάση εισόδου. Έτσι, δεδομένου ότι πρέπει να τροφοδοτίσουμε ένα AC φορτίο (θερμάστρα αλογόνου), χρειαζόμαστε έναν αντιστροφέα πριν από αυτό. Έπειτα, αφού η κατανάλωση ισχύος του δύναται να ξεπεράσει την ισχύ που μπορεί να προσφέρει η κυψέλη καυσίμου είναι αναγκαία η χρήση τουλάχιστον μίας ακόμα πηγής τάσης. Επειδή, η θερμάστρα δε θα λειτουργεί συνεχώς στη μέγιστη ισχύ, αλλά θα υπάρχουν και διαστήματα κατά τα οποία θα απαιτεί μικρότερη ισχύ από αυτή που μπορεί να προσφέρει η κυψέλη καυσίμου, γίνεται χρήση μπαταριών ως δεύτερη πηγή τάσης. Οι μπαταρίες, κατά τα διαστήματα που η θερμάστρα δεν θα λειτουργεί ή θα λειτουργεί με μικρή κατανάλωση ισχύος, θα έχουν την ευκαιρία να επαναφορτίζονται. Έτσι, προκύπτει το αρχικό μοντέλο του υβριδικού συστήματος (Εικόνα 33). Στη συνέχεια, γίνεται μία σύντομη αναφορά στο Matlab και το Simulink και έπειτα αναλύονται τα επιμέρους τμήματα που αποτελούν το υβριδικό σύστημα, καθώς και ο τρόπος προσομοίωσής τους. 55

66 Εικόνα 33: Αρχικό μοντέλου του υβριδικού συστήματος 5.2 Matlab - Simulink Το Matlab και το Simulink είναι πακέτα λογισμικού της εταιρίας MathWorks, για την διεξαγωγή υπολογισμών τόσο για επιστημονικές εφαρμογές όσο και για εφαρμογές μηχανικής φύσης. Χρησιμοποιούνται σε εκπαιδευτικά ιδρύματα και βιομηχανίες, επιτρέποντας την επίλυση πολύπλοκων αριθμητικών προβλημάτων γρήγορα και αποτελεσματικά. Στο Matlab είναι εφικτή η δημιουργία αλγορίθμων, όπως στις περισσότερες γλώσσες προγραμματισμού. Ορίζονται μεταβλητές, οι οποίες δύναται να είναι ολόκληρες συναρτήσεις ή μήτρες και ανάλογα με τις εντολές που θα δωθούν προκύπτουν τα αποτελέσματα, που μπορεί να είναι από ένας απλός αριθμός μέχρι και τρισδιάστατες γραφικές παραστάσεις. Το βασικό στοιχείο δεδομένων του είναι η μήτρα. Το Simulink παρέχει ένα διαδραστικό, γραφικό περιβάλλον για τη μοντελοποίηση, προσομοίωση και ανάλυση των δυναμικών συστημάτων. Περιλαμβάνει τεράστιες βιβλιοθήκες μπλοκ διαγραμμάτων, τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των γραφικών μοντέλων των συστημάτων. 5.3 Κυψέλη καυσίμου Για την προσομοίωση της συστοιχίας των κυψελών καυσίμου της εταιρίας Ballard Power Systems στο Simulink έγινε χρήση του αναλυτικού μοντέλου της κυψέλης καυσίμου, 56

67 το οποίο βρίσκεται στη βιβλιοθήκη SimPowerSystems (Εικόνα 34). Η βιβλιοθήκη SimPowerSystems βρίσκεται εντός της βιβλιοθήκης Simscape. Από το φυλλάδιο του κατασκευαστή αντλήθηκαν τα απαραίτητα δεδομένα για την παραμετροποίηση της κυψέλης καυσίμου. Έτσι, προκύπτουν οι χαρακτηριστικές καμπύλες, οι οποίες περιγράφουν τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου στο Simulink (Εικόνα 35). Συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες του κατασκευαστή (Εικόνα 30) παρατηρούμε ότι παρουσιάζουν πολύ μικρές αποκλίσεις. Σε αυτό το σημείο τονίζεται ότι η συστοιχία των κυψελών καυσίμου είναι σε θέση να παράγει περισσότερη ισχύ από αυτήν που παρουσιάζεται στις καμπύλες του κατασκευαστή, γεγονός που προέκυψε από τα πειραματικά αποτελέσματα [16], [17], [18], [19]. Εικόνα 34: Μοντέλο κυψέλης καυσίμου Εικόνα 35: Χαρακτηριστικές V-I και P-I του μοντέλου της κυψέλης καυσίμου 57

68 5.4 Μπαταρίες Ως μπαταρία επιλέχθηκε η μπαταρία μολύβδου οξέος WP18-12I της εταιρίας LONG (Εικόνα 36), η οποία παρέχει ονομαστική τάση εξόδου 12V και ονομαστική χωρητικότητα 18Ah. Προτιμήθηκε μπαταρία τύπου μολύβδου οξέος λόγω του χαμηλού κόστους της και της δυνατότητάς της να παρέχει άμεσα μεγάλες ποσότητες ρεύματος, που απαιτούνται σε απότομες αλλαγές του φορτίου (δυνατότητα την οποία στερείται η κυψέλη καυσίμου). Εικόνα 36: Μπαταρίες που προσομοιώθηκαν [xv] Η καμπύλη που παρουσιάζει σε πόσο χρόνο εκφοτρίζεται η μπαταρία ανάλογα με το ρεύμα εκφόρτισης, όπως παρατίθεται από τον κατσκευαστή, φαίνεται στην Εικόνα 37. Τονίζεται ότι ενώ η ονοαμστική τάση της μπαταρίας είναι 12V, για μικρά ρεύματα εκφόρτισης η τάση της ξεπερνά την τιμή αυτή, ενώ για μεγάλα ρεύματα εκφόρτισης γίνεται μικρότερη από τα 12V. Ακόμα, παρατηρούμε ότι όσο περισσότερο αυξάνεται το ρεύμα εκφόρτησης, τόσο γρηγορότερα εκφορτίζεται η μπαταρία, όπως είναι αναμενόμενο. Εικόνα 37: Καμπύλη χρόνου εκφόρτησης συναρτήσει του ρεύματος εκφόρτησης [xv] 58

69 Για την προσομοίωση της μπαταρίας στο Simulink έγινε χρήση του μοντέλου της μπαταρίας, το οποίο βρίσκεται στη βιβλιοθήκη Electrical Sources της SimPowerSystems (Εικόνα 38). Από το φυλλάδιο του κατασκευαστή αντλήθηκαν τα απαραίτητα δεδομένα για την παραμετροποίηση της μπαταρίας. Έτσι, προκύπτει η καμπύλη του χρόνου εκφόρτησης για ονομαστικό ρεύμα 0.9A, η οποία περιγράφει τη λειτουργία της μπαταρίαςστο Simulink (Εικόνα 39). Συγκρινόμενη με την αντίστοιχη του κατασκευαστή (Εικόνα 37) παρατηρούμε ότι παρουσιάζει πολύ μικρές αποκλίσεις. Η πιο αξιοσημείωτη διαφορά προκύπτει στο τέλος της καμπύλης του μοντέλου, όπου για την πλήρη εκφόρτηση της μπαταρίας απαιτείται λίγο παραπάνω από 20 ώρες. Ωστόσο, αυτό δεν αλλοιώνει τα αποτελέσματα καθώς η απόκλιση αυτή είναι πάρα πολύ μικρή, ενώ η περίπτωση της πλήρους εκφόρτησης της μπαταρίας θεωρείται απίθανη [17], [18], [19], [xv]. Εικόνα 38: Μοντέλο μπαταριών Εικόνα 39: Καμπύλη χρόνου εκφόρτησης για ονομαστικό ρεύμα του μοντέλου της μίας μπαταρίας Τέλος, τονίζεται ότι για την καλύτερη κάλυψη των αναγκών του φορτίου χρησιμοποιήθηκαν 12 από τις προαναφερθείσες μπαταρίες. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις μπαταρίες σε σειρά, για να είναι σε θέση να υποστηρίξουν την τάση του δικτύου και τέσσερις μπαταρίες παράλληλα, για να μπορούν να παρέχουν το απαιτούμενο ρεύμα σε απότομες μεταβολλές του φορτίου. 59

