ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΥΨΙΣΥΧΝΟΥ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ

Transcript

1 ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΥΨΙΣΥΧΝΟΥ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ Χ. ΚΥΡΙΤΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ : 211 Ιανουάριος 2009

2 ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΥΨΙΣΥΧΝΟΥ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΙΚΡΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ Χ. ΚΥΡΙΤΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ : 211 Ιανουάριος 2009

3

4 Ευχαριστώ θερμά τους γονείς μου Χαράλαμπο και Παρασκευή για την προσπάθεια μιας ζωής προκειμένου να ολοκληρώσω τις σπουδές μου και να καταλήξω στην εκπόνηση αυτής της Διδακτορικής Διατριβής και την αδερφή μου Χάιδω για τη συμπαράσταση και την υποστήριξή της όλα αυτά τα χρόνια. Την εργασία μου την αφιερώνω στη σύντροφο της ζωής μου Γιώτα, η οποία στάθηκε δίπλα μου συμμετέχοντας στις αγωνίες μου, στις ευχάριστες και στις δύσκολες στιγμές σε όλη τη διάρκεια αυτής της προσπάθειας.

5 -ΠΡΟΛΟΓΟΣ- Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και υποστηρίχτηκε από το ερευνητικό πρόγραμμα ΠΕΝΕΔ 03 με κωδικό 03ΕΔ400. Ο τίτλος του προγράμματος ήταν Τεχνοοικονομική σύγκριση και ανάπτυξη βέλτιστων υψίσυχνων μονοφασικών μετατροπέων, ενσωματωμένων σε φωτοβολταϊκά πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου, για άμεση διασύνδεση με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και χρηματοδοτήθηκε κατά: 80% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ένωση Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο, 20% της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο Υπουργείο Ανάπτυξης Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας και από τον Ιδιωτικό τομέα (ANCO S.A. και ENERGY SOLUTIONS S.A.), στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα Γ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης. Η εργασία αυτή πραγματεύεται το βέλτιστο σχεδιασμό ενός μονοφασικού υψίσυχνου αντιστροφέα, για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών (Φ/Β) γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Αναλυτικότερα, διερευνάται η δυνατότητα ανάπτυξης μιας ηλεκτρονικής διάταξης με απομόνωση, η οποία θα είναι κατάλληλη για εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος (AC-PV Modules), δηλαδή Φ/Β διατάξεων, ισχύος έως 300W, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη. Η διάταξη που προτείνεται στα πλαίσια αυτής της εργασίας, είναι ένας αντιστροφέας ρεύματος τοπολογίας Flyback. Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά αυτής της διάταξης είναι ο μικρός βαθμός πολυπλοκότητας του κυκλώματος ισχύος και η γαλβανική απομόνωση που παρέχει ανάμεσα στη Φ/Β γεννήτρια και το ηλεκτρικό δίκτυο εναλλασσομένου ρεύματος (Ε.Ρ.). Για τη διάταξη αυτή διερευνώνται δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου (οι οποίες οδηγούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας) και ελέγχεται η καταλληλότητα τους για διαφορετικά επίπεδα ισχύος. Για τις δύο αυτές τεχνικές ελέγχου αναπτύσσονται μαθηματικά μοντέλα που συνδέουν τη μεταφερόμενη στο δίκτυο ισχύ με τις κατασκευαστικές παραμέτρους του αντιστροφέα. Επίσης εξάγονται κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του αντιστροφέα, με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Επιπλέον, παρουσιάζεται στρατηγική σχεδιασμού του αντιστροφέα, ώστε να γίνεται βέλτιστη επιλογή όλων των επιμέρους λειτουργικών του στοιχείων με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση του όγκου I

6 του, επίτευξη υψηλού συντελεστή ισχύος καθώς και υψηλού βαθμού απόδοσης, για ευρύ φάσμα της παραγόμενης ισχύος. Τέλος, διερευνάται η δυνατότητα ανάπτυξης ενός ενεργού φίλτρου, για την αποτελεσματική εξομάλυνση της έντονης κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου του προτεινόμενου αντιστροφέα. Η κυμάτωση αυτή είναι αποτέλεσμα της μετατροπής της συνεχούς τάσης των φωτογεννητριών σε μονοφασική εναλλασσόμενη και ο περιορισμός της είναι ιδιάζουσας σημασίας προκειμένου να καταστεί δυνατή η αποδοτική λειτουργία της όλης διάταξης. Η ακρίβεια των θεωρητικών μοντέλων, η ορθότητα της προτεινόμενης στρατηγικής σχεδιασμού και η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου ενεργού φίλτρου επιβεβαιώνονται μέσω εξομοίωσης και πειραματικών δοκιμών. Η εργασία περιλαμβάνει την εισαγωγή και επτά (7) κεφάλαια: Στην Εισαγωγή γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των λόγων που έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, κρατικών φορέων, σχεδιαστών ενεργειακών συστημάτων καθώς και εταιρειών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην ανάπτυξη και βελτίωση μεθόδων ηλεκτροπαραγωγής βασισμένων σε Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και αναλύονται οι στόχοι της παρούσας διατριβής. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται γενικά οι τρόποι με τους οποίους οι ΑΠΕ δύνανται να συμβάλουν στην ενεργειακή ενίσχυση του Ελληνικού Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας και αναδεικνύεται η σπουδαιότητα των μικρών μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στα μικρά και ευέλικτα Φ/Β συστήματα, που μπορούν να εγκατασταθούν τόσο σε κατοικίες, όσο και σε εμπορικά ή δημόσια κτίρια. Επιπρόσθετα αναλύονται οι δυνατές τεχνολογίες διασύνδεσης Φ/Β γεννητριών με το ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης, προκειμένου να επιλεγεί αυτή που συγκεντρώνει τα περισσότερα πλεονεκτήματα. Από τη διερεύνηση αναδεικνύεται ως ιδανικότερη λύση η τεχνολογία των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος (Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ.). Στο κεφάλαιο 2 τα Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ. αναλύονται στις δομικές τους μονάδες και επισημαίνονται οι παράγοντες που επιδρούν στον άρτιο και αποδοτικό σχεδιασμό τους. Επιπλέον παρουσιάζονται οι κανονισμοί και τα πρότυπα βάσει των οποίων καθορίζονται οι ελάχιστες απαιτήσεις τις οποίες οφείλουν να πληρούν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς αυτών των συστημάτων. Τέλος διερευνώνται και κατηγοριοποιούνται οι μετατροπείς που μπορούν II

7 να χρησιμοποιηθούν στα Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ. βάσει διαφόρων κριτηρίων (αριθμός εν σειρά συνδεδεμένων βαθμίδων, ύπαρξη μετασχηματιστή Μ/Σ, τρόπος ελέγχου της βαθμίδας αντιστροφής κλπ). Από την ανάλυση αυτή διαφαίνονται τα πλεονεκτήματα των μετατροπέων μιας βαθμίδας. Πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη των σημαντικότερων μετατροπέων της κατηγορίας αυτής και προτείνεται μια κυκλωματική τοπολογία αντιστροφέα η οποία προκύπτει από το μετατροπέα τύπου Flyback. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται λεπτομερώς η λειτουργία του αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback και παρουσιάζεται μία τεχνική ελέγχου η οποία ωθεί τον αντιστροφέα να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής. Για αυτήν την κατάσταση λειτουργίας αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις για όλα τα ηλεκτρικά του μεγέθη και παρουσιάζεται ένας δείκτης μεγιστοποίησης της πυκνότητας ισχύος του αντιστροφέα, συναρτήσει των σχεδιαστικών του παραμέτρων. Επιπρόσθετα, εξάγονται κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του αντιστροφέα και υπολογίζεται η βέλτιστη τιμή του λόγου μετασχηματισμού του Μ/Σ. Μετά τη θεωρητική ανάλυση, ακολουθεί η επιβεβαίωση των θεωρητικών συμπερασμάτων τόσο με αποτελέσματα εξομοίωσης όσο και με πειραματικές μετρήσεις. Στο κεφάλαιο 4 προτείνεται μια άλλη τεχνική ελέγχου, η οποία αναγκάζει τον αντιστροφέα να λειτουργεί στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση πραγματοποιείται παρόμοια θεωρητική ανάλυση μέσω της οποίας εξάγονται αναλυτικές εκφράσεις για όλα τα ηλεκτρικά μεγέθη του αντιστροφέα, υπολογίζεται ο δείκτης μεγιστοποίησης της πυκνότητας ισχύος αυτού, συναρτήσει των σχεδιαστικών του παραμέτρων, καθώς επίσης και η βέλτιστη τιμή του λόγου μετασχηματισμού του Μ/Σ. Η εγκυρότητα των συμπερασμάτων της θεωρητικής ανάλυσης πιστοποιείται τόσο μέσω εξομοίωσης, όσο και μέσω πειραματικών μετρήσεων. Στο κεφάλαιο 5 διενεργείται σύγκριση μεταξύ των δύο προαναφερθέντων τεχνικών ελέγχου. Έχοντας ως στόχο την ανάπτυξη μιας διάταξης με ελάχιστο όγκο, υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλό βαθμό απόδοσης, για ευρύ φάσμα της παραγόμενης ισχύος, προτείνεται η συνδυασμένη εφαρμογή αυτών. Λαμβάνοντας υπόψη τους δείκτες μεγιστοποίησης της πυκνότητας ισχύος και τους περιορισμούς ασφαλούς λειτουργίας του αντιστροφέα παρουσιάζεται μια ενιαία στρατηγική σχεδιασμού, με στόχο τη βέλτιστη επιλογή όλων των επιμέρους λειτουργικών του στοιχείων. III

