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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: Συστημάτων και Αυτόματου Ελέγχου ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: Αυτοματισμού & Ρομποτικής Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κυριάκου Δήμητρα Δημήτριος Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Τεχνοοικονομική Μελέτη Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος για Απομακρυσμένες Περιοχές: Φωτοβολταϊκά και Ανεμογεννήτρια» Επιβλέπων κ. Γρουμπός Πέτρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα Οκτώβριος 2015

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Τεχνοοικονομική Μελέτη Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος για Απόμακρυσμένες Περιοχές: Φωτοβολταϊκά και Ανεμογεννήτρια» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κυριάκου Δήμητρα Δημήτριος Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Πέτρος Γρουμπός, Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Νικόλαος Κούσουλας, Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Τεχνοοικονομική Μελέτη Αυτόνομου Υβριδικού Συστήματος για Απομακρυσμένες Περιοχές: Φωτοβολταϊκά και Ανεμογεννήτρια» Φοιτητής: Επιβλέπων:

4 1.1 Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Κεφάλαιο 1: Περιεχόμενα και περίληψη :Περιεχόμενα :Περίληψη :Abstract.5 Κεφάλαιο 2:Φυσική των φωτοβολταϊκών στοιχείων/πλαισίων : Ηλιακή ακτινοβολία :Ένωση p-n :Πόλωση της διόδου :Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο :Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών κυττάρων :Φωτοβολταικά συστήματα..19 Κεφάλαιο 3: Αιολική ενέργεια :Γενικά :Ιστορία αιολικών μηχανών :Ταχύτητα ανέμου :Μεταβολή της ταχύτητας του άνεμου με το ύψος :Επίδραση εμποδίων στην ροή του ανέμου :Είδη αιολικών μηχανών :Τεχνολογία Ανεμογεννητριών :Ισχύς Ανεμογεννητριών :Μικρής ισχύος ανεμογεννήτριες :Δομικά στοιχεία μικρών ανεμογεννητριών :Πτερύγια μικρών ανεμογεννητριών :Προσανατολισμός μικρών ανεμογεννητριών :Συστήματα ελέγχου ταχύτητας μικρής ανεμογεννήτριας :Γεννήτριες μικρών ανεμογεννητριών :Πύργοι στήριξης μικρών ανεμογεννητριών Κεφάλαιο 4: Τα ηλεκτρονικά των φωτοβολταϊκών :Εισαγωγή :Μονάδες μετατροπής ισχύος :Μετατροπέας DC-AC :Σχεδίαση ενός DC-AC μετατροπέα :Πλευρά εισόδου του μετατροπέα :Πλευρα εξόδου του μετατροπέα :Ελεγκτής φόρτισης :Παράλληλος ρυθμιστής φόρτισης :Ρυθμιστής φόρτισης σε σειρά..37 Κεφάλαιο 5: Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας 38 1

5 5.1: Η ανάγκη για αποθήκευση :Ηλιακοί συσσωρευτές : Δομή συσσωρευτών : Αρχή λειτουργίας συσσωρευτών : Κατηγορίες στοιχείων και συσσωρευτών : Πρωτεύοντα στοιχεία ή συσσωρευτές : Δευτερεύοντα στοιχεία ή συσσωρευτές : Τύποι συσσωρευτών : Συσσωρευτές μολύβδου : Άλλοι τύποι συσσωρευτών : Κύκλος λειτουργίας : Χαρακτηριστικά μεγέθη ενός συσσωρευτή : Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά : Χωρητικότητα : Εκφόρτιση και επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης : Αυτοεκφόρτιση : Φόρτιση : Χρόνος ζωής συσσωρευτή : Συντελεστής γήρανσης συσσωρευτή : Συντελεστής φόρτισης και απόδοση : Οι συσσωρευτές στα αυτόνομα συστήματα : Κύκλος λειτουργίας σε αυτόνομα συστήματα με εφεδρική πηγή : Ονομαστική χωρητικότητα και παρεχόμενη ισχύς από τους συσσωρευτές κατά τη λειτουργία τους σε αυτόνομο σύστημα Κεφάλαιο 6: Οικονομικά στοιχεία - πληροφορίες σχετικά με το πρόγραμμα εξομοίωσης Homer : Οικονομικά στοιχεία : Πληροφορίες σχετικά με το πρόγραμμα προσομοίωσης Homer : Εισαγωγή : Εξομοίωση : Βελτιστοποίηση : Ανάλυση Ευαισθησίας : Φυσική διαμόρφωση : Φορτίο : Πηγές : Στοιχεία συστημάτων : Επικοινωνία συστήματος : Οικονομική διαμόρφωση 59 Κεφάλαιο 7: Πρώτη προσομοίωση με κλασσικά φωτοβολταϊκά : Πρώτη προσομοίωση : Πρώτη προσομοίωση στην περιοχή της Πάτρας Ρίου : Πρώτη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς...70 Κεφάλαιο 8: Σύστημα προσανατολισμού φωτοβολταϊκών tracker : Δεύτερη προσομοίωση

6 8.1.1: Δεύτερη προσομοίωση στην περιοχή της Πάτρας-Ρίου : Δεύτερη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς.81 Κεφάλαιο 9: Υβριδικά Φωτοβολταϊκά : τρίτη προσομοίωση χρησιμοποιώντας υβριδικά φωτοβολταϊκά : Τρίτη προσομοίωση στην περιοχή της Πάτρας-Ρίου : Τρίτη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς.92 Κεφάλαιο 10: AC coupled σύστημα : Τέταρτη προσομοίωση με διαμόρφωση του συστήματος ως ac-coupled : Τέταρτη προσομοίωση στην περιοχή της Πάτρας-Ρίου : Τέταρτη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς..104 Κεφάλαιο 11: Σύγκριση και σχολιασμός αποτελεσμάτων : Σχολιασμός γραφικών και αποτελεσμάτων για την περιοχή της Πάτρας- Ρίου : Σχολιαμός γραφικών και αποτελεσμάτων για την περιοχή της Κεφαλονιάς Συμπεράσματα Κεφάλαιο 12: Βιβλιογραφία

7 1.2 Περίληψη Στη παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρείται μια προσπάθεια για τη προσομοίωση και την ανάπτυξη διαφορετικών υβριδικών συστημάτων σε δύο περιοχές της Ελλάδας με στόχο την εύρεση του πιο συμφέροντος συνδυασμού για κάθε μια από αυτές. Τα παραγωγικά στοιχεία ενέργειας που χρησιμοποιούνται είναι τα φωτοβολταϊκά σε διαφορετικές παραλλαγές τους και οι ανεμογεννήτριες. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μια θεωρητική αναφορά στην ηλιακή ακτινοβολία, τα φυσικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών κυττάρων καθώς και στις υπάρχουσες τεχνολογίες. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι αιολικές μηχανές και η ιστορική τους αναδρομή, παρουσιάζονται τα είδη των ανεμογεννητριών καθώς και η επίδραση της ταχύτητας του ανέμου στη λειτουργία τους. Τέλος αναλύονται οι μικρής ισχύος ανεμογεννήτριες που θα μας απασχολήσουν στη παρούσα μελέτη. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα απαραίτητα ηλεκτρονικά στοιχεία που απαιτούνται για την εκμετάλλευση της ενέργειας που προέρχεται από φωτοβολταϊκά και ανεμογεννήτριες. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύεται η ανάγκη για αποθήκευση ενέργειας σε ένα αυτόνομο υβριδικό σύστημα καθώς και η δομή, η λειτουργία, τα χαρακτηριστικά και οι διάφοροι τύποι συσσωρευτών. Στο Κεφάλαιο 6 επεξηγούνται τα οικονομικά στοιχεία που απαιτεί το πρόγραμμα προσομοίωσης και αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας των προσομοιώσεων του προγράμματος HOMER ENERGY. Στο Κεφάλαιο 7 λαμβάνει χώρα η πρώτη προσομοίωση σε δύο περιοχές της Ελλάδας χρησιμοποιώντας τα πιο διαδεδομένα συστήματα φωτοβολταϊκών. Στο Κεφάλαιο 8 επαναλαμβάνονται οι παραπάνω προσομοιώσεις με τη διαφορά πως τα φωτοβολταϊκα εγκαθίστανται πλέον σε σύστημα προσανατολισμού (tracker) Το Κεφάλαιο 9 περιλαμβάνει προσομοιώσεις που χρησιμοποιούν υβριδικά φωτοβολταϊκά για το αυτόνομο σύστημα, πραγματοποιώντας υπόθεση εργασίας πως τα υβριδικά φωτοβολταϊκά κυμαίνονται στα ίδια επίπεδα τιμών με τα φωτοβολταϊκά της πρώτης προσομοίωσης. Στο Κεφάλαιο 10 πραγματοποιείται η τέταρτη και τελευταία προσομοίωση κατά την οποία το αυτόνομο σύστημα είναι AC- coupled. Τέλος στο Κεφάλαιο 11 πραγματοποιείται σύγκριση όλων των αποτελεσμάτων και εξάγονται τα απαραίτητα συμπεράσματα. 4

8 1.3 Abstract This thesis attempts to simulate and develop different hybrid systems in two regions of Greece in order to find the most advantageous combination for each of them. The energy production data figured are the photovoltaic in different variations as well as the wind turbines. In Chapter 2 there is a theoretical reference to solar radiation, to physical characteristics of photovoltaic cells as well as to existing technologies. Chapter 3 describes the wind turbine and its history and presents the types of wind turbines as well as the impact of the wind in their function. At the end, the low-power wind turbines are analyzed which will be occupied in the present study. Chapter 4 presents the necessary electronic components required for the exploitation of energy from photovoltaic and wind turbines. Chapter 5 deals with the need for energy storage in an autonomous hybrid system and describes its function, structure and characteristics as well as the various types of accumulators on the market. Chapter 6 illustrates the financial data required by the simulation program and analyzes its operation mode. In Chapter 7 takes place the first simulation in two regions of Greece using the most prevalent photovoltaic systems. Chapter 8 repeats the above simulations with the difference that the photovoltaic cells are now installed on orientation systems (trackers). Chapter 9 includes simulations that use hybrid photovoltaic for the autonomous system making assumptions that the price of hybrid photovoltaic cells range in about the same price as photovoltaic cells of the first simulation. In Chapter 10 is carried out the fourth and last simulation in which the autonomous system is AC coupled. Finally, in Chapter 11 there is a comparison of all results and the necessary conclusions are being exported. 5

9 2.1 Ηλιακή ακτινοβολία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΦΥΣΙΚΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ/ΠΛΑΙΣΙΩΝ Η ηλιακή ενέργεια, είναι καθοριστική για την ύπαρξη ζωής στη Γη. Καθορίζει τη θερμοκρασία στην επιφάνεια της και παρέχει ουσιαστικά το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία των φυσικών συστημάτων. Ο ήλιος δηλαδή, ενεργεί ως μια τέλεια πηγή ακτινοβολίας (μέλαν σώμα) σε μια θερμοκρασία κοντά στους 5800 Κ. Η προσπίπτουσα ροή ενέργειας πάνω σε μία μονάδα επιφάνειας, που είναι κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από την ατμόσφαιρα, είναι γνωστή ως ηλιακή σταθερά :. Η ισχύς από μια πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας, ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας [1]. Κατά τη διέλευση των ηλιακών ακτινών από την ατμόσφαιρα της Γης, η έντασή τους ελαττώνεται, αφού τα φωτόνια σκεδάζονται στα μόρια της ατμόσφαιρας, στα πολύ μικρής διαμέτρου d σωματίδια, καθώς και στα μεγαλύτερης διαμέτρου αιωρήματα, όπως υδρατμοί, σκόνη και καπνός. Ένα άλλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από συστατικά της ατμόσφαιρας. Για παράδειγμα, υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από τα μόρια του όζοντος στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, ώστε η ένταση των ακτινών αυτών στην επιφάνεια της γης, να είναι εξαιρετικά μειωμένη και η καρκινογόνος δράση της περιορισμένη. Άρα στην επιφάνεια της γης, φτάνουν δύο συνιστώσες του ηλιακού φωτός: α) η απευθείας η άμεση Β (Beam) και β) η σκεδαζόμενη στα μόρια του αέρα, που ονομάζεται διάχυτη D (Diffuse). Η διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια, προέρχεται από τον ουράνιο θόλο ( πάνω από το φυσικό ορίζοντα ). Επομένως η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε έναν συλλέκτη ή σε έναν αισθητήρα αποτελείται από την απευθείας, τη διάχυτη και την ανακλώμενη από το έδαφος. Η συνολική αυτή ακτινοβολία λέγεται ολική ακτινοβολία και συμβολίζεται με G ( Global Irradiation). Η ανακλώμενη ακτινοβολία εξαρτάται από τη μορφολογία και το χρώμα του εδάφους και την πυκνότητα των νεφών, ενώ η ολική, απευθείας και διάχυτη, εξαρτώνται από τους επόμενους παράγοντες : Τη σύσταση της ατμόσφαιρας τη δεδομένη χρονική στιγμή (π.χ. υγρασία, ατμοσφαιρικά αιωρήματα). Την ημέρα κατά τη διάρκεια του έτους. Τη γωνία πρόσπτωσης των ακτινών στην επιφάνεια του συλλέκτη (ύψος του ήλιου στη διάρκεια της ημέρας). Κατά την ανατολή του ήλιου, η ζενίθια γωνία του ήλιου ( z = 90 - EL, όπου ΕL (Elevation) to ύψος του ήλιου ) είναι z=90 (σχήμα 2.1), επομένως η ολική οριζόντια πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας G, καθορίζεται κυρίως από τη διάχυτη συνιστώσα D. Καθώς το ύψος του ηλίου αυξάνει, η απευθείας κάθετη ακτινοβολία αυξάνει μέχρι το ηλιακό μεσημέρι, ενώ μετά από αυτό ελαττώνεται περίπου κατά συμμετρικό τρόπο. 6

10 Σχήμα 2.1 : Το μήκος L που διανύουν οι ηλιακές ακτίνες μέσα στην ατμόσφαιρα πάχους Η και η ζενίθια γωνία ζ. Όταν ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη Γη, κατανέμεται ανομοιόμορφα στις διάφορες περιοχές. Οι περιοχές πλησίον του Ισημερινού λαμβάνουν περισσότερη ακτινοβολία. Η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει σημαντικά ανάλογα με τις περιοχές και εξαρτάται από την ώρα της ημέρας, το κλίμα ( τα σύννεφα σκεδάζουν τις ακτίνες του ηλίου ) και την ατμοσφαιρική ρύπανση. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες επηρεάζουν το ποσό της ηλιακής ενέργειας που διατίθεται και προσπίπτει στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία (kw/m²) αθροίζεται κατά τη διάρκεια ενός έτους, προκύπτει η ετήσια ηλιακή ενέργεια (συνήθως σε kwh/m²). Η τιμή αυτή διαφέρει σημαντικά [2] ανάλογα της τοποθεσίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2 : Χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας των χωρών της Ευρώπης. Η χώρα μας βρίσκεται μεταξύ των χωρών υψηλής ακτινοβολίας. Αυτό είναι πλεονέκτημα στην εφαρμογή των φωτοβολαταϊκών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από το Κέντρο Ερευνών της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχουν γίνει μελέτες για την Ελλάδα που απεικονίζονται στους χάρτες των σχημάτων 2.3 και 2.4. Οι χάρτες αντιπροσωπεύουν την ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m²) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε 7

11 οριζόντια θέση (σχήμα 2.3) και υπό τη βέλτιστη γωνία κλίσης (σχήμα 2.4) και αφορούν διάστημα 10 ετών από την περίοδο Σχήμα 2.3 : Χάρτης μέσης ετήσιας ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην Ελλάδα στο οριζόντιο επίπεδο, σε KWh/m². Σχήμα 2.4 : Χάρτης αθροίσματος μέσης ετήσιας ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην Ελλάδα στη βέλτιστη κλίση, σε KWh/m². Η ενεργειακή απόδοση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος εξαρτάται από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία αλλά και από την ικανότητα των στοιχείων αυτών να την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Για το λόγο αυτό εντείνονται συνεχώς οι ερευνητικές προσπάθειες, για να 8

12 γίνει βελτίωση της ικανότητας μετατροπής των φωτοβολταϊκών στοιχείων, ώστε να είναι πιο ανταγωνιστικά σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες. 2.2 Ένωση p-n Οι σημαντικότερες ιδιότητες και εφαρμογές των διατάξεων ημιαγωγών δεν προέρχονται από την δημιουργία φορέων, αλλά οφείλονται περισσότερο στη διάχυση των φορέων τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών είναι η επαφή p-n (σύνδεση, ένωση ή μετάβαση p-n) που σχηματίζεται όταν έλθουν σε στενή επαφή ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p με ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου n. Τότε ένα μέρος από τις οπές του τεμαχίου τύπου p διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου n, όπου οι οπές είναι λιγότερες, και ένα μέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεμαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου p, όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι πολύ λιγότερα. Η ανάμιξη των φορέων και η αύξηση της συγκέντρωσης των φορέων μειονότητας στις περιοχές κοντά στη διαχωριστική επιφάνεια των τεμαχίων τύπου p και n, ανατρέπουν την κατάσταση ισορροπίας που υπήρχε. Η αποκατάσταση συνθηκών ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις των φορέων, μέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιμές που να ικανοποιούν το νόμο δράσης των μαζών. Γι αυτό η περιοχή γύρω από την ένωση p-n ονομάζεται ζώνη εξάντλησης των φορέων. Η διάταξη ημιαγωγών που αποτελείται από μια ένωση p-n και από μία ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε τμήμα της ονομάζεται δίοδος ημιαγωγού ή απλά δίοδος [3]. Σε αντίθεση με τους ευκίνητους φορείς των ημιαγωγών ( ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές) που τείνουν να διαχέονται προς τις περιοχές με τη μικρότερη συγκέντρωση τους, η συγκέντρωση των αρνητικών ιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι δότες στο τμήμα τύπου n, παραμένουν αμετάβλητες, αφού τα ιόντα μένουν ακίνητα στο σώμα. Έτσι το υλικό χάνει τοπικά την ηλεκτρική ουδετερότητα και οι δύο πλευρές της ένωσης p-n φορτίζονται με αντίθετα φορτία. Δημιουργείται λοιπόν μία διαφορά δυναμικού, που η τιμή της είναι μικρή ( συνήθως περίπου 0.3 μέχρι 0.5 V, ανάλογα με τις συγκεντρώσεις των προσμίξεων), αλλά το ενσωματωμένο αυτό ηλεκτροστατικό πεδίο εμποδίζει την παραπέρα διάχυση των φορέων πλειονότητας προς το απέναντι τμήμα της ένωσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι η δίοδος που περιέχει την ένωση p-n παρουσιάζει εντελώς διαφορετική συμπεριφορά στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, ανάλογα με τη φορά του. Σχήμα 2.5 : Οι συγκεντρώσεις των φορέων κατά μήκος της p-n επαφής. 9

13 2.3 Πόλωση της διόδου Η μια περίπτωση είναι να επιβληθεί στη δίοδο p-n ορθή πόλωση, δηλαδή ο αρνητικός πόλος της πηγής να συνδεθεί με το τμήμα τύπου n της διόδου και ο θετικός πόλος με το τμήμα τύπου p (σχήμα 2.6). Τότε τα ηλεκτρόνια ρέουν ανεμπόδιστα από την πηγή, διαμέσου του τμήματος τύπου n, προς την περιοχή της ένωσης όπου επανασυνδέονται με τις οπές που σχηματίζονται με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων προς το θετικό πόλο της πηγής, διαμέσου του τμήματος τύπου p. Στην ανάστροφη πόλωση, δηλαδή αν ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδεθεί με το τμήμα τύπου p και ο θετικός με το τμήμα τύπου n, γίνεται επανασύνδεση των οπών του τμήματος τύπου p με τα ηλεκτρόνια που έρχονται από την πηγή και απομάκρυνση των ελεύθερων ηλεκτρονίων του τμήματος τύπου n προς το θετικό πόλο της πηγής. Οι συγκεντρώσεις των φορέων μειώνονται πάρα πολύ, το πάχος της ζώνης εξάντλησης αυξάνει και τα φορτισμένα άτομα των προσμίξεων δημιουργούν ισχυρό εσωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο που είναι αντίθετο προς το πεδίο που επιβάλλει η πηγή. Το αποτέλεσμα είναι ότι η δίοδος προβάλλει μεγάλη αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα. Δηλαδή μπορεί μία δίοδος που έχει σε ορθή πόλωση μόλις 10 Ω, να την αυξάνει στην αντίστροφη πόλωση σε 100ΜΩ, δηλαδή γίνεται δέκα εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. Σχήμα 2.6 : Συνδεσμολογία ορθής και ανάστροφης πόλωσης Σχήμα 2.7 : I-V χαρακτηριστική επαφής p-n. Το διάγραμμα του σχήματος 2.7 δείχνει ακριβώς την ιδιόμορφη μεταβολή της έντασης του ρεύματος που διαρρέει μια δίοδο ένωσης p-n, σε συνάρτηση με την τιμή της τάσης και το είδος της πόλωσης που εφαρμόζεται. 10

14 2.4 Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι η βασική φυσική διαδικασία κατά την οποία ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική. Ημιαγώγιμα υλικά όπως το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο ή ο δισελινοϊνδιούχος χαλκός χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό. Το κρυσταλλικό πυρίτιο ωστόσο παραμένει το πιο διαδεδομένο υλικό για τη δημιουργία φωτοβολταϊκών στοιχείων. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια του υλικού, τότε ένα μέρος αυτού ανακλάται, ένα άλλο τη διαπερνά και το υπόλοιπο απορροφάται από το υλικό. Η απορρόφηση του φωτός έχει ως αποτέλεσμα τη μετατροπή του σε άλλη μορφή ενέργειας, που συνήθως είναι θερμότητα. Όμως υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων, που προσπίπτουν στην επιφάνεια τους, σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά είναι οι ημιαγωγοί στους οποίους οφείλεται επίσης σε μεγάλο βαθμό η τεχνολογική πρόοδος του τομέα της ηλεκτρονικής, της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια, δηλαδή πακέτα ηλιακής ενέργειας. Τα φωτόνια περικλείουν διαφορετικά ποσά ενέργειας που αντιστοιχούν στα διάφορα μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος. Η τεχνολογία μας επέτρεψε την εκμετάλλευση της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας με τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούνται διόδους ημιαγωγικών ενώσεων τύπου p-n με τη μορφή επίπεδης πλάκας. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, μπορεί να απορροφηθεί σε χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο διαρκεί η πρόσπτωση της ακτινοβολίας δημιουργείται περίσσεια φορέων ( περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών ). Οι φορείς κυκλοφορούν στο στερεό και αν δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντίθετου πρόσημου δέχονται την επίδραση του ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Σχήμα 2.8 : Λειτουργία φωτοβολταϊκών κυττάρων στηριζόμενη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κατευθύνονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές προς το τμήμα 11

15 τύπου-p, έτσι δημιουργείται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Αν στους ακροδέκτες συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύματος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς το φορτίο (σχήμα 2.8). Η ολική διάταξη αποτελεί μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος που διατηρείται για όσο χρονικό διάστημα διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του κυττάρου. Η ύπαρξη της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες της παραπάνω διάταξης, που αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο [4], [5]. Επίδραση της θερμοκρασίας στις χαρακτηριστικές παραμέτρους των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Η θερμοκρασία λειτουργίας ενός στοιχείου έχει άμεση επίδραση στη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η αύξηση της θερμοκρασίας σε ένα ηλιακό πλαίσιο, επιδρά αρνητικά. Δηλαδή, η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως επακόλουθο την μείωση παραγωγής ισχύος του πλαισίου. Συγκεκριμένα, η μείωση αυτή οφείλεται στη μεγάλη μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος και επομένως της τάσης του σημείου μέγιστης ισχύος VMPP, ενώ η αμυδρή αύξηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης, συνεπώς και του IMPP, δεν είναι ικανή να ανατρέψει το αποτέλεσμα. Το σχήμα 2.9 παρουσιάζει μερικές I-V χαρακτηριστικές καμπύλες για διαφορετικές θερμοκρασίες ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου [6]. Από το διάγραμμα αυτό βλέπουμε ότι αυξανομένης της θερμοκρασίας, το σημείο μέγιστης ισχύος MPP μετατοπίζεται προς τα αριστερά, δηλαδή παίρνει χαμηλότερες τιμές, κυρίως λόγω της σημαντικής μείωσης της τάσης VMPP. Το ρεύμα που αποδίδει το ηλιακό κύτταρο δίνεται από τη διαφορά : I=Iph ID (2.1) Όπου Iph είναι το φωτόρευμα και ID είναι το ρεύμα της διόδου, το οποίο δίνεται από τον τύπο: ID = Ι0( (2.2) I 0 : Το ρεύμα κόρου της διόδου Σε περίπτωση βραχυκυκλώματος το ρεύμα είναι Ιsc = Ιph, το οποίο είναι και το μέγιστο ρεύμα που μπορούμε να πετύχουμε, ενώ σε περίπτωση ανοιχτοκυκλώματος η τάση είναι : VOC = ln( ) (2.3) Σχήμα 2.9 : I-V χαρακτηριστικές καμπύλες για διαφορετικές θερμοκρασίες ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. 12

16 Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στις χαρακτηριστικές παραμέτρους των φωτοβολταϊκών στοιχείων Ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια του σε ηλεκτρική. Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα της ηλιακής ακτινοβολίας σε W/m², τόση περισσότερη ισχύ μπορούμε να λάβουμε στη DC λειτουργία, εάν η αύξηση της θερμοκρασίας δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να μειώσει κατά πολύ την απόδοση του ηλιακού πλαισίου. Άρα, κατά την τοποθέτηση των πλαισίων, πρέπει να προσέξουμε κάθε παράγοντα που προκαλεί μείωση του ποσοστού της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει σ αυτά. Για παράδειγμα, τέτοιοι παράγοντες είναι η κλίση στην οποία είναι τοποθετημένα τα πλαίσια ( και πρέπει να είναι τέτοια ώστε να επιτυγχάνουμε βέλτιστη πρόσπτωση της ακτινοβολίας) και η σκίαση που μπορεί να υποστούν (είτε λόγω του περιβάλλοντα χώρου είτε λόγω μικρής ενδιάμεσης απόστασης μεταξύ τους). Στο σχήμα 2.10 παρουσιάζονται μερικές I-V χαρακτηριστικές καμπύλες για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας [6]. Παρατηρούμε ότι το ρεύμα βραχυκύκλωσης Ιsc αυξάνεται ευθέως ανάλογα με την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc αυξάνεται σε μικρότερο ποσοστό επειδή είναι λογαριθμική συνάρτηση του Ιph. Η καμπύλη πάνω στην οποία κινείται το σημείο μέγιστης ισχύος MPP, δηλαδή η μέγιστη παρεχόμενη ισχύς PMPP, βεβαιώνει ότι αυτή αυξάνεται με την αύξηση της ακτινοβολίας. Σχήμα 2.10 : I-V χαρακτηριστικές καμπύλες για διαφορετικές τιμές της προσπίπτουσας ακτινοβολίας 2.5 Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών κυττάρων Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά. Η καταλληλότητα ενός ημιαγωγού για χρησιμοποίηση σε φωτοβολταϊκά στοιχεία εξαρτάται από το ενεργειακό κενό μεταξύ των περιοχών σθένους και αγωγιμότητας. Το εύρος του ενεργειακού κενού καθορίζει τη διαφορά δυναμικού που θα δημιουργηθεί, ενώ όσο μικρότερο είναι το κενό, τόσο περισσότερα είναι τα ζεύγη φορτίων που μπορούν να δημιουργηθούν άρα και η ένταση του παραγόμενου ρεύματος. Το ζητούμενο είναι το γινόμενο αυτών των δύο μεγεθών, διαφορά δυναμικού (τάση) και ένταση ρεύματος, δηλαδή ισχύς να είναι το μέγιστο δυνατό. Λόγω του ενεργειακού του διακένου ο πιο κατάλληλος ημιαγωγός για παραγωγή ρεύματος από τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας είναι το αρσενιούχο γάλλιο ( θεωρητικά δυνατότητα απόδοσης μέχρι 31% ). Εντούτοις, το πιο κοινό υλικό που χρησιμοποιείται είναι το πυρίτιο, λόγω του χαμηλού του κόστους και της προχωρημένης τεχνολογίας που το συνοδεύει, που οφείλεται στην ευρεία χρήση του στη βιομηχανία των ηλεκτρονικών. Άλλο πλεονέκτημα του πυριτίου είναι ότι μπορεί να βρεθεί πάρα πολύ εύκολα στη φύση, είναι το δεύτερο σε αφθονία υλικό που υπάρχει στον πλανήτη μετά το 13

17 οξυγόνο. Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) και ο χαλαζίτης αποτελούν το 28% του φλοιού της γης. Το πυρίτιο είναι ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον, ενώ μπορεί εύκολα να λιώσει και να μορφοποιηθεί. Επίσης είναι σχετικά εύκολο να μετατραπεί στην μονοκρυσταλλική του μορφή. Οι ηλεκτρικές του ιδιότητες μπορούν να διατηρηθούν μέχρι και τους 125 C, κάτι που επιτρέπει τη χρήση του σε ιδιαίτερα δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτός είναι και ο λόγος που τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου ανταπεξέρχονται σε ένα ιδιαίτερο ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Είναι ίσως και το μοναδικό υλικό που παράγεται με τόσο μαζικό τρόπο. Το πυρίτιο σήμερα αποτελεί την πρώτη ύλη για το 90% της αγοράς των φωτοβολταϊκών. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών κυττάρων [5]. Φωτοβολταϊκά στοιχεία παχέων επιστρώσεων 1)Φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Single Crystalline Silicon, sc-si) Το πάχος των κυττάρων αυτών είναι γύρω στα 0,3 χιλιοστά. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται από % για το πλαίσιο. Εργαστηριακά έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7% [7]. Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέσης απόδοσης/επιφάνειας ή ενεργειακής πυκνότητας. Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι το υψηλό κόστος κατασκευής σε σχέση με τα πολυκρυσταλλικά. Βασικές τεχνολογίες παραγωγής μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι η μέθοδος CZ (Czochralski) και η μέθοδος FZ (float zone). Αμφότερες βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. Το μονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό στοιχείο υψηλότερης απόδοσης στο εμπόριο σήμερα, είναι της SunPower με απόδοση πλαισίου 18,5%. Είναι το μοναδικό που έχει τις μεταλλικές επαφές στο πίσω μέρος του πάνελ αποκομίζοντας έτσι μεγαλύτερη επιφάνεια αλληλεπίδρασης με την ηλιακή ακτινοβολία. 2) Φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (MultiCrystalline Silicon, mc-si) Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 χιλιοστά. Η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των μονοκρυσταλλικών γι αυτό και η τιμή τους είναι λίγο χαμηλότερη. Οπτικά 14