70 5.5 Φορτίο Ως φορτίο επιλέχθηκε μία θερμάστρα αλογόνου των 1800W, η οποία διαθέτει τέσσερις αντιστάσεις των 450W έκαστη (Εικόνα 40). Η κάθε αντίσταση ελέγχεται από διαφορετικό διακόπτη, επιτρέποντας έτσι την επιλογή της ισχύος που θα καταναλωθεί από τη θερμάστρα, για τη θέρμανση του χώρου. Εικόνα 40: Θερμάστρα αλογόνου με κατανάλωση ισχύος 450W, 900W, 1350W και 1800W Για την προσομοίωση της θερμάστρας δημιουργήθηκε ένα υποσύστημα (Εικόνα 41). Για την προσομοίωση της κάθε αντίστασης χρησιμοποιείται το Series RLC Load, στο οποίο οι τιμές της αέργου ισχύος τόσο του πυκνωτή όσο και της επαγωγής μηδενίζονται. Για τους διακόπτες γίνεται χρήση του Ideal Switch, το οποίο μαζί με το Series RLC Load βρίσκονται στη βιβλιοθήκης SimPowerSystems. Εικόνα 41: Μοντέλο θερμάστρας αλογόνου 60

71 Επίσης, χρησιμοποιείται ένας Timer ως σήμα ελέγχου για το άνοιγμα και το κλείσιμο του κάθε διακόπτη. Ο πρώτος διακόπτης είναι βραχυκυκλωμένος από την αρχή μέχρι τα 0.21s. Ο δεύτερος κλείνει στα 0.03s αυξάνοντας το φορτίο στα 900W και ανοίγει στα 0.18s. Ο τρίτος βραχυκυκλώνεται στα 0.06s μεταβάλλοντας την τιμή του φορτίου στα 1350W και παραμένει κλειστός μέχρι τα 0.15s. Ο τέταρτος είναι κλειστός κατά το χρονικό διάστημα από 0.09s έως 0.12s, στο οποίο το φορτίο αποκτά τη μέγιστη τιμή του 1800W. Οι προναφερθείσες τιμές του φορτίου για κάθε χρονικό διάστημα παρουσιάζονται στον Πίνακα 4. Το μπλοκ διάγραμμα του Timer βρίσκεται στη βιβλιοθήκη Extra Library/Control Blocks, η οποία περιέχεται στην SimPowerSystems. χρονικό διάστημα (s) φορτίο (W) Πίνακας 4: Τιμές του φορτίου για κάθε χρονικό διάστημα Τέλος, το σήμα ελέγχου του πρώτου Ideal Switch, το οποίο ελέγχει το αν θα λειτουργεί ή όχι η θερμάστρα αλογόνου, οδηγείται και στο διακόπτη που βρίσκεται πριν τον αντιστροφέα. Έτσι, αν η θερμάστρα τεθεί εκτός λειτουργίας, ο αντιστροφέας δεν συνδέεται πλέον με την κυψέλη καυσίμου και τις μπαταρίες [17], [18], [19]. 5.6 Ηλεκτρονικά Ισχύος Στις ποικίλες εφαρμογές των ηλεκτονικών ισχύος, απαντάται ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών τύπων διακοπτικών στοιχείων (Εικόνα 42). Τα διακοπτικά στοιχεία, τα οποία συναντώνται συχνότερα στη διασύνδεση των κυψελών καυσίμων, είναι τα MOSFET και τα IGBT (Εικόνα 43). Τα MOSFET χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές μικρής ισχύος (μέχρι μερικά kw). Έχουν μικρούς χρόνους μετάβασης (10ns 100ns), με αποτέλεσμα η συχνότητα λειτουργίας τους να κυμαίνεται από μερικές δεκάδες khz μέχρι 1 MHz. Κύριο χαρακτηριστικό 61

72 τους είναι η αντίσταση αγωγιμότητάς τους Don, η οποία αυξάνει με την τάση στην οποία λειτουργούν, λαμβάναοντας τιμές μεταξύ 0.01Ω και 0.1Ω. Εικόνα 42: Διακοπτικά στοιχεία [14] Εικόνα 43: Το MOSFET και το IGBT [xvi] Τα IGBT έχουν μεγαλύτερες δυνατότητες ισχύος (μέχρι μερικές εκατοντάδες kw). Ωστόσο, οι χρόνοι μετάβασής τους είναι μεγαλύτεροι (της τάξης του 1μs), με αποτέλεσμα η συχνότητα λειτουργίας τους να είναι μικρότερη από μερικά khz μέχρι μερικές δεκάδες khz [14], [xvi]. Το φορτίο που επιθυμούμε να τροφοδοτήσουμε καταναλώνει ισχύ από 450W έως 1800W. Έπειτα, η τάση εξόδου των μπαταριών είναι περίπου 36V (τάση εισόδου στον μετατροπέα τύπου γέφυρας) και η τάση εξόδου της κυψέλης καυσίμου δεν ξεπερνά τα 44V, ενώ συνήθως λαμβάνει ονομαστική τιμή 26V (τάση εισόδου στο μετατροπέα τύπου Buck). Τέλος, η τάση του καναλιού DC είναι 24V (τάση εισόδου στον αντιστροφέα). Με βάση τα προαναφερθέντα δεδομένα επιλέγεται το MOSFET ως διακοπτικό στοιχείο για τους μετατροπείς και τον αντιστροφέα, οι οποίοι αναλύονται στη συνέχεια. 62

73 5.6.1 Μετατροπέας τύπου Buck Για την προσομοίωση του μετατροπέα τύπου Buck δημιουργήθηκε ένα υποσύστημα (Εικόνα 44). Η δομή και η λειτουργία του μετατροπέα περιγράφηκαν στην παράγραφο 3.2. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα ανάδρασης για τη δημιουργία των παλμών έναυσης και σβέσης του Mosfet. Στη συνέχεια, στον Πίνακα 5 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του μετατροπέα, γίνονται οι απαραίτητες πράξεις για τον υπολογισμό των στοιχείων του και αναλύεται το σύστημα ανάδρασης. Εικόνα 44: Μοντέλο μετατροπέα τύπου Buck Μέγεθος Μέγιστο Ελάχιστο Τάση εξόδου Vout = 24V = Vo Τάση εισόδου Vinmax = 43.7V Vinmin = 24V Κύκλος λειτουργίας Dmax = 1 Dmin = 0.55 Ισχύς εξόδου Poutmax = 1440W Poutmin = 450W Ρεύμα εξόδου Ioutmax = 60A Ioutmin = 18.75A Διακοπτική συχνότητα fs = 50kHz Διακοπτική περίοδος Ts = 2x10-5 s Κυμάτωση τάσης εξόδου Vripple (p-p) = 24Vx3% = 0.72V Πίνακας 5: Χαρακτηριστικά λειτουργίας του μετατροπέα τύπου Buck Dmax = Dmin = Vo = 24 = 0.55 (5.1) Vinmax 43.7 Vo = 24 = 1 (5.2) Vinmin 24 Ioutmax = Pomax Vo = = 60A (5.3) 63