8 Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται οι σημαντικότερες λύσεις (ενεργά φίλτρα) που έχουν προταθεί στην διεθνή βιβλιογραφία για την εξομάλυνση της κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου των μονοφασικών αντιστροφέων, που χρησιμοποιούνται σε Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ. Η κλασική λύση που συνίσταται στη χρήση ηλεκτρολυτικού πυκνωτή υψηλής χωρητικότητας αποδεικνύεται προβληματική για την αξιοπιστία των συσκευών αυτών. Για το λόγο αυτό προτείνεται μία νέα τοπολογία ενεργού φίλτρου, καθώς και εναλλακτικοί τρόποι σχεδιασμού αυτού, οι οποίοι επιτρέπουν την περαιτέρω μείωση της χωρητικότητας του χρησιμοποιούμενου πυκνωτή. Η αποτελεσματικότητα του ενεργού φίλτρου διερευνάται τόσο μέσω εξομοίωσης όσο και με πειραματικές μετρήσεις, που διεξήχθησαν σε μια εργαστηριακή πρότυπη διάταξη. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 γίνεται μία ανακεφαλαίωση της εργασίας, συνοψίζονται τα πρωτότυπα σημεία αυτής και αναδεικνύεται η συμβολή της στην επιστημονική περιοχή των φωτοβολταϊκών Πλαισίων Ε.Ρ. Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου προς τον κ. Εμμανουήλ Τατάκη, Αναπληρωτή Καθηγητή, Επιβλέποντα της διδακτορικής διατριβής, για τη δυνατότητα που μου έδωσε να εκπονήσω αυτήν την εργασία, καθώς επίσης και για την αμέριστη ηθική υποστήριξή του και τις καθοριστικές επιστημονικές παρεμβάσεις του σε όλη τη διάρκεια της εργασίας. Επίσης ευχαριστώ τον κ. Σαφάκα Αθανάσιο, Καθηγητή, μέλος της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, για την αμέριστη συμπαράστασή του και το ενδιαφέρον του σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον κ. Θωμά Ζαχαρία, Επίκουρο Καθηγητή, μέλος της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, για τις ουσιαστικές υποδείξεις και παρατηρήσεις του. Τέλος, ευχαριστώ θερμά τον κ. Νικόλαο Παπανικολάου Δρ.-Μηχ, του οποίου οι επιστημονικές παρεμβάσεις και τεχνικές συμβουλές συνέβαλαν στη σφαιρικότερη προσέγγιση διαφόρων επιμέρους επιστημονικών θεμάτων. Αισθάνομαι την ανάγκη επίσης να ευχαριστήσω τους συνάδελφους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και το μόνιμο προσωπικό του Εργαστηρίου για την αρμονική συνεργασία που είχαμε όλα αυτά τα χρόνια. IV

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5 Ε.1. Ανανεώσιμες Πηγές ενέργειας και περιβάλλον 5 Ε.2. Ενσωμάτωση των ΑΠΕ στα ηλεκτρικά συστήματα 7 Ε.3. Στόχοι της παρούσας διατριβής 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Δομή του Ελληνικού Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΕΣΗΕ) Κεντρικοποιημένη και Αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Συγκεντρωτική παρουσίαση του πεδίου εφαρμογών των Φ/Β Συστημάτων Γενικευμένη δομή των Διασυνδεδεμένων Κτιριακών Φ/Β Συστημάτων Κατηγοριοποίηση των Διασυνδεδεμένων Κτιριακών Φ/Β Συστημάτων Κεντρικοποιημένη τεχνολογία Τεχνολογία Αλυσίδας Τεχνολογία Πολλαπλών Αλυσίδων Τεχνολογία Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος Συμπεράσματα 37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΜΟΝΑΔΩΝ ΤΩΝ Φ/Β ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Φωτοβολταϊκά κύτταρα πυριτίου Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Κατηγοριοποίηση των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων βάσει των ηλεκτρικών 47 1

10 τους χαρακτηριστικών 2.3. Προσανατολισμός των Φ/Β Πλαισίων Ηλεκτρονικοί Μετατροπείς για Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος Κανονισμοί και πρότυπα για τη διασύνδεση μικρών ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων στο δίκτυο Χαμηλής Τάσης του ΕΣΗΕ Διαμόρφωση της διασύνδεσης εγκαταστάσεων-δικτύου Αρμονική παραμόρφωση και επιτρεπτά όρια έγχυσης αρμονικών συνιστωσών Ανίχνευση καταστάσεων απομονωμένης λειτουργίας - φαινόμενο νησίδας Γείωση και προστασία των κτιριακών Φ/Β συστημάτων από υπερτάσεις Ευρωπαϊκός Βαθμός Απόδοσης Ανίχνευση του σημείου μέγιστης παραγόμενης ισχύος της φωτογεννήτριας - M.P.P.T Κατηγοριοποίηση των ηλεκτρονικών μετατροπέων των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος Κατηγοριοποίηση των μετατροπέων βάσει του αριθμού βαθμίδων Κατηγοριοποίηση των μετατροπέων ανάλογα με το εάν εμπεριέχουν μετασχηματιστή απομόνωσης Κατηγοριοποίηση των μετατροπέων ανάλογα με τον τρόπο ελέγχου της βαθμίδας αντιστροφής Διερεύνηση των τοπολογιών μιας βαθμίδας Τοπολογίες μετατροπέων μιας βαθμίδας χωρίς απομόνωση Τοπολογίες μετατροπέων μιας βαθμίδας με απομόνωση 77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΥΨΙΣΥΧΝΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ FLYBACK ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΥΤΟΥ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΑΣΥΝΕΧΟΥΣ ΑΓΩΓΗΣ Εισαγωγή Αρχές λειτουργίας του υψίσυχνου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback Διερεύνηση της λειτουργίας του αντιστροφέα στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής 84 2

11 3.4. Δείκτης Μεγιστοποίησης της Πυκνότητας Ισχύος Επίδραση των παραμέτρων του αντιστροφέα στην πυκνότητα ισχύος Επίδραση των παραμέτρων του κυκλώματος στα ηλεκτρικά μεγέθη του αντιστροφέα Βέλτιστος σχεδιασμός για την περίπτωση λειτουργίας στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής Αποτελέσματα προσομοίωσης με τη χρήση του προγράμματος PSPICE Πειραματικά αποτελέσματα Συμπεράσματα 111 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΥΨΙΣΥΧΝΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ FLYBACK ΣΤΟ ΟΡΙΟ ΣΥΝΕΧΟΥΣ-ΑΣΥΝΕΧΟΥΣ ΑΓΩΓΗΣ Εισαγωγή Διερεύνηση της λειτουργίας στο όριο συνεχούς ασυνεχούς αγωγής Δείκτης Μεγιστοποίησης της Πυκνότητας Ισχύος Επίδραση των παραμέτρων του αντιστροφέα στην πυκνότητα ισχύος Επίδραση των παραμέτρων του κυκλώματος στα ηλεκτρικά μεγέθη του αντιστροφέα Βέλτιστος σχεδιασμός για την περίπτωση λειτουργίας στο όριο συνεχούςασυνεχούς αγωγής Αποτελέσματα προσομοίωσης με τη χρήση του προγράμματος PSPICE Πειραματικά αποτελέσματα Συμπεράσματα 162 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΔΥΟ ΠΕΡΙΟΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΥΨΙΣΥΧΝΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ FLYBACK ΚΑΙ Η ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΑΥΤΩΝ Εισαγωγή Σύγκριση των δύο περιοχών λειτουργίας του υψίσυχνου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback Η συνδυασμένη εφαρμογή των δύο περιοχών λειτουργίας του αντιστροφέα 178 3