18 μπορούμε να παρατηρήσουμε τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση οι μονοκρυσταλλικές περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κύτταρα. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως και 15% για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι η μέθοδος κατευθυντικής στερεοποίησης DS (directional solidification), η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου ( χύτευση ) και η ηλεκτρομαγνητική χύτευση EMC. 3) Φωτοβολταϊκά στοιχεία ταινίας πυριτίου (Ribbon Silicon) Πρόκειται για μια σχετικά νέα τεχνολογία. Αναπτύσσεται από την Evergreen Solar. Προσφέρει έως και 50% μείωση στη χρήση του πυριτίου σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών στοιχείων πυριτίου Η απόδοση για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία του έχει φτάσει πλέον γύρω στο 12-13% ενώ το πάχος του είναι περίπου 0,3 χιλιοστά. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις της τάξης του 18%. Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών επιστρώσεων (thin film) 1) Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe ή CIS, με προσθήκη γαλλίου CIGS) Ο Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτων φως παρόλα αυτά η απόδοσή του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11% (πλαίσιο). Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8%, που είναι και η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με την πρόσμιξη γαλλίου CIGS η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο. Το πρόβλημα είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στη φύση. Στα επόμενα χρόνια πάντως αναμένεται το κόστος του να είναι αρκετά χαμηλότερο. 15

19 2) Λεπτά Φιλμ άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-si) Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία αυτά, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού (πυρίτιο στη περίπτωσή μας) πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης χαμηλού κόστους, όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου και το γεγονός ότι δεν υπάρχει κρυσταλλική συμμετρία σε μικροεπίπεδο. Οι επιδώσεις που επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά thin films πυριτίου, κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8%, ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a-si είναι ότι δεν επηρεάζεται πολύ από υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσής του σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία ( συννεφιά). Το μειονέκτημα των άμορφων πλαισίων είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα, κάτι που σημαίνει ότι για να παράγουμε την ίδια ενέργεια χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία, καθώς και η υποβάθμιση των ιδιοτήτων τους αμέσως μετά την έκθεση τους σε ηλιακή ακτινοβολία. Επίσης υπάρχουν αμφιβολίες όσον αφορά τη διάρκεια ζωής των άμορφων πλαισίων, αφού δεν υπάρχουν στοιχεία από παλιές εγκαταστάσεις γιατί η τεχνολογία είναι σχετικά καινούργια. Παρόλα αυτά οι κατασκευαστές πλέον δίνουν εγγυήσεις απόδοσης 20 ετών. Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου 0,0001 χιλιοστά ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3 χιλιοστά. 3) Τελουριούχο κάδμιο (CdTe) Το Τελουριούχο κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο 1 ev, το οποίο του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα, όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι 16

20 σύγχρονες τεχνικές όμως προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φτάσει το 16%. Μελλοντικά αναμένεται το κόστος του να πέσει αρκετά. Σημαντικότερος κατασκευαστής για φωτοβολταϊκά στοιχεία CdTe, είναι η First Solar. Τροχοπέδη για τη χρήση του αποτελεί το γεγονός ότι το κάδμιο, σύμφωνα με κάποιες έρευνες, είναι καρκινογόνο, με αποτέλεσμα να προβληματίζει το ενδεχόμενο της εκτεταμένης χρήσης του. Ήδη η Greenpeace έχει εναντιωθεί στη χρήση του. Επίσης προβληματίζει η έλλειψη του Τελλουρίου. Σημαντικότερη χρήση του είναι η ενθυλάκωσή του στο γυαλί ως δομικό υλικό στα φωτοβολταϊκά πλαίσια που ενσωματώνονται στα κτίρια (BIPV Building Integrated Photovoltaic). 4) Aρσενιούχο Γάλλιο (GaAs) Το Γάλλιο είναι παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων, όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος και είναι πιο σπάνιο ακόμα και από τον χρυσό. Το Αρσένιο δεν είναι σπάνιο, αλλά έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενιούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43 ev, που είναι ιδανικό για την απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοσή του στην μορφή πολλαπλών συνενώσεων (multijunction), είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που επιβάλλει σχεδόν τη χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων ( solar concentrators). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν σε πολύ υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας και έχουν πολύ υψηλή απόδοση, γι αυτό ενδείκνυνται για διαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs. Φωτοβολταϊκά στοιχεία ετεροεπαφών Ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ετεροεπαφής αποτελείται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών. HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Τα πιο γνωστά τέτοια φωτοβολταϊκά στοιχεία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου, ενώ ενδιάμεσα υπάρχει μια στρώση μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Κατασκευάζεται από την Sanyo Solar. Μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου που φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17,2%, το οποίο σημαίνει ότι χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Τα αντίστοιχα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχουν απόδοση 19,7%. Άλλα πλεονεκτήματα για αυτά τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι η υψηλή τους απόδοση σε μεγάλες θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στην διαχεόμενη ακτινοβολία. Φυσικά, αφού προσφέρει τόσα πολλά αυτό το φωτοβολταϊκό είναι και ακριβότερο σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια. 17

21 Φωτοβολταϊκά πλαίσια εύκαμπτης βάσης Μια τελείως νέα τεχνολογία αποτελεί το πρωτοποριακό προϊόν spheral solar, που βασίζεται σε υλικό, που αντίθετα με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά κύτταρα, δεν επικάθεται σε άκαμπτη βάση πυριτίου, αλλά είναι φτιαγμένο από χιλιάδες πάμφθηνα σφαιρίδια πυριτίου, εγκλωβισμένα ανάμεσα σε δύο φύλλα αλουμινίου. Τα σφαιρίδια κατασκευάζονται από υπολείμματα πυριτίου που προκύπτουν από τη βιομηχανία των chips των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Κάθε σφαιρίδιο, λειτουργεί ως ανεξάρτητο μικροσκοπικό φωτοβολταϊκό κύτταρο απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία και μετατρέποντας την σε ηλεκτρισμό. Τα φύλλα αλουμινίου εξασφαλίζουν στο υλικό τη φυσική αντοχή που χρειάζεται, το κάνουν εύκαμπτο αλλά και ελαφρύ, ενώ ταυτόχρονα παίζουν το ρόλο ηλεκτρικής επαφής. Η γεμάτη φυσαλίδες επιφάνεια που δημιουργούν τα σφαιρίδια επιτρέπει μεγαλύτερη απορρόφηση ηλιακού φωτός, χαρίζοντας στο υλικό αποδοτικότητα της τάξης του 11%. Μπορεί να καλύψει οποιουδήποτε σχήματος επιφάνειες, αυξάνοντας κατά πολύ τις επιφάνειες όπου μπορεί να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια και δίνοντας στους αρχιτέκτονες τη δυνατότητα να σχεδιάζουν κτήρια με καμπύλες που θα μπορούν να είναι επενδυμένα με φωτοβολταϊκά, χωρίς να απαιτούνται ενισχυμένες κατασκευές για την στήριξή τους, όπως αυτό στο σχήμα Σχήμα 2.11 : Εφαρμογή φωτοβολταϊκών εύκαμπτων βάσεων. Στον πίνακα 2.1 παρουσιάζονται οι πιο διαδεδομένες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων που αναφέρθηκαν μέχρι τώρα. Γίνεται μια σύγκριση μεταξύ τους όσον αφορά την απόδοση, την απαιτούμενη επιφάνεια ανά kwp, τη μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας σε kwh, ανά kwp και σε kwh ανά m², καθώς και τη μέση ετήσια μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. 18

22 Άλλες τεχνολογίες Πίνακας 2.1 : Συγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών. Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών εξελίσσεται με ραγδαίους ρυθμούς και διάφορα εργαστήρια στον κόσμο παρουσιάζουν νέες πατέντες. Τεχνολογίες φωτοβολταϊκών στοιχείων που φαίνεται να ξεχωρίζουν και μελλοντικά πιθανώς να γίνει ευρεία η χρήση τους, είναι τα Νανοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου (nc-si), καθώς και τα Οργανικά/Πολυμερή στοιχεία. Τα ηλιακά κύτταρα ενδιάμεσης ζώνης ( Intermadiate band solar cell) χρησιμοποιούν quantum dots για αύξηση της επιφάνειας συλλογής και του εύρους ακτινοβολίας. Οι θεωρητικές αποδόσεις που αναφέρονται είναι της τάξεως και σκοπός είναι να επιτευχθούν αποδόσεις υπό 1 ήλιο έως το 2015 [7]. 2.6 Φωτοβολταϊκά συστήματα Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, που παρέχει ηλεκτρική ενέργεια για να εξυπηρετήσει τη ζήτηση κάποιων φορτίων, αποτελείται από πολλές επιμέρους μονάδες. Εδώ γίνεται μια επισκόπηση των δύο βασικών φωτοβολταϊκών συστημάτων [3]. Αυτά είναι το αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα, στην κατηγορία του οποίου ανήκει και το υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα, καθώς και το διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα. Αυτόνομο Φωτοβολταϊκό σύστημα Οι αυτόνομες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, αποτελούν ίσως τις πλησιέστερες εφαρμογές της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Είναι εγκαταστάσεις που λειτουργούν αυτοδύναμα για την τροφοδότηση καθορισμένων καταναλώσεων χωρίς να συνδέονται με κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής από τα οποία θα μπορούσαν να αντλούν συμπληρωματική ενέργεια ή να στέλνουν την περίσσεια της παραγόμενης. Είναι η ιδανικότερη λύση για περιοχές που βρίσκονται μακριά από το κεντρικό δίκτυο και η διασύνδεσή τους με αυτό θα απαιτούσε τεράστια οικονομικά κεφάλαια. 19

23 Ειδικότερα για τον Ελλαδικό χώρο, ο οποίος έχει πολυάριθμα μικρά νησιά και μικρούς οικισμούς, τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν πολλές εφαρμογές, ενώ υπάρχουν ακόμα πολλές δυνατότητες ανάπτυξης. Στο σχήμα 2.12 φαίνεται το απλοποιημένο διάγραμμα ενός τέτοιου συστήματος. Αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία είναι η βασικότερη μονάδα του συστήματος, αφού εκεί γίνεται η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Περιλαμβάνει συσσωρευτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας και για την χρησιμοποίηση της όταν η παραγωγή είναι ανεπαρκής. Μπορεί να υπάρχει μία βοηθητική γεννήτρια(συνήθως ντηζελογεννήτρια), η οποία τίθεται σε λειτουργία όταν είναι αναγκαίο, να έχουμε δηλαδή υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα. Βοηθητική γεννήτρια μπορεί να είναι επίσης και ανεμογεννήτρια. Τα υβριδικά συστήματα μπορούν επίσης να αποτελέσουν λογική προσέγγιση σε καταστάσεις όπου οι περιστασιακές αιχμές ζήτησης είναι σημαντικά υψηλότερες από τη ζήτηση φορτίου βάσης. Τέλος, μονάδες ενός αυτόνομου συστήματος είναι και διατάξεις για την μετατροπή της παραγόμενης ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία σε μορφή κατάλληλη για την τροφοδότηση των φορτίων, οι οποίες περιέχουν έναν DC/DC μετατροπέα σε συνδυασμό με έναν ανιχνευτή μέγιστης ισχύος (MPPT) και έναν DC/AC αντιστροφέα. Σχήμα 2.12 : Απλοποιημένο διάγραμμα αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος και υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήματος. Διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα Μια διαφορετική εφαρμογή της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας αποτελούν τα διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα, στα οποία η ηλεκτρική ενέργεια τροφοδοτείται στο δίκτυο. Υπάρχουν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις, ανάλογα με το αν τροφοδοτείται κάποιο φορτίο απευθείας από το σύστημα η αν όχι (Σχήμα 2.13). Στο διασυνδεδεμένο σύστημα το δίκτυο ενεργεί όπως μια μπαταρία απεριόριστης ικανότητας αποθήκευσης. Επομένως, η συνολική αποδοτικότητα ενός διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος είναι καλύτερη από την αποδοτικότητα ενός αυτόνομου συστήματος, αφού το δίκτυο έχει πρακτικά απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης και επομένως η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί πάντοτε να αποθηκεύεται. Αντιθέτως στις αυτόνομες εφαρμογές οι συσσωρευτές θα είναι ενίοτε πλήρως φορτισμένοι, οπότε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει με κάποιο τρόπο να αποβάλλεται [8]. 20

24 Σχήμα 2.13 : Απλοποιημένο διάγραμμα διασυνδεδεμένου φωτοβολταϊκού συστήματος. 21

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 3.1 Γενικά Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας. Οι μετακινήσεις του αέρα, οι άνεμοι, προέρχονται από τις μεταβολές και τις διαφορετικές από τόπο σε τόπο τιμές της ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι τιμές αυτές της πίεσης οφείλονται στη διαφορετική θέρμανση (απορρόφηση ενέργειας) της ατμόσφαιρας κάθε τόπου από τον ήλιο. Σύμφωνα με εκτιμήσεις από μετεωρολογικούς μηχανισμούς η ισχύς του ανέμου σε παγκόσμια κλίμακα είναι 3.6x10 9 MW ενώ ταυτόχρονα η εκμεταλλεύσιμη ενέργεια σε διάφορες τοποθεσίες του κόσμου αντιστοιχεί στο 1% και υπολογίζεται ότι είναι περίπου 175x10 12 KWh. 3.2 Ιστορία αιολικών μηχανών Η αιολική ενέργεια, μια από τις παλαιότερες μορφές φυσικής ενέργειας αξιοποιήθηκε από πολύ νωρίς για την παραγωγή μηχανικού έργου και έπαιξε σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της ανθρωπότητας. Η σημασία της ενέργειας του ανέμου φαίνεται από τα αρχαία χρόνια όπου χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την μετακίνηση των πρώτων ιστιοφόρων πλοίων γεγονός που συνέβαλε αποφασιστικά στην ανάπτυξη της ναυτιλίας. Οι πρώτες μηχανές αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας ήταν οι ανεμόμυλοι. Παρόλο που φαίνεται ότι οι αρχαίοι λαοί της Ανατολής χρησιμοποιούσαν ανεμόμυλους, η πρώτη αναφορά για τέτοιες μηχανές εμφανίζεται σε έργα Αράβων συγγραφέων του 9 ου μ.χ. αιώνα. Ο ανεμόμυλος έφτασε στην Ευρώπη από τους Άραβες και χρησιμοποιήθηκε σε χώρες όπως η Γαλλία και η Αγγλία σε έργα με τη μορφή υδραυλικού τροχού. Ο ανεμόμυλος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ως ανεμογεννήτρια το 1890 όταν εγκαταστάθηκε πάνω σε χαλύβδινο πύργο ανεμόμυλος του Π. Λα Κούρ στη Δανία, με φτερά με σχισμές και διπλά πτερύγια αυτόματης μετάπτωσης προς τη διεύθυνση του ανέμου. Μετά τον Α παγκόσμιο πόλεμο πραγματοποιήθηκαν πειράματα με ανεμόμυλους των οποίων τα φτερά έμοιαζαν με πτερύγια αεροπορικής έλικας ενώ το 1931 μια τέτοια ανεμογεννήτρια εγκαταστάθηκε στην Κριμαία, με την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ να διοχετεύεται στο τοπικό δίκτυο της περιοχής. Πραγματικές ανεμογεννήτριες με δύο πτερύγια λειτούργησαν στις ΗΠΑ και στην Αγγλία κατά τη διάρκεια του 1940 ενώ στη Δανία ο J. Jual κατασκεύασε μια ανεμογεννήτρια με τρία πτερύγια αλληλοσυνδεόμενα μεταξύ τους και με έναν πρόβολο στο μπροστινό μέρος του άξονα περιστροφής. Μετά τον Β παγκόσμιο πόλεμο πολλοί περίμεναν ότι η αιολική ενέργεια θα συνέβαλλε σημαντικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά οι προσπάθειες ανάπτυξης ατόνησαν μέχρι τη δεκαετία του 1970 μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση (1973). Έτσι αναπτύχθηκαν διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών και στις αρχές της δεκαετίας του 1980 διατίθενται στο εμπόριο. 3.3 Ταχύτητα ανέμου Η κίνηση του ανέμου ακολουθεί τους νόμους της μηχανικής των ρευστών, οι οποίοι διέπουν τη τυρβώδη ροή ενός ρευστού. Συνεπώς η ταχύτητα του ανέμου είναι ένα ιδιαίτερο μεταβλητό μέγεθος, το οποίο εμφανίζει έντονες διακυμάνσεις ακόμα και σε μικρά χρονικά διαστήματα. Ακολουθώντας τη θεωρητική ανάλυση που ισχύει για τυρβώδη πεδία, η στιγμιαία ταχύτητα του ανέμου εκφράζεται σαν άθροισμα της μέσης ταχύτητας του ανέμου και μιας διακύμανσης : 22

26 (3.1) ενώ η μέση ταχύτητα του ανέμου σε μια χρονική περίοδο δίνεται σαν : Εξετάζοντας το πεδίο ταχυτήτων μιας περιοχής, είναι σημαντικό να καταγραφούν και οι μέγιστες τιμές της ταχύτητας του ανέμου. Συνήθως για τη στατιστική πρόβλεψη των μέγιστων ταχυτήτων του ανέμου χρησιμοποιούνται οι μέσες ωριαίες τιμές της ταχύτητας του ανέμου για ένα χρονικό διάστημα. Το στατιστικό παράδειγμα που προκύπτει αναλύεται με στατιστικές μεθόδους και προσδιορίζεται η μέγιστη ταχύτητα του ανέμου που σχετίζεται με τη μέγιστη καταπόνηση των τμημάτων μιας αιολικής μηχανής και κατ επέκταση με το χρόνο ζωής της Μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος Η ένταση του ανέμου μεταβάλλεται με την αύξηση του ύψους. Στο οποίο γίνεται η καταγραφή του αιολικού δυναμικού. Το πάχος της ατμόσφαιρας μέσα στο οποίο συμβαίνει η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου, το οριακό στρώμα, εκτείνεται από μερικά μέτρα έως και 2km. Για τον υπολογισμό της μέσης ταχύτητας σε μια περιοχή με τη μεταβολή του ύψους χρησιμοποιούνται σχέσεις, οι οποίες ανάγουν την ταχύτητα του ανέμου σε ένα συγκεκριμένο ύψος αναφοράς σε οποιοδήποτε ύψος. Οι κυριότερες από αυτές είναι: 1. Η λογαριθμική σχέση (log-low) η οποία εκφράζεται σαν : (3.2) (3.3) και δίνει τη ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z από το έδαφος σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου σε ένα ύψος αναφοράς z Η εκθετική σχέση (power law) η οποία εκφράζεται σαν : (3.4) και δίνει την ταχύτητα του ανέμου σε ύψος z από το έδαφος συναρτήσει της παραμέτρου α, της οποίας η τιμή εξαρτάται από την ταχύτητα του εδάφους και τη διεύθυνση του ανέμου. Οι τιμές αυτής της παραμέτρου κυμαίνονται μεταξύ του 0.07 για παγωμένες επιφάνειες και του 0.47 για αστικές περιοχές Επίδραση εμποδίων στη ροή του ανέμου Σημαντική επίδραση στην ταχύτητα του ανέμου έχει η παρουσία μεμονωμένων εμποδίων, π.χ. ενός δέντρου ή μιας κατοικίας, στο πεδίο ροής του ανέμου. Γύρω από έναν εμπόδιο και κυρίως, πίσω από αυτό, κατά τη διεύθυνση του ανέμου δημιουργείται χώρος έντονων διαταράξεων που χαρακτηρίζεται ως σκιά του ανέμου. Η επίδραση των αναταράξεων εκτείνεται, πίσω από το εμπόδιο, σε μήκος και δεκαπέντε φορές το ύψος του εμποδίου και πάνω από αυτό μέχρι το διπλάσιο του ύψους του (σχήμα 2.1). Για αυτό το λόγο σε περιοχές εγκατάστασης αιολικών μηχανών εξετάζεται ιδιαίτερα η διαμόρφωση του πεδίου ροής. 23

27 Σχήμα 3.1 : Χώρος ισχυρών αναταράξεων γύρω από την περιοχή μεμονωμένου εμποδίου 3.4 Είδη Αιολικών Μηχανών Οι αιολικές μηχανές έχουν ως σκοπό την αξιοποίηση του μεγαλύτερου ποσοστού της κινητικής ενέργειας του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες (Α/Γ) μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου. Οι πλέον διαδεδομένοι τύποι Α/Γ είναι οι εξής : Οριζοντίου άξονα (Horizontal axis-head on) : στους οποίους ο άξονας περιστροφής του δρομέα είναι παράλληλος προς την κατεύθυνση του ανέμου. Οριζοντίου άξονα (Horizontal axis-crosswind) : στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος προς την επιφάνεια της γης αλλά κάθετος στη διεύθυνση του ανέμου Κάθετου άξονα (Vertical axis) : στους οποίους ο άξονας περιστροφής είναι κάθετος στη ροή του ανέμου. Οι Α/Γ οριζοντίου άξονα μπορούν να διαχωριστούν σε σχέση με τη θέση του δρομέα ως προς το πύργο στήριξης και τη διεύθυνση του ανέμου. Οι Α/Γ που έχουν το δρομέα μπροστά από τον πύργο είναι τύπου up-wind ενώ αυτές που έχουν το δρομέα πίσω από τον πύργο είναι τύπου down-wind. Από την άλλη πλευρά οι πιο διαδεδομένες Α/Γ κάθετου άξονα είναι οι μηχανές τύπου Darrieus και οι μηχανές τύπου Savonius. Οι μοντέρνες ανεμογεννήτριες ταξινομούνται επίσης ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων τους σε ταχύστροφες και σε αργόστροφες ανάλογα με την τιμή ενός αδιάστατου μεγέθους γνωστού ως παράμετρος περιστροφής λ (tip speed ratio). Η παράμετρος αυτή μπορεί να υπολογιστεί από τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του πτερυγίου ω, την ακτίνα του δρομέα τηςα/γ R και την ταχύτητα ανέμου V W από την παρακάτω σχέση : Ακόμα, οι ανεμογεννήτριες κατατάσσονται ανάλογα με τη μηχανική ισχύ Ν που παρέχουν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες. 1. Μικρές Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι μεταξύ : 2. Μεσαίες Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι μεταξύ : 3. Μεγάλες Α/Γ όταν η ονομαστική ισχύς τους είναι : Τέλος μια παράμετρος που χρησιμοποιείται για το χαρακτηρισμό και την ταξινόμηση των Α/Γ είναι η παράμετρος στιβαρότητας (solidity) της κατασκευής σ. Η στιβαρότητα συνήθως ορίζεται ως ο λόγος του εμβαδού όλων των πτερυγίων, προς το εμβαδό της επιφάνειας που διαγράφουν τα πτερύγια κατά την περιστροφή. Για αιολικές μηχανές οριζοντίου άξονα η παράμετρος αυτή υπολογίζεται από τη σχέση: (3.5) (3.6) 24

28 ενώ για αιολικές κατακόρυφου άξονα υπολογίζεται από τη σχέση: όπου είναι ο αριθμός των πτερυγίων, η ακτίνα του δρομέα και το πλάτος των πτερυγίων της πτερωτής. 3.5 Τεχνολογία Ανεμογεννητριών Μια Α/Γ αποτελείται από τα παρακάτω μέρη (σχήμα 3.2) : Ρότορας (δρομέας) : Οι πτέρυγες του δρομέα έχουν σχεδιαστεί ώστε να γυρίζουν με τον άνεμο, περιστρέφοντας την γεννήτρια. Σε μεγάλες κυρίως Α/Γ, με σκοπό την αύξηση των στροφών της γεννήτριας συνδέεται κατάλληλα κιβώτιο ταχυτήτων. Πτερύγια : Τα πτερύγια είναι το τμήμα της Α/Γ πάνω στο οποίο δημιουργείται άνωση από τον άνεμο που έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ροπής στον άξονα περιστροφής με συνέπεια την περιστροφή τους. Οι περισσότερες Α/Γ έχουν δύο ή τρία πτερύγια Κέλυφος : Το κελυφος βρίσκεται πάνω από τον πύργο και περιλαμβάνει πολλά μηχανικά και ηλεκτρονικά τμήματα τα σημαντικότερα εκ των οποίων είναι το κιβώτιο ταχυτήτων, τους άξονες υψηλής/χαμηλής ταχύτητας, τη γεννήτρια και το φρένο. Γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρισμού : Η γεννήτρια είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όταν η ταχύτητα του ανέμου αποκτήσει τέτοια τιμή, ώστε να περιστραφούν τα πτερύγια. Οι γεννήτριες χωρίζονται σε μεγάλες κατηγορίες : (α) τις σύγχρονες και (β) τις ασύγχρονες μηχανές. Κιβώτιο ταχυτήτων : Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι το τμήμα της Α/Γ που φροντίζει να αυξάνει τις στροφές του άξονα που καταλήγει στη γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σύστημα διεύθυνσης και προσανατολισμού : Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα απαιτούν ένα μηχανισμό, ο οποίος να τις στρέφει προς τη διεύθυνση του ανέμου. Για αυτό το λόγο η άτρακτος της Α/Γ στηρίζεται συνήθως σε έναν μηχανικό στροφέα ο οποίος δέχεται εντολές από ένα ηλεκτρονικό σύστημα παρακολούθησης της διεύθυνσης του ανέμου. Σύστημα προστασίας : Οι σύγχρονες Α/Γ διαθέτουν μηχανισμούς που τις θέτει εκτός λειτουργίας για λόγους ασφάλειας όταν η ένταση της ταχύτητας του ανέμου είναι πολύ υψηλή. Πύργος στήριξης : Ο πύργος υψώνει την άτρακτο της Α/Γ σε μεγάλο ύψος ώστε να εκμεταλλευτεί τις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Ο πύργος στήριξης απαιτεί ιδιαίτερο σχεδιασμό καθώς θα πρέπει να διαθέτει μεγάλο ύψος ενώ ταυτόχρονα να είναι γερός έτσι ώστε να αντέχει τα δυναμικά φορτία που οφείλονται τόσο στη λειτουργία της Α/Γ όσο και στις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. (3.7) Σχήμα 3.2 Τμήματα Ανεμογεννήτριας 25

29 3.6 Ισχύς Α/Γ Το ποσοστό της μηχανικής ισχύος του ανέμου που είναι διαθέσιμο προς εκμετάλλευση, εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου, από τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της έλικας, την ακτίνα του δρομέα και τη σχεδίαση της πτερωτής. Η ενέργεια που αποσπάται από τον άνεμο (ισχύς εξόδου της Α/Γ) δίνεται από τη σχέση: όπου η πυκνότητα του αέρα, το εμβαδό της επιφάνειας που διαγράφουν τα πτερύγια, η ταχύτητα του ανέμου και ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος. Η χαρακτηριστική παράμετρος για την αποδοτικότητα της Α/Γ είναι ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος εξαρτάται από την παράμετρο περιστροφής, την ταχύτητα του ανέμου, τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της έλικας, τον τύπο της γεννήτριας, το σχήμα και τη γωνία των πτερυγίων. Η ανώτατη τιμή του συντελεστή ισχύος είναι γνωστή και ως όριο Benz και αντιστοιχεί στην τιμή Για τον καθορισμό του συντελεστή για δεδομένες τιμές της παραμέτρου και της γωνίας χρησιμοποιείται ένας γενικός προσεγγιστικός τύπος για διάφορους τύπους Α/Γ : (3.8) (3.9) όπου και έως συντελεστές που προκύπτουν από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της Α/Γ. Σχήμα 3.3 : Καμπύλη ισχύος Α/Γ Η ισχύς εξόδου μιας Α/Γ όπως αναφέρθηκε και παραπάνω εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου και κάθε αιολική μηχανή έχει μια χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος. Η καμπύλη αυτή καθορίζει την απόδοση της ανεμογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου (σχήμα 3.3) και χαρακτηρίζεται από την ταχύτητα εκκίνησης της Α/Γ, την ονομαστική ταχύτητα λειτουργίας και την ταχύτητα αποκοπής της Α/Γ. Η ταχύτητα εκκίνησης είναι η ταχύτητα εκείνη στην οποία η ανεμογεννήτρια αρχίζει να παράγει ισχύ ενώ η ονομαστική ταχύτητα λειτουργίας είναι η ταχύτητα του δρομέα στην οποία η ανεμογεννήτρια παράγει την ονομαστική της ισχύ. Τέλος η 26

