ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: Προσομοίωση και μελέτη υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής αποτελούμενης από ανεμογεννήτρια, φωτοβολταϊκή συστοιχία και γεννήτρια Diesel ΦΟΙΤΗΤΗΣ: ΠΑΤΙΣΤΗΣ Δ. ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΑΜ:6351 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΓΑΒΡΙΗΛ Β. ΓΙΑΝΝΑΚΟΠΟΥΛΟΣ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2013 Πάτρα,

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην διπλωματική εργασία που ακολουθεί, παρουσιάζεται η προσομοίωση και μελέτη ενός υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής. Το σύστημα που εξετάζεται είναι ένα υβριδικό σύστημα ηλεκτροπαραγωγής που αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια, μια φωτοβολταϊκή συστοιχία και μία γεννήτρια diesel. Για τη προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Η εργασία επικεντρώνεται στη δομή και λειτουργία του συστήματος τόσο στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και στη συμπεριφορά του συστήματος σε διάφορα μεταβατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: Μείωση προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκη συστοιχία Αποσύνδεση Ανεμογεννήτριας από το δίκτυο Τριφασικό βραχυκύκλωμα ως προς την γή στον ζυγό της γεννήτριας diesel Απότομη αύξηση του φορτίου Στο 1 ο Κεφάλαιο, γίνεται μια αναφορά στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στα συστήματα κατανεμημένης παραγωγής, στις δομές τους και στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης αναφέρονται μερικές εφαρμογές τους. Στο 2 ο Κεφάλαιο, περιγράφονται ξεχωριστά τα στοιχεία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία του υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής που απαρτίζουν την εργασία. Ταυτόχρονα παρουσιάζονται και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις σύμφωνα με τις οποίες λειτουργεί το σύστημα. Στο 3 ο Κεφάλαιο, εισερχόμαστε στο περιβάλλον του προγράμματος μοντελοποίησης PSCAD, παρουσιάζεται και περιγράφεται η δομή και τα στοιχεία που αποτελούν το υβριδικό δίκτυο ηλεκτροπαραγωγής, ενώ γίνεται και αναφορά στις προδιαγραφές που πρέπει να τηρούνται από το σύστημα διανεμημένης παραγωγής. Στο 4 ο Κεφάλαιο, παρατηρείται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων. Στο 5 ο Κεφάλαιο, εξετάζεται η συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων στις διαταραχές που έχουμε περιγράψει παραπάνω. Στο 6 ο Κεφάλαιο και τελευταίο, καταλήγουμε σε συμπεράσματα τα οποία προέκυψαν από την μελέτη του υβριδικού συστήματος που παρουσιάστηκε. 2

3 ABSTRACT The thesis that follows, presents the simulation and design of a hybrid distributed system of electrical power generation. The system presented, consists of a wind turbine, a photovoltaic array and a diesel generator. For the system simulation we use the drawing and simulation of electrical systems program, PSCAD. The project focuses on the structure and operation of the system both at steady - permanent state and in system behavior in various transient situations. The transients considered are the following: Reduction in incident solar radiation into array Wind Turbine disconnection from the network Three-phase short circuit as for ground under the rule of the diesel generator Sharp load increase In 1 st chapter, there is a reference to hybrid power generation systems, distributed generation systems, their structures and the renewable sources of energy. Also some applications are mentioned. In 2 nd chapter, there is a description of the elements that produce electrical energy and the other elements of the hybrid system of distributed production of electrical energy which are used in the system. At the same time there are presented and analyzed the mathematical relations under which the system operates. In 3 rd chapter, we enter the interface of the PSCAD modeling program, present and describe the structure and components of the hybrid power grid, while we also make a reference to the specifications that have to be met by the system of distributed production. In 4 th chapter, is examined the behavior of the whole system as well as of the individual subsystems in steady-permanent state. In 5 th chapter, is examined the behavior of the entire system as well as of the individual subsections during the disturbances which we have described above. In 6 th chapter and last, we come to conclusions that emerged from the study of the hybrid system presented. 3

4 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: Προσομοίωση και μελέτη υβριδικού συστήματος διανεμημένης παραγωγής αποτελούμενης από ανεμογεννήτρια, φωτοβολταϊκή συστοιχία και γεννήτρια Diesel του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Κωνσταντίνου Πατιστή (Α.Μ. 6351) Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 20/5/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Γ.Β. Γιαννακόπουλος Καθηγητής Α. Αλεξανδρίδης 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ...02 ABSTRACT...03 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ 04 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ.05 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή Αντικείμενο Διπλωματικής Εργασίας Υβριδικά Συστήµατα Παραγωγής Ενέργειας Διανεμημένη παραγωγή Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας(ΑΠΕ) Γενικές για τις ΑΠΕ Μορφές ΑΠΕ ΑΠΕ στην Ελλάδα..35 Κεφάλαιο 2 ο : Στοιχεία Υβριδικού Συστήματος Εισαγωγή Γεννήτρια Diesel Μηχανή Εσωτερικής Καύσεως-Βενζινοκινητήρας Σύγχρονη Μηχανή Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Φωτοβολταϊκή Γεννήτρια DC/DC Μετατροπέας Τριφασικός Αντιστροφέας(Inverter) Ανεμογεννήτρια Γραμμή Μεταφοράς Μετασχηματιστής Ισχύος Κεφάλαιο 3 ο : Μοντελοποίηση Συστήματος Το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC Μοντέλο Συστήματος Υπομοντέλο Γεννήτριας Diesel

6 3.4 Υπομοντέλο Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Υπομοντέλο Ανεμογεννήτριας Αναπαραστάσεις των Υπόλοιπων Στοιχείων Κανονισμοί και Προδιαγραφές...83 Κεφάλαιο 4 ο : Μελέτη του Συστήματος στην Μόνιμη Κατάσταση Λειτουργίας Υβριδικό Σύστημα Κατανεμημένης Παραγωγής Γεννήτρια Diesel Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Ανεμογεννήτρια 93 Κεφάλαιο 5 ο : Μελέτη του Συστήματος σε Διαταραχές Απότομη Μεταβολή της Προσπίπτουσας Ακτινοβολίας Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Αντίδραση Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Αντίδραση Ανεμογεννήτριας Απότομη Αποσύνδεση της Ανεμογεννήτριας Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Αντίδραση Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Αντίδραση Ανεμογεννήτριας Τριφασικό Βραχυκύκλωμα ως Προς την Γή στον Ζυγό της Γεννήτριας Diesel Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Αντίδραση Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Αντίδραση Ανεμογεννήτριας Απότομη Αύξηση του Φορτίου Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος 117 6

7 5.4.2 Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Αντίδραση Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Αντίδραση Ανεμογεννήτριας..122 Κεφάλαιο 6 ο : Συμπεράσματα Σύγκριση τιμών Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.125 7

8 Κεφάλαιο 1ο : Εισαγωγή 1.1 Αντικείμενο Διπλωματικής Εργασίας Το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να παρουσιάσει, να κατασκευάσει ένα μοντέλο και να προσομοιώσει ένα υβριδικό σύστημα διανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο αποτελείται από μία γεννήτρια diesel, μία φωτοβολταϊκή συστοιχία και μία ανεμογεννήτρια. Από τα διαγράμματα των διάφορων ηλεκτρικών και κάποιων μηχανικών μεγεθών που προκύπτουν θα μελετήσουμε αν ένα τέτοιο σύστημα είναι ικανό να παράγει ηλεκτρική ενέργεια σύμφωνα με κάποιες προδιαγραφές, τόσο στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και σε διάφορες μεταβατικές καταστάσεις, αλλά και να εξάγουμε κάποια χρήσιμα συμπεράσματα. Τα υβριδικά συστήματα διανεμημένης παραγωγής έχουν ως κύριο χαρακτηριστικό ότι σίγουρα χρησιμοποιούν κάποιες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συνήθως έχουν και κάποια πηγή ενέργειας που λειτουργεί με συμβατικό καύσιμο για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα του δικτύου σε περίπτωση απώλειας κάποιας από τις ΑΠΕ λόγω καιρικών συνθηκών. Ένα άλλο χαρακτηριστικό τους είναι ότι η παραγωγή της ενέργειας μπορεί να γίνεται αποκεντρωμένα, ίσως κοντά στον καταναλωτή, με αποτέλεσμα τις μικρότερες απώλειες λόγω μεταφοράς. Επίσης οι εγκαταστάσεις διανεμημένης παραγωγής δεν πρέπει να ξεπερνούν τα 100MW ενώ μπορούν να κυμαίνονται και σε πολύ μικρότερες τιμές της τάξης των kw για κάλυψη αναγκών κάποιων εξοχικών κατοικιών. Σκοπός της ανάπτυξης των υβριδικών συστημάτων διανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι η κάλυψη των αναγκών ηλεκτρισμού σε απομακρυσμένες περιοχές ή μη προσβάσιμες χωρίς την δημιουργία καινούργιου δικτύου αλλά και την μείωση απωλειών μεταφοράς ισχύος που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για μεγάλα δίκτυα. Ήδη στις μέρες μας έχει εμφανιστεί μεγάλη ανάπτυξη στα υβριδικά συστήματα διανεμημένης παραγωγής ωστόσο είναι σχεδόν σίγουρο ότι θα αναπτυχθούν και άλλο αφού τα αποθέματα συμβατικών καυσίμων μειώνονται και υπάρχουν συμφωνίες που προβλέπουν την αύξηση της χρήσης των ΑΠΕ οι οποίες συνήθως υπάγονται στην διανεμημένη παραγωγή. 1.2 Υβριδικά Συστήµατα Παραγωγής Ενέργειας Ως Υβριδικό Σύστηµα Παραγωγής Ενέργειας ορίζεται οποιοδήποτε αυτόνομο σύστηµα ηλεκτροπαραγωγής, στο οποίο ενσωματώνονται περισσότερες από µία πηγές ενέργειας που λειτουργούν µαζί µε τον απαραίτητο υποστηρικτικό εξοπλισµό, περιλαμβανομένης της αποθήκευσης της ενέργειας, µε στόχο την 8

9 παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο ή στο σηµείο εγκατάστασής του. Τα βασικά µέρη που συνιστούν ένα τέτοιο σύστημα είναι: α) οι μονάδες παραγωγής της ενέργειας, β) η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας, γ) η μονάδα ελέγχου της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και συντονισµού των διάφορων διαθέσιµων επιλογών για βέλτιστη κάλυψη των αναγκών. Πιο συγκεκραμένα, ένα υβριδικό σύστημα μπορεί να περιλαμβάνει µία συµβατική µονάδα παραγωγής σε συνδυασµό µε µία τουλάχιστον µορφή ανανεώσιµης πηγής ενέργειας, διατάξεις αποθήκευσης, συστήµατα εποπτείας και ελέγχου, καθώς και σύστηµα διαχείρισης φορτίου. Σύµφωνα µε το νόµο 3468/2006, ως υβριδικό σύστηµα ή αλλιώς υβριδικός σταθµός ορίζεται κάθε σταθµός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που: Χρησιμοποιεί µία, τουλάχιστον, µορφή ΑΠΕ. Η συνολική ενέργεια που απορροφά από το δίκτυο, σε ετήσια βάση, δεν υπερβαίνει το 30% της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται για την πλήρωση του συστήματος αποθήκευσης του σταθµού αυτού. Η µέγιστη ισχύς παραγωγής των µονάδων ΑΠΕ του σταθµού δε µπορεί να υπερβαίνει την εγκατεστημένη ισχύ των µονάδων αποθήκευσης του σταθµού, προσαυξημένη κατά ποσοστό µέχρι 20%. Το σχήµα 1.1 δείχνει ένα υβριδικό σύστηµα παραγωγής ενέργειας, που αξιοποιεί διάφορες µορφές ΑΠΕ, δίνοντας έµφαση στην χρησιμοποίηση του υδρογόνου και του βιοντίζελ ως βασικά καύσιµα. Σχήμα 1.1 Υβριδικό σύστημα παραγωγής ενέργειας Ως κυριότερα οφέλη από την αξιοποίηση των υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας θα µπορούσαν να χαρακτηριστούν τα εξής: ιασφαλίζουν την αξιοπιστία του συστήµατος, καθώς οι ΑΠΕ εξαρτώνται από καιρικές συνθήκες, οι οποίες εµφανίζουν µεγάλες διακυμάνσεις, όπως η ταχύτητα ανέµου και η ηλιακή ακτινοβολία. Συμβάλλουν στην διαφοροποίηση των ενεργειακών πηγών (energy diversification), αποφεύγοντας έτσι την εξάρτηση από συγκεκριμένες ενεργειακές πηγές. 9

10 Επιτυγχάνουν την οικονομικότερη λειτουργία των συμβατικών µονάδων, καθώς αυτές φορτίζονται µε σταθερότερο φορτίο και πλησίον της χαμηλότερης ειδικής κατανάλωσης καυσίµου. 1.3 Διανεμημένη Παραγωγή Ως διανεμημένη ή διεσπαρμένη ή κατανεμημένη παραγωγή (DG Distributed Generation) μπορεί να ορισθεί η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μικρής κλίμακας, εντός ενός δικτύου διανομής ή στο ακραίο τμήμα αυτού στην πλευρά του καταναλωτή. Συνήθως στον ορισμό της συμπεριλαμβάνονται και κάποια βασικά χαρακτηριστικά, όπως η ύπαρξη και εκμετάλλευση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας κ.α. Οι βασικότερες ΑΠΕ είναι οι: υδροηλεκτρικές πηγές (μικρές πηγές) ενέργεια της βιομάζας (καύση δασικών και γεωργικών προϊόντων και άλλων καταλοίπων σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς) αιολική ενέργεια (ανεμογεννήτριες) ηλιακή ενέργεια (φωτοβολταϊκά) γεωθερμικές πηγές (παραγωγή ενέργειας από τη θερμότητα που είναι αποθηκευμένη κάτω από την επιφάνεια της γης) κυψέλες καυσίμου ενέργεια των Θαλασσίων κυμάτων οι περισσότερες από τις οποίες αποτελούν γενικά και συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής, αν και υπάρχουν και εξαιρέσεις, όπως είναι τα υδροηλεκτρικά μεγάλης κλίμακας και τα παράκτια αιολικά πάρκα. Εκτός όμως από τις ΑΠΕ, στη διεσπαρμένη παραγωγή εντάσσονται και άλλες τεχνολογίες, που η λειτουργία τους βασίζεται στη χρήση ορυκτών καυσίμων, όπως είναι οι τουρμπίνες και οι μικροτουρμπίνες αερίου, οι εμβολοφόρες μηχανές κ.α. Το Ινστιτούτο των Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (Institute of Electrical and Electronics Engineer Inc, IEEE), καθορίζει την κατανεμημένη παραγωγή, ως παραγωγή ηλεκτρισμού από εγκαταστάσεις οι οποίες είναι σαφώς μικρότερες από τα κεντρικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, έτσι ώστε να είναι δυνατή η διασύνδεσή τους σχεδόν σε κάθε σημείο του συστήματος ισχύος. Όσον αφορά στην κατάταξη των κατανεμημένων σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το EPRI (Electric Power Research Institute, Ινστιτούτο Έρευνας Ηλεκτρικής Ενέργειας) ορίζει την κατανεμημένη παραγωγή ως παραγωγή από μερικά kw έως 50 MW. Το Διεθνές Συμβούλιο Μεγάλων Ηλεκτρικών Συστημάτων (CIGRE International Council on Large Electric Systems), έχει δημιουργήσει μια ομάδα εργασίας στον τομέα της κατανεμημένης παραγωγής. Σύμφωνα με αυτή, μονάδες παραγωγής που δεν υπερβαίνουν 100MW, είναι συνήθως συνδεδεμένες στο δίκτυο διανομής και η κατανομή φορτίου στις εγκαταστάσεις παραγωγής δεν γίνεται κεντρικά (not centrally dispatched), συνιστούν κατανεμημένη παραγωγή. 10

11 Σχήμα 1.2 Διανεμημένη παραγωγή Συνοψίζοντας, λοιπόν, τα γενικότερα χαρακτηριστικά της διανεμημένης παραγωγής είναι: Όχι κεντρικά σχεδιαζόμενη και αναπτυσσόμενη (από την εταιρεία ηλεκτρισμού ή κάποιον διαχειριστή). Δεν υπάρχει κεντρικός προγραμματισμός λειτουργίας των μονάδων από το διαχειριστή του συστήματος. Η ισχύς των μονάδων που εγκαθίστανται δεν υπερβαίνει τα MW αλλά συνήθως είναι της τάξης λίγων εκατοντάδων kw. Είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο διανομής ανάλογα με το πώς ορίζεται για κάθε υπό μελέτη σύστημα. Οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη της διανεμημένης παραγωγής είναι οι εξής: Ύπαρξη εγκατεστημένης ισχύος για παροχή εφεδρείας σε περίπτωση διακοπής τροφοδοσίας ή και για ψαλιδισμό αιχμών του καταναλωτή. Αυξημένη αξιοπιστία και βελτίωση της παρεχόμενης ποιότητας ισχύος σε τοπικό επίπεδο. Μείωση των απωλειών κατά τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από ένα απομακρυσμένο κεντρικό σταθμό στο σημείο κατανάλωσης. Υποστήριξη δικτύου με βοηθητικές υπηρεσίες όπως είναι η παροχή άεργου ισχύος και υποστήριξης τάσης, η παροχή παραγωγής με γρήγορη απόκριση για αποφυγή διακοπής της κατανάλωσης και η δυνατότητα επανεκκίνησης μετά από διακοπή. Εκμετάλλευση συνδυασμένης παραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού η οποία γίνεται σε τοπικό επίπεδο π.χ. σε βιομηχανικές διεργασίες κτλ. Αποτελεσματική χρήση των δυνατοτήτων για φτηνά τοπικά παραγόμενα καύσιμα και η επί τόπου αξιοποίησή τους όπως για παράδειγμα το τοπικά παραγόμενο βιοαέριο στους βιολογικούς καθαρισμούς. Εξοικονόμηση αρχικού κόστους κεφαλαίου και χρόνου από τη δημιουργία ενός κεντρικού σταθμού παραγωγής ή νέων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. 11

12 Μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και εξευγενισμένων καυσίμων. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα διανεμημένης παραγωγής Τα πλεονεκτήματα της διανεμημένης παραγωγής είναι οικονομικά, περιβαλλοντικά και τεχνικά. Μερικά από αυτά αναφέρονται παρακάτω: Η διεσπαρμένη παραγωγή καλύπτει μία ευρεία γκάμα τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένου πολλών ανανεώσιμων τεχνολογιών που παρέχουν ισχύ μικρής κλίμακας, σε τοποθεσία κοντά στους χρήστες. Όλες αυτές οι τεχνολογίες δημιουργούν νέες ευκαιρίες στην αγορά και αυξημένο βιομηχανικό ανταγωνισμό. Η παραγωγή της ενέργειας κοντά στην τοποθεσία στην οποία χρησιμοποιείται ελαχιστοποιεί τις απώλειες μεταφοράς, όπως επίσης και το κόστος μεταφοράς, που αποτελεί ένα σημαντικό μέρος (πάνω από το 30%) του συνολικού κόστους του ηλεκτρισμού. Ένα ακόμα οικονομικό όφελος είναι η αύξηση της σταθερότητας στην τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας και η μείωση της ζήτησης καυσίμου με μία επακόλουθη μείωση και στην τιμή τους και μια καθυστέρηση στις αυξήσεις των τιμών ενέργειας γενικότερα. Όλα αυτά οδηγούν σε μία γενική πτώση των τιμών, χάρη στο μικρότερο κόστος παραγωγής προϊόντων. Σχεδόν πάντα η διανεμημένη παραγωγή διασφαλίζει απτά οικονομικά οφέλη για τους καταναλωτές, όπως μικρότερο συνολικό ενεργειακό κόστος και αποφυγή υψηλών τιμολογίων κατά τη διάρκεια της αιχμής φορτίου. Χρησιμοποιώντας όλο και περισσότεροι καταναλωτές ανανεώσιμες πηγές διεσπαρμένης παραγωγής, μειώνεται το συνολικό φορτίο αιχμής της εταιρείας διανομής ηλεκτρικής ενέργειας και έτσι δε χρειάζεται να γίνει καμία αναβάθμιση του δικτύου (το οποίο ωφελεί και τους άλλους καταναλωτές, οι οποίοι θα επιβαρύνονταν με το κόστος της αναβάθμισης της εταιρείας), αφού η διεσπαρμένη παραγωγή βοηθά στην αποσυμφόρηση των ήδη υπαρχόντων γραμμών. Η διεσπαρμένη παραγωγή παρέχει πολλά πλεονεκτήματα στους καταναλωτές θερμικών φορτίων, μέσω των εφαρμογών συμπαραγωγής (αυξάνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του συστήματος), καθώς επίσης και σε εκείνους που έχουν πρόσβαση σε φτηνά καύσιμα, όπως για παράδειγμα στο φυσικό αέριο. Επιπλέον, προσφέρει πλεονεκτήματα στους καταναλωτές που ευνοούνται από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής όπου ζουν και μπορούν έτσι να αξιοποιήσουν τις ανανεώσιμες πηγές. Από την επενδυτική σκοπιά του θέματος, είναι πρακτικά πιο εύκολο να βρεθούν τοποθεσίες για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και άλλες διεσπαρμένες παραγωγές από ότι για ένα μεγάλο, κεντρικό εργοστάσιο παραγωγής ισχύος, και μάλιστα οι μονάδες αυτές είναι πιο εύκολο και κυρίως πιο γρήγορο να συνδεθούν στο δίκτυο. Η έκθεση και το ρίσκο του κεφαλαίου μειώνονται, και αποφεύγονται οι περιττές δαπάνες. Η εκτεταμένη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας βοηθά στη μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων και στη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου αλλά και άλλων επιβλαβών αερίων όπως είναι τα οξείδια του 12

13 θείου και του αζώτου (SOx, NOx), συνεισφέροντας έτσι με ουσιαστικό τρόπο στην προστασία του περιβάλλοντος. Περιβαλλοντικά οφέλη που προκύπτουν από την μείωση των απωλειών στις γραμμές μεταφοράς, ένεκα της σωστής χωροθέτησης των σταθμών κατανεμημένης παραγωγής σε σχέση με την τοποθεσία και δυναμικότητα, μπορεί να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο το περιβαλλοντικό ισοζύγιο της κατανεμημένης παραγωγής. Τα σημαντικότερα οφέλη αξιοπιστίας που προσφέρει η διεσπαρμένη παραγωγή είναι υποστήριξη και σταθερότητα στην παροχή τάσης, αξιοπιστία άεργου ισχύος, εφεδρεία για απρόβλεπτα φαινόμενα και δυνατότητα αυτόνομης εκκίνησης. Κι αυτό γιατί υπό προϋποθέσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εφεδρική ισχύς σε περίπτωση διακοπής ρεύματος, καθώς και σε περιπτώσεις βύθισης τάσης, ώστε να ενισχυθεί η ποιότητα της ισχύος που παρέχεται τοπικά. Επιπροσθέτως πολλοί καταναλωτές, όπως νοσοκομεία, τηλεπικοινωνιακά κέντρα, βιομηχανίες ημιαγωγών, εγκαταστάσεις επεξεργασίας τροφίμων, κ.ά., απαιτούν υψηλότερη ποιότητα ενέργειας από τη συνηθισμένη που προμηθεύεται το μεγαλύτερο μέρος των καταναλωτών. Για τους καταναλωτές αυτούς η διακοπή ρεύματος ή η βύθιση τάσης μπορεί να έχει πολύ μεγάλες οικονομικές και όχι μόνο συνέπειες. Οι καταναλωτές αυτοί μπορούν με τη χρήση ανανεώσιμης διανεμημένης παραγωγής να ικανοποιήσουν τις αυξημένες ανάγκες τους για ποιότητα ισχύος. Η συνεχώς αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών, αλλά και άλλων μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, εκτός από την υψηλότερη απόδοση ενέργειας, θα κάνει και πιο ασφαλή αυτή την παρεχόμενη ενέργεια, καθώς μειώνονται οι εισαγωγές ηλεκτρικής ενέργειας. Από την αντίπερα όχθη υπάρχουν και μειονεκτήματα και παρουσιάζονται παρακάτω: Το σχετικά υψηλό κόστος κεφαλαίου ανά kw εγκατεστημένης ισχύος, συγκριτικά με τα μεγάλα κεντρικά εργοστάσια παραγωγής. Επιπλέον, διαφορές υπάρχουν και στα κόστη κεφαλαίου για διαφορετικές τεχνολογίες κατανεμημένης παραγωγής που μπορούν να ποικίλλουν από 1000 /kw έως /kw στις τουρμπίνες καύσης και τις κυψέλες καυσίμου αντίστοιχα. Η αυξανόμενη συμμετοχή της διεσπαρμένης παραγωγής στην εγκατεστημένη παραγωγή θα επιφέρει μικρότερη επιλογή μεταξύ των βασικών καυσίμων. Αυτό θα μπορούσε να μειώσει τη διαφοροποίηση των πρωταρχικών αποθεμάτων ενέργειας. Το κόστος για την πρωταρχική παροχή καυσίμου στη διεσπαρμένη παραγωγή, προβλέπεται να είναι αρκετά μεγαλύτερο σε σχέση με την κεντρική παραγωγή. Πολλές φορές δεν μπορεί να υπάρξει ακριβής πρόβλεψη για την ικανότητα παραγωγής συγκεκριμένων εγκαταστάσεων παραγωγής. Σε μικρά χρονικά διαστήματα μπορούν να υπάρχουν μεγάλες αποκλίσεις στη δυνατότητα παραγωγής ή ακόμα και απώλεια της παραγωγής εξαιτίας της φύσης ορισμένων πηγών όπως είναι για παράδειγμα ο άνεμος ή ο ήλιος. Έτσι υπάρχει συγκεκριμένο ποσοστό της ζήτησης που μπορεί να καλυφθεί από ανανεώσιμες πηγές, η διείσδυση είναι δηλαδή περιορισμένη και πρέπει να υπάρχει πάντα 13

14 εφεδρεία συμβατικών μονάδων παραγωγής. Αυτό το πρόβλημα αφορά κυρίως τα αυτόνομα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Ο μεγάλος αριθμός μονάδων παραγωγής μπορεί να προκαλέσει, εκτός από τη συνήθη ροή φορτίου από τη μέση τάση στη χαμηλή, επιπλέον ροή φορτίου, από την χαμηλή τάση στο δίκτυο μέσης τάσης. Αυτή η αμφίδρομη ροή φορτίου, απαιτεί διαφορετικά μέσα προστασίας και στα δύο επίπεδα τάσης. Επιπλέον, η συνεισφορά στο ρεύμα βραχυκύκλωσης από τις διεσπαρμένες γεννήτριες θα μπορούσε να προκαλέσει την αποσύνδεση υγιών γραμμών στις οποίες συνδέονται διεσπαρμένες γεννήτριες λόγω της γρήγορης αντίδρασης των υπέργειων γραμμών μέσης τάσης σε σφάλματα του δικτύου. Για κάθε τεχνολογία παραγωγής υπάρχουν έμμεσες και άμεσες εκπομπές ρύπων. Οι έμμεσες εκπομπές είναι εκπομπές ρύπων κατά τη διαδικασία κατασκευής της μονάδας, αναζήτησης και μεταφοράς των πηγών ενέργειας. Κάποιοι πιστεύουν πως η μεγάλη διείσδυση και χρήση σταθμών κατανεμημένης παραγωγής θα έχει ως αποτέλεσμα τη υπολειτουργία των μεγάλων κεντρικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με αποτέλεσμα να αυξηθούν οι εκπομπές ανά παραγόμενη κιλοβατώρα. Άλλα στοιχεία τα οποία κάνουν δύσκολη την ενιαία περιβαλλοντική εκτίμηση, είναι οι διαφορετικές απόψεις που διατυπώνονται σε διάφορα σχετικά θέματα όπως για παράδειγμα, την επικινδυνότητα των πυρηνικών σταθμών, ή την υψηλή στάθμη θορύβου και την οπτική ρύπανση που μπορεί να προκαλεί μια ανεμογεννήτρια. 1.4 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας(ΑΠΕ) Γενικά για τις ΑΠΕ Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια οδήγησε, τα τελευταία χρόνια, στην επένδυση χρόνου και πόρων για την έρευνα και την αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, κυρίως από την πλευρά των περισσότερο ανεπτυγμένων χωρών. Καθώς η ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια συνεχώς αυξάνεται, λόγω των τεχνολογικών εξελίξεων και της πληθυσμιακής αύξησης, τα συμβατικά ορυκτά καύσιμα εξαντλούνται σταδιακά και περιβαλλοντικά προβλήματα, όπως η ατμοσφαιρική ρύπανση, το φαινόμενο του θερμοκηπίου και οι ανθυγιεινές συνθήκες ζωής στα μεγάλα αστικά κέντρα συνεχίζουν να διογκώνονται. Είναι πλέον αποδεκτό πως για να καλυφθούν οι σύγχρονες ενεργειακές ανάγκες πρέπει να υπάρχει μια πολυμορφία στην ενεργειακή παραγωγή. Οι τρόποι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να προσανατολίζονται σε τεχνολογίες φιλικές προς το περιβάλλον, αλλά και να εξασφαλίζουν χαμηλό κόστος παραγωγής. Για τους παραπάνω λόγους, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) οφείλουν να έχουν σημαντικό μερίδιο σε αυτό το πολυμορφικό σύστημα παραγωγής. Σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές, όπως οι γαιάνθρακες (π.χ. λιγνίτης) και το πετρέλαιο, οι ΑΠΕ θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες και η χρήση τους δεν επιβαρύνει το περιβάλλον. Οι ΑΠΕ είναι εγχώριες πλουτοπαραγωγικές πηγές, οι οποίες συμβάλλουν στην ενεργειακή χειραφέτηση, καθώς και στην εξασφάλιση του 14