12 5.4. Βέλτιστος σχεδιασμός για την περίπτωση της συνδυασμένης λειτουργίας Πειραματικά αποτελέσματα Συμπεράσματα 186 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ ΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΜΙΑΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ Εισαγωγή Διερεύνηση και αξιολόγηση των μεθόδων εξομάλυνσης του ρεύματος εισόδου των μετατροπέων μιας βαθμίδας για Φ/Β συστήματα Εξομάλυνση της χαμηλόσυχνης κυμάτωσης του ρεύματος εξόδου των Φ/Β γεννητριών με χρήση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών Εξομάλυνση της χαμηλόσυχνης κυμάτωσης του ρεύματος εξόδου των Φ/Β γεννητριών με εναλλακτικές τοπολογίες (ενεργά φίλτρα) Διερεύνηση της λειτουργίας του προτεινόμενου Ενεργού Φίλτρου Θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας του CPS-PAF Υπολογισμός της χωρητικότητας του C PAF Η λογική λειτουργίας του κυκλώματος ελέγχου του CPS-PAF Εξάρτηση των λόγων κατάτμησης των λειτουργιών Buck και Boost από τις τιμές των V H και V L Θεωρητική ανάλυση Πρακτικοί Περιορισμοί που εισάγονται λόγω των απωλειών Εναλλακτικός τρόπος σχεδιασμού του CPS-PAF Αποτελέσματα προσομοίωσης με τη χρήση του προγράμματος PSPICE Πειραματικά αποτελέσματα - Συμπεράσματα 237 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ανακεφαλαίωση Συμβολή της παρούσας Εργασίας 253 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 255 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ 271 4

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΣΤΟΧΟΙ Εισαγωγή Στόχοι Ε.1. Ανανεώσιμες Πηγές ενέργειας και περιβάλλον Μέχρι το πρόσφατο παρελθόν η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διεθνή κλίμακα στηριζόταν κατά κανόνα σε συμβατικές ενεργειακές τεχνολογίες και σε πρώτες ύλες, όπως το πετρέλαιο, ο άνθρακας και ο λιγνίτης. Όμως, η τεράστια παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση, όπως αυτή διαμορφώνεται από τις σύγχρονες κοινωνικές και βιομηχανικές απαιτήσεις, έχει ως αποτέλεσμα την αλόγιστη κατανάλωση των οργανικών καυσίμων, σε σημείο που ο κίνδυνος εξάντλησής τους να είναι πλέον ορατός. Από την άλλη πλευρά, η χρήση της πυρηνικής ενέργειας στην ηλεκτροπαραγωγή, αν και δύναται να αντιμετωπίσει επάξια τις ενεργειακές προκλήσεις, μακροπρόθεσμα μπορεί να επισύρει πολλούς κινδύνους και μάλιστα με μη αναστρέψιμες συνέπειες σε περιπτώσεις ατυχημάτων. Επιπρόσθετα, ένας ακόμη προβληματισμός ο οποίος είναι άρρηκτα συνυφασμένος με τους συμβατικούς τρόπους ηλεκτροπαραγωγής είναι η επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τα παραπροϊόντα της καύσης των οργανικών καυσίμων. Συγκεκριμένα, οι εκπομπές επικίνδυνων ρύπων, όπως τα οξείδια του αζώτου, οι ενώσεις του θείου και το διοξείδιο του άνθρακα, μπορούν να επισύρουν επικίνδυνες κλιματικές αλλαγές στον πλανήτη μας, οι οποίες στο σύνολο τους είναι γνωστές ως φαινόμενο του θερμοκηπίου. Αν και ο όρος αυτός αρχικά χρησιμοποιήθηκε για να περιγραφεί η φυσική διαδικασία με την οποία η ατμόσφαιρα ενός πλανήτη συμβάλλει στη θέρμανσή του, τα τελευταία χρόνια ο όρος φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι συνδεδεμένος με την υπερθέρμανση της γης λόγω της ρύπανσης της ατμόσφαιρας από ρύπους που οφείλονται στις ανθρώπινες παρεμβάσεις στο φυσικό περιβάλλον [1, 2]. Είναι χαρακτηριστικό ότι σημαντικός αριθμός κρατών της διεθνούς κοινότητας, αναγνωρίζοντας ότι ο ενεργειακός τομέας είναι ο κλάδος που ευθύνεται κατά κύριο λόγο για τη ρύπανση του περιβάλλοντος, αποφάσισε να θεσπίσει το 1997 ένα σημαντικό νομικό εργαλείο για τον έλεγχο των εκπομπών, γνωστό και ως πρωτόκολλο του Κυότο [3, 5, 7, 8]. Κεντρικός άξονας του πρωτοκόλλου του Κυότο είναι οι νομικά κατοχυρωμένες δεσμεύσεις των βιομηχανικά αναπτυγμένων κρατών να μειώσουν κατά τη διάρκεια της περιόδου τις εκπομπές έξι αερίων που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου (διοξείδιο 5

14 του άνθρακα, μεθάνιο, μονοξείδιο του αζώτου, υδροφθοράνθρακες, φθοράνθρακες και εξαφθοριούχο θείο), κατά 5.2% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990 (έτος βάσης σύγκρισης) [3]. Απόρροια των παραπάνω δεσμεύσεων υποχρεώσεων που αφορούν την Ευρωπαϊκή Ένωση, είναι η μείωση των εκπομπών κατά 8% [3]. Ο διακανονισμός των επιμέρους υποχρεώσεων ανάμεσα στα κράτη μέλη της παρουσιάζει σημαντικές διαφοροποιήσεις. Ιδιαίτερα, στην Ελλάδα, έχει επιτραπεί η αύξηση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου κατά 25% μέχρι το 2010 σε σχέση με τα επίπεδα του 1990 [3]. Όμως, σύμφωνα με στοιχεία του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, οι εκπομπές της χώρας μας είχαν ήδη αυξηθεί τo 2003 κατά 23.4%, ενώ σύμφωνα με τις προβλέψεις, η αύξηση των εκπομπών κατά το 2010 θα ανέρχεται στο +38.4% [4, 5]. Ενδεικτικά αξίζει να σημειωθεί ότι κάθε κιλοβατώρα ηλεκτρικού ρεύματος, που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με ένα τουλάχιστον κιλό διοξειδίου του άνθρακα (βάσει του σημερινού ενεργειακού μείγματος στην Ελλάδα και των μέσων απωλειών του δικτύου) [6]. Οι παραπάνω λόγοι έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, κυβερνήσεων, ενεργειακών σχεδιαστών και εταιρειών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην ανάπτυξη και βελτίωση μεθόδων ηλεκτροπαραγωγής βασισμένων σε Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Ως ΑΠΕ ορίζονται οι μη ορυκτές ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν εν αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον [7]. Τέτοιες μορφές ενέργειας είναι η αιολική, η ηλιακή, η υδροηλεκτρική, η κυματική, καθώς και η ενέργεια από βιομάζα. Κοινό στοιχείο των παραπάνω ενεργειακών πηγών, είναι το γεγονός ότι σχετίζονται με τον ήλιο. Επιπρόσθετα, στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ανήκει και η γεωθερμική ενέργεια η οποία προέρχεται από το εσωτερικό της γης και σχετίζεται με τις ιδιαίτερες γεωλογικές συνθήκες της κάθε περιοχής. Αν και η χρήση των ανανεώσιμων (ή εναλλακτικών) πηγών ενέργειας είναι ακόμη πολύ περιορισμένη σε παγκόσμια κλίμακα, αναμένεται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στα ενεργειακά πεπραγμένα διότι η χρήση τους δεν ρυπαίνει το περιβάλλον. Η ευρεία αξιοποίησή τους έγκειται στην ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που θα δεσμεύουν και θα μετατρέπουν το δυναμικό τους σε ευρέως χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας. Η ένταξη των τεχνολογιών Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής αποτελεί έναν από τους βασικούς στόχους της Ευρωπαϊκής πολιτικής ώστε να υλοποιηθούν οι προαναφερθείσες δεσμεύσεις. Συγκεκριμένα προβλέπεται η ηλεκτροπαραγωγή από ΑΠΕ σε ποσοστό που θα ανέρχεται στο 22.1% της ακαθάριστης 6

