ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 i ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΕΩΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ροζίκ Λυσίμαχος-Ιωάννης του Ανδρέα Αριθμός Μητρώου: 6359 ΘΕΜΑ «Προσομοίωση και μελέτη υβριδικού συστήματος διασπαρμένης παραγωγής» Επιβλέπων Καθηγητής Γαβριήλ Γιαννακόπουλος ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: /2012 Πάτρα, Μάϊος 2012

2 ii

3 iii ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Προσομοίωση και μελέτη υβριδικού συστήματος διασπαρμένης παραγωγής» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ροζίκ Λυσίμαχος-Ιωάννης του Ανδρέα Αριθμός Μητρώου: 6359 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 23 / 05 / 2012 Ο Επιβλέπων Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνης Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4 iv

5 v Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 ΘΕΜΑ: «Προσομοίωση και μελέτη υβριδικού συστήματος διασπαρμένης παραγωγής» Φοιτητής: Ροζίκ Λυσίμαχος-Ιωάννης Επιβλέπων: Καθηγητής Γαβριήλ Γιαννακόπουλος Περίληψη: Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός υβριδικού συστήματος, που αποτελείται από φωτοβολταϊκά και κυψέλες καυσίμου τα οποία τροφοδοτούν ένα μικροδίκτυο. Το φορτίο το οποίο καλείται το σύστημα να καλύψει είναι 30kW και 15kVar. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης και προσομοίωσης ηλεκτρικών συστημάτων PSCAD. Στην εργασία αυτή το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στη συμπεριφορά του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και στη συμπεριφορά σε κάποια μεταβατατικά φαινόμενα. Τα μεταβατικά φαινόμενα που εξετάζονται είναι τα εξής: - Συμπεριφορά συστήματος σε μεταβολές της ηλιοφάνειας. - Απόκριση συστήματος σε μεταβολές του φορτίου. - Τριφασικό και μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη στη γραμμή. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές, στην εξέλιξή και στην προοπτική τους στο μέλλον. Στη συνέχεια περιγράφονται τα διάφορα είδη των υβριδικών συστημάτων και γίνεται αναφορά για τη διεσπαρμένη παραγωγή και τα μικροδίκτυα.

6 vi Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η λειτουργία των φωτοβολταϊκών κυττάρων, παρουσιάζονται οι I-V και P-V χαρακτηριστικές και στη συνέχεια ακολουθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωση στο PScad. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η λειτουργία των κυψελών καυσίμων και παρουσιάζονται τα διάφορα είδη κυψελών που υπάρχουν στις μέρες μας. Εν συνεχεία ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης PEM FC καθώς αυτό το είδος των κυψελών καυσίμου χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Τέλος, κατασκευάζεται το μοντέλο της PEM FC και ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή του μοντέλου. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στους dc/dc μετατροπείς ανύψωσης τάσης και στις περιοχές λειτουργίας τους. Εν συνεχεία γίνεται διαστασολόγηση του ανυψωτή τάσης και παρουσιάζεται το σύστημα ελέγχου του. Επίσης μελετάται η λειτουργία του ανυψωτή ως ανιχνευτή του σημείου μέγιστης ισχύος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και γίνεται προσομοίωση των κυψελών και της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τους dc/dc μετατροπείς που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 5 ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας των μονοφασικών και τριφασικών αντιστροφέων DC/AC και παρουσιάζεται αναλυτικά η στρατηγική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Τέλος, γίνεται υπολογισμός των τιμών του φίλτρου που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα και στη συνέχεια προσομοιώνεται και μελετάται το μοντέλο του αντιστροφέα που χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται η πλήρη προσομοίωση του συστήματος. Περιγράφονται επίσης και τα μοντέλα του φορτίου, του Μ/Σ, του δικτύου και της μηχανής παραγωγής σφαλμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται και περιγράφονται τα αποτελέσματα των μελετών που πραγματοποιούνται στο σύστημα (απόκριση συστήματος σε κανονικές συνθήκες, απόκριση συστήματος για μεταβολή της ηλιοφάνειας, μελέτη συστήματος στη μεταβολή του φορτίου, προσομοίωση συστήματος για σφάλματα στη γραμμή).

7 vii Abstract The current diploma thesis presents the study and simulation of a hybrid system, which consists of a Photovoltaic Array (PV) and a Fuel Cell stack (FC), which supports a microgrid. The critical load that the system supports is 30kW and 15kVar. For the system modelling the program of designing and simulation of electric systems PSCAD is used. At this project the interest is focused in the behavior of system in the permanent situation of operation and in the behavior in certain transient phenomena. The transient phenomena that are examined are the following: - Behavior of the system in variations in solar insolation. - System s response to variations of the load. - Fault analysis (single line to ground and three-phase line to ground short circuit). In Chapter 1 there is a description of renewable energy sources, their development and prospects in the future. Afterwards, the different kinds of hybrid systems are mentioned and there is a reference in distributed generation and microgrids. In Chapter 2 the function of photovoltaic cells and different kinds of photovoltaic technologies are described. Furthermore, I-V and P-V characteristic are presented and then follows an analytical description of the photovoltaic model that we use in our simulation in PScad. In Chapter 3, the function of the Fuel Cells is described and the different kinds of fuel cells are presented. Afterwards, there is an analytical description of the proton exchange membrane fuel cells (PEM FC) as we use this kind of FC in our system. Finally, the PEM FC model is constructed and an analytical description of the model is made. The Chapter 4 entails information for the dc/dc boost converters and their operating modes. Subsequently the control system of the dc/dc boost converter is

8 viii presented. Finally, the utilization of the boost converter as a maximum power point tracker is examined and the simulation of the FV and PV with the boost converter is presented. In Chapter 5 there is a description of the function of the single-phase and threephase dc/ac inverters and the technique of the pulse-width modulation (PWM) is presented. Finally, the value of the output filter of the inverter is calculated and then the model of the dc/ac inverter, which we use in our system, is simulated. In Chapter 6 there is a simulation of the whole system. Furthermore, the models of the load, the transformer and the fault generator are described. Finally, the results of the simulations for which the system was tested is presented (system response to normal conditions, system response to changes in the insolation, System s response to variations of the load, system response to grid faults).

9 ix ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Υβριδικοί Σταθμοί Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Γενικά Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής σε κεντρικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Μικροδίκτυα (microgrids)... 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ηλιακή ακτινοβολία Φωτοβολταϊκά στοιχεία Ημιαγώγιμα Στοιχεία Πρόσμιξη ημιαγώγιμων στοιχείων Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Ισοδύναμα κυκλώματα Φωτοβολταϊκά πλαίσια Ισχύς φωτοβολταϊκών πλαισίων Σημείο μέγιστης ισχύος Βαθμός απόδοσης φωτοβολταϊκών πλαισίων Επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών στη λειτουργία των φωτοβολταϊκών Ανίχνευση σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) Προσομοίωση σε pscad φωτοβολταϊκής γεννήτριας ΚΕΦΑΛΑΙΟ Βασικές αρχές λειτουργίας κυψελών καυσίμου Τύποι Κυψελών Καυσίμου Κυψέλες καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης (PEΜFC) Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC) Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέως (PAFC) Κυψέλες καυσίμου τηγμένων ανθρακικών αλάτων (MCFC) Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC)... 38

10 x Ανανεώσιμες κυψέλες καυσίμου Απόδοση κυψέλης καυσίμου Αποθήκευση του υδρογόνου Χαρακτηριστικά λειτουργίας της κυψέλης PEMFC Τάση εξόδου PEMFC Ιδανική τάση ανοιχτού κυκλώματος Εξίσωση Nernst Απώλειες Πτώσεις Τάσης Απώλειες Ενεργοποίησης (activation losses) Απώλειες Μεταφοράς Μάζας και Συγκέντρωσης Ωμικές Απώλειες (ohmic losses) Fuel Crossover & Internal Currents Φόρτιση Διπλού Στρώματος (charge double layer) Πραγματική Τάση Εξόδου Και V-I Χαρακτηριστική PEMFC Το Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Της PEMFC Σχεδιασμός Μοντέλου Κυψέλης Καυσίμου Υδρογόνου στο PSCAD Κατασκευή της εξίσωσης Nernst ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γενικά Ανυψωτής τάσης (BOOST-TYPE CONVERTER) Ανάλυση λειτουργίας μετατροπέα ανύψωσης Περιοχές Λειτουργίας Λειτουργία συνεχής αγωγής Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής Οριακή κατάσταση λειτουργίας Διαστασολόγηση Παλμοδότηση του Ανυψωτή Τάσης και το Σύστημα Ελέγχου Χαρακτηριστικά PV converter Επιλογή των Στοιχείων του Ανυψωτή Τάσης Χαρακτηριστικά FC converter Κύκλωμα ελέγχου MPPT Κυψέλη καυσίμου με dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ

11 xi 5.1 Εισαγωγή Τριφασικός Αντιστροφέας πηγής τάσης (Three Phase voltage Source DC/AC Inverter) Στρατηγική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) σε ένα σκέλος- Μονοφασικός Αντιστροφέας Διαμόρφωση PWM σε Τριφασικούς Αντιστροφείς Πηγής Τάσης Προσομοίωση του τριφασικού Αντιστροφέα χωρίς φίλτρα στο πρόγραμμα Pscad Αποτελέσματα προσομοίωσης χωρίς φίλτρα Προσομοίωση του τριφασικού Αντιστροφέα με φίλτρα στο πρόγραμμα Pscad Υπολογισμός τιμών Φίλτρου Αποτελέσματα προσομοίωσης με φίλτρα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Φορτίο Μετασχηματιστής απομόνωσης Δίκτυο Προσομοίωση πλήρους συστήματος Απόκριση συστήματος σε κανονικές συνθήκες Απόκριση συστήματος για μεταβολή της ηλιοφάνειας Μελέτη συστήματος στη μεταβολή του φορτίου Προσομοίωση συστήματος για σφάλματα στη γραμμή Τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη Μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

12 xii

13 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια γίνεται πολύς λόγος για τις ανανεώσιμες μορφές ενέργειας, την ανάπτυξη και την αξιοποίησή τους. Οι υψηλές τιμές του πετρελαίου, η συνεχής μείωση των ορυκτών καυσίμων, η επικινδυνότητα που εγείρει η χρήση της πυρηνικής ενέργειας, η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος, το φαινομένου του θερμοκηπίου, η έντονη ευαισθησία της κοινής γνώμης για θέματα περιβάλλοντος, αλλά και οι πιέσεις από διεθνείς συμφωνίες όπως του Κιότο για μειώσεις των βλαβερών ρύπων από κάθε χώρα, έχουν οδηγήσει στην σταδιακή στροφή της παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικές πηγές σε ανανεώσιμες. Η παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται κάθε χρόνο με μεγάλους ρυθμούς. Η αλματώδης οικονομική ανάπτυξη των αναπτυσσόμενων χωρών όπως η Κίνα, Ινδία, Βραζιλία συμπλέει με ταυτόχρονη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Η παγκόσμια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από ΤWh που ήταν το 1980 έφτασε τις ΤWh το 2010 και αναμένεται να φτάσει σχεδόν στις ΤWh το 2030.

14 2 Σχήμα1.1: Παγκόσμια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά Περιφέρεια. Η Ελλάδα είναι ουραγός στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. παρόλο που οι κλιματολογικές συνθήκες είναι ευνοϊκότερες σε σχέση με άλλες χώρες που είναι πρωτοπόρες στον τομέα αυτό. Παρόλα ταύτα η ανάπτυξη και η εγκατάσταση Α.Π.Ε. στη χώρα μας είναι πλέον πιο εντατική. Με το Νόμο 2773/1999 απελευθερώθηκε η αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, με αποτέλεσμα η εγχώρια παραγωγή, μεταφορά και διανομή ενέργειας να είναι ανοικτές σε ιδιωτικούς επενδυτές. Η αλλαγή αυτή μεταμόρφωσε την αγορά ηλεκτρισμού και ενέργειας της Ελλάδας σε έναν από τους πιο ελκυστικούς τομείς ανάπτυξης και ευκαιριών στην Ευρώπη. Ενώ, κατά το παρελθόν, η ΔΕΗ κατείχε το μονοπώλιο της παραγωγής, μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας, σήμερα εταιρείες από όλο τον κόσμο σπεύδουν να εκμεταλλευτούν αυτή την εξαιρετική ευκαιρία στην ελληνική ενεργειακή αγορά.

15 3 Σχήμα1.2: Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο διασυνδεδεμένο σύστημα για το έτος Η Ελλάδα προωθεί τη χρήση ανανεώσιμων πηγών για την παραγωγή ενέργειας, με σκοπό να δημιουργήσει ασφάλεια και διαφοροποίηση των ενεργειακών πόρων, να διασφαλίσει την προστασία του περιβάλλοντος και της βιώσιμης ανάπτυξης και να ενισχύσει την κοινωνική συνοχή. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας διαδραματίζουν όλο και περισσότερο κεντρικό ρόλο στην πολιτική της Ελλάδας για την παραγωγή ενέργειας. Η παραγωγή σήμερα βασίζεται σε μεγάλης κλίμακας υδροηλεκτρικούς σταθμούς που διαχειρίζεται η ΔΕΗ. Οι ανανεώσιμες πηγές αποτελούν περίπου 5% της ηλεκτρικής παραγωγής εάν αφαιρέσουμε το 5% των υδροηλεκτρικών σταθμών. Το παρόν επενδυτικό πλαίσιο απαιτεί σημαντική αύξηση της παραγωγής από αιολική και ηλιακή ενέργεια, μικρούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς, βιομάζα και γεωθερμία. Αναμένεται ότι τα βιοκαύσιμα θα συμβάλλουν σημαντικά ως μελλοντικά καύσιμα μεταφορών. Με στοιχεία του 2010, η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των ανανεώσιμων πηγών είναι 1736,3 MW. Το 75% της ισχύος παράγεται από αιολική ενέργεια, το 11,5% από ηλιακή ενέργεια, ενώ το υπόλοιπό 13,5% από βιομάζα και υδροηλεκτρική ενέργεια. Στόχος της Ελλάδας είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ να αγγίξει το 29% επί της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής μέχρι το 2020.

16 4 Σχήμα 1.3: Εξέλιξη εγκατεστημένης ισχύος ΑΠΕ, στόχος έτους Υβριδικοί Σταθμοί Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Γενικά Υπάρχουν αρκετές εναλλακτικές μορφές ενέργειας όπως η ηλιακή, αιολική, βιομάζα, γεωθερμία κτλ. Με τον όρο «υβριδικό» χαρακτηρίζονται εκείνα τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία χρησιμοποιούν δύο ή περισσότερες μορφές ενέργειας. Τα Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Ηλεκτροπαραγωγής (Υ.Σ.Η.) σχεδιάζονται για την παραγωγή και την διαχείριση της Ηλεκτρικής Ισχύος. Είναι ανεξάρτητα από τα μεγάλα εθνικά δίκτυα και ενσωματώνουν πολλούς και διαφορετικούς τύπους πηγών ισχύος που συνίστανται κυρίως από Α.Π.Ε. αλλά και μη. Το μέγεθός τους από πλευράς ισχύος μπορεί να κυμαίνεται από πολλά MW όπως για παράδειγμα στα αυτόνομα δίκτυα απομονωμένων νησιών, μέχρι λίγα kw

17 5 όπως στις περιπτώσεις απομονωμένων εξοχικών σπιτιών. Τα υβριδικά πάρκα είναι το πρώτο βήμα για μία εκτεταμένη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς συνδυάζουν αιολική, ηλιακή και υδροηλεκτρική ενέργεια με τις υπάρχουσες μονάδες παραγωγής ρεύματος (με ορυκτά καύσιμα ή πετρέλαιο). Πιο συγκεκριμένα ένα Υ.Σ.Η. μπορεί να περιλαμβάνει μία συμβατική μονάδα παραγωγής σε συνδυασμό με μία τουλάχιστον μορφή ανανεώσιμης μορφής ενέργειας, καθώς και συστήματα διαχείρισης φορτίου. Σύμφωνα με το νόμο 3468/2006, ως υβριδικό σύστημα ή υβριδικός σταθμός ορίζεται κάθε σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που: Χρησιμοποιεί μία, τουλάχιστον, μορφή Α.Π.Ε. Η συνολική ενέργεια που απορροφά από το δίκτυο, σε ετήσια βάση, δεν ξεπερνά το 30% της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται για την πλήρωση του συστήματος αποθήκευσης του σταθμού αυτού. Η μέγιστη ισχύς παραγωγής των μονάδων Α.Π.Ε. του σταθμού δεν μπορεί να υπερβαίνει την εγκατεστημένη ισχύ των μονάδων αποθήκευσης του σταθμού, προσαυξημένη κατά ποσοστό μέχρι 20%. Τα υβριδικά συστήματα ισχύος είναι μία τεχνολογία που αναπτύχθηκε ώστε να είναι εφικτή η τροφοδοσία με ηλεκτρική ισχύ σε απομακρυσμένες περιοχές. Η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος στο σημείο κατανάλωσης μας απαλλάσσει από την δαπάνη κατασκευής του δικτύου μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και ελαχιστοποιεί τις απώλειες ισχύος που εμφανίζονται στο δίκτυο αυτό, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό για δίκτυα μεγάλα αποστάσεων.