15 εθνικού ενεργειακού ανεφοδιασμού χωρών, οι οποίες δεν έχουν άμεση πρόσβαση σε συμβατικά καύσιμα. Επίσης, συμβάλλουν στην γεωγραφικά διεσπαρμένη παραγωγή, μειώνοντας τις απώλειες από τη μεταφορά της ενέργειας, και δεν επηρεάζονται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και τις τιμές των συμβατικών καυσίμων. Έχουν χαμηλό λειτουργικό κόστος και μπορούν να αποτελέσουν πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμισμένων περιοχών. Προβλήματα, όπως οι περιορισμοί διείσδυσης των ΑΠΕ σε ασθενή δίκτυα ή το υψηλό κόστος επένδυσης, μπορούν να ξεπεραστούν με αναβάθμιση του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και τη δημιουργία ελκυστικών οικονομικών επενδύσεων, είτε με κρατικές επιχορηγήσεις είτε με χρηματοδότηση από τρίτους (third party financing). Στον πίνακα 1.1 αναφέρονται οι κυριότερες μορφές Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και οι πιο διαδεδομένες επιλογές αξιοποίησής τους Πίνακας 1.1 Παγκοσμίως εκμεταλλεύσιμες μορφές ΑΠΕ Ωστόσο, παρά τις μεγάλες δυνατότητες αξιοποίησής τους, οι ΑΠΕ καλύπτουν μονάχα ένα μικρό μέρος από τις σύγχρονες ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας σε ηλεκτρική ενέργεια (πίνακας 1.2), η οποία και αποτελεί τη συνηθέστερη μορφή ενέργειας, μαζί με την ενέργεια για μετακινήσεις και θέρμανση. Έτσι, το μεγαλύτερο ποσοστό της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίμων (στερεών, υγρών, αερίων). Πίνακας 1.2 Παγκόσμια εγκατεστημένη Ηλεκτροπαραγωγός Ισχύς Παρ όλη την κλίμακα της δυναμικής, η τωρινή συνεισφορά των ανανεώσιμων πηγών ενέργεια είναι μέτρια. Οι ΑΠΕ υπολογίζεται ότι προμηθεύουν περίπου 17% της παγκόσμιας ενέργειας, η περισσότερη από την οποία προέρχεται από μεγάλες υδροηλεκτρικές μονάδες και την παραδοσιακή χρήση βιομάζας και αγροτικών 15

16 αποβλήτων στις αναπτυσσόμενες χώρες, αυτές όμως καταναλώνουν το 18% του ηλεκτρισμού και το 14% της πρωτογενούς παραγωγής αντίστοιχα. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η αιολική, η ηλιακή και οι «νέες μορφές» βιομάζας (ενεργειακά φυτά, κ.α.) συνεισφέρουν σημαντικά λιγότερο γύρω στο 3% του ηλεκτρισμού και στο 2% της πρωτογενούς παραγωγής Μορφές ΑΠΕ Αιολική ενέργεια Οι εναέριες μάζες της ατμόσφαιρας, κάτω από την επίδραση των συνεχών μεταβολών της ατμοσφαιρικής πίεσης, κινούνται και αποτέλεσμα αυτής της κίνησης είναι ο άνεμος. Στοιχεία που προσδιορίζουν τον άνεμο είναι η διεύθυνση και η ταχύτητά του. Δυο βασικά φαινόμενα συντελούν στη δημιουργία των ανέμων, η ηλιακή ακτινοβολία και η περιστροφή της γης. Λόγω της θέσης της ως προς τον ήλιο, η γη είναι πιο ζεστή γύρω από τον ισημερινό παρά κοντά στους πόλους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να πνέουν ψυχροί επιφανειακοί άνεμοι από τους πόλους προς τον ισημερινό για να αντικαταστήσουν τον θερμό αέρα μικρότερης πυκνότητας των τροπικών ζωνών που ανεβαίνει σε ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα και από εκεί κινείται προς τους πόλους. Επίσης η περιστροφή της γης επιδρά στις κινήσεις της ατμόσφαιρας. Η αδράνεια τείνει να στρέψει τον ψυχρό αέρα που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της γης προς τα δυτικά και τον θερμό των ανωτέρω στρωμάτων προς τα ανατολικά. Ενώ θεωρητικά ο άνεμος πνέει από τις ζώνες υψηλής πίεσης προς τις ζώνες χαμηλής πίεσης, στα μεσαία και μεγάλα γεωγραφικά μήκη η διεύθυνση του ανέμου, επηρεαζόμενη από την περιστροφή της γης, γίνεται παράλληλη με τις ισοβαρείς αντί να είναι κάθετη προς αυτές. Έτσι στο βόρειο ημισφαίριο ο άνεμος περιστρέφεται γύρω από τις περιοχές χαμηλής πίεσης με φορά αντίθετη αυτής των δεικτών του ρολογιού και γύρω από τις περιοχές υψηλής πίεσης με φορά αυτή των δεικτών του ρολογιού. Στο νότιο ημισφαίριο οι διευθύνσεις περιστροφής είναι αντίθετες. Στο επόμενο σχήμα δίνεται μια γενική εικόνα της κυκλοφορίας των ανέμων στη γη, ενώ πρέπει να σημειωθεί ότι η πραγματική κίνηση των αερίων μαζών είναι πολύ πιο σύνθετη. Σχήμα 1.3 Γενική εικόνα κυκλοφορίας ανέμων στην γη. 16

17 Αποτέλεσμα της κίνησης του αέρα στη επιφάνεια της γης, λόγω των περιοχών υψηλής και χαμηλής πίεσης είναι η μεταβολή της ταχύτητας και της διεύθυνσης του ανέμου κατά τη διάρκεια του έτους. Γενικά η ταχύτητα του ανέμου είναι μεγαλύτερη το χειμώνα παρά τις άλλες εποχές. Στις παραθαλάσσιες περιοχές, λόγω της διαφορετικής ειδικής θερμότητας της ξηράς από αυτή της θάλασσας, την ημέρα ο άνεμος κινείται από τη θάλασσα προς τη ξηρά (θαλάσσια αύρα), ενώ το βράδυ ο άνεμος κινείται από την ξηρά προς τη θάλασσα (απόγειος αύρα). Ανάλογα φαινόμενα συμβαίνουν και στις ορεινές περιοχές. Η ταχύτητα του ανέμου μπορεί να αλλάξει και κατά τη διάρκεια πολύ μικρών χρονικών διαστημάτων, της τάξης των sec. Στο κατώτερο μέρος της ατμόσφαιρας και ιδιαίτερα στα πρώτα 500 έως m από το έδαφος, εμφανίζονται έντονες αλλαγές στα χαρακτηριστικά του ανέμου. Το τμήμα αυτό λέγεται οριακό στρώμα και το πάχος του εξαρτάται κυρίως από την τραχύτητα του εδάφους (ύπαρξη εμποδίων, όπως είδη βλάστησης, κατασκευών, κτιρίων) και τις καιρικές συνθήκες. Μέσα στο οριακό στρώμα η ταχύτητα του ανέμου μεταβάλλεται σημαντικά συναρτήσει του ύψους, του έδαφος, καθώς και της τραχύτητας του εδάφους πάνω από το οποίο πνέει. Η τοπογραφία του εδάφους παίζει σημαντικό ρόλο στην επιβράδυνση, στην επιτάχυνση καθώς και στις παρεκκλίσεις του ανέμου. Οι ευνοϊκότερες περιοχές για αιολική εκμετάλλευση είναι κορυφογραμμές χαμηλών επιμηκών λόφων, παράλληλων προς την ακτή, με μέτριες και προοδευτικές κλίσεις και χωρίς επίπεδο μέρος στην κορυφή. Στις περιοχές αυτές, η αύξηση της ταχύτητας μπορεί να φθάσει και το %. Το οριακό στρώμα του αέρα μπορεί επίσης να είναι σημαντικό κατά τη σχεδιασμό των ανεμογεννητριών. Εάν σε μια υποθετική ανεμογεννήτρια με ένα ύψος πυλώνα 40 m και μιας διαμέτρου δρομέα 40 m, θα παρατηρήσετε ότι ο αέρας φυσά σε 9,3 m/s όταν είναι η άκρη της πτέρυγας στην ανώτατη θέση της, και μόνο 7,7 m/s όταν είναι η άκρη στην κατώτατη θέση. Αυτό σημαίνει ότι οι δυνάμεις που ενεργούν στα πτερύγια του δρομέα όταν είναι στην κορυφαία θέση του είναι πολύ μεγαλύτερες από όταν είναι στην κατώτατη θέση. Έτσι για τις ανάγκες υπολογισμού του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού μιας περιοχής δεν επαρκεί η γνώση της μέσης ταχύτητας του ανέμου της περιοχής αλλά μας απαιτούνται αναλυτικές πληροφορίες και για την κατανομή της πιθανότητας εμφάνισης των διαφόρων τιμών ταχύτητας του ανέμου μέσα στον χρόνο, με έμφαση στην καταγραφή των διαστημάτων νηνεμίας καθώς και των διαστημάτων εμφάνισης πολύ ισχυρών ανέμων. Για τον σκοπό αυτό, και πριν ληφθεί η τελική απόφαση για την εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτριας σε μια περιοχή, είναι απαραίτητη η συγκέντρωση των διαθέσιμων ανεμολογικών στοιχείων της περιοχής, η στατιστική επεξεργασία και η δημιουργία των αντίστοιχων διαγραμμάτων πυκνότητας πιθανότητας και διάρκειας των ανέμων. Επιπλέον είναι απαραίτητος ο εντοπισμός της συχνότητας και της διάρκειας των περιόδων χαμηλών ταχυτήτων και άπνοιας οπότε και η ανεμογεννήτρια βρίσκεται εκτός λειτουργίας. Στις χρονικές αυτές περιόδους αναζητούνται άλλες πηγές ενέργειας. Όπως γίνεται αντιληπτό, η κατάληξη σε ασφαλή συμπεράσματα απαιτούνται μακροχρόνιες και αναλυτικές μετρήσεις. Όμως το σημαντικό κόστος μετρήσεων 17

18 αλλά και η αναπόφευκτη καθυστέρηση σε συνδυασμό με την έλλειψη κατά κανόνα μακροχρόνιων μετρήσεων στις συγκεκριμένες "ενδιαφέρουσες" περιοχές, απαιτεί να καταφύγουμε εμπειρικά σε αναλυτικά μοντέλα, που περιγράφουν το τοπικό αιολικό δυναμικό μιας περιοχής βάσει μικρού αριθμού παραμέτρων. Η ανεμογεννήτρια λοιπόν αποκτά τη δύναμη της μετατρέποντας την ενέργεια του αέρα που λαμβάνει στην είσοδο σε περιστροφική ενεργώντας στα πτερύγια του στροφέα. Το ποσό ενέργειας που ο αέρας μεταφέρει στο στροφέα εξαρτάται από την πυκνότητα του αέρα, το άνοιγμα των πτερυγίων και την ταχύτητα του αέρα. Η κινητική ενέργεια ενός κινούμενου σώματος είναι ανάλογη προς τη μάζα της. Η κινητική ενέργεια του αέρα εξαρτάται έτσι από την πυκνότητα του αέρα, δηλ. τη μάζα της ανά μονάδα όγκου. Με άλλα λόγια, όσο "βαρύτερος" ο αέρας, τόση περισσότερη ενέργεια παραλαμβάνεται από την ανεμογεννήτρια. Στην κανονική ατμοσφαιρική πίεση και σε 15 C ο αέρας ζυγίζει περίπου χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο, αλλά η πυκνότητα μειώνεται ελαφρώς με την αυξανόμενη υγρασία. Επίσης, ο αέρας είναι πυκνότερος όταν είναι κρύος από όταν είναι θερμός. Σε μεγάλα ύψη, (στα βουνά) η πίεση αέρα είναι χαμηλότερη, και ο αέρας είναι λιγότερο πυκνός. Μία χαρακτηριστική ανεμογεννήτρια 600kW έχει μια διάμετρο δρομέα μέτρων, δηλ. ένας τομέας δρομέα περίπου τετραγωνικών μέτρων. Η διάμετρος του δρομέα καθορίζει πόση ενέργεια μια ανεμογεννήτρια είναι σε θέση να δεχθεί από τον αέρα. Δεδομένου ότι η περιοχή του δρομέα αυξάνεται με το τετράγωνο της διαμέτρου του δρομέα, ένας στρόβιλος που είναι δύο φορές μεγαλύτερος θα λάβει τετραπλάσια ενέργεια. Η επόμενη εικόνα παρουσιάζει τα πράγματα αρκετά απλοποιημένα. Σχήμα 1.4 Σχεδιάγραμμα ανεμογεννήτριας και επιφάνεια σάρωσης Στην πραγματικότητα, μία ανεμογεννήτρια θα εκτρέψει τον αέρα, ακόμη και προτού να φθάσει ο αέρας στον δρομέα. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι δυνατόν να εκμεταλλευτεί ολόκληρη η ενέργεια του αέρα χρησιμοποιώντας μία ανεμογεννήτρια. Στο σχήμα 1.4 φαίνεται ο αέρας που προέρχεται από τα δεξιά, και χρησιμοποιείται μια συσκευή για να εκμεταλλευτεί μέρος της κινητικής ενέργειας του αέρα, (σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιείται έναν λογχοειδή στροφέα 3 πτερυγίων, αλλά θα μπορούσε να είναι κάποια άλλη μηχανική συσκευή). Ο δρομέας των ανεμογεννητριών πρέπει προφανώς να επιβραδύνει τον αέρα δεδομένου ότι συλλαμβάνει την κινητική ενέργειά του και την μετατρέπει σε περιστροφική 18

19 ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι ο αέρας θα κινείται πιο αργά αριστερά του στροφέα από ότι δεξιά του στροφέα. Δεδομένου ότι το ποσό αέρα που εισάγεται μέσω της περιοχής σάρωσης του δρομέα από τα δεξιά (κάθε δευτερόλεπτο) πρέπει να είναι το ίδιο με το ποσό αέρα που αφήνει την περιοχή του δρομέα στο αριστερό, ο αέρας θα πρέπει να καταλάβει ένα μεγαλύτερο διαγώνιο τμήμα (διάμετρος) πίσω από το δρομέα. Ο αέρας δεν θα επιβραδυνθεί στην τελική ταχύτητά του αμέσως πίσω από το δρομέα. Η επιβράδυνση θα συμβεί βαθμιαία πίσω από το στροφέα, έως ότου η ταχύτητα γίνεται σχεδόν σταθερή. Είναι γνωστό ότι η ενεργειακή δυνατότητα ανά δευτερόλεπτο μεταβάλλεται αναλογικά προς τον κύβο της ταχύτητας του αέρα, και αναλογικά προς την πυκνότητα του αέρα. Εάν πολλαπλασιάσουμε την ενέργεια κάθε ταχύτητας του αέρα με την πιθανότητα κάθε ταχύτητας αέρα από τη γραφική παράσταση Weibull, έχουμε υπολογίσει την διανομή της ενέργειας του αέρα σε διαφορετικές ταχύτητες αέρα δηλαδή την πυκνότητα ισχύος. Το επόμενο σχήμα δίνει το ποσό ενέργειας του αέρα ανά τετραγωνική ροή αέρα που είναι δυνατό να συμβεί στην συγκεκριμένη περιοχή. Σχήμα 1.5 Ποσό ενέργειας συναρτήσει της ταχύτητας αέρα Σε αυτήν την περίπτωση υπάρχει μια μέση ταχύτητα αέρα 7 m/s και Weibull με k=2, έτσι λαμβάνονται 402 W/m2. Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό είναι σχεδόν δύο φορές η ενέργεια που έχει ο αέρας όταν φυσά συνεχώς με τη μέση ταχύτητα αέρα. Η γραφική παράσταση αποτελείται από διάφορες στενές κάθετες στήλες, μια για κάθε 0,1 m/s διάστημα ταχύτητας αέρα. Το ύψος κάθε στήλης είναι η ενέργεια την οποία εκείνη η συγκεκριμένη ταχύτητα αέρα συμβάλλει στο συνολικό ποσό ενέργειας που είναι διαθέσιμο ανά τετραγωνικό μέτρο. Η περιοχή κάτω από την μπλε καμπύλη δείχνει το πόσο της ενέργειας του αέρα που μπορεί θεωρητικά να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια, σύμφωνα με το νόμο του Betz. Η συνολική 19

20 περιοχή κάτω από την κόκκινη καμπύλη δείχνει πόση ηλεκτρική ενέργεια μία συγκεκριμένη ανεμογεννήτρια παράγει. Το σημαντικότερο πράγμα που παρατηρείται είναι ότι η συνολική ποσότητα της ενέργειας αέρα θα βρεθεί με τις ταχύτητες αέρα επάνω από τη μέση ταχύτητα του αέρα. Αυτό συμβαίνει, επειδή είναι γνωστό ότι οι ταχύτητες υψηλού αέρα έχουν το πολύ υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο από τις χαμηλές ταχύτητες αέρα. Συνήθως, οι ανεμογεννήτριες σχεδιάζονται για να ξεκινήσουν με ταχύτητες αέρα περίπου από 3 έως 5 m/s. Η μπλε περιοχή στο αριστερό εμφανίζει μικρό ποσό ενέργειας που χάνουμε εξαιτίας του γεγονότος ότι ο στρόβιλος ξεκινά μόνο με ταχύτητα πάνω από 5m/sec. H ανεμογεννήτρια προγραμματίζεται για να σταματήσει με τις ταχύτητες υψηλού αέρα ανωτέρω, των 25m/s, προκειμένου να αποφευχθεί καταστροφή του στροβίλου. Η ταχύτητα αέρα αυτή καλείται αποκομμένη ταχύτητα αέρα. Η μικροσκοπική μπλε περιοχή στα δεξιά αντιπροσωπεύει εκείνη της απώλειας ενέργειας. Η καμπύλη ενέργειας μιας ανεμογεννήτριας, σχήμα 1.6, είναι μια γραφική παράσταση που δείχνει πόσο μεγάλη είναι η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στην ανεμογεννήτρια με τις διαφορετικές ταχύτητες αέρα. Η γραφική παράσταση εμφανίζει την καμπύλη ενέργειας για μία χαρακτηριστική ανεμογεννήτρια 600kW. Οι καμπύλες ενέργειας βρίσκονται από τις μετρήσεις όπου ένα ανεμόμετρο τοποθετείται σε έναν ιστό εύλογα κοντά στον ανεμογεννήτρια (όχι ο ίδιος στο στρόβιλο ή επίσης κοντά σε αυτό, δεδομένου ότι ο στροφέας στροβίλων μπορεί να δημιουργήσει τύρβη, και να καταστήσει τη μέτρηση ταχύτητας αέρα αναξιόπιστη). Εάν η ταχύτητα αέρα δεν κυμαίνεται πάρα πολύ γρήγορα, τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι μετρήσεις της ταχύτητας του αέρα από το ανεμόμετρο και να διαβαστεί στην έξοδο η ηλεκτρική ενέργεια από την ανεμογεννήτρια και να σχεδιαστούν και οι δύο τιμές μαζί σε μια γραφική παράσταση. Σχήμα 1.6 Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας 600kW Βέβαια υπάρχει μία αβεβαιότητα στη μέτρηση των καμπυλών ενέργειας στην πραγματικότητα, μια και θα υπάρχει ένα σμήνος σημείων που διαδίδονται γύρω από την μπλε γραμμή, και δεν θα παραχθεί η τακτοποιημένη καμπύλη της γραφικής 20

21 παράστασης. Ο λόγος είναι ότι στην πράξη η ταχύτητα του αέρα κυμαίνεται πάντα, και δεν μπορεί να μετρηθεί ακριβώς η στήλη του αέρα που περνά μέσω του στροφέα της ανεμογεννήτριας. Στην πράξη, επομένως, κάποιος πρέπει να πάρει έναν μέσο όρο των διαφορετικών μετρήσεων για κάθε ταχύτητα αέρα, και να σχεδιάσει τη γραφική παράσταση μέσω αυτών των μέσων όρων. Επιπλέον, είναι δύσκολο να γίνουν οι ακριβείς μετρήσεις της ίδια της ταχύτητας του αέρα. Εάν κάποιος έχει ένα σφάλμα 3 % στη μέτρηση ταχύτητας αέρα, κατόπιν η ενέργεια στον αέρα μπορεί να είναι 9 % υψηλότερη ή χαμηλότερη. Συνεπώς, μπορούν να υπάρξουν σφάλματα μέχρι 10 % ακόμη και στις επικυρωμένες καμπύλες ενέργειας. Οι καμπύλες ενέργειας είναι βασισμένες στις μετρήσεις στις περιοχές με χαμηλή ένταση τύρβης, και με τον αέρα που έρχεται άμεσα προς το μέτωπο του δρομέα. Η τοπική τύρβη και η σύνθετη έκταση (π.χ. στρόβιλοι που τοποθετούνται σε μια τραχιά κλίση) μπορούν να σημάνουν ότι τα μπουρίνια αέρα χτυπούν το στροφέα από ποικίλες κατευθύνσεις. Μπορεί επομένως να είναι δύσκολο να αναπαραχθεί η καμπύλη ενέργειας ακριβώς σε οποιαδήποτε δεδομένη θέση. Η καμπύλη ενέργειας δεν θα λέει πόση ενέργεια μία ανεμογεννήτρια παράγει με μια ορισμένη μέση ταχύτητα αέρα. Το ενεργειακό περιεχόμενο του αέρα ποικίλλει πολύ έντονα με την ταχύτητα του αέρα. Έτσι, επηρεάζει πολύ πώς υπολογίστηκε εκείνος ο μέσος όρος, δηλ. εάν οι άνεμοι ποικίλλουν πολύ, ή εάν ο αέρας φυσά με μια σχετικά σταθερή ταχύτητα. Επίσης, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του αέρα είναι διαθέσιμο στις ταχύτητες αέρα που είναι δύο φορές η πιο συνήθη ταχύτητα αέρα. Τέλος, πρέπει να μην αγνοηθεί το γεγονός ότι ο στρόβιλος μπορεί να μην λειτουργεί συνέχεια σε σταθερές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας και έτσι απαιτείται να γίνονται συνεχής διορθώσεις για τις αλλαγές στην πυκνότητα του αέρα. Τέλος ο συντελεστής ισχύος λέει πόσο αποτελεσματικά μια ανεμογεννήτρια μετατρέπει την ενέργεια του αέρα σε ηλεκτρική ενέργεια. Πολύ απλά, διαιρούμε την ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας στην έξοδο με την ενεργειακή είσοδο αέρα για να μετρήσουμε πόσο τεχνικά αποδοτική είναι μία ανεμογεννήτρια. Με τις χαμηλές ταχύτητες αέρα η αποδοτικότητα δεν είναι τόσο σημαντική, επειδή δεν υπάρχει πολύ διαθέσιμη ενέργεια. Με τις υψηλές ταχύτητες αέρα ο στρόβιλος πρέπει να σπαταλήσει οποιαδήποτε υπερβολική ενέργεια επάνω από το όριο αυτό που η γεννήτρια σχεδιάστηκε. Η αποδοτικότητα επομένως επηρεάζεται πιο πολύ στην περιοχή των ταχυτήτων αέρα όπου το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας πρόκειται να βρεθεί. Δεν είναι ο στόχος το να υπάρχει μια υψηλή τεχνική αποδοτικότητα ενός ανεμοστρόβιλου. Ο βέλτιστος στρόβιλος δεν είναι επομένως απαραιτήτως ο στρόβιλος με την υψηλότερη ενεργειακή έξοδο ετησίως. Αφ' ετέρου, κάθε τετραγωνικό μέτρο της περιοχής του στροφέα κοστίζει, γι αυτό στόχος είναι να αποδοθεί όσο το δυνατό περισσότερη ενέργεια γίνεται εφ' όσον κρατηθεί το κόστος ανά κιλοβατώρα χαμηλά. Αυτό που πραγματικά είναι σημαντικό, είναι το κόστος για τις κιλοβατώρες από τους ανέμους κατά τη διάρκεια των επόμενων 20 ετών. Δεδομένου ότι το καύσιμο είναι δωρεάν, δεν υπάρχει καμία ανάγκη να γίνει οικονομία στο καύσιμο. 21

22 Συνοψίζοντας τα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας σε σχέση με τις συμβατικές μορφές είναι ότι : Είναι ιδιαίτερα φιλική στο περιβάλλον. Οι επιδράσεις στη πανίδα είναι πρακτικώς αμελητέες. Είναι ανανεώσιμη και επομένως ανεξάντλητη. Έχει ελάχιστες απαιτήσεις γης. Έχει χαμηλό λειτουργικό κόστος. Τα συστήματα παραγωγής ενέργειας έχουν μικρές απώλειες. Είναι ανεξάρτητη από κεντρικά δίκτυα διανομής. Συντελεί στη δημιουργία πολλών νέων θέσεων εργασίας. Η αιολική ενέργεια συνεισφέρει σημαντικά στην ηλεκτροπαραγωγή, σε τοπικό και διεθνές επίπεδο. Εξοικονόμηση ενέργειας από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών. Ενώ τα μειονεκτήματά της εντοπίζονται: Στη διακύμανση που παρουσιάζει ως προς την απόδοση ισχύος, η οποία οφείλεται στη μεταβαλλόμενη κατά τη διάρκεια του έτους ένταση του ανέμου. Στη χαμηλή πυκνότητα που παρουσιάζει ως μορφή ενέργειας, με συνέπεια να απαιτούνται πολλές Α/Γ για την παραγωγή αξιόλογης ισχύος. Στο χρόνο που απαιτείται για την έρευνα και τη χαρτογράφηση του αιολικού δυναμικού μεγάλων περιοχών, ώστε να εντοπιστούν τα ευνοϊκά σημεία. Στο σχετικά υψηλό κόστος έρευνας και εγκατάστασης των αιολικών συστημάτων. Στις επιπτώσεις που έχουν για το περιβάλλον (κυρίως αλλοίωση του τόπου, ηχορύπανση), οι οποίες όμως συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες των συμβατικών πηγών ενέργειας θεωρούνται δευτερεύουσας σημασίας. Ηλιακή ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια είναι η μεγαλύτερη ενεργειακή είσοδος πάνω στη γη και παράγεται στον πυρήνα του ήλιου με μια διαδικασία γνωστή ως πυρηνική σύντηξη. Η πυρηνική σύντηξη είναι μια χημική αντίδραση, όπου δύο άτομα υδρογόνου ενώνονται για να δημιουργηθεί ένα άτομο ηλίου ενώ μέρος της μάζας του υδρογόνου μετατρέπεται σε ενέργεια. Ο ήλιος είναι ένα αστέρι πέντε δισεκατομμυρίων ετών και θα συνεχίσει την «λειτουργία» του για δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον, το γεγονός αυτό τον καθιστά αέναη πηγή ενέργειας. Λόγω της μεγάλης απόστασης της γης από τον ήλιο ( km) μόνο ένα μικρό ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας φθάνει στην επιφάνεια της γης που αντιστοιχεί σε ενέργεια 1018 KWh/έτος. Η ενέργεια αυτή είναι ισοδύναμη με φορές τις παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις. Οπότε αρκεί μόνο το 0,01% της ηλιακής ακτινοβολίας, ώστε αν το εκμεταλλευτούμε, να καλυφθούν οι ανάγκες ολόκληρης της ανθρωπότητας. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας έξω από την ατμόσφαιρα της γης διαφοροποιείται ανάλογα με την απόσταση της γης από τον ήλιο, η οποία μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια ενός έτους. Επιπλέον μειώσεις υφίσταται η ακτινοβολία κατά τη διαδρομή της από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης όταν διέρχεται από την ατμόσφαιρα. Η ατμόσφαιρα της γης μειώνει την ακτινοβολία που εισέρχεται λόγω απορρόφησης (από το όζον, το οξυγόνο, το διοξείδιο του 22