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΣΤΟΧΟΙ κατανάλωσης ηλεκτρισμού μέχρι το 2010, ή σε ποσοστό 12.5% χωρίς τη συμμετοχή μεγάλων υδροηλεκτρικών μονάδων [8]. Τέλος, για πολλά κράτη η μερική υποκατάσταση των συμβατικών ενεργειακών τεχνολογιών με ΑΠΕ αποτελεί μια εγχώρια πηγή ενέργειας, η οποία συμβάλλει τόσο στη μερική τους απεξάρτηση από τις πετρελαιοπαραγωγές χώρες όσο και στην αειφόρο ανάπτυξη της οικονομία τους. Ε.2. Ενσωμάτωση των ΑΠΕ στα ηλεκτρικά συστήματα Κατά την πρώιμη ανάπτυξη των πρώτων μεγάλων αστικών - βιομηχανικών κέντρων, οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονταν πλησίον των θέσεων ζήτησης - κατανάλωσης. Με την πάροδο του χρόνου η ιδέα της κατανεμημένης (αποκεντρωμένης) ηλεκτροπαραγωγής εγκαταλείφθηκε και υιοθετήθηκε μια διαφοροποιημένη δομή αυτή της κεντρικοποιημένης παραγωγής. Σύμφωνα με αυτή οι ηλεκτρικοί σταθμοί μεταφέρθηκαν για οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους στα μέρη όπου βρίσκονταν οι ενεργειακές πηγές. Η λύση αυτή επιλέχθηκε αφ ενός μεν γιατί η μεταφορά των πρώτων υλών από τον τόπο εξόρυξής τους στο σημείο κατανάλωσης επιβάρυνε σημαντικά το κόστος ηλεκτροπαραγωγής και αφ ετέρου δε διότι οι απαιτούμενοι αποθηκευτικοί χώροι των καυσίμων ήταν τεράστιοι. Επίσης, η ρύπανση του περιβάλλοντος στα πρώτα μεγάλα αστικά κέντρα, από την καύση λιγνίτη ή πετρελαίου, καθιστούσε τη διαβίωση στις πόλεις προβληματική, λόγω των εκπομπών τοξικών αερίων, σκόνης και τέφρας. Βέβαια, καθοριστικός παράγοντας στην εδραίωση της ηλεκτροπαραγωγής μέσω μεγάλων κεντρικών σταθμών, αποτέλεσε η ανάπτυξη ασφαλών και αποδοτικών συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Μολονότι τα συστήματα παραγωγής ηλεκτρισμού έχουν δομηθεί με τον τρόπο που περιγράφηκε παραπάνω, η χρήση της τεχνολογίας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορεί να αλλάξει σημαντικά τη δομή των παραδοσιακών Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Στο κεφάλαιο 1 θα αναλυθεί ο τρόπος με τον οποίο οι ΑΠΕ, με τη μορφή μικρών μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής (Dispersed Power Generation systems), δύνανται να συμβάλουν καθοριστικά στη μείωση του κόστους ηλεκτροπαραγωγής, στη μείωση των απωλειών και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Συνοπτικά αναφέρεται ότι η δυνατότητα τοπικής κάλυψης του φορτίου ή ενός μέρους αυτού από αποκεντρωμένες μονάδες παραγωγής, με τη χρησιμοποίηση ΑΠΕ, επιτρέπει στις επιχειρήσεις διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να αντιμετωπίσουν τις αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις με μικρό κόστος, διότι αποφεύγεται 7

16 η διάθεση κεφαλαίων για τη δημιουργία κεντρικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και την ενίσχυση των δικτύων μεταφοράς και διανομής. Όμως, παρά την αξιόλογη τεχνική αναβάθμιση και τεχνολογική πρόοδο τις οποίες υφίσταται ο τομέας των ΑΠΕ, η ενσωμάτωση τους, σε μεγάλη κλίμακα, στο παγκόσμιο ενεργειακό σύστημα, δεν είναι γενικά εύκολη υπόθεση. Οι περισσότερες εφαρμογές ΑΠΕ μεγάλης ισχύος είναι προς το παρόν πιο ακριβές από τις κλασικές πηγές παραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού. Το γεγονός αυτό οφείλεται τόσο σε οικονομικούς παράγοντες, όσο και σε περιορισμούς που τίθενται από την ίδια τη φύση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Από καθαρά οικονομική άποψη είναι γνωστό ότι τα κόστη παραγωγής, μεταφοράς και διανομής είναι οι κινητήριες δυνάμεις που οριοθετούν τον ανταγωνισμό μεταξύ των διαφόρων εναλλακτικών ενεργειακών λύσεων. Έτσι, όταν η αξιολόγηση των ενεργειακών πόρων γίνεται με τη χρήση παραδοσιακών λογιστικών τεχνικών και δεν συνυπολογίζονται οι οικονομικές συνέπειες από την καταστροφή του περιβάλλοντος, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από ΑΠΕ δεν είναι ικανοποιητικά ανταγωνιστική σε σχέση με αυτή που παράγεται από τις κλασικές μεθόδους ηλεκτροπαραγωγής. Μοναδική ίσως εξαίρεση αποτελούν τα αιολικά συστήματα, καθώς το κόστος κατασκευής μεγάλων αιολικών πάρκων αποσβένεται σχετικά γρήγορα σε περιοχές που διαθέτουν αρκετά υψηλό αιολικό δυναμικό. Στην εδραίωση της άποψης ότι η ηλεκτροδότηση με παραδοσιακά συμβατικά ενεργειακά συστήματα συνοδεύεται από χαμηλότερο κόστος συνέβαλε το γεγονός πως στο παρελθόν δεν λαμβάνονταν επαρκώς υπόψη οι εκπομπές ρύπων στην ατμόσφαιρα κατά την τιμολόγηση της ενεργειακής παραγωγής. Κατά συνέπεια, στην αξιολόγηση των συμβατικών πηγών ενέργειας δεν περιλαμβάνεται το κόστος των οικονομικών συνεπειών που επιβάλλεται στην κοινωνία λόγω των ποικίλων περιβαλλοντικών επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία (αύξηση της νοσηρότητας και της θνησιμότητας λόγω των ατμοσφαιρικών ρύπων) και στο φυσικό περιβάλλον (παγκόσμια αύξηση της θερμοκρασίας, καταστροφή οικοσυστημάτων και δασών). Το κόστος αυτό, επειδή δεν ενσωματώνεται στις υφιστάμενες τιμές της αγοράς, χαρακτηρίζεται ως εξωτερικό κόστος" και έχει ιδιαίτερη σημασία καθώς μεταβιβάζεται είτε εξ ολοκλήρου στη σημερινή κοινωνία, είτε και σε επόμενες γενιές [6, 9]. Όμως, τις τελευταίες δεκαετίες έχουν διεξαχθεί αρκετές μελέτες οι οποίες καταδεικνύουν ότι η ενσωμάτωση του εξωτερικού κόστους στον μηχανισμό τιμολόγησης των ενεργειακών 8