18 6 Σχήμα 1.4: Υβριδικό Σύστημα Ηλεκτροπαραγωγής Ως κυριότερα οφέλη από την αξιοποίηση των Υ.Σ.Η είναι: Διασφαλίζουν την αξιοπιστία του συστήματος, καθώς οι Α.Π.Ε. εξαρτώνται από καιρικές συνθήκες, οι οποίες εμφανίζουν αρκετές διακυμάνσεις, όπως η ταχύτητα ανέμου και η ηλιακή ακτινοβολία. Συμβάλλουν στον πλουραλισμό των ενεργειακών πηγών, αποφεύγοντας έτσι την εξάρτηση από συγκεκριμένες πηγές ενέργειας. Από οικονομικής σκοπιάς έχουμε λιγότερο κόστος στην παραγωγή ενέργειας από τις συμβατικές μονάδες καθώς παράγουν λιγότερη ενέργεια. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες υβριδικών συστημάτων, τα διασυνδεμένα στο δίκτυο και τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα (ΑΥΣ) χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση απομονωμένων ή νησιωτικών περιοχών που δεν είναι συνδεδεμένες με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο, οπότε δεν υπάρχει σύστημα μεταφοράς παρά μόνο σύστημα διανομής. Η μετατροπή ενός συμβατικού

19 7 αυτόνομου σταθμού σε υβριδικό αποσκοπεί κατά κύριο λόγο στην ελάττωση της κατανάλωσης καυσίμου και των ωρών λειτουργίας των συμβατικών γεννητριών. Η σημαντικότερη διαφορά του αυτόνομου σε σχέση με ένα διασυνδεδεμένο υβριδικό σύστημα είναι ότι πρέπει να μπορεί να παρέχει όλη την ενέργεια που ζητείται οποιαδήποτε χρονική στιγμή ή να κάνει αποκοπή φορτίου όταν αυτό δεν είναι εφικτό. Επιπλέον, πρέπει να έχει την ικανότητα ρύθμισης συχνότητας και παραγωγής άεργου ισχύος ώστε να ρυθμίζει την τάση του δικτύου. Όταν η ηλεκτρική παραγωγή από τις μονάδες ΑΠΕ του συστήματος ξεπερνά το φορτίο, η περίσσεια ενέργειας πρέπει να αποθηκευτεί ή και να απορριφθεί με κάποιον τρόπο ώστε να μην προκαλέσει αστάθεια στο σύστημα. Τα αυτόνομα δίκτυα δεν έχουν άπειρο ζυγό, οπότε επηρεάζονται έντονα από την σύνδεση επιπρόσθετου φορτίου ή γεννήτριας. Για τους παραπάνω λόγους, τα περισσότερα αυτόνομα συστήματα περιλαμβάνουν διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας και συστήματα ελέγχου και διαχείρισης φορτίου Συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής σε κεντρικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα (ΑΥΣ) χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση απομονωμένων ή νησιωτικών περιοχών που δεν είναι συνδεδεμένες με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο, οπότε δεν υπάρχει σύστημα μεταφοράς παρά μόνο σύστημα διανομής. Η μετατροπή ενός συμβατικού αυτόνομου σταθμού σε υβριδικό αποσκοπεί κατά κύριο λόγο στην ελάττωση της κατανάλωσης καυσίμου και των ωρών λειτουργίας των συμβατικών γεννητριών. Η σημαντικότερη διαφορά του αυτόνομου σε σχέση με ένα διασυνδεδεμένο υβριδικό σύστημα είναι ότι πρέπει να μπορεί να παρέχει όλη την ενέργεια που ζητείται οποιαδήποτε χρονική στιγμή ή να κάνει αποκοπή φορτίου όταν αυτό δεν είναι εφικτό. Επιπλέον, πρέπει να έχει την ικανότητα ρύθμισης συχνότητας και παραγωγής άεργου ισχύος ώστε να ρυθμίζει την τάση του δικτύου. Όταν η ηλεκτρική παραγωγή από τις μονάδες ΑΠΕ του συστήματος ξεπερνά το φορτίο, η περίσσεια ενέργειας πρέπει να αποθηκευτεί ή και να απορριφθεί με κάποιον τρόπο

20 8 ώστε να μην προκαλέσει αστάθεια στο σύστημα. Τα αυτόνομα δίκτυα δεν έχουν άπειρο ζυγό, οπότε επηρεάζονται έντονα από την σύνδεση επιπρόσθετου φορτίου ή γεννήτριας. Για τους παραπάνω λόγους, τα περισσότερα αυτόνομα συστήματα περιλαμβάνουν διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας και συστήματα ελέγχου και διαχείρισης φορτίου. 1.3 Μικροδίκτυα (microgrids) Σήμερα το σύνολο της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται κυρίως από μεγάλα εργοστάσια παραγωγής που αποστέλλουν μέσω των γραμμών μεταφοράς την ηλεκτρική ενέργεια στους καταναλωτές. Όλα αυτά τα χρόνια η συγκεντρωμένη αυτή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προωθούνταν γιατί η μεταφορά των καυσίμων ήταν δυσκολότερη απ'ότι η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο για φορτία τα οποία είναι απομακρυσμένα από τους σταθμούς παραγωγής, αυτή η προσέγγιση έχει κάποια σημαντικά μειονεκτήματα όπως: Έχουμε μεγάλες απώλειες στην μεταφορά της ενέργειας. Εμφανίζονται προβλήματα στην τάση και έχουμε χαμηλή ποιότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Χαμηλή αξιοπιστία. Τα μειονεκτήματα αυτά μπορούν αν περιοριστούν εάν η ενέργεια παράγεται τοπικά. Το Μικροδίκτυο αποτελεί μία νέα προσέγγιση όσον αφορά τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο αναμένεται να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στα μελλοντικά ηλεκτρικά δίκτυα. Ένα Μικροδίκτυο αποτελείται από μικρές μονάδες παραγωγής οι οποίες συνήθως δεν ξεπερνούν τα 500 kw, όπως μικροτουρμπίνες, κυψέλες καυσίμου, φωτοβολταϊκά κύτταρα, σε συνδυασμό με συσκευές αποθήκευσης (π.χ. μπαταρίες, σφονδύλους, κ.α.) καθώς και ελεγχόμενα φορτία, το οποία συνδέονται στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Αυτού του είδους τα συστήματα μπορούν να λειτουργήσουν είτε διασυνδεδεμένα στο υπάρχον ηλεκτρικό δίκτυο, είτε απομονωμένα. Η παρουσία των μικροδικτύων εισάγει σημαντική πολυπλοκότητα όσον αφορά στη λειτουργία του δικτύου, προσφέρει παρόλα αυτά

21 9 σημαντικά πλεονεκτήματα στη συνολική επίδοση του συστήματος, εφόσον εφαρμόζεται ο κατάλληλος έλεγχος. Ένα μικροδίκτυο, αποτελεί ουσιαστικά μικρογραφία των μεγάλων ηλεκτρικών δικτύων. Σχήμα 1.5: Παραδείγματα μικροδικτύων

22 10

23 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Φωταβολταϊκά (FV) 2.1 Ηλιακή ακτινοβολία Μέσω της πυρηνικής αντίδρασης ο ήλιος χάνει 4,5 εκατομμύρια τόνους από τη μάζα του ανά δευτερόλεπτο και παράγεται, σύμφωνα με το νόμο της σχετικότητας, τεράστια ενέργεια η οποία εκλύεται στο σύμπαν. Η ισχύς που ακτινοβολεί ο Ήλιος προς όλες τις κατευθύνσεις είναι ίση με 4x10 26 W. Φυσικά η περισσότερη διασκορπίζεται στο αχανές σύμπαν και μόνο ένα πολύ μικρό μέρος φτάνει στη Γη. Συγκεκριμένα, σε κάθε τετραγωνικό μέτρο του πλανήτη μας προσπίπτει ισχύς μόνο 1 kw. Παρόλο το μικρό μέγεθος της ισχύος αυτής, η ενέργεια που δέχεται η Γη σε όλη της την επιφάνεια είναι φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που ξοδεύει όλη η ανθρωπότητα για της ανάγκες της με οποιαδήποτε μορφή. Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη Γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Κατά μέσο όρο, προσπίπτουν 1700 kwh(1ββl=1700kwh=6gj) σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας κυμαίνεται σημαντικά και εξαρτάται από την εποχή (πχ. Για την Ελλάδα η μέση τιμή είναι 7 kwh/m² να ημέρα το καλοκαίρι και μόλις 2 kwh/m² ανά ημέρα τον χειμώνα), τη γεωγραφική θέση και το υψόμετρο(αυξάνει 7 W/m² ανά 100m). Το σχήμα 1 παρουσιάζει την κατανομή της μέσης συνολικής ετήσιας έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, σε οριζόντιο επίπεδο, στις διάφορες περιοχές της Ελλάδος.

24 Φωτοβολταϊκά στοιχεία Το κύριο συστατικό κάθε φωτοβολταϊκού συστήματος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι τα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία (ή φωτοστοιχεία ή ηλιακά κύτταρα ή κυψελίδες). Τα στοιχεία αυτά είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή δίσκου που καθώς δέχονται στην επιφάνειά τους την ηλιακή ακτινοβολία εκδηλώνουν μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην εμπρός και πίσω όψη τους. Ανάλογα με το υλικό κατασκευής του και την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται, ένα ηλιακό στοιχείο μπορεί να δώσει τάση 0,5-1,0 V και πυκνότητα ρεύματος ma ανά cm2 της επιφανείας του.

25 Ημιαγώγιμα Στοιχεία Βασικό ημιαγώγιμο υλικό που χρησιμοποιείται στην κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι το πυρίτιο, το οποίο είναι το στοιχείο με την μεγαλύτερη χρήση όχι μόνο για τα ηλιακά στοιχεία αλλά και για τις άλλες ηλεκτρονικές εφαρμογές. Το πυρίτιο είναι τετρασθενές στοιχείο. Σε ένα κρύσταλλο πυριτίου, όπως φαίνεται και στο Σχ. 2.1, κάθε άτομο είναι ενωμένο με τέσσερα γειτονικά άτομα που συγκρατούνται με το κεντρικό άτομο με τέσσερα ζεύγη ηλεκτρονίων (χημικούς δεσμούς). Έτσι το κεντρικό άτομο έχει στην εξωτερική του στοιβάδα οκτώ ηλεκτρόνια και σταθερή δομή. Σχήμα 2.1: Απεικόνιση του πλέγματος του πυριτίου Όταν ο κρύσταλλος του πυριτίου απορροφήσει φωτόνια κατάλληλης ενέργειας ελευθερώνονται ηλεκτρόνια σθένους από κάποιους από τους δεσμούς. Τα ηλεκτρόνια αυτά αποτελούν φορείς ηλεκτρισμού και συνεισφέρουν στη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος Σχ Οι κενές ηλεκτρονικές θέσεις που δημιουργούνται στους χημικούς δεσμούς ονομάζονται οπές.

26 14 Σχήμα 2.2: Επίδραση της ακτινοβολίας στο πυρίτιο Πρόσμιξη ημιαγώγιμων στοιχείων Με την πρόσμιξη μικρής ποσότητας πεντασθενούς στοιχείου, πχ. As, σε τήγμα πυριτίου, Si, ενσωματώνονται στην κρυσταλλική δομή του πυριτίου άτομα As σε θέσεις που αλλιώς θα κατείχαν μόνο άτομα Si. Τέσσερα από τα πέντε ηλεκτρόνια σθένους κάθε ατόμου As σχηματίζουν δεσμούς σθένους με γειτονικά άτομα Si. Το πέμπτο ηλεκτρόνιο συγκρατείται πολύ «χαλαρά» από το θετικό πυρηνικό φορτίο του As με αποτέλεσμα με πολύ μικρή ποσότητα ενέργειας να μπορεί να αποσπασθεί και να συμπεριφερθεί σαν ελεύθερο ηλεκτρόνιο, όμοιο με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προέρχονται από τη διέγερση των ηλεκτρονίων σθένους των κανονικών δεσμών πυριτίου. Το πεντασθενές άτομο As που βρίσκεται σε περιβάλλον με τετρασθενή άτομα συμπεριφέρεται σαν δότης ηλεκτρονίων και συγχρόνως μετατρέπεται σε θετικό ιόν.

27 15 Σχήμα 2.3: ηλεκτρονίων. Σχηματισμός πυριτίου τύπου Ν με προσμίξεις από άτομα-δότες Αντίστοιχα, με την πρόσμιξη τρισθενών ατόμων, πχ B, σε πλεγματικές θέσεις του πυριτίου δημιουργούνται κενές θέσεις ηλεκτρονίων στους δεσμούς, αφού τα τρία ηλεκτρόνια σθένους κάθε ατόμου Β επαρκούν για τους δεσμούς με τρία μόνο από τα τέσσερα άτομα Si που το περιβάλλουν. Με την απορρόφηση λίγης ενέργειας, ένα ηλεκτρόνιο από γειτονικό πλήρη δεσμό μπορεί να μετακινηθεί προς την κενή θέση, αφήνοντας στην προηγούμενη θέση του μια οπή. Το τρισθενές άτομο Β που βρίσκεται σε περιβάλλον με τετρασθενή άτομα συμπεριφέρεται σαν αποδέκτης ηλεκτρονίων και συγχρόνως μετατρέπεται σε αρνητικό ιόν. Σχήμα 2.4: ηλεκτρονίων. Σχηματισμός πυριτίου τύπου Ρ με προσμίξεις από άτομα-δότες

28 16 Οι ημιαγωγοί προσμίξεων στους οποίους επικρατούν δότες και επομένως οι κύριοι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι τα αρνητικά φορτισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια ονομάζονται τύπου n, ενώ αντίστοιχα όταν επικρατούν αποδέκτες οι ημιαγωγοί προσμίξεων ονομάζονται τύπου p. 2.3 Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Τα ηλιακά στοιχεία είναι δίοδοι ημιαγωγού με τη μορφή δίσκου, (δηλαδή η ένωση p-n εκτείνεται σε όλο το πλάτος του δίσκου), που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία. Κάθε φωτόνιο της ηλιακής ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Δημιουργείται έτσι, όσο διαρκεί η ακτινοβόληση, μια περίσσεια από ζεύγη φορέων (ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές), πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροπίας. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό (και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντιθέτου προσήμου), μπορεί να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης p-n οπότε θα δεχτούν την επίδραση του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού της πεδίου.

29 17 στοιχείο Σχ. 2.5: Μηχανισμός εκδήλωσης φωτοβολταϊκού φαινομένου σε ένα ηλιακό Η παραγωγή ενέργειας από φωτοβολταϊκά παρουσιάζει τόσο πλεονεκτήματα όσο και μειονεκτήματα, μερικά από τα οποία είναι τα παρακάτω: Πλεονεκτήματα Είναι ανανεώσιμη και ελεύθερα διαθέσιμη ενεργειακή πηγή Παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση μετατροπής Η μέθοδος κατασκευής των ηλιακών στοιχείων είναι σχετικά εύκολη, και οι πρώτες ύλες αφθονούν Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής των ηλιακών στοιχείων (τουλάχιστον 20 ή 30 χρόνια) Τα ηλιακά στοιχεία δεν έχουν κινούμενα μέρη, επομένως είναι σχεδόν απαλλαγμένα από την ανάγκη επίβλεψης και συντήρησης (αρκεί συνήθως η επιθεώρηση και ο καθαρισμός τους μια φορά κάθε εξάμηνο). Αλλά και σε περίπτωση βλάβης, η αποκατάσταση της λειτουργίας γίνεται εύκολα λόγω της σπονδυλωτής μορφής της φωτοβολταϊκής διάταξης. Η φωτοβολταϊκή μετατροπή δεν προκαλεί ρύπανση στο περιβάλλον, ούτε θόρυβο ή άλλη ενόχληση και δεν δημιουργεί απόβλητα ή άχρηστα προϊόντα Οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί μπορούν να λειτουργήσουν με όσο μικρή ισχύ τους ζητηθεί Η αναλογία της παραγόμενης ισχύος προς το βάρος της διάταξης είναι αρκετά μεγάλη, γεγονός που αποτελεί σημαντική ιδιότητα για τις διαστημικές εφαρμογές Μειονεκτήματα Τα ηλιακά στοιχεία έχουν υψηλό κόστος μέχρι στιγμής

30 18 Για τις περισσότερες εφαρμογές απαιτείται η δαπανηρή αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, λόγω της αστάθειας και της μεγάλης διακύμανσης της ηλιακής ακτινοβολίας Απαιτείται η χρησιμοποίηση σχετικά μεγάλων επιφανειών, λόγω της μικρής πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας Ισοδύναμα κυκλώματα Για να κατανοηθεί η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός ηλεκτρικού κυττάρου, είναι χρήσιμο να δημιουργήσουμε ένα ηλεκτρικό ισοδύναμο το οποίο βασίζεται σε ηλεκτρικά στοιχεία των οποίων η συμπεριφορά είναι γνωστή. Ένα ιδανικό ηλιακό κύτταρο μπορεί να μοντελοποιηθεί από μία πηγή ρεύματος παράλληλα συνδεμένη με μία δίοδο. Στην πράξη όμως δεν υπάρχει ιδανικό ηλιακό κύτταρο, έτσι προστίθενται στο μοντέλο μία σε σειρά αντίσταση R s και μία παράλληλα συνδεμένη αντίσταση R SH. Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 2.6: ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού κελιού Από το ισοδύναμο κύκλωμα διαπιστώνουμε ότι το ρεύμα που παράγεται από το ηλιακό κύτταρο ισούται με αυτό που παράγεται από την πηγή ρεύματος μείον το ρεύμα της διόδου και μείον το ρεύμα που περνά από την αντίσταση R SH. I =I L I D - I SH (2.1) όπου:

31 19 Ι = ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου I L = φωτόρευμα I D = ρεύμα διόδου I SH = ρεύμα που διέρχεται από την παράλληλη αντίσταση Ισχύει επίσης: V j = V + I*R s (2.2) όπου: V j = τάση κατά μήκος της διόδου και της παράλληλης αντίστασης V = τάση στην έξοδο του κυττάρου Ι = ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου R s = σε σειρά αντίσταση του κυττάρου (παριστάνει την αντίσταση που θα συναντήσει το ηλεκτρόνιο από τη στιγμή που θα παραχθεί μέχρι να «βγει» στο εξωτερικό κύκλωμα). Το ρεύμα που διέρχεται μέσα από τη δίοδο δίνεται από την εξίσωση: I D = I 0 { exp[ ] 1 } (2.3) όπου: I 0 = ρεύμα κόρου της διόδου n = σταθερά με τιμές μεταξύ 1 και 2. Οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή επαφής. q = φορτίο του ηλεκτρονίου k = σταθερά Boltzmann (= 1.38 * J/K) Τ = απόλυτη θερμοκρασία Για το πυρίτιο στους 25 οc, kt/q volts Σύμφωνα με το νόμο του ohm το ρεύμα που διαρρέει την R SH είναι: I SH = V j / R SH (2.4) όπου:

32 20 R SH = η παράλληλη αντίσταση (παριστάνει την επανασύνδεση των ηλεκτρονίων και τις διαρροές των ηλεκτρονίων από τις παράπλευρες επιφάνειες) Αντικαθιστώντας τις παραπάνω εξισώσεις (2.2),(2.3),(2.4) στην (2.1) προκύπτει η εξίσωση η οποία αποτελεί την χαρακτηριστική εξίσωση του ηλιακού κυττάρου. I = I L - I 0 { 1 } - (V + IR S ) / R SH (2.5) Η χαρακτηριστική εξίσωση απλοποιείται σημαντικά εάν θεωρήσουμε την παράλληλη αντίσταση R SH άπειρη, οπότε προκύπτει: I = I L - I 0 [ 1 ] (2.6) όπου Λ = Μία διαφορετική εκδοχή της χαρακτηριστικής εξίσωσης προκύπτει αν μεταφέρουμε στο αριστερό μέλος την τάση εξόδου V. Οι δύο εξισώσεις είναι ισοδύναμες: V = -IR S + ln{(i L I)/ I 0 + 1) (2.7) Παρατηρούμε ότι οι παραπάνω εξισώσεις δεν επιδέχονται αναλυτική επίλυση καθώς στην εξίσωση (2.6) το ρεύμα εξόδου υπάρχει τόσο στο δεξί όσο και στο αριστερό μέλος και στην εξίσωση (2.7) η τάση εξόδου εμφανίζεται και αυτή στα δύο μέλη. Παρόλα αυτά είναι δυνατό να επιλυθούν με αριθμητικές μεθόδους. Τα δύο χαρακτηριστικά μεγέθη του ηλιακού στοιχείου είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc και η τάση ανοιχτοκύκλωσης V oc. Το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι το ρεύμα που ρέει στο κύκλωμα όταν οι ακροδέκτες του ηλιακού κελιού είναι βραχυκυκλωμένοι, ενώ η τάση ανοιχτοκύκλωσης είναι η τάση που επικρατεί στους ακροδέκτες του κελιού όταν αυτοί είναι ανοιχτοκυκλωμένοι. Επιλύοντας το κύκλωμα προκύπτει ότι το ρεύμα του φορτίου I L δίνεται από τη σχέση I L = I SC I 0 (

33 21-1) ενώ η τάση ανοιχτοκύκλωσης από τη σχέση V OC = ln( ). Σε θερμοκρασία 25 ο C οι σχέσεις αυτές απλοποιούνται στις εξής: I L = I SC I 0 ( - 1) και V OC = ln( + 1). Το ρεύμα βραχυκύκλωσης είναι ευθέως ανάλογο με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας οπότε μπορούμε εύκολα να σχεδιάσουμε τις χαρακτηριστικές ρεύματος- τάσης του ηλιακού στοιχείου για διάφορες εντάσεις ακτινοβολίας όπως στο παρακάτω σχήμα: 2.4 Φωτοβολταϊκά πλαίσια Το κάθε ηλιακό κελί παράγει τάση της τάξης του 0,5 V, συνεπώς είναι ελάχιστες οι εφαρμογές που μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο του. Αντί για αυτό, η δομική μονάδα των φωτοβολταϊκών διατάξεων είναι το φωτοβολταϊκό πλαίσιο που αποτελείται από ένα αριθμό προκαλωδιωμένων ηλιακών κελιών σε σειρά, πακεταρισμένων σε ανθεκτικά περιβλήματα. Ένα τυπικό πλαίσιο έχει 36 κελιά σε σειρά και συχνά ονομάζεται πλαίσιο των 12 V. Πολλά πλαίσια μπορούν να συνδυαστούν σε σειρά για να αυξηθεί η τάση, αλλά και παράλληλα έτσι ώστε να αυξηθεί το παραγόμενο ρεύμα, το γινόμενο των οποίων είναι η ισχύς. Τέτοιοι συνδυασμοί ονομάζονται φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Πολλές φωτοβολταϊκές συστοιχίες αποτελούν μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια.