74 Ioutmin = Pomin Vo = = 18.75A (5.4) Ts = 1 fs = = s (5.5) Επιλέγουμε λειτουργία του μετατροπέα με συνεχή αγωγή, καθώς έτσι ο έλεγχος γίνεται αισθητά απλούστερος. Η ελάχιστη τιμή της επαγωγής που εξασφαλίζει τη λειτουργία με συνεχή αγωγή του ρεύματος, υπολογίζεται για τον ελάχιστο κύκλο λειτουργίας (D = Dmin) και το ελάχιστο ρεύμα εξόδου (Iolim = Ioutmin). Άρα: ILlim = Iolim = Vo(1 Dmin)Ts 2Llim Llim = Vo(1 Dmin)Ts 2Iolim (5.6) = 24 (1 0.55) = H = 5.76μH (5.7) Επομένως, για τη λειτουργία του μετατροπέα με συνεχή αγωγή του ρεύματος, πρέπει η επαγωγή που θα επιλέξουμε να είναι μεγαλύτερη από την Llim (L Llim). Επιλέγουμε: L = 40μH (5.8) Από τον περιορισμό στην κυμάτωση της τάσης εξόδου, ορίζεται η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου εξόδου fc, με βάση τον ελάχιστο κύκλο λειτουργίας Dmin. Vripple(p-p) = π2 Vo(1 Dmin)(fc 2 fs )2 (5.9) ( fc fs )2 = 2Vripple(p p) = = (5.10) π 2 Vo(1 Dmin) π 2 24(1 0.55) fc 2 = fs 2 = = (5.11) fc = = Hz = 5810Hz (5.12) Για L = 40μH η χωρητικότητα του πυκνωτή υπολογίζεται από τη σχέση: fc = C = 1 2π LC (5.13) 1 = 1 = π 2 fc 2 L 4π F = 18.8μF (5.14) Για να έχουμε Vripple (p-p) = 0.72V πρέπει να χρησιμοποιήσουμε πυκνωτη με χωρητικότητα μεγαλύτερη από C =18.8μF. Επιλέγουμε: C = 150μF (5.15) Η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου εξόδου είναι: fc = 1 = 1 = Hz (5.16) 2π LC 2π Επειδή, τόσο η τάση εισόδου όσο και το φορτίο μεταβάλλονται, ο κύκλος λειτουργίας του MOSFET του μετατροπέα πρέπει να ρυθμίζεται κατάλληλα, ώστε η τάση εξόδου να παραμένει σταθερή. Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη του κλειστού βρόχου ανάδρασης. Το σύστημα ανάδρασης αποτελείται από ένα βολτόμετρο, έναν PI ελεγκτή (Εικόνα 45) και τον PWM συγκριτή (Εικόνα 46). 64

75 Το βολτόμετρο μετράει την τάση εξόδου του μετατροπέα και τη συγκρίνει με (αφαιρεί από) την τάση αναφοράς (Vref = 24V). Αφαιρόντας από την τάση αναφοράς την τάση εξόδου του μετατροπέα προκύπτει το σήμα σφάλματος της τάσης εξόδου Ve (η απόκλιση από την επιθυμιτή τιμή). Το σήμα Ve περνάει από τον PI ελεγκτή με κέρδη Kp = 0.1 και KI = 200. Τα κέρδη αυτά προέκυψαν δοκιμάζοντας πολλές τιμές, έτσι ώστε όχι μόνο να εξασφαλίζουν την ευστάθεια του συστήματος, αλλά να βελτιστοποιούν ταυτοχρόνως και το χρόνο απόκρισής του. Εικόνα 45: PI ελεγκτής Στην έξοδο του PI προκύπτει το σήμα ελέγχου Vc, το οποίο αποτελεί είσοδο για τον PWM συγκριτή. Εκεί, το σήμα Vc συγκρίνεται με μια τριγωνική κυματομορφή συχνότητας fs = 50kHz και πλάτους 5V. Από αυτήν τη σύγκριση προκύπτουν οι παλμοί έναυσης του MOSFET (Εικόνα 47) [17], [18], [19], [20]. Εικόνα 46: PWM συγκριτής Εικόνα 47: Σύγκριση του σήματος ελέγχου V c με την τριγωνική κυματομορφή [xvii] 65

76 Τέλος, στην είσοδο του μετατροπέα βάζουμε ένα βαθυπερατό φίλτρο (Εικόνα 48) για να κόψουμε τις υψηλές συχνότητες από την κυψέλη καυσίμου. Για να έχουμε την επιθυμητή κυμάτωση στην έξοδο επιλέχθηκαν L = 5μH και C = 150μf. Έτσι, η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου στην είσοδο του μετατροπέα προκύπτει: fc = 1 = 1 = Hz (5.17) 2π LC 2π Εικόνα 48: Βαθυπερατό φίλτρο στην έξοδο της κυψέλης καυσίμου Όταν συνδέεται το φίλτρο με το fuel cell που είναι μια πηγή τάσης δημιουργείται ένας κλειστός βρόγχος τριών στοιχείων, μιας πηγής τάσης ενός πηνίου και ενός πυκνωτη. Τα στοιχεία αυτά παράγουν μια αποσβενήμενη ταλάντωση με συχνότητα Hz, μέχρι να φορτιστεί πλήρως ο πυκνωτής. Η ταλάντωση αυτή δεν «περνάει» στην έξοδο του μετατροπέα καθώς το φίλτρο εξόδου του έχει μικρότερη συχνότητα αποκοπής ( Hz) Μετατροπέας τύπου γέφυρας Για την προσομοίωση του μετατροπέα τύπου γέφυρας δημιουργήθηκε ένα υποσύστημα (Εικόνα 49). Η δομή και η λειτουργία του μετατροπέα περιγράφηκαν στην παράγραφο Για τη δημιουργία των παλμών έναυσης και σβέσης των MOSFET χρησιμοποιήθηκε η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών με μονοπολική τάση εξόδου, σε συνδυασμό με ένα σύστημα ανάδρασης παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιήθηκε στην περίπτωση του μετατροπέα τύπου Buck. Στον Πίνακα 6 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του μετατροπέα. Για την αποκοπή των υψηλών συχνοτήτων στην έξοδο του μετατροπέα τοποθετείται ένα βαθυπερατό φίλτρο (DC/DC LPF Filter). Για την επίτευξη της επιθυμητής κυμάτωσης στην έξοδο οι τιμές της επαγωγής και του πυκνωτή επιλέγονται: 66