17 ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΣΤΟΧΟΙ τεχνολογιών, μπορεί να μεταβάλλει σημαντικά την ανταγωνιστικότητα των ΑΠΕ σε σύγκριση με τις συμβατικές ενεργειακές πηγές [6]. Λαμβάνοντας λοιπόν υπόψη ότι οι ΑΠΕ είναι απαλλαγμένες από κάθε τύπο ατμοσφαιρικών εκπομπών, αποδεικνύεται ότι υφίστανται άνιση μεταχείριση στη παρούσα αγορά. Για τους παραπάνω λόγους, στις μέρες μας έχουν αυξηθεί τα μέτρα άμεσης υποστήριξης των συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, κυρίως με τη μορφή ευνοϊκών τιμολογίων πώλησης του ηλεκτρισμού που προέρχεται από τέτοια συστήματα, χαμηλότοκων δανείων, επιχορηγήσεων και επιδοτήσεων. Επιπρόσθετα, αξίζει να σημειωθεί ότι το κόστος των ανανεώσιμων τεχνολογιών μειώνεται σταδιακά λόγω της τεχνολογικής εξέλιξης και της μαζικής παραγωγής αυτών, ενώ το κόστος των συμβατικών ηλεκτροπαραγωγικών τεχνολογιών αυξάνει λόγω της διαφαινόμενης εξάντλησης των φυσικών πόρων [10]. Στον αντίποδα των ευεργετικών προσδοκιών από τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας υπάρχουν ορισμένα ανασταλτικά θέματα τεχνικής υφής, που πηγάζουν από τον ιδιαίτερο χαρακτήρα των ΑΠΕ. Ως προς τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά, οι μονάδες ηλεκτροπαραγωγής μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δυο κατηγορίες αυτές που λειτουργούν συνεχώς και αυτές που λειτουργούν διακοπτόμενα. Οι αιολικές, οι ηλιακές καθώς και οι εφαρμογές των θαλασσίων κυμάτων χαρακτηρίζονται από αρκετά διακοπτόμενη ενεργειακή παραγωγή, ενώ οι μονάδες βιομάζας, υδροηλεκτρικών, όπως και οι συμβατικές, μπορούν να λειτουργούν αδιάλειπτα. Προφανώς οι διαλείπουσες πηγές [11] δεν μπορούν να θεωρηθούν ως αξιόπιστες λύσεις για σταθερή παροχή ισχύος με αποδεκτά υψηλές τιμές δυναμικού. Στο σημείο αυτό είναι σημαντικό να τονισθεί η διαφορά ανάμεσα στο διαλείποντα χαρακτήρα ορισμένων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την προβλεψιμότητα αυτών. Κάποιες ΑΠΕ είναι διαλείπουσες αλλά προβλέψιμες, καθώς μπορούν να υπάρχουν προβλέψιμες περίοδοι στις οποίες μειώνεται ή ακόμα μηδενίζεται η ενεργειακή τους παραγωγή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η ενεργειακή συμβολή της ηλιακής ενέργειας, η οποία μειώνεται κατά τη διάρκεια ορισμένων προβλέψιμων μηνών περιορισμένης ηλιοφάνειας και μηδενίζεται στο χρονικό διάστημα των νυχτερινών ωρών. Γεγονός πάντως αδιαμφισβήτητο είναι πως το επίπεδο διαλείπουσας λειτουργίας ποικίλλει μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών ΑΠΕ. Επομένως, για την απρόσκοπτη λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων με αυξημένη διείσδυση ΑΠΕ απαιτείται η εφαρμογή εξελιγμένων και ευπροσάρμοστων αλγορίθμων ελέγχου από τους διαχειριστές του ηλεκτρικού συστήματος, ώστε να μπορεί να προβλεφθεί με ασφάλεια η βέλτιστη χρησιμοποίηση 9

18 πολλαπλών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, χωρίς να τίθεται σε επικινδυνότητα η αξιοπιστία και η ευστάθεια του συστήματος. Σε αντίθεση με τον προβληματισμό που προκαλεί η ενσωμάτωση μεγάλων μονάδων ΑΠΕ στο ηλεκτρικό σύστημα, η χρήση τους σε εφαρμογές μικρής σχετικά ισχύος τυγχάνει ιδιαίτερης αποδοχής για τις περιπτώσεις καταναλωτών που δεν έχουν άμεση πρόσβαση σε κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο [12]. Σε αυτές τις περιπτώσεις επιλέγονται οι ΑΠΕ, σε συνδυασμό με μέσα ενεργειακής αποθήκευσης, επειδή προσφέρουν ασφαλή και αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ισχύος, ενώ ταυτόχρονα αποτελούν συχνά και τη φθηνότερη ενεργειακή επιλογή έναντι της χρήσης ντιζελογεννητριών. Συγκεκριμένα η κοστολόγηση σε όλο τον κύκλο ζωής, αποδεικνύει ότι οι ΑΠΕ αποτελούν συχνά ευνοϊκότερη λύση σε σχέση με τις εναλλακτικές συμβατικές επιλογές, οι οποίες τείνουν να έχουν μικρότερα αρχικά κόστη αλλά απαιτούν σημαντικά μεγαλύτερες λειτουργικές δαπάνες. Στην πράξη, για την αύξηση της απόδοσης και τη μεγιστοποίηση της αξιοπιστίας συνίστανται η συνδυασμένη χρήση μεταξύ ανανεώσιμων και συμβατικών πηγών ενέργειας, με σκοπό τη δημιουργία υβριδικών συστημάτων [12]. Τα υβριδικά συστήματα αποτελούνται συνήθως από μια γεννήτρια ντίζελ και μια ή περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως φωτοβολταϊκές γεννήτριες, ανεμογεννήτριες, υδροστροβίλους, ανάλογα με τη γεωγραφική θέση του φορτίου και τα μέσα ενεργειακής αποθήκευσης. Σε αυτές λοιπόν τις περιπτώσεις το μέγεθος της ΑΠΕ διαστασιοποιείται ώστε να καλύπτει τη ζήτηση φορτίου βάσης, ενώ η συμβατική παροχή ενέργειας τίθεται σε λειτουργία μόνο όταν είναι αναγκαίο. Ε.3. Στόχοι της παρούσας διατριβής Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, με την αναζήτηση μιας διάταξης διασύνδεσης φωτοβολταϊκών γεννητριών μικρής ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Συγκεκριμένα, διερευνάται η δυνατότητα ανάπτυξης μιας ηλεκτρονικής διάταξης με απομόνωση, η οποία αφ ενός μεν θα εξασφαλίζει υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλό βαθμό απόδοσης για ευρύ φάσμα λειτουργίας, αφ ετέρου δε θα διέπεται από μικρό βαθμό πολυπλοκότητας στο κύκλωμα ισχύος της προκειμένου να εξασφαλίζεται υψηλή αξιοπιστία. Επιπρόσθετα, ιδιαίτερα χαρακτηριστικά αυτής της διάταξης θα πρέπει να είναι ο μικρός όγκος και το μικρό βάρος, ιδιότητες πολύ σημαντικές εάν αναλογιστούμε τις εφαρμογές για 10

19 ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΣΤΟΧΟΙ τις οποίες προορίζεται (ενσωμάτωση σε Φ/Β γεννήτριες που θα τοποθετηθούν σε όψεις ή οροφές κτιρίων). Για την επίτευξη του στόχου αυτού, αρχικά αναλύονται οι δυνατές τεχνολογίες διασύνδεσης Φ/Β γεννητριών με το ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης, προκειμένου να επιλεγεί αυτή που συγκεντρώνει τα περισσότερα πλεονεκτήματα. Από τη διερεύνηση αυτή αναδεικνύεται ως ιδανικότερη αυτή των Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος (AC-PV Modules), δηλαδή Φ/Β διατάξεων, ισχύος έως 300W, στις οποίες ενσωματώνεται ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη. Οι διατάξεις αυτές συνδέονται απ ευθείας στο δίκτυο χαμηλής τάσης (220V) των αστικών περιοχών. Πριν την αναζήτηση μετατροπέα κατάλληλης τοπολογίας, κρίνεται αναγκαίο να παρουσιαστούν οι κανονισμοί και τα πρότυπα βάσει των οποίων καθορίζονται οι ελάχιστες απαιτήσεις τις οποίες οφείλουν να πληρούν οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς που χρησιμοποιούνται στα διασυνδεδεμένα Φ/Β συστήματα μικρής ισχύος. Οι κανονισμοί αυτοί σχετίζονται με την ποιότητα της παρεχόμενης ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο (επιτρεπτά όρια διακύμανσης της τάσης και της συχνότητας, της έγχυσης συνεχούς ρεύματος και των αρμονικών), την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και τη λειτουργική συμπεριφορά των τελευταίων κατά την εμφάνιση του φαινόμενου νησίδας (islanding). Επίσης επισημαίνονται ορισμένα τεχνικά θέματα τα οποία σχετίζονται με τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής παραγωγής των υπό μελέτη Φ/Β συστημάτων με την εφαρμογή κατάλληλων τεχνικών ανίχνευσης του σημείου μέγιστης παραγόμενης ισχύος (Maximum Power Point Tracking, M.P.P.T.). Σε επόμενο στάδιο διερευνούνται οι μετατροπείς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα Φ/Β συστήματα τεχνολογίας AC-PV Module (Φωτοβολταϊκά Πλαίσια Εναλλασσομένου Ρεύματος). Μέσω της συγκριτικής παρουσίασης κλασικών μετατροπέων μιας και δύο βαθμίδων διαφαίνεται πως η επιλογή ενός μετατροπέα μονής βαθμίδας, ο οποίος όμως θα συνδύαζε ορισμένα από τα πλεονεκτήματα των μετατροπέων δύο βαθμίδων, θα αποτελούσε μια αρκετά ελκυστική λύση. Για το λόγο αυτό, πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη των σημαντικότερων μετατροπέων μιας βαθμίδας που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Από τη μελέτη αυτή ξεχωρίζει μια κυκλωματική τοπολογία αντιστροφέα η οποία προκύπτει από το μετατροπέα τύπου Flyback. 11