23 άνθρακα), σκέδασης (από τα μόρια του αέρα, υδρατμούς και σκόνη) και ανάκλασης. Όταν ο ήλιος είναι κάθετος προς τον ορίζοντα του τόπου τότε η ηλιακή ακτινοβολία υφίσταται τη μικρότερη μεταβολή κατά την διέλευση της από την ατμόσφαιρα αφού διανύει την ελάχιστη απόσταση μέσα σε αυτή. Αυτό συμβαίνει το μεσημέρι στην ισημερία της άνοιξης και του φθινοπώρου. Λόγω της επίδρασης της ατμόσφαιρας στην ακτινοβολία παρατηρείται εξάρτηση αυτής από το υψόμετρο της τοποθεσίας που δέχεται την ακτινοβολία. Έχει μετρηθεί ότι στην επιφάνεια της θάλασσας η μέγιστη τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας είναι W/m2 ενώ η τιμή αυτή αυξάνεται περίπου 7 W/m2 για κάθε 100m μέτρα ύψους της τοποθεσίας. Η αύξηση αυτή οφείλεται στη μείωση του πάχους του στρώματος της ατμόσφαιρας που διασχίζουν οι ηλιακές ακτίνες. Άλλος παράγοντας που επηρεάζει σημαντικά την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης είναι οι μετεωρολογικές συνθήκες. Αρχικά να αναφέρουμε ότι η ηλιακή ακτινοβολία στο έδαφος αποτελείται από δύο συνιστώσες, την άμεση και την διάχυτη ακτινοβολία. Η άμεση ακτινοβολία είναι αυτή που λαμβάνεται από τον ήλιο χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση από την ατμόσφαιρα ενώ η διάχυτη είναι η ακτινοβολία που εισερχόμενη στην ατμόσφαιρα μπορεί να διαχυθεί από σωματίδια, την υγρασία ή και να ανακλαστεί από τα σύννεφα. Σε καλές καιρικές συνθήκες η ακτινοβολία μπορεί να φτάσει και τα 1000 W/m2 στην επιφάνεια της γης και αποτελείται κυρίως από άμεση ακτινοβολία. Η μέγιστη όμως ακτινοβολία μπορεί να επιτευχθεί με μερικώς συννεφιασμένο ουρανό, όταν λόγω διάχυσης από περαστικά σύννεφα μπορεί να πάρει και τιμές έως 1400 W/m2. Η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει σε ένα επίπεδο στο έδαφος εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος, την κλίση και τον προσανατολισμό του επιπέδου. Η σωστή επιλογή των δύο τελευταίων παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην βέλτιστη εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας από το φωτοβολταϊκό πάνελ. Η κλίση του συλλέκτη ορίζεται ως η γωνία μεταξύ της επιφάνειας και του οριζόντιου επιπέδου ενώ ο προσανατολισμός εκφράζεται από την αζιμούθια γωνία της επιφάνειας, η οποία ορίζεται ως η γωνιακή απόσταση της προβολής στον ορίζοντα της καθέτου στην επιφάνεια από τον τοπικό μεσημβρινό με αρχή το νότο και θετική κατεύθυνση προς τα δυτικά. Η πυκνότερη ισχύς μιας δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας επιτυγχάνεται όταν η επιφάνεια του επίπεδου συλλέκτη είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Λόγω της ημερήσιας κίνησης του ήλιου από την ανατολή προς την δύση και της ετήσιας κίνησης του δηλαδή να κινείται σε παράλληλες τροχιές προς τον ουράνιο ισημερινό, η πρόσπτωση της ακτινοβολίας δεν είναι πάντα κάθετη προς το επίπεδο που είναι τοποθετημένο ένα σταθερό φωτοβολταϊκό πάνελ, με αποτέλεσμα η ημερήσια κίνηση να επηρεάζει την εκλογή του προσανατολισμού του πάνελ ενώ η ετήσια κίνηση την κλίση του. Ως γενικός κανόνας ακολουθείται η κλίση του πάνελ να είναι περίπου ίση με το γεωγραφικό πλάτος (φ). Για συλλογή μέγιστης ενέργειας κατά την διάρκεια του καλοκαιριού να είναι μικρότερη του γεωγραφικού πλάτους και το χειμώνα μεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος. Ως βέλτιστος προσανατολισμός επιλέγεται προσανατολισμός προς το νότο ενώ απόκλιση έχει μικρή επίδραση στην ολική ετήσια ενέργεια. Τέλος στον υπολογισμό της ακτινοβολίας σε ένα κεκλιμένο πάνελ, δεν πρέπει να ξεχνάμε την συνιστώσα της ανακλώμενης ακτινοβολίας από το έδαφος ή από 23

24 παρακείμενες στο συλλέκτη επιφάνειες. Η ένταση της ανακλώμενης συνιστώσας εξαρτάται από τις ιδιότητες της επιφάνειας ανάκλασης. Για το λόγο αυτό ορίζεται ένας συντελεστής ανάκλασης του εδάφους/επιφάνειας, ο οποίος όσο μεγαλύτερος είναι τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάκλαση της ακτινοβολίας από το έδαφος. Η ανακλώμενη συνιστώσα μπορεί να προσφέρει σημαντική αύξηση της απόδοσης σε περίπτωση που κοντά στο συλλέκτη υπάρχουν επιφάνειες με μεγάλο συντελεστή ανάκλασης όπως το νερό ή το χιόνι, αλλά σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να είναι αμελητέα. Τα πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων φαίνονται παρακάτω: Δεν καταναλώνουν καύσιμο. Κατά τη λειτουργία τους δε ρυπαίνουν το περιβάλλον μειώνοντας έτσι την εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου. Δεν έχουν κινούμενα μέρη και παράγουν ισχύ αθόρυβα. Λόγω του σπονδυλωτού τρόπου κατασκευής τους τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να προσαρμοστούν σε όλες τις απαιτήσεις μεγέθους και ζήτησης ισχύος, επομένως είναι εύκολα επεκτάσιμα. Μπορούν εύκολα να λειτουργήσουν παράλληλα με άλλα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνοντας την αξιοπιστία των συστημάτων. Μπορούν να λειτουργήσουν αυτόνομα και αξιόπιστα χωρίς την παρουσία κάποιου χειριστή παρουσιάζοντας τα υψηλότερα ποσοστά αξιοπιστίας από τις μονάδες ΑΠΕ. Έχουν πολύ μικρό κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Οι εργασίες συντήρησης είναι περιορισμένες με περισσότερες απαιτήσεις για διατάξεις που χρησιμοποιούν Trackers για την παρακολούθηση της πορείας του ήλιου. Λειτουργούν χωρίς προβλήματα, σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και κάτω από όλες τις καιρικές συνθήκες. Το ηλιακό κύτταρο έχει περιορισμένη αλλοίωση κατά την διάρκεια της λειτουργίας του και έχει επίσης μεγάλη διάρκεια ζωής. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στη λεγόμενη «διεσπαρμένη παραγωγή ενέργειας», η οποία αποτελεί το νέο μοντέλο ανάπτυξης σύγχρονων ενεργειακών συστημάτων παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας με διασύνδεση. Ενώ τα μειονεκτήματα τους είναι τα εξής: Εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις καιρικές συνθήκες, ενώ η έξοδός τους μεταβάλλεται σημαντικά με τη νέφωση. Απαιτούν σημαντική έκταση γης για την εγκατάστασή τους. Η παραγωγή τους μηδενίζεται τις βραδινές ώρες. Έχουν υψηλό αρχικό κόστος επένδυσης. Γεωθερμική ενέργεια Η γεωθερμική ενέργεια είναι μία από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η οποία προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς επιφανειακούς ή υπόγειους ατμούς, με ή χωρίς αέρια, σε θερμά νερά ή σε μίγματα των παραπάνω, καθώς και σε θερμά-ξηρά πετρώματα. Πιο συγκεκριμένα γεωθερμία ή γεωθερμική ενέργεια ονομάζουμε την φυσική θερμική ενέργεια του μάγματος του πυρήνα της 24

25 γης που διαρρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια, είτε μέσω ηφαιστειακών εκροών, είτε μέσω ρηγμάτων του υπεδάφους που αναβλύζουν ατμούς και θερμό νερό. Η μετάδοση θερμότητας πραγματοποιείται με δύο τρόπους: Με αγωγή θερμότητας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια με ρυθμό 0,06-0,08 W/m². Με ρεύματα μεταφοράς, (είσοδο στον φλοιό της γης λειωμένου μάγματος από τα βαθύτερα στρώματά της), που περιορίζονται όμως στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, λόγω ηφαιστειακών και υδροθερμικών φαινομένων. Καθώς η θερμότητα μεταδίδεται από το θερμότερο στο ψυχρότερο σημείο, μια συνεχής ροή θερμότητας ρέει από τα πολύ θερμά εσωτερικά σημεία της γης προς τα κρύα επιφανειακά σημεία και εν συνεχεία προς την ακόμα ψυχρότερη ατμόσφαιρα. Έτσι, από τον πυρήνα (με θερμοκρασία που υπολογίζεται ότι είναι λίγο μεγαλύτερη των C) μέχρι της επιφάνεια της γης (που έχει μέση ετήσια θερμοκρασία από μερικές μονάδες έως λίγες δεκάδες C) και την ατμόσφαιρα (η θερμοκρασία της οποίας στην τροπόσφαιρα μειώνεται με το ύψος με ρυθμό περίπου 6 C/km), δημιουργείται φυσιολογικά μία συνεχής ροή θερμότητας. Αυτή η ροή μεταφέρει θερμική ενέργεια από το εσωτερικό της γης προς την επιφάνεια της γης, φαινόμενο χρήσιμο για τον άνθρωπο, ο οποίος έχει περιορισμένες επιλογές για να ικανοποιήσει τις ενεργειακές του ανάγκες. Η ροή θερμότητας που προσδιορίζεται στο φλοιό της γης εξαρτάται από την θερμική αγωγιμότητα των πετρωμάτων και από την γεωθερμική βαθμίδα και αποτελεί το γινόμενό τους. Υπάρχουν δύο κύριες εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας: Η πρώτη βασίζεται στη χρήση της θερμότητας των γεωθερμικών ρευστών, για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και άλλες χρήσεις όπως θέρμανση κτιρίων ή θερμοκηπίων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται διεργασίες τόσο ανοικτού όσο και κλειστού κυκλώματος. Στην πρώτη περίπτωση το γεωθερμικό ρευστό εκτονώνεται σε δοχείο διαχωρισμού ατμού-υγρού και ο παραγόμενος ατμός οδηγείται σε στρόβιλο για την παραγωγή ηλεκτρισμού, ενώ το θερμό υγρό σε εναλλάκτη θερμότητας. Στην περίπτωση της διεργασίας κλειστού κυκλώματος το γεωθερμικό ρευστό οδηγείται σε εναλλάκτη θερμότητας προσδίδοντας θερμική ενέργεια σε κατάλληλο ρευστό το οποίο ατμοποιείται και οδηγείται στον στρόβιλο. Την απαιτούμενη παραγόμενη θερμότητα του κυκλώματος την αποδίδει σε συμπυκνωτή προτού διέλθει εκ νέου από τον εναλλάκτη του γεωθερμικού ρευστού. Η δεύτερη εφαρμογή της γεωθερμικής ενέργειας, εκμεταλλεύεται τις θερμές μάζες εδάφους ή υπόγειων υδάτων για να κινήσουν θερμικές αντλίες (γεωθερμικές αντλίες) για εφαρμογές θέρμανσης και ψύξης. Οι γεωθερμικές αντλίες θεωρούνται ως από τις πλέον αποδοτικές ενεργητικές τεχνολογίες για τη θέρμανση και ψύξη χώρων. 25

26 Σχήμα 1.7 Χρήση γεωθερμικής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η κύρια κατάταξη των γεωθερμικών πεδίων γίνεται με βάση τη θερμοκρασία τους. Τα γεωθερμικά πεδία σε επίπεδο ενεργειακής αξιοποίησης διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: 1) Υψηλής Ενθαλπίας (Τ>150 C), απόδοσης 8-18%, που χρησιμοποιούνται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με εκτόνωση ατμού. Η εγκατεστημένη ισχύς των γεωθερμικών μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο ανέρχεται σε ΜWe περίπου. 2) Μέσης Ενθαλπίας (100 C<Τ<150 C), απόδοσης 2-8%, που χρησιμοποιούνται για θέρμανση οικισμών (Η θερμική ενέργεια που δεσμεύεται από τη γεωθερμική πηγή διοχετεύεται προς τους χρήστες με την βοήθεια ενός δικτύου αγωγών), για ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων καθώς και για την παραγωγή ηλεκτρισμού με χρησιμοποίηση πτητικού ρευστού π.χ. με κλειστό κύκλωμα φρέον που έχει χαμηλό σημείο ζέσεως. 3) Χαμηλής Ενθαλπίας (25 C <Τ<100 C), απόδοσης 2-8%, που χρησιμοποιούνται για θέρμανση χώρων, για θέρμανση θερμοκηπίων, για θέρμανση νερού για οικιακή χρήση, στις ιχθυοκαλλιέργειες δεδομένου ότι πολλά είδη υδροβίων οργανισμών, όπως χέλια, γαρίδες ή φύκια αναπτύσσονται γρηγορότερα σε αυξημένες θερμοκρασίες, αλλά και για παραγωγή γλυκού νερού στις άνυδρες νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές μέσω της θερμικής αφαλάτωσης θαλασσινού νερού. 4) Αβαθής γεωθερμία (Τ<25 C), απόδοσης <2%, που χρησιμοποιούνται για θέρμανση- ψύξη κτιρίων. Όπως γίνεται αντιληπτό, έχει μεγάλη σημασία για τον άνθρωπο η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για κάλυψη των αναγκών του. Ειδικότερα η εκμετάλλευση της γεωθερμίας μπορεί να συμβάλει: Στην εξοικονόμηση συναλλάγματος, με τη μείωση των εισαγωγών πετρελαίου που χρησιμοποιείται για θέρμανση. Στην εξοικονόμηση φυσικών πόρων, κυρίως με την ελάττωση κατανάλωσης των εγχώριων αποθεμάτων λιγνίτη. Στην καθαρότερη ατμόσφαιρα. Τα σημερινά γεωθερμικά πεδία παράγουν μόνο το 1/6 CO2 σε σύγκριση με τις γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος που λειτουργούν με φυσικό αέριο, και καθόλου νιτρικά (NΟx) και θειικά (SOx) αέρια. Για κάθε MW ηλεκτρικού ρεύματος που προέρχεται από γεωθερμικές πηγές εκπέμπονται 1 εκατομμύριο kg λιγότερα τοξικά αέρια το χρόνο και 4 26

27 δισεκατομμύρια kg λιγότερο CO2, από ότι αν σαν πρώτη ύλη χρησιμοποιούνταν άνθρακας. Η γεωθερμική ενέργεια έχει τις πιο μικρές εκπομπές διοξειδίου, μηδαμινές σε σχέση με το φυσικό αέριο, το πετρέλαιο και τον άνθρακα. Τα γεωθερμικά συστήματα παράγουν θέρμανση και δροσισμό σε μια εγκατάσταση, με αποτέλεσμα να καταργούν το συμβατό τρόπο θέρμανσης, τους πύργους δροσισμού και τα κλιματιστικά διαιρούμενου τύπου. Έχουν υψηλό βαθμό απόδοσης και είναι αξιόπιστα σε ακραίες συνθήκες θέρμανσης και δροσισμού. Υδροηλεκτρική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ή υδραυλική ενέργεια θεωρείται μία από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, καθώς είναι η ηλιακή ενέργεια η οποία με την εξάτμιση του νερού, κινεί τον υδρολογικό κύκλο. Κάθε μέρα ο πλανήτης αποβάλλει μια μικρή ποσότητα νερού καθώς η υπεριώδης ακτινοβολία διασπά τα μόρια του νερού σε ιόντα. Ταυτόχρονα νέες ποσότητες νερού εμφανίζονται λόγω της ηφαιστειακής δραστηριότητας, έτσι ώστε η συνολική ποσότητα του νερού να διατηρείται περίπου σταθερή. Σχήμα 1.8 Υδρολογικός Κύκλος Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι ενέργεια που παράγεται από τη μετακίνηση του γλυκού νερού στους ποταμούς και τις λίμνες. Αυτό το νερό προέρχεται ως απορροή από τις βροχοπτώσεις. Οι βροχοπτώσεις δημιουργούνται από την ηλιακή ενέργεια διαμέσου σύνθετων διαδικασιών ενεργειακής μεταφοράς στην ατμόσφαιρα και μεταξύ της ατμόσφαιρας και της θάλασσας. Η δυναμική (λόγο βαρύτητας) ενέργεια που συνδέεται με αυτό το νερό το αναγκάζει να διατηρεί μία καθοδική ροή. Η υδροηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από την μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του νερού σε κινητική και στην συνέχεια σε ηλεκτρισμό. Αυτό γίνεται: με την εκμετάλλευση της ροής του νερού σε υδάτινο αγωγό με φυσική κλίση, με αποθήκευση του νερού σε τεχνητή λίμνη ώστε να αυξηθεί το υδραυλικό ύψος, ή με ένα συνδυασμό των παραπάνω. Απαιτείται συνεπώς ένα σημαντικό δυναμικό βαρυτικού ύψους και μια ικανή ποσότητα ροής, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα υδροηλεκτρικής παραγωγής. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια απόδειξη ότι η ηλιακή ενέργεια μπορεί να αναπτυχθεί κατά οικονομικό τρόπο σε μεγάλη κλίμακα. 27

28 Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι κατά κανόνα πιο οικονομική από την ηλεκτρική ενέργεια που έχει παραχθεί από καύση υδρογονανθράκων ή από πυρηνικά καύσιμα στους συμβατικούς θερμικούς σταθμούς. Το σύνολο των έργων και εξοπλισμού μέσω των οποίων γίνεται η μετατροπή της υδραυλικής ενέργειας σε ηλεκτρική, ονομάζεται Υδροηλεκτρικό Έργο (ΥΗΕ). Με τα υδροηλεκτρικά έργα (υδροταμιευτήρας, φράγμα, κλειστός αγωγός πτώσεως, υδροστρόβιλος, ηλεκτρογεννήτρια, διώρυγα φυγής) γίνεται δυνατή η εκμετάλλευση της ενέργειας του νερού για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος το οποίο διοχετεύεται στην κατανάλωση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Η μετατροπή της ενέργειας των υδατοπτώσεων με τη χρήση υδραυλικών τουρμπίνων παράγει την υδροηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή ταξινομείται σε : υδροηλεκτρική ενέργεια μεγάλης κλίμακας και υδροηλεκτρική ενέργεια μικρής κλίμακας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια μικρής κλίμακας διαφέρει σημαντικά από αυτή της μεγάλης σε ότι αφορά τις επιπτώσεις της στο περιβάλλον. Οι υδροηλεκτρικές μονάδες μεγάλης κλίμακας απαιτούν τη δημιουργία μεγάλων φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών για να αποθηκευτούν οι τεράστιες ποσότητες νερού που απαιτούνται από το σύστημα. Ενώ η παραγωγή ενέργειας από το νερό έχει τα οφέλη της από την άποψη των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, έχει επίσης σημαντικές αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι εγκαταστάσεις υδροηλεκτρικής ενέργειας έχουν μια καταστρεπτική επίδραση στις ροές των ποταμών και στις παροχές νερού. Για την κατασκευή μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικών έργων χρειάζεται συνήθως να πλημμυρίσουν μεγάλες εκτάσεις εδάφους, οδηγώντας στη μετατόπιση των ανθρώπων που ζουν στην περιοχή, και στις αρνητικές επιδράσεις στην τοπική πανίδα και χλωρίδα. Τα συστήματα μικρής κλίμακας τοποθετούνται δίπλα σε ποτάμια και κανάλια με αποτέλεσμα να έχουν λιγότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον. Υδροηλεκτρικές μονάδες μικρότερης δυναμικότητας των 30 MW χαρακτηρίζονται μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά έργα και θεωρούνται ανανεώσιμες πηγές. Κατά τη λειτουργία τους, μέρος της ροής ενός ποταμού οδηγείται σε στρόβιλο για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας και συνακόλουθα ηλεκτρικής μέσω της γεννήτριας. Η χρησιμοποιούμενη ποσότητα νερού κατόπιν επιστρέφει στο φυσικό ταμιευτήρα ακολουθώντας τη φυσική της ροή. Μια γεννήτρια μετατρέπει αυτή την ενέργεια σε ηλεκτρική. Σε αντίθεση με το ότι συμβαίνει με τα ορυκτά καύσιμα, το νερό δεν αχρηστεύεται κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλους σκοπούς. Τα μικρής κλίμακας υδροηλεκτρικά συστήματα είναι ιδιαίτερα κατάλληλα ως μακρινές παροχές ηλεκτρικού ρεύματος για τις αγροτικές και απομονωμένες κοινότητες, ως οικονομική εναλλακτική λύση στην επέκταση ή αναβάθμιση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα παρέχουν μια πηγή φτηνής, ανεξάρτητης και συνεχούς ενέργειας, χωρίς υποβάθμιση του περιβάλλοντος. 28

29 Σχήμα 1.9 Παράδειγμα υδροηλεκτρικής μονάδας Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων βασίζεται στην κίνηση του νερού που περιστρέφει μια τουρμπίνα η οποία θέτει σε λειτουργία μια γεννήτρια. Οι περισσότερες υδροηλεκτρικές μονάδες χρησιμοποιούν ένα φράγμα το οποίο συγκρατεί μια μεγάλη ποσότητα νερού δημιουργώντας έτσι μια μεγάλη δεξαμενή. Κάποιες θύρες στο φράγμα ανοίγουν και λόγω της βαρύτητας το νερό περνάει σε έναν αγωγό ο οποίος το οδηγεί σε μια τουρμπίνα. Καθώς αυτό περνάει από τον αγωγό δημιουργεί μεγάλη πίεση. Το νερό πέφτει πάνω στις φτερωτές μιας τουρμπίνας και την περιστρέφει. Η περιστροφική αυτή κίνηση μεταφέρεται στην γεννήτρια η οποία είναι συνδεδεμένη με την τουρμπίνα με ένα άξονα. Καθώς οι φτερωτές της τουρμπίνας περιστρέφονται, περιστρέφουν τους μαγνήτες της γεννήτριας γύρω από ένα πηνίο θέτοντας σε κίνηση ηλεκτρόνια και δημιουργώντας έτσι εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει συνεχής παροχή νερού, αλλά παρουσιάζονται εποχιακές διακυμάνσεις, όπως σε ένα μεγάλο ποτάμι στο οποίο η παροχή ύδατος αυξάνεται σε περιόδους με χιόνια ή βροχοπτώσεις, το νερό δεσμεύεται και αποθηκεύεται σε τεχνητές λίμνες ή δεξαμενές για να χρησιμοποιηθεί όταν χρειαστεί. Η ποσότητα του αποθηκευμένου ύδατος και η θέση της δεξαμενής καθορίζουν αν ο σταθμός θα εγκατασταθεί στη βάση του φράγματος ή σε άλλη θέση χαμηλότερα από τη δεξαμενή ώστε να αξιοποιείται η υψομετρική διαφορά. Οι μονάδες υδροηλεκτρικής ενέργειας με βάση την ισχύ που μπορούν να παράγουν, μπορούν να ταξινομηθούν και στις ακόλουθες κατηγορίες : 29

30 Πίνακας 1.3 Κατηγορίες εγκαταστάσεων υδροηλεκτρικής ενέργειας Τα κύρια πλεονεκτήματα της υδροηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από μονάδες μικρής και μεγάλης κλίμακας είναι: Οι υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις, παρέχουν καλή 24ωρη ημερήσια παραγωγή. Παρέχουν το μόνο εμπορικά σημαντικό μέσο για την αποθήκευση ενέργειας του δικτύου. Βελτιώνουν το συντελεστή φορτίου του συστήματος παραγωγής. Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί είναι δυνατό να τεθούν σε λειτουργία αμέσως μόλις απαιτηθεί, σε αντίθεση με τους θερμικούς σταθμούς που απαιτούν σημαντικό χρόνο προετοιμασίας. Είναι μία "καθαρή" και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, με τα προαναφερθέντα συνακόλουθα οφέλη (εξοικονόμηση συναλλάγματος, φυσικών πόρων, προστασία περιβάλλοντος). Μέσω των υδροταμιευτήρων δίνεται η δυνατότητα να ικανοποιηθούν και άλλες ανάγκες, όπως ύδρευση, άρδευση, ανάσχεση χειμάρρων, δημιουργία υγροτόπων, περιοχών αναψυχής και αθλητισμού. Ως μειονεκτήματα αναφέρονται μόνο αποτελέσματα που σχετίζονται με τη δημιουργία έργων μεγάλης κλίμακας, όπως: Το μεγάλο κόστος κατασκευής φραγμάτων και εγκατάστασης εξοπλισμού, καθώς και ο συνήθως μεγάλος χρόνος που απαιτείται για την αποπεράτωση του έργου, Η έντονη περιβαλλοντική αλλοίωση της περιοχής του έργου (συμπεριλαμβανομένων της γεωμορφολογίας, της πανίδας και της χλωρίδας), καθώς και η ενδεχόμενη μετακίνηση πληθυσμών, η υποβάθμιση περιοχών, οι απαιτούμενες αλλαγές χρήσης γης. Επιπλέον, σε περιοχές δημιουργίας μεγάλων έργων παρατηρήθηκαν αλλαγές του μικροκλίματος, αλλά και αύξηση της σεισμικής επικινδυνότητας τους. Για τους λόγους αυτούς, η διεθνής πρακτική σήμερα προσανατολίζεται στην κατασκευή έργων μικρότερης κλίμακας, όπως η δημιουργία μικρότερων φραγμάτων, οι συστοιχίες μικρών υδροηλεκτρικών έργων και οι μονάδες μικρής κλίμακας. 30

31 Ενέργεια από βιομάζα Ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά, στον όρο βιομάζα εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Ειδικότερα, η βιομάζα για ενεργειακούς σκοπούς περιλαμβάνει κάθε τύπο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων. Η βιομάζα αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Κατ αυτήν, η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα καθώς νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος. Η διεργασία αυτή μπορεί να παρασταθεί σχηματικά ως εξής: Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Ηλιακή ενέργεια (φωτόνια) + Ανόργανα στοιχεία = Βιομάζα + Οξυγόνο Πρακτικά υπάρχουν δύο τύποι βιομάζας : 1) Οι υπολειμματικές μορφές (τα κάθε είδους φυτικά υπολείμματα, τα ζωικά απόβλητα και τα απορρίμματα-λύματα). Διακρίνονται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: Τα υπολείμματα που παραμένουν στον αγρό ή το δάσος μετά τη συγκομιδή του κύριου προϊόντος. Τέτοιου είδους υπολείμματα είναι το άχυρο σιτηρών, τα βαμβακοστελέχη, τα κλαδοδέματα κ.ά. Τα υπολείμματα γεωργικών και δασικών βιομηχανιών, όπως ελαιοπυρήνες, υπολείμματα εκκοκκισμού, πριονίδια κ.ά. Τις ενεργειακές καλλιέργειες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοενέργειας και βιοκαυσίμων και είναι είτε παραδοσιακές καλλιέργειες (ζαχαροκάλαμο, και καλαμπόκι για βιοαιθανόλη, ηλίανθος για βιοντίζελ, λεύκα και ιτιά για παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, κ.λ.π.), είτε φυτά που δεν καλλιεργούνται προς το παρόν εμπορικά, όπως ο μίσχανθος, η αγριαγκινάρα και το καλάμι. Το οργανικό κλάσμα των απορριμμάτων, βιομηχανικών λυμάτων και αστικών αποβλήτων 2) Η βιομάζα που παράγεται από ενεργειακές καλλιέργειες. Εμφανίζεται με τις εξής μορφές: Γεωργικά υπολείμματα αγρού (άχυρο σιτηρών, υπολείμματα καλαμποκιού, κλαδοδέματα δενδρωδών καλλιεργειών, κ.ά.) Βιομάζα δασικής προέλευσης (καυσόξυλα, ξυλάνθρακες, υπολείμματα επεξεργασίας του ξύλου κ.ά.) Ενεργειακές καλλιέργειες (γλυκό σόργο, ευκάλυπτος, καλάμι, αγριαγκινάρα, κ.ά.). Συγκριτικά με τα γεωργικά και δασικά υπολείμματα, οι ενεργειακές καλλιέργειες έχουν το πλεονέκτημα της υψηλότερης παραγωγής ανά μονάδα επιφάνειας και την ευκολότερη συλλογή. Απόβλητα κτηνοτροφίας (ζωικά περιττώματα, εντόσθια, κ.ά.) Αγροτοβιομηχανικά απόβλητα, καθώς και απόβλητα των βιομηχανιών τροφίμων (ελαιοτριβεία, τυροκομεία, κ.ά.) Οργανικό μέρος Αστικών Στερεών Αποβλήτων και Αστικών Λυμάτων. 31

32 Σκοπός της ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας είναι η παραγωγή θερμότητας, ηλεκτρισμού και κίνησης (βιοκαυσίμων μεταφορών). Ανάλογα με την εκάστοτε διαθέσιμη πρώτη ύλη επιλέγεται και η κατάλληλη διεργασία για την βέλτιστη ενεργειακή της αξιοποίηση. Οι διεργασίες που είναι διαθέσιμες για τη βέλτιστη ενεργειακή της αξιοποίηση διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: τις θερμοχημικές τις βιοχημικές και τις χημικές. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει την καύση, την αεριοποίηση και την πυρόλυση. Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει την αναερόβια χώνευση και την αλκοολική ζύμωση και η τρίτη κατηγορία την μετεστεροποίηση. Σχήμα 1.10 Μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από βιομάζα Αναλυτικά οι μέθοδοι επεξεργασίας της βιομάζας είναι η καύση που ως προϊόν της έχει την παραγωγή θερμότητας, η πυρόλυση η οποία είναι μια θερμική διαδικασία ( βαθμούς Κελσίου) όπου γίνεται η αποικοδόμηση της βιομάζας με απουσία του οξυγόνου. Στην πυρόλυση παράγονται το βιοέλαιο 70%, το βιοαέριο 15% και ο ξυλάνθρακας 15%. Υπάρχει επίσης και η διαδικασία της αεριοποίησης της βιομάζας όπου γίνεται η θερμική της αποικοδόμηση στους βαθμούς Κελσίου κατά την απουσία οξυγόνου. Τα παραγόμενα προϊόντα είναι το βιοαέριο, η πίσσα και ο ξυλάνθρακας. Όσον αφορά τα υγρά βιοκαύσιμα που προέρχονται από την επεξεργασία της βιομάζας είναι το βιοντίζελ και η βιοαιθανόλη. Το βιοντίζελ παράγεται από φυτικά έλαια κυρίως με μετεστεροποίηση. Η βιοαιθανόλη παράγεται κυρίως από την ζύμωση των αμυλούχων και σακχαρούχων συστατικών (αλκοολική ζύμωση). Από τις παραπάνω διεργασίες, οι πιο ώριμες τεχνολογικά για ηλεκτροπαραγωγή, γι αυτό και οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες, είναι η καύση στερεής βιομάζας και η αξιοποίηση (καύση) του βιοαερίου που προκύπτει από την αναερόβια χώνευση. 32