30 ταχύτητα αποκοπής είναι η τιμή της ταχύτητας της ανεμογεννήτριας στην οποία παύει να λειτουργεί για λόγους ασφαλείας. 3.7 Μικρής Ισχύος Ανεμογεννήτριες Οι μικρές ανεμογεννήτριες αναφέρονται σε αιολικά συστήματα τα οποία έχουν ονομαστική ισχύ έως. Οι ανεμογεννήτριες αυτές έχουν διάμετρο δρομέα από έως και τοποθετούνται συνήθως σε πύργους με ύψος που κυμαίνεται από έως τα. Οι μικρές Α/Γ χωρίζονται σε τρεις υποκατηγορίες ανάλογα με την ονομαστική ισχύ εξόδου τους οι οποίες είναι: (α) Micro wind turbines με ονομαστική ισχύ, (β) Mid-range wind turbines με ονομαστική ισχύ, (γ) Mini wind turbines με ονομαστική ισχύ Δομικά στοιχεία Μικρών Α/Γ Μια μικρή Α/Γ γενικά αποτελείται από έναν δρομέα με πτερύγια, έναν κινητήρα, έναν πύργο στήριξης και ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από την απαραίτητη καλωδίωση, ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (μπαταρία), ένα ρυθμιστή φόρτισης και ένα μετατροπέα τάσης. Όπως και στις μεγάλες Α/Γ, οι μικρές Α/Γ χωρίζονται σε οριζοντίου και κατακόρυφου άξονα, με τον αριθμό των πτερυγίων τους να ποικίλει. Το μεγαλύτερο ποσοστό εγκατεστημένων μικρών Α/Γ κατέχουν οι οριζοντίου άξονα γεννήτριες και ιδιαίτερα αυτές που διαθέτουν τρία πτερύγια καθώς λειτουργούν πιο αποδοτικά σε σχέση με αυτές που διαθέτουν περισσότερα πτερύγια λόγω καλύτερης αεροδυναμικής σχεδίασης. Από την άλλη πλευρά οι μικρές Α/Γ κατακόρυφου άξονα παρόλα τα πλεονεκτήματα που διαθέτουν δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς λόγω της χαμηλής απόδοσής τους και του μεγαλύτερου κόστους τους σε σχέση με τις Α/Γ οριζοντίου άξονα Πτερύγια Μικρών Α/Γ Τα πτερύγια είναι το τμήμα της ανεμογεννήτριας που θέτει σε κίνηση το δρομέα της Α/Γ ο οποίος με τη σειρά κινεί την γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο σχεδιασμός αυτών των πτερυγίων καθορίζεται από το μέγεθος και τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά της Α/Γ καθώς και από το υλικό κατασκευής τους. Έχει παρατηρηθεί ότι η μηχανική αντοχή των πτερυγίων στη βάση στήριξής τους μειώνεται με την αύξηση του αριθμού τους. Οι μικρές Α/Γ που διαθέτουν τρία πτερύγια λειτουργούν πιο ομαλά, γεγονός που οφείλεται στη σταθερή τιμή της ροπής σε σχέση με τη περιστροφική κίνηση της Α/Γ. Παράλληλα οι ανεμογεννήτριες αυτές παρουσιάζουν χαμηλότερο επίπεδο θορύβου και είναι οικονομικά πιο αποδοτικές. Για αυτούς κυρίως τους λόγους, οι Α/Γ με τρία πτερύγια είναι η πιο κοινή σχεδιαστική επιλογή για τους περισσότερους κατασκευαστές μικρών ανεμογεννητριών παρόλο που άλλοι εξακολουθούν να χρησιμοποιούν δύο ή και περισσότερα από τρία πτερύγια. Τα πτερύγια των μικρών ανεμογεννητριών είναι κυρίως κατασκευασμένα από συνθετικά υλικά όπως ο υαλοβάμβακας με αφρώδη πυρήνα, ο πολυεστέρας με ενισχυμένο γυαλί, ξύλο και ανοξείδωτο σίδηρο. Αυτά τα συνθετικά υλικά έχουν το πλεονέκτημα ότι παρουσιάζουν υψηλή αντοχή στις καιρικές συνθήκες και υψηλή τιμή του λόγου της ακαμψίας-βάρους πτερυγίων. Επιπλέον τα υλικά αυτά είναι ανθεκτικά στην διάβρωση και συμπεριφέρονται σαν μονωτές στην διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. 27

31 3.7.3 Προσανατολισμός Μικρών Α/Γ Οι περισσότερες μικρές ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα χρησιμοποιούν την ουρά τους για να προσανατολιστούν προς τη διεύθυνση του ανέμου. Το ουριαίο τμήμα το χρησιμοποιούν κατά αντιστοιχία με τους μηχανισμούς στροφής των μεγάλων Α/Γ, οι οποίοι δεν είναι δυνατόν να τοποθετηθούν σε μικρές Α/Γ κυρίως λόγω κόστους, βάρους και διαστάσεων. Στην εικόνα 3.3 φαίνεται μία μικρή Α/Γ με τρία πτερύγια μαζί με το ουριαίο τμήμα της. Εικόνα 3.3 Air-X Wind Συστήματα Ελέγχου Ταχύτητας Μικρής Α/Γ Παρόλο, που οι υψηλές ταχύτητες ανέμου οδηγούν σε αύξηση της παραγόμενης ενέργειας, είναι δυνατόν σε πολλές περιπτώσεις να προκαλέσουν ζημία. Με σκοπό την προστασία της Α/Γ αλλά και την ασφάλεια των ανθρώπων της περιοχής εγκατάστασης, οι μικρές Α/Γ διαθέτουν διάφορους μηχανισμούς πέδησης και ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής τους. Στα νεότερα αιολικά συστήματα χρησιμοποιούνται δύο είδη τεχνικών ελέγχου, τις παθητικές τεχνικές ελέγχου και τις ενεργητικές τεχνικές ελέγχου. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει ο έλεγχος απώλειας στήριξης (stall control). Ο έλεγχος με βάσει αυτή τη τεχνική στηρίζεται στην καμπύλωση των πτερυγίων όταν η ταχύτητα του ανέμου αυξηθεί σημαντικά. Ειδικότερα, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει μία προκαθορισμένη κατασκευαστικά τιμή τα πτερύγια καμπυλώνονται λόγω της μεγάλης αεροδυναμικής αντίστασης με αποτέλεσμα τη μεταβολή της γωνίας προσβολής μεταξύ των πτερυγίων και του ανέμου. Αυτό έχει ως συνέπεια την εκτροπή της Α/Γ από τη διεύθυνση του ανέμου με ταυτόχρονη μείωση των στροφών της πτερωτής. Σε πολλές Α/Γ μικρής ισχύος εκτροπή από τη διεύθυνση του ανέμου πραγματοποιείται με την καμπύλωση της ατράκτου της Α/Γ σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου. Οι ενεργητικές τεχνικές ελέγχου στηρίζονται στον έλεγχο του βήματος των πτερυγίων (pitch control). Στις ανεμογεννήτριες που διαθέτουν αυτόν τον έλεγχο, ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχει συνεχώς την ισχύ εξόδου, η οποία όταν γίνει πολύ υψηλή δίνει εντολή στο δρομέα των πτερυγίων να στραφεί και υπό κάποια γωνία. Σε αυτή τη θέση, η ταχύτητα περιστροφής ελαττώνεται σημαντικά προστατεύοντας την Α/Γ. Όταν οι συνθήκες επανέλθουν σε φυσιολογικά επίπεδα, τα πτερύγια επανέρχονται στην αρχική τους θέση Γεννήτριες Μικρών Α/Γ Οι περισσότερες μικρές Α/Γ χρησιμοποιούν βηματικές γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (permanent magnet generators). Η λειτουργία των γεννητριών μόνιμου μαγνήτη στηρίζεται στην αντίδραση που έχει ο ρότορας (δρομέας) μόνιμου μαγνήτη της Α/Γ μέσα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το παραπάνω είδος γεννητριών υπάγεται στις ασύγχρονες μηχανές, κάτι που σημαίνει ότι δεν μπορούν να συνδεθούν απευθείας με το εναλλασσόμενο (AC) δίκτυο. Αυτό συμβαίνει λόγω της αστάθειας που υπάρχει στην παραγόμενη τάση και συχνότητα. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται μετατροπείς οι οποίοι σταθεροποιούν τη τάση με σκοπό είτε την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας είτε τη σύνδεση με το υπάρχον εναλλασσόμενο δίκτυο. 28

32 3.7.6 Πύργοι Στήριξης Μικρών Α/Γ Όπως οι μεγάλες Α/Γ έτσι και οι μικρές χρησιμοποιούν πύργους στήριξης για την ανύψωση της ατράκτου της μηχανής στον αέρα. Οι πύργοι αυτοί όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω θα πρέπει να είναι αρκετά ψηλοί, ώστε η ανεμογεννήτρια να βρίσκεται ψηλότερα από την τυρβώδη ζώνη κοντά στο έδαφος αλλά ταυτόχρονα και ανθεκτικοί ώστε να αντέχουν τις δυνάμεις που δέχονται από τον άνεμο. Οι πύργοι των μικρών Α/Γ ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά : (α) τους πύργους δικτυωτού πλέγματος και (β) τους πύργους με μονό σωλήνα. Οι πύργοι δικτυωτού πλέγματος χρησιμοποιούν ένα δίκτυο σωλήνων σε μορφή πλέγματος σχηματίζοντας πύργο, ο οποίος στερεώνεται στο έδαφος με ειδικής κατασκευής συρματόσχοινα σε τρία σημεία διαφορετικών διευθύνσεων. Επίσης σε αυτού του είδους πύργους υπάρχει η δυνατότητα μεταβολής του ύψους τους και αυτός είναι ένας από τους λόγους του υψηλού κόστους κατασκευής. Από την άλλη πλευρά, οι πύργοι μονού στύλου έχουν απλούστερο τρόπο κατασκευής ενώ διαθέτουν το πλεονέκτημα να είναι οπτικά πιο ευχάριστοι σε σχέση με τους πύργους του προηγούμενου είδους. Οι πύργοι στήριξης των μικρών ανεμογεννητριών μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με την ιδιοσυχνότητά τους σε εύκαμπτους και άκαμπτους. Στους άκαμπτους πύργους η ιδιοσυχνότητά τους είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα περιστροφής της πτέρυγας ενώ στους εύκαμπτους πύργους η ιδιοσυχνότητα του πύργου είναι μικρότερη από τη συχνότητα περιστροφής του πτερυγίου. 29

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ 4.1 Εισαγωγή Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ένα Φ/Β πλαίσιο είναι υπό μορφή συνεχούς ρεύματος (DC). Η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο (AC) είναι απαραίτητη για τη χρήση πολλών κοινών συσκευών όπως και για τη σύνδεση στο υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο και επιτυγχάνεται με έναν μετατροπέα τάσης συνεχούς σε εναλλασσόμενο ρεύμα ή αλλιώς μετατροπέα DC-AC. Η αποδοτικότητα των μετατροπέων είναι γενικά μεγαλύτερη από 90%, όταν λειτουργούν πάνω από το 10% της μέγιστης παραγωγής τους και μπορεί να φτάσει έως και 96%. Οι μετατροπείς που συνδέονται άμεσα με τα φωτοβολταϊκά ενσωματώνουν μια ηλεκτρονική διάταξη ανίχνευσης του μέγιστου σημείου ισχύος (Maximum Power Point Tracker MPPT), ρυθμίζοντας συνεχώς τη σύνθετη αντίσταση φορτίων έτσι ώστε ο μετατροπέας να εξάγει πάντα τη μέγιστη ενέργεια από το σύστημα. Οι μετατροπείς υπάγονται σε δύο κατηγορίες: αυτό-συγχρονιζόμενος και συγχρονισμένος βάση μιας σύνδεσης. Ο πρώτος μπορεί να λειτουργήσει ανεξάρτητα, ενεργοποιούμενος από την πηγή ενέργειας, δηλαδή μόλις υπάρχει ρεύμα από τα Φ/Β τότε ενεργοποιείται για να μην σπαταλάει ρεύμα από τους συσσωρευτές. Αυτοί που υπάγονται στη δεύτερη κατηγορία ενεργοποιούνται και ελέγχονται από το δίκτυο. Αυτό είναι απαραίτητο για να διατηρήσει το δίκτυο σταθερή ποιότητα ρεύματος και να αποφευχθούν τυχόν ατυχήματα. Αυτής της κατηγορίας οι μετατροπείς σταματάνε όταν υπάρχει βλάβη στο δίκτυο για πρόληψη ηλεκτροπληξίας στα συνεργεία της ΔΕΗ. Παραδοσιακά, ένας μετατροπέας χρησιμοποιείται για ολόκληρη τη συστοιχία. Ξεχωριστοί μετατροπείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαφορετικές συστοιχίες Φ/Β σε περίπτωση που η εγκατεστημένη ισχύς είναι μεγάλη. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται καλύτερη αξιοπιστία, καθώς εάν προκύψει κάποιο πρόβλημα σε μία μονάδα, απομονώνεται χωρίς να σταματήσει την παραγωγή το υπόλοιπο σύστημα. 4.2 Μονάδες Μετατροπής Ισχύος Μονάδες μετατροπής ισχύος είναι οι μονάδες εκείνες που αναλαμβάνουν την προσαρμογή μεταξύ συστοιχίας, συσσωρευτή, φορτίων και εφεδρικής πηγής ενέργειας (αν υπάρχει) μετατρέποντας την ακατέργαστη DC ισχύ εξόδου από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία σε ισχύ κατάλληλης ποιότητας και σύμφωνης με τις απαιτήσεις του φορτίου. Μια φωτοβολταϊκή συστοιχία παράγει DC ισχύ με μεταβολές της τάσης της τάξης του 30%. Αν οι ανάγκες του φορτίου περιορίζονται σε DC ισχύ (π.χ. φωτισμός, DC κινητήρας, άλλα ωμικά φορτία) τότε ο πιο απλός συνδυασμός είναι η απευθείας σύνδεση της συστοιχίας με έναν συσσωρευτή, μέσω διόδου αντεπιστροφής και στη συνέχεια με το φορτίο (σχήμα 4.1). Η δίοδος αντεπιστροφής τοποθετείται για αποφυγή της εκφόρτισης των συσσωρευτών διαμέσου της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, αν μειωθεί σημαντικά η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ο συνδυασμός αυτός συνίσταται μόνο όταν το μέγιστο ρεύμα της συστοιχίας είναι μικρότερο από το 5% της χωρητικότητας των συσσωρευτών. 30

34 Σχήμα 4.1 : Αυτορυθμιζόμενο φωτοβολταϊκό σύστημα [10] Σε πολλά DC συστήματα, οι μεταβολές της τάσης που οφείλονται σε μεταβολή των καιρικών συνθηκών και χειροτέρευση των χαρακτηριστικών τους κυττάρων λόγω γήρανσης, αντισταθμίζονται με έλεγχο της τάσης της συστοιχίας με τη βοήθεια ρυθμιστών τάσης (σχήμα 4.2). Έτσι, παρέχεται ισχύς σε σταθερή τάση με σκοπό να προστατεύσουμε το συσσωρευτή και το φορτίο από ακραίες τιμές της τάσης με όλες τις γνωστές συνέπειες. Σχήμα 4.2 : Φωτοβολταϊκό σύστημα με ρυθμιστή τάσης [10]. Σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα θέλουμε να εξάγουμε από τη συστοιχία το μέγιστο δυνατό ποσό ενέργειας, δηλαδή σε κάθε χρονική στιγμή το σημείο λειτουργίας να αντιστοιχεί στο σημείο μέγιστης ισχύος. Αν το σύστημα είναι αυτόνομο και περιλαμβάνει συσσωρευτές ο αριθμός των εν σειρά συνδεδεμένων στοιχείων των συσσωρευτών πρέπει να είναι κατάλληλος, ώστε η τάση του συσσωρευτή να βρίσκεται στη γειτονία της τάσης που αντιστοιχεί στο σημείο μέγιστης ισχύος της συστοιχίας κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Σε κάθε περίπτωση, δεν υπάρχει αυτή η προσαρμογή λόγω μεταβολής της ακτινοβολίας, της θερμοκρασίας, της στάθμης φόρτισης των συσσωρευτών (SOC), του ρυθμού φόρτισης/εκφόρτισης των συσσωρευτών, με συνέπεια τη μείωση του συνολικού βαθμού απόδοσης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται μια μονάδα που ονομάζεται ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracker), που ακολουθώντας κατάλληλη στρατηγική ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος επιτυγχάνει την απαιτούμενη προσαρμογή. Αν οι ανάγκες του φορτίου απαιτούν AC ισχύ (που είναι και η πιο συνηθισμένη περίπτωση) χρησιμοποιείται κι ένας αντιστροφέας, inverter, ώστε να μετατρέπει την DC σε AC ισχύ (σχήμα 4.3). Σχήμα 4.3. Φωτοβολταϊκό σύστημα με αντιστροφέα [10]. 31

35 Επίσης, στις παραπάνω μονάδες μετατροπής της ισχύος μπορούμε να κατατάξουμε και τις μονάδες ελέγχου του συστήματος που μπορεί να περιλαμβάνουν : αυτόματη εκκίνηση και θέση εκτός λειτουργίας, εκτίμηση SOC των συσσωρευτών, θέση σε λειτουργία της εφεδρικής πηγής ενέργειας, κατανομή φορτίου, εντοπισμό σφαλμάτων/αυτόματη διόρθωση, διακόπτες, γείωση, άλλα συστήματα προστασίας, συστήματα παρακολούθησης και καταγραφής δεδομένων κτλ. 4.3 Μετατροπέας (inverter) DC-AC O Inverter είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα ισχύος που μετατρέπει συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (μονοφασική ή τριφασική). Η βασική αρχή λειτουργίας του περιγράφεται στο σχήμα 4.4. Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε περιπτώσεις που διαθέτουμε πηγή συνεχούς ηλεκτρικής τάσεως και καταναλωτές εναλλασσόμενης, όπως συμβαίνει στις φωτοβολταϊκές εφαρμογές οικιακής χρήσεως. Αποτελείται από ηλεκτρονικούς διακόπτες (bipolar transistors ισχύος, MOSFETs, thyristors κτλ.), η συνδιασμένη λειτουργία των οποίων έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία σειράς τετραγωνικών παλμών διαδοχικά ορθών και ανεστραμμένων (Inversion). Σχήμα 4.4. (α) Βασική αρχή λειτουργίας του inverter. Τα S 1, S 2, S 3, S 4 είναι διακοπτικά στοιχεία. Η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο (DC-AC conversion) επιτυγχάνεται με κλείσιμο-άνοιγμα των διακοπτικών στοιχείων ανά δύο, χιαστί (1,4 και 2,3). Όσο τα S 1, S 4 είναι αγώγιμα και τα S 2, S 3 σε αποκοπή, τα σημεία Α και Β έχουν πρόσημα + και αντίστοιχα. Όταν συμβαίνει το αντίστροφο, τα Α και Β έχουν πρόσημα και + αντίστοιχα. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται η εναλλασσόμενη τετραγωνική τάση (κέντρο του διαγράμματος). (β) Στο προηγούμενο κύκλωμα προστίθεται σε κάθε διακοπτικό στοιχείο από μία δίοδος, έτσι ώστε να αποκόπτεται η επιστρεφόμενη ισχύς από μη ωμικά φορτία κατανάλωσης [3]. Μια βελτιωμένη έκδοση inverter αποτελεί εκείνος του οποίου η τάση εξόδου παρουσιάζεται με τη μορφή του διαμορφωμένου ημιτόνου (modified sine inverter), όπως εμφανίζεται στο σχήμα 4.5. Σχήμα 4.5. Η μορφή του τροποποιημένου ημιτόνου σε σύγκριση με το καθαρό ημίτονο. V p = πλάτος τετραγωνικού παλμού, V 0 = πλάτος αντίστοιχου θεμελιώδους ημιτονικής κυματομορφής [3]. 32

36 Με κατάλληλη ρύθμιση των χρόνων κλεισίματος ανοίγματος των διακοπτών, επιτυγχάνουμε μικρή τροποποίηση της κυματομορφής εξόδου του, οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο αρνητικός τετραγωνικός παλμός είναι μετατοπισμένος χρονικά, σε σχέση με το θετικό, κατά της περιόδου της συνολικής κυματομορφής. Το χρονικό εύρος των τετραγωνικών τμημάτων είναι. Το πλεονέκτημα αυτής της διαμορφωμένης τετραγωνικής κυματομορφής είναι ότι περιορίζεται το μέγεθος των ανώτερων αρμονικών και άρα περιορίζεται δραστικά η παραμόρφωση σήματος. Πράγματι, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.6, υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ των πλατών των ανώτερων αρμονικών του διαμορφωμένου σήματος, σε σχέση με τον απλό τετραγωνικό παλμό. Σχήμα 4.6. Φάσμα συχνοτήτων δύο περιοδικών σημάτων, του εναλλασσόμενου τετραγωνικού παλμού (μαύρα παραλληλόγραμμα) και του εναλλασσόμενου διαμορφωμένου τετραγωνικού παλμού. Το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής (τάξη ) είναι του πλάτους του τετραγωνικού παλμού [3]. Η περίπτωση με μετατόπιση μεταξύ των αντεστραμμένων παλμών χαρακτηρίζεται από μικρότερη παραμόρφωση, που επιβάλουν οι ανώτερες αρμονικές στο σήμα της θεμελιώδους. Οι inverters αυτού του είδους χρησιμοποιούνται, ευρέως, χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα στις συσκευές που τροφοδοτούν και παρουσιάζουν αρκετά καλή απόδοση ( μέχρι και 96%, σε πλήρες φορτίο). Γενικά, η απόδοση των inverters είναι αρκετά υψηλή (93-96%, σχήμα 4.7), εξαρτώμενη από το ποσοστό του πλήρους φορτίου που τροφοδοτεί. Απαιτείται υψηλή απόδοση, όχι μόνο όταν τροφοδοτείται το πλήρες φορτίο (100%), αλλά και όταν αυτό είναι μειωμένο. Συγκεκριμένα, βασικό απαιτούμενο χαρακτηριστικό ενός inverter είναι η υψηλή απόδοση (>90%) ακόμα και όταν το φορτίο είναι μόνο 10% του πλήρους. Σημειώνεται, επίσης, ότι η λειτουργία τους συνοδεύεται, κατά περίπτωση από παραγωγή μεγάλου πλήθους αρμονικών υψηλών συχνοτήτων (κυρίως με τον απλό τετραγωνικό παλμό), που περιορίζονται με ειδικά ηλεκτρονικά φίλτρα. Σχήμα 4.7. Μεταβολή της απόδοσης του inverter σε συνάρτηση με το ποσοστό του πλήρους φορτίου που τροφοδοτεί [3]. 33

37 Επιβάλλοντας περισσότερα κλεισίματα των διακοπτών 1,4 και 2,3 και μάλιστα μεταβαλλόμενης διάρκειας, ανάλογα με τις τιμές ενός ημιτόνου, παράγεται ηλεκτρικό σήμα που πλησιάζει πολύ την ημιτονική μορφή. Οι διατάξεις αυτές ονομάζονται inverters διαμόρφωσης του εύρους των παλμών της κυματομορφής εξόδου (Σχήμα 4.8). Σχήμα 4.8. Η κυματομορφή εξόδου ενός inverter διαμόρφωσης εύρους παλμών [3]. 4.4 Σχεδίαση ενός DC-AC Μετατροπέα Πλευρά Εισόδου του Μετατροπέα (Input side) Επί της ουσίας πρόκειται για την πλευρά του μετατροπέα που συνδέεται με την έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η οποία παρέχει ισχύ υπό συνεχή dc τάση και ρεύμα. Τα μεγέθη που παραθέτουμε σε αυτή τη παράγραφο αναφέρονται στην dc πλευρά της συσκευής, δηλαδή σε συνεχές ρεύμα και τάση. Κατάσταση λειτουργίας Ο μετατροπέας έχει ενσωματωμένες στην είσοδό του ηλεκτρονικές διατάξεις που επεξεργάζονται κατάλληλα το ρεύμα και την τάση εξόδου της φ/β συστοιχίας, ώστε για κάθε χρονική στιγμή να απορροφάμε τη μέγιστη ισχύ από τη συστοιχία. Η παραγωγή και άρα απορρόφηση μέγιστης ισχύος όπως είδαμε αντιστοιχεί στο MPP σημείο λειτουργίας. Με τη χρήση τέτοιων διατάξεων το σημείο λειτουργίας διατηρείται σταθερά στο MPP, προφανώς για τις εκάστοτε συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Η κατάσταση λοιπόν λειτουργίας του μετατροπέα λαμβάνεται να αντιστοιχεί πάντα στο MPP. Ελάχιστη και μέγιστη MPP τάση Οι δύο αυτές χαρακτηριστικές τιμές της τάσης ορίζουν ένα παράθυρο τάσης, άνω και κάτω όριο τάσης, μέσα στο οποίο ο inverter δύναται να αναζητήσει το MPP. Όταν καθορίζουμε την τάση MPP εξόδου της συστοιχίας αυτή θα πρέπει να βρίσκεται μέσα στο παράθυρο τάσης του μετατροπέα. Το MPP όπως είδαμε καθορίζεται από το ρεύμα IMPP και την τάση VMPP. Τα μεγέθη αυτά παρέχονται από τους κατασκευαστές των πλαισίων αλλά αναφέρονται στις πρότυπες συνθήκες ελέγχου (STC), όπου η θερμοκρασία λειτουργίας των κυττάρων λαμβάνεται 25. Στις πραγματικές συνθήκες, η θερμοκρασία λειτουργίας είναι συνήθως αρκετά μεγαλύτερη και το MPP μετατοπίζεται. Έτσι μια καλή προσέγγιση για τον υπολογισμό του MPP της γεννήτριας, ώστε να εξεταστεί αν αυτό βρίσκεται μέσα στο παράθυρο τάσης είναι η θερμοκρασία λειτουργίας να λαμβάνεται για 50 με 60. Μέγιστη τάση Είναι η απόλυτη μέγιστη dc τάση κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες που μπορεί να δεχθεί στην 34

38 είσοδο του ο μετατροπέας. Η μέγιστη τάση εξόδου της συστοιχίας δεν πρέπει να υπερβαίνει αυτήν την τιμή. Πρέπει λοιπόν να εξετάζουμε αν η V oc της συστοιχίας είναι μικρότερη από το συγκεκριμένο όριο τάσης. Για να είμαστε στην ασφαλή πλευρά, η ακτινοβολία λαμβάνεται στους 1000, ενώ για τη θερμοκρασία μια καλή προσέγγιση είναι -10 για την Ευρώπη. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες η V oc ελαττώνεται. Κατώφλι ισχύος (Power threshold) Είναι η ελάχιστη ισχύς εισόδου που χρειάζεται ο inverter για να λειτουργήσει. Μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι ισχύς που καταναλώνει ο ίδιος ο inverter για τη λειτουργία του. Μέγιστο φωτοβολταϊκό ρεύμα Είναι το απόλυτο μέγιστα αποδεκτό ρεύμα στην είσοδο του inverter. Για τη διαστασιολόγηση του συστήματος συνήθως εξετάζεται η απαίτηση το I mpp της συστοιχίας να είναι μικρότερο από την παραπάνω τιμή. Λοιπά στοιχεία Άλλα στοιχεία τα οποία μπορεί κανείς να βρει στους καταλόγους με τα τεχνικά χαρακτηριστικά των κατασκευαστών, αλλά δεν χρησιμοποιούνται από το συγκεκριμένο πρόγραμμα για το σχεδιασμό και την εξομοίωση είναι τα εξής: Η Ονομαστική Φωτοβολταϊκή Ισχύς που είναι μια συνήθης καθοριζόμενη παράμετρος για τους inverters. Εννοείται ως η συνιστώμενη ονομαστική ισχύς της φ/β συστοιχίας σε STC συνθήκες. Η Μέγιστη Φωτοβολταϊκή Ισχύς η τιμή της οποίας μπορεί να δίνεται μερικές φορές. Η σημασία της δεν είναι σαφώς ορισμένη. Μπορεί να γίνει αντιληπτή, ως η απόλυτη μέγιστη ισχύς της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε STC συνθήκες αν και ο ακριβής της ορισμός διαφέρει από κατασκευαστή σε κατασκευαστή Πλευρά Εξόδου του Μετατροπέα Εννοείται η πλευρά του μετατροπέα που συνδέεται στο δίκτυο ή εν γένει στο φορτίο που τροφοδοτεί. Προφανώς στην πλευρά εξόδου έχουμε εναλλασσόμενη (AC) τάση και ρεύμα. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη που εξετάζονται στις επόμενες υποπαραγράφους αναφέρονται στην ac πλευρά του μετατροπέα. Ονομαστική ισχύς Η ονομαστική ισχύς είναι ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά μεγέθη για τους μετατροπείς. Εννοείται ως η ισχύς που μπορεί να παρέχει διαρκώς στο δίκτυο. Όταν έχουμε υπέρβαση των ορίων, δηλαδή σε ακραίες περιπτώσεις υπερπαραγωγή ισχύος στο MPP, εφαρμόζεται κάποια μέθοδος περιορισμού, π.χ. μετατόπιση του σημείου λειτουργίας της I-V χαρακτηριστικής. Μέγιστη AC ισχύς Η σημασία της δεν είναι σαφώς ορισμένη αν και μερικές φορές παρέχεται από τους κατασκευαστές. Μπορεί να εννοηθεί ως η μέγιστη ισχύς που μπορεί να δώσει ο μετατροπέας στην έξοδό του για ένα χρονικό διάστημα, μετά την υπέρβαση του οποίου επέρχεται η υπερθέρμανση της συσκευής οπότε και πρέπει να σταματήσει η λειτουργία της στο σημείο αυτό. Ονομαστική AC τάση Είναι η τάση υπό την οποία παρέχει την ονομαστική ισχύ του ο μετατροπέας στην έξοδό του. Εξαρτάται από την τάση του δικτύου για την οποία είναι σχεδιασμένος να συνδέεται ο μετατροπέας. Για μετατροπείς που συνδέονται κατευθείαν στο δίκτυο ΧΤ η ονομαστική πολική 35

39 τάση εξόδου της συσκευής είναι στα 0.4kV. Υπάρχουν και μετατροπείς με τάση εξόδου στα 20kV. Ονομαστικό AC ρεύμα Είναι το ρεύμα που δίνει στην έξοδό του ο μετατροπέας για ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή ονομαστική τάση και ονομαστική ισχύ. Μονοφασική ή τριφασική σύνδεση Προφανώς αναφέρεται στον τρόπο σύνδεσης του μετατροπέα στην έξοδό του. Συνήθως έχουμε μονοφασική σύνδεση για μετατροπείς μικρότερους των 3kV, ενώ τριφασική σύνδεση για μεγαλύτερους μετατροπείς. Συχνότητα δικτύου Οι περισσότεροι μετατροπείς χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση (93%-97%), η οποία όμως εξαρτάται από τη στιγμιαία ισχύ. Υπάρχει η απαίτηση ο μετατροπέας να έχει μεγάλη απόδοση και για μικρή ισχύ, συγκεκριμένα 90% για 10% της ονομαστικής ισχύος. Σχήμα 4.9. Απόδοση μετατροπέα συναρτήσει της ισχύος εισόδου της συσκευής. Να σημειώσουμε ακόμα ότι οι κατασκευαστές δίνουν την ευρωπαϊκή απόδοση που επιχειρεί να περιγράψει την απόδοση της συσκευής για τη μέση παραγωγή ισχύος στις συνθήκες λειτουργίας ενός έτους [10]. 4.5 Ελεγκτής φόρτισης Η φόρτιση των συσσωρευτών μέσω της φωτοβολταϊκής συστοιχίας απαιτεί συνεχή έλεγχο της κατάστασης φόρτισής τους, ώστε όταν αυτοί φτάσουν στην κατάσταση μέγιστης φόρτισης να διακόπτεται η διαδικασία. Έτσι αποφεύγεται η υπέρταση του συσσωρευτή, η οποία θα είχε ως συνέπεια την έκλυση μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου λόγω ηλεκτρόλυσης και συνακόλουθα μείωση της στάθμης του διαλύματος. Αντίστοιχα, απαιτείται έλεγχος του συσσωρευτή όσο αυτός τροφοδοτεί την κατανάλωση, ώστε να προληφθεί η καταστροφική κατάσταση υπερεκφόρτισης. Γενικά ο ελεγκτής φόρτισης-εκφόρτισης, στην πιο περιορισμένη του μορφή, εποπτεύει τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης ώστε να απομονώνει το σύστημα αποθήκευσης, αφενός από το σύστημα παραγωγής της ενέργειας, στην περίπτωση της υπερφόρτισης, και αφετέρου από το σύστημα κατανάλωσης, στην περίπτωση της υπερεκφόρτισης. Και στις δύο περιπτώσεις, η διακοπή αυτή προκαλείται όταν η τάση στα άκρα του συσσωρευτή ξεπεράσει, προς τα άνω και αντίστοιχα προς τα κάτω ορισμένα όρια τάσης, όπου ενεργοποιούνται οι ηλεκτρικοί διακόπτες. 36