20 Στη συνέχεια αναλύεται διεξοδικά η λειτουργία του αντιστροφέα τύπου Flyback ενώ ταυτόχρονα αναζητούνται κατάλληλες τεχνικές ελέγχου οι οποίες θα εξασφαλίζουν τη δημιουργία εναλλασσόμενου ρεύματος συμφασικού με την τάση του ηλεκτρικού δικτύου. Για δεδομένα επίπεδα ισχύος και συχνότητα λειτουργίας, επιλέγονται εκείνες οι τεχνικές ελέγχου οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε ελαχιστοποίηση των διαστάσεων του μετατροπέα, λαμβάνοντας υπόψη ότι σε έναν μετατροπέα τύπου Flyback η τιμή της αυτεπαγωγής του μετασχηματιστή είναι ο κύριος παράγοντας που καθορίζει το μέγεθος του (λόγω του όγκου του πυρήνα). Αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται σε μία τεχνική ελέγχου η οποία ωθεί τον μετατροπέα να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας ο μετασχηματιστής (Μ/Σ) του μετατροπέα εκφορτίζεται πλήρως πριν την συμπλήρωση μιας διακοπτικής περιόδου. Για αυτήν την κατάσταση λειτουργίας αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις για όλα τα ηλεκτρικά μεγέθη του μετατροπέα, ενώ επίσης υπολογίζεται η μέγιστη δυνατή ισχύς που είναι δυνατόν να μεταφερθεί από το μετατροπέα στο ηλεκτρικό δίκτυο συναρτήσει των σχεδιαστικών του παραμέτρων. Σκοπός αυτού του υπολογισμού είναι η κατάλληλη επιλογή του λόγου μετασχηματισμού του Μ/Σ, ώστε για κάθε συγκεκριμένη Φ/Β γεννήτρια να επιτυγχάνεται ο ελάχιστος όγκος μετατροπέα. Επιπρόσθετα, εξάγονται κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του μετατροπέα με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος από υψηλές τιμές τάσης και ρεύματος. Τέλος, βάσει των παραπάνω κριτηρίων και περιορισμών υπολογίζεται η βέλτιστη τιμή του λόγου μετασχηματισμού του Μ/Σ. Μετά τη θεωρητική ανάλυση, ακολουθεί η επιβεβαίωση των θεωρητικών συμπερασμάτων τόσο με αποτελέσματα εξομοίωσης όσο και με πειραματικές μετρήσεις. Σε επόμενο βήμα προτείνεται μια άλλη τεχνική ελέγχου, η οποία οδηγεί σε διαφορετική κατάσταση λειτουργίας. Συγκεκριμένα διερευνάται μια τεχνική ελέγχου η οποία αναγκάζει το μετατροπέα να λειτουργεί στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (Boundary between Continuous and Discontinuous Conduction Mode, BCM). Η βασική διαφορά μεταξύ της λειτουργίας στην περιοχή ασυνεχούς αγωγής και αυτής της λειτουργικής κατάστασης είναι ότι κάθε φορά που το ρεύμα που διαρρέει τον Μ/Σ μηδενίζεται ξεκινάει ένας νέος διακοπτικός κύκλος. Όπως και στην περίπτωση της DCM, έτσι και εδώ πραγματοποιείται παρόμοια θεωρητική ανάλυση μέσω της οποίας εξάγονται αναλυτικές εκφράσεις για όλα τα ηλεκτρικά μεγέθη του μετατροπέα, ενώ ταυτόχρονα υπολογίζονται τόσο η μέγιστη δυνατή 12

21 ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΣΤΟΧΟΙ ισχύς που είναι δυνατόν να μεταφερθεί από τον μετατροπέα στο ηλεκτρικό δίκτυο, όσο και η βέλτιστη τιμή του λόγου μετασχηματισμού του Μ/Σ η οποία εγγυάται την απρόσκοπτη λειτουργία του μετατροπέα. Η εγκυρότητα των συμπερασμάτων της θεωρητικής ανάλυσης πιστοποιείται τόσο μέσω εξομοίωσης, όσο και μέσω ανάπτυξης εργαστηριακών πρότυπων διατάξεων. Μετά την ενδελεχή παρουσίαση των δύο δυνατών τεχνικών ελέγχου του μετατροπέα και των αντίστοιχων καταστάσεων λειτουργίας αυτού, καθορίζονται τα όρια των δύο περιοχών λειτουργίας του μετατροπέα, ενώ ταυτόχρονα επιχειρείται η συνδυασμένη εφαρμογή αυτών, ώστε να είναι εφικτή η ανάπτυξη ενός αντιστροφέα με ελάχιστο όγκο, υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλό βαθμό απόδοσης για ευρύ φάσμα παραγόμενης ισχύος. Λαμβάνοντας υπόψη τόσο τα όρια μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος για τις δύο καταστάσεις λειτουργίας όσο και τους περιορισμούς στους οποίους υπόκειται η λειτουργία του μετατροπέα σε αυτές, παρουσιάζεται ένα εύχρηστο σχεδιαστικό μοντέλο ώστε να γίνεται βέλτιστη επιλογή όλων των επιμέρους λειτουργικών στοιχείων του μετατροπέα. Επόμενος στόχος της παρούσας διατριβής, είναι η εξομάλυνση της έντονης κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου του αντιστροφέα. Η κυμάτωση αυτή συναντάται κυρίως σε τοπολογίες μετατροπέων μιας ή δύο βαθμίδων και καθιστά αδύνατη την εφαρμογή ενός αποδοτικού M.P.P.T. Για να καταστεί λοιπόν δυνατή η αποδοτική συνεργασία μεταξύ αντιστροφέα και Φ/Β γεννήτριας, αρχικά διερευνώνται οι σημαντικότερες λύσεις που έχουν προταθεί στην διεθνή βιβλιογραφία και τέλος προτείνεται μία νέα τοπολογία εξομάλυνσης του ρεύματος εισόδου. Αξίζει να σημειωθεί ότι η λειτουργία της προτεινόμενης διάταξης (ενεργό φίλτρο) είναι ανεξάρτητη τόσο των καταστάσεων λειτουργίας του αντιστροφέα τύπου Flyback, όσο και γενικότερα της τοπολογίας του αντιστροφέα, καθιστώντας την έτσι ως μια ελκυστική λύση και για διαφορετικές τοπολογίες μετατροπέων. Η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου ενεργού φίλτρου διερευνάται τόσο μέσω εξομοιώσεων, όσο και με πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν σε μια εργαστηριακή πρότυπη διάταξη. Μετά την παρουσίαση των παραπάνω πειραματικών αποτελεσμάτων, παρατίθενται τα συμπεράσματα από το σύνολο της εργασίας. 13

22 14

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Η ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 1.1 Δομή του Ελληνικού Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΕΣΗΕ) Κύριο χαρακτηριστικό του Ελληνικού Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας είναι η συγκέντρωση της πλειονότητας των σταθμών παραγωγής στο βόρειο τμήμα της χώρας, σε αντιδιαστολή με το κύριο κέντρο κατανάλωσης που βρίσκεται στο νότιο γεωγραφικό τμήμα της. Συνυπολογίζοντας ότι οι διεθνείς διασυνδέσεις με τις γείτονες χώρες είναι στον Βορρά, αποδεικνύεται πως υπάρχει μεγάλη γεωγραφική ανισορροπία μεταξύ παραγωγής και φορτίων. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην ανάγκη μεταφοράς μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας κατά το γεωγραφικό άξονα βορρά νότου (της τάξης των MW ανάλογα με το επίπεδο του φορτίου), με άμεση συνέπεια την εμφάνιση δυσκολιών στη διατήρηση ικανοποιητικών επιπέδων τάσεως στο Νότιο Σύστημα [22], ιδιαίτερα σε περιπτώσεις μειωμένης διαθεσιμότητας παραγωγής στο Νότο ή μεγάλων διαταραχών κατά τις ώρες υψηλού φορτίου. Για την αντιμετώπιση αυτής της εγγενούς αδυναμίας του Ελληνικού Ενεργειακού Συστήματος απαιτείται η ενίσχυση των δικτύων μεταφοράς και διανομής καθώς και η διάθεση κεφαλαίων για τη δημιουργία νέων κεντρικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το Ελληνικό Ηλεκτρικό Σύστημα στηρίζεται κατά κύριο λόγο στην εκμετάλλευση των εγχώριων πηγών ενέργειας, η ηλεκτρική ζήτηση στο διασυνδεδεμένο σύστημα της ηπειρωτικής χώρας εξυπηρετείται κυρίως από λιγνιτικούς σταθμούς, ενώ στα συστήματα των νησιών από αυτόνομες πετρελαϊκές μονάδες, λόγω του υψηλού κόστους της διασύνδεσης τους με το ηπειρωτικό ηλεκτρικό δίκτυο. Από την άλλη πλευρά, η σταδιακή εξάντληση των διαθέσιμων κοιτασμάτων καυσίμων σε συνδυασμό με την επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τα παραπροϊόντα της καύσηςς αυτών, αναδεικνύει την ένταξη των Ανανεώσιμων (ή Εναλλακτικών) Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής, ως μια ιδιαίτερα ελκυστική λύση για την ενίσχυση των παραδοσιακά δομημένων ηλεκτρικών συστημάτων, όπως αυτό της Ελλάδας. Στις παραγράφους που 15