33 Τα πλεονεκτήματα τα οποία χαρακτηρίζουν την βιομάζα ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας είναι τα εξής: Η αποτροπή του φαινομένου του θερμοκηπίου, το οποίο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2) που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η βιομάζα δεν συνεισφέρει στην αύξηση της συγκέντρωσης του ρύπου αυτού στην ατμόσφαιρα γιατί, ενώ κατά την καύση της παράγεται CO2, κατά την παραγωγή της και μέσω της φωτοσύνθεσης επαναδεσμεύονται σημαντικές ποσότητες αυτού του ρύπου. Η αποφυγή της επιβάρυνσης της ατμόσφαιρας με το διοξείδιο του θείου (SO2) που παράγεται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων και συντελεί στο φαινόμενο της όξινης βροχής. Η περιεκτικότητα της βιομάζας σε θείο είναι πρακτικά αμελητέα. Η προστασία έναντι της διάβρωσης του εδάφους, οι χαμηλές εισροές σε λιπάσματα, η μείωση της χρήσης των φυτοφαρμάκων και η εκμετάλλευση εδαφών χαμηλής γονιμότητας. Εφόσον η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της σε ενέργεια συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα και βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. Από την άλλη, τα μειονεκτήματα που συνδέονται με τη χρησιμοποίηση της βιομάζας και αφορούν, ως επί το πλείστον, δυσκολίες στην εκμετάλλευσή της, είναι τα εξής: Ο αυξημένος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητα της σε υγρασία, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα δυσχεραίνουν την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας. Η μεγάλη διασπορά και η εποχιακή παραγωγή της βιομάζας δυσκολεύουν την συνεχή τροφοδοσία με πρώτη ύλη των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας. Βάση των παραπάνω παρουσιάζονται δυσκολίες κατά τη συλλογή, μεταφορά, και αποθήκευση της βιομάζας που αυξάνουν το κόστος της ενεργειακής αξιοποίησης, ενώ οι σύγχρονες και βελτιωμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας απαιτούν υψηλό κόστος εξοπλισμού, συγκρινόμενες με αυτό των συμβατικών καυσίμων. Θαλάσσια ενέργεια Μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία μέχρι σήμερα ελάχιστα έχει αξιοποιηθεί, είναι η ενέργεια της θάλασσας. Οι θαλάσσιες μάζες καλύπτουν το 75% της επιφάνειας του πλανήτη. Η θαλάσσια επιφάνεια απορροφά τεράστιες ποσότητες ηλιακής και αιολικής ενέργειας, η οποία εμφανίζεται στη θάλασσα σε διάφορες μορφές, όπως κύματα ή ρεύματα. Επιπλέον, το θαλάσσιο σύστημα επηρεάζεται από τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις του πλανήτη μας με τον Ήλιο και τη Σελήνη. Ο μηχανισμός αυτός, αργά αλλά ρυθμικά, κινητοποιεί ασύλληπτες ποσότητες ύδατος, δημιουργώντας το φαινόμενο της παλίρροιας. Διάφορες άλλες πηγές ενέργειας στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι το θερμικό δυναμικό μεταξύ των ανώτερων (θερμότερων) και των κατώτερων (ψυχρότερων) θαλάσσιων στρωμάτων, ή οι μεταβολές πυκνότητας σε θαλάσσια στρώματα διαφορετικής αλατότητας. 33

34 Οι μορφές θαλάσσιας ενέργειας είναι λοιπόν πολλές και οι ποσότητες ενέργειας οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν τεράστιες. Κοινή ιδιότητα των μορφών θαλάσσιας ενέργειας είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, η οποία είναι η υψηλότερη μεταξύ των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Σήμερα, διάφορες τεχνολογίες κυματικής και παλιρροιακής ενέργειας έχουν φτάσει σε τέτοιο στάδιο τεχνικής ωρίμανσης, ώστε η μαζική αξιοποίηση της θάλασσας για παραγωγή «καθαρής» και «φτηνής» ενέργειας να θεωρείται πλέον εφικτή. Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα ενδιαφέρει άμεσα τη χώρα μας, με τον μεγάλο αριθμό νησιών, αλλά και την τεράστια ακτογραμμή της (περ χλμ.), η οποία είναι η μακρύτερη στην Ε.Ε. Το Αιγαίο Πέλαγος διαθέτει αξιοποιήσιμο θαλάσσιο ενεργειακό δυναμικό, το υψηλότερο της Μεσογείου, με την εκμετάλλευση του οποίου θα μπορούσε να καλυφθεί σημαντικό ποσοστό των ενεργειακών αναγκών μας. Οι κύριες μορφές θαλάσσιας ενέργειας είναι οι εξής: ενέργεια των κυμάτων ενέργεια της παλίρροιας ενέργεια από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού των ωκεανών Τα πλεονεκτήματα της θαλάσσιας ενέργειας είναι τα παρακάτω: Η ενέργεια είναι δωρεάν καθώς δεν χρησιμοποιείται κανένα είδος καύσιμης ύλης. Δεν είναι ακριβή η λειτουργία και η συντήρηση των μονάδων παραγωγής ενέργειας μέσω των θαλάσσιων κυμάτων. Είναι φιλικά προς το περιβάλλον καθώς κατά τη λειτουργία της μονάδας δεν παράγονται απόβλητα. Δίνεται η δυνατότητα παράγωγης ενός μεγάλου ποσού ενέργειας. Αποθέματα της πρώτης ύλης (νερό) υπάρχουν σε αφθονία σε παγκόσμια κλίμακα μιας και υδάτινο είναι το 75% της επιφάνειας του πλανήτη μας. Απαιτείται μικρό χρονικό διάστημα ανάμεσα στην έρευνα, την εγκατάσταση και τη λειτουργία μίας τέτοιας μονάδας. Προστατεύουν την ακτή στην οποία βρίσκονται, πράγμα πολύ χρήσιμο σε λιμάνια. Δεν δημιουργούν προβλήματα στις μετακινήσεις των ψαριών (εκτός από τα παλιρροϊκά φράγματα). Η κατασκευή τέτοιων εγκαταστάσεων έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία προστατευμένων υδάτινων περιοχών οι οποίες είναι ελκυστικές για διάφορα είδη ψαριών και υδρόβιων πουλιών. Τα μειονεκτήματα της θαλάσσιας ενέργειας είναι τα παρακάτω: Η παραγωγή ενέργειας εξαρτάται από τη δύναμη των κυμάτων, όπου άλλες φορές παίρνουμε μεγάλα πόσα ενέργειας και άλλες φορές μηδενικά. Αντίστοιχα στη παλίρροια εξαρτάται από την κίνηση των υδάτων. Απαιτείται προσεκτική επιλογή της τοποθεσίας εγκατάστασης της μονάδας καθώς θα πρέπει ανάλογα με την περίπτωση ή να έχουμε δυνατά κύματα ή θα πρέπει να εμφανίζονται τα φαινόμενα της παλίρροιας και της άμπωτης. Πολλές από τις εγκαταστάσεις είναι θορυβώδης. Οι εγκαταστάσεις πρέπει να κατασκευάζονται με ειδικό τρόπο ώστε να αντέχουν στις δύσκολες καιρικές συνθήκες που θα αντιμετωπίσουν. Το κόστος μεταφοράς της παραγόμενης ενέργειας στη στεριά είναι πολύ υψηλό. 34

35 1.5 ΑΠΕ Στην Ελλάδα Η ανάγκη ανάπτυξης μίας πολιτικής η οποία να καλύπτει όλες τις πηγές ενέργειας σε Ευρωπαϊκό επίπεδο, αποσκοπώντας στην ανάπτυξη μίας οικονομίας χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας που να είναι ασφαλέστερη, ανταγωνιστικότερη και περισσότερο αειφόρος οδήγησε στον καθορισμό των παρακάτω στόχων (γνωστοί ως στόχοι ): 20% διείσδυση ΑΠΕ στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση ενέργειας. 20% εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας, μέσω της βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης. 20% μείωση των εκπομπών CO2, σε σχέση με τα επίπεδα του Οι στόχοι αυτοί διατυπώνονται με χρονικό ορίζοντα το 2020 και ισχύουν για όλα τα κράτη- μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Ειδικά για την Ελλάδα, ο στόχος για τις εκπομπές αερίων ρύπων του θερμοκηπίου είναι μείωση κατά 4% στους τομείς εκτός εμπορίας σε σχέση με τα επίπεδα του 2005, και 18% διείσδυση των ΑΠΕ στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση. Η ελληνική κυβέρνηση στο πλαίσιο υιοθέτησης συγκεκριμένων αναπτυξιακών και περιβαλλοντικών πολιτικών, με το Νόμο 3851/2010 προχώρησε στην αύξηση του εθνικού στόχου συμμετοχής των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας στο 20%, ο οποίος και εξειδικεύεται σε 40% συμμετοχή των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή,20 % σε ανάγκες θέρμανσης-ψύξης και 10 % στις μεταφορές. Επιπρόσθετα, σε σχέση με την εξοικονόμηση ενέργειας (ΕΞΕ) η Ελλάδα έχει ήδη καταρτίσει το πρώτο σχέδιο δράσης ενεργειακής αποδοτικότητας όπου προβλέπεται 9% εξοικονόμηση ενέργειας στην τελική κατανάλωση μέχρι το έτος 2016 σύμφωνα και με την οδηγία 2006/32/ΕΚ, ενώ πρόσφατα και με τον Νόμο 3855/2010, ο οποίος προστίθεται και στον πρόσφατο κανονισμό που αφορά την ενεργειακή συμπεριφορά των κτιρίων-κενακ, προχωρά στην ανάπτυξη μηχανισμών της αγοράς και εφαρμογής συγκεκριμένων μέτρων και πολιτικών που αποσκοπούν στην επίτευξη του συγκεκριμένου εθνικού στόχου για εξοικονόμηση ενέργειας. Η Ελλάδα καλείται να αξιοποιήσει τις δυνατότητες που της προσφέρει το φυσικό δυναμικό που διαθέτει σε τεχνολογίες ΑΠΕ & ΕΞΕ και να διαμορφώσει ένα νέο μοντέλο «πράσινης» ανάπτυξης. Παράλληλα, η επίτευξη αυτών των στόχων θα συνεισφέρει στην ασφάλεια ενεργειακού εφοδιασμού, στη βέλτιστη αξιοποίηση των φυσικών πόρων και στην ενίσχυση της ανταγωνιστικότητας βασικών κλάδων της Ελληνικής οικονομίας. Η επίτευξη του ποσοστού συμμετοχής των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή (40%) μέχρι το 2020, θα επιτευχθεί μόνο με τη συνδυαστική εφαρμογή θεσμικών, κανονιστικών, οικονομικών και τεχνολογικών μέτρων που έχουν ως βασικό στόχο την αξιοποίηση του οικονομικού δυναμικού ανάπτυξης μεγάλων έργων ΑΠΕ, την ολοκλήρωση των αναγκαίων εργασιών επέκτασης και αναβάθμισης του ηλεκτρικού δικτύου και στη σταδιακή ανάπτυξη ενός διεσπαρμένου τρόπου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αντίστοιχα, για την ικανοποίηση των εθνικών στόχων συμμετοχής των ΑΠΕ σε θέρμανση-ψύξη και μεταφορές, προβλέπεται αξιοποίηση όλων των θεσμικών αλλαγών που έχουν ήδη υλοποιηθεί ή δρομολογούνται ώστε να επιτευχθεί 35

36 εξοικονόμηση ενέργειας μέσω βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης και υιοθέτησης πολιτικών ορθολογικής χρήσης ενέργειας σε όλους τους τομείς. Παράλληλα, η ανάπτυξη συγκεκριμένων τεχνολογιών, όπως οι αντλίες θερμότητας, καθώς και η ενίσχυση και περαιτέρω ανάπτυξη εφαρμογών από θερμικές βιομηχανίες απαιτείται ώστε να μπορέσουν να ικανοποιηθούν οι συγκεκριμένοι εθνικοί στόχοι. Ειδικά για τα βιοκαύσιμα, η προσπάθεια εντοπίζεται στην αξιοποίηση του εγχώριου δυναμικού για την παραγωγή βιοντίζελ μέσω ενεργειακών καλλιεργειών, καθώς και στην ανάπτυξη των απαραίτητων δικτύων διαχείρισης της βιομάζας για ενεργειακή χρήση. Συγκεκριμένα οι εθνικοί στόχοι για το 2020, αναμένεται να ικανοποιηθούν για τη μεν ηλεκτροπαραγωγή με την ανάπτυξη περίπου 13300MW από ΑΠΕ (από περίπου 4000MW σήμερα), όπου συμμετέχουν το σύνολο των τεχνολογιών με προεξέχουσες τα αιολικά πάρκα με 7500MW, υδροηλεκτρικά με 3000MW και τα ηλιακά με περίπου 2500MW, ενώ για τη θέρμανση και ψύξη με την ανάπτυξη των αντλιών θερμότητας, των θερμικών ηλιακών συστημάτων, αλλά και των εφαρμογών βιομάζας. Η επίτευξη αυτών των στόχων απαιτεί τον συντονισμό σε δράσεις και μέτρα, την υποστήριξη από τους φορείς της αγοράς καθώς και την έγκαιρη υλοποίηση έργων ανάπτυξης του ηλεκτρικού δικτύου ώστε να υπάρχει η δυνατότητα απορρόφησης της παραγόμενης ενέργειας από τους σταθμούς ΑΠΕ. Παρακάτω φαίνεται ένας πίνακας με εγκατεστημένη ισχύ από Α.Π.Ε. στην Ελλάδα ως τον Φεβρουάριο καθώς και την αλματώδη αύξηση ισχύος από Α.Π.Ε. το δίμηνο Ιανουάριος-Φεβρουάριος του φετινού έτους Α.Π.Ε. Πίνακας 1.4 Εγκατεστημένη ισχύς ΑΠΕ στην Ελλάδα Σύνολο εγκατεστημένης ισχύος έως τον Φεβρουάριο 2013 Σύνολο εγκατεστημένης ισχύος έως τον Δεκέμβριο 2012 Εγκατεστημένη ισχύς το δίμηνο Ιανουαρίου- Φεβρουαρίου 2013 Φωτοβολταϊκά MW 1.536,3 MW 523,5 MW Αιολικά 1.782,04 MW 1.749,3 MW 3,84 MW Υδροηλεκτρικά (μικρά) 217,88 MW 212,9 MW 4,98 MW Βιομάζα 45,31 MW 44,8 MW 0,51 MW Σύνολο 4.105,2 MW 3.543,3 MW 533,03 MW Αιολική ενέργεια Στην χώρα μας, οι προσπάθειες για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρισμού ξεκίνησαν στις αρχές της δεκαετίας του 80 από τη ΔΕΗ οπότε και εγκαταστάθηκε(συγκεκριμένα το 1982) το πρώτο αιολικό πάρκο στην Κύθνο και στα μέσα της δεκαετίας του 1990 δόθηκε μεγάλη ώθηση με την διευκόλυνση επενδύσεων από ιδιώτες( N 2244/94). Από τότε δεκάδες αιολικά έχουν 36

37 εγκατασταθεί σε περιοχές όπως: η Άνδρος, η Εύβοια, η Λήμνος, η Λέσβος, η Χίος, η Σάμος και η Κρήτη. Σήμερα η συνολική εγκαταστημένη ισχύς φθάνει τα 386 MW. Αξίζει να σημειωθεί ότι το Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Ενέργειας (ΕΠΕ) είχε πολύ μεγάλη συμβολή σε αυτήν την αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος, με τη χρηματοδότηση για τη δημιουργία 17 αιολικών πάρκων, με επενδύσεις ύψους 44,7 δις.δρχ. Η συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τη λειτουργία των 17 αιολικών πάρκων ανέρχεται σε 360 GWh ανά έτος. Παρακάτω φαίνεται στο σχήμα 1.11 η εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα. Σχήμα 1.11 Εγκατεστημένη ισχύς αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα Οι μελλοντικές προοπτικές για την ελληνική αγορά αιολικής ενέργειας είναι ιδιαίτερα ευοίωνες καθώς η κατασκευή ανεμογεννητριών αποτελεί αντικείμενο τεχνολογικά και οικονομικά προσιτό στη Μεταλλοβιομηχανία μας χωρίς προσθετές επενδύσεις σε τεχνικό εξοπλισμό. Ταυτόχρονα το αιολικό δυναμικό είναι ιδιαίτερα προικισμένο στην χώρα μας και αν το εκμεταλλευτούμε σωστά μπορεί να συνεισφέρει ουσιαστικά στο ενεργειακό μας ισοζύγιο. Σύμφωνα με συντηρητικές εκτιμήσεις υπάρχει η δυνατότητα για εγκατάσταση και λειτουργία αιολικών μονάδων συνολικής ισχύος 3.000MW τόσο στην ενδοχώρα, για άμεση ενίσχυση του διασυνδεδεμένου δικτύου, όσο και στο νησιωτικό σύμπλεγμα, με δυνατότητα να καλυφθεί το 25-35% των αναγκών της χώρας σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι πιο ευνοημένες, από πλευράς αιολικού δυναμικού, περιοχές στην Ελλάδα βρίσκονται στο Αιγαίο, κυρίως στην περιοχή των Κυκλάδων, της Κρήτης (βόρειο τμήμα του νησιού) στην Ανατολική και Νοτιανατολική Πελοπόννησο την Εύβοια και την Ανατολική Θράκη. Εκεί επικεντρώνονται οι προσπάθειες ανάπτυξης των αιολικών πάρκων. Από πλευράς οικονομικών συνθηκών όμως το πρόβλημα των νησιών είναι η μη ύπαρξη διασύνδεσης με το εθνικό δίκτυο, ώστε να υπάρχει απορρόφηση της παραγόμενης ενέργειας κατά την εποχή χαμηλής ζήτησης αυτής, έξω από την τουριστική περίοδο. Περιοχές με αιολικό ενδιαφέρον όμως υπάρχουν και στη λοφώδη παράκτια ζώνη της Δυτικής Ελλάδας αλλά και σε αρκετά βουνά. 37

38 Πρέπει επιπλέον να αναφερθεί ότι σε πολλά ελληνικά νησιά οι κάτοικοι αντιδρούν στην εγκατάσταση αιολικών πάρκων φοβούμενοι μήπως οι ανεμογεννήτριες χαλάσουν την τουριστική εικόνα του νησιού. Σε αυτήν την περίπτωση έρχεται να δώσει λύση μια νέα πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που αναπτύσσεται στην Βόρεια Ευρώπη και ιδιαίτερα στην Σκανδιναβία και στην Γερμάνια. Είναι τα ονομαζόμενα «Αιολικά πάρκα off shore» τα οποία κατασκευάζονται μέσα στην θάλασσα σε περιοχές με ιδιαίτερα υψηλές ταχύτητες ανέμου. Το Αιγαίο πέλαγος προσφέρεται ιδιαίτερα για τέτοια χρήση και υπολογίζεται ότι ένα θαλάσσιο αιολικό πάρκο μπορεί να παράγει μέχρι 40% περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα από ότι ένα ηπειρωτικό. Το μέλλον της αιολικής ενέργειας φαίνεται να βρίσκεται στα θαλάσσια αιολικά πάρκα. Ηλιακή ενέργεια Στην χώρα μας ο πιο ευρέως διαδεδομένος τρόπος αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας είναι οι ηλιακοί θερμοσίφωνες. Σύμφωνα με έρευνα της Greenpeace η Ελλάδα είναι η δεύτερη χώρα στην Ευρώπη, μετά τη Γερμανία, σε συνολική εγκατεστημένη επιφάνεια ηλιοσυλλεκτών. Περίπου το 30% των νοικοκυριών ( νοικοκυριά) χρησιμοποιούν ηλιακούς θερμοσίφωνες. Όσον αφορά την ηλιακή ενέργεια για την παραγωγή άμεσης ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των φωτοβολταϊκών, μέχρι και το 2006 δεν είχε αξιοποιηθεί αρκετά στην χώρα μας. Οι εγκαταστάσεις Φ/Β περιορίζονταν σε αυτές της ΔΕΗ σε νησιά (Κύθνος, Αντικύθηρα κλπ) και σε εγκαταστάσεις ιδιωτών σε απομακρυσμένες κατοικίες. Μια τέτοια ανάπτυξη ήταν σαφώς απογοητευτική, δεδομένου του εξαιρετικού ηλιακού δυναμικού της χώρας μας. Όμως τα τελευταία πέντε χρόνια παρατηρείται μια πολύ μεγάλη αλλαγή στο κλάδο της Φ/Β τεχνολογίας. Η αύξηση στο ενδιαφέρον για τα φωτοβολταϊκά και αντίστοιχα η αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος τους είναι κατακόρυφη. Συγκεκριμένα το 2010 τα φωτοβολταϊκά τετραπλασίασαν την διείσδυσή τους στο ενεργειακό σύστημα της Ελλάδας, ξεκινώντας από 55 MW στο τέλος του 2009, και καταλήγοντας στα 205.4MW εγκατεστημένης ισχύος στο τέλος του 2010 όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η αύξηση της εγκατεστημένης ισχύος πρόκειται να συνεχιστεί στο μέλλον με αντίστοιχους ρυθμούς. Σχήμα 1.12 Εγκατεστημένη ισχύς Ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα 38

39 Στην Ελλάδα, στον κλάδο των ενεργητικών ηλιακών συστημάτων υπάρχει πολύ σημαντική πρόοδος. Υπάρχουν χαρακτηριστικές καινοτομικές εγκαταστάσεις, όπως, είναι το ηλιακό χωριό που είναι ένας οικισμός του Οργανισμού Εργατικής Κατοικίας που κατασκευάστηκε το 1988 στην Πεύκη και αποτελεί τη μεγαλύτερη από τις πιλοτικές εφαρμογές μαζικής χρήσης ενεργητικών και άλλων ηλιακών συστημάτων που έχουν αναπτυχθεί στην χώρα μας. Τα ηλιακά συστήματα που εγκαταστάθηκαν στο ηλιακό χωριό λειτουργούν εδώ και μια δεκαετία, εξοικονομώντας σημαντικά ποσά συμβατικών καυσίμων και εξασφαλίζοντας υψηλό επίπεδο εξυπηρέτησης στους χρήστες τους. Αποδεικνύεται έτσι εμπράκτως ότι είναι δυνατή η αποτελεσματική και ταυτόχρονα οικονομικά βιώσιμη χρήση των συστημάτων αυτών σε ευρεία κλίμακα στην Ελλάδα. Άλλες σημαντικές εμπορικές εφαρμογές ηλιακών συστημάτων βρίσκονται εγκαταστημένες σε ξενοδοχεία, σχολεία ή/ και νοσοκομεία και συμβάλλουν στην κάλυψη μεγάλου ποσοστού των ενεργειακών αναγκών τους (κυρίως για την παραγωγή ζεστού νερού). Στην Ελλάδα υπάρχουν σήμερα σε λειτουργία μερικές εκατοντάδες κτίρια τα οποία αξιοποιούν την ηλιακή ενέργεια με ηλιακά παθητικά συστήματα για την κάλυψη των ενεργειακών τους αναγκών. Ο κτιριακός τομέας είναι υπεύθυνος περίπου για το 40% της καταναλισκόμενης ενέργειας σε εθνικό επίπεδο. Έτσι, τα παθητικά ηλιακά συστήματα μπορούν να έχουν σημαντική συμμετοχή στη μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων των κτιρίων για θέρμανση και ψύξη. Γεωθερμική ενέργεια Παρά το πλούσιο γεωθερμικό δυναμικό, η χρήση γεωθερμικών πηγών για σκοπούς ηλεκτροπαραγωγής είναι αμελητέα στην Ελλάδα. Οι ελάχιστες εφαρμογές της γεωθερμίας περιορίζονται στη χρήση ζεστού νερού. Η χρήση ζεστού νερού μέχρι 90 ο C γίνεται κυρίως σε αγροτικές εφαρμογές(θερμοκήπια, υδατοκαλλιέργειες, ξηραντήρια κλπ) ή για λουτροθεραπευτικό τουρισμό. Στην Ελλάδα, γεωθερμία κατάλληλη για ηλεκτροπαραγωγή βρίσκεται σε προσιτά βάθη στα νησιά του ηφαιστειακού τόξου του Αιγαίου: Μήλος-Κίμωλος, Σαντορίνη, Νίσυρος αλλά και στη Λέσβο, τη Χίο, τη Σαμοθράκη, την Αλεξανδρούπολη και αλλού. Τα πρώτα τέσσερα νησιά που αναφέρθηκαν αντιστοιχούν σε περιοχές γεωλογικά πρόσφατης ηφαιστειακής δράσης και περιλαμβάνουν γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας με θερμοκρασίες ºC με συνολικό γεωθερμικό δυναμικό τουλάχιστον 300 MW(e), το οποίο όμως μέχρι σήμερα παραμένει παντελώς ανεκμετάλλευτο. Στις υπόλοιπες περιοχές απαντώνται γεωθερμικά πεδία χαμηλήςμέσης ενθαλπίας με θερμοκρασίες ºC και δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής της τάξεως των MW. Eνώ η γεωθερμία κατάλληλη για θέρμανση και αγροτικές εφαρμογές απαντάται σε μικρά βάθη σε πολλές περιοχές στις πεδιάδες της Μακεδονίας και της Θράκης, αλλά και στη γειτονιά κάθε μιας από τις 56 θερμές πηγές της χώρας μας. Εκεί απαντώνται γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας με θερμοκρασίες ºC. Τέτοια είναι: Θερμά Σαμοθράκης, Πολυχνίτος-Άργενος Λέσβου, Νένητα Χίου, Αριστινό Αλεξανδρούπολης, Αιδηψός και Σουσάκι Κορινθίας (80-100ºC), Νέο Εράσμιο, Νέα Κεσσάνη Ξάνθης, Νιγρίτα, Σιδηρόκαστρο και Ηράκλεια Σερρών, Λαγκαδάς, Νέα Απολλωνία, Θέρμη Θεσσαλονίκης, Νέα Τρίγλια Χαλκιδικής (30-60ºC) 39

40 και πολλά άλλα. Οι αντίστοιχες γεωθερμικές εφαρμογές έχουν συνολική θερμική ισχύ μόλις 70 MW, και περιλαμβάνουν κυρίως θερμά και ιαματικά λουτρά (45%), και θέρμανση θερμοκηπίων και εδαφών (55%). Υδροηλεκτρική ενέργεια Στην χώρα μας έχουν αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό τα υδροηλεκτρικά έργα, τουλάχιστον για τις περιοχές που εμφανίζουν υψηλό δυναμικό. Έτσι η ΔΕΗ έχει εγκαταστήσει υδροηλεκτρικές μονάδες συνολικής ισχύος 3.052,4 ΜW ώστε πλέον σημαντικό ενδιαφέρον και δυναμική εμφανίζουν τα μικρά υδροηλεκτρικά έργα. Ωστόσο η πρόσφατη νομοθεσία παρέχει την δυνατότητα και στον ιδιωτικό τομέα να παράγει ηλεκτρική ενέργεια και επιδιώκει να ενισχύσει σημαντικά το ενδιαφέρον επενδυτών στον τομέα των υδροηλεκτρικών. Πολλές Κοινότητες αλλά και ιδιώτες έχουν εκφράσει το ενδιαφέρον τους για την κατασκευή και εκμετάλλευση μικρών υδροηλεκτρικών εργοστασίων. Επιπρόσθετα, συνήθως τέτοιες επενδύσεις επιχορηγούνται και συγχρηματοδοτούνται από το Ελληνικό Κράτος και την Ευρωπαϊκή Ένωση, ενώ ο αναπτυξιακός νόμος 2601 του 1998 επιχορηγεί με 40% του συνολικού κόστους του έργο. Παρόλα αυτά ένα μεγάλο μέρος του υδροηλεκτρικού δυναμικού της χώρας παραμένει αναξιοποίητο και εντοπίζεται κυρίως στην ηπειρωτική Ελλάδα. Σε αυτήν την περιοχή βρίσκεται σύμφωνα με συντηρητικές εκτιμήσεις το 30% τους συνολικού δυναμικού της χώρας. Αυτό το δυναμικό θα μπορούσε να καλύψει σημαντικό ποσοστό της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Όλοι οι ποταμοί της Ηπείρου έχουν τις πηγές τους στην οροσειρά της Πίνδου. Η οροσειρά της Πίνδου έχει σημαντικές βροχοπτώσεις και εδαφολογία τέτοια ώστε να μπορούμε να εκμεταλλευτούμε το υδάτινο δυναμικό από μεγάλες υψομετρικές διαφορές, ενώ από την άλλη πλευρά το έδαφος της οροσειράς είναι τέτοιο που ευνοεί τη δημιουργία τεχνητών λιμνών και δεξαμενών ύδατος. Ενέργεια από βιομάζα Η βιομάζα στην χώρα μας έχει πληθώρα εφαρμογών που αφορούν: Την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης-ψύξης ή και ηλεκτρισμού σε γεωργικές και άλλες βιομηχανίες. Την τηλεθέρμανση κατοικημένων περιοχών. Την θέρμανση θερμοκηπίων. Την παραγωγή υγρών καυσίμων με διάφορες διαδικασίες(θερμοχημικές, βιοχημικές). Ως πρώτη ύλη σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται υποπροϊόντα της βιομηχανίας ξύλου, ελαιοπυρηνόξυλα, κουκούτσια ροδάκινων και άλλων φρούτων, τσόφλια αμυγδάλων, βιομάζα δασικής προέλευσης, άχυρο σιτηρών, υπολείμματα εκκοκκισμού κ.α. Όμως το μεγαλύτερο μέρος της βιομάζας στην χώρα μας δυστυχώς παραμένει αναξιοποίητο. Από πρόσφατη απογραφή έχει εκτιμηθεί ότι το σύνολο της άμεσα διαθέσιμης βιομάζας στην Ελλάδα συνίσταται από τόνους υπολειμμάτων γεωργικών καλλιεργειών( σιτηρών, αραβοσίτου, βαμβακιού, καπνού, ηλίανθου 40