77 L = 5μH (5.18) C = 2mF (5.19) Άρα, η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου εξόδου προκύπτει: fc = 1 = 1 = Hz (5.20) 2π LC 2π Εικόνα 49: Μοντέλο μετατροπέα τύπου γέφυρας Μέγεθος Μέγιστο Ελάχιστο Τάση εξόδου Vout = 24V = Vo Τάση εισόδου Vinmax = 38.7V Vinmin = 36V Διακοπτική συχνότητα fs = 50kHz Διακοπτική περίοδος Ts = 2x10-5 s Κυμάτωση τάσης εξόδου Vripple (p-p) = 24Vx3% = 0.72V Πίνακας 6: Χαρακτηρισιτκά λειτουργίας μετατροπέα τύπου γέφυρας Το σύστημα ανάδρασης και στην περίπτωση του μετατροπέα τύπου γέφυρας αποτελείται από ένα βολτόμετρο, έναν PI ελεγκτή (Εικόνα 50) και τον PWM συγκριτή (Εικόνα 51). Αυτά που διαφοροποιούνται είναι οι τιμές των κερδών Kp και KI του PI ελεγκτή και η δομή του PWM συγκριτή. Αρχικά, το βολτόμετρο μετράει την τάση εξόδου του μετατροπέα και τη συγκρίνει με (αφαιρεί από) την τάση αναφοράς (Vref = 24V). Αφαιρόντας από την τάση αναφοράς την τάση εξόδου του μετατροπέα προκύπτει το σήμα σφάλματος της τάσης εξόδου Ve (η απόκλιση από την επιθυμιτή τιμή). Έπειτα, το σήμα Ve περνάει από τον PI ελεγκτή με κέρδη 67

78 Kp = 0.05 και KI = 150 και έτσι προκύπτει το σήμα ελέγχου Vc. Τα κέρδη Kp και KI προέκυψαν δοκιμάζοντας πολλές τιμές, έτσι ώστε όχι μόνο να εξασφαλίζουν την ευστάθεια του συστήματος, αλλά να βελτιστοποιούν ταυτοχρόνως και το χρόνο απόκρισής του. Εικόνα 50: PI ελεγκτής Τέλος, η έξοδος του PI ελεγκτή οδηγείται στον PWM συγκριτή. Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών με μονοπολική τάση εξόδου, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει έναντι της τεχνικής διαμόρφωσης εύρους παλμών με διπολική τάση εξόδου (Παράγραφος 3.5.1). Με αυτήν την τεχνική μια τριγωνική κυματομορφή πλάτους 5V και συχνότητας fs = 50kHz (Εικόνα 52) συγκρίνεται με το σήμα ελέγχου Vc και με το αρνητικό του -Vc. Για τη σύγκριση αρχικά αφαιρούμε από το σήμα ελέγχου Vc και από το αρνητικό του -Vc την τριγωνική κυματομορφή. Στη συνέχεια συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με το μηδέν. Αν το αποτέλεσμα είναι μεγαλύτερο ή ίσο με το μηδέν τότε στην έξοδο του μπλοκ διαγράμματος Compare To Zero περνάει το 1, αλλιώς περνάει το 0. Οι αριθμοί αυτοί για κάθε χρονική στιγμή συνθέτουν τα σήματα έναυσης και σβέσης των MOSFET 1 και 3. Το μπλοκ διάγραμμα του Logical Operator NOT μετατρέπει το 1 σε 0 και το 0 σε 1. Έτσι, για κάθε χρονική στιγμή προκύπτουν τα σήματα έναυσης και σβέσης των MOSFET 2 και 4 [17], [18], [19], [20]. Εικόνα 51: PWM συγκριτής 68

79 Εικόνα 52: Τριγωνική κυματομορφή Αντιστροφέας Για την προσομοίωση του αντιστροφέα δημιουργήθηκε ένα υποσύστημα (Εικόνα 53). Η δομή και η λειτουργία του αντιστροφέα περιγράφηκαν στην παράγραφο Για τη δημιουργία των παλμών έναυσης και σβέσης των MOSFET χρησιμοποιήθηκε η ημιτονοειδείς PWM τεχνική με μονοπολική τάση εξόδου, σε συνδυασμό με ένα σύστημα ανάδρασης παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιήθηκε στην περίπτωση του μετατροπέα τύπου γέφυρας. Στον Πίνακα 7 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του αντιστροφέα. Εικόνα 53: Μοντέλο αντιστροφέα 69

80 Για την αποκοπή των υψηλών συχνοτήτων στην έξοδο του αντιστροφέα τοποθετείται ένα βαθυπερατό φίλτρο (DC/AC LPF Filter). Για την επίτευξη της επιθυμητής κυμάτωσης στην έξοδο οι τιμές της επαγωγής και του πυκνωτή επιλέγονται: L = 40μH (5.21) C = 1mF (5.22) Άρα, η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου εξόδου προκύπτει: fc = 1 = 1 = Hz (5.23) 2π LC 2π Μέγεθος Τάση εξόδου Τάση εισόδου Συχνότητα εξόδου Διακοπτική συχνότητα Διακοπτική περίοδος Τιμή Vout = 19.2Vpeak = Vo (AC) Vin = 24V (DC) fout = 50Hz fs = 50kHz Ts = 2x10-5 s Συντελεστής διαμόρφωσης kα = 0.8 Συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας kf = 1000 Πίνακας 7: Χαρακτηριστικά λειτουργίας αντιστροφέα Οι συντελεστές διαμόρφωσης και διαμόρφωσης συχνότητας προκύπτουν ως εξής: kα = Vout = 19.2 = 0.8 (5.24) Vin 24 kf = fs = = 1000 (5.25) fout 50 Το σύστημα ανάδρασης του αντιστροφέα παρουσιάζει πολλά κοινά με το αντίστοιχο του μετατροπέα τύπου γέφυρας. Έτσι, αποτελείται από ένα βολτόμετρο, έναν PI ελεγκτή (Εικόνα 54) και τον ημιτονοειδή PWM συγκριτή (Εικόνα 55). Αυτά που διαφοροποιούνται είναι οι τιμές των κερδών Kp και KI του PI ελεγκτή και η τάση αναφοράς, η οποία πλέον δεν είναι ένας σταθερός αριθμός αλλά ένα ημίτονο πλάτους 19.2V και συχνότητας 50Hz. Αρχικά, το βολτόμετρο μετράει την τάση εξόδου του αντιστροφέα και τη συγκρίνει με (αφαιρεί από) την τάση αναφοράς (Vref = 19.2sin100πt). Με την αφαίρεση της τάσης εξόδου του αντιστροφέα από την τάση αναφοράς προκύπτει το σήμα σφάλματος της τάσης εξόδου Ve (η απόκλιση από την επιθυμιτή τιμή), το οποίο στην παρούσα περίπτωση έχει ημιτονοειδή μορφή. Στη συνέχεια, το σήμα Ve περνάει από τον PI ελεγκτή με κέρδη Kp = 0.1 και KI = 335 και έτσι προκύπτει το σήμα ελέγχου Vc. Τα κέρδη Kp και KI προέκυψαν δοκιμάζοντας πολλές τιμές, έτσι ώστε να εξασφαλίζουν την ευστάθεια του συστήματος και να βελτιστοποιούν ταυτοχρόνως το χρόνο απόκρισής του. 70