34 Ισχύς φωτοβολταϊκών πλαισίων Σημείο μέγιστης ισχύος Στην ακόλουθη γραφική παράσταση φαίνεται η καμπύλη ισχύος ενός πλαισίου σε κοινό διάγραμμα με την χαρακτηριστική I-V. Παρατηρούμε ότι στα δύο άκρα της καμπύλης I-V η παραγόμενη ισχύς είναι μηδενική, καθώς όταν I=I sc τότε V=0, ενώ όταν V=V oc τότε I=0. Σχήμα 2.7: Καμπύλη ισχύος φωτοβολταϊκού πλαισίου Το σημείο μέγιστης ισχύος (maximum power point- MPP) βρίσκεται κοντά στο γόνατο της χαρακτηριστικής I-V, όπου το γινόμενο της τάσης με το ρεύμα γίνεται μέγιστο. Η τάση και το ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος συμβολίζονται με I m -V m ή I R -V R. Γίνεται λοιπόν αντιληπτό ότι για να παράγει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο τη μέγιστη δυνατή ενέργεια για δεδομένες συνθήκες, θα πρέπει να λειτουργεί συνεχώς με I m και V m. Αυτή τη λειτουργία την αναλαμβάνει ο ανιχνευτής του σημείου μέγιστης ισχύος (maximum power point tracker MPPT) η λειτουργία του οποίου θα αναλυθεί στη συνέχεια Βαθμός απόδοσης φωτοβολταϊκών πλαισίων Ο βαθμός απόδοσης ενός ηλιακού κυττάρου δίνεται από την παρακάτω σχέση:

35 23 η = = (2.8) όπου G: η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Α: η επιφάνεια του ηλιακού κυττάρου Πρακτικά ο βαθμός απόδοσης παίρνει τιμές μεταξύ 12% - 14%, πειραματικά έχουν επιτευχθεί και μεγαλύτερες τιμές 20% με 24%. Μια άλλη ποσότητα που χρησιμοποιείται συχνά για να χαρακτηρίσει την απόδοση των πλαισίων είναι ο συντελεστής πλήρωσης (FF). Ο συντελεστής πλήρωσης είναι ο λόγος της μέγιστης ισχύος προς το γινόμενο της τάσης ανοιχτοκύκλωσης με το ρεύμα βραχυκύκλωσης, δηλαδή: FF =. (2.9) Ο συντελεστής πληρώσεως εκφράζει το πόσο «τετράγωνη» είναι η I-V χαρακτηριστική. Κυμαίνεται γύρω στο 70% για πλαίσια κρυσταλλικού πυριτίου, ενώ γύρω στο 60% για πλαίσια άμορφου πυριτίου. Τώρα, αντικαθιστώντας την (2.8) στην (2.9) παίρνουμε την ακόλουθη σχέση: FF = (2.10) Από την παραπάνω εξίσωση βλέπουμε ότι ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται από το ρεύμα βραχυκύκλωσης, την τάση ανοιχτού κυκλώματος και τον συντελεστή πληρώσεως. Ο συντελεστής πληρώσεως εξαρτάται κυρίως από την τάση ανοιχτού κυκλώματος, οπότε καταλήγουμε ο βαθμός απόδοσης να επηρεάζεται κυρίως από το I SC και από V OC Επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών στη λειτουργία των φωτοβολταϊκών

36 24 Η λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου εξαρτάται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και τη θερμοκρασία του στοιχείου. Η συμπεριφορά που παρατηρείται είναι η εξής: Το ρεύμα βραχυκύκλωσης αυξάνει γραμμικά με την αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ η τάση ανοιχτοκύκλωσης αυξάνει λογαριθμικά. Αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί γραμμική μείωσης της τάσης ανοιχτοκύκλωσης και μικρή αύξηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Σχήμα 2.8: Εξάρτηση της τάσης ανοιχτοκύκλωσης και του ρεύματος βραχυκύκλωσης από τις μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας (a) και της θερμοκρασίας (b) Συνεπώς παρατηρούμε ότι με την αύξηση της ακτινοβολίας αυξάνεται η παραγόμενη ενέργεια, ενώ αντίθετα η αύξηση της θερμοκρασίας των πλαισίων επηρεάζει αρνητικά την παραγωγή. Επομένως γίνεται άμεσα αντιληπτό ότι η λειτουργία του κυττάρου αλλάζει ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Για αυτό το λόγο έχει συμφωνηθεί ένα κύτταρο να χαρακτηρίζεται από την μέγιστη ισχύ που μπορεί να παράγει (ισχύς αιχμής) και μετράται σε Wp ( Watt peak), με ακτινοβολία 1000 W/ και θερμοκρασία κυττάρου 25 ο C ± 2 ο C. Επιπλέον οι κατασκευαστές παρέχουν τον δείκτη NOCT (nominal operating cell temperature, δηλαδή ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας κελιού). Η NOCT είναι η θερμοκρασία του κελιού σε ένα πλαίσιο όταν η

37 25 θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι 20 ο C, η ηλιακή ακτινοβολία είναι 0,8 kw/m 2, και η ταχύτητα του ανέμου 1 m/s. Για υπολογισμό σε άλλες συνθήκες μπορεί να χρησιμοποιηθεί η σχέση: T κελιού = Τ περιβάλλοντος + ( )G όπου Τ οι θερμοκρασίες κελιού και περιβάλλοντος αντίστοιχα σε C και G η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας σε kw/m 2. Γνωρίζοντας ότι η μέγιστη ισχύς του πλαισίου μειώνεται με ρυθμό περίπου 0,5%/ C, μπορεί να υπολογιστεί η μέγιστη τιμή ισχύος για κάθε θερμοκρασία. Η έξοδος ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου μπορεί να μειωθεί δραματικά όταν ακόμα και ένα μικρό τμήμα του είναι σκιασμένο. Ακόμα και ένα σκιασμένο κελί σε μια μακριά σειρά κελιών μπορεί να κόψει εύκολα την ισχύ εξόδου κατά το ήμισυ. Επίσης τα σκιασμένα κύτταρα μπορεί να οδηγηθούν στην καταστροφή. Το φαινόμενο αυτό (hot spot) μπορεί να εξηγηθεί με τη χρήση του ισοδύναμου κυκλώματος του ηλιακού κελιού. Όταν το κελί σκιάζεται, το ρεύμα βραχυκύκλωσης τείνει στο 0, καθώς είναι ευθέως ανάλογο με την ακτινοβολία. Η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, συνεπώς όλο το ρεύμα των υπόλοιπων κελιών ρέει μέσω των αντιστάσεων R SH και R S. Συνεπώς αντί να προσδίδει ισχύ στη διάταξη, την καταναλώνει. Το πρόβλημα της σκίασης αντιμετωπίζεται με την προσθήκη μιας διόδου παράκαμψης (bypass diode) αντιπαράλληλα στο κελί. Με αυτό τον τρόπο, όταν το κελί φωτίζεται, η δίοδος παράκαμψης είναι ανάστροφα πολωμένη και η λειτουργία του συστήματος είναι κανονική. Όταν όμως το κελί δε φωτίζεται, η κυκλοφορία του ρεύματος γίνεται από τη δίοδο παράκαμψης, συνεπώς δεν παρουσιάζεται πτώση τάσης στις R SH και R S.

38 26 Σχήμα 2.9: Λειτουργία διόδου παράκαμψης Στην πραγματικότητα δεν θα ήταν πρακτικό να προστίθενται δίοδοι παράκαμψης σε κάθε ηλιακό κελί, αλλά συνήθως οι κατασκευαστές τοποθετούν τουλάχιστον μια δίοδο γύρω από κάθε πλαίσιο για την προστασία των συστοιχιών. Μερικές φορές τοποθετούνται δίοδοι και γύρω από ομάδες κελιών μέσα σε ένα πλαίσιο. Ο τρόπος λειτουργίας της διόδου παράκαμψης σε ένα πλαίσιο είναι ακριβώς ο ίδιος όπως και στο ηλιακό κελί Ανίχνευση σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) Όπως προκύπτει από τη χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος, το φωτοβολταϊκό πλαίσιο πρέπει να λειτουργεί σε συγκεκριμένη τάση για δεδομένες συνθήκες λειτουργίας, έτσι ώστε να παράγει τη μέγιστη δυνατή ισχύ. Τη λειτουργία της ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος την αναλαμβάνει ο μετατροπέας. 2.6 Προσομοίωση σε pscad φωτοβολταϊκής γεννήτριας Σε αυτό το υποκεφάλαιο θα αναφέρουμε όλα τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της φωτοβολταϊκής συστοιχίας που θα χρησιμοποιήσουμε στην προσομοίωσή μας.

39 27 Σχ Αναπαράσταση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας στο pscad Κύτταρο Χαρακτηριστικά Φωτοβολταϊκής γεννήτριας εν σειρά αντίσταση (Rs) παράλληλη αντίσταση (R SH ) ενεργειακό χάσμα ρεύμα κόρου της διόδου (Io) ρεύμα βραχυκύκλωσης (Isc) τάση ανοιχτού κυκλώματος (Voc) Πλαίσιο 0.02 Ohm 1000 Ohm ev 10-9 A 2.5 Α V κύτταρα εν σειρά συνδεδεμένα (Ns) 36 σειρές κυττάρων παράλληλα συνδεδεμένες (Np) Συστοιχία 2 πλαίσια εν σειρά συνδεδεμένα (Ns) 15 σειρές πλαισίων παράλληλα συνδεδεμένες (Np) I SC (SRC : 1000 W/m 2, 25 o C) V OC (SRC) P MP (SRC) A V 34.3 kwp

40 Ιχύς P (W) Ρεύμα I (A) 28 Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζεται η I-V και η P-V χαρακτηριστική της φωτοβολταϊκής γεννήτριας που προήλθε από πειραματικά αποτελέσματα I - V Χαρακτηριστική Τάση (V) Ρ - V Χαρακτηριστική Τάση (V) Σχ Αναπαράσταση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας στο pscad Παρατηρούμε ότι οι γραφικές μας παραστάσεις προσεγγίζουν πολύ καλά τις θεωρητικές καμπύλες.

41 29

42 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FC) 3.1 Βασικές αρχές λειτουργίας κυψελών καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις που μετατρέπουν άμεσα τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρικό. Το καύσιμο υφίσταται οξείδωση και όχι καύση και ο βαθμός απόδοσης της κυψέλης δεν περιορίζεται από το βαθμό απόδοσης του κύκλου Carnot. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα το καύσιμο (πλούσιο σε υδρογόνο) εισέρχεται στην άνοδο και οξειδωτικό (συνήθως αέρας) εισέρχεται στην κάθοδο, και ηλεκτρόνια τα οποία οδεύουν προς την κάθοδο μέσω του εξωτερικού φορτίου παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι στην κάθοδο (είτε στην άνοδο) παράγεται νερό και ένα ποσό θερμότητας λόγω της εξώθερμης ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Σχήμα 3.1 :Απλοποιημένη απεικόνιση κυψέλης καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμου είναι ένας αποδοτικός, καθαρός και αθόρυβος τρόπος παραγωγής ισχύος. Επιτυγχάνουν ηλεκτρική απόδοση 40%-60%. Οι κυψέλες καυσίμου που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες αποβάλλουν καυσαέρια σε υψηλές θερμοκρασίες τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές συμπαραγωγής οδηγώντας σε βαθμούς απόδοσης 80%-85%. Μία τυπική μονάδα κυψέλης καυσίμου περιλαμβάνει: Τον επεξεργαστή καυσίμου

43 31 Την συστοιχία κυψελών Μετατροπέα από συνεχές που παράγει το FC σε εναλλασσόμενο Σχήμα 3.2 :Τυπικό σύστημα μονάδας κυψελών καυσίμου Οι τυπικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε μια κυψέλη καυσίμου με ηλεκτρολύτη που άγει τα ιόντα οξυγόνου είναι: Άνοδος: Η 2 + Ο 2- => Η 2 Ο + 2e - Κάθοδος: ½ O 2 + 2e - => O 2- Συνολική: H 2 + ½ O 2 => H 2 O 3.2 Τύποι Κυψελών Καυσίμου Η ταξινόμηση των κυψελών καυσίμου γίνεται με βάση το είδος του χρησιμοποιούμενου ηλεκτρολύτη. Έτσι διακρίνονται 5 κατηγορίες κυψελών: Κυψέλες καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης (PEMFC) Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC) Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέως (PAFC) Κυψέλες καυσίμου τηγμένων ανθρακικών αλάτων (MCFC) Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) Το είδος του ηλεκτρολύτη και η θερμοκρασία λειτουργίας υπαγορεύουν τις ιδιότητες των υλικών των τμημάτων που αποτελούν την κυψέλη, τους καταλύτες που χρησιμοποιούνται και το είδος του καυσίμου και του οξειδωτικού που μπορούν

44 32 να χρησιμοποιηθούν. Οι πλέον συνηθισμένες περιπτώσεις αναφέρονται στον Πίνακα 3.1 Πίνακας 3.1. Τύποι και χαρακτηριστικά κυψελών καυσίμου Κυψέλες καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης (PEΜFC) Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν διάφοροι τύποι κυψελών, όλες στηρίζονται στην ίδια βασική αρχή λειτουργίας. Η δομή μιας κυψέλης καυσίμου, ανεξαρτήτως τύπου, περιλαμβάνει δυο ηλεκτρόδια, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται ένας ηλεκτρολύτης. Για να γίνει κατανοητός ο μηχανισμός παραγωγής ενέργειας σε μια κυψέλη καυσίμου, θα αναλύσουμε την κυψέλη τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ή PEMFC), η οποία χρησιμοποιεί ως καύσιμο το υδρογόνο και η οποία θα μας απασχολήσει στη συνέχεια. Το κυρίως τμήμα μιας κυψέλης PEMFC αποτελείται από δυο πορώδη ηλεκτρόδια, τα οποία χωρίζονται από μια μεμβράνη, η οποία παίζει το ρόλο του ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόδια είναι φτιαγμένα από λευκόχρυσο, ενώ η μεμβράνη είναι ένα πολυμερές υλικό, το οποίο έχει την ιδιότητα να επιτρέπει τη διέλευση πρωτονίων (ιόντων Η + ), αλλά όχι των ηλεκτρονίων. Η πλευρά της ανόδου τροφοδοτείται συνεχώς με υδρογόνο, ενώ η πλευρά της καθόδου τροφοδοτείται με οξυγόνο, το οποίο περιέχεται στον ατμοσφαιρικό αέρα που εισέρχεται στην κυψέλη.