41 κληματίδων, πυρηνόξυλου) και από τόνους δασικών υπολειμμάτων υλοτομίας (κλάδοι, φλοιοί κ.α). Από τις παραπάνω ποσότητες βιομάζας το ποσοστό τους εκείνο που προκύπτει σε μορφή υπολειμμάτων κατά τη δευτερογενή παραγωγή προϊόντων είναι άμεσα διαθέσιμο, δεν παρουσιάζει προβλήματα μεταφοράς και μπορεί να τροφοδοτήσει απ ευθείας διάφορα συστήματα παραγωγής ενέργειας. Μπορεί δηλαδή η εκμετάλλευση του να καταστεί οικονομικά συμφέρουσα. Παράλληλα με την αξιοποίηση των διαφόρων γεωργικών και δασικών υπολειμμάτων, σημαντικές ποσότητες βιομάζας είναι δυνατόν να ληφθούν από τις ενεργειακές καλλιέργειες. Σε κάποιες περιοχές της Ελλάδας όπου υπάρχουν μονοκαλλιέργειες (πχ βαμβακιού) εμφανίζεται το πρόβλημα των γεωργικών πλεονασμάτων. Εξαιτίας της εξειδίκευσης αυτής της περιοχής στην παραγωγή ενός μόνο προϊόντος αυξάνεται το γεωργικό πλεόνασμα με αποτέλεσμα να μειώνεται η τιμή του γεωργικού προϊόντος που βρίσκεται σε αφθονία και να υποβαθμίζεται το περιβάλλον λόγο της εκτεταμένης χρήσης χημικών και φυτοφαρμάκων και της συνεχούς άρδευσης. Όμως η αντικατάσταση ενός μέρους της καλλιεργήσιμης γης με ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή βιομάζας μπορεί να λύσει το οικονομικό πρόβλημα λόγο των πλεονασμάτων και να παρέχει δυνατότητες για την αύξηση της χρήσης της βιομάζας στην χώρα μας. Η αγριαγκινάρα είναι ένα φυτό κατάλληλο για ενεργειακή αξιοποίηση το οποίο προσαρμόζεται θαυμάσια στις ελληνικές συνθήκες, αναπτύσσεται μονάχα με το νερό των βροχοπτώσεων συνεπώς δεν απαιτείται άρδευση άλλα ούτε και φυτοφάρμακα οπότε βελτιώνεται η παραγωγική δυναμικότητα του εδάφους της περιοχής. Παρακάτω θα αναλύσουμε δύο από τις τέσσερις μεθόδους χρήσης της βιομάζας που είναι πιο σχετική με την ηλεκτρική ενέργεια: 1. Κάλυψη των αναγκών θέρμανσης ψύξης η και ηλεκτρισμού σε γεωργικές και άλλες βιομηχανίες: Με τους συμβατικούς τρόπους παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλες ποσότητες θερμότητας απορρίπτονται στο περιβάλλον. Με την συμπαραγωγή όπως ονομάζεται η συνδυασμένη παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας από την ίδια ενεργειακή πηγή, το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας αυτής ανακτάται και χρησιμοποιείται επωφελώς. Συμπαραγωγή από βιομάζα εφαρμόζεται και στην Ελλάδα και παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε αστικό-περιφερειακό επίπεδο. Ένα παράδειγμα βιομηχανίας όπου με την εγκατάσταση μονάδας συμπαραγωγής υποκαταστάθηκαν πολύ επιτυχώς, συμβατικά καύσιμα από βιομάζα είναι ένα εκκοκκιστήριο στην περιοχή της Βοιωτία. Σε αυτό κάθε χρόνο χρησιμοποιούνται τόνοι υπολειμμάτων βαμβακιού για την παραγωγή θερμότητας από βιομάζα. 2. Παραγωγή υγρών καυσίμων με βιοχημική η θερμοχημική μετατροπή της βιομάζας: Ένα παράδειγμα υγρού καυσίμου που μπορεί να παραχθεί στην χώρα μας είναι το βιοαέριο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε μηχανές εσωτερικής καύσης, για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Αυτό το αέριο είναι ποιοτικότερο από τα συμβατικά καύσιμα και έχει μικρότερες εκπομπές επικίνδυνων ρύπων στην ατμόσφαιρα. Το βιοαέριο παράγεται στην Ελλάδα στους Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ). Σήμερα λειτουργούν 4 μονάδες βιοαερίου που μετατρέπουν το αέριο που προκύπτει από τη ζύμωση των σκουπιδιών στις χωματερές σε ηλεκτρική 41

42 ενέργεια. Παράλληλα η Θεσσαλονίκη συμβάλλει και αυτή σε μεγάλο βαθμό στη μαζική βιομηχανική παραγωγή βιοκαυσίμων του μέλλοντος, φιλοξενώντας ένα επαρκώς εξοπλισμένο κέντρο έρευνας για την ανάπτυξη και τις προοπτικές των βιοδιυλιστηρίων στη χώρα μας. Στο Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ) στη Θέρμη στεγάζεται το Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Καυσίμων και Υδρογονανθράκων(ΕΠΚΥ) του Ινστιτούτου Τεχνικής Χημικών Διεργασιών. Το ΕΚΕΤΑ ασχολείται εκτός από τη μελέτη διεργασιών παραγωγής βιοκαυσίμων από βιομάζα και με την εναλλακτική παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Θαλάσσια ενέργεια Η Ελλάδα, συγκαταλέγεται στις χώρες με αξιοποιήσιμους πόρους κυματικής ενέργειας και σύμφωνα με πρόσφατα επιστημονικά ευρήματα, η περιοχή του Αιγαίου Πελάγους παρουσιάζει τα υψηλότερα επίπεδα κυματικού δυναμικού στην Μεσόγειο (4-11 kw/h έναντι kw/h στον Ανατολικό Ατλαντικό και kw/h στην Β. Θάλασσα), ενέργεια, η οποία μέχρι σήμερα παραμένει ανεκμετάλλευτη. Η εγκατάσταση σταθμών κυματικής ενέργειας θα μπορούσε να καλύψει σε σημαντικό βαθμό τις ανάγκες στον νησιωτικό χώρο του Αιγαίου, όπου η ηλεκτροδότηση γίνεται κατά κύριο λόγο από σταθμούς ντίζελ με τεράστιο κόστος για την ΔΕΗ και υψηλά επίπεδα μόλυνσης του περιβάλλοντος. Η τεχνικά εκμεταλλεύσιμη κυματική ενέργεια για τα κράτη μέλη της Ε.Ε. υπολογίζεται συνολικά σε TWh/έτος, από τα οποία 5-9 ΤWh/έτος αντιστοιχούν στις ελληνικές θάλασσες. Για τις επικρατέστερες τεχνολογίες κυματικής ενέργειας το ηλεκτροπαραγωγικό κόστος έχει μειωθεί σημαντικά στα επίπεδα των 6-9 /kwh, ενώ αναμένεται περαιτέρω μείωση του κόστους αυτού. Το γεγονός αυτό κάνει τις τεχνολογίες αυτές οικονομικά συμφέρουσες και διανοίγει προοπτικές βιομηχανικής εκμετάλλευσής τους στο εγγύς μέλλον. 42

43 Κεφάλαιο 2ο : Στοιχεία Υβριδικού Συστήματος 2.1 Εισαγωγή Η εργασία πραγματεύεται ένα υβριδικό σύστημα κατανεμημένης παραγωγής το οποίο αποτελείται από μια ανεμογεννήτρια, μια φωτοβολταϊκή διάταξη και μία γεννήτρια diesel. Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από μία σύγχρονη μηχανή και τον μηχανισμό στρέψης ο οποίος δίνει την απαιτούμενη ροπή. Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια αποτελείται από τα φωτοβολταϊκα πάνελ, τους συσσωρευτές τον ηλεκτρονικό μετατροπέα και τον ρυθμιστή φόρτισης. Η γεννήτρια diesel αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή και μια μηχανή εσωτερικής καύσης που προσφέρει την ροπή. Επίσης στο σύστημα υπάρχουν και μετασχηματιστές, γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και άλλα. Παρακάτω γίνεται αναφορά και ανάλυση σε αυτά στοιχεία και παρουσιάζονται οι σχέσεις που τα διέπουν. 2.2 Γεννήτρια Diesel Η γεννήτρια diesel αποτελείται από δύο βασικά κομμάτια, την μηχανή εσωτερικής καύσεως-βενζινοκινητήρας και την σύγχρονη μηχανή. Παρακάτω περιγράφονται τα δύο αυτά κομμάτια ξεχωριστά και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις που ισχύουν για αυτά Μηχανή Εσωτερικής Καύσεως-Βενζινοκινητήρας Σύμφωνα με ένα γενικό ορισμό, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι μια θερμική μηχανή, στην οποία καίγεται ένα καύσιμο παρουσία αέρα μέσα σε ένα θάλαμο (θάλαμος καύσης) και από την εξώθερμη αντίδραση του καυσίμου με τον οξειδωτή (θερμική καύση ελεύθερης φλόγας σε αέρια κατάσταση), που είναι το οξυγόνο του αέρα, δημιουργώντας θερμά αέρια. Στον κινητήρα εσωτερικής καύσης η εκτόνωση της πίεσης των αερίων που παράγονται ασκεί δύναμη στο κινητό μέρος του κινητήρα, όπως στα έμβολα ή στα πτερύγια. Ο βενζινοκινητήρας είναι μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) στην οποία η ισχύς παράγεται με την καύση του μίγματος βενζίνης και αέρα. Οι περισσότεροι βενζινοκινητήρες ανήκουν στην κατηγορία των παλινδρομικών μηχανών, οι πρόσφατες όμως τεχνολογικές εξελίξεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ο τύπος στρεφόμενου εμβόλου ή ο τύπος στροβίλου υπερέχουν λειτουργικά από ορισμένη άποψη. 43

44 Οι βενζινοκινητήρες είναι οι πιο διαδεδομένες μηχανές εσωτερικής καύσης. Το μέγεθος και η ισχύς τους ποικίλλουν από λιγότερο από έναν ίππο για χρήση σε μικρές φορητές συσκευές, μέχρι ίππους για αεροπλάνα. Μολονότι οι περισσότεροι βενζινοκινητήρες χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα, αντιπροσωπεύουν λιγότερο από το μισό του συνολικού αριθμού που είναι σε χρήση, σε παγκόσμια κλίμακα. Σχήμα 2.1 Βενζινοκινητήρας Σύγχρονη Μηχανή Η σύγχρονη μηχανή χρησιμοποιούμενη ως γεννήτρια είναι η σπουδαιότερη μηχανή για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αποτελεί το επίκεντρο κάθε σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής τάσης. Η Σ.Μ. αποτελείται από τον δρομέα, που τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα και από τον στάτη που φέρει ένα τριφασικό τύλιγμα. Ο χαρακτηρισμός «σύγχρονη» προέρχεται από το γεγονός, ότι ο δρομέας στρέφεται σύγχρονα με την ίδια ταχύτητα με το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργείται από τη διέγερση του συνεχούς ρεύματος. Ο τύπος για τον σύγχρονο αριθμό στροφών, δηλαδή για τον αριθμό στροφών του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου δίνεται από την σχέση όπου: n s : σύγχρονος αριθμός στροφών. f n : ονομαστική συχνότητα δικτύου. p : αριθμός ζευγών πόλων. 44

45 Στην περίπτωση που για διάφορους λόγους δεν ισχύει η παραπάνω σχέση, λέμε ότι η Σ.Μ. <<αποσυγχρονίζεται>>. Η κατάσταση αυτή δεν μπορεί να είναι μόνιμη, διότι επέρχονται βλάβες και η μηχανή παύει να λειτουργεί. Επειδή η διέγερση της Σ.Μ. για τη δημιουργία του στρεφόμενου πεδίου δεν προέρχεται από το δίκτυο αλλά από μια ξεχωριστή πηγή συνεχούς ρεύματος, δεν έχουμε μεγάλο περιορισμό στην εκλογή του διακένου μεταξύ στάτη και δρομέα. Το διάκενο αυτό κυμαίνεται μεταξύ 0,5 cm και 5 cm ανάλογα με το μέγεθος της μηχανής, ειδικά για μηχανές πολύ μεγάλης ισχύος η τιμή αυτή μπορεί να φτάσει τα 10 cm. Ο πυρήνας του δρομέα είναι συμπαγής, επειδή το μαγνητικό πεδίο αυτού είναι συνεχές και συνεπώς δεν δημιουργούνται απώλειες δινορευμάτων. Μόνο τα πέλματα των πόλων στη μηχανή με έκτυπους πόλους κατασκευάζονται από ελάσματα για την αποφυγή των δινορευμάτων, διότι εκεί το μαγνητικό πεδίο παρουσιάζει κάποια μεταβολή. Ο σύγχρονος αριθμός στροφών για δεδομένη συχνότητα εξαρτάται μόνο από τον αριθμό των πόλων και διατηρείται σταθερός(όταν πρόκειται για γεννήτρια)με τη βοήθεια της κινητήριας μηχανής. Ο αριθμός των πόλων μιας μηχανής με κατανεμημένο τύλιγμα διέγερσης είναι συνήθως 2(p=1). Για σύγχρονες μηχανές μεγάλης ισχύος ο αριθμός τον πόλων είναι 4(p=2). Έτσι ο σύγχρονος αριθμός στροφών αντίστοιχα είναι 3000 l/min ή 1500 l/min,όταν η συχνότητα είναι 50 Ηz.Ως κινητήριες μηχανές χρησιμοποιούνται συνήθως ατμοστρόβιλοι, μερικές φορές αεροστρόβιλοι και μηχανές εσωτερικής καύσης. Οι κινητήριες μηχανές συνδέονται με τον άξονα της σύγχρονης μηχανής μέσω ενός συμπλέκτη. Οι γεννήτριες που στρέφονται με τη βοήθεια υδροστροβίλων στην εποχή μας φθάνουν τη φαινόμενη ισχύ των 800 MVA. Το όριο της φαινόμενης ισχύος των γεννητριών που στρέφονται από ατμοστρόβιλους φθάνει την τιμή των 2000 MVA. Η εξέλιξη στην κατασκευή των μεγάλων Σ.Μ. στηρίζεται μεταξύ άλλων στη βελτίωση του συστήματος ψύξης. Ανάλογα με την κατασκευή του δρομέα διακρίνουμε, όπως ήδη αναφέραμε, δύο είδη μηχανών, τη μηχανή με έκτυπους πόλους και τη μηχανή με κατανεμημένους πόλους. Μπορούμε να δούμε τους δύο τύπους δρομέα στο σχήμα 2.2 δρομέας έκτυπων πόλων δρομέας κυλινδρικής κατασκευής Σχήμα 2.2 Κάθετη τομή μηχανής έκτυπων πόλων δρομέα και κυλινδρικού δρομέα τεσσάρων πόλων 45

46 Ο πρώτος τύπος μηχανών έχει εξέχοντες πόλους, γύρω από τους οποίους τυλίγεται το τύλιγμα διέγερσης. Αντίθετα προς αυτόν ο συμπαγής δρομέας του πρώτου τύπου φέρει αυλακώσεις, μέσα στις οποίες τοποθετείται το τύλιγμα διέγερσης και προστατεύεται με σφήνες έναντι των φυγοκεντρικών δυνάμεων. Η φαινόμενη ισχύς μια Σ.Μ. μπορεί να εκφραστεί με τον απλό τύπο: όπου: c: σταθερά d: διάμετρος l: μήκος n: αριθμός στροφών Η κυλινδρικής μορφής κατασκευή του δρομέα είναι πιο δημοφιλής σε εφαρμογές με μεγάλες ταχύτητες όπου η διάμετρος σε σχέση με το μήκος του πρέπει να παραμένει μικρή ώστε να διατηρούνται οι μηχανικές καταπονήσεις εξαιτίας των φυγόκεντρων δυνάμεων μέσα σε αποδεκτά όρια. Σύγχρονες μηχανές με δύο ή τέσσερις πόλους χρησιμοποιούνται σε γεννήτριες ατμού ώστε να συνταιριάξουν ικανοποιητικά με τη μεγάλη ταχύτητα λειτουργίας των στροβίλων ατμού. Οι μεγάλοι κυλινδρικοί δρομείς κατασκευάζονται από χυτό συμπαγές μολυβδοχρωμιούχο χάλυβα με ακτινωτά αυλάκια μέσα στα οποία τοποθετούνται τα τυλίγματα του πεδίου στις δύο πλευρές για κάθε κυρίως πόλο. Στα τυλίγματα του πεδίου του δρομέα μπορεί να εφαρμόζεται ένα συνεχές ρεύμα διέγερσης δια μέσου ενός ζεύγους μονωμένων δακτυλίων ολίσθησης που βρίσκεται τοποθετημένο πάνω στον άξονά του. Εναλλακτικά, η συνεχής διέγερση επιτυγχάνεται από την ανορθωμένη έξοδο ενός μικρού μετατροπέα διεγέρσεως που βρίσκεται τοποθετημένος πάνω στον ίδιο άξονα του δρομέα της σύγχρονης μηχανής. Η δεύτερη μέθοδος διέγερσης μας απαλλάσσει από τους δακτυλίους ολίσθησης και ονομάζεται διέγερση χωρίς ψήκτρες. Σε μια βασική απεικόνιση μιας σύγχρονης μηχανής, ο άξονας του βόρειου πόλου ονομάζεται ευθύς ή άξονας-d. Ο κάθετος ή άξονας-q καθορίζεται από την κατεύθυνση που βρίσκεται 90 ηλεκτρικές μοίρες μπροστά από τον άξονα-d. Σε συνθήκες λειτουργίας χωρίς φορτίο και μόνο με την επίδραση του πεδίου διέγερσης, η μαγνητεγερτική δύναμη επαγωγής (ΜΕΔ) του πεδίου θα είναι κατά μήκος του άξονα-d και η εσωτερική τάση του στάτη, dλ df / dt, θα είναι κατά μήκος του άξονα-q. Οι άξονες d,q φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. 46

47 Σχήμα 2.3 Σχηματική παράσταση τομής σύγχρονης μηχανής Παρακάτω παρουσιάζονται οι μαθηματικές σχέσεις που διέπουν το μοντέλο τέταρτης τάξεως μίας συμμετρικής τριφασικής σύγχρονης γεννήτριας. Επαγωγικές παράμετροι σύγχρονης μηχανής Τα κατανεμημένα τυλίγματα στάτη και δρομέα μια μηχανής είναι δυνατόν να αντικατασταθούν με ισοδύναμα συγκεντρωμένα τυλίγματα, που θεωρούνται τοποθετημένα κατά μήκος των αξόνων τους και έχουν κατάλληλες ίδιες και αμοιβαίες επαγωγές. Μπορούμε να το δούμε στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 2.4 Παράσταση σύγχρονης μηχανής με συγκεντρωμένα τυλίγματα Ο άξονας του τυλίγματος α, που επιλέγεται ως άξονας αναφοράς, βρίσκεται σε γωνία θ=0 ο. Προς την αριστερόστροφη κατεύθυνση και σε γωνίες θ=2π/3 και θ=4π/3 βρίσκονται οι άξονες των τυλιγμάτων b και c αντίστοιχα. 47

48 Καθένα από τα τυλίγματα της μηχανής χαρακτηρίζεται από μία αντίσταση R i, μια αυτεπαγωγή L ii και τις αμοιβαίες επαγωγές με τα άλλα τυλίγματα L ij. Για τις αντιστάσεις των τυλιγμάτων του στάτη ισχύει Για τις αυτεπαγωγές των τυλιγμάτων του στάτη ισχύουν οι σχέσεις, L s > L m > 0 ( ) ( ) Για μηχανή με κυλινδρικό δρομέα L m =0 οπότε ισχύει Οι αμοιβαίες επαγωγές τυλιγμάτων του στάτη είναι όλες αρνητικές και περιγράφονται από τις σχέσεις ( ), M s > L m > 0 ( ) ( ) Για μηχανή με κυλινδρικό δρομέα ισχύει ότι L m =0, επομένως Για την αυτεπαγωγή τυλίγματος δρομέα ισχύει Για τις αμοιβαίες επαγωγές τυλίγματος δρομέα με τυλίγματα στάτη ( ) ( ) ( ) Εξισώσεις τάσης σύγχρονης μηχανής Οι τερματικές εξισώσεις τάσης των τυλιγμάτων της μηχανής δίνονται από τις σχέσεις 48

49 όπου είναι οι εξισώσεις των πεπλεγμένων ροών του κάθε τυλίγματος. Εξισώσεις κίνησης δρομέα Η κίνηση του δρομέα χαρακτηρίζεται από την ηλεκτρική γωνία θ r ανάμεσα στον ευθύ άξονα του δρομέα και τον άξονα της φάσης α του στάτη. Αν το πεδίο του δρομέα της μηχανής περιστρέφεται με ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα ω r (σε ηλεκτρικά rad/s), τότε ο ρυθμός μεταβολής της γωνίας θ r είναι: Η γωνία δ του δρομέα της σύγχρονης μηχανής ως η ηλεκτρική γωνία (σε ηλεκτρικά rad) μεταξύ του εγκάρσιου μαγνητικού άξονα της μηχανής και ενός άξονα αναφοράς, είναι: όπου: δ 0 : είναι η αρχική τιμή της γωνίας δ. ω sys : είναι η γωνιακή ταχύτητα του άξονα αναφοράς (σε ηλεκτρικά rad/s). Παραγωγίζοντας και τα δύο μέλη της εξίσωσης και λόγω της 1 ης προκύπτει: εξίσωσης, Αμελώντας τις μηχανικές απώλειες στον άξονα της μηχανής, καθώς επίσης και τις απώλειες λόγω τριβών, η διαφορική εξίσωση επιταχύνσεως του δρομέα δίνεται από τη σχέση: όπου: Η : είναι η ανηγμένη στη βάση του συστήματος σταθερά αδράνειας σε s. ω r : είναι η γωνιακή ταχύτητα του πεδίου του δρομέα σε ηλεκτρικά rad/s. ω b : είναι η βασική ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα (σε ηλεκτρικά rad/s) του συστήματος. T m : είναι η παραγόμενη από το στρόβιλο μηχανική ροπή σε ανά μονάδα τιμή ανηγμένη στη βάση του συστήματος. T e : είναι η ηλεκτρομαγνητική ροπή της γεννήτριας σε ανά μονάδα τιμή ανηγμένη στη βάση του συστήματος. D : είναι ο συντελεστής απόσβεσης σε ανά μονάδα τιμή στη βάση ισχύος του συστήματος. Οι διαφορικές εξισώσεις είναι γνωστές σαν εξισώσεις ταλάντωσης της μηχανής. 49

50 Ισχύς σύγχρονης μηχανής Η πραγματική και η άεργος ισχύς που παρέχει ή απορροφά μία σύγχρονη μηχανή ανά φάση είναι : ( ) ( ) όπου δ m :γωνία ισχύος και ορίζεται ως m Ea Va Χ d :σύγχρονη αντίδραση κατά τον d άξονα Χ q :σύγχρονη αντίδραση κατά τον q άξονα Για μηχανή με κυλινδρικό δρομέα ισχύει και επομένως Θετική τιμή του P G δείχνει λειτουργία γεννήτριας και λαμβάνεται για θετικό δ m, αντίθετα αρνητική τιμή του Q G αντιστοιχεί σε λειτουργία κινητήρα και λαμβάνεται για αρνητικό δ m. Σε μηχανή με έκτυπους πόλους η μέγιστη πραγματική ισχύς λαμβάνεται P max παρέχεται σε μια γωνία δ m =δ c <90 ο, ενώ σε μια μηχανή με κυλινδρικό δρομέα η μέγιστη πραγματική ισχύς παρέχεται υπό γωνία δ m =90 ο. Προσπάθεια για αύξηση της παρεχόμενης ισχύος πέραν της P max οδηγεί σε αποσυγχρονισμό της γεννήτριας από το δίκτυο. Έλεγχος ισχύος σύγχρονης μηχανής Αν θεωρήσουμε την περίπτωση ότι έχουμε μια σύγχρονη γεννήτρια, όπως και στο σύστημα που εξετάζει αυτή η εργασία, τότε η συμπεριφορά της γεννήτριας ελέγχεται μέσω δύο δυνάμεων ελέγχου: Το ρεύμα πεδίου Τη μηχανική ροπή στον άξονα της γεννήτριας Όταν μία από τις δύο αυτές ποσότητες μεταβληθεί τότε μεταβάλλονται όλες οι έξοδοι της γεννήτριας, δηλαδή οι. Μεταβάλλοντας τη μηχανική ροπή του άξονα, διατηρώντας το ρεύμα διέγερσης σταθερό, επηρεάζουμε κυρίως την πραγματική ισχύ. Επηρεάζεται και η άεργος ισχύς αλλά αυτή η επίδραση είναι σχετικά μικρή. 50

51 Αν μεταβάλλουμε το ρεύμα διέγερσης, διατηρώντας τη μηχανική ροπή του άξονα ισχύς, ενώ η πραγματική ισχύς παραμένει σταθερή. σταθερή, θα μεταβληθεί ανάλογα και η και συνεπώς και η άεργος Αντίδραση σύγχρονης μηχανής σε τριφασικό βραχυκύκλωμα Το τριφασικό ρεύμα βραχυκύκλωσης δίνεται από τη σχέση: όπου είναι η ονομαστική πολική τάση του δικτύου και η συνολική ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση του δικτύου, όπως αυτή προκύπτει από το σημείο του σφάλματος. Σχήμα 2.5 Συνιστώσες του ρεύματος σε τριφασικό βραχυκύκλωμα κοντά στη γεννήτρια : 1) υπομεταβατική συνιστώσα, 2) μεταβατική συνιστώσα, 3) μόνιμο ρεύμα σφάλματος, 4) συνεχής συνιστώσα. 51

52 Αμέσως μετά το βραχυκύκλωμα τα ρεύματα είναι πολύ μεγαλύτερα από ότι είναι μερικούς κύκλους αργότερα. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.5 το ρεύμα βραχυκύκλωσης αποτελείται από δύο συνιστώσες, μία ημιτονοειδής μεταβαλλόμενη συνιστώσα σταθερού εύρους και μία συνιστώσα συνεχούς ρεύματος που φθίνει εκθετικά και προκαλεί ασυμμετρία των κυματομορφών ως προς τον άξονα του χρόνου. Το συνεχώς μεταβαλλόμενο ρεύμα μπορούμε να το προσεγγίσουμε με τέσσερις συνιστώσες: την υπομεταβατική συνιστώσα τη μεταβατική συνιστώσα το μόνιμο ρεύμα σφάλματος τη συνεχή συνιστώσα Οι χρονικές περίοδοι που σχετίζονται με αυτά τα ρεύματα αναφέρονται ως υπομεταβατική, μεταβατική και περίοδος μόνιμης κατάστασης. Η υπομεταβατική περίοδος εκτείνεται από 0 έως 0,1 sec μετά τη διαταραχή, η μεταβατική περίοδος 0,1 έως 6 sec και η μόνιμη κατάσταση αποκαθίσταται σε περισσότερο από 6 sec μετά τη διαταραχή. 2.3 Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από ένα αριθμό μερών ή υποσυστημάτων τα οποία περιγράφονται παρακάτω αναλυτικά. Επιγραμματικά είναι η φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ο dc/dc μετατροπέας και ο αντιστροφέας(inverter). Μία αναφορά αξίζει να γίνει στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο το οποίο είναι η απαρχή των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών. Το φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόμενο αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το Φ/Β φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Εντμόντ Μπεκερέλ (Alexandre-Edmond Becquerel ). Περιληπτικά πρόκειται για την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Φ/Β στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο Φ/Β στοιχείο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο. 52

53 2.3.1 Φωτοβολταϊκή Γεννήτρια Τεχνολογίες Φ/Β Στοιχείων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες 1. Κρυσταλλικού Πυριτίου Μονοκρυσταλλικού πυριτίου, με ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21%, Πολυκρυσταλλικού πυριτίου, με ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 13% έως 14,5% Λεπτών Μεμβρανών Άμορφου Πυριτίου, ονομαστικής απόδοσης ~7%. Χαλκοπυριτών CIS / CIGS, ονομαστικής απόδοσης από 7% έως 11%. Το πυρίτιο (Si) είναι η βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής Φ/Β. Η κυριαρχία αυτή οφείλεται αρχικά στην τεράστια παγκόσμια επιστημονική και τεχνική υποδομή για το υλικό αυτό από τη δεκαετία του '60. Μεγάλες κυβερνητικές και βιομηχανικές επενδύσεις έγιναν σε προγράμματα για τις χημικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες του Si, ώστε να δημιουργηθεί ο εξοπλισμός που απαιτείται στα βήματα της επεξεργασίας για την απόκτηση της απαραίτητης καθαρότητας και της κρυσταλλικής δομής του υλικού. Η γνώση που προέκυψε έτσι για το πυρίτιο, τα χαρακτηριστικά του και η αφθονία του στη γη, το κατέστησαν ικανό και συμφέρον μέσο για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Εντούτοις, λόγω του ότι είναι εύθραυστο, το πυρίτιο απαιτεί τον σχηματισμό στοιχείων σχετικά μεγάλου πάχους. Αυτό σημαίνει ότι μερικά από τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται μετά την απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας πρέπει να ταξιδέψουν μεγάλες αποστάσεις για να ενταχθούν στην ροή του ρεύματος και να συνεισφέρουν στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Συνεπώς, το υλικό θα πρέπει να έχει υψηλή καθαρότητα και δομική τελειότητα, ώστε να αποτρέψει την επιστροφή των ηλεκτρονίων στις φυσικές τους θέσεις. Οι ατέλειες πρέπει να αποφευχθούν ώστε η ενέργεια του ηλεκτρονίου να μην μετατραπεί σε θερμότητα. Η παραγωγή θερμότητας, η οποία είναι επιθυμητή στα ηλιακά θερμικά πλαίσια, όπου αυτή η θερμότητα μεταφέρεται σε ένα ρευστό, είναι ανεπιθύμητη στα Φ/Β πλαίσια, όπου η ηλιακή ενέργεια θα πρέπει να μετατραπεί σε ηλεκτρική. Το πυρίτιο, ανάλογα με την επεξεργασία του, δίνει μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά ή άμορφα υλικά, από τα οποία παράγονται τα Φ/Β στοιχεία. Τα λεπτά υλικά είναι ένας τρόπος να μειωθεί το κόστος των Φ/Β πλαισίων και να αυξηθεί η απόδοσή τους. Εκτός από τη χρήση μικρότερης ποσότητας υλικού, ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι ολόκληρα πλαίσια μπορούν να κατασκευαστούν παράλληλα με τη διαδικασία απόθεσης. Αυτό είναι συμφέρον οικονομικά, αλλά 53