40 Μια μονάδα ελέγχου φόρτισης-εκφόρτισης, περιλαμβάνει σύνολο ολοκληρωμένων συστημάτων είτε μικροελεγκτές, που ελέγχουν ηλεκτρονικούς διακόπτες, είτε ηλεκτρομηχανικούς (ρελέ), είτε ηλεκτρονικούς ισχύος. Σε κάθε περίπτωση, στο κύκλωμα παρεμβάλλεται μια δίοδος, για την προστασία τους συστήματος αποθήκευσης από εκφόρτιση, μέσω της διάταξης ή του υπόλοιπου συστήματος Παράλληλος Ρυθμιστής Φόρτισης (Shunt controller) Χαρακτηριστικό αυτού του ρυθμιστή είναι ότι το ελεγχόμενο στοιχείο είναι συνδεδεμένο παράλληλα με το φωτοβολταϊκό σύστημα (shunt controller), με δυνατότητα να λειτουργεί, είτε μεταβαλλόμενο γραμμικά, ανάλογα με τη μέγιστη φόρτιση (Σχήμα 4.10(β)). Στην περίπτωση του παράλληλου ρυθμιστή, όταν επιτευχθεί η μέγιστη φόρτιση (όριο τάσης) το ελεγχόμενο σημείο βραχυκυκλώνει το φωτοβολταϊκό σύστημα, χωρίς να προκαλείται καμία βλάβη σε αυτό. Έτσι, απομονώνεται το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το σύστημα αποθήκευσης της. Σχήμα Τυπικά διαγράμματα παράλληλου ρυθμιστή φόρτισης (α) με γραμμικό και (β) με διακοπτικό στοιχείο. Το διάγραμμα (γ) αφορά ρυθμιστή φόρτισης σε σειρά με στοιχείο απόρριψης ή απόδοσης της περίσσειας ενέργειας [3] Ρυθμιστής φόρτισης σε σειρά (Series controller) Η βασική αρχή λειτουργίας της δεύτερης διάταξης ελέγχου φόρτισης βασίζεται στη χρήση δύο διακοπτών S 1, S 2. Ο πρώτος διακόπτει το ρεύμα από το σύστημα ενέργειας στο σύστημα αποθήκευσης, όταν η τάση φόρτισης φτάσει στο όριό της. Την ίδια στιγμή ενεργοποιείται ο διακόπτης S 2, ο οποίος εισάγει στην έξοδο του συστήματος ενέργειας, ένα στοιχείο απόδοσης (Σ) της επί πλέον ενέργειας, την οποία δεν έχει τη δυνατότητα να απορροφήσει το σύστημα αποθήκευσης. Το στοιχείο απόδοσης, πρέπει να μπορεί να αποβάλλει εύκολα την αποδιδόμενη σε αυτό ενέργεια, προς το περιβάλλον. Ο ρυθμιστής αυτός ονομάζεται ρυθμιστής με το ελεγχόμενο στοιχείο (S 1 ) σε σειρά (Series controller) και μπορεί να ελέγξει τη φόρτιση συσσωρευτών από το φωτοβολταϊκό σύστημα. Υπάρχουν διάφορες εκδόσεις του ρυθμιστή, με διαφορές που εντοπίζονται στον τρόπο που προσεγγίζεται η τελική κατάσταση φόρτισης, από καθεμία από αυτές. Η διάταξη φόρτισης συμπληρώνεται από παρόμοια διάταξη ελέγχου εκφόρτισης του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας, με σκοπό την προστασία του συσσωρευτή από υπερεκφόρτιση (overdischarging) και η οποία συνήθως ενσωματώνεται στην πρώτη. Διακόπτει το κύκλωμα παροχής ενέργειας από το συσσωρευτή στην κατανάλωση, όταν η τάση στα άκρα του συσσωρευτή μειούμενη φτάσει ορισμένη τιμή (disconnect setpoint) [11]. 37

41 5.1 Η Ανάγκη για Αποθήκευση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ένα μέρος της ενέργειας που παράγεται από μια Φ/Β συστοιχία είναι ανάγκη να αποθηκευτεί, ώστε να χρησιμοποιηθεί μετά τη δύση του ηλίου, τη νύχτα, πριν την ανατολή του ηλίου, όταν δεν επαρκεί η ηλιακή ακτινοβολία ή κατά τη διάρκεια συνεχών ημερών με νεφελώδη ουρανό. Η στατιστική κατανομή της έντασης ηλιακής ακτινοβολίας ενός τόπου και η δυνατότητα μετατροπής μέρους αυτής σε καθαρή για το περιβάλλον ηλεκτρική ενέργεια, δεδομένου του τρέχοντος επιπέδου της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας, καθιστά όλο και πιο συχνά επιτακτική τη χρήση των ηλιακών κυττάρων ως γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος. Τα στατιστικά δεδομένα της ηλιοφάνειας ενός τόπου αντιπαρατιθέμενα στην ίδια τη φύση του φαινομένου, που χαρακτηρίζεται από τις έντονες και συχνά γρήγορες μεταβολές, τόσο κατά τη διάρκεια του έτους όσο και κατά τη διάρκεια της μέρας, θα περιόριζαν τρομερά το εύρος των δυνατών εφαρμογών χωρίς τη δυνατότητα της αποταμίευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Τα περισσότερα από τα συστήματα αποθήκευσης που υπάρχουν δεν προσφέρονται για το σκοπό αυτό είτε λόγω μεγάλου αρχικού κόστους, είτε λόγω μη προσαρμογής των δυνατοτήτων αποθήκευσης. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν η άντληση και η αποθήκευση νερού, ο συμπιεσμένος αέρας, η θερμική αποθήκευση, η παραγωγή και αποθήκευση υδρογόνου, η αποθήκευση σε σφονδύλους κτλ Ηλιακοί Συσσωρευτές Τη λύση του προβλήματος της συχνής ασυμφωνίας ζήτησης και παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω της δυνατότητας της αποταμίευσής της, την παρέχουν οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές (μπαταρίες). Μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια, ο συσσωρευτής, την αποθηκεύει σε χημική μορφή, για να την αποδώσει στην αρχική της μορφή όταν υπάρξει ζήτηση. Η χημική αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με τη βοήθεια συσσωρευτών φαίνεται ότι αποτελεί την πλέον κατάλληλη μέθοδο αποθήκευσης για ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Τα πλεονεκτήματα ενός Φ/Β συστήματος με συσσωρευτές είναι η δυνατότητα να παρέχουν ενέργεια σε περιόδους που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία, η δυνατότητα να καλύπτουν στιγμιαίες αιχμές ζήτησης φορτίου, η ύπαρξη σταθερής τάσης στο σύστημα, η ικανότητα αποθήκευσης της επιπλέον της ενεργειακής ζήτησης ενέργειας ώστε να μειώνονται οι απώλειες κτλ. Από την άλλη μεριά, η αυξημένη πολυπλοκότητα του συστήματος, το αυξημένο κόστος, ο αυξημένος χρόνος και το κόστος συντήρησης και πολλές φορές η μειωμένη αξιοπιστία μπορούν να καταγραφούν στα μειονεκτήματα ενός τέτοιου συστήματος. Σχήμα 5.1. Συσσωρευτές ROLLS. Στο κεφάλαιο αυτό, εκτός από τα βασικά στοιχεία της τεχνολογίας των συσσωρευτών θα 38

42 εξεταστούν και τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας τους, τα οποία πρέπει να λαμβάνονται υπόψη όταν χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα. 5.2 Δομή Συσσωρευτών Ένας συσσωρευτής αποτελείται από ένα ή περισσότερα στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά ή/και παράλληλα και ο τρόπος σύνδεσης τους εξαρτάται από την επιθυμητή τάση εξόδου και τη χωρητικότητα της συστοιχίας. Το στοιχείο αποτελείται από τρία βασικά συστατικά: Την άνοδο, η οποία δίνει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα και οξειδώνεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Την κάθοδο, η οποία δέχεται τα ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα και ανάγεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Τον ηλεκτρολύτη (ιονικός αγωγός) ο οποίος αποτελεί το μέσο για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό του στοιχείου μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Ο ηλεκτρολύτης είναι συνήθως κάποιο διάλυμα που συμβάλλει στην ιονική αγωγιμότητα της διάταξης. Σε ένα πρακτικό σύστημα, η άνοδος επιλέγεται λαμβάνοντας υπόψη τα παρακάτω: καλή αγωγιμότητα, σταθερότητα, ευκολία κατασκευής και μικρό κόστος. Συνήθως τα υλικά που επιλέγονται για την κατασκευή ανόδων είναι τα μέταλλα. Η κάθοδος πρέπει να είναι ένας καλός οξειδωτικός παράγοντας και να μην αλληλεπιδρά χημικά με τον ηλεκτρολύτη. Στις κατασκευές των στοιχείων χρησιμοποιείται ένα υλικό διαχωρισμού για να διαχωρίσει τα ηλεκτρόδια της ανόδου και της καθόδου. Το υλικό διαχωρισμού είναι διαπερατό από τον ηλεκτρολύτη, έτσι ώστε να διατηρηθεί η ιονική αγωγιμότητα του στοιχείου. Κατάλληλα υλικά μπορούν να προστεθούν στα ηλεκτρόδια για τη μείωση της εσωτερικής αντίστασης. Το στοιχείο μπορεί να κατασκευαστεί σε πολλά σχήματα: κυλινδρικό, επίπεδο ή πρισματικό. Τα στοιχεία σφραγίζονται με διάφορους τρόπους για να αποφευχθεί η διαρροή του ηλεκτρολύτη. Μερικά στοιχεία διαθέτουν βαλβίδες για να επιτρέπουν τη διαφυγή των αερίων που παράγονται κατά τη λειτουργία τους. Στο σχήμα 5.2 φαίνεται η δομή ενός συσσωρευτή όπου διακρίνονται τα δομικά χαρακτηριστικά που έχουν περιγραφεί παραπάνω. Σχήμα 5.2. Η δομή ενός συσσωρευτή. 5.3 Αρχή Λειτουργίας Συσσωρευτών Ο μηχανισμός της λειτουργίας των συσσωρευτών στηρίζεται σε μια αντιστρεπτή ηλεκτροχημική διαδικασία, η οποία για τους συσσωρευτές μολύβδου περιγράφεται από την αντίδραση: (5.1) 39

43 Η κατεύθυνση προς τα δεξιά αντιστοιχεί στη διαδικασία της εκφόρτισης, ενώ η αντίθετη στη φόρτιση του συσσωρευτή. Πιο συγκεκριμένα, κατά την αρχική επαφή των μολύβδινων πλακών με το ηλεκτρολυτικό διάλυμα, λεπτό επιφανειακό στρώμα των ηλεκτροδίων μετατρέπεται από Pb σε. Κατά τη φόρτιση υπό τάση λίγο μεγαλύτερη της ονομαστικής τάσης της διάταξης, το ηλεκτρόδιο που είναι συνδεδεμένο στον αρνητικό πόλο της πηγής φόρτισης, ανάγεται σε μεταλλικό μόλυβδο (Pb), με σπογγώδη μορφή και το άλλο που είναι συνδεδεμένο με το θετικό πόλο της πηγής, οξειδώνεται προς Pb, φαιού χρώματος. Ένας συσσωρευτής αποτελείται από μια συνάθροιση κυψελίδων και η ονομαστική του τάση είναι το άθροισμα των ονομαστικών τάσεων των κυψελίδων του. Έτσι, ο συσσωρευτής που χρησιμοποιούμε, με ονομαστική τιμή 60Volt αποτελείται από 30 κυψελίδες ονομαστικής τιμής 2 Volt η καθεμία. 5.4 Κατηγορίες Στοιχείων και Συσσωρευτών Πρωτεύοντα Στοιχεία ή Συσσωρευτές Τα πρωτεύονται στοιχεία (ή συσσωρευτές) δε γίνεται να επαναφορτιστούν, γι αυτό εκφορτίζονται μια φορά και στη συνέχεια αποσύρονται. Ο πρωτεύον συσσωρευτής είναι μία ικανοποιητική και συνήθως φθηνή πηγή ενέργειας. Τα γενικά πλεονεκτήματά τους είναι η γενικά μεγάλη ζωή τους όταν βρίσκονται αποθηκευμένοι, η μεγάλη πυκνότητα ενέργειας για μικρούς η μεσαίους ρυθμούς εκφόρτισης, η μικρή ή έως καθόλου ανάγκη για συντήρηση, η ευκολία χρήσης και το μικρό αρχικό κόστος. Διάφορες εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται πρωτεύοντες συσσωρευτές είναι φορητές ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές συσκευές, φωτισμός, φωτογραφικός εξοπλισμός, παιχνίδια κ.α. Οι πιο συνηθισμένοι πρωτεύοντες συσσωρευτές είναι κυλινδρικοί η επίπεδοι Δευτερεύοντα Στοιχεία ή Συσσωρευτές Τα δευτερεύοντα στοιχεία (ή συσσωρευτές) μπορούν να επαναφορτιστούν ηλεκτρικά μετά την εκφόρτιση, μέχρι να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση πριν την εκφόρτιση. Αυτό γίνεται με την εφαρμογή ρεύματος με την αντίθετη φορά από αυτή του ρεύματος εκφόρτισης. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούνται μεγάλες ισχύς. Πιο συγκεκριμένα, οι εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: 1. Τις εφαρμογές στις οποίες ο συσσωρευτής εκφορτίζεται μόνο όταν είναι απαραίτητο και φορτίζεται από μία πηγή τάσης ή ρεύματος. Τέτοιες εφαρμογές είναι τα συστήματα αεροπλάνων, συστήματα έκτακτης ανάγκης και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. 2. Τις εφαρμογές στις οποίες ο συσσωρευτής χρησιμοποιείται ως κύρια πηγή ενέργειας και επαναφορτίζεται μετά τη χρήση αντί να αποσύρεται. Τέτοιες εφαρμογές συμπεριλαμβάνουν τις φορητές ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρικά οχήματα και γενικά εφαρμογές τις οποίες δε μπορούν να καλύψουν οι πρωτεύοντες συσσωρευτές. Οι δευτερεύοντες συσσωρευτές χαρακτηρίζονται από υψηλή ενεργειακά πυκνότητα, υψηλούς ρυθμούς εκφόρτισης και καλή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. Μερικοί συσσωρευτές, οι οποίοι είναι γνωστοί και ως μηχανικά επαναφορτιζόμενοι, φορτίζονται με την αντικατάσταση ενός από τα ηλκτρόδια, συνήθως της μεταλλικής διόδου. Τους βασικότερους εκπροσώπους αυτής της κατηγορίας, που είναι πλέον κατάλληλοι για φωτοβολταϊκά συστήματα, αποτελούν οι συσσωρευτές μολύβδου (LEAD-ACID) και οι συσσωρευτές νικελίου-καδμίου (NICKEL-CADMIUM). 40

44 5.5 Τύποι συσσωρευτών Συσσωρευτές Μολύβδου Γνωστοί και ευρέως χρησιμοποιολυμενοι τύποι συσσωρευτών μολύβδου είναι: Οι συσσωρευτές μολύβδου-αντιμονίου (Pb-Sb). Οι συσσωρευτές μολύβδου-ασβεστίου (Pb-Ca), οι οποίοι χωρίζονται σε υγρού καταλύτη με ανοικτή ή με σφραγισμένη βαλβίδα εξαέρωσης. Οι υβριδικοί συσσωρευτές μολύβδου-αντιμονίου / μολύβδου-ασβεστίου. Οι μολύβδου με δεσμευμένο καταλύτη που μπορεί να είναι gelled ή absorbed glass material (AGM). Συσσωρευτές Μολύβδου-Αντιμονίου (Pb-Sd) Ιδιαίτερα για αυτόνομα φωτοβολταϊκα συστήματα, όπου δεν υπάρχει εναλλακτική λύση παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και όπου οι μεταβολές της ηλιοφάνειας μπορούν να είναι έντονες και μακρόχρονες, απαραίτητοι είναι οι συσσωρευτές που έχουν μεγάλη χωρητικότητα, μπορούν να υποστούν βαθιά εκφόρτιση και συχνά απαιτείται μία καλή σχέση κόστους και διάρκειας ζωής.για ένα τέτοιο σύστημα, καλή επιλογή θα αποτελούσε ένας συσσωρευτής μολύβδου-αντιμονίου (Pb- Sd). Αυτοί είναι συσσωρευτές με εξαιρετικά χαρακτηριστικά, όσο αφορά τις δυνατότητες βαθιάς εκφόρτισης και υψηλού ρυθμού εκφόρτισης. Έχουν επίσης μεγάλη διάρκεια ζωής και υφίστανται μικρή διάχυση των ενεργών υλικών τους. Μειονέκτημά τους είναι ο μεγάλος βαθμός αυτοεκφόρτισης που υφίστανται και που οδηγεί στην ανάγκη να υπερφορτίζονται με αποτέλεσμα τη μεγάλη απώλεια υγρών που εξαρτάται και από τις θερμοκρασίες λειτουργίας. Συσσωρευτές μολύβδου δεσμευμένου ηλεκρολύτη ( Captive Electrolyte Lead-Acid Batteries) Πολύ δημοφιλής επιλογή για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι οι συσσωρευτές μολύβδου δεσμευμένου ηλεκτρολύτη (Captive Electrolyte Lead-Acid Batteries), λόγω της στεγανότητάς τους και της ευκολίας μετακίνησης που παρουσιάζουν. Το γεγονός ότι δεν έχουν απαιτήσεις συντήρησης (ούτε και δυνατότητα), σε συνδυασμό με την ευκολία στη μετακίνηση τους καθιστά ιδανικούς για συστήματα σε απομακρυσμένα ή δυσπρόσιτα μέρη. Πάνω από τα μισά απομακρυσμένα φωτοβολταϊκά συστήματα τους χρησιμοποιούν Άλλοι Τύπο Συσσωρευτών Εκτός από τους συσσωρευτές μολύβδου έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς και έχουν κυκλοφορήσει στο εμπόριο ή βρίσκονται ακόμα υπό μελέτη διάφοροι άλλοι τύποι συσσωρευτών όπως οι συσσωρευτές νικελίου. Γνωστοί και ευρέως χρησιμοποιούμενοι τύποι συσσωρευτές νικελίου είναι: Οι συσσωρευτές Νικελίου-Καδμίου. Οι συσσωρευτές Νικελίου-Σιδήρου. Οι συσσωρευτές Νικελίου- Ψευδαργύρου. Οι συσσωρευτές REDOX. Συσσωρευτές Νικελίου-Καδμίου Η χημική αντίδραση που περιγράφει τη φόρτιση-εκφόρτιση είναι: (5.2) 41

45 Ο ηλεκρολύτης είναι διάλυμα υδροξειδίου του καλίου σε νερό. Στα πλεονεκτήματα των συσσωρευτών αυτών περιλαμβάνονται η δυνατότητα μεγάλων ρυθμών, μεγάλη διάρκεια ζωής, δυνατότητα υπερφόρτισης, σχετικά σταθερή τάση λειτουργίας συναρτήσει της στάθμης φόρτισης, ικανότητα παραμονής σε μέτρια στάθμη φόρτισης χωρίς πολλές φθορές. Χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές συσκευές, φορητά εργαλεία, σαν εφεδρικές πηγές και σε διαστημικές εφαρμογές. Στα μειονεκτήματά τους συγκαταλέγονται το υψηλό κόστος και η μικρή χωρητικότητα. Συσσωρευτές Νικελίου-Σιδήρου Η χημική αντίδραση που περιγράφει τη φόρτιση-εκφόρτιση είναι: (5.3) Ο ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα υδροξειδίου του καλίου σε νερό. Στα πλεονεκτήματα των συσσωρευτών αυτών περιλαμβάνονται η μεγάλη διάρκεια ζωής και η δυνατότητα να υπερφορτίζονται και να υπερεκφορτίζονται με ελάχιστη μόνιμη βλάβη, ενώ στα μειονεκτήματα το σχετικά υψηλό κόστος και ο μικρός βαθμός απόδοσης. Συσσωρευτές Νικελίου-Ψευδαργύρου Η χημική αντίδραση είναι όμοια με τους προηγούμενους με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούν ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου στη θέση του σιδήρου. Τα πλεονεκτήματά τους είναι η μεγάλη πυκνότητα ισχύος και ενέργειας που τους κάνει κατάλληλους για συσσωρευτές έλξης, ενώ σαν μειονεκτήματα έχουν τη μικρή διάρκεια ζωής, σχετικά χαμηλό βαθμό απόδοσης και υψηλό κόστος. Συσσωρευτές REDOX Τα ενεργά υλικά είναι διάλυμα σε νερό για το θετικό ηλεκτρόδιο και διάλυμα σε νερό για το αρνητικό ηλεκτρόδιο και αποθηκεύονται σε χωριστά δοχεία εκτός του στοιχείου, όπου βρίσκονται τα δύο ηλεκτρόδια και κυκλοφορούν με τη βοήθεια αντλιών. Στα πλεονεκτήματά τους περιλαμβάνονται η μεγάλη διάρκεια ζωής, η δυνατότητα υπερφόρτωσης ή υπερεκφόρτισης χωρίς μόνιμη βλάβη, η δυνατότητα ρύθμισης της τάσης με την πρόσθεση επιπλέον στοιχείων κατά τη διάρκεια λειτουργίας, ενώ στα μειονεκτήματα οι ενεργειακές (παρασιτικές) απαιτήσεις για τη λειτουργία των βοηθητικών συσκευών κ.α. Τέλος, πρέπει να τονισθεί ότι βρίσκονται υπό μελέτη και άλλοι τύποι συσσωρευτών που καθένας παρουσιάζει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. 5.6 Κύκλος Λειτουργίας (DUTY CYCLE) Μια πλήρης φόρτιση μαζί με την επόμενη επαναφόρτιση αναφέρεται σαν ένας κύκλος (CYCLE). Οι συσσωρευτές ανάλογα με τον τρόπο χρησιμοποίησης χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες, που καθεμιά παρουσιάζει ιδιαίτερα κρίσιμα χαρακτηριστικά. Συσσωρευτές Εκκίνησης (SLI και DIESEL) Χρησιμοποιούνται για την εκκίνηση (STARTING), φωτισμό (LIGHTING) και ανάφλεξη (IGNITION) αυτοκινήτων και ντιζελομηχανών. Έχουν μεγάλους ρυθμούς εκφόρτισης και αποδίδουν μεγάλα ποσά ενέργειας σε μικρές χρονικές περιόδους με μικρό βαθμό εκφόρτισης, σχετικά χαμηλό κόστος, μεγάλη ταχύτητα αυτοεκφόρτισης, διάρκεια ζωής 2-5 χρόνια για αυτοκίνητα και μέχρι 8 χρόνια για ντιζελομηχανές και μικρή διάρκεια ζωής σε κύκλους (200 κύκλους για 50% DOD και 3-5 κύκλους για % DOD). 42

46 Συσσωρευτές Έλξης (MOTIVE POWER, TRACTION) Χρησιμοποιούνται σε ανυψωτικά μηχανήματα, ηλεκτρικούς συρμούς ορυχείων, υποβρύχια και εν γένει ηλεκτροκίνητα οχήματα. Έχουν μεγάλη ταχύτητα αυτοεκφόρτισης και όταν δεν εκφορτίζονται σε βάθος μπορεί να διαρκέσουν 5-15 χρόνια. Στάσιμοι Συσσωρευτές (STATIONARY FLOAT) Χρησιμοποιούνται σε τηλεφωνικά συστήματα, συστήματα αδιάλειπτου παροχής και εν γένει εφεδρικά συστήματα. Αρχίζουν να παρέχουν ενέργεια μόνο όταν η κύρια τροφοδοσία πάθει κάποια βλάβη με ρυθμούς εκφόρτιση μέχρι ανάλογα με την εφαρμογή. Έχουν διάρκεια ζωής χρόνια Συσσωρευτές Κλειστού Τύπου (SEALED) Δεν χρειάζονται συνήθως συντήρηση (πρόσθεση νερού) διότι χρησιμοποιούν πλάκες ενισχυμένες με ασβέστιο που ελαχιστοποιούν την έκλυση αερίων, καταλύτη για επανασύνδεση των αερίων και βαλβίδες ασφαλείας. Φωτοβολταϊκοί Συσσωρευτές Μικρού Ρυθμού Εκφόρτισης Χρησιμοποιούνται σε απομακρυσμένα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα που σχεδιάζονται για ελάχιστη συντήρηση με μικρούς ρυθμούς εκφόρτισης, να αντέχουν στις χαμηλές θερμοκρασίες, με μεγάλη διάρκεια ζωής (5-15 χρόνια) και μικρή ταχύτητα αυτοεκφόρτισης. Φωτοβολταϊκοί Συσσωρευτές Μέσου Ρυθμού Εκφόρτισης Χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά συστήματα διασυνδεδεμένα στο δίκτυο ή με εφεδρική πηγή ενέργειας. Είναι συνήθως τροποποιημένοι συσσωρευτές έλξης (π.χ περιέχουν περισσότερο ηλεκτρολύτη, ώστε να μειώσουν τις απαιτήσεις σε συντήρηση, λιγότερο ανθεκτικές από μηχανική άποψη κλπ). Έχουν μέσους ρυθμούς και μεγάλο ημερήσιο βάθος εκφόρτισης. 5.7 Χαρακτηριστικά Μεγέθη ενός Συσσωρευτή Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Τα στοιχεία που προσδιορίζουν τις δυνατότητες ενός ηλεκτρικού συσσωρευτή είναι η ονομαστική τάση στους πόλους του, που εκφράζεται με την έννοια της ηλεκτρεγερτικής δύναμης (ΗΕΔ) και η ονομαστική χωρητικότητά του. Η ΗΕΔ μετριέται σε Volt και ισούται με την πολική τάση του συσσωρευτή όταν δεν είναι συνδεδεμένος σε καταναλωτή. Οι τιμές των ΗΕΔ των διαφόρων τύπων συσσωρευτών (Pb-H 2 SO 4, NiCd, Ni-Fe, Ni-Zn, Sodium- Sulphur, Zinc-Bromide, Zinc-Chloride, Lithium-Metal Sulphide, Nickel-Hydrogen) κυμαίνονται μεταξύ 1 V και 4 V ανά στοιχείο. Για να προκύψει μια διάταξη συσσώρευσης σε υψηλότερη ΗΕΔ, όμοια ηλεκτρικά στοιχεία συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους. Η ονομαστική τάση ενός στοιχείου συσσωρευτή μολύβδου είναι 2,25 V. Έτσι, οι τυπικές ονομαστικές τάσεις με τις οποίες κυκλοφορούν, με την τυπική εμπορική τους μορφή οι συσσωρευτές μολύβδου είναι 6 V, 12 V, 24 V και 48 V Χωρητικότητα Η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα συσσωρευτή ή που μπορεί να αποδοθεί από αυτόν είναι η χωρητικότητα του συσσωρευτή. Η χωρητικότητα συνήθως καθορίζεται για έναν συγκεκριμένο ρυθμό εκφόρτισης ή περίοδο εκφόρτισης. Εξαρτάται από αρκετούς σχεδιαστικούς παράγοντες, στους οποίους συμπεριλαμβάνονται η ειδική πυκνότητα του ηλεκτρολύτη, η ποσότητα του ενεργού υλικού, ο αριθμός, ο σχεδιασμός και οι φυσικές διαστάσεις 43