45 33 Σχήμα 3.3.: Κυψέλες καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης Το αέριο υδρογόνο περνώντας μέσα από τους πόρους του ηλεκτροδίου της ανόδου, διασπάται σε ιόντα Η + και απελευθερώνει ηλεκτρόνια, κατά την αντίδραση: 2 Pt 2 2e Η αντίδραση επιτυγχάνεται με την βοήθεια του λευκόχρυσου (Pt) των ηλεκτροδίων, ο οποίος δρα ως καταλύτης. Στη συνέχεια τα θετικά ιόντα του υδρογόνου (πρωτόνια) διέρχονται με ευκολία μέσα από τη μεμβράνη και οδηγούνται στην κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να περάσουν μέσα από την μεμβράνη και παραμένουν στην άνοδο. Το έλλειμμα ηλεκτρονίων στην κάθοδο και το πλεόνασμά τους στην άνοδο δημιουργεί μεταξύ ανόδου και καθόδου μια διαφορά δυναμικού, η οποία αναγκάζει τα ηλεκτρόνια της ανόδου να περάσουν από το εξωτερικό κύκλωμα για να φτάσουν στη κάθοδο, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Η διαφορά δυναμικού που δημιουργείται είναι περίπου 1,2V και μειώνεται όσο αυξάνει το ρεύμα που διαρρέει την κυψέλη. Στην κάθοδο τα πρωτόνια μαζί με το οξυγόνο ενώνονται και σχηματίζουν νερό. Η αντίδραση λαμβάνει χώρα μέσα στο πορώδες ηλεκτρόδιο της καθόδου, ενώ και πάλι ο λευκόχρυσος ενεργεί ως καταλύτης. Συμμετοχή στην αντίδραση αυτή έχουν και τα ηλεκτρόνια, τα οποία από την άνοδο, περνώντας μέσα από το εξωτερικό κύκλωμα φτάνουν στην κάθοδο. Η χημική διεργασία που συμβαίνει στην κάθοδο περιγράφεται από την ακόλουθη χημική εξίσωση:

46 Pt 2 2 2e 2 2 Στη συνέχεια το νερό που παράγεται απομακρύνεται με τη βοήθεια του ρεύματος ατμοσφαιρικού αέρα που τροφοδοτεί με οξυγόνο την κάθοδο. Η ολική χημική αντίδραση που συμβαίνει σε μια PEMFC είναι η εξής: 1 Pt Ο τύπος αυτός, τον οποίο έχουμε ήδη αναλύσει, προσφέρει υψηλή πυκνότητα ισχύος (αποδίδει μεγάλη ισχύ ανά μονάδα όγκου της συσκευής) και έχει μειωμένο βάρος και όγκο σε σχέση με άλλους τύπους κυψελών. Για να λειτουργήσουν οι κυψέλες PEMFC χρειάζονται υδρογόνο, οξυγόνο από τον ατμοσφαιρικό αέρα και νερό, ενώ δεν κάνουν χρήση διαβρωτικών υγρών ως ηλεκτρολύτες, όπως κάνουν άλλες κυψέλες καυσίμου. Οι κυψέλες αυτού του τύπου λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 80 0 C), γεγονός που μειώνει το χρόνο εκκίνησης, αφού δε χρειάζονται πολύ ώρα για να ζεσταθούν. Επίσης, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας λειτουργίας η φθορά των επιμέρους εξαρτημάτων είναι μικρότερη και το αποτέλεσμα είναι η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της κυψέλης. Μειονέκτημα όμως αποτελεί η ανάγκη χρήσης ενός ευγενούς μετάλλου (συνήθως λευκόχρυσο) ως καταλύτη, πράγμα που αυξάνει το κόστος κατασκευής. Επιπλέον, ο λευκόχρυσος προσβάλλεται πολύ εύκολα από το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και για αυτό είναι απαραίτητη η χρήση ξεχωριστού μηχανισμού απομάκρυνσης του CO, αν το υδρογόνο που χρησιμοποιεί η κυψέλη προέρχεται από επεξεργασία υδρογονάνθρακα ή αλκοόλης, μέσω ενός μετατροπέα καυσίμου. Έχουμε δηλαδή περαιτέρω αύξηση του κόστους της κυψέλης. Οι κυψέλες τύπου PEMFC χρησιμοποιούνται κυρίως στις μεταφορές, άλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την παραγωγή ενέργειας για οικιακή χρήση. Χάρη στο μικρό χρόνο εκκίνησης και στον πολύ ικανοποιητικό λόγο παραγόμενης

47 35 ισχύος βάρους κυψέλης, οι κυψέλες αυτού του τύπου είναι ιδανικές για οχήματα όπως αυτοκίνητα και λεωφορεία, αν και δεν έχουν επιλυθεί πλήρως οι δυσκολίες που έχουν να κάνουν με την αποθήκευση του υδρογόνου στο όχημα Αλκαλικές κυψέλες καυσίμου (AFC) Οι αλκαλικές κυψέλες καυσίμου ήταν από τις πρώτες κυψέλες καυσίμου που αναπτύχθηκαν. Οι κυψέλες αυτού του τύπου χρησιμοποιούν διάλυμα υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ) ως ηλεκτρολύτη και μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια ποικιλία μη πολύτιμων μέταλλων ως καταλύτες στην άνοδο και την κάθοδο. Η θερμοκρασία λειτουργίας των αλκαλικών κυψελών αρχικά κυμαινόταν μεταξύ C και C. Παρόλα αυτά, αλκαλικές κυψέλες νεώτερης σχεδίασης λειτουργούν σε θερμοκρασίες από 23 0 C έως 80 0 C. Αν και οι κυψέλες αυτές έχουν πολύ υψηλή απόδοση, εμφανίζουν ένα πολύ σημαντικό μειονέκτημα, που έχει να κάνει με την ευπάθειά τους στο διοξείδιο του άνθρακα (C0 2 ). Ακόμα και μια μικρή ποσότητα CO 2 μπορεί να υποβαθμίσει την απόδοση της κυψέλης, οπότε είναι πολύ δύσκολη η χρήση ατμοσφαιρικού αέρα. Για αυτό είναι απαραίτητο να φιλτράρεται τόσο το οξυγόνο, όσο και το υδρογόνο πριν εισαχθούν στη κυψέλη, οπότε αυξάνεται σημαντικά το κόστος λειτουργίας. Επιπλέον, η ευαισθησία των αλκαλικών κυψελών στο διοξείδιο του άνθρακα μειώνει τη διάρκεια ζωής τους, καθιστώντας τη χρήση τους οικονομικά ασύμφορη. Για το λόγο αυτό είναι δύσκολη η εμπορική εκμετάλλευση του τύπου αυτού.

48 36 Σχήμα 3.4.: Αλκαλική κυψέλη καυσίμου Κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέως (PAFC) Η κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέως (Phosphoric Acid Fuel Cells) χρησιμοποιούν φωσφορικό οξύ σε παχύρρευστη μορφή (gel) ως ηλεκτρολύτη και πορώδη ηλεκτρόδια από άνθρακα, ο οποίος περιέχει ποσότητα λευκόχρυσου. Ο τρόπος λειτουργίας τους μοιάζει πολύ με τον τρόπο λειτουργίας των PEMFC, ενώ η θερμοκρασία λειτουργίας τους φτάνει τους C. Οι κυψέλες φωσφορικού οξέως είναι οι πρώτες κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά. Η χρήση αυτού του τύπου γίνεται συνήθως σε στατικές εφαρμογές, αν και υπάρχουν μερικές εφαρμογές σε μεγάλα οχήματα όπως αστικά λεωφορεία. Οι κυψέλες φωσφορικού οξέως είναι περισσότερο ανθεκτικές στην παρουσία CO από ότι οι κυψέλες PEΜFC, αλλά έχουν μικρότερη πυκνότητα ισχύος. Έτσι, οι PAFC είναι συνήθως μεγάλες και βαριές. Ένα άλλο μειονέκτημα των PAFC είναι ότι, όπως και οι κυψέλες PEMFC, έχουν αυξημένο κόστος λόγο της χρήσης λευκόχρυσου ως καταλύτη.

49 37 Σχήμα 3.5.: Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος Κυψέλες καυσίμου τηγμένων ανθρακικών αλάτων (MCFC) Οι κυψέλες αυτού του τύπου αναπτύσσονται για εργοστάσια παραγωγής ενέργειας βασισμένα στον άνθρακα ή το φυσικό αέριο. Οι κυψέλες αυτές λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες ( C) και χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη ένα τηγμένο μίγμα ανθρακικού άλατος, όπως το ανθρακικό καλιολίθιο (LiKCO 3 ). Αφού οι κυψέλες αυτές λειτουργούν σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών, είναι δυνατή η χρήση μη πολύτιμων μετάλλων ως καταλύτες, μειώνοντας το κόστος της κατασκευής. Η απόδοση μιας MCFC όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 60%, πολύ περισσότερη από την αντίστοιχη απόδοση μιας PAFC (37-42%). Αν χρησιμοποιηθεί και η θερμότητα που παράγει μια MCFC, τότε η συνολική της απόδοση φτάνει το 85%. Ένα πλεονέκτημα των MCFC, έναντι των AFC, PAFC και PEMFC είναι ότι λόγω της υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας, δεν χρειάζονται επιπλέον μηχανισμό μετατροπής του καυσίμου σε υδρογόνο (μετατροπέα καυσίμου), μειώνοντας έτσι περισσότερο το κόστος κατασκευής. Επίσης οι MCFC πλεονεκτούν έναντι των άλλων κυψελών καυσίμου λόγω του ότι όχι μόνο δεν επηρεάζονται από το μονοξείδιο ή το

50 38 διοξείδιο του άνθρακα, αλλά μπορούν να χρησιμοποιούν τα οξείδια του άνθρακα ως καύσιμα. Το κύριο μειονέκτημα των MCFC είναι ότι έχουν μικρή διάρκεια ζωής, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας και του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται, ο οποίος είναι πολύ διαβρωτικός. Επίσης οι κυψέλες αυτού του τύπου είναι πολύ ευαίσθητες στην παρουσία θείου. Σχήμα 3.6.: Απεικόνιση λειτουργίας κυψέλης καυσίμου τηγμένων ανθρακικών αλάτων Κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) Οι κυψέλες καυσίμου στερεών οξειδίων χρησιμοποιούν μια σκληρή, μη πορώδη, κεραμική ουσία ως ηλεκτρολύτη. Συνήθως στην κατασκευή του ηλεκτρολύτη χρησιμοποιείται οξείδιο του ζιρκονίου (Zr) στο οποίο έχει προστεθεί ποσότητα υτρίου (Υ). Οι κυψέλες αυτού του τύπου λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στους C και για το λόγο αυτό η χρήση καταλυτών από πολύτιμα μέταλλα δεν είναι αναγκαία, οπότε μειώνεται το κόστος κατασκευής. Επιπλέον, όπως συμβαίνει και με τις MCFC, η επεξεργασία του καυσίμου γίνεται μέσα στην ίδια την κυψέλη, οπότε είναι δυνατή η χρήση μιας μεγάλης ποικιλίας καυσίμων.

51 39 Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των SOFC είναι ότι είναι πολύ ανεκτικές στην παρουσία θείου μέσα στην κυψέλη. Η κυψέλες αυτές μπορούν να αντέξουν παρουσία ποσότητας θείου κατά πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή που αντέχουν οι άλλοι τύποι κυψελών. Επίσης οι κυψέλες τύπου SOFC είναι ανεκτικές και στο μονοξείδιο του άνθρακα και μάλιστα μπορούν να το χρησιμοποιήσουν ως καύσιμο, όπως επίσης και τα άλλα αέρια που είναι ενώσεις του άνθρακα. Η απόδοση μετατροπής του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια φτάνει το 50-60% για τις SOFC, ενώ αν χρησιμοποιηθεί και η θερμότητα που παράγουν, η απόδοσή τους αγγίζει το 85%. Στα μειονεκτήματα του τύπου αυτού συγκαταλέγεται η αργή διαδικασία εκκίνησης, η οποία οφείλεται στην πολύ υψηλή θερμοκρασία που πρέπει να επιτευχθεί για να αρχίσει να παράγει ενέργεια η κυψέλη. Επιπλέον απαιτείται ισχυρή θερμική μόνωση, ώστε να συγκρατείται η θερμότητα και να προστατεύεται το προσωπικό. Για το λόγο αυτό η χρήση των κυψελών αυτών είναι αδύνατη σε οχήματα καθώς και σε φορητές συσκευές, οπότε η εφαρμογή τους περιορίζεται μόνο σε εργοστάσια παραγωγής ενέργειας. Επίσης η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας επιφέρει μείωση του χρόνου ζωής των συσκευών και περιορισμούς στη θερμική αντοχή των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της κυψέλης. Σχήμα 3.7.: Κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου.

52 Ανανεώσιμες κυψέλες καυσίμου Αυτή είναι μια σχετικά καινούργια τεχνολογία, στην ανάπτυξη της οποίας εμπλέκεται και η ΝΑSA. Οι κυψέλες αυτές, όπως και άλλοι τύποι κυψελών, χρησιμοποιούν υδρογόνο και οξυγόνο, ενώ παράγουν ηλεκτρισμό και νερό. Αυτό όμως που τις κάνει να διαφέρουν από τις άλλες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου είναι η ικανότητά τους να χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια από άλλες πηγές (όπως για παράδειγμα ηλιακές κυψέλες) και να διαχωρίζουν το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Επιτελούν δηλαδή την αντίστροφή διαδικασία από αυτή που εφαρμόζεται για την παραγωγή ενέργειας και για αυτό ονομάζονται και αντιστρέψιμες κυψέλες καυσίμου. Ο πίνακες που παρατίθενται στη συνέχεια περιέχουν τα κυριότερα χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου. ΤΥΠΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΣΤΗΝ ΑΝΟΔΟ ΜΕΤΑΦΕΡΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΣΤΗΝ ΚΑΘΟΔΟ ΚΥΨΕΛΗΣ ΜΕΝΟ ΙΟΝ PEMFC 2 2 2e e 2 2 AFC ΟΗ e - 2 Ο e PAFC 2 2 2e e 2 2 MCFC -2-2 CΟ3 2 2 e 2 CΟ CΟ 2 4e 2CΟ3 SOFC e 2 2 4e 2 2 CΟ 2 CΟ 2 2e - Πίνακας 1.1: Χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στις κυψέλες καυσίμου.

53 41 PΕΜFC AFC PΑFC MCFC SOFC Ηλεκτρολύτης Κατάσταση ηλεκτρολύτη Θερμοκρασία λειτουργίας (0C) Μέγιστη πυκνότητα ισχύος (MW/cm2) Χρόνος εκκίνησης (ώρες) Εφαρμογές Μεμβράνη Υδροξείδιο Φωσφορικό οξύ Μίγμα Οξείδιο του Ανταλλαγής Πρωτονίων του Καλίου (ΚΟΗ) (H3PO4) ανθρακικών αλάτων ζιρκονίου (ZrO2) Στερεός Υγρός Ακινητοποιημένο Ακινητοποιημένο Στερεός υγρό υγρό (500 υπό ανάπτυξη) 0,1 0, Οικιακή και Μικρές Εμπορική Εμπορική και Οικιακή, εμπορική μονάδες. παραγωγή. βιομηχανική εμπορική και παραγωγή Χρήση σε παραγωγή. βιομηχανική (μικρές μονάδες). διαστημικές εφαρμογές. Μεγάλα οχήματα Μονάδες μεγάλης ισχύος παραγωγή (μεγάλη (λεωφορεία) (τάξεως ΜW) ισχύς). Συστήματα κίνησης Σιδηροδρομικά συστήματα. οχημάτων. Πίνακας 1.2: Χαρακτηριστικά κυψελών καυσίμου.

54 Απόδοση κυψέλης καυσίμου Η απόδοση της κυψελίδας είναι συνάρτηση της τάσης που εφαρμόζεται στην κυψελίδα. Η θεωρητική απόδοση υπολογίζεται από τη σχέση: nfc= ΔG/ΔH, όπου ΔH είναι η ενθαλπία ή αλλιώς η θερμική αξία του υδρογόνου. Η θεωρητική απόδοση της κυψελίδας, η οποία ορίζεται ως ο λόγος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και της υψηλότερης τιμής θερμικής αξίας του καταναλισκόμενου υδρογόνου, υπολογίζεται γύρω στο 83%. Από τη στιγμή που η πραγματική τάση λειτουργίας της κυψελίδας είναι μικρότερη από το αντιστρεπτό δυναμικό, η απόδοση της κυψελίδας είναι πάντοτε μικρότερη από τη θεωρητικά υπολογιζόμενη. Γενικά, η απόδοση της κυψελίδας είναι προϊών των εξής επιμέρους αποδόσεων: nfc = nth * nv* nf όπου, nth= η θερμική απόδοση, δηλαδή ο λόγος ανάμεσα στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs της αντίδρασης προς τη θερμική αξία καυσίμου, ΔGr / ΔHFUEL, παρόμοια με τις μηχανές εσωτερικής καύσεως, η απόδοση της κυψελίδας συχνά εκφράζεται στα πλαίσια της χαμηλής θερμικής αξίας), nv= απόδοση της τάσης η οποία ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής τάσης προς τη θερμοδυναμική τάση Ε, δηλαδή V/E, nf η απόδοση του Faraday, η οποία είναι ο λόγος μεταξύ του πραγματικού ρεύματος και του ρεύματος το οποίο αντιστοιχεί στο ρυθμό με τον οποίο τα αντιδρώντα καταναλώνονται, I/nFm, όπου m είναι ο αριθμός σε mol/s με τον οποίο τα αντιδρώντα καταναλώνονται. Τέλος η nv = αξιοποίηση των καυσίμων, είναι ο λόγος μεταξύ της ποσότητας του καυσίμου που πραγματικά καταναλώθηκε κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης, προς το καύσιμο που διοχετεύεται στην κυψελίδα. 3.4 Αποθήκευση του υδρογόνου Σε ένα σύστημα αποθήκευσης Η2 η κυψέλη καυσίμου τροφοδοτείται κατευθείαν αέριο υδρογόνο και αυτό έχει αρκετά πλεονεκτήματα:

55 43 Οι περισσότερες κατηγορίες κυψελών λειτουργούν καλύτερα με καθαρό υδρογόνο. Ζητήματα σχετικά με τις ακαθαρσίες και την μόλυνση της κυψέλης εξαλείφονται Η κυψέλη απλοποιείται (δεν υπάρχει ανάγκη αναμορφωτή και φίλτρων). Η αποθήκευση του αερίου υδρογόνου μπορεί να είναι μεγάλης χρονικής διάρκειας. Δυστυχώς το υδρογόνο δεν είναι ένα ευρέως διαδεδομένο καύσιμο και ακόμα δεν είναι διαθέσιμη κάποια μέθοδος αποθήκευσης υδρογόνου σε μεγάλη πυκνότητα. Οι πιο κοινές μέθοδοι αποθήκευσης του υδρογόνου είναι οι επόμενες: 1. Ως συμπιεσμένο αέριο 2. Ως υγρό 3. Σε υβρίδια μετάλλου 1) Συμπιεσμένο αέριο. Αποτελεί τον πιο άμεσο τρόπο αποθήκευσης υδρογόνου. Το υδρογόνο συμπιέζεται με πολύ υψηλές πιέσεις σε ειδικά σχεδιασμένους κυλίνδρους. Η αποθηκευτική απόδοση είναι σχετικά μέτρια αλλά αυξάνεται με την αύξηση του όγκου αποθήκευσης και της πίεσης. Οι υπάρχουσες κατασκευές επιτρέπουν την αποθήκευση συμπιεσμένου υδρογόνου μέχρι πιέσεις 700 bar. Εντούτοις, οι πολύ υψηλές πιέσεις όπως είναι αναμενόμενο εγείρουν και ζητήματα ασφαλείας. Ακόμα η συμπίεση του υδρογόνου είναι ενεργοβόρα. Για παράδειγμα η συμπίεση του υδρογόνου στα 300 bar απαιτεί το ξόδεμα 10% του ενεργειακού του περιεχομένου. Ευτυχώς όμως αυτές οι απώλειες μειώνονται καθώς αυξάνει και η συμπίεση γιατί αντισταθμίζονται από το επιπλέον πόσο υδρογόνου που αποθηκεύεται. 2) Υγρό υδρογόνο. Αν το αέριο υδρογόνο ψυχθεί στους 22 Κ, θα συμπυκνωθεί σε υγρό. Αυτή η υγροποίηση επιτρέπει την αποθήκευση υδρογόνου σε χαμηλές πιέσεις. Το υγρό υδρογόνο έχει την μεγαλύτερη αποθηκευτική πυκνότητα από όλες τις μεθόδους που αναφέρουμε πιο πάνω περίπου 0,071 g/cm3. Η αποθηκευτική δεξαμενή θα πρέπει να έχει διπλά ενισχυμένα τοιχώματα και μόνωση κενού για να

56 44 μπορεί να διατηρεί τις συνθήκες κρυογονικής που είναι απαραίτητες για την διατήρηση του υγρού υδρογόνου. Συνεπώς ενώ η ογκομετρική αποθηκευτική απόδοση είναι μέτρια, η μαζική απόδοση είναι εντυπωσιακή. Αξίζει να αναφερθεί πως για αυτό το λόγο η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται στο διαστημικό λεωφορείο. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα για αυτή τη μέθοδο είναι το γεγονός ότι η υγροποίηση του υδρογόνου είναι πολύ ενεργοβόρα και καταναλώνει περίπου το 30% του ενεργειακού περιεχομένου του υδρογόνου που αποθηκεύεται. Μεγάλα προβλήματα προκαλεί επίσης και η ίδια η φύση του υδρογόνου το οποίο όταν είναι υγρό δεν συμπεριφέρεται ως νευτώνειο ρευστό αλλά ανήκει στην κατηγορία των υπερευστών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι απώλειες υδρογόνου σε αυτή την κατάσταση να είναι αποθήκευσης. μεγάλες όπως και η πιθανότητα διάτρησης του δοχείου 3) Σε υδρίδια μετάλλων. Τα πιο κοινά υδρίδια μετάλλων που χρησιμοποιούνται είναι τα ρίματα σιδήρου, τιτανίου, μαγνησίου, νικελίου και χρωμίου. Αυτά τα κράματα κονιορτοποιούνται σε πολύ λεπτή σκόνη και διαδραματίζουν το ρόλο σπάγκου που απορροφά μεγάλες ποσότητες αερίου υδρογόνου, με το να σπάνε τα μόρια του Η2 σε Η και να τα απορροφούν μέσα στο κράμα. Κατόπιν με θέρμανση αποδίδουν το υδρογόνο που απορρόφησαν. Τα υδρίδια μετάλλου απορροφούν τόσο μεγάλες ποσότητες υδρογόνου ώστε σε ορισμένες περιπτώσεις να ξεπερνούν την ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα ακόμα και του υγρού υδρογόνου! Δυστυχώς τα υδρίδια είναι βαριά με αποτέλεσμα η μαζική ενεργειακή πυκνότητα να είναι μέτρια. Επιπλέον αυτά τα υλικά είναι αρκετά ακριβά. Ως συνέπεια των παραπάνω η λύση αυτή είναι πιο ενδεδειγμένη για φορητές εφαρμογές. Αξίζει να σημειωθεί πως μία λύση για την αποθήκευση υδρογόνου είναι και η χρήση μορίων υδρογόνου. Χημικές ουσίες δηλαδή τις οποίες μπορούμε να αποθηκεύσουμε και να χρησιμοποιήσουμε για να πάρουμε το υδρογόνο που περιέχουν (π.χ. μεθάνιο, μεθανόλη και βενζίνη).