81 Εικόνα 54: PI ελεγκτής Έπειτα, η έξοδος του PI ελεγκτή οδηγείται στον ημιτονοειδή PWM συγκριτή. Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί η ημιτονοειδείς PWM τεχνική με μονοπολική τάση εξόδου, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει έναντι της ημιτονοειδούς PWM τεχνικής με διπολική τάση εξόδου (Παράγραφος 3.5.2). Με αυτήν την τεχνική μια τριγωνική κυματομορφή πλάτους 5V και συχνότητας fs = 50kHz (Εικόνα 52), η ίδια που χρησιμοποιήθηκε και στον PWM συγκριτή του μετατροπέα γέφυρας, συγκρίνεται με το σήμα ελέγχου Vc και με το αρνητικό του -Vc, τα οποία πλέον φέρουν ημιτονοειδή μορφή. Το μοντέλο του ημιτονοειδούς PWM συγκρτιτή λειτουργεί με την ίδια ακιβώς λογική, η οποία περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο για το μοντέλο του PWM συγκριτή του μετατροπέα γέφυρας [17], [18], [19], [20]. Εικόνα 55: Ημιτονοειδής PWM συγκριτής Τέλος, τονίζεται ότι το φορτίο πρέπει να τροφοδοτηθεί με AC τάση 230Vrms. Η επιθυμητή τάση εξόδου του αντιστροφέα, για να ισχύει kα = 0.8, είναι 19.2Vpeak. Ωστόσο, λόγω των απωλειών των MOSFET η τάση αυτή μειώνεται σε 18.7Vpeak, σύμφωνα με την προσομοίωση στο Simulink. Έτσι, η rms τιμή της τάσης εξόδου του αντριστροφέα προκύπτει: Vrms = Vpeak 2 = = 13.22V (5.26) 71

82 Για την αύξηση της τάσης εξόδου από τα 13.22Vrms στα 230 Vrms χρησιμοποιήθηκε ένας ιδανικός μετασχηματιστής (Εικόνα 56) με λόγο μετασχηματισμού: Vp = Np = = 1 Vs Ns (5.27) Το μπλοκ διάγραμμα του μετασχηματιστή που χρησιμοποιήθηκε ονομάζεται Linear Transformer και βρίσκεται στη βιβλιοθήκη SimPowerSystems/Elements. Για να γίνει ιδανικός ο μετασχηματιστής μηδενίστηκαν οι απώλειες στο πρωτεύον και το δευτερεύον. Εικόνα 56: Μοντέλο ιδανικού μετασχηματιστή με λόγο μετασχηματισμού 1/17.4 Καθώς είναι αδύνατο στο πρωτεύον ο μετασχηματιστής να έχει 1 σπείρα και στο δευτερεύον να έχει 17.4 πρέπει να επιλεχθεί ένας μετασχηματιστής με λόγο μετασχηματισμού 1/17 ή 1/18. Προτιμότερη θα ήταν η χρήση του μετασχηματιστή με 1/17 σπείρες καθώς παρουσιάζει μικρότερη απόκλιση από την επιθημητή τάση, ανεβάζοντας την τάση στα Vrms, αντί για τα 230 Vrms. Για την προσομοίωση στο Simulink κρατήθηκε ο λόγος μετασχηματισμού 1/17.4, για την επίτευξη των αρχικών επιθυμητών αποτελεσμάτων (50Hz και 230 Vrms), καθώς ήταν εφικτή αυτή η επιλογή. Επίσης, δεν επηρεάζει την ισχύ των αποτελεσμάτων, αφού τα αποτελέσματα που θα προέκυπταν με άλλο λόγο μετασχηματισμού απλά θα είχαν διαφορετική rms τιμή. 5.7 Ρυθμιστής ροής καυσίμου Οι μπαταρίες, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, είναι σε θέση να ανταπεξέρχονται ταχύτερα από την κυψέλη καυσίμου σε απότομες αλλαγές του φορτίου. Για το λόγο αυτό προτιμήθηκε να τροφοδοτούν συνεχώς το φορτίο. Η κυψέλη καυσίμου είναι ανοιχτοκυκλωμένη και η κάλυψη του φορτίου γίνεται εξ ολοκλήρου από τις μπαταρίες, όσο αυτό δεν ξεπερνάει τα 900W και οι μπαταρίες βρίσκονται σε κατάσταση φόρτισης (SOC) πάνω από 80%. Έτσι, η κυψέλη καυσίμου συνδέεται για να τροφοδοτήσει το φορτίο, όταν 72

83 απαιτούνται μεγάλα ποσά ισχύος. Αυτό συμβαίνει αν αύξηθεί το φορτίο πάνω από τα 900W, ή αν η κατάσταση φόρτισης των μπαταρίων πέσει κάτω από το 80%, οπότε αντιμετωπίζονται και αυτές ως φορτίο και επαναφορτίζονται. Επίσης, αυτό συμβαίνει και στην περίπτωση κατά την οποία και το φορτίο αυξηθεί πάνω από τα 900W και η κατάσταση φόρτισης των μπαταρίων μειωθεί κάτω από το 80%. Στην τελευταία περίπτωση για την κάλυψη του φορτίου η κυψέλη καυσίμου θα λειτουργεί με ονομαστικό φορτίο και οι μπαταρίες θα εκφορτίζονται. Επειδή, χρησιμοποιήθηκαν 12 μπαταρίες ο ρυθμός εκφόρτισής τους θα είναι αργός και απαιτείται ένα μεγάλο χρονικό διάστημα για να προλάβουν να εκφορτίστούν πλήρως. Μέσα σε αυτό το χρονικό διάστημα το φορτίο θα μειωθεί κάτω από τα 900W και έτσι οι μπαταρίες θα μπορέσουν να επαναφορτιστούν, μέχρι το 80%, από την κυψέλη καυσίμου. Η καταστάση της κυψέλης καυσίμου, ανάλογα με την κατάσταση φόρτισης των μπαταρίων (SOC) και την κατανάλωση του φορτίου, παρουσιάζεται στον Πίνακα 8. SOC Φορτίο Ρεύμα (RMS) στο φορτίο Switch Κυψέλη καυσίμου <80% >900W >4Α 1 ON <80% 900W 4Α 1 ON >80% >900W >4Α 1 ON >80% 900W 4Α 0 OFF Πίνακας 8: Κατάσταση κυψέλης καυσίμου Αυτή η στρατηγική ακολουθήθηκε για την αποφυγή μεγάλων φορτίσεων και εκφορτίσεων της μπαταρίας, οι οποίες θα μπορούσαν να μειώσουν το χρόνο ζωής της. Επιπλέον, με αυτήν τη στρατηγική όταν συνδέεται στο DC bus η κυψέλη καυσίμου, λειτουργεί συνεχώς με ονομαστικό φορτίο (1200W), γιατί είτε τροφοδοτεί ένα μεγαλύτερο φορτίο με τη βοήθεια των μπαταριών, είτε τροφοδοτεί ένα μικρότερο φορτίο σε συνδυασμό με τις μπαταρίες, τις οποία πλέον «βλέπει» ως φορτίο. Για την υλοποίηση της στρατηγικής αυτής στο Simulink δημιουργήθηκε το υποσύστημα του ρυθμιστή ροής καυσίμου (flow rate regulator), το οποίο παρουσιάζεται στην Εικόνα 57. Έχει ως εισόδους την κατάστασης φόρτισης των μπαταριών και την rms τιμή του ρεύματος στο φορτίο. Ως εξόδους έχει το σήμα ελέγχου του διακόπτη που βραχυκυκλώνει ή ανοιχτοκυκλώνει την κυψέλη καυσίμου με το μετατροπέα τύπου Buck και το σήμα που ρυθμίζει τη ροή του υδρογόνου προς την κυψέλη καυσίμου. Η πρώτη είσοδος του υποσυστήματος προκύπτει από το μοντέλο των μπαταριών που χρησιμοποιήθηκε, το οποίο έχει ενσωματομένη ένδειξη της κατάστασης φόρτισης 73