47 των πλακών (ηλεκτροδίων). Λειτουργικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη χωρητικότητα είναι ο ρυθμός εκφόρτισης, το βάθος εκφόρτισης (ποσοστό της συνολικής χωρητικότητας που αποδόθηκε από τη μπαταρία), η τάση της μπαταρίας στο τέλος της εκφόρτισης (τάση αποκοπής), η θερμοκρασία, η ηλικία της μπαταρίας και το ιστορικό της χρήσης της (κακή χρήση κτλ). Η συνήθης μονάδα έκφρασης της χωρητικότητας του συσσωρευτή είναι το Amber-hour (Ah) και ο ρυθμός εκφόρτισης εκφράζεται σε ώρες (π.χ. εκφόρτιση σε 120 ώρες ισοδυναμεί με ρυθμό εκφόρτισης C/120 ). Φυσικά, η μονάδα του ρυθμού εκφόρτισης είναι το Amber. Μερικές φορές, η χωρητικότητα σε αποθηκευμένη ενέργεια του συσσωρευτή εκφράζεται σε Kilowatt-hour (KWh) και υπολογίζεται προσεγγιστικά πολλαπλασιάζοντας τη χωρητικότητα σε Ah με την ονομαστική τάση του συσσωρευτή και διαιρώντας με Μέτρο της χωρητικότητας του συσσωρευτή είναι η κατάσταση φόρτισης (state of charge ή ), που ορίζεται σαν το ποσό της αποθηκευμένης ενέργειας και εκφράζεται ως το ποσοστό της ενέργειας ενός πλήρως φορτισμένου συσσωρευτή. Έτσι ένας συσσωρευτής του οποίου τα ¾ της ενέργειας του έχουν αφαιρεθεί, δηλαδή έχει εκφορτιστεί κατά, λέγεται ότι βρίσκεται στο Εκφόρτιση και Επιτρεπόμενο Βάθος Εκφόρτισης Το επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης (depth of discharge ή ) είναι το μέγιστο ποσοστό χωρητικότητας το οποίο μπορεί να αποδοθεί από τη μπαταρία. Συνήθως καταδεικνύεται από την τάση αποκοπής ή τάση βάθους εκφόρτισης και από το ρυθμό εκφόρτισης. Στα τυπικά φωτοβολταϊκά συστήματα προβλέπεται μια τάση αποκοπής του φορτίου από τη συσκευή του ρυθμιστή φόρτισης συσσωρευτών και έτσι καθορίζεται το επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης για δεδομένο ρυθμό εκφόρτισης. Οι τιμές του επιτρεπόμενου μπορούν να είναι από 80% έως και 15% της χωρητικότητας ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας. Το επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης πρέπει να μειώνεται θέτοντας την τάση αποκοπής του φορτίου στην συσκευή ρυθμιστή φόρτισης σε κατάλληλο σημείο. Το αποτέλεσμα θα είναι ο συσσωρευτής να μην εκφορτίζεται πλήρως και η θερμοκρασία στερεοποίησης να διατηρείται χαμηλά. Το κόστος θα είναι η μείωση της αυτονομίας του συστήματος μπαταρίας-συσσωρευτή. Για να διατηρείται η αυτονομία, η χωρητικότητα του συσσωρευτή πρέπει να επιλέγεται λαμβάνοντας υπόψη, τόσο τη μείωσή της σε χαμηλές θερμοκρασίες όσο και το στις θερμοκρασίες αυτές. Η τάση του βάθους εκφόρτισης σχετίζεται με το ρυθμό εκφόρτισης για τον οποίο είναι καθορισμένη η χωρητικότητα Αυτοεκφόρτιση Η αυτοεκφόρτιση είναι η διαδικασία κατά την οποία ο συσσωρευτής υφίσταται μείωση του (state of charge), χωρίς να είναι συνδεδεμένος με κάποια κατανάλωση. Τα αίτια είναι οι εσωτερικοί χημικοί μηχανισμοί ή άλλες απώλειες της μπαταρίας και σημαντικοί παράγοντες στη διαδικασία της αυτοεκφόρτισης είναι τα ενεργά υλικά και τα στοιχεία του κράματος του πλέγματος που επιλέχθηκαν κατά τον σχεδιασμό του συσσωρευτή. Τυπικό μέγεθος αυτοεκφόρτισης είναι η απώλεια του 0,7% του ανά ημέρα και για το λόγο αυτό, οι συσσωρευτές πρέπει να βρίσκονται σε συνθήκες συντηρητικής φόρτισης ακόμα και αν δεν υπάρχει κατανάλωση. Τυπικοί ρυθμοί αυτοεκφόρτισης ενός συσσωρευτή είναι: Σε θερμοκρασία 5, η χωρητικότητα ελαττώνεται κατά 2% ανά μήνα. Σε θερμοκρασία 15, η χωρητικότητα ελαττώνεται κατά 4% ανά μήνα. Σε θερμοκρασία 25, η χωρητικότητα ελαττώνεται κατά 10% ανά μήνα Φόρτιση Η φόρτιση του συσσωρευτή είναι η διαδικασία αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας με παροχή 44

48 ηλεκτρικού ρεύματος προς το συσσωρευτή. Οι μέθοδοι φόρτισης που εφαρμόζονται από τους ρυθμιστές φόρτισης στα φωτοβολταϊκά συστήματα, διαφέρουν γενικά από αυτές που εφαρμόζουν οι κατασκευαστές για να καθορίσουν της επιδόσεις της μπαταρίας. Οι προδιαγραφές δεν περιορίζουν κατά κανόνα το ρεύμα φόρτισης του συσσωρευτή εφόσον δεν γίνει υπέρβαση της τάσης εκλύσεως αερίων. Ωστόσο, η τάση εκλύσεως αερίων γίνεται μικρότερη καθώς το ρεύμα φόρτισης γίνεται μεγαλύτερο. Άλλος παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται για το επιδιωκόμενο είναι η θερμοκρασία λειτουργίας του συσσωρευτή. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία αυξάνεται η χωρητικότητα του συσσωρευτή, μειώνεται όμως η τάση εκλύσεως αερίων. Έτσι, το μέγιστο που μπορεί να επιτευχθεί σε δεδομένη θερμοκρασία, κατά κάποιο τρόπο φράσσεται από την τάση εκλύσεως αερίων Χρόνος Ζωής Συσσωρευτή Οι συσσωρευτές δεν πρέπει να υφίστανται παρατεταμένη φόρτιση σε πολύ υψηλή τάση γι αυτούς (Overcharging), ούτε να εκφορτίζονται κάτω από ένα όριο (Overdischarging). Ο κανόνας αυτός είναι πολύ σημαντικός και καθορίζει το χρόνο ζωής τους. Η υπερφόρτιση έχει ως αποτέλεσμα την ηλεκτρόλυση και συνακόλουθα, την παραγωγή υδρογόνου με ταυτόχρονη έντονη ελάττωση της στάθμης του ηλεκτρολυτικού διαλύματος (απώλεια νερού). Ο χρόνος ζωής των συσσωρευτών εκφράζεται σε κύκλους λειτουργίας, καθένας από τους οποίους περιλαμβάνει τις διαδικασίες εκφόρτισης και φόρτισής του. Η χωρητικότητα, του συσσωρευτή δεν παραμένει σταθερή. Μειώνεται όσο αυξάνουν οι κύκλοι λειτουργίας. Ένας πρακτικός κανόνας που προσεγγίζει την πραγματική συμπεριφορά των συσσωρευτών και ουσιαστικά περιγράφει το χρόνο ζωής τους, είναι ο ακόλουθος: Το γινόμενο βάθους εκφόρτισης επί τους κύκλους λειτουργίας είναι με καλή προσέγγιση σταθερό: (5.4) όπου το πλήθος των κύκλων λειτουργίας του συσσωρευτή Συντελεστής Γήρανσης Συσσωρευτή Η χωρητικότητα του συσσωρευτή ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου, δηλαδή, με την αύξηση του αριθμού των κύκλων λειτουργίας του. Η μείωση αυτή (γήρανση) πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τον υπολογισμό της αρχικής χωρητικότητας του συσσωρευτή, ώστε μέσα στο χρόνο ζωής του να διατηρεί τη δυνατότητα να καλύπτει ημερησίως την ενέργεια που απαιτούν οι καταναλώσεις της εφαρμογής, με αυτό το βάθος εκφόρτισης,. Η εμπειρία έχει δείξει ότι, η χωρητικότητα ενός συσσωρευτή μειώνεται σταδιακά και περί το πέρας της ζωής του έχει πέσει στο 80% της αρχικής ονομαστικής χωρητικότητάς του. Συνεπώς, ως τυπική τιμή του συντελεστή γήρανσης του συσσωρευτή λαμβάνεται η τιμή Συντελεστής Φόρτισης και Απόδοση Τα αμπερώρια (Ah) που είναι απαραίτητα για τη φόρτιση ενός συσσωρευτή και την αύξηση του κατά ένα συγκεκριμένο ποσοστό είναι κατά κανόνα περισσότερα από τα Ah που αποδίδει όταν εκφορτιστεί κατά το ίδιο ποσοστό του. Έτσι, ορίζεται ο συντελεστής φόρτισης ως το κλάσμα της εισερχόμενης ποσότητας Ah προς την εξερχόμενη ποσότητα Ah, δηλαδή ισχύει: (5.5) 45

49 Αντίστοιχα, ο λόγος της ισχύος που δίνει ένας πλήρως φορτισμένος συντελεστής προς την ενέργεια που απαιτείται για να φορτιστεί πλήρως ονομάζεται απόδοση ισχύος. Δηλαδή ισχύει: Όταν φορτίζεται ένας συσσωρευτής, ένα ποσοστό της τάξεως του % της προσφερόμενης σ αυτόν ενέργειας χάνεται, θερμαίνοντας τον ηλεκτρολύτη ή προκαλώντας ηλεκτρόλυση. Έτσι ένας συσσωρευτής χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένο βαθμό απόδοσης ενέργειας, Ορίζεται ως ο λόγος του ηλεκτρικού έργου που αποδίδει ο συσσωρευτής κατά την εκφόρτιση, δια του έργου που του προσφέρθηκε κατά την προηγούμενη φόρτισή του. Τυπική τιμή %. (5.6) (5.7) Εκτός από το βαθμό ενεργειακής απόδοσης, χρησιμοποιείται επίσης ο αντίστοιχος βαθμός απόδοσης φορτίου,, ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος του φορτίου κατά την εκφόρτιση, προς το φορτίο κατά τη φόρτιση. Τυπική τιμή. 5.8 Οι Συσσωρευτές στα Αυτόνομα Συστήματα Για τη σωστή εκλογή, σχεδίαση και λειτουργία των συσσωρευτών στα φωτοβολταϊκά συστήματα πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλές παράμετροι όπως: Τα χαρακτηριστικά της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Οι συσκευές προσαρμογής και ελέγχου της ισχύος. Το φορτίο. Οι μετεωρολογικές συνθήκες. Ο συγκεκριμένος τύπος του συσσωρευτή Κύκλος Λειτουργίας σε Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα με Εφεδρική Πηγή Ο τρόπος με τον οποίο θα λειτουργήσει ένας συσσωρευτής επηρεάζει τόσο τον τύπο όσο και την ιδιαίτερη κατασκευή των στοιχείων του. Σ ένα φωτοβολταϊκό σύστημα ο κύκλος λειτουργίας των συσσωρευτών καθορίζεται κυρίως από: Το προφίλ του φορτίου. Την προσπίπτουσα ακτινοβολία και τη χρονική σχέση της με το φορτίο. Την ύπαρξη ή μη εφεδρικής πηγής ενέργειας. Αυτόνομα συστήματα με εφεδρική πηγή ενέργειας Στα συστήματα αυτά υπάρχει μια εφεδρική πηγή (ντιζελογεννήτρια), ενώ για περιόδους χαμηλής ακτινοβολίας ή μεγάλης ζήτησης υπάρχουν και συσσωρευτές με χωρητικότητα που κυμαίνεται από μερικές ώρες μέχρι μερικές μέρες, ανάλογα με το ποσοστό του φορτίου που πρέπει να καλύψει το ηλιακό σύστημα και τις κλιματολογικές συνθήκες. Γενικά ο κύκλος λειτουργίας είναι παρόμοιος με των συσσωρευτών των διασυνδεδεμένων στο δίκτυο. Ωστόσο αν υπάρχει διαθέσιμη αρκετή χωρητικότητα (μερικές μέρες) προκύπτουν κάπως χαμηλότεροι ρυθμοί φόρτισης/εκφόρτισης και λιγότεροι πλήρεις κύκλοι στη μονάδα του χρόνου. (5.8) 46

50 5.8.2 Ονομαστική Χωρητικότητα και Παρεχόμενη Ισχύς από τους Συσσωρευτές κατά τη Λειτουργία τους σε αυτόνομο Σύστημα Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω καταλήγουμε σε ένα συσσωρευτή ονομαστικής χωρητικότητας. Η αξιοποιήσιμη χωρητικότητα δίνεται από: όπου είναι το βάθος εκφόρτισης του συσσωρευτή. Η μέγιστη ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να αποταμιευθεί και να ανακτηθεί σε ιδανικές συνθήκες, σε κάθε κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης είναι: (5.9) (5.10) Ο συντελεστής απόδοσης των συσσωρευτών μολύβδου, δηλαδή ο λόγος της μέγιστης ποσότητας της ενέργειας που ανακτάται προς την ενέργεια που είχε απορροφηθεί από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια σε κάθε κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης είναι περίπου 85%. Επομένως, αν η ηλεκτρική ενέργεια που ζητάμε να δίνει ο συσσωρευτής είναι η ενεργός χωρητικότητα του θα πρέπει να αντιστοιχεί σε ενέργεια φόρτισης, ίση με: Και τότε η ονοματική χωρητικότητά του είναι: (5.11) (5.12) Ως προς την παρεχόμενη ισχύ, βρίσκουμε εύκολα ότι αν ένας συσσωρευτής απαιτείται να τροφοδοτεί την κατανάλωση με μέση ισχύ επί συνεχείς μέρες, τότε η ενεργός χωρητικότητα θα πρέπει να είναι [11]: (5.13) 47

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ - ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ HOMER 6.1 Οικονομικά στοιχεία [3] Για τον υπολογισμό του πραγματικού συνολικού κόστους ενός υβριδικού συστήματος (κόστος προμήθειας, εγκατάστασης, συντήρησης και λειτουργίας) ακολουθούνται τα επόμενα βήματα: 1. Με βάση το τρέχον επιτόκιο d (discount rate) και τον τρέχοντα πληθωρισμό (inflation), i υπολογίζεται το αποπληθωρισμένο επιτόκιο, r, απ τη σχέση: 2. Υπολογίζεται το ολικό κόστος κύκλου ζωής της επένδυσης LCC (Life Cycle Cost) το οποίο συνίσταται από: α) Το αρχικό κόστος επένδυσης (κόστος προμήθειας και εγκατάστασης του συστήματος), C 0. β) Καθορίζεται η διάρκεια ζωής της εγκατάστασης/ επένδυσης, Ν έτη. γ) Το ολικό κόστος αντικατάστασης τμημάτων του συστήματος, C R με βάσει τις σημερινές τιμές των τμημάτων που πρόκειται να αντικατασταθούν σε Ν R έτη από το έτος αρχικής επένδυσης και αναγωγής τους στο έτος αρχικής επένδυσης, μέσω του παράγοντα παρούσας αξίας PVF (Present Value Factor) Όπου C R,I, το κόστος αντικατάστασης του τμήματος i, το έτος Ν R,I. δ) το ολικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας του συστήματος ανά έτος, που προκύπτει με αναγωγή του ολικού ετήσιου κόστους συντήρησης και λειτουργίας των τμημάτων του, θεωρούμενο σταθερό ανά έτος, σε παρούσα αξία, με αναφορά στο χρόνο ζωής του συστήματος, μέσω του παράγοντα ανάκτησης κεφαλαίου CRF (Capital Recovery Factor) (6.1) (6.2) (6.3) (6.4) Αν ο C OM,Y είναι το ολικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας (Operation and Maintance) του συστήματος, αναγωγής έτος, για Ν έτη, η παρούσα αξία του, C OM, είναι: (6.5) Στη περίπτωση i=d στη θέση του CRF τίθεται. Σύμφωνα με τα προηγούμενα, το ολικό κόστος κύκλου ζωής της επένδυσης LCC δίνεται από τη σχέση: 48

52 (6.6) Όπου S η απομένουσα αξία του συστήματος στο τέλος του χρόνου ζωής του. 3. Υπολογίζεται το Καθαρό Ετήσιο Οικονομικό Όφελος, ΚΕΟΟ, αποτελούμενο από το Άμεσο Καθαρό Ετήσιο Οικονομικό Όφελος, ΑΚΕΟΟ και το Έμμεσο Καθαρό Ετήσιο Οικονομικό Όφελος, ΕΚΕΟΟ, Όπου το ΑΚΕΟΟ υπολογίζεται από τη σχέση: (6.7) Οι τιμές που θα εισαχθούν στην παρακάτω σχέση διαφέρουν από πηγή σε πηγή ενέργειας. Το άθροισμα όλων των πηγών ενέργειας που χρησιμοποιούνται, κάνουν το συνολικό ΑΚΕΟΟ. (6.8) Εμπειρικά προκύπτει ότι Συνεπώς (6.9) (6.10) Το ΕΚΕΟΟ είναι αποτέλεσμα: Του περιορισμού της οικολογικής επιβάρυνσης, λόγω της χρήσης Ανανεώσιμης Πηγής Ενέργειας (Α.Π.Ε.) Της μείωσης των πρόσθετων κοινωνικών δαπανών, που προκαλούνται από τη χρήση των συμβατικών καυσίμων π.χ. ιατρική και φαρμακευτική περίθαλψη κ.α. Σε περίπτωση που το ΕΚΕΟΟ δεν αποτιμάται τότε ΚΕΟΟ=ΑΚΕΟΟ 4. Η Καθαρή Παρούσα Αξία, ΚΠΑ της επένδυσης υπολογίζεται από τη σχέση: (6.11) Η επένδυση χαρακτηρίζεται ως βιώσιμη, από το έτος Ν εκείνο (Ν=Ν ΕΠΑ, ΕΠΑ: Έντοκη Περίοδος Αποπληρωμής), από το οποίο και μετά η ΚΠΑ καθίσταται θετική. Το Ν ΕΠΑ προκύπτει από τη προηγούμενη σχέση, θέτοντας ΚΠΑ(Ν ΚΠΑ )=0. 5. To κόστος ενέργειας (CEO), δηλαδή, το κόστος της παραγόμενης, από το σύστημα, ηλεκτρικής kwh, προκύπτει διαιρώντας το ολικό ετήσιο κόστος της επένδυσης (Annualized LCC=ALCC), ALCC=LCC CRF, δια της ετησίως παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, E Υ, σε kwh, (6.12) (6.13) 49

53 6.2 Πληροφορίες Σχετικά Με Το Πρόγραμμα Προσομοίωσης HOMER [12] Εισαγωγή Το πρότυπο βελτιστοποίησης (Micropower Optimization Model), HOMER, είναι ένα μοντέλο που αναπτύσσεται από το Αμερικανικό National Renewable Energy Laboratory (NREL) για να βοηθήσει το σχεδιασμό συστημάτων παραγωγής ενέργειας και για να διευκολύνει τη σύγκριση των τεχνολογιών ηλεκτρικής παραγωγής διαμέσου ενός ευρέως φάσματος εφαρμογών. Το HOMER διαμορφώνει τη φυσική συμπεριφορά ενός ηλεκτρικού συστήματος και το κόστος κύκλου ζωής του, το οποίο είναι το συνολικό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας σε όλη την διάρκεια της ζωής του. Επίσης, επιτρέπει στο χειριστή του να συγκρίνει πολλές διαφορετικές επιλογές βασισμένες στις τεχνικές και στις οικονομικές αξίες του προγράμματος. Βοηθά επίσης στην κατανόηση των αποτελεσμάτων της αβεβαιότητας ή αλλάζει τις εισαγωγές δεδομένων. Τα συστήματα ενέργειας που χρησιμοποιούνται, παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, και ενδεχομένως θερμότητα, για την εξυπηρέτηση ενός φορτίου σε κοντινή απόσταση. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να υιοθετήσει οποιονδήποτε συνδυασμό ηλεκτρικών τεχνολογιών παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας και μπορεί να είναι συνδεδεμένο σε δίκτυο ή να είναι αυτόνομο. Εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας που παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε ένα υψηλής τάσεως σύστημα μετάδοσης δεν χαρακτηρίζονται μικρής ισχύος επειδή δεν παρέχονται σε ένα συγκεκριμένο φορτίο. Το HOMER μπορεί να διαμορφώνει τα συνδεδεμένα σε δίκτυο και τα αυτόνομα συστήματα που εξυπηρετούν τα ηλεκτρικά και θερμικά φορτία και που περιλαμβάνουν οποιονδήποτε συνδυασμό φωτοβολταϊκών πλαισίων, ανεμογεννητριών, υδροστρόβιλων, ενέργεια από βιομάζα, κελιών καυσίμου, μπαταριών, αποθήκευσης υδρογόνου κ.ά. Ο σχεδιασμός και η ανάλυση συστημάτων παραγωγής ενέργειας είναι αρκετά ενδιαφέρον και ποικίλλουν λόγω του μεγάλου αριθμού επιλογών σχεδιασμού και βασικών παραμέτρων, όπως το μέγεθος φορτίων και η μελλοντική μορφή καυσίμου. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας προσθέτουν περαιτέρω πολυπλοκότητα επειδή η παραγωγή ενέργειάς τους είναι εποχιακή, καμιά φορά δύσκολη στη διανομή και η διαθεσιμότητα ανανεώσιμων πηγών είναι αβέβαιη. Το πρόγραμμα αυτό έχει ως σκοπό να υπερνικήσει αυτές τις δυσκολίες. Το HOMER εκτελεί τρεις κυρίως στόχους: εξομοίωση, βελτιστοποίηση και ανάλυση ευαισθησίας. Στη διαδικασία εξομοίωσης, μοντελοποιεί την απόδοση μιας διαμόρφωσης συστήματος παραγωγής κάθε ώρα για να καθορίσει το κόστος πραγματοποίησής του και του κύκλου ζωής του. Στη διαδικασία βελτιστοποίησης, εξομοιώνει πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις συστημάτων και αναζητάει αυτή που ικανοποιεί τους τεχνικούς περιορισμούς με το χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής του. Στη διαδικασία ανάλυσης ευαισθησίας, εκτελεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις κάτω από μία σειρά υποθετικών δεδομένων για να μετρήσει τα αποτελέσματα της αβεβαιότητας ή αλλάζει τα πρότυπα δεδομένα. Η βελτιστοποίηση καθορίζει τη βέλτιστη αξία των μεταβλητών πέρα από τις οποίες ο χρήστης του συστήματος έχει τον έλεγχο όπως την ανάμιξη των δεδομένων που αποτελούν το σύστημα και το μέγεθος ή την ποσότητα του καθενός. Οι βοήθειες ανάλυσης ευαισθησίας αξιολογούν τα αποτελέσματα της αβεβαιότητας ή αλλαγών μεταβλητών στις οποίες ο χρήστης δεν έχει κανέναν έλεγχο, όπως η μέση ταχύτητα του αέρα ή η μελλοντική τιμή καυσίμων. Το σχήμα παρακάτω επεξηγεί τη σχέση μεταξύ της εξομοίωσης, της βελτιστοποίησης, και της ανάλυσης ευαισθησίας. Η κυκλική βελτιστοποίηση εσωκλείει την κυκλική εξομοίωση που αντιπροσωπεύει το γεγονός ότι μια ενιαία βελτιστοποίηση αποτελείται από τις πολλαπλάσιες εξομοιώσεις. Ομοίως, η κυκλική ανάλυση ευαισθησίας καλύπτει κυκλικά τη βελτιστοποίηση επειδή μια ενιαία ανάλυση ευαισθησίας αποτελείται από τις πολλαπλάσιες βελτιστοποιήσεις. 50

54 Σχήμα 2.1: Εννοιολογική σχέση μεταξύ εξομοίωσης, βελτιστοποίησης και ανάλυσης ευαισθησίας [17] Για να περιορίσει την πολυπλοκότητα εισαγωγής δεδομένων και για να επιτρέψει γρήγορα τον υπολογισμό της βελτιστοποίησης και της ανάλυσης ευαισθησίας, η λογική εξομοίωσης του HOMER είναι λιγότερο λεπτομερής από αυτή διαφόρων άλλων προτύπων εξομοίωσης. Από την άλλη, το HOMER είναι πιο λεπτομερές από άλλα στατιστικά πρότυπα. Από τα άλλα πρότυπα, το HOMER είναι το πιο εύκαμπτο από την άποψη της ποικιλομορφίας των συστημάτων που εξομοιώνει Εξομοίωση (Simulation) Η θεμελιώδης ικανότητα του HOMER είναι η εξομοίωση της μακροπρόθεσμης λειτουργίας ενός συστήματος παραγωγής ενέργειας. Οι υψηλότερου επιπέδου ικανότητές του, βελτιστοποίηση και ανάλυση ευαισθησίας, στηρίζονται σε αυτήν την ικανότητα εξομοίωσης. Η διαδικασία εξομοίωσης καθορίζει πως μια διαμόρφωση συστήματος (system configuration), δηλαδή ένας συνδυασμός τμημάτων του συστήματος συγκεκριμένων δεδομένων και μια στρατηγική σχεδιασμού (operating strategy) που καθορίζει πως τα δεδομένα λειτουργούν μαζί, θα συμπεριφερόταν σε μια δεδομένη ρύθμιση κατά τη διάρκεια μιας μακράς περιόδου. Έτσι, εξομοιώνει μια ευρεία ποικιλία διαμορφώσεων συστημάτων, περιλαμβάνοντας οποιονδήποτε συνδυασμό μιας ΦΒ συστοιχίας, ενός ή περισσοτέρων ανεμοστροβίλων, υδροστροβίλου, μέχρι τριών γεννητριών, μιας μπαταρίας, ενός μετατροπέα ρεύματος εναλλασσομένου-συνεχές, ενός ηλεκτρολύτη και μιας συσκευής αποθήκευσης υδρογόνου. Το σύστημα μπορεί να είναι συνδεδεμένο σε δίκτυο ή αυτόνομο και μπορεί να εξυπηρετήσει τα ηλεκτρικά φορτία εναλλασσομένου ρεύματος και συνεχούς ρεύματος και ένα θερμικό φορτίο. Το σχήμα παρακάτω παρουσιάζει σχηματικά διαγράμματα των συστημάτων που το HOMER μπορεί να εξομοιώσει 51

55 Σχήμα 2.2: Παραδείγματα μερικών διαγραμμάτων των συστημάτων που το HOMER εξομοιώνει [12] Το HOMER μοντελοποιεί μια διαμόρφωση συστήματος με το να εκτελεί μια ωριαία εξομοίωση κάθε φορά. Το βήμα είναι κάθε μια ώρα, υπολογίζοντας τη διαθέσιμη ανανεώσιμη ενέργεια, συγκρίνοντάς την με το ηλεκτρικό φορτίο και αποφασίζοντας τι να κάνει με το πλεόνασμα ανανεώσιμης ενέργειας σε περιόδους που παράγεται αρκετή ή πόση παραπάνω να παράγει σε περιόδους που έχουμε έλλειψη. Όταν ολοκληρώσει ένα έτος υπολογισμών, αξιολογεί εάν το σύστημα ικανοποιεί τους περιορισμούς που επιβάλλονται από το χρήστη στις απαιτούμενες ποσότητες όπως η συνολική απαίτηση ηλεκτρικής ενέργειας, το ποσό της ενέργειας που παράγεται από τις ανανεώσιμες πηγές, οι εκπομπές ορισμένων ρύπων. Το HOMER υπολογίζει επίσης τις ποσότητες που απαιτούνται για να υπολογίσουν το κόστος κύκλου ζωής του συστήματος, όπως η ετήσια κατανάλωση καυσίμων, οι ετήσιες ώρες λειτουργίας των γεννητριών, η αναμενόμενη διάρκεια ζωής μπαταριών, ή η ποσότητα ενέργειας που αγοράζεται ετησίως από το δίκτυο. Ακόμα το HOMER χρησιμοποιείται για να υπολογίσει το κόστος κύκλου ζωής του συστήματος, δηλαδή το συνολικό καθαρό παρόν κόστος (NPC). Αυτή η ενιαία αξία περιλαμβάνει όλες τις δαπάνες και τα εισοδήματα που εμφανίζονται μέσα στη διάρκεια ζωής του προγράμματος, με τις μελλοντικές ταμειακές ροές που δεν καταγράφονται στο παρόν. Το συνολικό καθαρό παρόν κόστος περιλαμβάνει το κόστος αρχικού κεφαλαίου των τμημάτων του συστήματος, το κόστος οποιονδήποτε δεδομένων αντικατάστασης που εμφανίζονται μέσα στη διάρκεια της ζωής προγράμματος, το κόστος συντήρησης και των καυσίμων και το κόστος της αγοράς ενέργειας από το δίκτυο. Οποιοδήποτε εισόδημα από την πώληση της ενέργειας στο δίκτυο μειώνει το NPC Το HOMER εξομοιώνει και έχει ως δεδομένο πως το σύστημα λειτουργεί πάνω από ένα έτος και υποθέτει ότι τα βασικά αποτελέσματα εξομοίωσης για εκείνο το έτος (όπως η κατανάλωση καυσίμων, ρυθμό και απόδοση μπαταριών, και η παραγωγή δύναμης πλεονάσματος) είναι αντιπροσωπευτικά κάθε χρόνου στη διάρκεια ζωής του προγράμματος. Δεν εξετάζει τις αλλαγές με την πάροδο του χρόνου, όπως η αύξηση φορτίων ή η επιδείνωση απόδοσης μπαταριών λόγω γήρανσης Βελτιστοποίηση (Optimization) Εκτιμώντας ότι η διαδικασία εξομοίωσης διαμορφώνει μια διαμόρφωση συστήματος, η 52

56 διαδικασία βελτιστοποίησης καθορίζει την καλύτερη δυνατή διαμόρφωση συστήματος. Στο HOMER, η καλύτερη δυνατή, ή βέλτιστη διαμόρφωση συστήματος είναι αυτή που ικανοποιεί τους καθορισμένους ως προς τον χρήστη περιορισμούς με χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Η εύρεση του βέλτιστου συστήματος μπορεί να περιλάβει την απόφαση σχετικά με την ανάμιξη των δεδομένων που το σύστημα πρέπει να περιέχει, το μέγεθος ή την ποσότητα κάθε δεδομένου, και την στρατηγική επικοινωνίας (dispatch Strategy) που το σύστημα πρέπει να χρησιμοποιήσει. Στη διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER εξομοιώνει πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις συστημάτων, απορρίπτονται τα ανέφικτα (εκείνα που δεν ικανοποιούν τους καθορισμένους από το χρήστη περιορισμούς), ταξινομούνται τα εφικτά σύμφωνα με το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, και παρουσιάζονται τα εφικτά με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος ως βέλτιστη διαμόρφωση συστημάτων. Ο στόχος της διαδικασίας βελτιστοποίησης είναι να καθοριστεί η βέλτιστη αξία κάθε μεταβλητής απόφασης που ενδιαφέρει τον χρήστη. Μια μεταβλητή απόφασης είναι μια μεταβλητή στην οποία ο χρήστης έχει τον έλεγχο και για την οποία το HOMER μπορεί να εξετάσει τις πολλαπλές πιθανές τιμές κατά της διαδικασία βελτιστοποίησής του. Πιθανές μεταβλητές απόφασης είναι: Το μέγεθος της ΦΒ συστοιχίας Ο αριθμός των ανεμοστροβίλων Η παρουσία υδροστροβίλων Το μέγεθος της γεννήτριας Ο αριθμός των μπαταριών Το μέγεθος του μετατροπέα εναλλασσόμενο ρεύμα-συνεχές ρεύμα Το μέγεθος του ηλεκτρολύτη Το μέγεθος της συσκευής αποθήκευσης υδρογόνου Η στρατηγική επικοινωνίας, dispatch Strategy ( το σύνολο κανόνων που καθορίζουν πως λειτουργεί το σύστημα) Η βελτιστοποίηση μπορεί να βοηθήσει το σχεδιαστή να βρει τη βέλτιστη διαμόρφωση συστημάτων μέσα από πολλές επιλογές. Παραδείγματος χάριν, παρακάτω εξετάζουμε ένα υπάρχον ηλεκτρικό σύστημα πετρελαίου με ανεμοστροβίλους και μπαταρίες. Στην ανάλυση των επιλογών για το σύστημα, ο χρήστης μπορεί να θελήσει να εξετάσει τη ρύθμιση των δεδομένων που παρουσιάζονται στο σχήμα παρακάτω, αλλά δεν θα ήξερε εκ των προτέρων ποίος αριθμός ανεμοστροβίλων, ποιος αριθμός μπαταριών και ποίο μέγεθος μετατροπέα ελαχιστοποιούν το κόστος κύκλου ζωής του. Αυτές οι τρεις μεταβλητές επομένως θα ήταν μεταβλητές απόφασης μέσα σε αυτή την ανάλυση. Σχήμα 2.3: Σύστημα πετρελαίου με ανεμοστρόβιλους [12] Το HOMER επιτρέπει στο χρήστη να εισάγει τις πολλαπλές τιμές για κάθε μεταβλητή απόφασης. Χρησιμοποιώντας έναν πίνακα όπως αυτόν που παρουσιάζεται στο σχήμα παρακάτω, ο χρήστης εισάγει οποιοδήποτε αριθμό τιμών για κάθε μεταβλητή απόφασης. Το διάστημα μεταξύ των τιμών δεν είναι απαραίτητο να είναι κανονικό. 53