57 Χαρακτηριστικά λειτουργίας της κυψέλης PEMFC Για να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία μιας κυψέλης PEMFC, επιβάλλεται η παρακολούθηση μιας σειράς παραμέτρων και η διατήρησή τους σε συγκεκριμένα πλαίσια. Συνήθως για τη λειτουργία αυτή χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου, το οποίο σε περίπτωση παρέκκλισης από τις συνθήκες καλής λειτουργίας, επεμβαίνει δίνοντας τις κατάλληλες εντολές στα διάφορα υποσυστήματα που πλαισιώνουν την κυψέλη. Ο πιο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τη λειτουργία της κυψέλης είναι η ενυδάτωση της μεμβράνης. Ειδικά αν δεν χρησιμοποιείται ειδικός υγραντήρας, πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί κατά τη χρήση της κυψέλης, ώστε να αποφύγουμε τόσο την αφυδάτωση της μεμβράνης, όσο και το πλημμύρισμα της κυψέλης από την υπερβολική συγκέντρωση νερού. Για τον παραπάνω λόγο, η διαδικασία εκκίνησης της κυψέλης επιβάλλεται να γίνεται με προσοχή. Κατά την έναυση της κυψέλης είναι αναγκαίο να ελέγχουμε συνεχώς το ρεύμα που τη διαρρέει και να το αυξάνουμε σταδιακά, όσο ανεβαίνει η θερμοκρασία της κυψέλης, μέχρι να φτάσουμε στη θερμοκρασία λειτουργίας. Σε αντίθετη περίπτωση υπάρχει κίνδυνος στεγνώσει η μεμβράνη. Ο χρόνος που διαρκεί η διαδικασία αυτή εξαρτάται από την εξωτερική θερμοκρασία και σε φυσιολογικές συνθήκες διαρκεί περίπου 15 λεπτά. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τη λειτουργία της κυψέλης είναι η θερμοκρασία. Το σύστημα ελέγχου πρέπει να διατηρεί τη θερμοκρασία της κυψέλης μέσα στα επιθυμητά πλαίσια. Αν η θερμοκρασία του συστήματος μειωθεί πολύ, τότε μειώνεται η απόδοση της κυψέλης. Αν αντίθετα η θερμοκρασία ξεπεράσει το ανώτατο όριο λειτουργίας της κυψέλης, τότε το πρώτο που θα συμβεί είναι να αφυδατωθεί η μεμβράνη, λόγω εξάτμισης του νερού, οπότε η κυψέλη δε θα μπορεί να αποδώσει ισχύ και αν δεν τεθεί αμέσως εκτός λειτουργίας, υπάρχει άμεσος κίνδυνος καταστροφής της.

58 46 Επίσης πρέπει να ελέγχουμε συνεχώς την τάση στα άκρα της κυψέλης. Αν η τάση πέσει κάτω από ένα όριο (περίπου 0,5 Volt), τότε πρέπει να αποσυνδέσουμε το φορτίο για να αποφύγουμε την καταπόνηση της κυψέλης. Τέλος προσοχή πρέπει να δίνουμε και στην πίεση με την οποία εισάγεται το υδρογόνο στην κυψέλη. Αν η πίεση είναι πολύ μικρή, τότε μειώνεται η απόδοση της κυψέλης, ενώ αν η πίεση γίνει πολύ μεγάλη τότε τίθεται θέμα δομικής αντοχής της. Πρέπει σε αυτό το σημείο να σημειώσουμε ότι το υδρογόνο πρέπει να εισάγεται με αρκετή πίεση, ώστε να ωθείται το νερό που παράγεται στην κάθοδο έξω από την κυψέλη και να αποτρέπεται υπερχείλιση της. 3.6 Τάση εξόδου PEMFC Ιδανική τάση ανοιχτού κυκλώματος Εξίσωση Nernst Στην PEM κυψέλη καυσίμου το υδρογόνο από την άνοδο και το οξυγόνο από την κάθοδο, συνδυάζονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, νερού και θερμότητας. Η συνολική αντίδραση στο εσωτερικό της PEMFC, όταν χρησιμοποιείται ως καύσιμο το υδρογόνο είναι η εξής: H 2 +1/2 Ο 2 H 2 Ο ή 2 H 2 +Ο 2 2H 2 Ο (2.5) Όταν πραγματοποιείται μια αντίδραση, μειώνεται η ελεύθερη ενέργεια του συστήματος μας, γνωστή και ως ελεύθερη ενέργεια Gibbs, η οποία εκφράζεται μέσω της παρακάτω σχέσης: ΔG 0 = -n F E 0 E 0 = ΔG 0 /- n F (2.6) όπου n: είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που σχετίζονται με την στοιχειομετρική αντίδραση (στην περίπτωση μας δύο) F: είναι η σταθερά Faraday (96487 Coulomb/mol) E 0 : είναι το ιδανικό δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος (V), σε κανονικές συνθήκες (για πίεση 1 atm και θερμοκρασία 25οC ή298οk)

59 47 Όσο αναφορά το μέγιστο ηλεκτρικό έργο W που μπορεί να παράγει η κυψέλη, αυτό σχετίζεται με την παραπάνω μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας του Gibbs δηλαδή: W=ΔG 0 = -n F E 0 (2.7) Η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας του Gibbs, είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας, της μεταβολής της ενθαλπίας και εντροπίας του συστήματος: ΔG ο = ΔH - T ΔS (2.8) όπου ΔH: είναι η μεταβολή της ενθαλπίας (J) ΔS: είναι η μεταβολή της εντροπίας (J/K) T: είναι η θερμοκρασία (Κ) Για κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (1 atm,250c), υπολογίζουμε από τις εξισώσεις (2.6) και (2.7) το ιδανικό δυναμικό Ε 0 της κυψέλης, το οποίο είναι Ε ο =1.229V για προϊόν νερό σε υγρή μορφή και Εο=1.18V για προϊόν νερό σε αέρια μορφή. Στην πράξη, όμως η κυψέλη λειτουργεί σε υψηλότερες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας από τις κανονικές και είναι ανάγκη επομένως να διορθωθεί το E o για τις συνθήκες λειτουργίας. Αυτή η διόρθωση γίνεται με τη βοήθεια της εξίσωσης Nernst : Ε=Ε ο + ln( ) (2.9) όπου R: είναι η παγκόσμια σταθερά των αερίων (J/(kmol*K)) T: είναι η θερμοκρασία λειτουργίας της κυψέλης ( ο Κ) p H2, p O2, p H2O : είναι οι αδιάστατες τιμές των μερικών πιέσεων του υδρογόνου, οξυγόνου και νερού αντίστοιχα-για την περίπτωση όπου θεωρούνται ιδανικά αέρια. Ε 0 : είναι το ιδανικό δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος στη θερμοκρασία λειτουργίας Τ.

60 48 n : o αριθμός των ηλεκτρονίων που παίρνουν μέρος στην αντίδραση F : η σταθερά Faraday Τέλος λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβολές της εντροπίας με την μεταβολή της θερμοκρασίας προκύπτει ότι: E = E o + (T T ref ) + [ln ( *)+ 0,5ln( *)] όπου P* = είναι οι μερικές πιέσεις T ref = απόλυτη θερμοκρασία αναφοράς περιβάλλοντος 3.7 Απώλειες Πτώσεις Τάσης Όταν η κυψέλη λειτουργεί υπό φορτίο έχουμε την εμφάνιση των παρακάτω απωλειών : Απώλειες Ενεργοποίησης (activation losses) Οι απώλειες ενεργοποίησης σχετίζονται με την βραδύτητα των χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Ένα ποσοστό της τάσης που παράγεται στα άκρα της κυψέλης χάνεται, επειδή θα πρέπει να ξεπεραστεί η ενέργεια ενεργοποίησης των χημικών αντιδράσεων στα ηλεκτρόδια. Οι απώλειες αυτές εξαρτώνται από την ίδια την αντίδραση, από το υλικό και τη δομή του ηλεκτρο καταλύτη, από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και σε μικρό βαθμό από την πυκνότητα του ρεύματος. Για τον υπολογισμό της πτώσης τάσης λόγω των απωλειών ενεργοποίησης η πλέον διαδεδομένη εξίσωση είναι η παρακάτω ημι-εμπειρική εξίσωση του Tafel: ΔV act = Aln( ) Η σταθερά Α είναι μεγαλύτερη όταν η ηλεκτροχημική αντίδραση είναι αργή. Η σταθερά i ο είναι μεγαλύτερη όταν αντίδραση είναι γρήγορη.

61 49 Η πυκνότητα ρεύματος i0 είναι όταν η τάση ξεκινάει να φεύγει από το μηδέν. Επίσης είναι γνωστή με το όνομα πυκνότητα ρεύματος εναλλαγής (exchange current density). Η εξίσωση έχει νόημα μόνο όταν ισχύει i>i0. Μπορεί να δειχθεί ότι η σταθερά Α, για μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου όπου μεταφέρονται 2 ηλεκτρόνια ανά mol, δίνεται από: Α = Η σταθερά α ονομάζεται συντελεστής μεταφοράς φορτίου. Η τιμή του εξαρτάται από την αντίδραση και από το υλικό των ηλεκτροδίων και κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1.0. Για το ηλεκτρόδιο στη μεριά του υδρογόνου η τιμή του είναι περίπου 0.5. Για το ηλεκτρόδιο στην μεριά του οξυγόνου η τιμή κυμαίνεται μεταξύ 0.1 και 0.5. Αν και βλέπουμε ότι η θερμοκρασία εισάγεται μέσα στην εξίσωση και θα έπρεπε να παίζει ρόλο η μεταβολή της, στην πραγματικότητα το μόνο που επηρεάζει σημαντικά την εξίσωση είναι το i 0. Είναι σημαντικό να κάνουμε την τιμή του όσο γίνεται μεγαλύτερη Απώλειες Μεταφοράς Μάζας και Συγκέντρωσης Οι απώλειες συγκέντρωσης οφείλονται στην περιορισμένη μεταφορά μάζας στο εσωτερικό της κυψέλης καυσίμου και εξαρτώνται από την πυκνότητα του ρεύματος, από τη συγκέντρωση των αντιδρώντων και από τη δομή των ηλεκτροδίων. Η φυσική εξήγηση είναι ότι τα μόρια δε διαχέονται ομοιόμορφα και δεν έρχονται ομοιόμορφα σε επαφή με τον ηλεκτρο καταλύτη και τη μεμβράνη. Ουσιαστικά οι απώλειες αυτές οφείλονται στον περιορισμένο ρυθμό απομάκρυνσης των προϊόντων και ανανέωσης των αντιδρώντων. Πρακτικά, στις περιοχές όπου γίνονται αντιδράσεις χρειάζεται κάποιος χρόνος μέχρι να μεταφερθούν νέα μόρια καυσίμου και να απομακρυνθούν τα προϊόντα της αντίδρασης. Στις PEM κυψέλες καυσίμου η υγρή φάση του νερού μπορεί να

62 50 προκαλέσει πρόβλημα και επιπλέον η απομάκρυνση των προϊόντων συνήθως είναι πιο αργή. Mια προσέγγιση η οποία χρησιμοποιείται αρκετά σήμερα δίνεται από τη σχέση: ΔV trans = m exp(ni) Η τιμή του m θα είναι τυπικά περίπου στο 3 x 10-5 V και το n περίπου 8 x 10-3 cm 2 ma -1. Οι δύο προσεγγίσεις δίνουν σχεδόν ίδια αποτελέσματα αρκεί να επιλεγούν κατάλληλες τιμές για τα m και n. Οι απώλειες συγκέντρωσης ή μεταφοράς μάζας είναι σημαντικές σε περιπτώσεις όπου το υδρογόνο τροφοδοτείται από κάποιο μετατροπέα σχηματισμού, καθώς μπορεί να υπάρχει δυσκολία στο να αυξηθεί ο ρυθμός τροφοδοσίας αρκετά γρήγορα για να ανταποκριθεί στη ζήτηση. Μια άλλη σημαντική περίπτωση είναι στον αέρα της καθόδου, εάν ο αέρας δεν κυκλοφορεί καλά. Ένα ιδιαίτερο πρόβλημα είναι το άζωτο που μένει πίσω αφού καταναλώνεται το οξυγόνο από τον αέρα της αντίδρασης. Αυτό μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στη μεταφορά μαζών μπλοκάρει την παροχή οξυγόνου. Στις PEM κυψέλες η απομάκρυνση του νερού μπορεί να προκαλέσει απώλειες συγκέντρωσης ή μεταφοράς μάζας Ωμικές Απώλειες (ohmic losses) Οι ωμικές απώλειες σε μια κυψέλη καυσίμου προκαλούνται λόγω: της αντίστασης που εμφανίζουν τα ηλεκτρόδια στη ροή των ηλεκτρονίων της αντίστασης που εμφανίζει ο ηλεκτρολύτης στη ροή των ιόντων και της αντίστασης που δημιουργείται από τις συνδέσεις μεταξύ διαφορετικών υλικών της κυψέλης.

63 51 Όλες αυτές συμβολίζονται με μια ισοδύναμη αντίσταση σε σειρά με την κυψέλη. Η οποία προκαλεί μια πτώση τάσης η οποία είναι γραμμική συνάρτηση της πυκνότητας ρεύματος και δίνεται από την παρακάτω εξίσωση (σύμφωνα με το νόμο του Ohm): ΔV ohm = i r όπου i: είναι η πυκνότητα ρεύματος(ma/cm 2 ) r: είναι η ειδική αντίσταση της κυψέλης (area specific resistance ASR) δηλαδή η ωμική της αντίσταση σε επιφάνεια 1cm 2 (Ω cm 2 ) Για να μοντελοποιήσουμε αυτήν την πτώση τάσης θα εισάγουμε την εξίσωση: R m = όπου ρ Μ είναι η ειδική αντίσταση της μεμβράνης στη ροή ηλεκτρονίων (Ω x cm), l είναι το πάχος της μεμβράνης (cm) και Α είναι η επιφάνεια της κυψέλης (cm 2 ). Έτσι η αρχική μας εξίσωση γίνεται: ΔV ohm = i r = ρ M T PEM όπου T PEM είναι και πάλι το πάχος της κυψέλης και A PEM είναι η ενεργός επιφάνεια. Αρχικές τιμές θα είναι A PEM =380 cm 2 και T PEM =0.015 cm. Η ειδική αντίσταση δίνεται από τη σχέση: ρ Μ = ( ) [ ( )] όπου 181.6/(ψ-0.634) είναι η ειδική αντίσταση (Ω x cm) για ρεύμα χωρίς φορτίο και θερμοκρασία 30 ο C, Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία (Κ), ψ είναι μια παράμετρος με πιθανή μέγιστη τιμή το 23 και e 4.18(T-303)/T είναι ένας παράγοντας διόρθωσης θερμοκρασίας εάν η κυψέλη δεν είναι στους 30 ο C. Η παράμετρος ψ εξαρτάται από την διαδικασία παρασκευής της κυψέλης και είναι μια συνάρτηση της σχετικής υγρασίας και της στοιχειομετρίας στην άνοδο. Οι τιμές κυμαίνονται

64 52 από 14 υπό ιδανικές συνθήκες και 100% υγρασία έως και για υπερκορεσμένες συνθήκες Fuel Crossover & Internal Currents Αν και ο ηλεκτρολύτης σε μια κυψέλη καυσίμου έχει επιλεγεί για την ιονική του αγωγή, πάντα θα υπάρχει μια ποσότητα ηλεκτρονίων που θα περνά μέσα από τη μεμβράνη. Αυτό είναι τα εσωτερικά ρεύματα (internal currents). Επίσης ένα μέρος του καυσίμου δεν ιονίζεται στην άνοδο και περνάει μέσα από την μεμβράνη όπου στην κάθοδο αντιδρά με το οξυγόνο παράγοντας νερό. Έτσι χάνεται χωρίς να παράγει ρεύμα. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό με την ονομασία fuel crossover. Αυτά τα δυο φαινόμενα έχουν ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα καθώς είτε περάσει ένα mol καυσίμου μέσα από τη μεμβράνη είτε περάσουν 2 ηλεκτρόνια χάνεται η ίδια ενέργεια. Υπό όρους ενεργειακών απωλειών, αυτές οι απώλειες δεν είναι σημαντικές. Όμως στις κυψέλες χαμηλής θερμοκρασίας, προκαλούν μια αξιοσημείωτη πτώση τάσης σε κατάσταση ανοιχτοκυκλώματος. Σε PEM-κυψέλες χαμηλής θερμοκρασίας που λειτουργούν με αέρα σε πίεση περιβάλλοντος, η τάση ανοιχτού κυκλώματος πέφτει περίπου κατά 0.2 V από τα 1.2 που αναμένονταν. Εξαιτίας αυτής της εσωτερικής πυκνότητας ρεύματος, η πυκνότητα ρεύματος της κυψέλης δεν είναι μηδέν ακόμα και αν η κυψέλη είναι σε ανοιχτό κύκλωμα. Να σημειωθεί ότι στις υψηλές θερμοκρασίες όπου το i 0 είναι μεγάλο, αυτές οι απώλειες έχουν μικρή επίδραση. Επίσης δεν παίζουν σχεδόν κανένα ρόλο υπό συνθήκες λειτουργίας αλλά μόνο κατά το ανοιχτό κύκλωμα και εφόσον πρόκειται για κυψέλη χαμηλής θερμοκρασίας. Στη μοντελοποίηση που θα κάνουμε δε θα λάβουμε υπόψη μας αυτές τις απώλειες καθότι είναι αμελητέες κατά τη λειτουργία.