84 (SOC) των μπαταριών. Για τη δεύτερη είσοδο μετράται το ρεύμα που ρέει στο φορτίο με ένα αμπερόμετρο (στο Simulink). Έτσι, προκύπτει ένα σήμα ημιτονοειδούς μορφής. Στη συνέχεια, το σήμα αυτό διέρχεται από το μπλοκ διάγραμμα RMS, το οποίο βρίσκει την rms τιμή ενός ημιτονοειδούς σήματος σταθερής συχνότητας (στο παρών μοντέλο 50Hz). Η τιμή αυτή είναι ένας σταθερός αριθμός για όσο χρονικό διάστημα το φορτίο μένει σταθερό και δεν αλλάζει η ισχύς και το ρεύμα που απαιτούνται για την κάλυψή του. Αν το φορτίο απαιτεί 1350W, τότε χρειάζεται ρεύμα: Irms(P=1350W) = P = 1350 = 5.87Α (5.28) Vrms 230 Αν το φορτίο απαιτεί 900W, τότε χρειάζεται ρεύμα: Irms(P=900W) = P = 900 = 3.91Α (5.29) Vrms 230 Τα 4Α, τα οποία αντοιστοιχούν σε φορτίο 920W, επιλέγονται ως όριο για την rms τιμή του ρεύματος που διαρρέει το φορτίο. Το όριο αυτό επιλέχθηκε έτσι ώστε μόλις το φορτίο ξεπεράσει τα 920W να τεθεί σε λειτουργία η κυψέλη καυσίμου. Εικόνα 57: Μοντέλο ρυθμιστή ροής καυσίμου Για να προκύψει το πρώτο σήμα εξόδου ελέγχεται αν η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας είναι πάνω από 80% και αν η rms τιμή του ρεύματος στο φορτίο είναι μεγαλύτερη από 4Α. Αν η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας είναι κάτω από 80%, τότε το μπλοκ διάγραμμα <80 δίνει αποτέλεσμα 1, αλλιώς 0. Αν η rms τιμή του ρεύματος στο φορτίο είναι πάνω από 4Α, τότε το μπλοκ διάγραμμα >4 δίνει αποτέλεσμα 1, σε αντίθετη περίπτωση 0. Αυτά τα δύο αποτελέσματα περνάνε από το μπλοκ διάγραμμα του λογικού τελεστή OR. Ο λογικός τελεστής OR αν έχει έστω και μία είσοδο 1 δίνει αποτέλεσμα 1, ενώ αν και οι δύο είσοδοί του είναι 0 δίνει αποτέλεσμα 0. Η λειτουργία του λογικού τελεστή OR παρουσιάζεται στον Πίνακα 9. Το δεύτερο σήμα εξόδου χρησιμοποιεί το πρώτο σήμα εξόδου, για να συνυπολογίσει την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας και την κατανάλωση ισχύος του 74

85 φορτίου. Το μπλοκ διάγραμμα του Switch ελέγχει αν η δεύτερη είσοδός του (δηλαδή η έξοδος του λογικού τελεστή OR) είναι μεγαλύτερη από την τρίτη είσοδό του (δηλαδή το 0). Αν η δεύτερη είσοδος είναι 0, τότε δεν ισχύει 0>0, οπότε από το μπλοκ διάγραμμα του Switch περνάει η τρίτη είσοδος, δηλαδή 0lpm υδρογόνο στην κυψέλη καυσίμου. Αν η δεύτερη είσοδος είναι 1, τότε ισχύει 1>0, με αποτέλεσμα να περνάει η πρώτη είσοδος του Switch δηλαδή μία βηματική συνάρτηση με πλάτος 8.5. Αυτό συνεπάγεται βηματική αύξηση της κατανάλωσης της κυψέλης καυσίμου από 0lpm σε 8.5lpm υδρογόνο, με αποτέλεσμα να τεθεί σε λειτουργία η κυψέλη καυσίμου [17], [18], [19]. Logical Orerator OR A B A OR B Πίνακας 9: Ο λογικός τελεστής OR 5.8 Τελικό μοντέλο Το τελικό μοντέλο του υβριδικού συστήματος, το οποίο προέκυψε συνδυάζοντας τα προαναφερθέντα υποσυστήματα, παρουσιάζεται στην Εικόνα 58. Τονίζεται ότι για την προσομοίωση ενός μοντέλου που περιέχει μπλοκ διαγράμματα της βιβλιοθήκης SimPowerSystems απαιτείται η προσθήκη του μπλοκ διαγράμματος Powergui. Είναι απαραίτητο για την αποθήκευση του ισοδύναμου κυκλώματος του Simulink, το οποίο αντιπροσωπέυει τις εξισώσεις του χώρου κατάστασης του μοντέλου. Στο Powergui επιλέχθηκε ο τύπος προσομοίωσης Continuous, για την εκτέλεση μίας συνεχούς λύσης του μοντέλου. Για την προσομοίωση και την εκτέλεση των υπολογισμών χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος ode23tb, η οποία αποτελεί μία μέθοδο χαμηλής τάξης για την επίλυση άκαμπτων διαφορικών εξισώσεων (stiff differential equations). Βασίζεται στην εξίσωση Runge-Kutta με δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο ακολουθούνται βήματα με βάση τον τραπεζοειδή κανόνα, ενώ στο δεύτερο στάδιο ακολουθείται ένας προς τα πίσω τύπος διαφοροποίησης τάξης 2 (backward differentiation formula of order 2). Η μέθοδος ode23tb προτιμήθηκε, καθώς προτείνεται για την επίλυση κυκλωμάτων που περιέχουν διακόπτες και μη γραμμικά στοιχεία της βιβλιοθήκης SimPowerSystems [17], [18], [19]. 75

86 Τέλος, επισημαίνεται ότι αντιμετωπίστηκε έντονο πρόβλημα με το χρόνο εκτέλεσης των υπολογισμών του Matlab. Στα αρχικά μοντέλα οι αλλαγές στο φορτίο συνέβαιναν ανά ένα λεπτό. Ωστόσο, αυτό απαιτούσε εβδομάδες για την ολοκλήρωση των υπολογισμών. Οι υπερβολικά μεγάλοι χρόνοι εκτέλεσης των υπολογισμών οφείλονται στις εξαιρετικά γρήγορες τριγωνικές κυματομορφές συχνότητας 50kHz, οι οποίες ήταν απαραίτητες για την υλοποίηση των μετατροπέων και του αντιστροφέα. Για να υπάρχει ακρίβεια και να μην χάνονται τμήματα των κυματομορφών αυτών κατέστη απαράιτητη η χρησιμοποίηση πολύ μικρού μεγέθους βήματος (step size) στη μέθοδο επίλυσης ode23tb. Έτσι, για να γίνει εφικτή η ολοκλήρωση των υπολογισμών, οι αλλαγές του φορτίου γίνονται ανά 0.03s και ο συνολικός χρόνος εκτέλεσης της προσομοίωσης περιορίστηκε στα 0.25s. Παρά την τεράστια μείωση στη διάρκεια του χρόνου προσομοίωσης, ο απαιτούμενος χρόνος για την ολοκλήρωση των υπολογισμών προσέγγιζε τα δέκα λεπτα. Η μείωση του χρόνου προσομοίωσης δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα, καθώς στις κυματομορφές είναι σαφές σε ποια χρονικά διαστήματα λειτουργεί η μπαταρία μόνη της, σε ποια χρονικά διαστήματα παρέχει ισχύ μαζί με την κυψέλη καυσίμου για την κάλυψη του φορτίου και σε ποια χρονικά διαστήματα επαναφορτίζεται από την κυψέλη καυσίμου. Επίσης, οι χρόνοι απόκρισης των μετατροπέων είναι αρκετά μικρότεροι, με αποτέλεσμα διακρίνονται χωρίς καμία δυσκολία. Εικόνα 58: Τελικό μοντέλο του υβριδικού συστήματος 76