57 Σχήμα 2.4: Διάστημα αναζήτησης που περιλαμβάνει 140 διαμορφώσεις συστημάτων [12] Στη διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER εξομοιώνει κάθε διαμόρφωση συστημάτων μέσα στο διάστημα και επιδεικνύει τους εφικτούς σε έναν πίνακα, που ταξινομείται κατά το συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Το σχήμα παραπάνω παρουσιάζει ότι τα αποτελέσματα του συστήματος πετρελαίου με ανεμοστροβίλους τοποθετούνται όπισθεν της ανάλυσης. Κάθε σειρά στον πίνακα αντιπροσωπεύει μια εφικτή διαμόρφωση συστημάτων. Οι πρώτες τέσσερις στήλες περιέχουν τα εικονίδια που δείχνουν την παρουσία των διαφορετικών δεδομένων, οι επόμενες τέσσερις στήλες δείχνουν τον αριθμό ή το μέγεθος κάθε δεδομένου και οι επόμενες πέντε στήλες περιέχουν μερικά από τα βασικά αποτελέσματα εξομοίωσης, δηλαδή το συνολικό κύριο κόστος του συστήματος, το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, το κόστος της ενέργειας ( κόστος ανά kilowatthour) της ετήσιας κατανάλωσης καυσίμων, και του αριθμού ωρών που η γεννήτρια λειτουργεί το χρόνο. Ο χρήστης μπορεί να έχει πρόσβαση στα πλήρη αποτελέσματα της εξομοίωσης για οποιαδήποτε ιδιαίτερη διαμόρφωση συστημάτων. Δηλαδή αυτός ο πίνακας είναι μια περίληψη των αποτελεσμάτων εξομοίωσης για πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις. Η πρώτη σειρά στο σχήμα παρακάτω είναι η βέλτιστη διαμόρφωση συστήματος, που σημαίνει αυτή με το χαμηλότερο καθαρό παρόν κόστος. Επίσης, το πρόγραμμα μπορεί να παρουσιάσει ένα υποσύνολο αυτών των γενικών αποτελεσμάτων βελτιστοποίησης με την επίδειξη μόνο της ελαχίστου κόστους διαμόρφωσης μέσα σε κάθε κατηγορία ή τύπο συστημάτων. Στο γενικό κατάλογο που παρουσιάζεται στο σχήμα παρακάτω, το κορυφαίο σύστημα είναι η ελάχιστου κόστους διαμόρφωση μέσα στην κατηγορία συστημάτων πετρέλαιο-ανεμοστρόβιλος-μπαταρίες. Σχήμα 2.5: Βελτιστοποιημένος πίνακας που παρουσιάζει τις διαμορφώσεις συστημάτων που ταξινομούνται κατά το συνολικό καθαρό παρόν κόστος [12] Ομοίως, το όγδοο ταξινομημένο σύστημα είναι η ελάχιστου κόστους διαμόρφωση μέσα στη κατηγορία συστημάτων πετρελαίου-μπαταρίες, Ο ταξινομημένος κατάλογος αποτελεσμάτων βελτιστοποίησης, που παρουσιάζεται στο σχήμα παρακάτω, το καθιστά ευκολότερο στο να δείτε που είναι η ελάχστου κόστους διαμόρφωση για κάθε κατηγορία. 54

58 Σχήμα 2.6: Πίνακας ταξινομημένης βελτιστοποίησης [12] Τα αποτελέσματα στο σχήμα παραπάνω δείχνουν ότι στις περιπτώσεις αυτής της ανάλυσης, η προσθήκη των ανεμοστρόβιλων και μπαταριών θα μείωνε πράγματι το κόστος κύκλου ζωής του συστήματος Ανάλυση Ευαισθησίας (Sensitivity Αnalysis) Στη διαδικασία αυτή, το HOMER εκτελεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις χρησιμοποιώντας κάθε φορά διαφορετικό σύνολο υποθέσεων εισαγωγής δεδομένων. Σε μια ανάλυση ευαισθησίας, ο χρήστης του HOMER εισάγει μια σειρά τιμών για μια ενιαία μεταβλητή εισαγωγής. Μια μεταβλητή για την οποία ο χρήστης έχει εισάγει πολλαπλές τιμές καλείται μεταβλητή ευαισθησίας. Σχεδόν κάθε αριθμητική μεταβλητή στο HOMER που δεν είναι μια μεταβλητή απόφασης μπορεί να είναι μια μεταβλητή ευαισθησίας. Παραδείγματα που περιλαμβάνουν είναι η τιμή της ενέργειας του δικτύου, η τιμή καυσίμων, το επιτόκιο, η διάρκεια ζωής ΦΒ πλαισίων. Το μέγεθος ενός ωριαίου συνόλου στοιχείων, όπως το φορτίο και τα στοιχεία των ανανεώσιμων πηγών, μπορεί επίσης να είναι μια μεταβλητή ευαισθησίας. Ο χρήστης μπορεί να εκτελέσει μια ανάλυση ευαισθησίας με οποιοδήποτε αριθμό μεταβλητών ευαισθησίας. Κάθε συνδυασμός μεταβλητών τιμών ευαισθησίας καθορίζει μια ευδιάκριτη περίπτωση ευαισθησίας. Παραδείγματος χάριν, εάν ο χρήστης διευκρινίζει έξι τιμές για την τιμή ενέργειας δικτύου και τέσσερις τιμές για το επιτόκιο, αυτός καθορίζει 24 ευδιάκριτες περιπτώσεις ευαισθησίας. Το HOMER εκτελεί μια χωριστή διαδικασία βελτιστοποίησης για κάθε περίπτωση ευαισθησίας και παρουσιάζει τα αποτελέσματα με διάφορα συνοπτικά και γραφικά σχήματα. Μια από τις αρχικές χρήσεις της ανάλυσης ευαισθησίας είναι όσον αφορά στην αβεβαιότητα (uncertainly). Εάν ένας χρήστης είναι αβέβαιος για την αξία μιας μεταβλητής, μπορεί να εισάγει διάφορες τιμές που καλύπτουν ένα πιθανό εύρος και να δει πως τα αποτελέσματα ποικίλουν πέρα από εκείνο το εύρος. Αλλά η ανάλυση ευαισθησίας έχει τις εφαρμογές πέρα από την αντιμετώπιση της αβεβαιότητας. Ένας χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει την ανάλυση ευαισθησίας για να αξιολογήσει τις αλλαγές και να απαντήσει σε ερωτήσεις όπως: πόσες πρόσθετες επενδύσεις κεφαλαίου απαιτούνται για να επιτύχουν την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας 50% ή 100%; Ένας ενεργειακά αρμόδιος μπορεί να καθορίσει ποιες τεχνολογίες, ή ποιοι συνδυασμοί τεχνολογιών είναι βέλτιστοι υπό διαφορετικούς όρους. Ένας οικονομικός αναλυτής μπορεί να καθορίσει σε ποιά τιμή, ή υπό ποιους όρους, ένα προϊόν (π.χ., ένα κελί καυσίμου ή ένας ανεμοστρόβιλος) ανταγωνίζεται τα υπόλοιπα. Ένας πολιτικός αναλυτής μπορεί να καθορίσει τι κίνητρο απαιτείται για να υποκινήσει την αγορά για μια ιδιαίτερη τεχνολογία, ή ποιο επίπεδο ποινικής ρήτρας εκπομπών θα έγερνε τα οικονομικά προς τις καθαρότερες τεχνολογίες. Το σχήμα παρακάτω παρουσιάζει τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας στο σύστημα ανεμοστρόβιλοςγεννήτρια πετρελαίου που ο χρήστης εκτέλεσε για να βρει την πιο συμφέρουσα ανάλυση στην τιμή καυσίμου. 55

59 Σχήμα 2.7: Αποτελέσματα ευαισθησίας που παρουσιάζουν βέλτιστη διαμόρφωση συστημάτων που αλλάζει με την τιμή καυσίμων. 6.3 Φυσική Διαμόρφωση (Physical Μodeling) Φορτίο Στο HOMER, το φορτίο αναφέρεται σε μια απαίτηση για ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Η εξυπηρέτηση των φορτίων είναι ο λόγος για την ύπαρξη των συστημάτων. Έτσι η διαμόρφωση ενός συστήματος αρχίζει με τη διαμόρφωση του φορτίου ή των φορτίων που το σύστημα πρέπει να εξυπηρετήσει. Το HOMER διαμορφώνει τρεις τύπους φορτίων. Το αρχικό φορτίο είναι η ηλεκτρική απαίτηση που πρέπει να εξυπηρετηθεί σύμφωνα με ένα ιδιαίτερο πρόγραμμα. Το φορτίο αναβολής (deferrable load) είναι ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να εξυπηρετηθεί οποιαδήποτε στιγμή μέσα σε μια ορισμένη χρονική έκταση. Το θερμικό φορτίο είναι η απαίτηση για τη θερμότητα Πηγές Ο όρος πηγή ισχύει για οτιδήποτε που προέρχεται έξω από το σύστημα και χρησιμοποιείται από αυτό για να παράγει ηλεκτρική ή θερμική ενέργεια. Αυτό περιλαμβάνει τις τέσσερις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική και βιομάζα) καθώς επίσης και οποιαδήποτε καύσιμα που χρησιμοποιούνται από τα στοιχεία του συστήματος. Οι ανανεώσιμες πηγές εξαρτώνται πάρα πολύ από τη θέση τους. Η ηλιακή ενέργεια εξαρτάται έντονα από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα, η αιολική από την ταχύτητα του ανέμου και απ τις γεωγραφικές επιρροές, η υδροηλεκτρική απ τις τοπικές βροχοπτώσεις και η βιομάζα απ τη τοπική βιολογική παραγωγικότητα. Επιπλέον, σε οποιαδήποτε θέση και αν βρίσκεται μια ανανεώσιμη πηγή μπορεί να παρουσιάσει εποχιακή είτε ώρα με την ώρα μεταβλητότητα. Η φύση των διαθέσιμων ανανεώσιμων πηγών έχει επιπτώσεις στη συμπεριφορά και στα οικονομικά των ανανεώσιμων ηλεκτρικών συστημάτων, δεδομένου ότι η πηγή καθορίζει την ποσότητα και το συγχρονισμό της ανανεώσιμης παραγωγής ενέργειας. Η προσεκτική διαμόρφωση των ανανεώσιμων πηγών είναι επομένως ένα απαραίτητο στοιχείο της διαμόρφωσης συστημάτων Στοιχεία Συστημάτων Φωτοβολταϊκή συστοιχία Το HOMER διαμορφώνει τη ΦΒ συστοιχία ως συσκευή που παράγει συνεχή ηλεκτρική ενέργεια ευθέως ανάλογα με την παγκόσμια διεύθυνση της ηλιακής ακτινοβολίας επάνω σε αυτό, 56

60 ανεξαρτήτως από τη θερμοκρασία του και την τάση στις οποίες εκτίθεται. Το HOMER υπολογίζει την παραγωγή ενέργειας της ΦΒ συστοιχίας χρησιμοποιώντας την εξίσωση: (6.14) Όπου, F PV είναι ο παράγοντας παρέκκλισης από τις ιδανικές τιμές της ΦΒ συστοιχίας, Y PV η εκτιμημένη ικανότητα της ΦΒ συστοιχίας (kw), I t η παγκόσμια ηλιακή ακτινοβολία (ακτίνα συν διάχυση) στην επιφάνεια της ΦΒ συστοιχίας (kw/m 2 ), και I s είναι 1kW/m 2, το οποίο είναι το τυποποιημένο ποσό ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται για να εκτιμήσει την ικανότητα της ΦΒ συστοιχίας. Ανεμογεννήτρια Το HOMER διαμορφώνει μια ανεμογεννήτρια ως συσκευή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια του αέρα σε ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος ή συνεχούς ρεύματος σύμφωνα με μια ιδιαίτερη καμπύλη ενέργειας, η οποία είναι μια γραφική παράσταση της παραγωγής ενέργειας έναντι της ταχύτητας ανέμου στο ύψος των πλημνών. Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα μιας καμπύλης ενέργειας. Το HOMER υποθέτει ότι η καμπύλη ενέργειας ισχύει σε μια τυποποιημένη πυκνότητα αέρα kg/m 3, η οποία αντιστοιχεί στα πρότυπα θερμοκρασίας και πίεσης. Μπαταρία Σχήμα 2.8: Παράδειγμα καμπύλης ενέργειας ανεμοστρόβιλων [12] Η τράπεζα μπαταριών είναι η ποσότητα μιας η περισσότερων μεμονωμένων μπαταριών. Το HOMER διαμορφώνει μια ενιαία μπαταρία ως συσκευή ικανή για ένα συγκεκριμένο ποσό συνεχούς ηλεκτρική ενέργειας σε μια σταθερή μετ επιστροφής ενεργειακή αποδοτικότητα, με περιορισμούς ως προς τον τρόπο με τον οποίο γρήγορα μπορεί να φορτιστεί ή να εκφορτιστεί, πόσο βαθειά μπορεί να απαλλαχθεί χωρίς πρόκληση της ζημίας και πόση ενέργεια μπορεί να ανακυκλώσει μέσω αυτής προτού να χρειαστεί αντικατάταση. Το πρόγραμμα υποθέτει ότι οι ιδιότητες των μπαταριών παραμένουν σταθερές σε όλη τη διάρκεια ζωής τους και δεν επηρεάζονται από τους εξωτερικούς παράγοντες όπως τη θερμοκρασία. Η υπόθεση ότι η διάρκεια ζωής είναι ανεξάρτητη από το βάθος κύκλων σημαίνει ότι το HOMER μπορεί να υπολογίσει τη ζωή της τράπεζας μπαταριών απλά με τον έλεγχο του ποσού ενεργειακής ανακύκλωσης μέσω αυτής, χωρίς να πρέπει να εξεταστεί το βάθος των διαφόρων κύκλων δαπάνη-απαλλαγής. Το πρόγραμμα υπολογίζει τη ζωή της τράπεζας μπαταριών ανά έτος ακόλουθα: (6.18) Όπου N batt είναι ο αριθμός μπαταριών που χρησιμοποιούνται, Q lifetime η διάρκεια ζωής μιας ενιαίας μπαταρίας, Q thrpt η ετήσια απόδοση, και R batt,f η μέγιστη ζωή της ανεξάρτητα από το ρυθμό 57

61 απόδοσης. Ο χρήστης διευκρινίζει τις δαπάνες κεφαλαίου και αντικατάστασης της τράπεζας μπαταριών σε ευρώ, και το Ο&Μ κόστος σε ευρώ. Δεδομένου ότι η τράπεζα μπαταριών είναι είναι μια επικοινωνιακή (dispatchable) πηγή ισχύος το HOMER υπολογίζει τη σταθερή και πρόσθετη δαπάνη ενέργειάς του για τη σύγκριση με άλλες επικοινωνιακές πηγές. Δεν υπάρχει κανένα κόστος που συνδέεται με χειρισμό της τράπεζας μπαταριών έτσι ώστε να είναι έτοιμο να παράγει την ενέργεια και ως εκ τούτου το σταθερό κόστος ενέργειάς του είναι μηδέν. Για την πρόσθετη δαπάνη ενέργειάς του το HOMER χρησιμοποιεί το ποσό από το κόστος ένδυσης μπαταριών ( το κόστος ανά kilowatthour της ανακύκλωσης της ενέργειας μέσω της τράπεζας μπαταριών) και το ενεργειακό κόστος μπαταριών ( το μέσο κόστος της ενέργειας που αποθηκεύεται στη τράπεζα μπαταριών). Το HOMER υπολογίζει ότι η ένδυση μπαταριών κοστίζει: (6.19) όπου C rep.batt είναι το κόστος αντικατάστασης της τράπεζας μπαταριών (ευρώ), Ν batt είναι ο αριθμός μπαταριών στη τράπεζα μπαταριών, Q lifetime είναι η διάρκεια ζωής μιας ενιαίας μπαταρίας (KWH), και n rt είναι η μετ επιστροφής αποδοτικότητα. Το HOMER υπολογίζει το ενεργειακό κόστος μπαταριών κάθε ώρα της εξομοίωσης με τη διαίρεση του συνολικού ετησίου κόστους της τράπεζας μπαταριών με το συνολικό ετήσιο ποσό ενέργειας που τίθεται στη τράπεζα μπαταριών Επικοινωνία Συστήματος (System Dispatch) Εκτός από τη διαμόρφωση της συμπεριφοράς κάθε επιμέρους δεδομένου, το HOMER πρέπει να εξομοιώσει εκείνα τα δεδομένα που λειτουργούν μαζί ως σύστημα. Αυτό απαιτεί τις αποφάσεις κάθε ώρα ως προς ποιες γεννήτριες πρέπει να λειτουργήσουν και σε ποιά ενεργειακά επίπεδα, είτε για να αναθέσουν είτε να εκφορτίσουν τις μπαταρίες, είτε για να αγοράσει είτε για να πωλήσει ενέργεια στο δίκτυο. Α) Λειτουργούσα επιφύλαξη (Operating reserve) Η λειτουργούσα επιφύλαξη παρέχει ένα περιθώριο ασφάλειας που βοηθάει να εξασφαλιστεί αξιόπιστη παροχή ηλεκτρισμού παρά τη μεταβλητότητα στο ηλεκτρικό φορτίο και την ανανεώσιμη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Ουσιαστικά κάθε πραγματικό σύστημα πρέπει πάντα να παρέχει κάποιο ποσό λειτουργούσας επιφύλαξης, επειδή ειδάλλως το ηλεκτρικό φορτίο θα κυμαινόταν μερικές φορές επάνω από τη λειτουργούσα ικανότητα του συστήματος, και μια διακοπή λειτουργίας θα πραγματοποιούνταν. Β) Έλεγχος των τμημάτων επικοινωνίας συστήματος (Control of dispatchable system components) Κάθε ώρα, το HOMER καθορίζει εάν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι μόνες τους σε θέση να προμηθεύσουν το ηλεκτρικό φορτίο, την απαραίτητη λειτουργούσα επιφύλαξη, και το θερμικό φορτίο. Εάν όχι, καθορίζει πόσο αποτελεσματικότερα θα λειτουργήσουν οι υπόλοιπες πηγές του συστήματος (οι γεννήτριες, η τράπεζα μπαταριών, το πλέγμα και ο λέβητας) για να εξυπηρετήσουν τα φορτία και τη λειτουργούσα επιφύλαξη. Αυτός ο προσδιορισμός για το πώς να λειτουργούν κάθε ώρα οι πηγές του συστήματος είναι το πιο σύνθετο μέρος της λογικής της εξομοίωσης του HOMER. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι απλές να διαμορφωθούν επειδή δεν απαιτούν κανένα έλεγχο και παράγουν απλά την ενέργεια απ τη διαθέσιμη ανανεώσιμη πηγή. Οι υπόλοιπες πηγές είναι δυσκολότερο να διαμορφωθούν επειδή πρέπει να ελεγχθούν για να ταιριάξουν με την 58

62 προσφορά και τη ζήτηση κατάλληλα καθώς και να λειτουργούν όποτε πρέπει παράλληλα με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Γ) Στρατηγική επικοινωνίας (Dispatch strategy) Η οικονομική λογική κυβερνά την παραγωγή της ενέργειας για την εξυπηρέτηση των φορτίων και ως εκ τούτου ισχύει για όλα τα συστήματα που το HOMER διαμορφώνει. Αλλά για τα συστήματα που περιλαμβάνουν και μια τράπεζα μπαταριών και μια γεννήτρια, μια πρόσθετη πτυχή της λειτουργίας συστημάτων προκύπτει, το οποίο είναι εάν (και πως) η γεννήτρια πρέπει να φορτίσει την τράπεζα μπαταριών. Κάποιος δεν μπορεί να βασιστεί στη λογική με απλές οικονομικές αρχές, επειδή δεν υπάρχει κανένας αιτιοκρατικός τρόπος να υπολογιστεί η αξία της φόρτισης των μπαταριών. Η αξία της φόρτισης της μπαταρίας σε μία ώρα εξαρτάται από το τι συμβαίνει στις μελλοντικές ώρες. Σε ένα σύστημα μπαταριών ανεμογεννητριών-κινητήρες πετρελαίου, παραδείγματος χάριν, που φορτίζει τις μπαταρίες με την ενέργεια από πετρελαιοκινητήρα, θα ήταν σημαντικό εάν επιτρέπαμε στο σύστημα να αποφύγει τον πετρελαιοκινητήρα κάποια επόμενη ώρα. Αλλά θα ήταν αξιοπρόσεκτο εάν το σύστημα από αρκετή αιολική ενέργεια στις επόμενες ώρες φορτίσει πλήρως τις μπαταρίες. Σε αυτή τη περίπτωση, οποιαδήποτε ενέργεια πετρελαιοκινητήρα που τίθεται στις μπαταρίες θα σπαταλιόταν επειδή η αιολική ενέργεια θα φορτίσει πλήρως τις μπαταρίες. Δ) Προτεραιότητα φορτίων Το HOMER λαμβάνει ένα χωριστό σύνολο αποφάσεων σχετικά με το πώς να διαθέσει την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από το σύστημα. Η παρουσία και ενός εναλλασσόμενου ρεύματος και ενός συνεχούς περιπλέκει αυτές τις αποφάσεις. Το HOMER υποθέτει ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται σε έναν ζυγό θα πάει πρώτα να χρησιμοποιηθεί στο αρχικό φορτίο στον ίδιο ζυγό, έπειτα στο αρχικό φορτίο αντιθέτου ζυγού, έπειτα στο φορτίο αναβολής (deferrable load) στον ίδιο ζυγό, έπειτα στο φορτίο αναβολής (deferrable load) στον αντίθετο ζυγό, για να φορτίσει έπειτα τις μπαταρίες, κατόπιν στις πωλήσεις δικτύου, κατόπιν για να εξυπηρετήσει τον ηλεκτρολύτη, και έπειτα στο φορτίο απορρίψεων (dump load), το οποίο εξυπηρετεί προαιρετικά το θερμικό φορτίο Οικονομική Διαμόρφωση (Economic Modeling) Τα οικονομικά διαδραματίζουν έναν ακέραιο ρόλο και στις δύο διαδικασίες εξομοίωσης του HOMER, όπου ενεργοποιούν το σύστημα ώστε να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, και στη διαδικασία βελτιστοποίησής του, όπου ψάχνουν για τη διαμόρφωση συστημάτων με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Οι ανανεώσιμες και μη πηγές ενέργειας έχουν δραματικά διαφορετικά χαρακτηριστικά κόστη. Οι ανανεώσιμες πηγές τείνουν να έχουν τις υψηλές δαπάνες αρχικού κεφαλαίου και τις χαμηλές λειτουργικές δαπάνες, ενώ οι συμβατικές μη ανανεώσιμές πηγές τείνουν να έχουν τις χαμηλές κύριες και υψηλές λειτουργικές δαπάνες. Στη διαδικασία βελτιστοποίησής του, το HOMER πρέπει συχνά να συγκρίνει τα οικονομικά ενός μεγάλου φάσματος διαμορφώσεων συστημάτων περιλαμβάνοντας τα διάφορα ποσά ανανεώσιμων και μη πηγών ενέργειας. Για να είναι δίκαιες τέτοιες συγκρίσεις πρέπει να αποτελέσουν και τις κύριες λειτουργικές δαπάνες. Η ανάλυση δαπανών του κύκλου ζωής πραγματοποιείται με τη συνόψιση όλων των δαπανών που εμφανίζονται μέσα στη διάρκεια ζωής του συστήματος. Το HOMER χρησιμοποιεί το συνολικό καθαρό παρόν κόστος (NPC) για να αντιπροσωπεύσει το κόστος του κύκλου ζωής του ενός συστήματος. Το συνολικό NPC συμπυκνώνει όλες τις δαπάνες και τα εισοδήματα που εμφανίζονται μέσα στη διάρκεια ζωής σε ένα ποσό, με τις μελλοντικές ταμειακές ροές χρησιμοποιώντας το επιτόκιο. Ο χρήστης διευκρινίζει το ποσοστό επιτοκίου και τη 59

63 διάρκεια ζωής του προγράμματος. Το NPC περιλαμβάνει τις αρχικές δαπάνες κατασκευής, αντικαταστάσεις, συντήρηση, καύσιμα, συν το κόστος της αγοράς ενέργειας από το δίκτυο και των διάφορων δαπανών όπως οι ποινικές ρήτρες ως αποτέλεσμα των εκπομπών ρύπων. Τα εισοδήματα περιλαμβάνουν το εισόδημα από την πώληση της ενέργειας στο δίκτυο, συν οποιαδήποτε αξία διάσωσης που εμφανίζεται στο τέλος της διάρκειας ζωής του προγράμματος. Με το NPC, οι δαπάνες είναι θετικές και τα εισοδήματα είναι αρνητικά. Αυτό είναι το αντίθετο της καθαρής παρούσας αξίας. Κατά συνέπεια, το καθαρό παρόν κόστος είναι διαφορετικό από την καθαρή παρούσα αξία. Το HOMER υποθέτει ότι όλες οι τιμές κλιμακώνονται στο ίδιο ποσοστό ανεξάρτητα από τη διάρκεια ζωής του προγράμματος. Ο χρήστης του HOMER εισάγει το πραγματικό επιτόκιο, το οποίο είναι κατά προσέγγιση ίσο με το ονομαστικό επιτόκιο μείον το ποσοστό πληθωρισμού. Όλες οι δαπάνες στο HOMER είναι πραγματικές δαπάνες, που σημαίνει ότι καθορίζονται από την τιμή των σταθερών ευρώ. Για κάθε στοιχείο του συστήματος, ο χρήστης διευκρινίζει το κόστος αρχικού κεφαλαίου, το οποίο εμφανίζεται στο έτος μηδέν, το κόστος αντικατάστασης, που εμφανίζεται κάθε φορά που χρειάζεται κάποιο στοιχείο αντικατάσταση στο τέλος της διάρκειας ζωής του και το κόστος συντήρησης, το οποίο εμφανίζεται κάθε έτος της διάρκειας ζωής προγράμματος. Ο χρήστης διευκρινίζει τη διάρκεια ζωής των περισσότερων συστατικών στα έτη, αλλά το HOMER υπολογίζει τη διάρκεια της μπαταρίας και των γεννητριών. Το κόστος αντικατάστασης ενός στοιχείου μπορεί να διαφέρει από το κόστος αρχικού κεφαλαίου του για διάφορους λόγους. Παραδείγματος χάριν, αν υποθέσετε ότι ένας κινητήρας ανεμοστροβίλων θα χρειαστεί την αντικατάσταση μετά από 15 έτη, αλλά ο πύργος και το ίδρυμα θα διαρκέσουν για τη ζωή του προγράμματος τότε σε εκείνη την περίπτωση, το κόστος αντικατάστασης θα ήταν αρκετά λιγότερο από το κόστος αρχικού κεφαλαίου. Για να υπολογίσει την αξία διάσωσης κάθε στοιχείου στο τέλος της διάρκειας ζωής προγράμματος, το HOMER χρησιμοποιεί την εξίσωση: (6.20) Όπου S είναι η αξία, το C rep το κόστος αντικατάστασης του συστατικού, το R rem η υπόλοιπη ζωή του συστατικού, και το R comp η διάρκεια ζωής του συστατικού. Παραδείγματος χάριν, εάν η διάρκεια ζωής ενός προγράμματος είναι 20 έτη και η διάρκεια ζωής της ΦΒ συστοιχίας είναι επίσης 20 έτη, η αξία διάσωσης της ΦΒ συστοιχίας στο τέλος της διάρκειας ζωής προγράμματος θα είναι μηδέν επειδή δεν έχει καμία υπόλοιπη ζωή. Αφ ενός εάν η διάρκεια ζωής της ΦΒ συστοιχίας είναι 30 έτη, στο τέλος των είκοσι ετών διάρκειας ζωής προγράμματος η αξία διάσωσής της θα είναι ένα τρίτο του κόστους αντικατάστασής της. Για κάθε στοιχείο, το HOMER συνδυάζει το κεφάλαιο, την αντικατάσταση, τη συντήρηση και τα κόστη καυσίμων, μαζί με την αξία διάσωσης και οποιεσδήποτε δαπάνες ή εισοδήματα, για να βρει το ετήσιο κόστος κάθε στοιχείου. Αυτό είναι το υποθετικό ετήσιο κόστος, δηλαδή εάν εμφανίζεται κάθε έτος της διάρκειας ζωής του προγράμματος θα παρείχε ένα καθαρό κόστος ισοδύναμο με αυτό όλων των μεμονωμένων δαπανών και των εισοδημάτων του κάθε στοιχείου που χρησιμοποιεί το πρόγραμμα. Το HOMER αθροίζει τις ετήσιες δαπάνες κάθε στοιχείου, με οποιεσδήποτε άλλες διάφορες δαπάνες, όπως οι ποινικές ρήτρες για τις μολυσματικές εκπομπές, για να βρει το συνολικό ετήσιο κόστος του συστήματος. Αυτή η αξία είναι σημαντική επειδή το HOMER την χρησιμοποιεί για να υπολογίσει τους δύο κύριους οικονομικούς αριθμούς της αξίας για το σύστημα: το συνολικό καθαρό παρόν κόστος και το κόστος της ενέργειας. Το HOMER χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για να υπολογίσει το συνολικό καθαρό παρόν κόστος: (6.21) 60