65 Φόρτιση Διπλού Στρώματος (charge double layer) Η φόρτιση διπλού στρώματος είναι ένα πολύπλοκο ηλεκτροχημικό φαινόμενο, το οποίο είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον για την κατανόηση της δυναμικής ηλεκτρικής συμπεριφοράς των κυψελών καυσίμου. Κατά την επαφή δύο διαφορετικών υλικών παρατηρείται συγκέντρωση φορέων ηλεκτρικού φορτίου στην επιφάνεια επαφής τους. Δημιουργείται δηλαδή ένα στρώμα φορέων φορτίου στην επιφάνεια κάθε υλικού, για παράδειγμα στην επιφάνεια επαφής μεταξύ ημιαγωγών τύπου-p και τύπου-n συγκεντρώνονται οπές στην επιφάνεια του πρώτου και ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του δεύτερου. Αυτό είναι το φαινόμενο της φόρτισης διπλού στρώματος. Συγκεκριμένα για τις κυψέλες καυσίμου, αυτό το φαινόμενο παρατηρείται μεταξύ του ηλεκτροδίου της καθόδου και του ηλεκτρολύτη, καθώς στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου συσσωρεύονται ηλεκτρόνια, ενώ στην επιφάνεια επαφή του ηλεκτρολύτη με το ηλεκτρόδιο συγκεντρώνονται ιόντα. Η αντίδραση που γίνεται εκεί είναι η εξής : 4H + +4e - + O 2 2H 2 O Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα του φορτίου, τόσο πιθανότερο είναι να αντιδράσει το υδρογόνο με το οξυγόνο και τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα της κυψέλης. Παράλληλα όμως, η μεγάλη πυκνότητα φορτίου δημιουργεί μεγάλη διαφορά δυναμικού που αντιτίθεται στη διέλευση του ρεύματος, αυτή ουσιαστικά η τάση είναι η πτώση τάσης ενεργοποίησης και συγκέντρωσης. Είναι φανερό, ότι η φόρτιση διπλού στρώματος είναι απαραίτητη προκειμένου να γίνει η αντίδραση και εξαιτίας της δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο αποθηκεύοντας ενέργεια. Επομένως, αυτό το φαινόμενο συμπεριφέρεται σαν πυκνωτής. Όταν μεταβάλλεται η τιμή του ρεύματος, χρειάζεται κάποιος χρόνος μέχρι να μεταβληθεί η ποσότητα του φορτίου. Η πτώση τάσης που σχετίζεται με αυτό το φαινόμενο δεν ακολουθεί αμέσως τη μεταβολή του ρεύματος, όπως γίνεται με τις ωμικές απώλειες, αλλά παρουσιάζει καθυστέρηση. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να προσομοιωθεί σε ένα κύκλωμα με την εισαγωγή ενός πυκνωτή, η χωρητικότητα του οποίου δίδεται από την σχέση:

66 54 C=ε Α/d όπου ε η ηλεκτρική αγωγιμότητα, Α η επιφάνεια του ηλεκτροδίου και d η απόσταση μεταξύ των δύο στρωμάτων φορτίου. Επειδή η πραγματική επιφάνεια του ηλεκτροδίου, λόγω των πτυχώσεων, είναι αρκετές χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από το γινόμενο του μήκους επί το πλάτος, και επειδή η απόσταση d είναι της τάξης των λίγων νανομέτρων, η χωρητικότητα είναι συνήθως της τάξης των μερικών Farad. Σχήμα 3.5.: Φόρτιση διπλού στρώματος στην επιφάνεια της καθόδου μιας κυψέλης καυσίμου 3.8 Πραγματική Τάση Εξόδου Και V-I Χαρακτηριστική PEMFC Συνδυάζοντας όλες τις απώλειες προκύπτει η εξής εξίσωση: V = E Nernst ΔV ohm ΔV act - ΔV trans V = E Nernst - i r - Aln( ) - m exp(ni) όπου E Nernst = E o + (T T ref ) + [ln ( *) + 0,5ln( *)]

67 55 i n είναι η πυκνότητα ρεύματος για τα εσωτερικά ρεύματα και το fuel crossover Α = i o είναι η πυκνότητα ρεύματος εναλλαγής m & n είναι σταθερές για την εξίσωση των απωλειών συγκέντρωσης και μεταφοράς μάζας. r είναι η αντίσταση ανά μονάδα επιφάνειας. Παρακάτω δίνεται η χαρακτηριστική, γνωστή και ως καμπύλη πόλωσης (polarization curve), η οποία χρησιμοποιείται για να μας δώσει μια εποπτική εικόνα των χαρακτηριστικών λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. Η συμπεριφορά της κυψέλης είναι μη γραμμική και εξαρτάται όπως αναφέραμε από διάφορους παράγοντες όπως η πυκνότητα ρεύματος, η θερμοκρασία της κυψέλης, οι μερικές πιέσεις των αντιδρώντων κ.α. Γενικά μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η τάση της κυψέλης μειώνεται με την αύξηση του ρεύματος (δηλαδή του φορτίου). Σχήμα 2.9: V-I Χαρακτηριστική μιας κυψέλης καυσίμου.

68 56 Από την παραπάνω καμπύλη συμπεραίνουμε ότι για μηδενικό ρεύμα, η τάση εξόδου είναι η ιδανική τάση ανοιχτού κυκλώματος. Για μικρές πυκνότητες ρεύματος έχουμε μια απότομη πτώση τάσης που οφείλεται στις απώλειες ενεργοποίησης. Στη συνέχεια ακολουθεί μια γραμμική μείωση της τάσης λόγω των ωμικών απωλειών και τέλος για μεγάλες πυκνότητες ρεύματος έχουμε μια πολύ απότομη πτώση τάσης η οποία οφείλεται στις απώλειες συγκέντρωσης. Επιπλέον, από την παραπάνω χαρακτηριστική μπορούμε να εξάγουμε το συμπέρασμα ότι η κυψέλη καυσίμου έχει ένα κατώτατο όριο τάσης λειτουργίας κοντά στα 0.5 V, κάτω από το οποίο η κυψέλη υποφέρει από έλλειψη καυσίμου και καταστρέφεται. Mια PEMFC, στη στάσιμη κατάσταση λειτουργίας, θα πρέπει να λειτουργεί στην γραμμική περιοχή των ωμικών απωλειών. 3.9 Το Ισοδύναμο Ηλεκτρικό Κύκλωμα Της PEMFC Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα της κυψέλης καυσίμου, σύμφωνα με όσα αναφέραμε και λαμβάνοντας το φαινόμενο της φόρτισης διπλού στρώματος (πυκνωτής C) είναι το εξής: Σχήμα 2.10: Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα μιας PEMFC με το φαινόμενο φόρτισης διπλού στρώματος.

69 Σχεδιασμός Μοντέλου Κυψέλης Καυσίμου Υδρογόνου στο PSCAD Επειδή δεν υπάρχει έτοιμο μοντέλο κυψέλης καυσίμου στη βιβλιοθήκη του προγράμματος, θα κατασκευάσουμε δικό μας μοντέλο. Θα στηριχθούμε στις παρακάτω εξισώσεις: V = E Nernst ΔV ohm ΔV act - ΔV trans E Nernst = E o + (T T ref ) + [ln ( *) + 0,5ln( *)] ΔV ohm = i r = ρ M T PEM ΔV act = ln( ) ΔV trans = m exp(ni) Θα κάνουμε κάποιες θεωρήσεις: Μελέτη μόνο στη μία διάσταση. Ιδανικά και ομοιόμορφα κατανεμημένα αέρια. Σταθερή πίεση των αερίων κατά τη ροή μέσα στα κανάλια. Το υδρογόνο και το οξυγόνο υπό μορφή ατμοσφαιρικού αέρα είναι ενυδατωμένα. Υποθέτουμε επίσης ότι η πίεση των υδρατμών στην άνοδο είναι 50% της πίεσης κορεσμού του νερού ενώ στην κάθοδο είναι 100%. Θερμοδυναμικές ιδιότητες εφαρμόζονται για την μέση θερμοκρασία της κυψέλης, αμελούμε την ποικιλότητα της θερμοκρασίας κατά μήκος της κυψέλης και θεωρούμε ότι η συνολική θερμοχωρητικότητα της στοίβας είναι σταθερή. Παράμετροι για μία κυψέλη επεκτείνονται αθροιστικά σε ολόκληρη τη στοίβα Κατασκευή της εξίσωσης Nernst E Nernst = E o + (T T ref ) + [ln ( *) + 0,5ln( *)]

70 58 Για αυτήν την εξίσωση λοιπόν έχουμε: E o = V = x 10-4 T ref = K = Οι μερικές πιέσεις του υδρογόνου και του οξυγόνου δίνονται από τις σχέσεις: o P H2 * = P H2,in x exp( ) 0.5 P SAT, H2O o P O2 * = P H2,in x exp( ) P SAT, H2O o i = Η πίεση κορεσμού του νερού δίνεται από: o P SAT, H2O = x T x 10-4 x T 2 [atm] Με όλα τα παραπάνω προχωράμε στην κατασκευή των μερών που θα αποτελέσουν την κυψέλη μας. Σχήμα 3.5.: Πίεση κορεσμού του νερού Το Σχήμα 3.5 υπολογίζει την πίεση κορεσμού του νερού. Έχει ως είσοδο τη θερμοκρασία η οποία ελέγχεται από ένα slider ώστε να μπορούμε να τη ρυθμίσουμε ανά πάσα στιγμή. Μέσα στο κουτί περιέχεται η εξίσωση που υπολογίζει την πίεση κορεσμού του νερού.

71 59 Σχήμα 3.6.: Μερικές πιέσεις υδρογόνου και οξυγόνου Το Σχήμα 3.6. υπολογίζει τις μερικές πιέσεις οξυγόνου και υδρογόνου. Έχει ως εισόδους την πίεση υδρογόνου και οξυγόνου σε ατμόσφαιρες [atm] οι οποίες μπορούν να ρυθμιστούν εξωτερικά με slider, το ρεύμα της κυψέλης, η ενεργός επιφάνεια της κυψέλης σε cm 2 που ρυθμίζεται εξωτερικά και τέλος την πίεση κορεσμού του νερού. Μέσα στο κουτί βρίσκονται οι εξισώσεις που υπολογίζουν τις μερικές πιέσεις υδρογόνου και οξυγόνου.

72 60 Σχήμα 3.7.: Μοντέλο κυψέλης καυσίμου Το Σχήμα 3.7. υπολογίζει την τάση Nernst καθώς και όλες τις εσωτερικές απώλειες που αναφέραμε νωρίτερα. Έχει ως εισόδους τη θερμοκρασία Τ, τις μερικές πιέσεις υδρογόνου και οξυγόνου, τη μεταβλητή m που είναι στις απώλειες συγκέντρωσης, τη μεταβλητή α που είναι στις απώλειες ενεργοποίησης, το πάχος της μεμβράνης T PEM, τη μεταβλητή ψ(y) που είναι στον υπολογισμό της ωμικής πτώσης τάσης και το ρεύμα κυψέλης Ι. Μέσα στο κουτί βρίσκονται οι εξισώσεις που υπολογίζουν το κάθε είδος απωλειών.

73 61 Σχήμα 3.8.: Τάση εξόδου μοντέλου κυψέλης Το Σχήμα 3.8 μας δίνει την καθαρή τάση εξόδου της κυψέλης έχοντας αφαιρέσει από την τάση Nernst τις απώλειες. Ο πυκνωτής που έχει μπει παράλληλα στις απώλειες ενεργοποίησης και συγκέντρωσης είναι για το double layer charging effect. Η τιμή του επιλέχθηκε 3 Farad, μια λογική τιμή για το συγκεκριμένο φαινόμενο. Οι αντιστάσεις που αντιστοιχούν στις απώλειες παίρνουν τιμή από το Σχήμα 4.9. Σχήμα 3.9.: Υπολογισμός αντιστάσεων απωλειών Έτσι προκύπτει η τάση για μία κυψέλη. Εφαρμόζοντας την 6η υπόθεση, για να πάρουμε μια στοίβα, θα πολλαπλασιάσουμε την τάση της μια κυψέλης με το πλήθος των κυψελών.

74 62 Σχήμα 3.10.: Τάση εξόδου στοίβας 200 κυψελών καυσίμου Ο αριθμός 200 κυψελών δεν είναι τυχαίος. Έχει επιλεγεί τέτοιος έτσι ώστε η τάση εξόδου της στοίβας να «παίζει» σε συγκεκριμένα όρια. Θα το κατανοήσουμε καλύτερα στα κεφάλαια που ακολουθούν. Επίσης παρατηρούμε ότι έχουμε τη δυνατότητα μέσω των panel ελέγχου να ρυθμίζουμε κάποιες από τις μεταβλητές μας. Τα όρια που έχουν οι μεταβλητές είναι πραγματικά και έτσι φροντίζουμε να κινούμαστε μόνο μέσα σε θεμιτά πλαίσια για τις δοκιμές μας. Βλέπουμε ότι δουλεύομε σε 60 ο C θερμοκρασία κυψέλης, 1.2 atm πίεση υδρογόνου, 1.4 atm πίεση οξυγόνου, 380 cm 2 επιφάνεια κυψέλης, cm πάχος μεμβράνης. Εν συνεχεία θα υπολογίσουμε πειραματικά την V-I και P-I χαρακτηριστική της στοίβας κυψελών καυσίμου που αποτελείται από 200 κυψέλες σε σειρά. Σχήμα 3.11.: Ισχύς εξόδου στοίβας 200 κυψελών καυσίμου Για να ελέγξουμε τη λειτουργία της κυψέλης βάλαμε διάφορα φορτία (αντιστάσεις) και είδαμε το ρεύμα και την ισχύ που δίνει η κυψέλη.

75 Ισχύς (W) Τάση (V) 63 Σχήμα 3.11.: Κατανάλωση ενέργειας κυψέλης σε φορτίο Έτσι μας προκύπτουν οι χαρακτηριστικές τάσης κ ισχύος σε συνάρτηση της πυκνότητας ρεύματος, για μια στοίβα με 200 κυψέλες και επιφάνεια κυψέλης 380 cm 2. Οι δοκιμές έγιναν μεταβάλλοντας χειροκίνητα το φορτίο και αποθηκεύοντας τα δεδομένα Ρεύμα (Α) Σχήμα 3.12.:Μετρηθείσα χαρακτηριστική τάσης Ρεύμα (Α) Σχήμα 3.13.:Μετρηθείσα χαρακτηριστική ισχύος

76 64 Παρατηρούμε ότι οι καμπύλες μας προσεγγίζουν αρκετά καλά τη μορφή των θεωρητικών καμπυλών. Οι μικρές αστοχίες μπορεί να οφείλονται στην επιλογή κάποιων μη ιδανικών τιμών των παραμέτρων. Επίσης για να μπορούν οι κυψέλες καυσίμου να καλύψουν από μόνες τους τα 30kW του φορτίου θα πρέπει να βάλουμε 3 στοίβες παράλληλα έτσι ώστε να τριπλασιάσουμε την ισχύ. Πράγματι, η σύνδεση αυτή των στοιβών είναι ικανή να παράγει την απαιτούμενη ισχύ, καθώς όπως βλέπουμε η μία στοίβα των 200 κυψελών παράγει το μέγιστο περίπου 12kW. Άρα οι τρεις στοίβες μπορούν να παράξουν πολύ μεγαλύτερη ισχύ.

77 65

78 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 DC/DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ 4.1 Γενικά Οι μετατροπείς ισχύος επιτελούν τον έλεγχο στο μικροδίκτυο όπως και σε όλες σχεδόν τις διατάξεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μέσω αυτών η παραγόμενη τάση από ΑΠΕ, μετατρέπεται είτε σε συνεχή άλλης στάθμης είτε σε εναλλασσόμενη ελεγχόμενου πλάτους και συχνότητας. Μια διαφορετική μέθοδος θα ήταν η τροφοδότηση με τη συνεχή τάση κινητήρων συνεχούς ρεύματος οι οποίοι με τη σειρά τους κινούν γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος. Η διάταξη αυτή δεν χρησιμοποιείται τόσο λόγω των μεγάλων απωλειών όσο και λόγω κόστους. Γεγονός είναι ότι χωρίς τα ηλεκτρονικά ισχύος θα ήταν πολύ δύσκολος ο έλεγχος όλων των ηλεκτρικών πηγών ενέργειας. Οι μετατροπείς ισχύος χωρίζονται στις εξής βασικές κατηγορίες: Μετατροπείς AC/DC (ανορθωτές) Διακοπτικοί μετατροπείς DC/DC Αντιστροφείς DC/AC Μιλώντας γενικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι όλες οι διατάξεις ΑΠΕ χρησιμοποιούν τις ίδιες βασικές διατάξεις και αρχές λειτουργίας. Οι βασικοί τύποι μετατροπέων που εξετάζουμε είναι ο μετατροπέας DC/DC, και ο αντιστροφέας DC/AC. Πυρήνας των διατάξεων αυτών είναι τα τρανζίστορ ισχύος, τα οποία μέσω των διακοπτικών τους ιδιοτήτων αναλαμβάνουν την μετατροπή της τάσης. Tα τρανζίστορ χρησιμοποιούνται για την μετατροπή της τάσης εισόδου από τις πηγές, είτε σε συνεχή άλλης στάθμης (DC/DC) είτε σε εναλλασσόμενη (DC/AC). Διάφοροι τύποι τρανζίστορς χρησιμοποιούνται ανάλογα με τις απαιτήσεις των εφαρμογών. Οι σύγχρονες διατάξεις χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον τρανζίστορς τύπου IGBT. Τα IGBT αποτελούν ένα συνδυασμό των ΜΟSFET ισχύος και των διπολικών τρανζίστορ επαφής (BJT), συνδυάζουν δηλαδή τις ταχείες μεταβάσεις από την κατάσταση αποκοπής σε κατάσταση αγωγιμότητας των πρώτων και τις μικρές απώλειες κατά

79 67 την αποκοπή μεγάλων τάσεων των δεύτερων. Τυπικοί χρόνοι μετάβασης από κατάσταση αποκοπής σε κατάστασης αγωγιμότητας είναι της τάξεως του 1μsec, ενώ για την μετάβαση αυτή δεν απαιτείται παρά μόνο μια μικρή τάση της τάξεως των 2-3 Volt στην πύλη. Τα IGBT μπορούν να διαχειριστούν μεγάλες τάσεις και ρεύματα που σήμερα φτάνουν τα 1700volt και τα 1200Α. Στο IGBT ο έλεγχος της ροής ρεύματος μεταξύ πηγής (source) και απαγωγού (drain) γίνεται από την πύλη (gate). Ο ακροδέκτης της πηγής είναι κοινός μεταξύ της εισόδου και της εξόδου. Για την μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη τα IGBT χρησιμοποιούνται ως διακόπτες, παράγοντας παλμούς τάσης μεταβλητής διάρκειας ώστε να σχηματιστεί στην έξοδο της γέφυρας η ημιτονοειδής κυματομορφή. Στο σχήμα 4.1 φαίνονται οι χαρακτηριστικές ρεύματος τάσης καθώς και το κυκλωματικό σύμβολο του IGBT. Σχήμα 4.1: Χαρακτηριστικές λειτουργίας IGBT. α) Χαρακτηριστική λειτουργίας I-V για IGBT τύπου n, β) χαρακτηριστική μεταφοράς ρεύματος απαγωγού τάσης πύλης (Id - Vgs), γ), δ) κυκλωματικά σύμβολα ΙGBT καναλιού n.