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 Εισαγωγή Στο παρών κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των αποτελεσμάτων, τα οποία προέκυψαν από την προσομοίωση του μοντέλου του υβριδικού συστήματος στο Simulink. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με τη μορφή γραφικών παραστάσεων, με τη βοήθεια του μπλοκ διαγράμματος Scope, το οποίο βρίσκεται στη βιβλιοθήκη Commonly Used Blocks. Επίσης, όπου χρειάστηκε να μετρηθούν τάσεις και ρεύματα χρησιμοποιήθηκαν τα μπλοκ διαγράμματα Voltage Measurement (βολτόμετρο) και Current Measurement (αμπερόμετρο) αντίστοιχα, της βιβλιοθήκης SimPowerSystems/Measurements. Από τα αποτελέσματα αυτά εξάγονται πολύτιμα συμπεράσματα για τη λειτουργία του μοντέλου. Έτσι, αξιολογείται η συνολική ικανότητα του συστήματος να παρέχει ισχύ στο μεταβλητό φορτίο, διατηρώντας παράλληλα την τάση στα επιθυμητά επίπεδα, στα επιμέρους τμήματα (DC bus, AC bus) που το αποτελούν. Τέλος, με τη βοήθεια των συμπεράσματων προκύπτουν προτάσεις, οι οποίες δύναται να βελτιώσουν την απόδοση του συστήματος. 6.2 Αποτελέσματα προσομοίωσης Για τον καλύτερο έλεγχο των πιθανών περιπτώσεων λειτουργίας του συστήματος, κατά την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκαν δύο πιθανά σενάρια. Στο πρώτο, η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας (SOC) βρίσκεται στο 81% (πάνω από το 80%), οπότε η μπαταρία τροφοδοτεί μόνη της το φορτίο, όσο αυτό καταναλώνει ισχύ μικρότερη από τα 1350W. Στο δεύτερο σενάριο, η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας (SOC) βρίσκεται στο 60% (κάτω από το 80%), οπότε η μπαταρία συνεργάζεται με την κυψέλη καυσίμου για την κάλυψη του φορτίου. Έτσι, στα διαστήματα κατά τα οποία το φορτίο καταναλώνει ισχύ μικρότερη από 1350W, η μπαταρία επαναφορτίζεται από την κυψέλη καυσίμου, ενώ σε αντίθετη περίπτωση εκφορτίζεται για να καλύψει το μέρος του φορτίου που δεν είναι σε θέση να τροφοδοτήσει η κυψέλη καυσίμου. 77

88 6.2.1 Πρώτο σενάριο προσομοίωσης Στην Εικόνα 59 παρουσιάζεται η τάση και το ρεύμα της κυψέλης καυσίμου καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Στα 0.06s, οπότε το φορτίο υπερβαίνει τα 900W, η κυψέλη καυσίμου τίθεται σε λειτουργία. Τη δεδομένη χρονική στιγμή τα μεταβατικά φαινόμενα έχουν πολύ σύντομη διάρκεια (περίπου 1 ms). Στη συνέχεια, για όσο χρόνο η κυψέλη καυσίμου παραμένει συνδεδεμένη, παρατηρούνται μικρές ταλαντώσεις, τόσο στην τάση όσο και στο ρεύμα, σε μία τάξη μεγέθους των λίγων V και A αντίστοιχα. Σημειώνεται δε πως ο ρόλος του βαθυπερατού φίλτρου στην έξοδο της κυψέλης συνίσταται στον κατά το δυνατό μεγαλύτερο περιορισμό των ταλαντώσεων αυτών, αποστολή την οποία πετυχαινει σε ικανοποιητικό βαθμό. Τέλος, παρατηρούνται έντονες ταλαντώσεις στην τάση της κυψέλης καυσίμου, όταν αυτή αποσυνδέεται από το υπόλοιπο σύστημα. Εικόνα 59: Η τάση και το ρεύμα της κυψέλης καυσίμου Στην Εικόνα 60 παρουσιάζεται η κατάσταση φόρτισης (SOC), η τάση και το ρεύμα των μπαταριών σε όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Οι μπαταρίες συνεχώς εκφορτίζονται, καθώς αρχικά, μέχρι τα 0.06s, τροφοδοτούν μόνες τους το φορτίο, ενώ στη συνέχεια παρέχουν την επιπλέον ισχύ που δεν δύναται να καλύψει η κυψέλη καυσίμου. Τέλος, από τα 0.21s η κατάσταση φόρτισής τους παραμένει σταθερή, καθώς τόσο το φορτίο όσο και η κυψέλη καυσίμου έχουν αποσυνδεθεί από το κύκλωμα. Οι ταλαντώσεις στην τάση των μπαταριών είναι πολύ μικρές (μέχρι 1V). Αντίθετα, οι ταλαντώσεις του ρεύματός τους 78

89 είναι αρκετά αισθητότερες καθώς παρατηρείται ότι για πλήρες φορτίο το ρεύμα ξεπερνάει τα 100Α, για λίγα ms. Εικόνα 60: Η κατάσταση φόρτισης (SOC), η τάση και το ρεύμα των μπαταριών Στην Εικόνα 61 παρουσιάζεται η παραγόμενη ισχύς από την κυψέλη καυσίμου και τις μπαταρίες κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Όπως είναι αναμενόμενο η κυψέλη καυσίμου παράγει ισχύ μόνο όταν το φορτίο καταναλώνει ισχύ μεγαλύερη από 900W. Η ισχύς που παράγει η κυψέλη καυσίμου, για όσο χρόνο είναι συνδεδεμένη, είναι περίπου 1200W, με μικρές ταλαντώσεις γύρω από αυτήν την τιμή. Εικόνα 61: Η παραγόμενη ισχύς από την κυψέλη καυσίμου και τις μπαταρίες 79

90 Στην Εικόνα 62 παρουσιάζεται η τάση στο DC bus. Η τάση αυτή παρουσιάζει πάρα πολύ μικρές ταλαντώσεις γύρω από την επιθυμητή τιμή (24V), οι οποίες γίνονται αισθητότερες κατά τη σύνδεση και κυρίως κατά την αποσύνδεσης της κυψέλης καυσίμου από το υπόλοιπο σύστημα. Ο χρόνος για τη σταθεροποίηση της τιμής της τάσης στα 24V είναι της τάξης των λίγων ms. Εικόνα 62: Η τάση στο DC bus Στην Εικόνα 63 παρουσιάζονται η τάση και το ρεύμα στο AC bus. Η τάση είναι ένα ημίτονο συχνότητας 50Hz και σταθερού πλάτους με rms τιμή 230V, ενώ το ρεύμα έχει συχνότητα 50Hz αλλά μεταβλητό πλάτος, ανάλογα με τις απαιτήσεις του φορτίου σε κάθε χρονική στιγμή. Εικόνα 63: Η τάση και το ρεύμα στο AC bus 80