54 επίσης πολύ απαιτητικό τεχνικά, επειδή η επεξεργασία χωρίς ατέλειες αφορά μεγαλύτερη επιφάνεια. Στα πλεονεκτήματα των λεπτών πλαισίων τα οποία αναφέρθηκαν παραπάνω, θα πρέπει να αντιπαρατεθεί η χαμηλότερη ως τώρα απόδοσή τους, η οποία περιορίζεται στο 5-10%, ανάλογα με το υλικό. Πάντως η τεχνολογία λεπτού στρώματος (thin film) είναι σε φάση ανάπτυξης, αφού με διάφορες μεθόδους επεξεργασίας και χρήση διαφορετικών υλικών αναμένεται αύξηση της απόδοσης, σταθεροποίηση των χαρακτηριστικών τους και αύξηση της διείσδυσης στην αγορά. Σήμερα πάντως αποτελούν την πιο φθηνή επιλογή Φ/Β πλαισίων. Τρόπος λειτουργίας Το βασικό κοµµάτι ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος είναι το λεγόμενο φωτοβολταϊκό κύτταρο, που αποτελεί µία δίοδο (φωτοδίοδο) στην οποία παρατηρείται ροή ηλεκτρονίων όταν αυτή εκτεθεί στο φως. Όταν το φως χτυπήσει το κύτταρο, τότε τα φωτόνια απορροφούνται από τα ηλεκτρόνια του πυριτίου. Η ενέργεια των φωτονίων διεγείρει τα ηλεκτρόνια σε µία υψηλότερη ενεργειακή στάθµη οπότε αυτά κινούνται αφήνοντας πίσω τους µια οπή. Έτσι λοιπόν τα απορροφούµενα φωτόνια δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων οπών. Το ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια από τις οπές και η διαφορά δυναµικού κυµαίνεται μεταξύ Volt. Η ύπαρξη των ηλεκτρικών φορέων και της διαφοράς δυναµικού δημιουργούν ένα ρεύµα το οποίο μπορεί να διαρρέει ένα εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωµα. To φωτοβολταϊκό κύτταρο υπό σκότος δουλεύει σαν µία p-n επαφή ή πιο απλά σαν µια δίοδος. Εφόσον δεν παράγει ενέργεια (μηδενική τάση και ρεύµα) εξωτερικά φαίνεται σαν ένας δέκτης. Όταν το ηλιακό κύτταρο φωτιστεί παράγει ένα φωτόρευµα I L και το ρεύµα που δίνει στα άκρα του είναι: όπου I D είναι το ρεύμα διόδου. Η θεωρητική εξίσωση που περιγράφει τη λειτουργία του ηλιακού κυττάρου είναι η παρακάτω : ( ) όπου : : το ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου. : το φωτόρευµα. : το ρεύμα κόρου της διόδου. q: το φορτίο του ηλεκτρονίου. V: Η τάση στην έξοδο του κυττάρου. k : Η σταθερά Boltzmann (1.38 x J/K ). T: Η απόλυτη θερμοκρασία του κύτταρου. Από την εξίσωση αυτή προκύπτει τα ισοδύναμο κύκλωμα του ηλιακού κυττάρου καθώς επίσης και η χαρακτηριστική ρεύματος τάσης. 54

55 Σχήμα 2.6 Κυκλωματικό ισοδύναμο ηλιακού κυττάρου Για το παραπάνω σχήμα έχουμε: : Η σε σειρά αντίσταση του κυττάρου, που παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης του κυττάρου : Η παράλληλη αντίσταση του κυττάρου. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν στην επαφή p-n ή στην εξωτερική επιφανειακή διαρροή. Σχήμα 2.7 Χαρακτηριστική ρεύµατος τάσης ΦΒ κυττάρου Σε κάθε φωτοβολταϊκό κύτταρο αναφέραμε ότι αντιστοιχεί μία χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης όπου είναι η γραφική παράσταση του ρεύματος και της τάσης στη έξοδο του κυττάρου. Οι καθοριστικές παράμετροι για τα κύτταρα είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης η τάση ανοικτοκύκλωσης και οι, που δίνουν το σημείο μέγιστης ισχύος (, ). Για αυτό το ζεύγος τάσης ρεύματος το στοιχείο αποδίδει την μέγιστη ισχύ,επειδή όμως η ηλιακή ακτινοβολία δεν είναι σταθερή έτσι δεν έχει σταθερή τιμή η τάση εξόδου του. Πρακτικά απαιτούμε το στοιχείο να μην δίνει τυχαίες τιμές τάσης και ρεύματος αλλά να λειτουργεί πάντα στο λεγόμενο σημείο μέγιστης ισχύος MPP (Maximum Power Point). Για το λόγο αυτό έχουν σχεδιαστεί κατάλληλες διατάξεις που καλούνται ανιχνευτές σημείου μέγιστης ισχύος MPPT (Maximum Power Point Tracker) οι οποίες προσαρμόζουν κατάλληλα την αντίσταση φορτίου των φωτοβολταϊκών βελτιστοποιώντας έτσι την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ. Η φιλοσοφία με την οποία λειτουργούν αυτές οι διατάξεις είναι η παρακάτω: Παρακολουθούν συνεχώς τις τιμές και έντασης των φωτοβολταϊκών γεννητριών και προκαλούν ανά τακτά χρονικά διαστήματα μια διαταραχή της τάσης εξόδου που 55

56 αυτή παράγει. Εάν κατά την αύξηση αυτή παρατηρηθεί και αύξηση της παραγόμενης ισχύος από τη γεννήτρια, τότε συνεχίζεται η αύξηση μέχρις ότου ισορροπήσει το σύστημα σε ένα σημείο μέγιστης ισχύος. Φωτοβολταϊκή διάταξη Τα Φ/Β πλαίσια έχουν ως βασικό μέρος το ηλιακό κύτταρο (solar cell) που είναι ένας κατάλληλα επεξεργασμένος ημιαγωγός μικρού πάχους σε επίπεδη επιφάνεια. Η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργεί ηλεκτρική τάση και με την κατάλληλη σύνδεση σε φορτίο παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Τα Φ/Β κύτταρα ομαδοποιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή γεννήτριες (module), τυπικής ισχύος από 20W έως 300W. Οι Φ/Β γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά μεταξύ τους και δημιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (arrays). Σχήμα 2.8 Φωτοβολταϊκό πάρκο 3 ΜW στη θέση Δομβραινα Βοιωτίας 56

57 2.3.2 DC/DC Μετατροπέας Ο dc/dc μετατροπέας όταν υπάρχει είναι υπεύθυνος για την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος. Μπορεί να είναι είτε μετατροπέας ανύψωσης τάσης (boost converter) είτε υποβιβασμού τάσης (buck converter). Οι μετατροπείς αυτοί ρυθμίζουν την τάση στην έξοδο τους να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την τάση εισόδου τους αντίστοιχα, μέσω της έναυσης και της σβέσης ενός διακοπτικού στοιχείου. Σε ορισμένες εφαρμογές βέβαια χρησιμοποιούνται μικτοί dc/dc μετατροπείς. Μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης Σχήμα 2.9 DC/DC μετατροπέας υποβιβασμού τάσης Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται το βασικό κύκλωμα ενός dc/dc μετατροπέα υποβιβασμού τάσης (buck converter). Παρατηρούμε ότι αποτελείται από τα ίδια στοιχεία με έναν μετατροπέα ανύψωσης τάσης αλλά σε διαφορετική τοπολογία. Η λειτουργία του χωρίζεται σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση, το διακοπτικό στοιχείο άγει, οπότε ενέργεια μεταφέρεται απ ευθείας από την είσοδο στην έξοδο και συγχρόνως ένα τμήμα της αποθηκεύεται στην επαγωγή. Στο διάστημα αυτό η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη ενώ ο πυκνωτής φορτίζεται στην τιμή της τάσης εισόδου. Κατά την δεύτερη φάση το διακοπτικό στοιχείο δεν άγει και η επαγωγή τείνει να διατηρήσει το ρεύμα στην ίδια κατεύθυνση. Επομένως η διαφορά δυναμικού στα άκρα της επαγωγής αναστρέφεται και η δίοδος άγει, παρέχοντας έτσι στο πηνίο ένα δρόμο για την εκφόρτιση της ενέργειας του. Ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης χαρακτηρίζεται από δύο περιοχές λειτουργίας: α) Λειτουργίας συνεχούς αγωγής β) Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής 57

58 Κατά την λειτουργία συνεχούς αγωγής το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης δεν μηδενίζεται κατά τη διάρκεια που το διακοπτικό στοιχείο δεν άγει αλλά διαρρέεται από ρεύμα καθ όλη τη διάρκεια της περιόδου και ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις: Η τιμή της τάσης εξόδου μπορεί, πρακτικά να μεταβληθεί, μεταβάλλοντας το χρόνο αγωγής του διακοπτικού στοιχείου και διατηρώντας σταθερή τη διακοπτική περίοδο λειτουργίας, μεταβάλλοντας δηλαδή το λόγο κατάτμησης δ. Κατά τη λειτουργία ασυνεχούς αγωγής το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο εξομάλυνσης είναι ασυνεχές, δηλαδή μηδενίζεται για κάποιο χρονικό διάστημα όταν το διακοπτικό στοιχείο είναι σε κατάσταση αποκοπής και ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις Τα πλεονεκτήματα της λειτουργίας του μετατροπέα στην ασυνεχή αγωγή είναι ότι δεν χρειάζομαι τόσο μεγάλο πηνίο εξομάλυνσης ώστε να αποθηκεύει αρκετή ενέργεια για να διατηρεί το ρεύμα του. Ακόμα, δεν χρειάζονται απαραίτητα υψηλές συχνότητες για να διατηρούνται σταθερά τα ρεύματα του κυκλώματος (, όπου δηλ. εξαρτάται από τη συχνότητα και την τιμή του πηνίου. Ισχύει οπότε αν διατηρήσουμε την τιμή του πηνίου από τη συνεχή αγωγή δεν χρειαζόμαστε τόσο μεγάλες συχνότητες λειτουργίας για να μην αλλάξουν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κυκλώματος). Οι υψηλές συχνότητες οδηγούν σε ταλαντώσεις και σε απώλειες στα διακοπτικά στοιχεία. Δεν πρέπει όμως να μειωθεί πολύ η συχνότητα, διαφορετικά θα εμφανιστεί έντονη κυμάτωση στην τάση εξόδου. Η λειτουργία με συνεχή αγωγή όμως έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σταθερή πηγή τάσης αφού για οποιοδήποτε ρεύμα στην έξοδο έχουμε σταθερή τάση Τριφασικός Αντιστροφέας (Inverter) Το κύκλωμα του βασικού τριφασικού αντιστροφέα με τροφοδοσία συνεχούς τάσης παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα

59 Σχήμα 2.10 Τριφασικός Αντιστροφέας ΣΡ/ΕΡ Σχήμα 2.11 Λειτουργία τετραγωνικού παλμού 59

60 Όπως φαίνεται και από το σχήμα 2.11, η λειτουργία του αντιστροφέα για ένα κύκλο τάσης εξόδου μπορεί να διαιρεθεί σε έξι διαστήματα. Στα διαστήματα αυτά, για να επιτευχθούν οι τάσεις εξόδου του θέλουμε, οι διακόπτες του κυκλώματος πρέπει να άγουν με την ακόλουθη σειρά. I 1, 5, 6 II 1, 2, 6 III 1, 2, 3 IV 2, 4, 3 V 5, 4, 3 VI 5, 4, 6 Επομένως στην περίπτωση αυτή, για κάθε διάστημα λειτουργίας, άγουν πάντοτε τρεις διακόπτες από τους οποίους οι δύο είναι από τους επάνω διακόπτες και ο ένας από τους κάτω ή αντίστροφα. Ο αντιστροφέας αυτός αποτελείται από τρεις αντιστροφείς ημιγέφυρας, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι παράλληλα και έχουν την ίδια κυματομορφή τάσης εξόδου σε σχέση με το ουδέτερο υποθετικό σημείο 0 με μια μετατόπιση 120 ο μεταξύ τους. Επομένως για τον αντιστροφέα αυτόν ισχύουν οι σχέσεις: Έλεγχος ημιγέφυρας με διαμόρφωση εύρους παλμών(pwm) Η τάση εξόδου ενός αντιστροφέα μπορεί να ελέγχεται ώστε να παραμένει σταθερή με τη χρήση κατάλληλης διάταξης ελέγχου που υπάρχει τοποθετημένη στο εσωτερικό του ίδιου του αντιστροφέα και χωρίς να απαιτείται εξωτερικό κύκλωμα ελέγχου. Η πιο αποτελεσματική μέθοδος για να συμβεί αυτό είναι η μέθοδος διαμόρφωσης εύρους παλμών. Με το σύστημα αυτό ο αντιστροφέας τροφοδοτείται από μια σταθερή τάση εισόδου και ο έλεγχος της τάσης εξόδου επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση των χρονικών περιόδων αγωγής και σβέσης των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Τα πλεονεκτήματα του ελέγχου διαμόρφωσης εύρους παλμού είναι: α)ο έλεγχος της τάσης εξόδου μπορεί να επιτυγχάνεται χωρίς την προσθήκη κάποιου εξωτερικού στοιχείου. β)ο έλεγχος PWM ελαχιστοποιεί τις αρμονικές χαμηλότερης τάξης, ενώ οι αρμονικές υψηλότερης τάξης ελαχιστοποιούνται χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο. Το μειονέκτημα που υπάρχει στο σύστημα αυτό είναι το κόστος του που οφείλεται στο ότι τα διακοπτικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στον αντιστροφέα στοιχίζουν ακριβά αφού οι χρόνοι έναυσης και σβέσης πρέπει να είναι μικροί, ανεξάρτητα με το ότι οι αντιστροφείς με διαμόρφωση PWM είναι πολύ διαδεδομένοι. Οι τεχνικές για τη διαμόρφωση PWM χαρακτηρίζονται από παλμούς σταθερού πλάτους και με διαφορετική χρονική διάρκεια. 60

61 Τα τρία σήματα που συμμετέχουν στη διαμόρφωση PWM είναι το αναλογικό, το τριγωνικό και οι διαμορφωμένοι σε εύρος παλμοί. Τo αναλογικό σήμα συγκρίνεται σε ένα κατάλληλο κύκλωμα με μία τριγωνική κυματομορφή. Η αποστολή του διαμορφωτή εύρους παλμών είναι να μεταφράζει την κυματομορφή διαμόρφωσης μεταβλητού πλάτους και συχνότητας σε μια αλληλουχία παλμών έναυσης για το μετατροπέα. Σε έναν κλασικό διαμορφωτή εύρους παλμών, τα σημεία στα οποία διασταυρώνεται η ημιτονοειδείς κυματομορφή διαμόρφωσης με το τριγωνικής μορφής φέρον σήμα καθορίζουν τα σημεία μεταγωγής της αλληλουχίας παλμών. Σχήμα 2.12 Τα σήματα που μετέχουν στη διαμόρφωση PWM Στο σχήμα 2.12 φαίνονται τα τρία σήματα που συμμετέχουν στη διαμόρφωση PWM. Είναι το αναλογικό (ημίτονο) και το τριγωνικό στο επάνω μέρος και οι διαμορφωμένοι σε εύρος παλμοί στο κάτω μέρος. Για ευκολία, ένα αντίγραφο του τριγωνικού σήματος έχει υπερτεθεί στο αναλογικό. Ας σημειωθεί ότι το τριγωνικό σήμα πρέπει να είναι πολύ υψηλότερης συχνότητας του αναλογικού και ότι στο σχήμα για τεχνικούς λόγους αυτό δεν είναι δυνατό να γίνει. Η πληροφορία της περιοδικότητας του ημίτονου, πάντως διατηρείται σχετικά ευκρινώς. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης φαίνεται στη δεύτερη κυματομορφή. Αυτή είναι μία 61

62 διαδοχή παλμών σταθερής τάσης, των οποίων το εύρος μεταβάλλεται ανάλογα με το χρόνο κατά τον οποίο το αναλογικό σήμα ήταν υψηλότερο. Στο υβριδικό δίκτυο που τροφοδοτεί το φορτίο, οι δύο σύγχρονες μηχανές συνδέονται παράλληλα μεταξύ τους αλλά και με τον αντιστροφέα που συνδέεται μέσω της αυτεπαγωγής διασύνδεσης. Ο αντιστροφέας συγχρονίζεται με το υπόλοιπο δίκτυο όσον αφορά τη συχνότητα αλλά και το πλάτος της τάσης στην έξοδό του διαμέσου κατάλληλου κυκλώματος ελέγχου των διακοπτικών του στοιχείων. Αυτό σημαίνει ότι παρακολουθεί τις αυξομειώσεις του πλάτους και της συχνότητας της τάσης του δικτύου που οφείλονται στα διάφορα μεταβατικά φαινόμενα. Η λειτουργία του αντιστροφέα ως ελεγκτή ροής ισχύος μπορεί να περιγραφεί συνοπτικά ως εξής: Ελέγχοντας τη φάση και το πλάτος της τάσης του αντιστροφέα σε σχέση με τη φάση και το πλάτος της τάσης του δικτύου μπορεί να ελεγχθεί η ροή ισχύος από ή προς το υπόλοιπο δίκτυο. Πιο συγκεκριμένα με τον έλεγχο της φάσης ρυθμίζεται η ροή της ενεργού ισχύος ενώ με τον έλεγχο της τάσης ρυθμίζεται η ροή της άεργου ισχύος. 2.4 Ανεμογεννήτρια Γενικά κυκλοφορούν πολλοί τύποι ανεμογεννητριών στην αγορά αλλά ανεξαρτήτως τύπου όλες αποτελούνται από τα παρακάτω βασικά στοιχεία : Τον πύργο Τον έλικα ή φτερωτή Το μηχανισµό περιστροφής και προσανατολισμού Το μηχανικό φρένο Τη γεννήτρια Τους αισθητήρες ελέγχου της ταχύτητας Σχήμα 2.13 Βασικά δομικά στοιχεία ΑΓ οριζόντιου άξονα 62

63 Σχήμα 2.14 Άτρακτος μιας ΑΓ 600kW Ο πύργος στήριξης της ανεμογεννήτριας είναι ένας μεταλλικός δικτυωτός πύργος με ύψος που ποικίλει ανάλογα με το μέγεθος της κατασκευής και την εφαρμογή. Το σύστημα μετατροπής στροφών προσαρμόζει τις στροφές του ρότορα σύμφωνα με τις απαιτήσεις της γεννήτριας η οποία είναι συνήθως μία επαγωγική (ασύγχρονη) ή σύγχρονη μηχανή.οι ασύγχρονες μηχανές χρησιμοποιούνται σε περιοχές οπού η ταχύτητα ανέμου είναι σχετικά σταθερή. Απαραίτητα για την ομαλή λειτουργία του συστήματος είναι τα συστήματα ελέγχου. Το σύστημα προσανατολισμού της έλικας εξασφαλίζει ότι το επίπεδο του δρομέα θα είναι συνεχώς κάθετο στην διεύθυνση της ταχύτητας του ανέμου και προσανατολίζει την έλικα όταν αυτό αλλάζει. Το 63

64 σύστημα ελέγχου από την άλλη μεριά διατηρεί την ταχύτητα περιστροφής μέσα στα απαιτούμενα όρια ανοχής ώστε να προστατεύει το σύστημα από τυχόν ανάπτυξη υπερβολικών ταχυτήτων που μπορεί να δημιουργήσουν βλάβες. Παρακάτω δεν θα αναφερθούμε στην γεννήτρια μιας και είναι μια σύγχρονη μηχανή και έχει αναλυθεί διεξοδικά στην ενότητα Χαρακτηριστικά ανεμογεννητριών Με τη χρήση ανεμογεννητριών η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια για την ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών ενός συνόλου καταναλωτών. Η ηλεκτρική ενέργεια που προκύπτει από τη μετατροπή της αεροδυναμικής ισχύος του αέρα υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση: όπου τα μεγέθη που την αποτελούν είναι : n Μ : ο συντελεστής απόδοσης του μηχανικού συστήματος, με τυπικές τιμές n Ε : ο βαθμός απόδοσης της ηλεκτρομηχανικής μετατροπής, με τυπική τιμή περίπου 0.9 ρ : η πυκνότητα του αέρα, περίπου 1.3 Kg/m3 C p : ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος A: Η επιφάνεια που καλύπτουν τα πτερύγια, δίσκος ακτίνας R οπότε Α = πr 2 υ: η ταχύτητα του ανέμου (m/s) O συντελεστής C p είναι συνάρτηση δύο μεγεθών, του λ και του β, όπου λ είναι η ταχύτητα των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου και προκύπτει από τη σχέση όπου ω η ταχύτητα περιστροφής και R το μήκος του πτερυγίου Πρακτικά οι τιμές του συντελεστή C p είναι περί τα λόγω μηχανικών τριβών, αεροδυναμικών απωλειών και στροβίλων. Η ακριβής τιμή του εξαρτάται από τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες της ανεμογεννήτριας καθώς και από τις συνθήκες λειτουργίας.για μεσαίες ή μεγάλες ανεμογεννήτριες (διάμετρος πάνω από 20 m ) ο συντελεστής C p έχει τιμές κοντά στο 0.4 ενώ για μικρότερου μεγέθους μηχανές είναι πιο μικρός. Οι τιμές του βαθμού απόδοσης για περιστρεφόμενες με πτερύγια ή οριζόντιου άξονα είναι 30 % ενώ για μεγάλης ταχύτητας ή κατακόρυφου άξονα είναι 40 %. Ο συντελεστής β είναι η ελεγχόμενη γωνία κλίσης των πτερυγίων και λαμβάνεται υπόψη στους υπολογισμούς όταν θεωρούμε ανεμογεννήτριες με πτερύγια μεταβλητού βήματος. Η ταχύτητα του ανέμου μεταβάλλεται με το ύψος από το έδαφος σύμφωνα με τη λογαριθμική σχέση : όπου είναι το ύψος, το ύψος τυρβώδους ροής και το ύψος των τοπικών εμποδίων. 64

65 Τύποι ανεμογεννητριών Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε : Οριζόντιου άξονα, στους οποίους ο άξονας περιστροφής του δρομέα είναι παράλληλος προς την κατεύθυνση του ανέμου (υπάρχουν και οι οριζόντιου άξονα cross-wind στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος στην επιφάνεια της γης αλλά κάθετος στην διεύθυνση ροής του ανέμου). Κάθετου άξονα, της οποίους ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στην επιφάνεια της γης και κάθετος στη ροή του ανέμου. Υπάρχει επιπλέον διαχωρισμός των ανεμογεννητριών ανά κατηγορία. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα διαχωρίζονται με βάση τον αριθμό πτερυγίων, τη φορά των πτερυγίων σε σχέση με τη φορά του ανέμου κλπ. Έτσι όσον αφορά την πρώτη κατηγορία διακρίνονται στους μονόπτερους,δίπτερους και πολύπτερους. Όσον αφορά τον προσανατολισμό των πτερυγίων διακρίνονται σε ανάντι και κατάντι. 2.5 Γραμμή Μεταφοράς Το ιδανικό θα ήταν να προσομοιωθεί η γραμμή μεταφοράς με άπειρα επαναλαμβανόμενα τμήματα. Για να υπολογιστεί όμως το μοντέλο θα πρέπει να καθοριστεί το πλήθος τους για το οποίο μια καλή προσέγγιση δίνεται από την παρακάτω σχέση: όπου: f max :το μέγιστο φάσμα συχνοτήτων. Ν :ο αριθμός των τμημάτων. υ :η ταχύτητα διάδοσης. l :το μήκος της γραμμής. Το ισοδύναμο κύκλωμα μιας τριφασικής γραμμής μεταφοράς μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από τρία κυκλώματα μονοφασικών γραμμών μεταφοράς, ένα για κάθε φάση. Σε μια γραμμή μεταφοράς, η ωμική αντίσταση, η επαγωγή και η χωρητικότητα διανέμονται ομοιόμορφα κατά μήκος της γραμμής. Ένα μοντέλο που προσεγγίζει τα χαρακτηριστικά της, μπορεί να θεωρηθεί αυτό που αποτελείται από παράλληλα συνδεδεμένα επαναλαμβανόμενα τμήματα που εμφανίζουν μια στοιχειώδη ωμική αντίσταση, επαγωγή και χωρητικότητα. Οι εξισώσεις που περιγράφουν πλήρως τη συμπεριφορά των γραμμών μεταφοράς είναι: 65

66 όπου: : το μήκος της γραμμής : η σταθερά διάδοσης, έχει διάσταση m -1 και ορίζεται ως με : εν σειρά σύνθετη αντίσταση της γραμμής ανά μονάδα μήκους και ανά φάση, : εγκάρσια αγωγιμότητα της γραμμής ανά μονάδα μήκους και ανά φάση. : η χαρακτηριστική αντίσταση, έχει διαστάσεις Ω και ορίζεται ως, : οριακές συνθήκες που ισχύουν στο άκρο άφιξης της γραμμής. Οι εξισώσεις αυτές μπορούν να γραφτούν υπό τη γενική μορφή των εξισώσεων δίθυρων δικτύων Αν θέσουμε Οι σταθερές A,B,C και D ονομάζονται γενικευμένες σταθερές της γραμμής και είναι εν γένει μιγαδικοί αριθμοί. Όταν όμως, αναλύουμε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας όπου υπάρχουν διασυνδέσεις γραμμών με άλλα στοιχεία, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιούμε για τις γραμμές ισοδύναμα κυκλώματα που να παριστάνουν τη συμπεριφορά τους έτσι όπως γίνεται αντιληπτή από τους τερματικούς ζυγούς. Έτσι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα π-ισοδύναμο κύκλωμα με συγκεντρωμένες παραμέτρους σαν αυτό που φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.15 π-ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεταφοράς 66

67 Για να έχει το κύκλωμα τις ίδιες σταθερές A,B,C,D πρέπει να ισχύει : ( ) Από το ισοδύναμο κύκλωμα προκύπτει : ( ) ( ) ( ) ( ) Αν θέλουμε να τις γράψουμε υπό τη μορφή των εξισώσεων δίθυρων δικτύων θα ισχύει: Εξισώνοντας τις σταθερές B των δύο εξισώσεων έχουμε: Όπου είναι η συνολική εν σειρά σύνθετη αντίσταση της γραμμής. Εξισώνοντας τις σταθερές Α των εξισώσεων προκύπτει: ( ) όπου είναι η συνολική εγκάρσια σύνθετη αγωγιμότητα της γραμμής. 2.6 Μετασχηματιστής Ισχύος Ανάλογα με τη λειτουργία τους, οι μετασχηματιστές ισχύος διακρίνονται σε τρείς κατηγορίες: Μετασχηματιστές γεννήτριας, που χρησιμοποιούνται για την ανύψωση της τάσης από το επίπεδο της γεννήτριας στο επίπεδο μεταφοράς. Μετασχηματιστές μεταφοράς, που χρησιμοποιούνται για το μετασχηματισμό της ισχύος μεταξύ των διαφόρων επιπέδων τάσης του συστήματος μεταφοράς. Μετασχηματιστές διανομής, που χρησιμοποιούνται για τον υποβιβασμό της τάσης στα χαμηλά επίπεδα τάσης που ζητούνται από τους καταναλωτές. Τα μεγέθη των μετασχηματιστών ισχύος ποικίλουν. Οι ονομαστικές τιμές των μετασχηματιστών διανομής είναι της τάξης των μερικών kva, ενώ των 67

68 μετασχηματιστών γεννήτριας και μεταφοράς εκτείνονται από μερικές δεκάδες MVA μέχρι και πάνω από 100 MVA.Κατά την λειτουργιά των μετασχηματιστών εκλύεται θερμότητα, που οφείλεται στις απώλειες του πυρήνα αλλά και στις ωμικές απώλειες των τυλιγμάτων. Για την ψύξη τους χρησιμοποιείται συνήθως το λάδι. Ο πυρήνας του μετασχηματιστή τοποθετείται μέσα σε δοχείο γεμάτο με λάδι, το οποίο δρα ως ψυκτικό αλλά και ως μονωτικό για τα τυλίγματα του. Για την απαγωγή θερμότητας απαιτείται καλή κυκλοφορία του ψυκτικού μέσου, η οποία γίνεται είτε με φυσική ροή είτε για μεγάλες μονάδες εξαναγκασμένα με αντλίες. Η απαγωγή της θερμότητας από το λάδι γίνεται με ανεμιστήρες στο εξωτερικό του μετασχηματιστή. Μονοφασικός μετασχηματιστής Μια σχηματική αναπαράσταση ενός μονοφασικού μετασχηματιστή φαίνεται παρακάτω Σχήμα 2.16 Σχηματική αναπαράσταση μονοφασικού μετασχηματιστή Όταν το ρεύμα δρα μόνο του παράγει μαγνητική ροή που αποτελείται από τη συνιστώσα αμοιβαίας ροής και από τη συνιστώσα ροής σκέδασης, άρα ισχύει: Ομοίως, όταν το ρεύμα δρα μόνο του παράγει μαγνητική ροή που έχει επίσης δύο συνιστώσες, τη συνιστώσα αμοιβαίας ροής και τη συνιστώσα ροής σκέδασης,επομένως Η συνολική ροή εντός του πυρήνα είναι οπότε η συνολική ροή που εμπλέκει τα τυλίγματα 1 και 2 είναι και Αν θεωρήσουμε ότι οι ροές σκέδασης και είναι ισοδύναμες ροές που εμπλέκουν το σύνολο των σπειρών των αντίστοιχων τυλιγμάτων, τότε οι πεπλεγμένες ροές των δύο τυλιγμάτων είναι 68