80 68 Οι μετατροπείς dc-dc χρησιμοποιούνται ευρέως σε σταθεροποιημένες dc τροφοδοσίες διακοπτικού τύπου και σε εφαρμογές dc κινητήριων συστημάτων. Χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της μη σταθεροποιημένης dc εισόδου σε μία ελεγχόμενη dc έξοδο. Μπορεί να είναι είτε μετατροπέας ανύψωσης τάσεως(boost converter), είτε υποβιβασμού τάσης (buck converter) ή μικτός μετατροπέας (υποβιβασμού-ανύψωσης τάσης). Οι μετατροπείς αυτοί ρυθμίζουν την τάση στην έξοδό τους να είναι μεγαλύτερη αν είναι boost τύπου, μικρότερη αν είναι buck τύπου και ο μικτός μετατροπέας μπορεί να κάνει και τα δύο. Η ρύθμιση αυτή της τάσης εξόδου γίνεται μέσω της έναυσης και της σβέσης του διακοπτικού στοιχείου. Παρακάτω ακολουθεί η ανάλυση της λειτουργία του ανυψωτή τάσης converter μιας και αυτόν χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας. 4.2 Ανυψωτής τάσης (BOOST-TYPE CONVERTER) Η τάση εξόδου της συστοιχίας κυψελών καυσίμου πρέπει να ανυψωθεί και να σταθεροποιηθεί, ώστε να μπορέσει στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί στον αντιστροφέα. Για το σκοπό αυτό θα χρησιμοποιήσουμε στο σύστημά μας ένα μετατροπέα ανύψωσης. Ο μετατροπέας ανύψωσης (boost converter) είναι μια διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος, η οποία λαμβάνει σαν είσοδο συνεχή τάση και δίνει στην έξοδό της επίσης συνεχή τάση. Έχουμε να κάνουμε δηλαδή με ένα dc-dc μετατροπέα. Ο μετατροπέας αυτός δίνει στην έξοδό του υψηλότερη τάση από αυτή της εισόδου. Ο boost converter που χρησιμοποιούμε στην φωτοβαλταϊκή συστοιχία είναι υπεύθυνος για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται μια τυπική διάταξη μετατροπέα ανύψωσης.

81 69 Σχήμα 4.2: Κύκλωμα μετατροπέα ανύψωσης Όπως βλέπουμε η διάταξη αποτελείται από ένα πηνίο (L), ένα διακόπτη Τ, μία δίοδο (D) και ένα πυκνωτή (C). Στο σύστημά μας χρησιμοποιείται σαν διακόπτης ένα IGTB Ανάλυση λειτουργίας μετατροπέα ανύψωσης Για να γίνει κατανοητός ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί ο μετατροπέας ανύψωσης, θα χωρίσουμε τον κύκλο λειτουργίας του σε 2 φάσεις και θα αναλύσουμε κάθε φάση ξεχωριστά. Φάση 1 η : Κατά τη φάση αυτή ο διακόπτης βρίσκεται σε αγωγή (κλείνει) και έτσι το πηνίο συνδέεται στα άκρα της πηγής εισόδου, οπότε αποθηκεύεται σε αυτό ενέργεια. Η δίοδος πολώνεται ανάστροφα απομονώνοντας τη βαθμίδα εξόδου και ο πυκνωτής εκφορτίζεται στο φορτίο που συνδέεται στην έξοδο του μετατροπέα. Κατά τη φάση αυτή το ισοδύναμο κύκλωμα έχει ως εξής:

82 70 Σχήμα 4.3. Φάση αγωγής του Q Φάση 2 η : Στη φάση αυτή, ο διακόπτης Q ανοίγει, οπότε παύει να άγει. Όταν συμβεί αυτό, η ενέργεια που αποθηκεύτηκε στο πηνίο μεταφέρεται, μαζί με την ενέργεια της πηγής, στο φορτίο. Η τάση δηλαδή στα άκρα του πηνίου προστίθεται στην τάση της πηγής και εφαρμόζεται στα άκρα του φορτίου. Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στη συνέχεια. Σχήμα 4.4.: Φάση αποκοπής του Q 4.3 Περιοχές Λειτουργίας λειτουρίας: Ο μετατροπέας ανύψωσής τάσης χαρακτηρίζειται από δύο περιοχές

83 Λειτουργία συνεχής αγωγής Κατά τη λειτουργία συνεχούς αγωγής το ρεύμα του πηνίου δεν προλαβαίνει να μηδενιστεί εξαιτίας της ενέργειας που έχει προσλάβει όταν το διακοπτικό στοιχείο ήταν κλειστό και η οποία δεν προλαβαίνει να καταναλωθεί πλήρως στο φορτίο όταν ο διακόπτης ανοίγει. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις των χαρακτηριστικών μεγεθών των στοιχείων που αποτελούν τον μετατροπέα, για την περίπτωση όπου το πηνίο δεν προλαβαίνει να εκφορτηστεί πλήρως( κατά τη δεύτερη φάση λειτουργίας), δηλαδή επικρατεί συνεχής αγωγή. Σχ.4.5: Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των στοιχείων του ανυψωτή τάσης κατά την συνεχή αγωγή. Χρησιμοποιώντας τη συνεχή αγωγή στο πηνίο επιτυγχάνεται καλύτερη εξομάλυνση στο ρεύμα εξόδου, αλλά από την άλλη μεριά απαιτείται μεγαλύτερο πηνίο και συνεπώς αυξάνεται το βάρος και ο ογκος της συσκευής.

84 72 Η διαμόρφωση του πλάτους εξόδου του μετατροπέα καθορίζεται από την τάση εισόδου και το λόγο κατάτμησης δ = (duty cycle), ο οποίος εκφράζει το χρόνο αγωγής του διακοπτικού στοιχείου t on ως προς την περίοδο λειτουργίας του μετατροπέα T s = t on + t off. Η αύξηση του λόγου κατάτμησης, και συνεπώς του λόγου αγωγής, συνεπάγεται την αύξηση της μέσης τάσης εξόδου του μετατροπέα. Σχ.4.6: Βασικές κυματομορφές συνεχούς αγωγής Οι βασικοί τύποι περιραφής της λειτουργίας του μετατροπέα ανύψωσης τάσης είναι οι εξής: Πίνακας 4.1: Βασικοί τύποι για τον μετατροπέα ανύψωση τάσης = I i =

85 73 I L,MAX I L,MIN = δ T s = (1-δ) T s Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής Κατά τη λειτουργία ασυνεχούς αγωγής, το ρεύμα του πηνίου μηδενίζεται. Αυτό συμβαίνει επειδή κατά τη φάση όπου το διακοπτικό στοιχείο ήταν κλειστό, η ενέργεια που προσέλαβε το πηνίο δεν ήταν αρκετή ώστε να μπορέσει να συνεχίσει να δίνει ρεύμα. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται οι γραφικές παραστάσεις των χαρακτηριστικών μεγεθών των στοιχείων που αποτελούν τον μετατροπέα, για την περίπτωση όπου το πηνίο προλαβαίνει να εκφορτιστεί πλήρως(κατά τη δεύτερη φάση λειτουργίας), δηλαδή επικρατεί ασυνεχείς αγωγή.

86 74 Σχ.4.2.3: Κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων των στοιχείων του ανυψωτή τάσης κατά την ασυνεχή αγωγή. Σχ.4.7: Βασικές κυματομορφές συνεχούς αγωγής.

87 75 Μερικοί τύποι για τον μετατροπέα boost στην ασυνεχή αγωγή είναι: Πίνακας 4.2 Βασικοί τύποι για τον μετατρόπεα ανύψωση τάσης = Οριακή κατάσταση λειτουργίας Πρόκειται για την οριακή κατάσταση λειτουργίας όπου το ρεύμα του πηνίου μόλις που προλαβαίνει να φτάσει στο μηδενισμό. Σχ.4.8: Βασικές κυματομορφές στο όριο συνεχούς-ασυνεχούς αγωγής. Σε αυτήν την περίπτωση ισχύουν τα εξής:

88 76 Σχ.4.9: Ρεύμα πηνίου και ρεύμα διόδου. I L,max = (-t off ) T s = [-(1-δ)] T s I ob = (1 δ) = (1 δ) (1 δ) T s => I ob = (1 δ) 2 T s (1) Στο σχ δίνονται οι κυματομορφές στο όριο της λειτουργίας με συνεχές ρεύμα. Εξορισμού, στη λειτουργία αυτή το i L μηδενίζεται στο τέλος του χρονικού διαστήματος κατά το οποίο ο διακόπτης είναι ανοικτός. Η μέση τιμή του ρεύματος του πηνίου στο όριο αυτό είναι: I LB = dt = x Εμβαδόν Τριγώνου => I LB = I L,peak = t on = δ (1-δ) (2) Όπως είδαμε παραπάνω, η σχέση εισόδου-εξόδου του μετατροπέα είναι: =

89 77 Επιπλέον αν θεωρήσουμε ότι στον μετατροπέα δεν έχουμε απώλειες ισχύος, δηλαδή PI = Po, τότε Από το οποίο προκύπτει ότι V i I i = V o I o = (1 δ) (3) Αναγνωρίζοντας ότι σε έναν dc-dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης το ρεύμα του πηνίου και το ρεύμα εισόδου ταυτίζονται και χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις (2), (3), υπολογίζεται ότι το μέσο ρεύμα εξόδου στο όριο της λειτουργίας με συνεχή αγωγή ρεύματος είναι: I ob = δ (1-δ) 2 Στις περισσότερες εφαρμογές που χρησιμοποιείται ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης, απαιτείται η V o να διατηρείται σταθερή. Επομένως, με τη V o σταθερή σχεδιάζονται στο παρακάτω σχήμα τα Ι LB και I ob ως συνάρτηση του λόγου δ. Σχ.4.10.

90 78 Η διατήρηση της V o σταθερής και η μεταβολή της σχετικής διάρκειας αγωγής, σημαίνει ότι μεταβάλλεται η τάση εισόδου. Σε αυτήν την περίπτωση το οριακό ρεύμα εξόδου γίνεται: I Ob = (1-δ) 2 T s => I Ob = Από το σχ βλέπουμε ότι το I Ob έχει μέγιστο για δ=1/3 = δηλαδή I Ob,max = = Επίσης βλέπουμε ότι το οριακό ρεύμα πηνίου έχει μέγιστο για δ = 0.5 Οπότε η (2) δίνει: I LB,max = = Σε σχέση με τα πλάτη τους, τα I LB και I Ob μπορούν να εκφραστούν ως I LB = 4δ(1-δ) I LB,max και I Ob = δ(1-δ) 2 I Ob,max Η σχέση = δείχνει ότι αυξάνοντας τον συντελεστή χρησιμοποίησης του διακόπτη συνεχώς θα αυξάνεται η τάση εξόδου. Μάλιστα όταν δ 1, δηλαδή όταν ο διακόπτης είναι σχεδόν συνέχεια κλειστός, προκύπτει V o. Αυτό βέβαια δεν είναι δυνατό να συμβαίνει σε ένα πραγματικό κύκλωμα. Στην πραγματικότητα με αυτόν τον μετατροπέα ανύψωσης τάσης επιτυγχάνεται κατά μέγιστο ανύψωση με λόγο 4 ως 5. Η μικρότερη δυνατή τιμή της τάσης εξόδου προκύπτει για δ = 0 και είναι ίση με την τάση εισόδου. Άρα λοιπόν μπορούμε να καθορίσουμε την τιμή της τάσης εξόδου μεταβάλλοντας το βαθμό χρησιμοποίησης του διακόπτη.

91 79 Με βάση τις παραπάνω εξισώσεις, επιλέγουμε το δ, που καθορίζει την τάση εξόδου του μετατροπέα. Στη συνέχεια, αφού λάβουμε υπ όψη τη συχνότητα λειτουργίας του διακόπτη, επιλέγουμε τις τιμές του L και του C, ώστε η κυμάτωση στο ρεύμα του πηνίου και στην τάση εξόδου να είναι σε ικανοποιητικά πλαίσια. Τα πλεονεκτήματα του μετατροπέα ανύψωσης τάσης σχετίζονται με το μικρό πλήθος στοιχείων που χρειάζονται γα την κατασκευή του. Καταρχήν έχει μικρό κόστος κατασκευής. Επιπλέον, επειδή χρησιμοποιείται μόνο ένας διακόπτης, από τον οποίο μάλιστα δεν διέρχεται όλη η ενέργεια που καταλήγει στο φορτίο, έχει πολύ λιγότερες απώλειες. Για να λειτουργήσει ο ανυψωτής τάσης, πρέπει να ανοιγοκλείνουμε το διακοπτικό του στοιχείο με κάποια συχνότητα. Η μέθοδος παραγωγής του σήματος ελέγχου του διακόπτη έχει ως: Αρχικά δημιουργώ μία πριονωτή κυματομορφή με σταθερή συχνότητα. Η συχνότητα της κυματομορφής αυτής επηρεάζει τη συχνότητα μετάβασης του μετατροπέα. Αυτή η συχνότητα μετάβασης καθορίζει το ημιαγωγικό στοιχείο το οποίο θα παίξει τον ρόλο του διακόπτη. Εκτός από την τριγωνική κυματομορφή, έχω και ένα σήμα έλεγχου. Από την σύγκριση αυτών των δύο σημάτων παράγεται το σήμα ελέγχου του διακόπτη. Πιο συγκεκριμένα, όταν το σήμα ελέγχου είναι μεγαλύτερο από την πριονωτή κυματομορφή, τότε το σήμα ελέγχου του διακόπτη γίνεται high, προκαλώντας το κλείσιμο του διακόπτη. Διαφορετικά, όταν το σήμα έλεγχου είναι μικρότερο από την πριονωτή κυματομορφή τότε ο διακόπτης ανοίγει.

92 80 Σχ.4.11: Τεχνική διαμόρφωσης του εύρους παλμών Υποθέτουμε ότι το σήμα ελέγχου έχει σταθερή τιμή. Αν μεταβληθεί το ρεύμα φορτίου, θα μεταβληθεί το ρεύμα εισόδου του μετατροπέα. Αυτό συνεπάγεται μεταβολή της τάσης εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και της συστοιχίας των κυψελών καυσίμου η οποία ισούται με την τάση εισόδου του μετατροπέα. Όμως, η τάση εξόδου του μετατροπέα εξαρτάται: 1. Από την τάση εισόδου του μετατροπέα η οποία μεταβάλλεται. 2. Από το διάστημα αγωγής του διακόπτη το οποίο είναι σταθερό. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι δεν μπορούμε να κρατήσουμε σταθερή την τάση εξόδου του μετατροπέα. Για να το επιτύχουμε αυτό θα πρέπει να ρυθμίζουμε τη διάρκεια κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός δηλαδή να ρυθμίσω το σήμα ελέγχου με τη βοήθεια ενός ελέγχου. Αυτή η μέθοδος ελέγχου σύμφωνα με την οποία ρυθμίζω τη διάρκεια κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός και διατηρώ σταθερή τη συχνότητα μετάβασης ονομάζεται μετάβαση με διαμόρφωση εύρους παλμών.

93 Διαστασολόγηση Παλμοδότηση του Ανυψωτή Τάσης και το Σύστημα Ελέγχου Στην προσομοίωσή μας θα χρησιμοποιήσουμε δύο μετατροπείς ανύψωσης τάσης) boost converters). Ο ένας είναι για την φωτοβολταϊκή συστοιχία και ο άλλος για την στοιβάδα κυψελών καυσίμου. Θα μελετήσουμε ξεχωριστά τους δύο μετατροπείς που χρησιμοποιούμε στο σύστημά μας Χαρακτηριστικά PV converter Θέλουμε ο μετατροπέας να λειτουργεί σε κατάσταση συνεχούς αγωγής ώστε να λειτουργεί ως πηγή σταθερούς τάσης. Τα στοιχεία που γνωρίζουμε για τον μετατροπέα είναι: Vout Vin,min Vin,max ΔΙ fs 900 V 327 V V 0,5 A 5000 Hz Η τάση εξόδου του μετατροπέα επιλέγεται να είναι με αυτή του κοινού dc bus. Η ελάχιστη και η μέγιστη τάση εισόδου είναι η τάσεις που εμφανίζονται στο φωτοβολταϊκό όταν οι εξωτερικές συνθήκες μεταβάλλονται από W/m 2 η ηλιοφάνεια και από 80 o C- -10 o C η θερμοκρασία Επιλογή των Στοιχείων του Ανυψωτή Τάσης Υπολογισμός Πηνίου Για μέγιστη ισχύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας P max = 34.3kW => I O,max = 38,2 A. Θεωρώ ότι είμαστε στο όριο συνεχούς-ασυνεχούς περιοχής οπότε εξακολουθεί να ισχύει η σχέση:

94 82 = => δ = 1 Για V i = 327V => δ = 0,64 Για V i = 420.5V => δ = 0,534 Στο σχήμα που ακολουθεί παρατηρούμε ότι για να βρίσκεται ο μετατροπέας μόνιμα στην περιοχή λειτουργίας συνεχούς αγωγής πρέπει το ρεύμα εξόδου για οριακή κατάσταση λειτουργίας (διακεκομμένη γραμμή) να είναι μικρότερο του ελάχιστου ρεύματος εξόδου του μετατροπέα, δηλαδή > 0.9. Σχήμα 4.13: Χαρακτηριστικές του dc - dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης με V o σταθερή Επομένως στο οριακό σημείο έχουμε = 0.9 => = 34.3 Α

95 83 Επίσης έχουμε: * = => = 34.3 => L = mh. Ακόμα πρέπει να λάβουμε υπ όψιν μας και την κυμάτωση του ρεύματος ή οποία θέλουμε να είναι μικρότερη από 0,5 Α. Είναι: U L = L => ΔI L = Διακρίνουμε 2 περιπτώσεις: 1 η περίπτωση: Vin = 327 και δ=0,64 Έχουμε ΔI L < 0.5 => < 0.5 => L > H 2 η περίπτωση: Vin = V και δ = 0,534 Έχουμε ΔI L < 0.5 => < 0.5 => L > H Προφανώς κρατάμε το μεγαλύτερο πηνίο από αυτά που υπολογίσαμε, δηλαδή L = H. Μάλιστα, για να είμαστε ακόμα πιο σίγουροι θα δώσουμε στο πηνίο τελικά την τιμή: L = 0.09 Η. Υπολογισμός Πυκνωτή Θέλουμε κυμάτωση της τάσης μικρότερη από 1V ΔV C < 1 V => δ Τ < 1 Είναι Vin = 327 V, δ = 0,64, Vout = 900V και P o,max = 34.3 KW. Τότε

96 84 P o,max = => R = Ω Άρα 0.64 < 1 => C > F =>C > 4.86mF C 5 mf Χαρακτηριστικά FC converter Τα στοιχεία που γνωρίζουμε για τον μετατροπέα είναι: Vout Vin,min Vin,max Κυμάτωση τάσης Κυμάτωση ρεύματος εισόδου 900 V 191 V 235 V ΔVo=1 V ΔIin=0.5 A Υπολογισμός Πηνίου Για μέγιστη ισχύ P max = 30kW => I O,max = 33,3 A. Θεωρώ ότι είμαστε στο όριο συνεχούς-ασυνεχούς περιοχής οπότε εξακολουθεί να ισχύει η σχέση: = => δ = 1 Για V i = 191 V => δ = 0,787 Για V i = 235 V => δ = 0,74 Ομοίως με πριν θα πρέπει > 0.0.