24 ακολουθούν θα διερευνηθούν οι τρόποι με τους οποίους οι ΑΠΕ δύνανται να συμβάλουν στην ενίσχυση των παραδοσιακών Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. 1.2 Κεντρικοποιημένη και Αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Η μόνη Ανανεώσιμη Πηγή Ενέργειας που είχε αξιοποιηθεί σε σημαντικό βαθμό σε παγκόσμιο επίπεδο πριν από το 1990, ήταν η υδροηλεκτρική και μάλιστα κυρίως με τη μορφή μεγάλων υδροηλεκτρικών σταθμών. Όμως, η επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τους συμβατικούς τρόπους ηλεκτροπαραγωγής έστρεψε τα τελευταία χρόνια την παγκόσμια ενεργειακή πολιτική στην ανάπτυξη και βελτίωση μεθόδων ηλεκτροπαραγωγής που στηρίζονται και σε άλλες μορφές Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας όπως η αιολική, η ηλιακή, η κυματική, η γεωθερμική, καθώς και η ενέργεια από βιομάζα. Δεδομένου του υψηλού αιολικού και ηλιακού δυναμικού πολλών περιοχών της Ελλάδας, τα αιολικά πάρκα και τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα αποτελούν τους κύριους εκφραστές της προσπάθειας της χώρας μας να εντάξει στην ηλεκτροπαραγωγική της διαδικασία τις ΑΠΕ. Πριν την παρουσίαση των τρόπων με τους οποίους οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας δύναται να συμβάλουν στην ενεργειακή ενίσχυση του ΕΣΗΕ, κρίνεται απαραίτητο να επισημανθεί η έννοια των όρων Κεντρικοποιημένη και Αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Γενικά οι παραπάνω όροι χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη δομή ενός ηλεκτρικού συστήματος. Συγκεκριμένα, αφ ενός μεν προσδιορίζουν τη γεωγραφική θέση των ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων (ανεξαρτήτως είδους) συγκριτικά με τα σημεία ζήτησης-κατανάλωσης, αφ ετέρου δε είναι ενδεικτικοί του μεγέθους των μονάδων. Αναλυτικότερα, ο όρος Κεντρικοποιημένη παραγωγή (Centralized Power Generation) περιγράφει τις περιπτώσεις μεγάλων κεντρικών ηλεκτροπαραγωγικών σταθμών (με εγκατεστημένη ισχύ μεγαλύτερη των 50MW συνήθως), οι οποίοι συνήθως εγκαθίστανται μακριά από τις αστικές περιοχές για περιβαλλοντικούς λόγους. Σε αυτές τις περιπτώσεις η μεταφορά της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στα σημεία κατανάλωσης πραγματοποιείται μέσω του δικτύου μεταφοράς (400kV και 150kV). Αντίθετα, στην Αποκεντρωμένη παραγωγή (Decentralized Power Generation) οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονταν πλησίον των θέσεων ζήτησης και αποσκοπούν στην τοπική εξυπηρέτηση των φορτίων. Οι μονάδες αυτές είναι συνήθως μικρότερες του 1MW και συνδέονται σε δίκτυα Μέσης Τάσης ή ακόμα και Χαμηλής Τάσης εφόσον η ισχύς τους είναι 16

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 μικρότερη των 100kWp. Τέλος οι ηλεκτροπαραγωγικοί σταθμοί με εγκατεστημένη ισχύ από 1 έως και 50MW μπορούν να συνδεθούν τόσο στην Υψηλή όσο και στη Μέση Τάση. Η τελική απόφαση είναι αποτέλεσμα συγκερασμού μεταξύ τεχνοοικονομικών μελετών και αποφάσεων που αφορούν την στρατηγική ανάπτυξης των δικτύων [22] Σύμφωνα με τους προαναφερθέντες συλλογισμούς οι ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες ΑΠΕ, λόγω της σχετικά μικρής εγκατεστημένης ισχύος τους, μπορούν να θεωρηθούν στο σύνολό τους ως Αποκεντρωμένη παραγωγή. Από την άλλη πλευρά όμως, τα αιολικά πάρκα, τα μεγάλα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί, εγκαθίστανται κατά κοινή πρακτική σε αραιοκατοικημένες και μη αστικές περιοχές για λόγους επάρκειας χώρου, περιβαλλοντικών περιορισμών και κυρίως καλύτερης εκμετάλλευσης της ΑΠΕ. Αυτό έχει ως συνέπεια, τα διερχόμενα πλησίον των περιοχών αυτών δίκτυα να είναι ασθενή, με αποτέλεσμα να απαιτείται η ενίσχυσή τους ή η κατασκευή νέων, προκειμένου να καταστεί δυνατή η σύνδεση των παραπάνω ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων σε αυτά. Συνεπώς οι παραπάνω μονάδες δεν μπορούν να θεωρηθούν ως αποκεντρωμένη παραγωγή, εφόσον η ισχύς τους δεν καταναλώνεται τοπικά. Υιοθετώντας λοιπόν το συμπέρασμα αυτό, οι παραπάνω μονάδες μπορούν να θεωρηθούν καταχρηστικά ως Κεντρικοποιημένη παραγωγή, ενώ, επιπρόσθετα, μόνο οι ηλεκτροπαραγωγικοί σταθμοί ΑΠΕ που εγκαθίστανται πλησίον των φορτίων (Μέσης ή Χαμηλής Τάσης) μπορούν να θεωρηθούν ως Αποκεντρωμένη παραγωγή. Συχνά οι σταθμοί αυτοί αποκαλούνται κατανεμημένοι ή ακόμα και μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής (Dispersed Power Generation systems). Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειωθεί πως μολονότι η χρήση κεντρικοποιημένων σταθμών Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας είναι δυνατόν να συνδράμει στην ενεργειακή ενίσχυση του ηλεκτρικού συστήματος, η μεγάλη απόσταση των μονάδων αυτών από τα σημεία κατανάλωσης έχει ως αποτέλεσμα το υψηλό επίπεδο φόρτισης των γραμμών μεταφοράς και διανομής, με άμεσο συνεπακόλουθο την καταπόνηση των τελευταίων λόγω των αυξημένων ηλεκτρικών απωλειών. Αντίθετα, η χρησιμοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, με τη μορφή μικρών μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, δύναται να συμβάλει καθοριστικά στη μείωση των απωλειών και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Στις διεσπαρμένες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής συμπεριλαμβάνεται ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο, ιδιαίτερα σε χώρες όπου οι γεωγραφικές και κλιματολογικές συνθήκες το ευνοούν. Σημειώνεται ότι, σε ορισμένες περιπτώσεις, η δυνατότητα τοπικής κάλυψης του φορτίου ή ενός μέρους αυτού από αποκεντρωμένες 17

26 μονάδες παραγωγής, με τη χρησιμοποίηση ΑΠΕ, επιτρέπει στις επιχειρήσεις διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να αντιμετωπίσουν τις αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις με μικρό κόστος. Αυτός ο τρόπος εξυπηρέτησης τοπικών φορτίων αποτελεί και τη βασική φιλοσοφία πάνω στην οποία έχουν δομηθεί νεοεμφανιζόμενα ηλεκτρικά συστήματα, τα οποία ονομάζονται Μικροδίκτυα (Micro-Grids) [13, 14]. Τα Μικροδίκτυα είναι συστήματα διανομής μέσης ή χαμηλής τάσης στα οποία είναι διασυνδεδεμένες μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, φορτία καθώς επίσης και διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας. Χαρακτηριστική ιδιότητα των Μικροδικτύων αποτελεί η ικανότητά τους να λειτουργούν τόσο σε συνδυασμό με πιθανόν προϋπάρχον δίκτυο μέσης ή χαμηλής τάσης όσο και αυτόνομα [13, 14, 23-25]. Στο σχήμα 1.1 παρουσιάζονται οι προαναφερθέντες τρόποι ενίσχυσης ενός παραδοσιακά δομημένου ηλεκτρικού συστήματος, με τη διασύνδεση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας τόσο με κεντρικοποιημένη όσο και με αποκεντρωμένη μορφή. Σχήμα 1.1: Τρόποι διασύνδεσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε ένα παραδοσιακά δομημένο ηλεκτρικό σύστημα. Ένα από τα βασικά μελήματα των επιχειρήσεων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι η μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης μέσω της ελαχιστοποίησης των απωλειών του ΣΗΕ. Είναι γνωστό ότι η (ηλεκτρική) απόσταση των μονάδων παραγωγής από τα σημεία κατανάλωσης, το επίπεδο φόρτισης των γραμμών μεταφοράς και διανομής, είναι οι 18