91 Στην Εικόνα 64 παρουσιάζονται οι rms τιμές της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος στο AC bus. Παταρηρείται ότι η rms τιμή της τάσης παραμένει σχεδόν αναλλοίωτη στις μετεβολές του φορτίου, παρουσιάζοντας μία αποκλιση των 3V από την επιθυμητή τιμή (230V), για πλήρες φορτίο. Το ρεύμα και η ισχύς μεταβάλλονται ανάλογα με τις απαιτήσεις του φορτίου. Εικόνα 64: Οι rms τιμές της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος Δεύτερο σενάριο προσομοίωσης Το δεύτερο σενάριο είναι δυσχερέστερο, καθώς η κατάσταση φόρτισης (SOC) των μπαταριών βρίσκεται στο 60%, γεγονός που σημαίνει ότι η κυψέλη καυσίμου καλείται να παρέχει ισχύ και για την φόρτιση των μπαταριών, όταν οι απαιτήσεις του φορτίου είναι μικρές. Έτσι, η κυψέλη καυσίμου λειτουργεί συνεχώς. Στην Εικόνα 65 παρουσιάζεται η τάση και το ρεύμα της κυψέλης καυσίμου καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Αρχικά, απαιτούνται λίγα ms, μέχρι η τάση και το ρεύμα της κυψέλης καυσίμου να σταθεροποιηθούν. Στη συνέχεια, παρατηρούνται μικρές ταλαντώσεις, τόσο στην τάση όσο και στο ρεύμα, σε μία τάξη μεγέθους των λίγων V και A αντίστοιχα. Οι ταλαντώσεις αυτές όπως εξηγήθηκε και προηγουμένως (Παράγραφος 5.6.1) οφείλονται στη δημιουργία ενός κλειστού βρόγχου τριών στοιχείων, μίας πηγής τάσης (κυψέλη καυσίμου), ενός πηνίου και ενός πυκνωτη. Ο 81

92 περιορισμός των ταλαντώσεων και σε αυτήν την περίπτωση επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του βαθυπερατού φίλτρου στην έξοδο της κυψέλης. Τέλος, μετά την αποσύνδεση του φορτίου στα 0.21s η κυψέλη καυσίμου δεν ανοιχτοκυκλώνεται, αλλά συνεχίζει να τροφοδοτεί τις μπαταρίες, μέχρι η κατάσταση φόρτισής τους να φτάσει το 80%. Εικόνα 65: Η τάση και το ρεύμα της κυψέλης καυσίμου Στην Εικόνα 66 παρουσιάζεται η κατάσταση φόρτισης (SOC), η τάση και το ρεύμα των μπαταριών σε όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Αρχικά, οι μπαταρίες φορτίζονται από την κυψέλη καυσίμου, καθώς μέχρι τα 0.06s το φορτίο απαιτεί μικρότερη ισχύ από αυτήν που μπορεί να αποδόσει η κυψέλη. Έπειτα, εκφορτίζονται μέχρι τα 0.15s, παρέχοντας την επιπλέον ισχύ που απαιτεί το φορτίο και δεν είναι σε θέση να καλύψει η κυψέλη καυσίμου. Τέλος, μέχρι τα 0.21s φορτίζονται ακριβώς όπως συνέβαινε και στην αρχή της προσομοίωσης, ενώ μετα τα 0.21s το φορτίο ανοιχτοκυκλώνεται και οι μπαταρίες αποτελούν πλέον το μοναδικό φορτίο για την κυψέλη καυσίμου, με αποτέλεσμα να τροφοδοτούνται με την πλήρη ισχύ της κυψέλης. Οι ταλαντώσεις στην τάση των μπαταριών είναι αμελητέες, καθώς δεν ξεπερνούν το 1V. Αντίθετα, οι ταλαντώσεις του ρεύματός τους είναι αρκετά αισθητότερες καθώς παρατηρείται ότι για πλήρες φορτίο το ρεύμα των μπαταριών ξεπερνάει στιγμιαία τα 100Α. Οι ταλαντώσεις αυτές θα μπορούσαν να περιοριστούν σημαντικά κάνοντας χρήση ενός βαθυπερατού φίλτρου στην έξοδο των μπαταριών, όπως έγινε και στην περίπτωση της κυψέλης καυσίμου. Ωστόσο, αυτό δεν χρησιμοποιήθηκε κατά την προσομοίωση, για να γίνει φανερή η διαφορά από τη χρήση του φίλτρου και να τονιστεί η σημασία του. 82

93 Εικόνα 66: Η κατάσταση φόρτισης (SOC), η τάση και το ρεύμα των μπαταριών Στην Εικόνα 67 παρουσιάζεται η παραγόμενη ισχύς από την κυψέλη καυσίμου και τις μπαταρίες κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Όπως είναι αναμενόμενο η κυψέλη καυσίμου παράγει τη μέγιστη ισχύ που δύναται να αποδόσει συνεχώς. Η ισχύς αυτή είναι περίπου ίση με 1200W, ενώ παρατηρούνται μικρές ταλαντώσεις γύρω από την τιμή αυτή, οι οποίες είναι αισθητότερες όσο αυξάνει το φορτίο. Εικόνα 67: Η παραγώμενη ισχύς από την κυψέλη καυσίμου και τις μπαταρίες 83

94 Στην Εικόνα 68 παρουσιάζεται η τάση στο DC bus. Η τάση αυτή παρουσιάζει πάρα πολύ μικρές ταλαντώσεις γύρω από την επιθυμητή τιμή (24V), οι οποίες γίνονται αισθητότερες με την αύξηση του φορτίου, χωρίς όμως να καταφέρνουν να ξεπεράσουν τα 0.72V (μέγιστη επιτρεπόμενη κυμάτωση της τάσης εξόδου - Παράγραφοι και 5.6.2). Ο χρόνος για τη σταθεροποίηση της τιμής της τάσης στα 24V, στην αρχή της προσομοίωσης, είναι της τάξης των λίγων ms. Εικόνα 68: Η τάση στο DC bus Στην Εικόνα 69 παρουσιάζονται η τάση και το ρεύμα στο AC bus. Σε σχέση με το πρώτο σενάριο προσομοίωσεις δεν παρουσιάζονται καθόλου διαφορές, ως προς την τάση και το ρεύμα που φτάνουν στο φορτίο. Έτσι, η τάση είναι ένα ημίτονο συχνότητας 50Hz και σταθερού πλάτους με rms τιμή 230V, ενώ το ρεύμα έχει συχνότητα 50Hz αλλά μεταβλητό πλάτος, ανάλογα με τις απαιτήσεις του φορτίου σε κάθε χρονική στιγμή. Αφού δεν υπήρχαν διαφορές στην τάση και το ρεύμα του AC bus, αναμένεται να μην υπάρχουν διαφορές και στις rms τιμές τους, συγκριτικά με το πρώτο σενάριο προσομοίωσης. Αυτό επιβεβαιώνεται απο την Εικόνα 70, στην οποία παρουσιάζονται οι rms τιμές της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος στο AC bus. Παταρηρείται ότι η rms τιμή της τάσης παραμένει σχεδόν αναλλοίωτη στις μετεβολές του φορτίου, παρουσιάζοντας μία αποκλιση των 3V από την επιθυμητή τιμή (230V), για πλήρες φορτίο. Το ρεύμα και η ισχύς μεταβάλλονται ανάλογα με τις απαιτήσεις του φορτίου. 84

95 Εικόνα 69: Η τάση και το ρεύμα στο AC bus Εικόνα 70: Οι rms τιμές της τάσης, του ρεύματος και της ισχύος 6.3 Συπεράσματα Για την ορθή ερμηνεία των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, τονίζεται ότι η ωμική αντίσταση τόσο των καλωδίων μεταφοράς του ρεύματος, όσο και των πυκνωτών και των 85