69 Οι τερματικές εξισώσεις τάσης, συνεπώς, γράφονται όπου, οι αντιστάσεις των δύο τυλιγμάτων. Η συνολική μαγνητεγερτική δύναμη F που απαιτείται για παραχθεί η ροή του πυρήνα είναι, όπου η μαγνητική αγωγιμότητα του πυρήνα. Τριφασικοί μετασχηματιστές Παρακάτω φαίνονται οι σχηματικές παραστάσεις των τεσσάρων διαφορετικών τρόπων συνδέσεως των τυλιγμάτων των τριφασικών μετασχηματιστών ισχύος. Σχήμα 2.17 Συνδεσμολογίες τριφασικών μετασχηματιστών Για τη Δ-Υ συνδεσμολογία έχουμε ( ) Αντίστοιχες σχέσεις ισχύουν και για τις φάσεις b και c. Οι τάσεις πρωτεύοντοςδευτερεύοντος σε κάθε φάση της ισοδύναμης Υ-Υ συνδεσμολογίας σχετίζονται με το λόγο 69

70 όπου ο λόγος σπειρών μεταξύ των συζευγμένων τυλιγμάτων του τριφασικού μετασχηματιστή. Για τα ρεύματα ισχύει η σχέση Αντίστοιχες σχέσεις ισχύουν και για τις φάσεις b και c. Τα ρεύματα πρωτεύοντος δευτερεύοντος σε κάθε φάση της ισοδύναμης Υ-Υ συνδεσμολογίας σχετίζονται ως εξής Οι λόγοι των φασικών τάσεων πρωτεύοντος-δευτερεύοντος,, για τις τέσσερις δυνατές συνδεσμολογίες συνοψίζονται παρακάτω: Πίνακας 2.1 Λόγος φασικών τάσεων,t,ισοδύναμων Y-Y συνδεσμολογιών Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συνδέσεων Η σύνδεση ΑΣΤΕΡΑ έχει τα εξής πλεονεκτήματα: Ο κόμβος του Μ/Τ χρησιμοποιείται ως ουδέτερος και έτσι έχουμε τριφασικό σύστημα με 4 αγωγούς Έχουμε 2 τάσεις πολική και φασική. Η διατομή του σύρματος είναι μεγάλη και ο αριθμός σπειρών μικρός, το μονωτικό λιγότερο. Απλούστερη σύνδεση ανά φάση για παράλληλο λειτουργία. 70

71 Υπάρχουν αρμονικές 3ης τάξης. Και τα εξής μειονεκτήματα: Η δυσκολία κατασκευής των πυρήνων και ότι τα πηνία στοιχίζουν ακριβότερα. Η σύνδεση ΤΡΙΓΩΝΟΥ έχει τα εξής πλεονεκτήματα: Οικονομικά τα τυλίγματα σε μεγάλα ρεύματα Χ. Τ. Οι αρμονικές 3ης τάξεως δεν υπάρχουν, κυκλοφορούν μέσα στο τρίγωνο. Και τα εξής μειονεκτήματα: Το τύλιγμα μιας φάσης χρειάζεται περισσότερες σπείρες από ότι στον Υ Η διατομή του σύρματος είναι μικρότερη 71

72 Κεφάλαιο 3 ο : Μοντελοποίηση Συστήματος 3.1 Το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC Το PSCAD (Power System Computer Aid Design) / Electromagnetic Transient and DC) αποτελείται από ένα σύνολο προγραμμάτων τα οποία επιτρέπουν την αποδοτική προσομοίωση μιας ευρείας ποικιλίας δικτύων του συστήματος ισχύος. To EMTDC (Electromagnetic Transient and DC) αν και έχει αναπτυχθεί με βάση τη μέθοδο EMTP, εισήγαγε μια σειρά από τροποποιήσεις, έτσι ώστε οι ασυνέχειες μεταγωγής να μπορούν να επιλυθούν με ακρίβεια και γρηγοράδα, το κύριο κίνητρο είναι η προσομοίωση των HVDC συστημάτων.το PSCAD είναι μια γραφική Unixbased εφαρμογή χρήστη για το EMTDC.Το PSCAD αποτελείται από λογισμικό που επιτρέπει στο χρήστη να εισάγει ένα κύκλωμα γραφικά, τη δημιουργία νέων προσαρμοσμένων στοιχείων, να λύσει προβλήματα παραμέτρων γραμμών μεταφοράς και καλωδίων, αλληλεπιδρά με ένα EMTDC σύστημα προσομοίωσης, ενώ βρίσκεται σε εξέλιξη και τέλος επιτρέπει την επεξεργασία των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Ειδικότερα το PSCAD έχει μια κεντρική βιβλιοθήκη ονόματι master η οποία περιέχει τα περισσότερα στοιχεία που χρειαζόμαστε, αλλά επίσης σου επιτρέπει την φόρτωση και άλλων βιβλιοθηκών οι οποίες μπορούν να δημιουργηθούν από τον χρήστη. Συγκεκριμένα σε αυτή την εργασία έχει φορτωθεί η βιβλιοθήκη ονόματι PvmodV2 η οποία περιέχει κάποια βασικά μοντέλα για την φωτοβολταϊκή συστοιχία. Η βιβλιοθήκες PvmodV2 και master παρουσιάζονται στα παρακάτω σχήματα 3.1 και 3.2 αντίστοιχα. Σχήμα 3.1 Περιεχόμενα βιβλιοθήκης PvmodV2 72

73 Σχήμα 3.2 Βιβλιοθήκη master Αρχικά φτιάχνουμε μια καινούργια εργασία ακολουθώντας τις παρακάτω εντολές, File -> New -> Case, και έπειτα από τις βιβλιοθήκες επιλέγουμε τα στοιχεία που θέλουμε και τα μεταφέρουμε με τον τρόπο της αντιγραφής-επικόλλησης στο παράθυρο σχεδίασης. 3.2 Μοντέλο Συστήματος Το σύστημα αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, μία ανεμογεννήτρια και μία γεννήτρια diesel τα οποία είναι συνδεδεμένα σε ζυγό χαμηλής τάσης 400V και τροφοδοτούν το φορτίο του δικτύου. Οι ονομαστικές τιμές ισχύος των παραπάνω στοιχείων φαίνεται παρακάτω: Πίνακας 3.1 Ονομαστικές τιμές ισχύος στοιχείων προσομοίωσης Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Ανεμογεννήτρια Γεννήτρια Diesel Φορτίο 1MW 2MW 2MW 2,55MW/0,6MVar 73

74 Αρχικά σχεδιάζουμε τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, την ανεμογεννήτρια και την γεννήτρια diesel.όμως για οικονομία χώρου αλλά και καλύτερη διάταξη του μοντέλου δημιουργούμε υπομοντέλα και σχεδιάζουμε εκεί μέσα τα προαναφερθέντα στοιχεία. Τα βασικά αυτά υπομοντέλα του συστήματος τα δημιουργούμε σε ξεχωριστές σελίδες-συνιστώσες χρησιμοποιώντας την εντολή Create New Component η οποία παρουσιάζεται αν κάνουμε δεξί κλίκ στην καινούργια σελίδα. Κατά την δημιουργία αυτού του καινούργιου στοιχείου υπάρχουν διάφορες επιλογές όπως για το πώς θα ονομαστεί αυτή η καινούργια συνιστώσα, το πλήθος και τον τύπο (ηλεκτρική σύνδεση κ.α.) των εισόδων και εξόδων της. Στην εργασία θα ονομαστούν: Photovoltaic_array, Wind_Generator, Diesel_Generator Πέρα από τα προηγούμενα στοιχεία έχουμε και τα παθητικά στοιχεία( όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία) τα οποία μπορούμε να εισάγουμε από την βιβλιοθήκη master και πιο συγκεκριμένα από την ομάδα PASSIVE ELEMENTS. Στην ίδια ομάδα ανήκει και το φορτίο που θα χρησιμοποιήσουμε. Άλλες ομάδες από την βιβλιοθήκη που θα χρησιμοποιήσουμε είναι οι I/O DEVICES, BREAKERS & FAULTS, HVDC, FACTS & POWER ELECTRONICS, TRANSFORMERS, MACHINES, CSMF, SEQUENCERS, PI SECTIONS. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στην ομάδα METERS από μπορούμε να επιλέξουμε τα διάφορες μετρητικές διατάξεις που θα χρησιμοποιηθούν κατά κόρων. Αφού εισάγουμε τις μετρητικές διατάξεις διαλέγουμε ποια μεγέθη θα μετρούν και τα ονομάζουμε όπως εμείς θέλουμε. Συνήθως χρησιμοποιούμε κάτι αντιπροσωπευτικό για την ονομασία τους. Στην συνέχεια εισάγουμε ένα σήμα από την εργαλειοθήκη,που βρίσκετε δεξιά στο περιβάλλον εργασίας, και το συνδέουμε με ένα κανάλι εξόδου. Έπειτα με δεξί κλικ διαλέγουμε την επιλογή Input/Output Reference --> Add Overlay Graph with Signal και έτσι έχουμε την αυτόματη απεικόνιση του σήματος συναρτήσει του χρόνου. Τέλος με δεξί κλικ στο φύλλο εργασίας και διαλέγοντας την επιλογή Project Settings μπορούμε να διαλέξουμε το χρονικό διάστημα για το οποίο θα προσομοιώσουμε το μοντέλο μας και το μέγεθος του χρονικού βήματος. Το μοντέλο με τα υπομοντέλα και τα άλλα του στοιχεία φαίνεται παρακάτω: 74

75 Σχήμα 3.3 Μοντέλο υβριδικού συστήματος κατανεμημένης παραγωγής στο PSCAD/EMTDC 3.3 Υπομοντέλο Γεννήτριας Diesel Το υπομοντέλο της γεννήτριας diesel αποτελείται από την σύγχρονη μηχανή σε λειτουργία γεννήτριας και από την μηχανή εσωτερικής καύσης diesel.η σχηματική της αναπαράσταση στο πρόγραμμα φαίνεται στο Σχήμα 3.4. Τα μοντέλα της σύγχρονης μηχανής και της μηχανής εσωτερικής καύσης τα επιλέξαμε από την βιβλιοθήκη master και συγκεκριμένα από τον φάκελο MACHINES. Το πρόγραμμα σου δίνει την επιλογή να διαλέξεις τα διάφορα χαρακτηριστικά των μηχανών όπως το ονομαστικό ρεύμα, την ονομαστική τάση, την ονομαστική συχνότητα, τις διάφορες αντιστάσεις καθώς και άλλα πολλά. Οι επιλογές που έγιναν για την σύγχρονη μηχανή φαίνονται στο Σχήμα 3.5. Για μηχανή εσωτερικής καύσης diesel επιλέξαμε ισχύ 2MW, αριθμό κυλίνδρων 12 και αριθμό κύκλων 4. Τέλος μπορούμε να δούμε ότι έχουμε φτιάξει ένα μηχανισμό ρύθμισης της τροφοδοσίας καυσίμου στην μηχανή diesel για να παρέχει την κατάλληλη ροπή στην σύγχρονη γεννήτρια για να διατηρεί σταθερό των αριθμό στροφών της και να παρέχει την κατάλληλη ισχύ. Επίσης υπάρχει και ένας μηχανισμός για την ρύθμιση του ρεύματος διέγερσης στον δρομέα της σύγχρονης μηχανής. 75

76 Σχήμα 3.4 Μοντέλο γεννήτριας diesel Σχήμα 3.5 Βασικά χαρακτηριστικά σύγχρονης γεννήτριας 3.4 Υπομοντέλο Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Το μοντέλο της φωτοβολταϊκής γεννήτριας αποτελείται από τα φωτοβολταϊκά πάνελ με τις παραμέτρους εισόδου τους, δηλαδή την θερμοκρασία κυττάρου T c και την ενέργεια ακτινοβολίας ανά τετραγωνικό μέτρο Radiation, έναν πυκνωτή στην έξοδο των φωτοβολταϊκών πάνελ, την διάταξη υποβιβασμού συνεχούς τάσης και ελεγκτή σημείου μέγιστος ισχύος, τον αντιστροφέα PWM που μετατρέπει την συνεχή τάση σε τριφασική και τέλος το φίλτρο εξομάλυνσης και μια αυτεπαγωγή διασύνδεσης 0.2 mh. Το μοντέλο παρουσιάζεται στο σχήμα

77 Σχήμα 3.6 Μοντέλο φωτοβολταϊκής συστοιχίας Αναλυτικότερα τα φωτοβολταϊκά πάνελ αποτελούνται 4 παράλληλους κλάδους των 108 κυττάρων συνδεδεμένα σε σειρά. Το κάθε φωτοβολταϊκό πάνελ είναι ισχύος 500Watt σε ονοματικές συνθήκες λειτουργίας. Στο σύνολο έχουμε 110 κλάδους, των 20 συνδεδεμένων σε σειρά φωτοβολταϊκών πάνελ, συνδεδεμένους παράλληλα. Δηλαδή έχουμε 2200 πάνελ συνδεδεμένα. Ο κάθε κλάδος φωτοβολταϊκών πάνελ έχει τάση στα άκρα του 1kV και παρέχει ρεύμα 10A στα άκρα του. Αποτέλεσμα είναι η συνδεσμολογία των πάνελ να παρέχει ρεύμα 1.1kA υπό τάση 1kV με αποτέλεσμα η ισχύς του να είναι 1.1MW.Ωστόσο ολόκληρη η φωτοβολταϊκή συστοιχία έχει ένα συντελεστή απόδοσης περίπου 0.91 με αποτέλεσμα η παρεχόμενη στο δίκτυο ισχύς να είναι της τάξης του 1MW. Τα χαρακτηριστικά του κάθε φωτοβολταϊκού κυττάρου φαίνονται παρακάτω στο σχήμα 3.7. Σχήμα 3.7 Χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκού κυττάρου 77

78 Στην συνέχεια παρουσιάζεται η διάταξη υποβιβασμού συνεχούς τάσης και ελεγκτή σημείου μέγιστης ισχύος στο σχήμα 3.8. Σχήμα 3.8 Διάταξη υποβιβασμού συνεχής τάσης και ελεγκτή σημείου μέγιστης ισχύος Ενώ στο σχήμα 3.9 παρουσιάζεται η μια απλή διάταξη ρύθμισης της ενεργού και άεργου ισχύος για τον έλεγχο του αντιστροφέα, καθώς και η διάταξη ελέγχου του αντιστροφέα με την μέθοδο ελέγχου ημιγέφυρας με διαμόρφωση εύρους παλμών PWM. Ο αντιστροφέας αποτελείται από IGBT και διόδους( μπορούμε να επιλέξουμε τα χαρακτηριστικά τους όπως αντίσταση αγωγής, αντίσταση αποκοπής, πτώσεις τάσεις κ.α.) που μπορούμε να επιλέξουμε από τον φάκελο HVDC&FACTS στην βιβλιοθήκη main. Σχήμα 3.9 Διατάξεις ελέγχου αντιστροφέα 78

79 3.5 Υπομοντέλο Ανεμογεννήτριας Το υπομοντέλο της ανεμογεννήτριας αποτελείται από το αιολικό σύστημα που περιέχει τον ανεμοκινητήρα, ο οποίος παρέχει ροπή στην σύγχρονη γεννήτρια, και φαίνεται στο σχήμα Ως είσοδο του ανεμοκινητήρα έχουμε την ταχύτητα αέρα η οποία θεωρείται σταθερή και ίση με 10m/s.Τόσο ο ανεμοκινητήρας όσο και η σύγχρονη μηχανή επιλέχθηκαν από τον φάκελο MACHINES της βιβλιοθήκης main. Ο ανεμοκινητήρας είναι ισχύος 2MVA με ταχύτητα περιστροφής τα 16,6667Hz, τα πτερύγια του έχουν μήκος 40m, η επιφάνεια που καλύπτουν τα πτερύγια είναι 5026 m 2 και η πυκνότητα του αέρα θεωρείται 1,229. Όλα αυτά φαίνονται στο σχήμα Υπάρχει ακόμα ένα σύστημα ελέγχου ώστε να διατηρείται σταθερή η ταχύτητα περιστροφής του ανεμοκινητήρα και συνεπώς της σύγχρονης γεννήτριας. Τέλος υπάρχει και ένα απλό σύστημα σταθεροποίησης του ηλεκτρικού ρεύματος διέγερσης στο δρομέα της σύγχρονης μηχανής. Σχήμα 3.10 Μοντέλο ανεμογεννήτριας 79

80 Σχήμα 3.11 Χαρακτηριστικά ανεμοκινητήρα 3.6 Αναπαραστάσεις των Υπόλοιπων Στοιχείων Μετασχηματιστές Οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιήθηκαν είναι έξι στο σύνολο εκ των οποίων οι τρεις είναι ανύψωσης τάσης συνδεσμολογίας Δ-Υ με γειωμένη την πλευρά του αστέρα, δύο υποβιβασμού τάσης Υ-Δ με γειωμένη την πλευρά του αστέρα και ένας ανύψωσης τάσης συνδεσμολογίας Υ-Υ με γειωμένες και τις δύο πλευρές. Παρακάτω φαίνεται ο πίνακας με τις τιμές και με τις σχηματικές αναπαραστάσεις των μετασχηματιστών: 80

81 Πίνακας 3.2 Μετασχηματιστές μοντέλου και τα χαρακτηριστικά τους Μετασχηματιστές Ανύψωσης Τάσης Μετ/στής σύνδεσης Ανεμογεννήτριας με δίκτυο μέσης τάσης Μετ/στής σύνδεσης Γεννήτριας Diesel με δίκτυο μέσης Μετ/στής σύνδεσης Φορτίου από ζυγό χαμηλής σε ζυγό μέσης τάσης Μετ/στής σύνδεσης Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας με ζυγό χαμηλής τάσης τάσης Συνδεσμολογία Υ-Δ Υ-Δ Υ-Δ Υ-Υ Σχηματική αναπαράσταση Τάση στο 1 ον τύλιγμα Τάση στο 2 ον Τύλιγμα Ονομαστική Ισχύς 20kV 20kV 20kV 400V 400V 400V 400V 230V 10MVA 10MVA 10MVA 10MVA Μετασχηματιστές Υποβιβασμού Τάσης Μετ/στής σύνδεσης από δίκτυο μέσης τάσης σε ζυγό χαμηλής τάσης Μετ/στής σύνδεσης από δίκτυο μέσης τάσης σε ζυγό χαμηλής τάσης Συνδεσμολογία Υ-Δ Υ-Δ Σχηματική αναπαράσταση Τάση στο 1 ον τύλιγμα Τάση στο 2 ον Τύλιγμα Ονομαστική Ισχύς 20kV 400V 10MVA 20kV 400V 10MVA Γραμμές μεταφοράς Στο μοντέλο χρησιμοποιήθηκαν δύο γραμμές μεταφοράς από την ανεμογεννήτρια και την γεννήτρια diesel προς το κοινό ζυγό χαμηλής τάσης και θεωρήθηκαν μήκους 10 χλμ με όμοια χαρακτηριστικά. Αναπαραστήθηκαν με το μοντέλο του π- ισοδυνάμου που φαίνεται παρακάτω. 81

82 Σχήμα 3.12 Σχηματική αναπαράσταση π-ισοδύναμου γραμμής μεταφοράς Επίσης στην παρακάτω εικόνα φαίνονται τα χαρακτηριστικά (αντιστάσεις, επαγωγές και χωρητικότητες) της γραμμής μεταφοράς. Φορτίο δικτύου Σχήμα 3.13 Τιμές αντιστάσεων ανά μέτρο της γραμμής μεταφοράς Το φορτίο που χρησιμοποιήθηκε είναι τριφασικό με τιμές 0.85MW/phase και 0.2MVar/phase, καταναλώνει στο σύνολο δηλαδή 2.55 MW ενεργού ισχύος και 0.6 MVar άεργου ισχύος. Ως συχνότητα λειτουργίας έχει τα 50 Hz και λειτουργεί υπό τάση 11.5kV rms line to ground. Εξαιτίας του μεγέθους του χρησιμοποιήσαμε ένα μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης στα 20kV για να λειτουργήσει. Το βρήκαμε στην βιβλιοθήκη PASSIVE ELEMENTS με την ονομασία Fixed Load και η σχηματική αναπαράσταση του φαίνεται παρακάτω: Μετρητικές διατάξεις Σχήμα 3.14 Σχηματική αναπαράσταση φορτίου Για να πάρουμε τις διάφορες μετρήσεις που χρειαζόμαστε χρησιμοποιούμε πολλές μετρητικές διατάξεις όπως βολτόμετρα, αμπερόμετρα, πολύμετρα, μετρητές 82

83 συχνότητας, συγκριτές διαφοράς φάσεως κ.α. Οι προαναφερθέντες μετρητικές διατάξεις φαίνονται στο παρακάτω σχήμα αντίστοιχα: Σχήμα 3.15 Διάφορες μετρητικές διατάξεις 3.7 Κανονισμοί και Προδιαγραφές Η καλή λειτουργία ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας (Σ.Η.Ε.) σε τοπικό αυτόνομο δίκτυο απαιτεί τη συνεχή παροχή σχετικά σταθερής τάσης και ακόμη περισσότερο σχετικά σταθερής συχνότητας ανεξάρτητα από τις μεταβολές του φορτίου το οποίο σημαίνει ότι είναι άσχετο αν βρισκόμαστε σε μεταβατική ή στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των δικτύων για την Ελληνική πραγματικότητα προσδιορίζονται από το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ50160 «Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems» με το οποίο είναι απόλυτα εναρμονισμένη και η Δ.Ε.Η. Ποιοτικά χαρακτηριστικά Η Δ.Ε.Η. με την Οδηγία Διανομής 120 καθορίζει μεταξύ άλλων τα εξής: Ως ονομαστική συχνότητα f n ορίζονται τα 50 Hz, ενώ η μέση τιμή της θεμελιώδους συχνότητας που μετράται σε διάστημα 10sec, θα πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ των ακόλουθων ορίων: 1. Για διασυνδεδεμένα συστήματα: 50Hz 1% για το 99,5% του έτους 50Hz +4%/-6% για το 100% του έτους 2. Για μικρά συστήματα (π.χ. νησιωτικά): 50Hz 2% για το 95% της εβδομάδας 50Hz 15% για το 100% της εβδομάδας Ως ονομαστική τάση V n για τη χαμηλή τάση και για τριφασικά συστήματα τεσσάρων αγωγών ορίζονται μεταξύ φάσης και ουδετέρου τα 230V και πρέπει να βρίσκεται μεταξύ των ορίων ± 10% (δηλαδή 207 V έως 253 V). Ως ονομαστική τάση V n για τη μέση τάση και για τριφασικά συστήματα τεσσάρων αγωγών ορίζονται μεταξύ φάσης και ουδετέρου τα 20k V και πρέπει να βρίσκεται μεταξύ των ορίων ± 10%(Όταν βέβαια η μέση τάση είναι 15kV τότε τα όρια είναι 15kV ± 10%). 83

84 Μη φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας Επίσης από το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ50160 έχει διαφορετικά όρια σε περίπτωση μη φυσιολογικών συνθηκών λειτουργίας. Αυτές οι συνθήκες είναι οι εξής: συνθήκες που προκύπτουν ως αποτέλεσμα σφάλματος ή μίας προσωρινής κατάστασης της προσφοράς. σε περίπτωση αποτυχίας της εγκατάστασης ή του εξοπλισμού του πελάτη να συμμορφωθεί με τα σχετικά πρότυπα ή τις τεχνικές προδιαγραφές για τη σύνδεση των φορτίων. σε περίπτωση αποτυχίας της εγκατάστασης της γεννήτρια να συμμορφωθεί με τα σχετικά πρότυπα ή με το τεχνικές απαιτήσεις για τη διασύνδεση της με ένα σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας σε εξαιρετικές περιπτώσεις εκτός του ελέγχου του προμηθευτή ηλεκτρικής ενέργειας, και συγκεκριμένα: 1. έκτακτες καιρικές συνθήκες και άλλες φυσικές καταστροφές 2. παρέμβαση τρίτου ατόμου 3. ενέργειες των δημοσίων αρχών 4. συλλογικών δράσεων(που υπόκεινται στις νομικές απαιτήσεις) 5. ανώτερη βία 6. έλλειψης ισχύος που προκύπτουν από εξωτερικά γεγονότα Ταχεία μεταβολή τάσης Μία από αυτές τις περιπτώσεις είναι η ταχεία μεταβολή της τάσης η οποία για χαμηλή τάση δεν πρέπει να ξεπερνά το 5% της V n, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να συμβαίνουν μερικές φορές την ημέρα και μεταβολές μέχρι 10% της V n για μικρό χρονικό διάστημα. Βυθίσεις τάσης τροφοδότησης Οι μεταβολές στην τάση που καταλήγει σε τιμή μεγαλύτερη του 90% της V n δεν θεωρούνται βυθίσεις τάσης. Η ετήσια συχνότητά τους διαφέρει πολύ ανάλογα με το είδος του συστήματος και το σημείο παρατήρησης. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας ο αναμενόμενος αριθμός των βυθίσεων τάσης μέσα σε ένα χρόνο μπορεί να κυμαίνεται από μερικές δεκάδες μέχρι και χίλιες. Διακοπές τροφοδότησης Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας οι βραχείες διακοπές ετησίως κυμαίνονται από λίγες δεκάδες μέχρι αρκετές εκατοντάδες και διαρκούν λιγότερο από 3 λεπτά, ενώ η ετήσια συχνότητα των διακοπών διάρκειας μεγαλύτερης από τρία λεπτά μπορεί να είναι μικρότερη από 10 ή μέχρι 50 διακοπές ανάλογα με την περιοχή. 84

85 Κεφάλαιο 4 ο : Μελέτη του Συστήματος στην Μόνιμη Κατάσταση Λειτουργίας 4.1 Υβριδικό Σύστημα Κατανεμημένης Παραγωγής Παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του υβριδικού συστήματος κατανεμημένης παραγωγής στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Στα παρακάτω δυο σχήματα, 4.1 και 4.2, παρουσιάζονται οι κυματομορφές των τριών φάσεων της τάσης V L και ρεύματος I L στο φορτίο αντίστοιχα. Σχήμα 4.1 Κυματομορφές τριών φάσεων της τάσης V L του φορτίου Σχήμα 4.2 Κυματομορφές τριών φάσεων του ρεύματος I L του φορτίου 85

86 Παρατηρούμε ότι οι ενεργές τους τιμές(rms) είναι: V Lrms =28.34/ =20 kv I Lrms =0.062/ =0.044 ka δηλαδή η τάση είναι όσο πρέπει να είναι σύμφωνα με τις προδιαγραφές για τους ζυγούς μέσης τάσης. Στην συνέχεια παρατηρούμε την ενεργό και άεργο ισχύς που καταναλώνει το φορτίο μας στο σχήμα 4.3. Σχήμα 4.3 Κατανάλωση ενεργού και άεργου ισχύος από το φορτίο Παρατηρούμε ότι η ενεργός και άεργος ισχύς που καταναλώνεται είναι: P L =2.55MW Q L =0.6 MVar, τιμές που επαληθεύουν την ονομαστική τιμή του φορτίου. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η μετρητική διάταξη που μετράει τον συντελεστή ισχύος στο φορτίο. Αποτελείται από έναν μετρητή φασικής διαφοράς ανάμεσα στην τάση και το ρεύμα φορτίου. Στην συνέχεια παίρνουμε το συνημίτονο της διαφοράς φάσης τους για να πάρουμε τελικά το αποτέλεσμα. Η μετρητική διάταξη παρουσιάζεται στο επόμενο σχήμα 4.4 ενώ τα αποτελέσματα στο σχήμα 4.5. Σχήμα 4.4 Μετρητική διάταξη με αποτέλεσμα των συντελεστή ισχύος 86

87 Σχήμα 4.5 Συντελεστής ισχύος Παρατηρούμε ότι ο συντελεστής ισχύος έχει τιμή περίπου δηλαδή είναι εντός ορίων 0.9 έως 1 που θέλουμε να έχουμε για κάθε φορτίο. Στην συνέχεια παρατηρούμε την πολική τάση στον ζυγό χαμηλής τάσης των 400V στο σχήμα 4.6. Σχήμα 4.6 Πολική τάση στον ζυγό χαμηλής τάσης 400V Παρατηρούμε ότι η πολική τάση είναι 400V δηλαδή όσο ορίζεται από το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ50160 αφού αν διαιρέσουμε το 400/ προκύπτουν 230V. Τέλος με την μετρητική διάταξη της συχνότητας,που έχουμε παρουσιάσει στο κεφάλαιο 3, στο σχήμα 3.15 μετράμε την συχνότητα στο ζυγό του φορτίου και το αποτέλεσμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 87

88 Σχήμα 4.7 Μεταβολές συχνότητας στο φορτίο Όπως φαίνεται από την παραπάνω γραφική παράσταση η συχνότητα κυμαίνεται μεταξύ έως δηλαδή εντός των ορίων που θέτει το Ευρωπαϊκό Πρότυπο ΕΝ50160 (50Hz 2%). Η διακύμανση παρατηρείται κατά τη χρονική στιγμή 1 sec όπου έχουμε την αλλαγή της σύγχρονης μηχανής της ανεμογεννήτριας σε κατάσταση γεννήτριας. 4.2 Γεννήτρια Diesel Η ονομαστική ισχύς της γεννήτριας diesel είναι 2 MW αλλά στο σύστημα έχει αρχικοποιηθεί έτσι ώστε να μην παρέχει την πλήρη ισχύς της για να κάνουμε οικονομία καυσίμου εξασφαλίζοντας την απαιτούμενη ισχύ από τις ΑΠΕ, αλλά παρόλα αυτά να είναι σε ετοιμότητα να αναλάβει το φορτίο αν για κάποιο λόγο δεν μπορούν να ανταπεξέλθουν οι ΑΠΕ. Το αποτέλεσμα είναι ότι υπό ονομαστικό φορτίο 2.55MW/0.6MVar η γεννήτρια diesel παράγει 0.42MW και 0.8MVar όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα

89 Σχήμα 4.8 Παραγώγή ενεργού και άεργου ισχύος από την γεννήτρια diesel Στο επόμενο σχήμα 4.9 απεικονίζεται η ροπή της σύγχρονης γεννήτριας κατά την διάρκεια έξι δευτερολέπτων. Σχήμα 4.9 Ροπή της γεννήτριας diesel Στο σχήμα 4.10 παρουσιάζεται η ροπή στη έξοδο της μηχανής εσωτερικής καύσης( diesel) κατά την διάρκεια έξι δευτερολέπτων. Παρατηρούμαι πώς την χρονική στιγμή 1sec όπου γίνεται η μετάβαση της μηχανής από πηγή σε γεννήτρια και κινείται με σύγχρονο αριθμό στροφών έχουμε μείωση της ροπής καθώς δεν απαιτείται τόσο μεγάλη ισχύς από το σύστημα. 89

90 Σχήμα 4.10 Παρεχόμενη ροπή από την μηχανή εσωτερικής καύσης Τέλος παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στην έξοδο της σύγχρονης γεννήτριας που ακολουθούν τις μορφές της τάσης στο δίκτυο και φαίνεται ότι η V dgrms = 0.33/ =0.23kV. Σχήμα 4.11 Τάση στην έξοδο της γεννήτριας diesel 4.3 Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Τα φωτοβολταϊκά πάνελ είναι συνολικής ισχύος 1.1MW όμως λόγο των απωλειών του συστήματος μπορούν να μας δώσουν ισχύ 1MW. Αυτό επαληθεύεται από την προσομοίωση του συστήματος στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όπου η φωτοβολταϊκή συστοιχία παράγει 1MW ενώ καταναλώνει 0.45MVar άεργου ισχύος. Τα στοιχεία αυτά φαίνονται και στο παρακάτω σχήμα

91 Σχήμα 4.12 Παραγωγή ενεργού και κατανάλωση άεργου ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας Στην συνέχεια φαίνονται οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, οι οποίες ακλουθούν τις κυματομορφές της τάσης δικτύου και η ενεργός τιμή τους είναι V pvrms = 0.2 / = kv. Σχήμα 4.13 Κυματομορφές τριφασικής τάσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα τρία σήματα που συμμετέχουν στην διαμόρφωση PWM. Το πρώτο είναι το αναλογικό ημίτονο U control συχνότητας 50 Hz, το δεύτερο είναι το τριγωνικό U trigger πολύ μεγαλύτερης συχνότητας ενώ το σήμα pulse1 είναι οι παλμοί που προκύπτουν από την σύγκριση των πρώτων δύο σημάτων, και είναι οι παλμοί λειτουργίας των IGBT και το σήμα pulse4 είναι το αντίστροφο του pulse1. 91

92 Σχήμα 4.14 Κυματομορφές σημάτων που συμμετέχουν στην διαμόρφωση PWM Τέλος παρουσιάζονται οι κυματομορφές των τάσεων της διάταξης που παράγονται από τον αντιστροφέα(inverter) πριν το φίλτρο εξομάλυνσης και την αυτεπαγωγή διασύνδεσης τριών τυλιγμάτων. Σχήμα 4.15 Τάση στην έξοδο του αντιστροφέα(inverter) 92

93 4.4 Ανεμογεννήτρια Η ανεμογεννήτρια αποτελείται από τον ανεμοκινητήρα ονομαστικής ισχύος 2MW, ο οποίος στρέφει την σύγχρονη γεννήτρια. Η ισχύς που παράγεται είναι 1.2MW ενεργού ισχύος και 0.35MVar άεργου ισχύος όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 4.16 Παραγωγή ενεργού και άεργου ισχύος ανεμογεννήτριας Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι τιμές της μηχανικής ροπής T m, της ηλεκτρικής ροπής T e της σύγχρονης γεννήτριας και η αποδιδόμενη ροπή του ανεμοκινητήρα T turbine. Σχήμα 4.17 Ροπή μηχανική, ηλεκτρική σύγχρονης μηχανής και ροπή ανεμοκινητήρα 93

94 Στην προσομοίωση η ταχύτητα του ανέμου θεωρήθηκε σταθερή και ίση με 10m/s και φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.18 Ταχύτητα ανέμου Τέλος στο σχήμα 4.19 παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στην έξοδο της ανεμογεννήτριας και όπως φαίνεται ακλουθούν και αυτές την μορφή της τάσης του δικτύου. Σχήμα 4.19 Κυματομορφές τριφασικής τάσης στην έξοδο της ανεμογεννήτριας 94

95 Κεφάλαιο 5 ο : Μελέτη του Συστήματος σε Διαταραχές Το κεφάλαιο αυτό έχει σκοπό να μελετήσει την αντίδραση του υβριδικού συστήματος κατανεμημένης παραγωγής σε διαταραχές που μπορεί να προκληθούν. Συγκεκριμένα θα μελετηθεί σε τριών ειδών διαταραχές. Πρώτη θα είναι μία αλλαγή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στη φωτοβολταϊκή συστοιχία από 1000W/m 2 σε 600W/m 2, έπειτα η απότομη αποσύνδεση της ανεμογεννήτριας από το σύστημα και στην συνέχια ένα τριφασικό βραχυκύκλωμα μετά την τριφασική γεννήτρια του υποσυστήματος της γεννήτριας diesel. Τέλος, μελετάται η αντίδραση του συστήματος σε μεταβολή, συγκεκριμένα αύξηση, του φορτίου στα 3MW και 0.72MVar. 5.1 Απότομη Μεταβολή της Προσπίπτουσας Ακτινοβολίας Σε αυτή τη περίπτωση θα μειώσουμε απότομα την προσπίπτουσα ακτινοβολία στην φωτοβολταϊκή συστοιχία από τα 1000W/m 2 σε 600W/m 2 (σχήμα 5.1)τη χρονική στιγμή 4 sec με την ακόλουθη διάταξη. Σχήμα 5.1 Διάταξη μεταβολής της ακτινοβολίας από 1000 σε 600 W/m 2 Σχήμα 5.2 Απότομη μεταβολή της ακτινοβολίας από 1000 σε 600 W/m 2 95

96 5.1.1 Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος Αρχικά θα ελέγξουμε την συχνότητα του συστήματος στο ζυγό του φορτίου. Απεικονίζεται στο σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3 Μεταβολή συχνότητας από την απότομη αλλαγή της ακτινοβολίας Όπως φαίνεται η τιμή κυμαίνεται ανάμεσα σε 49.8 Hz και Hz πού είναι μέσα στα όρια που θέτει ο κανονισμός και ανακτά την κανονική της τιμή των 50 Hz άμεσα. Στην συνέχεια βλέπουμε την μεταβολή του συντελεστή ισχύος που όπως φαίνεται είναι αμελητέα και δύσκολα διακριτή. Σχήμα 5.4 Μεταβολή του συντελεστή ισχύος κατά το φαινόμενο Τέλος στα επόμενα τρία σχήματα 5.5, 5.6, 5.7 βλέπουμε την διακύμανση της ενεργού και άεργου ισχύος, της πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης και των 96

97 κυματομορφών της τριφασικής τάσης στο ζυγό μέσης ισχύος που είναι συνδεδεμένο το φορτίο αντίστοιχα. Σχήμα 5.5 Διακύμανση ενεργού και άεργου ισχύος Σχήμα 5.6 Διακύμανση πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης 97

98 Σχήμα 5.7 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στο ζυγό φορτίου Όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα έχουμε μια πολύ μικρή διακύμανση του φορτίου η οποία αποκαθιστάται άμεσα, ενώ στα σχήματα των τάσεων η καθίζηση της τάσης είναι τόσο μικρή και δυσδιάκριτη που μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα και σίγουρα ικανοποιεί τις συνθήκες που καθορίζονται από την ΔΕΗ Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Σε αυτή την ενότητα φαίνονται οι μεταβολές στην ισχύ που προξενούνται από την πτώση της παραγωγής ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας εξαιτίας του φαινομένου(σχήμα 5.8). Επίσης φαίνεται και η διακύμανση της τριφασικής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel(σχήμα 5.9). Σχήμα 5.8 Διακύμανση ενεργού και άεργου ισχύος 98

99 Σχήμα 5.9 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε υπάρχει μια μικρή πτώση στην παραγωγή άεργου ισχύος( από 0.8MVar σε 0.75MVar) για να διατηρηθεί το ισοζύγιο αφού πλέον η φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν καταναλώνει το ίδιο ποσό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μικρή μείωση της τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel. Τέλος αποτέλεσμα της διαταραχής είναι να παράγει η γεννήτρια diesel ένα ποσό ενεργού ισχύος, της τάξης των 0.2 MW, για την διατήρηση του ισοζυγίου Αντίδραση Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Η φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι το κομμάτι στο οποίο συμβαίνει η απότομη μεταβολή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την πτώση της παραγωγής ενεργού ισχύος στα 0.6MW και την μείωση της κατανάλωσης του άεργου ισχύος στα 0.26MVar, το οποίο παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 5.10 Μεταβολή ενεργού και άεργου ισχύος φωτοβολταϊκής συστοιχίας 99

100 Παρακάτω μπορούμε να παρακολουθήσουμε την μεταβολή της συνεχής τάσης V pv και του συνεχούς ρεύματος I pv στην έξοδο της συνδεσμολογίας των πάνελ. Σχήμα 5.11 Μεταβολή της τάσης στα άκρα της συνδεσμολογίας των πάνελ Σχήμα 5.12 Μεταβολή του ρεύματος στα άκρα της συνδεσμολογίας των πάνελ Όπως είναι φανερό η τάση παρουσιάζει μια μεταβολή την χρονική στιγμή 4sec αλλά επανέρχεται γρήγορα στην αρχική της τιμή ενώ η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μειώνεται από 1.1kA σε 0.66kA πράγμα που δικαιολογεί την συνολική μείωση της παραγωγής ισχύος της συστοιχίας. Τέλος παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο σχήμα 5.13 και όπως φαίνεται υπάρχει ελάχιστη βύθιση της τάσης από 0.19kV σε 0.187kV. 100

101 Σχήμα 5.13 Μεταβολή τριφασικής τάσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας Αντίδραση Ανεμογεννήτριας Τέλος μένει να παρακολουθήσουμε την αντίδραση της ανεμογεννήτριας στην μεταβολή που προκαλείται στο ισοζύγιο ισχύος λόγω της μεταβολής της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην φωτοβολταϊκή συστοιχία. Αρχικά παρατηρούμε την μεταβολή της ισχύος που όπως φαίνεται στο σχήμα 5.14 είναι μία αύξηση της παραγωγής ενεργού ισχύος και μια μικρή μείωση στην παραγωγή της άεργου ισχύος,από 1.2MW σε 1.35MW (0.15MW) και 0.35MVar σε 0.25MVar( 0.1MVar) αντίστοιχα. Ενώ στο σχήμα 5.15 βλέπουμε την μικρή μείωση της τριφασικής τάσης στην έξοδο της ανεμογεννήτριας για ένα μικρό χρονικό διάστημα εφόσον λίγο αργότερα επανέρχεται στις κανονικές της τιμές. Σχήμα 5.14 Μεταβολή ενεργού και άεργου ισχύος της ανεμογεννήτριας 101

102 Σχήμα 5.15 Μεταβολή κυματομορφών τριφασικής τάσης στην έξοδο της ανεμογεννήτριας 5.2 Απότομη Αποσύνδεση της Ανεμογεννήτριας Σε αυτή την ενότητα θα αποσυνδέσουμε απότομα την ανεμογεννήτρια με την διάταξη του σχήματος 5.16 τη χρονική στιγμή 4 sec. Μία αποσύνδεση της ανεμογεννήτριας μπορούμε να έχουμε λόγο μεγάλης αύξησης της ταχύτητας του αέρα ή σε περίπτωση πολύ μικρής ταχύτητας του αέρα. Σχήμα 5.16 Διάταξη αποσύνδεσης της ανεμογεννήτριας Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος Αρχικά θα ελέγξουμε την συχνότητα του συστήματος στο ζυγό του φορτίου. Απεικονίζεται στο σχήμα

103 Σχήμα 5.17 Μεταβολή συχνότητας από την απότομη αποσύνδεση της ανεμογεννήτριας Όπως φαίνεται η τιμή πέφτει στα 49 Hz πού είναι μέσα στα όρια που θέτει ο κανονισμός 50Hz 15% και ανακτά την κανονική του τιμή των 50 Hz άμεσα. Στην συνέχεια βλέπουμε την μεταβολή του συντελεστή ισχύος που όπως φαίνεται είναι πολύ μικρή, μόλις που φτάνει την τιμή 0.96 από 0.97 πού είναι και η τιμή που επανέρχεται. Σχήμα 5.18 Μεταβολή του συντελεστή ισχύος κατά το φαινόμενο Τέλος στα επόμενα τρία σχήματα 5.19, 5.20, 5.21 βλέπουμε την διακύμανση της ενεργούς και άεργου ισχύος στο φορτίο, της πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης, και των κυματομορφών της τριφασικής τάσης στο ζυγό μέσης τάσης που είναι συνδεδεμένο το φορτίο αντίστοιχα. 103

104 Σχήμα 5.19 Διακύμανση ενεργού και άεργου ισχύος Σχήμα 5.20 Διακύμανση πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης Σχήμα 5.21 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στο ζυγό φορτίου 104

105 Όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα έχουμε μια διακύμανση του φορτίου της τάξεως των 0.5MW και 0.1MVar η οποία αποκαθιστάται σε χρονικό διάστημα μικρότερο του ενός δευτερολέπτου. Στο σχήμα 5.20 η καθίζηση της πολικής τάσης από τα 400V στα 370V δεν θεωρείται βύθιση τάσης αφού δεν ξεπερνά το 90% της ονομαστικής τάσης και διαρκεί περίπου μισό δευτερόλεπτο ενώ μετά επανέρχεται στα κανονικά επίπεδα τάσης. Από το σχήμα 5.21 φαίνεται ότι οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στο φορτίο υπόκεινται σε μια μικρή καθίζηση,της τάξης του 7.5%, που επίσης δεν θεωρείται βύθιση τάσης και διαρκεί για λίγο αφού μετά από μισό δευτερόλεπτο επανέρχονται στην ονομαστική τους τιμή. Άρα ικανοποιούνται οι συνθήκες που επιβάλλονται από την ΔΕΗ Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Σε αυτή την ενότητα φαίνονται οι μεταβολές στην ισχύ που προξενούνται από την πτώση της παραγωγής ισχύος της ανεμογεννήτριας εξαιτίας της αποσύνδεσης της(σχήμα 5.22). Επίσης φαίνεται και η διακύμανση της τριφασικής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel(σχήμα 5.23). Σχήμα 5.22 Διακύμανση ενεργού και άεργου ισχύος της γεννήτριας diesel 105

106 Σχήμα 5.23 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε υπάρχει μια αύξηση στην παραγωγή ισχύος ( από 0.42 MW σε 1.4 MW και από 0.8MVar σε 1.35MVar) για να διατηρηθεί το ισοζύγιο αφού η ανεμογεννήτρια δεν παράγει καθόλου ισχύ. Επίσης παρατηρείται και μια πτώση τάσης στην έξοδο της γεννήτριας η οποία μετά από ένα χρονικό διάστημα, περίπου μισό δευτερόλεπτο, επανέρχεται στα κανονικά επίπεδα Αντίδραση Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Η φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν επηρεάζεται ιδιαίτερα από την διαταραχή μίας και δεν μπορεί να παράγει περισσότερη ενεργό ισχύ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την συνέχιση της παραγωγής ενεργού ισχύος στο 1MW αλλά την αύξηση της κατανάλωσης του άεργου ισχύος στα 0.62MVar, το οποίο παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 5.24 Μεταβολή ενεργού και άεργου ισχύος φωτοβολταϊκής συστοιχίας 106

107 Τέλος παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο σχήμα 5.25 και όπως φαίνεται υπάρχει μια μικρή βύθιση της τάσης από 0.19kV σε 0.17kV η οποία επανέρχεται σε κανονικά επίπεδα με την πάροδο μισού δευτερολέπτου. Σχήμα 5.25 Μεταβολή τριφασικής τάσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας Αντίδραση Ανεμογεννήτριας Τέλος, μένει να παρακολουθήσουμε την αντίδραση της ανεμογεννήτριας η οποία αποσυνδέεται από το δίκτυο την χρονική στιγμή 4sec. Λογικό αποτέλεσμα είναι ο μηδενισμός της ενεργού και άεργου ισχύος και μπορούμε να το παρατηρήσουμε παρακάτω στο σχήμα Σχήμα 5.26 Μεταβολή ενεργού και άεργου ισχύος της ανεμογεννήτριας 107

108 5.3 Τριφασικό Βραχυκύκλωμα ως Προς την Γή στον Ζυγό της Γεννήτριας Diesel Σε αυτή τη περίπτωση θα προκαλέσουμε ένα τριφασικό βραχυκύκλωμα ως προς την γή στον ζυγό της γεννήτριας diesel τη χρονική στιγμή 4 sec και με διάρκεια 1sec. Για να προσομοιώσουμε το τριφασικό βραχυκύκλωμα χρησιμοποιούμε το μοντέλο του βραχυκυκλώματος που υπάρχει στο φάκελο [Breakers_Faults] της βιβλιοθήκης main. Σχήμα 5.27 Διάταξη τριφασικού βραχυκυκλώματος Τα τυπικά χαρακτηριστικά που πρέπει να δώσουμε στο σφάλμα προγράμματος PSCAD φαίνονται στα παρακάτω δύο σχήματα. του Σχήμα 5.28 Ορισμός χρονικών τιμών του σφάλματος Σχήμα 5.29 Επιλογές για το είδος σφάλματος 108

109 5.3.1 Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος Για να περιγράψουμε τη μεταβατική συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής προσεγγίζουμε το μεταβαλλόμενο ρεύμα με τρία διακριτά επίπεδα ρεύματος το υπομεταβατικό, το μεταβατικό και το ρεύμα μόνιμης κατάστασης. Οι χρονικές περίοδοι που σχετίζονται με αυτά τα ρεύματα αναφέρονται ως υπομεταβατική, μεταβατική και περίοδος μόνιμης κατάστασης. Στις περισσότερες μηχανές, η υπομεταβατική περίοδος εκτείνεται από 0-0,1sec μετά τη διαταραχή, η μεταβατική περίοδος από 0,1-6 sec, ενώ η μόνιμη κατάσταση, όπου όλα τα μεταβατικά φαινόμενα έχουν αποσβεστεί, αποκαθίσταται σε περισσότερο από 6sec μετά τη διαταραχή. Η ενεργός τιμή του ρεύματος βραχυκυκλώσεως για την υπομεταβατική περίοδο είναι: = = Σχήμα 5.30 Κυματομορφές ρεύματος βραχυκυκλώσεως Αρχικά θα ελέγξουμε την συχνότητα του συστήματος στο ζυγό του φορτίου. Απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 5.31 Μεταβολή συχνότητας από το τριφασικό βραχυκύκλωμα 109

110 Όπως φαίνεται η τιμή κυμαίνεται ανάμεσα σε 45.9 Hz και 54.4 Hz μια διακύμανση 9% πού είναι μέσα στα όρια που θέτει ο κανονισμός δηλαδή 15%. Στην συνέχεια βλέπουμε την μεταβολή του συντελεστή ισχύος κατά την διάρκεια του βραχυκυκλώματος και όπως φαίνεται υπάρχει μια μεγάλη μεταβολή του, ενώ μόλις το φαινόμενο σταματήσει επανέρχεται πίσω στις κανονικές τους τιμές. Σχήμα 5.32 Μεταβολή του συντελεστή ισχύος κατά το φαινόμενο Τέλος στα επόμενα τρία σχήματα 5.33, 5.34, 5.35 βλέπουμε την διακύμανση της ενεργού και άεργου ισχύος, της πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης και των κυματομορφών της τριφασικής τάσης στο ζυγό μέσης τάσης που είναι συνδεδεμένο το φορτίο αντίστοιχα. Σχήμα 5.33 Διακύμανση ενεργού και άεργου ισχύος 110

111 Σχήμα 5.34 Διακύμανση πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης Σχήμα 5.35 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στο ζυγό φορτίου Όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα έχουμε μια μεγάλη καθίζηση του φορτίου στα 0.9MW και στα 0.21MVar η οποία αποκαθιστάται άμεσα μετά το πέρας του φαινομένου. Όσο για την πολική τάση στον ζυγό χαμηλής τάσης βλέπουμε βύθιση τάσης αφού η τιμή τάσης πέφτει από τα 400V στα 240V δηλαδή στο 60%,ενώ αποκαθιστάται μετά το πέρας του φαινομένου. Οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στον ζυγό μέσης τάσης στο ζυγό του φορτίου πέφτουν και αυτές στο 60% της τιμής τους ενώ επιστρέφουν στις κανονικές τους τιμές μετά το πέρας του φαινομένου. 111

112 5.3.2 Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται η ισχύς που αποδίδει στον κοινό ζυγό η γεννήτρια diesel (σχήμα 5.36) καθώς και η ισχύς που παράγει η γεννήτρια diesel (σχήμα 5.37). Σχήμα 5.36 Διακύμανση,παρεχόμενης στον κοινό ζυγό, ενεργού και άεργου ισχύος της γεννήτριας diesel Σχήμα 5.37 Διακύμανση,παραγόμενης από γεννήτρια diesel, ενεργoύ και άεργου ισχύος Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε το υποσύστημα της γεννήτριας diesel καταναλώνει ενεργό ισχύ, ενώ μειώνεται και η παραγωγή άεργου ισχύος. Αντίθετα 112

113 η σύγχρονη γεννήτρια diesel που βρίσκεται πριν το τριφασικό βραχυκύκλωμα όχι μόνο δεν καταναλώνει ισχύ αλλά παράγει και πολύ παραπάνω. Αυτό μπορεί να φανεί και από την αύξηση της μηχανικής ροπής της γεννήτριας T m ενώ η ροπή της μηχανής diesel Τ diesel έχει μία μείωση με σκοπό να αντισταθμίσει την απότομη αύξηση της μηχανικής ροπής της σύγχρονης γεννήτριας. Αυτά φαίνονται και στα παρακάτω σχήματα 5.38 και Σχήμα 5.38 Μηχανική ροπή σύγχρονης γεννήτριας Σχήμα 5.39 Ροπή μηχανής εσωτερικής καύσης diesel Τέλος βλέπουμε τις κυματομορφές της τριφασικής τάσης στην έξοδο του υποσυστήματος της γεννήτριας diesel και ακολουθεί τις μορφές της τάσης στον κοινό ζυγό. 113

114 Σχήμα 5.40 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στην έξοδο του συστήματος της γεννήτριας diesel Αντίδραση Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας Η φωτοβολταϊκή συστοιχία ακολουθεί την πορεία του μεταβατικού φαινομένου και παρουσιάζει μια αρνητική διακύμανση στην παραγωγή ενεργού ισχύος, και μία αύξηση στην κατανάλωση άεργου ισχύος, παρόλα αυτά οι τιμές επανέρχονται πίσω σε αυτές της μόνιμης κατάστασης λειτουργίας σχεδόν ένα δευτερόλεπτο μετά το πέρας του μεταβατικού φαινομένου. Όλα αυτά μπορούν να παρατηρηθούν στο σχήμα Σχήμα 5.41 Μεταβολή ενεργού και άεργου ισχύος φωτοβολταϊκής συστοιχίας 114

115 Τέλος, παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στην έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο σχήμα 5.42 και όπως φαίνεται ακολουθούν και αυτές την πτώση τάσης του ζυγού του συστήματος. Σχήμα 5.42 Μεταβολή τριφασικής τάσης φωτοβολταϊκής συστοιχίας Αντίδραση Ανεμογεννήτριας Τέλος, μένει να παρακολουθήσουμε την αντίδραση της ανεμογεννήτριας λόγω του τριφασικού βραχυκυκλώματος. Αρχικά παρατηρούμε την μεταβολή της ισχύος που είναι μια απότομη αύξηση της παραγωγής ενεργού ισχύος και μία μικρή αύξηση της παραγωγής της άεργου ισχύος οι οποίες, ένα δευτερόλεπτο μετά από το πέρας του μεταβατικού φαινομένου, επανέρχονται στις κανονικές τους τιμές όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 5.43 Μεταβολή ενεργού και άεργου ισχύος της ανεμογεννήτριας Στην συνέχεια παρακολουθούμε την μηχανική T m και ηλεκτρική T e ροπή της σύγχρονης γεννήτριας της ανεμογεννήτριας οι οποίες παρουσιάζουν αύξηση και ουσιαστικά επαληθεύουν αυτό που φαίνεται και από το διάγραμμα της μεταβολής ενεργού και άεργου ισχύος. 115

116 Σχήμα 5.44 Μεταβολή μηχανικής και ηλεκτρικής ροπής στην σύγχρονη γεννήτρια Ενώ στο σχήμα 5.45 βλέπουμε τις κυματομορφές της τριφασικής τάσης της ανεμογεννήτριας που ακολουθούν την μορφή της τάσης στο δίκτυο. Σχήμα 5.45 Μεταβολή κυματομορφών τριφασικής τάσης στην έξοδο της ανεμογεννήτριας 116

117 5.4 Απότομη Αύξηση του Φορτίου Στην ενότητα αυτή θα μελετήσουμε την αντίδραση του συστήματος σε απότομη αύξηση του φορτίου. Αυτή η μεταβολή δεν είναι ακριβώς διαταραχή αλλά συμβαίνει αρκετά συχνά καθώς στο δίκτυο μπορεί να συνδεθούν καινούργιοι καταναλωτές ή απλώς μπορεί ένας καταναλωτής να απαιτήσει μεγαλύτερη ισχύ. Συγκεκριμένα εμείς συνδέσαμε παράλληλα στο παλιό φορτίο ακόμα ένα τριφασικό φορτίο ισχύος 0.45MW/0.12Mvar την χρονική στιγμή 4sec. Αποτέλεσμα είναι η συνολική ισχύς του φορτίου να είναι 3MW/0.72Mvar. Το παραπάνω το πετύχαμε με την διάταξη του σχήματος Σχήμα 5.45 Διάταξη αύξησης της ισχύος φορτίου Αντίδραση Υβριδικού Συστήματος Αρχικά θα ελέγξουμε την συχνότητα του συστήματος στο ζυγό του φορτίου. Απεικονίζεται στο σχήμα Σχήμα 5.46 Μεταβολή συχνότητας από την απότομη αύξηση φορτίου 117

118 Όπως φαίνεται η τιμή κυμαίνεται ανάμεσα σε Hz και Hz πού είναι μέσα στα όρια που θέτει ο κανονισμός και ανακτά την κανονική της τιμή των 50 Hz άμεσα. Στην συνέχεια βλέπουμε την μεταβολή του συντελεστή ισχύος που όπως φαίνεται παρουσιάζει μία διακύμανση την χρονική στιγμή 4sec που όπως φαίνεται αποσβένουσα με την πάροδο του χρόνου. Οι τιμές του συντελεστή ισχύος συνεχίζουν να παραμένουν σε πολύ ικανοποιητικές τιμές.. Σχήμα 5.47 Μεταβολή του συντελεστή ισχύος κατά το φαινόμενο Τέλος στα επόμενα τρία σχήματα 5.48, 5.49, 5.50 βλέπουμε την διακύμανση της ενεργού και άεργου ισχύος, της πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης και των κυματομορφών της τριφασικής τάσης στο ζυγό μέσης ισχύος που είναι συνδεδεμένο το φορτίο αντίστοιχα. Σχήμα 5.48 Διακύμανση ενεργού και άεργου ισχύος 118

119 Σχήμα 5.49 Διακύμανση πολικής τάσης στο ζυγό χαμηλής τάσης Σχήμα 5.50 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στο ζυγό φορτίου Όπως φαίνεται από το σχήμα 5.48 το σύστημα μας ανταπεξέρχεται πολύ καλά στην αύξηση του φορτίου και την καλύπτη με επιτυχία. Στα σχήματα των τάσεων η καθίζηση της τάσης είναι τόσο μικρή και δυσδιάκριτη που μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα ενώ λίγο αργότερα επανέρχεται στην αρχική της τιμή. Λογικό αποτέλεσμα είναι να ικανοποιεί τις συνθήκες που επιβάλλει η ΔΕΗ Αντίδραση Γεννήτριας Diesel Σε αυτή την ενότητα φαίνονται οι μεταβολές στην ισχύ της γεννήτριας diesel που προξενούνται από την αύξηση του φορτίου (σχήμα 5.51). Επίσης φαίνεται και η διακύμανση της τριφασικής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel(σχήμα 5.52). 119

120 Σχήμα 5.51 Διακύμανση ενεργού και άεργου ισχύος Σχήμα 5.52 Διακύμανση κυματομορφών τριφασικής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel Όπως μπορούμε να παρατηρήσουμε υπάρχει μια μικρή αύξηση στην παραγωγή άεργου ισχύος( από 0.8MVar σε 0.93MVar) για να διατηρηθεί το ισοζύγιο αφού πλέον η φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν καταναλώνει το ίδιο ποσό. Επίσης,αποτέλεσμα της διαταραχής είναι να παράγει η γεννήτρια diesel ένα ποσό ενεργού ισχύος παραπάνω, της τάξης των 0.23 MW, για την κάλυψη των αναγκών. Τέλος, οι κυματομορφές της τριφασικής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας diesel ακολουθούν την μορφή της τριφασικής τάσης στον κοινό ζυγό. 120