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 σημαντικότεροι παράγοντες που καθορίζουν το ποσό των ενεργειακών απωλειών. Αξίζει να σημειωθεί ότι στο ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο τροφοδοτείται αποκλειστικά από κεντρικούς σταθμούς παραγωγής και διασυνδέσεις, το ποσοστό των ενεργειακών απωλειών ανέρχεται περίπου στο 2% της εγχυόμενης ενέργειας των μονάδων ηλεκτροπαραγωγής και των εθνικών διασυνδέσεων στο σύστημα μεταφοράς (400kV και 150kV), ενώ στο σύστημα διανομής (20kV και 0.4kV) το ποσοστό ανέρχεται περίπου στο 7,5% εγχυόμενης ενέργειας, εκ των οποίων το 62% εμφανίζεται στο δίκτυο χαμηλής τάσης [26]. Επιπρόσθετα, εφόσον οι απώλειες είναι τετραγωνική συνάρτηση της έντασης του ρεύματος, οι μεγαλύτερες απώλειες εμφανίζονται κατά τη χρονική περίοδο του μέγιστου φορτίου. Η προσεχτική μελέτη των παραπάνω στοιχείων αποδεικνύει ότι η μερική ή ολική τροφοδότηση τοπικών φορτίων με το μοντέλο της διεσπαρμένης παραγωγής μπορεί να συμβάλει στη μείωση των ηλεκτρικών απωλειών και στην εξοικονόμηση ενέργειας, διότι με τον τρόπο αυτό μειώνεται η μεταφερόμενη ενέργεια μέσω των γραμμών μεταφοράς και διανομής [27-30]. Επιπλέον περιορίζονται οι δαπάνες επέκταση και ενίσχυσης των δικτύων μεταφοράς και διανομής Αν και η ενσωμάτωση ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο δίκτυο μέσης τάσης δε συνοδεύεται από ιδιαίτερες πρακτικές δυσκολίες, δεν συμβαίνει το ίδιο και με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών, εξαιτίας της δομής των σύγχρονων μεγαλουπόλεων. Σε αυτήν την περίπτωση η κύρια πηγή ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είναι η ηλιακή, ενώ η διαθεσιμότητα άλλων πηγών ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων και των υπολοίπων ΑΠΕ, είναι αρκετά περιορισμένη. Μικρά, ευέλικτα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα, που μπορούν να εγκατασταθούν τόσο σε κατοικίες, όσο και σε εμπορικά ή δημοσία κτίρια (Διασυνδεδεμένα κτιριακά Φ/Β συστήματα, BIPV Building Integrated Photovoltaics) μπορούν να καλύψουν σημαντικό μερίδιο της ενεργειακής κατανάλωσης [13]. Το συμπέρασμα αυτό γίνεται περισσότερο εμφανές από τη μελέτη του σχήματος 1.2, στο οποίο παρατίθεται ο χάρτης ηλεκτροπαραγωγικής ικανότητας φωτοβολταϊκών συστημάτων ονομαστικής ισχύος 1kW κατά τη διάρκεια ενός έτους για τον Ελλαδικό χώρο. Από τη μελέτη αυτού του σχήματος συμπεραίνεται ότι τόσο στην περίπτωση του λεκανοπεδίου Αττικής, όπου εμφανίζεται η μέγιστη εγχώρια ενεργειακή κατανάλωση, όσο και στα υπόλοιπα νότια γεωγραφικά διαμερίσματα, τα οποία χαρακτηρίζονται από σημαντική έλλειψη ενδογενούς ενεργειακής παραγωγής, το ηλιακό δυναμικό είναι ιδιαίτερα υψηλό [31] και μάλιστα αρκετά μεγαλύτερο συγκριτικά με αυτό πρωτοπόρων χωρών στον τομέα των BIPV συστημάτων, όπως η Γερμανία. Συνεπώς, η χρησιμοποίηση μικρών 19

28 φωτοβολταϊκών συστημάτων μπορεί να συμβάλει σημαντικά, ιδιαίτερα κατά τις χρονικές περιόδους υψηλού φορτίου, στην καλύτερη λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος. Σχήμα 1.2: Χάρτης ηλεκτροπαραγωγικής ικανότητας φωτοβολταϊκών συστημάτων ονομαστικής ισχύος 1kW κατά τη διάρκεια ενός έτους για τον Ελλαδικό χώρο [31]. Στο σημείο αυτό πρέπει να επισημανθεί ότι κατά κοινή πρακτική η χρήση των παραπάνω Φ/Β συστημάτων δεν αποσκοπεί στην ολική ενεργειακή κάλυψη των ηλεκτρικών φορτίων των περιοχών στις οποίες εγκαθίστανται, αλλά αντίθετα αποβλέπει στην εξομάλυνση της ηλεκτρικής ζήτησης. Επιπρόσθετα, σε χώρες όπου οι γεωγραφικές και κλιματολογικές συνθήκες δεν ευνοούν ιδιαίτερα τη χρησιμοποίηση των BIPV συστημάτων, είναι δυνατόν η εγκατάστασή τους να μην συνοδεύεται από τα προαναφερθέντα ηλεκτρικά οφέλη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι χώρες στις οποίες η μέγιστη ενεργειακή κατανάλωση παρουσιάζει έντονη χρονική διαφοροποίηση συγκριτικά με τα χρονικά διαστήματα στα οποία μεγιστοποιείται η παραγωγή των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, για την επιτυχή χρησιμοποίηση του μοντέλου της διεσπαρμένης παραγωγής, απαιτείται η εκμετάλλευση άλλων μορφών Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, ή ακόμα και η χρησιμοποίηση μικρών μονάδων συνδυασμένου κύκλου (παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θέρμανσης) [30]. 20

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ένα ενδεικτικό μέτρο της αποτελεσματικότητας των BIPV συστημάτων για της χώρες της διευρυμένης Ευρωπαϊκής Ένωσης αποτελεί το σχήμα 1.3. Αναλυτικότερα, στο σχήμα αυτό παρουσιάζεται η απαιτούμενη επιφάνεια Φ/Β πλαισίων ανά κάτοικο, προκειμένου να καλυφθεί το 1% της ετήσιας καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας κάθε χώρας [32]. Σχήμα 1.3: Απαιτούμενη επιφάνεια Φ/Β πλαισίων ανά κάτοικο στα κράτη μέλη της διευρυμένης Ευρωπαϊκής Ένωσης, προκειμένου να καλυφθεί το 1% της ετήσιας καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας κάθε χώρας [32]. Από τη μελέτη αυτού του σχήματος, προκύπτει πως ορισμένες χώρες που στερούνται ευνοϊκών κλιματολογικών και γεωγραφικών συνθηκών, παρουσιάζουν μικρότερη αναλογία απαιτούμενης επιφάνειας Φ/Β πλαισίων ανά κάτοικο συγκριτικά με κάποιες άλλες, που η γεωγραφική τους θέση δείχνει να αποτελεί ισχυρό κίνητρο για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Η έντονη αυτή διαφοροποίηση οφείλεται στην περιορισμένη οικονομική και βιομηχανική ανάπτυξη αυτών των χωρών, η οποία έχει άμεσο αντίκρισμα και στις ενεργειακές τους απατήσεις. Επιπρόσθετα, αξίζει να σημειωθεί ότι η συνολικά υπολογιζόμενη επιφάνεια βάσει των δεδομένων του σχήματος 1.3, δεν αντιστοιχεί κατά ανάγκη σε επίπεδες διαθέσιμες επιφάνειες καθώς τα συστήματα BIPV μπορούν να εγκατασταθούν και σε προσόψεις κτηρίων. Λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω συλλογισμούς διαφαίνεται πως ο στόχος της κάλυψης του 1% της ετήσιας καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας για την περίπτωση της Ελλάδας είναι εφικτός. 21