64 όπου C ann,tot είναι το συνολικό ετήσιο κόστος, i το ετήσιο πραγματικό επιτόκιο (το ποσοστό έκπτωσης), R proj η διάρκεια ζωής προγράμματος, και CRF είναι ο κύριος παράγοντας αποκατάστασης που δίνεται από την εξίσωση: (6.22) όπου i είναι το ετήσιο πραγματικό επιτόκιο και Ν είναι ο αριθμός ετών. Το HOMER χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για να υπολογίσει το κόστος της ενέργειας: (6.23) όπου C ann,tot είναι το συνολικό ετήσιο κόστος, E prim και E def είναι τα συνολικά ποσά αρχικού και deferrable φορτίο, αντίστοιχα, το οποίο το σύστημα εξυπηρετεί το χρόνο. Ο παρονομαστής στην παραπάνω εξίσωση είναι μια έκφραση του συνολικού ποσού της χρήσιμης ενέργειας που το σύστημα παράγει το χρόνο. Το κόστος της ενέργειας είναι επομένως το μέσο κόστος ανά kilowatthour της χρήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παρήχθη από το σύστημα. Αν το κόστος της ενέργειας είναι συχνά κατάλληλο ως μέτρο σύγκρισης των δαπανών διαφορετικών συστημάτων, το HOMER χρησιμοποιεί το συνολικό NPC αντί αυτού. Στη διαδικασία βελτιστοποίησής του, παραδείγματος χάριν, το HOMER ταξινομεί τις διαμορφώσεις συστημάτων σύμφωνα με το NPC και όχι με το κόστος της ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή ο καθορισμός του κόστους της ενέργειας είναι πιο αμφιλεγόμενος απ ότι ο καθορισμός του συνολικού NPC [13]. 61

65 7.1 Πρώτη προσομοίωση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Το φορτίο που μελετήθηκε στην πρώτη αλλά και στις υπόλοιπες προσομοιώσεις φαίνεται παρακάτω (Εικόνα 7.1). Συμπεριλήφθηκαν όλες οι αναγκαίες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές ενός νοικοκυριού με ιδιαίτερη έμφαση στην ενεργειακή τους κλάση και στην οικονομικότερη κατανάλωση. Αξίζει να σημειωθεί ότι στον υπολογισμό του φορτίου έχουν παραλειφθεί η ηλεκτρική κουζίνα και ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας. Για κάθε μια από τις τέσσερις επόμενες προσομοιώσεις το φορτίο παραμένει αμετάβλητο. Εικόνα 7.1: Μέσο μηνιαίο φορτίο ενός χρόνου Όσο αναφορά τις μπαταρίες που χρησιμοποιήθηκαν αυτές υπολογίστηκαν με βάση το τυπικό φορτίο μας ημέρας. Το τυπικό φορτίο της κατοικίας μας για μια τυχαία ημέρα του έτους είναι 10.2kWh. Το μέγιστο παρόλα αυτά παρατηρείται το μήνα Ιούλιο και συγκεκριμένα τα Σαββατοκύριακα του συγκεκριμένου μήνα. Το μέγιστο παρατηρείται σε 12.25kWh. Για τον υπολογισμό των μπαταριών δεν θα χρησιμοποιήσουμε το μέγιστο του απαιτούμενου φορτίου αλλά την μέση τιμή καθώς τον μήνα Ιούλιο η ηλιοφάνεια στην περιοχή της Πάτρας και της Κεφαλονιάς είναι σε υψηλά επίπεδα και η φωτοβολταϊκή συστοιχία θα μπορεί να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ στο φορτίο χωρίς να απαιτεί την χρησιμοποίηση των μπαταριών. Για να φτάσει η ενέργεια από τις μπαταρίες στο φορτίο θα περάσει μέσα από τον μετατροπέα. Θεωρώντας μια απόδοση του μετατροπέα της τάξης του 90% τότε η ενέργεια που θα απαιτηθεί είναι. Συσχετίζοντας και το βάθος εκφόρτισης των μπαταριών σε ποσοστό 80%, τότε η απαιτούμενη ενέργεια υπολογίζεται σε kWh. Μπαταρίες υπάρχουν πάρα πολλές στο εμπόριο και συνεχώς η ποικιλία αναβαθμίζεται με νέα μοντέλα και πιο αποδοτικά. Οι τάσεις ποικίλουν με τυπικές τιμές τα 12, 24 και 48V. Ανάλογα τις μπαταρίες που θα επιλέξουμε, διαφέρει η χωρητικότητα των μπαταριών. Επομένως προκύπτουν : Για 12V Ah,για 24V Ah και για 48V Ah Η επιλογή των μπαταριών θα γίνει με γνώμονα την υπάρχουσα τιμή των μπαταριών και θεωρώντας πως ανεβάζοντας την τάση οι απώλειες θα μειωθούν λόγω του μικρότερου ρεύματος που απαιτείται για την ίδια ισχύ. Ο υπολογισμός των μπαταριών έγινε για μία μέρα αυτονομίας, όμως για το σύστημά μας θα θεωρήσουμε ότι θέλουμε να πετύχουμε τρεις μέρες αυτονομίας, άρα οι μπαταρίες που θα χρειαστούμε θα είναι: για 12V *3=3541.5, για 24V Αh και για 48V Ah. Συγκρίνοντας διάφορες τιμές στην αγορά επιλέχθηκαν οι μπαταρίες W230 της Winner Solar με τάση λειτουργίας 24V και χωρητικότητα 253Ah ανά μπαταρία. Το κόστος για κάθε μια μπαταρία ανέρχεται σε 298 ευρώ. Τα παραγωγικά στοιχεία που στην παρούσα διπλωματική εργασία είναι τα φωτοβολταϊκά και οι ανεμογεννήτριες επιλέχθηκαν μέσα από μια (7.1) 62

66 πληθώρα επιλογών από διαφόρους κατασκευαστές διαφορετικών χωρών. Στον πίνακα 6.1 φαίνονται όλες οι επιλογές φωτοβολαταϊκών πάνελ και τα απαραίτητα χαρακτηριστικά τους όπως δίνονται από τον κατασκευαστή αλλά και όπως υπολογίστηκαν για να καλύψουν το φορτίο της κατοικίας. Πίνακας 7.1: Φωτοβολταϊκά πάνελ που μελετήθηκαν Από τα παραπάνω φωτοβολταϊκά πάνελ επιλέχθηκαν τα Suntelite Eco-280P72 με χώρα προέλευσης την Μαλαισία των οποίων τα χαρακτηριστικά τους παρουσιάζονται στον παραπάνω πίνακα και το συνολικό κόστος κτήσης ανέρχεται σε 2178 ευρώ. Από την πλευρά των ανεμογεννητριών, η γκάμα είναι σαφώς μικρότερη ιδιαίτερα σε επιλογές που αφορούν ανεμογεννήτριες με ισχύ έως 2kW. Για την παρούσα διπλωματική επιλέχθηκε η ανεμογεννήτρια Future Energy 1kW της εταιρείας Future Energy που εδρεύει στο Ηνωμένο Βασίλειο με συνολικό κόστος εγκατάστασης 1250 ευρώ. Θα μπορούσαμε να είχαμε επιλέξει και μικρότερες σε ισχύ ανεμογεννήτριες που κυκλοφορούν όπως 0.5kW που θα βοηθούσαν το σύστημα προσομοίωσης να επιλέγει διάφορα επίπεδα εγκατεστημένης ισχύος αλλά αυτό θα προκαλούσε αύξηση του κόστους λόγω των πύργων στήριξης και μείωση του συνολικού συντελεστή ισχύος. Τέλος ο μετατροπέας που επιλέχθηκε για το σύστημα μας, που ταυτόχρονα περιελαμβάνει και ρυθμιστή φόρτισης μπορεί να παρέχει μέχρι και 4kW ισχύ που καλύπτει ακόμη και το πιο απαιτητικό φορτίο της αυτόνομης κατοικίας. Το κόστος απόκτησης του είναι 1760 ευρώ και η απόδοσή του ανέρχεται στο 94% σύμφωνα με τον κατασκευαστή Πρώτη προσομοίωση περιοχή Πάτρας-Ρίου Κατά την πρώτη προσομοίωση η περιοχή που επιλέχθηκε να μελετηθεί αφορά την ευρύτερη περιοχή του Ρίου της Πάτρας και συγκεκριμένα τις εκτάσεις που εκτείνονται πάνω από το πανεπιστήμιο Πατρών. Τα φωτοβολταϊκά δεδομένα για την πρώτη αλλά και για τις υπόλοιπες προσομοιώσεις βρέθηκαν από την ιστοσελίδα : Στη συγκεκριμένη ιστοσελίδα μπορεί ο κάθε χρήστης να βρει όλα τα δεδομένα της ηλιακής ακτινοβολίας που αφορούν την περιοχή του για όλους τους μήνες του χρόνου με την διαφορά ότι υπάρχουν στοιχεία μόνο για τις Ευρωπαϊκές χώρες. Τα ηλιακά δεδομένα μπορούν να εξαχθούν σε μορφή pdf. Στην εικόνα 7.2 φαίνεται το γραφικό περιβάλλον της παραπάνω ιστοσελίδας αλλά και πως εξάγονται τα δεδομένα. 63

67 Εικόνα 7.2: Γραφικό περιβάλλον PVGIS και δεδομένα που εξάχθηκαν Αντίθετα στα δεδομένα του ανέμου δεν βρέθηκε αντίστοιχη ιστοσελίδα και η εύρεση ακριβών στοιχείων που να αφορούν τις περιοχές ενδιαφέροντός μας αποτέλεσε πιο επίπονη διαδικασία. Αυτό κυρίως οφείλεται στο γεγονός πως ακριβή δεδομένα για τον άνεμο υπάρχουν μόνο κοντά σε μετεωρολογικούς σταθμούς οι οποίοι με την σειρά τους είναι πολύ λίγοι σε αριθμό για κάθε περιοχή και ιδιαίτερα για την επαρχία. Τα δεδομένα πάρθηκαν από χάρτες οι οποίοι βρέθηκαν στην ιστοσελίδα του συστήματος Ποσειδών : Θεωρήθηκε μια μέση μηνιαία ταχύτητα ανέμου 5.5m/s για την περιοχή του Ρίου. Αξίζει να σημειωθεί πως όσο υψηλότερα εγκαθίσταται η ανεμογεννήτρια στην περιοχή του Ρίου τόσο καλύτερες τιμές μέσης μηνιαίας ταχύτητας του ανέμου συναντούνται με τιμές που αγγίζουν τα 6.5 m/s. Στην εικόνα 7.3 φαίνεται η πρόβλεψη του ανέμου από το σύστημα Ποσειδών. 64

68 Εικόνα 7.3 : Πρόβλεψη ανέμου από το σύστημα Ποσειδών Εφόσον προστέθηκαν τα δεδομένα στο πρόγραμμα προσομοίωσης Homer Energy και κατασκευάστηκε το προς προσομοίωση σύστημα με τις μπαταρίες το φορτίο και τα παραγωγικά στοιχεία(εικόνα 7.4), πραγματοποιήθηκε η πρώτη προσομοίωση. 65

69 Εικόνα 7.4 : Πρώτη προσομοίωση στην περιοχή του Ρίου Αξίζει να αναφερθεί πως το πρόγραμμα προσομοίωσης περιέχει την δική του βάση δεδομένων όσο αναφορά τα ηλιακά δεδομένα κάθε περιοχής αλλά υπάρχει και η δυνατότητα εισαγωγής δεδομένων από τον χρήστη. Οι γραφικές που μας ενδιαφέρουν καθώς και ο σχολιασμός τους εξηγείται παρακάτω. Excess Electricity Σχήμα 7.1 Στη γραφική που μας δίνει σε ποσοστό την περίσσεια ενέργεια σε σχέση με τη διάρκεια ζωής των μπαταριών, αρχικά παρατηρούμε ότι το ελάχιστο βρίσκεται για διάρκεια ζωής των μπαταριών από 5-8 χρόνια σε ποσοστό 0.05 ή 5%. Επιπλέον παρατηρείται μια πολύ μεγάλη αύξηση στη περίσσεια παραγόμενη ενέργεια για 8-9 χρόνια και μια μικρότερη αύξηση από 9 μέχρι 10 χρόνια, ενώ ακόμη και για 2 χρόνια παρατηρούμε μεγάλη περίσσεια παραγόμενη ενέργεια. Το μεγάλο ποσοστό της περίσσειας παραγόμενης ενέργειας οφείλεται στη χρησιμοποίηση Α/Γ. 66

70 Future Energy 1kW-Total Net Present Cost Σχήμα 7.2 Η γραφική του παρόντος κόστους παρατηρούμε ότι δεν μεταβάλλεται απότομα όταν στο σύστημα χρησιμοποιούνται ανεμογεννήτριες (π.χ. για 8-9 χρόνια). Δηλαδή δεν έχουμε απότομες κορυφές (spikes) στη γραφική του παρόντος κόστους. Αν είχαμε spikes στη παραπάνω γραφική και το παρόν κόστος αυξανόταν απότομα και αισθητά, τότε η χρήση Α/Γ θα ήταν απαγορευτική. PV Array Capacity-Total Net Present Cost Σχήμα 7.3 Το ίδιο ισχύει και για την απαίτηση σε φωτοβολταϊκά. Η γραφική είναι σχεδόν της μορφής. 67

71 PV Production (kwh)-number of Batteries Σχήμα 7.4 Wind Production (kwh)-number of Batteries Σχήμα 7.5 Από 2 σε 3 χρόνια η γραφική που δείχνει τον αριθμό των μπαταριών παρουσιάζει τη μεγαλύτερη κλίση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι για 2 χρόνια το σύστημα χρησιμοποιεί Α/Γ, ενώ για 3 χρόνια όχι. Αυτό επιβεβαιώνεται και για 8-9 χρόνια όπου βάζοντας 2 Α/Γ στο σύστημα πετυχαίνουμε μείωση του αριθμού των απαιτούμενων μπαταριών. Άρα είναι λογικό για τα 3 χρόνια που βγάζουμε τη μοναδική Α/Γ από το σύστημα να προκαλείται αύξηση στον αριθμό των μπαταριών. 68

72 Total Electrical Production-Battery Life Σχήμα 7.6 Από τη παραπάνω γραφική παρατηρούμε πως ακόμη και με 4200 kwh περίπου το φορτίο ικανοποιείται, αλλά προκειμένου να δώσουμε μεγάλη διάρκεια ζωής στις μπαταρίες και να μη χρειαστεί να δίνουμε συνεχώς κάποιο ποσό για αντικατάστασή τους αυξάνουμε πολύ την περίσσεια ενέργεια. Total Electrical Production-Wind Production Σχήμα 7.7 Παρατηρούμε πως όταν βγαίνει η Α/Γ από το σύστημα, έχουμε μείωση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας. Αντίστοιχα όταν έχουμε είσοδο Α/Γ στο σύστημα παρατηρείται μεγάλη αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας. Αυτό αποδεικνύει πως οι Α/Γ παρέχουν πολλές kwh, όχι όμως κατ ανάγκη χρήσιμες (excess electricity). 69

73 Total Electrical Production-Number of Batteries Σχήμα7.8 Παρατηρούμε πως η αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας συμβάλλει σημαντικά στον αριθμό των χρησιμοποιούμενων μπαταριών. Συγκεκριμένα όταν η παραγωγή της συνολικής ενέργειας μειώνεται ή παραμένει σταθερή, παρατηρούμε τις μεγαλύτερες κλίσεις στη γραφική του αριθμού των μπαταριών (π.χ. για 2-3 χρόνια και 5-8 χρόνια). Αντίθετα σε περιόδους που η συνολική παραγόμενη ενέργεια αυξάνεται οι μπαταρίες είτε θα παραμένουν σταθερές είτε θα μειώνονται (8-10 χρόνια). Total Electrical Production-Levelized Cost of Energy Σχήμα 7.9 Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω η προσθήκη Α/Γ προσφέρει μία αισθητή μείωση στη τιμή της kwh (8-10 χρόνια όπου το βέλτιστο σύστημα χρησιμοποιεί 2 Α/Γ και συνεπώς παρατηρείται αισθητή μείωση της τιμής της kwh) Πρώτη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς Αντίστοιχα με την πρώτη προσομοίωση στην περιοχή του Ρίου πραγματοποιήθηκε και μια προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς (εικόνα 7.5). 70

74 Εικόνα 7.5 Το φορτίο παραμένει ίδιο καθώς και όλα τα στοιχεία του συστήματος(μπαταρίες, φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες). Αυτό που διαφοροποιείται είναι οι κλιματολογικές συνθήκες και συγκεκριμένα προκύπτει ότι στην περιοχή της Κεφαλονιάς παρατηρούνται μικρότερες σε ένταση ακτινοβολίες αλλά ταχύτεροι άνεμοι. Αφού τροποποιήθηκαν οι μεταβλητές που αφορούν τον άνεμο και την ηλιακή ακτινοβολία πραγματοποιήθηκε η πρώτη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς. Οι γραφικές παραστάσεις που μας ενδιαφέρουν καθώς και ο σχολιασμός τους φαίνεται παρακάτω. Excess Electricity Σχήμα 7.10 Παρατηρώ ότι το ελάχιστο βρίσκεται για διάρκεια ζωής των μπαταριών από 6 μέχρι 7 χρόνια με ποσοστό 5% και αυτό γιατί σε εκείνο το διάστημα δεν έχουμε καμία Α/Γ εγκατεστημένη στο σύστημά μας. Από τα 7 στα 8 χρόνια παρατηρείται η μέγιστη κλίση στο excess electricity καθώς πηγαίνουμε από 0 Α/Γ στη 1 Α/Γ και από τα 8 στα 9 χρόνια ζωής των μπαταριών έχοντας ήδη μια Α/Γ προβαίνουμε στη χρήση μιας δεύτερης. Βλέπουμε εδώ ότι η αύξηση της περίσσειας ενέργειας δεν είναι το ίδιο μεγάλη όπως στο προηγούμενο διάστημα (7-8 χρόνια) καθώς έχουμε μια ταυτόχρονη μείωση του αριθμού των φ/β πάνελ. Από 9-10 χρόνια παρατηρείται μείωση της περίσσειας ενέργειας που οφείλεται: α) αυξάνεται ο αριθμός των μπαταριών και έτσι κάποια από την ενέργεια που πήγαινε χαμένη αποθηκεύεται στις επιπλέον μπαταρίες και β) στη μείωση της ενέργειας που προέρχεται από τα φ/β γιατί μειώνεται ο αριθμός των πάνελ. Σαν γενικό συμπέρασμα μπορούμε να πούμε ότι η προσθήκη Α/Γ δίνει μεγάλη αύξηση στην περίσσεια ενέργεια, η προσθήκη μπαταριών μειώνει την περίσσεια ενέργεια ενώ τα φ/β δεν επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό το ποσοστό της περίσσειας ενέργειας του συστήματος. 71

75 Future Energy 1kW-Total Net Present Cost Σχήμα 7.11 PV Array Capacity (kw)-total Net Present cost Σχήμα 7.12 Αυτό που μας ενδιαφέρει στις 2 γραφικές είναι να δείξουμε πως μια μεταβολή, ακόμη και απότομη στη χρήση φ/β πάνελ ή Α/Γ δεν επιφέρει απότομη μεταβολή στο κόστος. Συνεπώς το κόστος δεν παρουσιάζει κάποιο spike, άρα δεν μπορούμε να πούμε ότι έχουμε χρησιμοποιήσει έναν απαγορευτικό συνδυασμό από αριθμό φ/β πάνελ και ανεμογεννήτριες. PV Production (kwh)-number of Batteries Σχήμα

76 Wind Production (kwh)-number of Batteries Σχήμα 7.14 Για 5-6 χρόνια παρατηρείται μεγάλη αύξηση στις μπαταρίες (από τις 10 μπαταρίες πηγαίνουμε στις 16) που οφείλεται στην αφαίρεση της Α/Γ από το σύστημα. Το ίδιο συμβαίνει και από τα 2-3 χρόνια. Η αύξηση όμως στη δεύτερη περίπτωση είναι σχετικά μικρότερη λόγω του γεγονότος ότι από 5-6 χρόνια οι μπαταρίες μας θα πρέπει να διαρκέσουν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Από τα 6 στα 7 χρόνια, η αύξηση του αριθμού των μπαταριών οφείλεται αποκλειστικά στην αύξηση της διάρκειας ζωής τους ενώ τέλος από 7-9 χρόνια η προσθήκη 2 Α/Γ στο σύστημα συμβάλει στη μείωση των μπαταριών. Συνολικά διαπιστώνουμε ότι το μεγαλύτερο ρόλο στον αριθμό των μπαταριών παίζει η χρήση ή όχι Α/Γ και σε δεύτερο βαθμό έρχονται τα χρόνια ζωής των μπαταριών και η προσθαφαίρεση φ/β πάνελ. Total Electrical Production-Battery Life Σχήμα 7.15 Από τη γραφική της συνολικής παραγόμενης ενέργειας παρατηρούμε ότι ακόμη και με 4200 kwh/yr το χρόνο το φορτίο ικανοποιείται. Από εκεί και πέρα όμως υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες έχουμε πολύ μεγαλύτερη παραγωγή kwh/yr οι οποίες μένουν αχρησιμοποίητες. Αυτό οφείλεται : α) στο γεγονός ότι στο σύστημα χρησιμοποιούμε Α/Γ και β) αυξάνουμε την παραγόμενη ενέργεια για να μη χρειαστεί να αποφορτίζουμε τις μπαταρίες σε τέτοιο βαθμό που θα μειωθεί ο χρόνος ζωής τους. 73

77 Total Electrical Production-Wind Production Σχήμα 7.16 Παρατηρούμε πως η καμπύλη της συνολικής παραγόμενης ενέργειας είναι πανομοιότυπη με την καμπύλη της αιολικής ενέργειας, δηλαδή όταν αυξάνεται ή μειώνεται η παραγωγή αιολικής ενέργειας, το ίδιο συμβαίνει και στη συνολική παραγόμενη ενέργεια. Υπάρχουν ορισμένες διαφορές βέβαια οι οποίες οφείλονται στις ενδεχόμενες μεταβολές της παραγόμενης ενέργειας από φ/β. Για παράδειγμα από 2-3 χρόνια έχουμε μείωση από 3000 σε 0 kwh της αιολικής ενέργειας, ενώ η συνολική παραγόμενη ενέργεια μειώνεται από 6000 σε 5000 kwh. Η διαφορά της μείωσης των 2000 kwh οφείλεται στο γεγονός ότι αυξήθηκε η παραγωγή ηλιακής ενέργειας. Total Electrical Production-Number of Batteries Σχήμα 7.17 Παρατηρούμε πως η αύξηση στον αριθμό των παραγόμενων kwh καταφέρνει είτε να μειώνει την απαίτηση σε μπαταρίες, είτε ο αριθμός των μπαταριών να αυξάνεται με τον ελάχιστο δυνατό ρυθμό. Αντίθετα η μείωση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας επιφέρει μία ραγδαία αύξηση στον αριθμό των μπαταριών. 74

78 Total Electrical Production-Levelized Cost of Energy Σχήμα 7.18 Παρατηρούμε πως η χρησιμοποίηση των Α/Γ στο σύστημα προσδίδει μια μείωση στη τιμή της kwh ή αν δεν ισχύσει η μείωση, η χρήση Α/Γ καταφέρνει να μην αυξάνει πολύ την τιμή της kwh. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι Α/Γ παράγουν πάρα πολλές kwh και η τιμή της kwh ισούται : σύστημα, τόσο μειώνεται η τιμή της kwh.. Όσο αυξάνεται δηλαδή ο αριθμός των kwh που παράγουμε στο 75

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ - TRACKER 8.1 Δεύτερη προσομοίωση Κατά την δεύτερη προσομοίωση το σύστημα μας παραμένει αμετάβλητο όσον αφορά το φορτίο, τις μπαταρίες, τους μετατροπείς και τις ανεμογεννήτριες. Αυτό που διαφοροποιεί το προς προσομοίωση σύστημα είναι το γεγονός πως τα φωτοβολταϊκά πάνελ είναι πλέον εγκατεστημένα σε σύστημα προσανατολισμού - tracker. Η επιλογή για εγκατάσταση συστήματος προσανατολισμού παρέχεται από το πρόγραμμα προσομοίωσης χωρίς όμως να συνυπολογίζεται και το επιπλέον απαιτούμενο κόστος. Το επιπλέον κόστος συνυπολογίστηκε στο αρχικό κεφάλαιο θεωρώντας πως η μεταλλική αλλά αι ηλεκτρική εγκατάσταση για το σύστημα προσανατολισμού κοστίζει 1500 ευρώ. Αξίζει να αναφερθεί ότι το σύστημα προσανατολισμού καταφέρνει να ελαχιστοποιήσει την γωνία πρόσπτωσης μεταξύ του εισερχόμενου ηλιακού φωτός και ενός φωτοβολταϊκό πάνελ. Το φως του ήλιου έχει δύο συνιστώσες, την «άμεση ακτινοβολία» που μεταφέρει περίπου το 90% της ηλιακής ενέργειας, και την «διάχυτη ακτινοβολία» που μεταφέρει το υπόλοιπο 10%. Καθώς η πλειοψηφία της ενέργειας προέρχεται από την άμεση ακτινοβολία, μεγιστοποίηση της συλλογής απαιτεί τον ήλιο για να είναι ορατό στα πάνελ όσο είναι δυνατόν περισσότερο. Η ενέργεια που προέρχεται από την άμεση ακτινοβολία μειώνεται ανάλογα με το συνημίτονο της γωνίας μεταξύ του εισερχόμενου φωτός και τον πάνελ. Κρατώντας κάθετη όσον το δυνατόν περισσότερο την ακτινοβολία που προέρχεται από την άμεση συνιστώσα αυξάνεται η ποσότητα της ενέργειας που παράγεται σε σχέση με ένα σταθερό φωτοβολταϊκό πάνελ. Αξίζει να αναφερθεί πως υπάρχουν διάφοροι τύποι συστημάτων προσανατολισμού όπως σύστημα προσανατολισμού με καθρέφτες τα οποία δεν αναφέρονται στην παρούσα διπλωματική. Αφού επιλέξαμε φωτοβολταϊκά με σύστημα προσανατολισμού πραγματοποιηθήκαν οι δύο προσομοιώσεις και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται παρακάτω Δεύτερη προσομοίωση στην περιοχή Ρίου EExcess Electricity Σχήμα

80 Η παραγωγή περίσσειας ενέργειας κυμαίνεται από 12% έως 62%. Στα πρώτα 2-7 χρόνια η περίσσεια ενέργεια εξαρτάται αποκλειστικά από την παραγωγή ενέργειας από τα φ/β καθώς η εισαγωγή της Α/Γ γίνεται στα 8 χρόνια. Πιο συγκεκριμένα από 2-5 χρόνια η σταδιακή μείωση της εγκατεστημένης ισχύς των φ/β πάνελ (από 2,8kW στα 2,25kW) προκαλεί μείωση της περίσσειας ενέργειας, το σύστημα όμως ικανοποιεί το φορτίο καθώς εγκαθιστούμε μεγαλύτερο αριθμό μπαταριών. Από 7-10 χρόνια η περίσσεια ενέργεια εξαρτάται από την παραγόμενη αιολική ενέργεια σε μεγαλύτερο βαθμό, αλλά και από την ηλιακή σε μικρότερο. Έτσι επειδή έχουμε απότομη αύξηση της αιολικής ενέργειας και ταυτόχρονα μια μικρότερη αύξηση της ηλιακής ενέργειας η περίσσεια ενέργεια αυξάνεται. Future Energy 1kW - Total Net Present Cost... Σχήμα PV Array Capacity (kw)-total Net Present Cost.. Σχήμα 8.3 Από τα 2 διαγράμματα βλέπουμε ότι η γραφική του παρόντος κόστους είναι σχεδόν της μορφής με b=7800 για 2 χρόνια λειτουργίας των μπαταριών, ενώ για 10 χρόνια λειτουργίας το κόστος ανέρχεται στα Παρατηρούμε επίσης ότι οι καμπύλες δεν παρουσιάζουν κάποιο 77

81 spike που να υποδηλώνει κάποιο απαγορευτικό οικονομικά σύστημα, ενώ φαίνεται να είναι ανεξάρτητες τόσο της παραγωγής ενέργειας από φ/β όσο και από Α/Γ και είναι σχεδόν ανάλογες του χρόνου επιθυμητής λειτουργίας των μπαταριών. ////////////// PV Production (kwh) - Number of Batteries/ Σχήμα 8.4 //... Wind Production (kwh) - Number of Batteries// Σχήμα 8.5 Παρατηρούμε ότι από 2-7 χρόνια έχουμε ραγδαία αύξηση του αριθμού των μπαταριών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι : α) το σύστημά μας δεν περιέχει Α/Γ β) η εγκατεστημένη ισχύς των φ/β μειώνεται και γ) η διάρκεια ζωής των μπαταριών απαιτεί αύξηση. Στο διάστημα 7-8 χρόνια έχουμε ταυτόχρονη αύξηση της παραγόμενης ενέργειας τόσο από φ/β όσο και από Α/Γ που προκαλεί περίσσεια παραγωγή kwh η οποία με τη σειρά της πετυχαίνει τη μείωση του αριθμού των μπαταριών. Από εκεί και πέρα, για το διάστημα 8-9 χρόνια επειδή και τα φ/β αλλά και οι Α/Γ παραμένουν σταθερά, αλλά η διάρκεια ζωής των μπαταριών αυξάνεται, αυξάνεται και ο αριθμός τους. Τέλος στο διάστημα 9-10 χρόνια παρατηρούμε κάτι αντίστοιχο με το διάστημα 7-8 χρόνια μόνο που αυτή τη φορά τα φ/β αυξάνονται πολύ περισσότερο σε σχέση με την Α/Γ που 78

82 παρουσιάζει την ίδια αύξηση. Ως αποτέλεσμα έχουμε την παραγωγή ακόμη περισσότερων kwh καθώς και την μείωση του αριθμού των μπαταριών. Total Electrical Production - Battery Life Σχήμα 8.6 Από 2-7 χρόνια έχουμε παραγωγή kwh/yr και η καμπύλη της συνολικής παραγόμενης ενέργειας είναι ανάλογη της καμπύλης της συνολικής ηλιακής ενέργειας. Έτσι λοιπόν, επειδή δεν έχουμε εγκατεστημένη Α/Γ, η συνολική παραγόμενη ενέργεια κυμαίνεται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, παρουσιάζοντας ελάχιστο στο διάστημα από 5-7 χρόνια. Από εκεί και πέρα, για 7 και πλέον χρόνια, η εγκατάσταση Α/Γ σε μεγαλύτερο βαθμό, αλλά και η αύξηση των φ/β σε μικρότερο, συμβάλλουν στη ραγδαία αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας, η οποία παρουσιάζει μέγιστο kwh/yr για 10 χρόνια ζωής των μπαταριών.... Total Electrical Production - Wind Production... Σχήμα 8.7 Από 2-7 χρόνια το HOMER δε χρησιμοποίει Α/Γ στα προτεινόμενα βέλτιστα συστήματά και οι οποιεσδήποτε μεταβολές που φαίνονται στη συνολική παραγόμενη ενέργεια, οφείλονται 79

83 αποκλειστικά στη παραγωγή ενέργειας από τα φ/β. Αντίθετα από 7-10 χρόνια οι Α/Γ αποτελούν ιδιαίτερο παράγοντα στη καμπύλη της συνολικής παραγόμενης ενέργειας και έτσι προκαλείται μεγάλη αύξηση στη συνολική παραγόμενη ενέργεια. Το γεγονός ότι οι κλίσεις στις 2 γραφικές δεν είναι ίδιες οφείλεται στο ότι υπάρχει μεταβολή στη παραγόμενη ενέργεια από φ/β που επηρεάζει τη συνολική παραγόμενη ενέργεια.... Total Electrical Production - Number of Batteries... Σχήμα 8.8 Παρατηρούμε πως η κάθε αύξηση στη συνολική παραγόμενη ενέργεια συμβάλλει ανάλογα στη μείωση του αριθμού των μπαταριών. Αντίθετα, όταν η συνολική παραγωγή μειώνεται ή παραμένει σταθερή, παρατηρούμε αύξηση στον αριθμό των απαιτούμενων μπαταριών.... Total Electrical Production - Battery Life... Σχήμα 8.9 Παρατηρούμε πως η αύξηση ή μείωση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας προκαλεί αντίστροφα γεγονότα στην τιμή της kwh. Δηλαδή αν αυξήσουμε τη συνολική παραγόμενη ενέργεια η τιμή της kwh θα μειωθεί η θα αυξάνεται με μικρό ρυθμό. Αντίθετα αν η συνολική παραγόμενη ενέργεια μειωθεί τότε η τιμή της kwh αυξάνεται με μέγιστο ρυθμό. Για παράδειγμα από 3-5 χρόνια η συνολική παραγόμενη ενέργεια μειώνεται στο ελάχιστο σημείο (4500 kwh), έχοντας ως αποτέλεσμα την πιο απότομη αύξηση στη τιμή της kwh ( από 0,338 έως 0,406 ). 80

84 Αντίστροφα, από 7-8 χρόνια έχουμε μεγάλη αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας, γεγονός που προκαλεί τη μοναδική μείωση της τιμής της kwh στο σύστημα (0,455 /kwh -0,394 /kwh). Τέλος στο διάστημα 9-10 χρόνια παρά την απότομη αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας, δεν καταφέρνουμε να πετύχουμε καλύτερες τιμές kwh και αυτό γιατί απαιτείται μεγάλο αρχικό κεφάλαιο για 10 χρόνια ζωής των μπαταριών Δεύτερη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς Αφού τροποποιήθηκε το σύστημα που αφορά την περιοχή της Κεφαλονιάς ώστε να συμπεριλάβει το σύστημα προσανατολισμού και το απαιτούμενο κόστος του πραγματοποιήθηκε η δεύτερη προσομοίωση στην περιοχή της Κεφαλονιάς. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται παρακάτω. Excess Electricity Σχήμα 8.10 Παρατηρούμε πως το ποσοστό της παραγόμενης περίσσειας ενέργειας κυμαίνεται από 8% - 62%, με το ελάχιστο να εμφανίζεται στα 6 και το μέγιστο στα 10 χρόνια ζωής των μπαταριών. Αναλύοντας τη γραφική παρατηρούμε ότι από 2-3 χρόνια παρατηρούμε μια απότομη μείωση του ποσοστού της περίσσειας ενέργειας που οφείλεται στην αφαίρεση της Α/Γ από το σύστημα. Από 3-6 χρόνια η σταδιακή μείωση των απαιτούμενων φ/β πάνελ προσδίδει μια σταδιακή μείωση στην περίσσεια παραγόμενη ενέργεια, καθώς δεν υπάρχει καμία Α/Γ στο σύστημά μας. Οι παραπάνω μειώσεις του ποσοστού της περίσσειας παραγόμενης ενέργειας, δεν καθιστούν το σύστημα μη υλοποιήσιμο καθώς έχουμε μια ραγδαία αύξηση στον αριθμό των μπαταριών. Από εκεί και πέρα από 6-7 χρόνια παρατηρείται απότομη αύξηση της γραφικής οφειλόμενη στη προσθήκη Α/Γ, ενώ για το διάστημα 7-9 χρόνια εφόσον δεν μεταβάλλονται ούτε τα φ/β ούτε οι Α/Γ του συστήματος το σύστημα μας δεν μεταβάλλει το ποσοστό της περίσσειας ενέργειάς του. Τελος στο διάστημα 9-10 χρόνια οι Α/Γ γίνονται 2 και ταυτόχρονα έχουμε και αύξηση των φ/β με αποτέλεσμα να αυξάνει το ποσοστό της περίσσειας παραγόμενης ενέργειας να μεγιστοποιείται. 81

85 Future Energy 1kW-Total Net Present Cost Σχήμα 8.11 PV Array Capacity (kw)-total Net Present Cost Σχήμα 8.12 Παρατηρούμε ότι η γραφική του παρόντος κόστους είναι της μορφής με b=8000 και φτάνει μέχρι την τιμή για 10 χρόνια λειτουργίας των μπαταριών. Ακόμη φαίνεται πως η μορφή της καμπύλης δεν έχει spikes που να υποδηλώνουν κάποιο οικονομικά απαγορευτικό σύστημα και φαίνεται αυτή να εξαρτάται από τη διάρκεια που θέλουμε να διαρκέσουν οι μπαταρίες μας πριν απαιτηθεί αντικατάστασή τους. 82

86 PV Production-Number of Batteries Σχήμα 8.13 Wind Production-Number of Batteries Σχήμα 8.14 Από 2-3 χρόνια παρατηρούμε αύξηση του αριθμού των μπαταριών, παρόλο που τα φ/β πάνελ επίσης αυξάνονται αισθητά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι : α) αφαιρείται η Α/Γ από το σύστημα, η οποία δίνει πολλές kwh και β) απαιτείται αύξηση του χρόνου ζωής των μπαταριών. Από εκεί και πέρα, για 3-6 χρόνια, η μείωση των φ/β, η απουσία Α/Γ καθώς και η αύξηση του χρόνου ζωής των μπαταριών συμβάλλουν στην απότομη αύξηση του αριθμού τους. Για 6-7 χρόνια παρατηρούμε μείωση του αριθμού των μπαταριών οφειλόμενη αποκλειστικά στην προσθήκη Α/Γ στο σύστημα, ενώ στο διάστημα 7-9 χρόνια η αύξηση των μπαταριών οφείλεται στην απαιτούμενη επιμήκυνση του χρόνου ζωής τους, μιας και για στο διάστημα αυτό δεν παρουσιάζεται μεταβολή στα παραγωγικά στοιχεία του συστήματος. Τέλος για 9-10 χρόνια ο συνδυασμός της απότομης αύξησης των φ/β και της χρήσης δεύτερης Α/Γ συμβάλλουν στη μείωση των μπαταριών από 18 σε

87 Total Electrical Production-Battery Life Σχήμα 8.15 Η συνολική παραγόμενη ενέργεια κυμαίνεται από kwh/yr. Αυτό που πρέπει να τονιστεί είναι ότι οι μεγάλες παραγωγές ενέργειας οφείλονται καθαρά στις Α/Γ. Για παράδειγμα στο διάστημα 3-6 χρόνια η παραγωγή ενέργειας κυμαίνεται από kwh καθώς στο σύστημα απουσιάζουν οι Α/Γ, ενώ αντίθετα για 2 χρόνια ή για 6-10 χρόνια που το σύστημα χρησιμοποιεί Α/Γ παρατηρείται μεγάλη αύξηση στη συνολική παραγόμενη ενέργεια με ελάχιστο τις 7000 kwh/yr και με μέγιστο τις kwh/yr. Total Electrical Production-Wind Production Σχήμα 8.16 Παρατηρούμε ότι και εδώ (5-9 χρόνια) ότι η μορφή της παραγόμενης ενέργειας ακολουθεί τη καμπύλη της αιολικής ενέργειας. Ελάχιστες διακυμάνσεις έχουμε για 2-5 χρόνια και για 9-10 χρόνια και οι οποίες οφείλονται στη παραγωγή ενέργειας από φ/β. Γενικά παρατηρούμε πως παρά το γεγονός ότι έχουμε εγκαταστήσει σύστημα tracker η παραγωγή αιολικής ενέργειας είναι πολύ μεγαλύτερη από την παραγωγή ηλιακής ενέργειας. 84

88 Total Electrical Production (kwh)-number of Batteries Σχήμα 8.17 Ισχύει ό,τι ακριβώς και για την Πάτρα with Tracker Total Electrical Production-Levelized Cost of Energy Σχήμα 8.18 Η τιμή της kwh κυμαίνεται από 0,30 έως και 0,47 /kwh. Στα διαστήματα όπου η συνολική παραγόμενη ενέργεια μειώνεται παρατηρείται η μέγιστη αύξηση στο κόστος της τιμής της kwh (π.χ. 2-3 χρόνια και 3-5 χρόνια). Όταν η συνολική παραγόμενη ενέργεια παραμένει σταθερή παρατηρείται αύξηση στην τιμή της kwh όχι όμως σε μεγάλο βαθμό, ενώ τέλος η μόνη περίπτωση όπου παρατηρείται μείωση αυτής είναι οι περίοδοι κατά τις οποίες έχουμε αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας. Έτσι για παράδειγμα από 6-7 χρόνια όπου παρατηρείται ραγδαία αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας από 4500 kwh/yr σε 7500 kwh/yr έχουμε και μια μείωση της τιμή της kwh από 0,435 σε 0,41 /kwh. 85

89 9.1 Τρίτη προσομοίωση[14] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ Κατά την τρίτη προσομοίωση το σύστημα αλλάζει όσο αναφορά τον τύπο των φωτοβολταϊκών και μόνο ως προς αυτό καθώς τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά όπως μπαταρίες, μετατροπείς και ανεμογεννήτριες παραμένουν αμετάβλητα. Πλέον, στο σύστημα εγκαθίστανται υβριδικά φωτοβολταϊκά (PVT). Τα υβριδικά φωτοβολταϊκά αποτελούν μια καινοτομία καθώς μπορούν να συνδυάσουν δύο τύπους πάνελ όπως τα πάνελ που εκμεταλλεύονται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και αυτών που εκμεταλλεύονται την θερμότητα που προέρχεται από τον ήλιο. Τα συστήματα αυτά συνδυάζουν μια ηλιακή κυψέλη, η οποία μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια, με τη βοήθεια ενός ηλιακού συλλέκτη ενώ η υπόλοιπη ενέργεια απομακρύνεται μέσω της θερμότητας με ένα κύκλωμα νερού (εικόνα 9.1). Εικόνα 9.1: PVT panel Η σύλληψη των δύο, ηλεκτρισμού και θερμότητας επιτρέπουν αυτές οι συσκευές να έχουν υψηλότερη απόδοση καθώς το κύκλωμα του νερού μπορεί και μειώνει την θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού πάνελ που αποτελεί μεγάλο μειονέκτημα ως προς την απόδοση του (εικόνα 9.2). Εικόνα 9.2: Διaφορά θερμοκρασίας PVT και PV panel [15] To πρόβλημα με την θερμοκρασία του πάνελ και το κατά πόσο επηρεάζεται η απόδοση του παρουσιάζεται και στην εικόνα

90 Εικόνα 9.3: Μείωση απόδοσης σε σχέση με την θερμοκρασία Μειώνοντας την θερμοκρασία των υβριδικών πάνελ (PVT) καταφέρνουμε να είναι πιο αποδοτικά από τα κλασσικά φωτοβολταϊκά (PV). Ένα σημαντικό μέρος της έρευνας έχει στραφεί προς την ανάπτυξη της τεχνολογίας PVT από το Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτού του τύπου φωτοβολταϊκών αποτελεί από την μία η μεγάλη απόδοσή του που κυμαίνεται στο 20% και από την άλλη η δυνατότητα να παρέχει ζεστό νερό στο εκάστοτε νοικοκυριό. Το μειονέκτημα όμως των συγκεκριμένων φωτοβολταϊκών αποτελεί η υψηλή τιμή για την απόκτησή τους που είναι μεγαλύτερη από εκείνη των κλασικών φωτοβολταϊκών, γεγονός για το οποίο η χρησιμοποίησή τους προς το παρόν δεν είναι τόσο διαδεδομένη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η υπόθεση ότι η τιμή των υβριδικών φωτοβολταϊκών κυμαίνεται στα ίδια επίπεδα με αυτήν των κλασσικών, ειδάλλως η μελέτη της χρησιμοποίησής τους θα συμπεριελάμβανε υψηλό αρχικό κεφάλαιο. Αφού τροποποιηθήκαν τα φωτοβολταϊκά ώστε να έχουν απόδοση 20% πραγματοποιήθηκε η τρίτη προσομοίωση και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται παρακάτω. Δυστυχώς δεν υπάρχει η δυνατότητα να παρουσιαστεί η εκμετάλλευση της θερμότητας από τα πάνελ και η παροχή ζεστού νερού από το πρόγραμμα προσομοίωσης. 87

91 9.1.1 Τρίτη προσομοίωση στην περιοχή του Ρίου Excess Electricity Σχήμα 9.1 Παρατηρούμε πως για το σύστημα που χρησιμοποιεί υβριδικά φ/β το ελάχιστο ποσοστό της περίσσειας παραγόμενης ενέργειας είναι 0,07 η 7% και συμβαίνει για 6 και 7 χρόνια διάρκειας ζωής των μπαταριών, ενώ το μέγιστο είναι 0,53 ή 53% για 9 χρόνια διάρκειας ζωής των μπαταριών. Γενικά βλέπουμε ότι έχουμε ένα αρκετά μεγάλο ποσοστό περίσσειας ενέργειας για 8, 9 και 10 χρόνια οφειλόμενο στη χρήση Α/Γ στο σύστημα. Future Energy 1kW-Total Net Present Cost Σχήμα

92 PV Array Capacity Total Net Present Cost Σχήμα 9.3 Παρατηρώ ότι το συνολικό κόστος κυμαίνεται από Η γραφική είναι και εδώ της μορφής και δε παρουσιάζει κάποιο spike και το συνολικό παρόν κόστος δηλαδή είναι ανάλογο της διάρκειας ζωής των μπαταριών πριν απαιτηθεί αντικατάστασή τους. Συνεπώς οι διάφορες απότομες μεταβολές στη παραγωγή ενέργειας, τόσο από τα φ/β όσο και από τις Α/Γ δεν επηρεάζουν το συνολικό παρόν κόστος του συστήματος για τα διάφορα χρόνια λειτουργίας του. PV Production Numer of Batteries Σχήμα

93 Wind Production Number of Batteries Σχήμα 9.5 Το εύρος του αριθμού των μπαταριών κυμαίνεται από 4 μπαταρίες για 2 χρόνια ζωής τους έως 18 μπαταρίες για 7 χρόνια ζωής τους. Παρατηρούμε ότι η προσθήκη ή η αφαίρεση Α/Γ από το σύστημα προκαλεί αντίστοιχη μείωση ή αύξηση στον αριθμό των απαιτούμενων μπαταριών. Για παράδειγμα από 2-3 χρόνια βλέπουμε ότι η αφαίρεση της Α/Γ από σύστημα προκαλεί απότομη αύξηση στις μπαταρίες. Αντίστοιχα στο διάστημα 7-9 χρόνια η προσθήκη των Α/Γ στο σύστημα μειώνει τον αριθμό των απαιτούμενων μπαταριών παρά την αύξηση της επιθυμητής διάρκειας ζωής τους. Συνεπώς μπορούμε να πούμε πως η μείωση των παραγόμενων kwh και η ταυτόχρονη αύξηση της διάρκειας ζωής των μπαταριών οδηγεί σε ανάγκη για περισσότερες μπαταρίες στο σύστημα. Total Electrical Production Battery Life Σχήμα 9.6 Η συνολική παραγόμενη ενέργεια κυμαίνεται από kwh/yr έως και kwh/yr με το ελάχιστο να παρατηρείται στο διάστημα 5-7 χρόνια και το μέγιστο για 9 χρόνια διάρκειας ζωής των μπαταριών. Παρατηρούμε πως οι απότομες μεταβολές που παρατηρούνται στη γραφική της συνολικής παραγόμενης ενέργειας οφείλονται στη προσθαφαίρεση Α/Γ στο σύστημα (π.χ. τα διαστήματα 2-3 χρόνια και 7-9 χρόνια). Αντίθετα οι μικρότερες μεταβολές της συνολικής 90

94 παραγόμενης ενέργειας οφείλονται στη προσθαφαίρεση φ/β πάνελ (π.χ. τα διαστήματα 3-5 χρόνια και 9-10 χρόνια). Total Electrical Production Wind Production Σχήμα 9.7 Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω η καμπύλη της συνολικής παραγόμενης ενέργειας ακολουθεί τη καμπύλη της αιολικής ενέργειας, ενώ η παραγωγή ενέργειας από φ/β δεν παίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας. Total Electrical Production (kwh) Number of Batteries Σχήμα 9.8 Παρατηρούμε πως ο αριθμός των μπαταριών είναι αντιστρόφως ανάλογος της συνολικής παραγόμενης ενέργειας και συγκεκριμένα όσο η συνολική παραγόμενη ενέργεια αυξάνει, παρατηρείται μείωση στον αριθμό των μπαταριών. Αντίθετα όταν η συνολική παραγόμενη ενέργεια μειώνεται ή παραμένει σταθερή, ο αριθμός των μπαταριών αυξάνεται. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν οι περίοδοι 2-3 χρόνια όπου βλέπουμε μείωση της παραγόμενης ενέργειας και ραγδαία αύξηση του αριθμού των μπαταριών και 7-8 χρόνια όπου υπάρχει μεγάλη αύξηση στη παραγόμενη ενέργεια και ταυτόχρονη μείωση του αριθμού των μπαταριών. 91

95 Total Electrical Production Levelized Cost of Energy Σχήμα 9.9 Η τιμή της kwh κυμαίνεται από 0,27 /kwh για 2 χρόνια ζωής των μπαταριών, έως και 0,44 /kwh για 10 χρόνια ζωής τους. Γενικά παρατηρούμε πως η τιμή της kwh είναι αντιστρόφως ανάλογη της συνολικής παραγόμενης ενέργειας. Έτσι όσο μειώνεται η συνολική παραγόμενη ενέργεια τόσο αυξάνεται η τιμή της kwh (π.χ. για το διάστημα 7 με 8 χρόνια κατά το οποίο παρατηρείται ραγδαία αύξηση της συνολικής παραγόμενης ενέργειας λόγω της προσθήκης Α/Γ στο σύστημα), ενώ το μόνο διάστημα που δεν ισχύει αυτό είναι 8-9 χρόνια όπου η προσθήκη της δεύτερης Α/Γ δεν καταφέρνει να μειώσει τη τιμή της kwh Τρίτη προσομοίωση περιοχή Κεφαλονιάς Excess Electricity Σχήμα 9.10 Το ποσοστό της περίσσειας ενέργειας κυμαίνεται από 5% για 7 χρόνια ζωής των μπαταριών, έως και 57% για 9 χρόνια ζωής των μπαταριών. Τα μεγάλα ποσοστά της περίσσειας ενέργειας οφείλονται στη χρήση Α/Γ από το σύστημα, ενώ τα μικρά ποσοστά της περίσσειας ενέργειας 92

96 παρατηρούνται στα διαστήματα που το σύστημά μας δεν χρησιμοποιεί Α/Γ. Future Energy 1kW Total Net Present Cost Σχήμα 9.11 PV Array Capacity Total Net Present Cost Σχήμα 9.12 Παρατηρούμε πως η καμπύλη του συνολικού παρόντος κόστους είναι της μορφής. Το ελάχιστο παρατηρείται για 2 χρόνια ζωής των μπαταριών, με συνολικό κόστος και το μέγιστο για 10 χρόνια ζωής των μπαταριών με κόστος Η γραφική του παρόντος κόστους δεν παρουσιάζει κανένα spike που να υποδηλώνει κάποιο οικονομικά απαγορευτικό σύστημα. 93

97 PV Production (kwh) Number of Batteries Σχήμα 9.13 Wind Production (kwh) Number of Batteries Σχήμα 9.14 Παρατηρούμε πως από 2 έως 7 χρόνια υπάρχει μια αυξανόμενη ζήτηση για μπαταρίες (από 4 έως 18) που οφείλεται στο γεγονός ότι : α) αφαιρούμε την Α/Γ από το σύστημα η οποία προσδίδει πολλές kwh και β) στην ανάγκη για μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των μπαταριών. Ακόμη διαπιστώνουμε ότι με την αύξηση των φ/β δεν καταφέρνουμε να μειώσουμε την απαίτηση σε μπαταρίες ενώ η μοναδική μείωση που επιτυγχάνεται παρουσιάζεται στα διαστήματα στα οποία προστίθενται Α/Γ στο σύστημα (7-9 χρόνια). 94

98 Total Electrical Production Battery Life Σχήμα 9.15 Η συνολική παραγόμενη ενέργεια κυμαίνεται από kwh/έτος για 5, 6 και 7 χρόνια, έως και kwh/yr για 9 χρόνια ζωής των μπαταριών. Οι μεγάλες αυξομειώσεις στη συνολική παραγόμενη ενέργεια οφείλονται καθαρά στη προσθαφαίρεση Α/Γ από το σύστημα. Για παράδειγμα παρατηρούμε τα διαστήματα 2-3 χρόνια και 7-9 χρόνια. Αντίθετα, οι μεταβολές στη φ/β παραγωγή επηρεάζουν σε πολύ μικρότερο βαθμό τη συνολική παραγόμενη ενέργεια (π.χ. 2-5 χρόνια και 9-10 χρόνια). Total Electrical Production - Wind Production Σχήμα 9.16 Παρατηρούμε πως η καμπύλη της συνολικής παραγόμενης ενέργειας είναι σχεδόν ανάλογη της παραγωγής αιολικής ενέργειας και εδώ, μιας και οι Α/Γ παράγουν τις πιο πολλές kwh, ενώ τα φ/β φαίνεται να αποτελούν μια σχεδόν σταθερή συνιστώσα στην συνολική παραγωγή. 95

99 Total Electrical Production (kwh) Number of Batteries Σχήμα 9.17 Ισχύει ό,τι και για τη γραφική Total Electrical Production (kwh) Number of Batteries για τα υβριδικά φ/β στο σύστημα της Πάτρας. Total Electrical Production Levelized Cost of Energy Σχήμα 9.18 Η τιμή της παραγόμενης kwh κυμαίνεται από 0,27 /kwh για 2 χρόνια ζωής των μπαταριών, έως 0,44 /kwh για 10 χρόνια ζωής των μπαταριών. Παρατηρούμε πως η τιμή της kwh είναι συνεχώς αυξανόμενη, ενώ το μόνο χρονικό διάστημα που δεν συμβαίνει αυτό είναι όταν προστίθεται η 1 η Α/Γ στο σύστημα στα 7-8 χρόνια όπου υπάρχει πτώση της τιμής της kwh οφειλόμενη στη ραγδαία αύξηση του αριθμού των παραγόμενων kwh (από σε 7.300). Τέλος φαίνεται πως η προσθήκη μιας δεύτερης Α/Γ δεν καταφέρνει να μειώσει και πάλι τη τιμή της kwh καθώς δεν επιτυγχάνεται μια εξίσου μεγάλη αύξηση στον αριθμό των παραγόμενων kwh ( από σε 9.700). 96

100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 AC COUPLED ΣΥΣΤΗΜΑ 10.1 Τέταρτη προσομοίωση [16] Τα περισσότερα φωτοβολταϊκά συστήματα που βασίζονται σε μπαταρίες έχουν Σύνδεση-DC η φωτοβολταϊκή γεννήτρια στέλνει DC ρεύμα στο σύστημα, και μέσω ενός ελεγκτή φόρτισης, αυτό πάει στις μπαταρίες. Αυτό το συνεχές ρεύμα στη συνέχεια πηγαίνει από τις μπαταρίες στα φορτία, μεταξύ άλλων, μέσω ενός βασισμένου σε μπαταρίες μετατροπέα για AC φορτία. Τα AC-συνδεδεμένα συστήματα φωτοβολταϊκών κερδίζουν ευρύτερη αποδοχή και στήριξη από διάφορους κατασκευαστές μετατροπέων που βασίζονται σε μπαταρίες. Στα AC συζευγμένα συστήματα, η DC ισχύς από τη συστοιχία μετατρέπεται πρώτα σε AC από έναν μετατροπέα που δεν συνδέεται με μπαταρία (batteryless inverter), για να χρησιμοποιηθεί από τα AC φορτία μέσω ενός πίνακα AC φορτίων (Εικόνα 10.1). Εικόνα 10.1: AC coupled σύστημα Κάθε μη χρησιμοποιηθέν ενέργεια χρησιμοποιείται από έναν ξεχωριστό αντιστροφέα που βασίζεται σε μπαταρία (battery-based inverter) ο οποίος είτε μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές για να φορτίσει τις μπαταρίες, ή, αν πρόκειται για ένα διασυνδεδεμένο σύστημα, μπορεί επίσης αν περάσει σε επιπλέον AC φορτία ή/και το δίκτυο. Ένας μετατροπέας batteryless κανονικά δεν θα ανάψει χωρίς την παρουσία του ηλεκτρικού δικτύου, αλλά πολλοί μετατροπείς που βασίζονται σε συσσωρευτές δημιουργούν μια ποιότητα ημιτονοειδούς κύματος που είναι αρκετά καλή για συγχρονισμό με τον batteryless μετατροπέα. Στα διασυνδεδεμένα συστήματα, όταν το δίκτυο σβήσει, ο μετατροπέας με βάση τη μπαταρία απομονώνει τόσο τον υποπίνακα του φορτίου και τον μετατροπέα batteryless από το ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ενός εσωτερικού διακόπτη μεταφοράς που επιτρέπει στον batteryless να παραμείνει ενεργός χωρίς να είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο. 97

101 Για οικιακά συστήματα, ένα κύριο πλεονέκτημα της AC σύζευξης σε σχέση με τον παραδοσιακό σχεδιασμό του συστήματος είναι ότι μπορείτε να προσθέσετε εφεδρική μπαταρία σε ένα υπάρχον χωρίς μπαταρία διασυνδεδεμένο με το δίκτυο φωτοβολταϊκό σύστημα χωρίς να αλλάξει η καλωδίωση του υπάρχοντος συστήματος. Ένα AC συζευγμένο σύστημα μπορεί επίσης να είναι πιο αποτελεσματικό από ένα τυπικό σύστημα με εφεδρική μπαταρία, επειδή ο batteryless μετατροπέας κάνει το μεγαλύτερο μέρος της μετατροπής της ενέργειας. Η αποδοτικότητα είναι γενικά στην περιοχή 96% έως 98% σε σύγκριση με 90% έως 95% για έναν τυπικό μετατροπέα που βασίζεται σε μπαταρία. Μειονεκτήματα είναι πως είναι ένα πιο πολύπλοκο σύστημα ως προς το σχεδιασμό και τον προγραμματισμό του, με περισσότερα έξοδα, δεδομένου ότι θα χρειαστείτε δύο μετατροπείς, (ή περισσότερους) αντί για έναν μόνο μετατροπέα και έναν ελεγκτή φόρτισης. Κατά τη χρήση εκτός δικτύου, τα AC-συζευγμένα συστήματα δεν είναι αυτό-επανεκκινούμενα, εάν οι μετατροπείς που βασίζονται σε συσσωρευτές τυχαίνει να κλείσουν λόγω της χαμηλής τάσης της μπαταρίας. Αν συμβεί αυτό, ο μετατροπέας batteryless δεν ανιχνεύει AC τάση, και ως εκ τούτου δεν τίθεται σε λειτουργία για να στείλει ενέργεια από τη συστοιχία στις μπαταρίες. Ένα DC συζευγμένο σύστημα μπορεί να κάνει αυτό-επανεκκίνηση, ακόμη και αν ο μετατροπέας απενεργοποιηθεί από χαμηλή τάση της μπαταρίας, επειδή ο ελεγκτής φόρτισης μπορεί ακόμη να φορτίσει τις μπαταρίες. Όσο αναφορά τη προσομοίωση στο Homer Energy, είναι αδύνατο να προσθέσουμε και δεύτερο κόμβο dc που απαιτείται για το AC coupled σύστημα. Στην εικόνα 10.2 φαίνεται το σύστημα που προσομοιώθηκαν και οι δύο μοναδικοί κόμβοι που επιτρέπει το homer να εγκαταστήσουμε (AC- DC). Εικόνα 10.2: Οι 2 επιτρεπόμενοι κόμβοι στο Homer Για να λυθεί το παραπάνω πρόβλημα ενσωματώνουμε τον batteryless μετατροπέα μέσα στα παραγωγικά στοιχεία του συστήματος μας (φωτοβολταϊκά - ανεμογεννήτριες), μετατρέποντας τα να παρέχουν ac τάση εφόσον πρώτα τα πολλαπλασιάσουμε με ένα συντελεστή 0.9 για να συμπεριλάβουμε και τις απώλειες του μετατροπέα dc - ac (εικόνα 10.3) 98

102 Εικόνα 10.3: Μετατροπή των φωτοβολταϊκών σε AC παραγωγή Τέταρτη προσομοίωση στην περιοχή του Ρίου Excess Electricity Σχήμα 10.1 Παρατηρούμε ότι η παραγωγή περίσσειας ενέργειας κυμαίνεται από 8% - 51%. Από 2-8 χρόνια παρατηρούμε ότι η περίσσεια παραγόμενη ενέργεια κυμαίνεται από 8% - 22% που αποτελεί μικρή μεταβολή σε ποσοστό της. Από εκεί και πέρα η επιθυμία μας να αυξήσουμε τη διάρκεια ζωής των μπαταριών από 8-9 χρόνια και έπειτα στα 10 χρόνια απαιτεί μια μεγάλη αύξηση της παραγόμενης ενέργειας που με τη σειρά της προκαλεί μια αύξηση στην περίσσεια παραγόμενη ενέργεια. 99