97 85 Επομένως στο οριακό σημείο έχουμε = 0.9 => = 30 Α Επίσης έχουμε: * = => 0.074= 30 => L = mh. Ακόμα πρέπει να λάβουμε υπ όψιν μας και την κυμάτωση του ρεύματος ή οποία θέλουμε να είναι μικρότερη από 0,5 Α. Είναι: U L = L => ΔI L = Διακρίνουμε 2 περιπτώσεις: 1 η περίπτωση: Vin = 194 και δ=0,784 Έχουμε ΔI L < 0.5 => < 0.5=> L > 0.06H 2 η περίπτωση: Vin = 230 V και δ = 0,74 Έχουμε ΔI L < 0.5 => < 0.5 => L > H Προφανώς κρατάμε το μεγαλύτερο πηνίο από αυτά που υπολογίσαμε, δηλαδή L = H. Μάλιστα, για να είμαστε ακόμα πιο σίγουροι θα δώσουμε στο πηνίο τελικά την τιμή: L = 0.07 Η. Υπολογισμός Πυκνωτή Θέλουμε κυμάτωση της τάσης μικρότερη από 1V ΔV C < 1 V => δ Τ < 1 Είναι Vin = 194 V, δ = 0,784, Vout = 900V και R = 27 Ω.

98 86 Άρα < 1 => C > F =>C > 5.977mF C 6 mf 4.5 Κύκλωμα ελέγχου MPPT Όπως είπαμε και πριν, ο boost converter στη φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι υπεύθυνος για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος. Επίσης, ένας επιπλέον λόγος που τον καθιστά απαραίτητο είναι ότι ο Inverter δέχεται στην είσοδό του 900 V. Όπως είδαμε πριν η μέγιστη τάση που παράγει η συστοιχία είναι πολύ χαμηλότερη από αυτήν την τάση. Επομένως ανάμεσα από τον Inverter και από την φωτοβολταϊκή συστοιχία πρέπει να παρεμβάλλεται κάτι έτσι ώστε να μετασχηματίζει αυτήν την τάση. Αυτόν τον ρόλο τον επιτελεί ο μετατροπέας. Ο λόγος που επιλέξαμε μετατροπέα ανύψωσης τάσης είναι ότι η τάση εξόδου του μετατροπέα είναι μεγαλύτερη από την τάση εισόδου του. Στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 4.13 φαίνεται η φωτοβολταϊκή συστοιχία που συνδέεται με τον ανυψωτή τάσης και εν συνεχεία με μία πηγή τάσης που συμβολίζει το άπειρο δίκτυο.

99 87 Σχ.4.14.: Ο μετατροπέας ανύψωσης και το κύκλωμα ελέγχου του όπως προσομοιώνεται στο pscad. Η μέθοδος παραγωγής του σήματος ελέγχου του διακοπτικού στοιχείου έχει ως εξής: Αρχικά δημιουργώ μια τριγωνική κυματομορφή με σταθερή, υψηλή συχνότητα στα 5 khz. Θα μπορούσαμε να βάλουμε ακόμα μεγαλύτερη συχνότητα και να μειωθούν έτσι τα στοιχεία του κυκλώματος (L,C) αλλά σε συχνότητες μεγαλύτερες το πρόγραμμα παρουσιάζει αστοχίες. Η συχνότητα αυτή καθορίζει τη συχνότητα μετάβασης του μετατροπέα. Εκτός από την τριγωνική κυματομορφή έχω και ένα σήμα ελέγχου. Από την σύγκριση των δύο αυτών σημάτων παράγεται το σήμα ελέγχου του διακόπτη. Πιο συγκεκριμένα όταν το σήμα ελέγχου είναι μεγαλύτερο από την τριγωνική κυματομορφή, τότε το σήμα ελέγχου γίνεται high προκαλώντας το κλείσιμο του διακόπτη. Αντίθετα, όταν το σήμα ελέγχου είναι μικτότερο από την τριγωνική κυματομορφή τότε ο διακόπτης ανοίγει.

100 88 Σχ.4.15.: Τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών Η παραγωγή του σταθερού σήματος ελέγχου έχει να κάνει με την ανίχνευση του σημείου μεγίστης ισχύος. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείτε ένα module το οποίο παίρνει ως είσοδο το ρεύμα και την τάση εξόδου της συστοιχίας και προσδιορίζει το σημείο μέγιστης ισχύος. Η έξοδος του module αυτού είναι η τάση V mpp για την οποία το φωτοβολταϊκό θα παράγει την μέγιστη ισχύ. Το πραγματικό λοιπόν σήμα Vpv συγκρίνεται με την επιθυμητή τάση V mpp. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης οδηγείται σε έναν pi ελεγκτή. Ο αναλογικός ελεγκτής πολλαπλασιάζει το σφάλμα με μία σταθερά Kp. Αυτό επηρεάζει την ταχύτητα της απόκρισης. Αυξάνοντας το Kp, η απόκριση του ελεγκτή γίνεται ταχύτερη. Βέβαια αυτό έχει το μειονέκτημα ότι οδηγεί σε μεγαλύτερες υπερυψώσεις μέχρι να ισορροπήσει στην τελική τιμή. Ο ολοκληρωτικός ελεγκτής ολοκληρώνει το σφάλμα και το πολλαπλασιάζει με μία σταθερά Τ i. Αυξάνοντας την απόλυτη τιμή της χρονικής σταθεράς ολοκλήρωσης T i, το σφάλμα στη μόνιμη κατάσταση μειώνεται αλλά αυξάνεται ο χρόνος απόκρισης σε μία διαταραχή του συστήματος. Η έξοδος του pi ελεγκτή εν συνεχεία συγκρίνετε με την τριγωνική κυματομορφή και από την σύγκριση αυτή προκύπτει το διάστημα αγωγής του IGBT.

101 89 Σχ.4.16.: Βρόχος έλεγχου του boost converter Παρακάτω εμφανίζονται οι γραφικές παραστάσεις της ισχύς της τάσης, της ισχύς και του ρεύματος εξόδου του φωτοβολταϊκού που προκύπτουν από την προσομοίωση του κυκλώματος σχ Αρχικά η ακτινοβολία είναι στα 1000W/m 2, στα 2 sec η ακτινοβολία πέφτει απότομα στα 600 W/m 2 και τέλος στα 4sec πέφτει στα 200 W/m 2. Σχ.4.17.: Τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού με μεταβολή της ακτινοβολίας

102 90 Σχ.4.18.: Ισχύς εξόδου του φωτοβολταϊκού με μεταβολή της ακτινοβολίας Σχ.4.19.: Ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού με μεταβολή της ακτινοβολίας Συμπεράσματα: Παρατηρούμε ότι φωτοβολταϊκό λειτουργεί στο μέγιστο σημείο λειτουργίας του. Όταν αλλάξει η ακτινοβολία, τόσο η τάση όσο και το ρεύμα αλλάζουν. Οι αποκρίσεις της συστοιχίας στις περιβαλλοντικές αλλαγές βλέπουμε ότι είναι πολύ γρήγορες. Επιπλέον, η μεν τάση παρότι μεταβάλλεται μετά από σύντομο χρονικό διάστημα συγκλίνει στην νέα τάση Vmpp και έτσι παράγει τη μέγιστη ισχύ για τις δεδομένες εξωτερικές συνθήκες. Το ρεύμα βλέπουμε ότι είναι πιο ευαίσθητο στις μεταβολές της ακτινοβολίας, πράγμα απολύτως αναμενόμενο.

103 Κυψέλη καυσίμου με dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης Υπενθυμίζουμε ότι στην προσομοίωσή μας έχουμε μέγιστη χρησιμοποίηση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, μιας και η παραγωγή ενέργειας από την συγκεκριμένη πηγή ισχύος δεν κοστίζει. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούμε το μετατροπέα για να πετυχαίνουμε την μέγιστη εκμετάλλευση της δεδομένης εγκατάστασης φωτοβολταϊκών. Από την άλλη, η παραγωγή ενέργειας από τις κυψέλες καυσίμου κοστίζει. Έτσι θέλουμε οι κυψέλες καυσίμου να παράγουν το έλλειμμα ισχύος που προκύπτει όταν τα φωτοβολταϊκά δεν μπορούν να καλύψουν το φορτίο (πχ. Λόγω χαμηλής ηλιοφάνειας). Αυτό το ρόλο λοιπόν θα αναλάβει ο μετατροπέας της κυψέλης καυσίμου. Να ελέγχει δηλαδή τη ροή ισχύος των κυψελών. Επίσης όπως αναφέρθηκε και πριν ένας άλλος λόγος που είναι απαραίτητος ο μετατροπέας είναι ότι οι στιβάδα κυψελών καυσίμου βγάζει τάση εξόδου V ενώ ο dc bus κοινός κόμβος των φωτοβολταϊκών και των κυψελών καυσίμου έχει τάση 900V που είναι σταθερή. Στο παρακάτω σχήμα Σχήμα 4.18 φαίνεται η στιβάδα κυψελών καυσίμου που συνδέεται με τον ανυψωτή τάσης και εν συνεχεία με μία πηγή τάσης που συμβολίζει το άπειρο δίκτυο. Την κυψέλη καυσίμου επειδή είναι μία πηγή ισχύος την αντικαθιστώ με μία dc πηγή τάσης που έχει την τάση της στοίβας και μία dc πηγή ρεύματος που έχει το ρεύμα της στοίβας. Αν αντικαθιστούσα την στοίβα μόνο με μία dc τάση τότε ναι μεν η τάση εισόδου του μετατροπέα θα ήταν ίση με την τάση της στοίβας, αλλά το ρεύμα δεν θα ήταν ίδιο.

104 92 Σχ.4.20.: Ο μετατροπέας ανύψωσης και το κύκλωμα ελέγχου του όπως προσομοιώνεται στο pscad. Η λογική του ελέγχου είναι παρόμοια με αυτή του μετατροπέα της φωτοβολταϊκής συστοιχίας με τη διαφορά ότι ο μετατροπέας εδώ χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ροής ισχύος. Έτσι εδώ δεν έχουμε τάσεις στην του ελέγχου αλλά ισχύς. Pboost είναι η ισχύς εξόδου του μετατροπέα και Pfcstack είναι η ισχύς που παράγει η στοίβα των κυψελών καυσίμου. Αυτό που κάνει ο έλεγχος εδώ είναι να προσαρμόζει το duty cycle έτσι ώστε το σφάλμα που είναι η είσοδος στον pi ελεγκτή να είναι μηδέν. Θυμίζουμε ότι PFC = I FC V DC (1 D FC ) Παρακάτω εμφανίζονται οι γραφικές παραστάσεις του dutycycle και η ισχύς εξόδου του μετατροπέα που προκύπτουν από την προσομοίωση του κυκλώματος σχ Αρχικά η ισχύς που παράγει η στοίβα των κυψελών καυσίμου είναι στα 30

105 93 kw, στο δεύτερο δευτερόλεπτο πέφτει απότομα στα 3 kw και τέλος στα 4 sec η ισχύς επανέρχεται πάλι στα 30 kw. Σχ.4.21.: Ισχύς εξόδου και το dutycycle του μετατροπέα για διάφορες ισχύς της στοίβας κυψελών καυσίμου. Συμπεράσματα: Παρατηρούμε ότι το dutycycle «παίζει σε στενά όρια, περίπου 0,7-0,8, πράγμα πολύ λογικό καθώς η τάση εξόδου της κυψέλης έχει και αυτή σχετικά μικρό εύρος (194 V 230 V). Επίσης, παρατηρούμε ότι ενώ το duty cycle προσαρμόζεται γρήγορα στην αλλαγή, η ισχύς εξόδου της στοίβας καθυστερεί περισσότερο. Γενικά οι κυψέλες καυσίμου εμφανίζουν αδράνεια στις μεταβολές.

106 94

107 95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Αντιστροφείς 5.1 Εισαγωγή Ο αντιστροφέας είναι μια διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος, που έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει στην είσοδό του συνεχή τάση και να τη μετατρέπει σε εναλλασσόμενη τάση μεταβλητού πλάτους και συχνότητας. Έχουμε δηλαδή να κάνουμε με ένα μετατροπέα dc-ac. Υπάρχουν επίσης και αντιστροφείς που στην είσοδό τους χρησιμοποιείται πηγή συνεχούς ρεύματος, όμως αυτή η διάταξη δε θα μας απασχολήσει. Ο αντιστροφέας είναι μια πολύ δημοφιλής συσκευή, που χρησιμοποιείται σε όλο και περισσότερες εφαρμογές ηλεκτρικής ενέργειας, κυρίως λόγο της ευελιξίας που παρέχει στον έλεγχο των παραμέτρων της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου. Οι κυριότεροι τομείς, στους οποίους βρίσκουν εφαρμογή οι αντιστροφείς είναι: Συστήματα ελέγχου ταχύτητας εναλλασσόμενων ηλεκτρικών κινητήρων. Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Συστήματα ελέγχου τάσης εξόδου αιολικών συστημάτων μετατροπής ενέργειας. Συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας με επαγωγή Συστήματα ήπιων μορφών ενέργειας Συστήματα αδιάλειπτης παροχής ισχύος (UPS) 5.2 Τριφασικός Αντιστροφέας πηγής τάσης (Three Phase voltage Source DC/AC Inverter) Το κύκλωμα του βασικού τριφασικού αντιστροφέα με τροφοδοσία συνεχούς τάσης παρουσιάζεται στο σχήμα 4.3.1

108 96 Σχ.5.1: Τοπολογία 3Φ αντιστροφέα γέφυρας, τύπου πηγής τάσης. Παρατηρούμε ότι αποτελείται από 3 παράλληλους κλάδους όπου κάθε κλάδος είναι ένας μονοφασικός αντιστροφέας. Άρα το κύκλωμα κάθε τριφασικού αντιστροφέα αποτελείται από τρεις μονοφασικούς αντιστροφείς δηλαδή από τρία σκέλη. Η έξοδος κάθε σκέλους εξαρτάται από την τάση εισόδου και την κατάσταση των διακοπτών. Θέλουμε οι τάσεις εξόδου των τριών σκελών (φάσεων) να παρουσιάζουν διαφορά φάσης 120 ο. Αυτό επιτυγχάνεται με καθυστέρηση φάσης 120 ο μεταξύ των παλμών έναυσης του κάθε κλάδου της γέφυρας.

109 97 Σχ.5.2: Κυματομορφές τάσης στην έξοδο του τριφασικού αντιστροφέα 6 παλμών Η τάση εξόδου του αντιστροφέα αποτελείται από τη βασική αρμονική συνιστώσα και από τις ανώτερες αρμονικές συνιστώσες, οι οποίες πρέπει να εξαλειφθούν ή να μειωθούν. Αυτό, βέβαια, μπορεί να γίνει με τη χρησιμοποίηση

110 98 ενός φίλτρου στην έξοδο. Επίσης είναι επιθυμητό οι ανώτερες αρμονικές της τάσης εξόδου του αντιστροφέα να εντοπίζονται στις υψηλές συχνότητες. Αυτό συνεπάγεται ότι το φίλτρο είναι πιο μικρό σε όγκο, βάρος και κόστος. Για να το επιτύχουμε αυτό, φροντίζουμε η συχνότητα τριγωνικής κυματομορφής να έχει υψηλή συχνότητα σε σχέση με την βασική μας αρμονική η οποία θα είναι στα 50Ηz. Για την παλμοδότηση του αντιστροφέα θα χρησιμοποιήσω την ημιτονοειδή διαμόρφωση του εύρους των παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation SPWM) η οποία θα αναλυθεί ευθύς αμέσως. 5.3 Στρατηγική της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) σε ένα σκέλος- Μονοφασικός Αντιστροφέας Για την παραγωγή μιας ημιτονοειδούς τάσης εξόδου σε μία επιθυμητή συχνότητα, συγκρίνεται ένα ημιτονοειδές σήμα ελέγχου στην επιθυμητή συχνότητα με μία τριγωνική κυματομορφή, όπως φαίνεται στο σχ.4.3.3(α). Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής καθορίζει τη συχνότητα μετάβασης του αντιστροφέα και διατηρείται γενικά σταθερή, όπως και το πλάτος της tri.

111 99 Σχ.5.3. (α) Παραγωγή των παλμών οδήγησης των διακοπτών ενός μονοφασικού αντιστροφέα με ένα σκέλος (β) Κυματομορφή της τάσης εξόδου του αντιστροφέα Θεμελιώδης συνιστώσα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα Πριν από την εξέταση της συμπεριφοράς της διαμόρφωσης PWM, είναι απαραίτητο να οριστούν μερικοί όροι. Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής του σχ καθορίζει τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα και λέγεται συχνότητα μετάβασης(switching frequency). Ακόμη, ονομάζεται και φέρουσα συχνότητα (carrier frequency). Το σήμα ελέγχου χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας αγωγής και έχει μία συχνότητα f 1, η οποία είναι η επιθυμητή θεμελειώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα (η f 1 ονομάζεται και συχνότητα διαμόρφωσης, modulating frequency). Η τάση εξόδου του αντιστροφέα δεν θα είναι μία τέλεια ημιτονοειδής κυματομορφή, αλλά θα περιέχει αρμονικές της f 1. Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους (amplitude modulation ratio) m a ορίζεται ως εξής: m a = όπου είναι το πλάτος του σήματος ελέγχου. Το πλάτος του τριγωνικού σήματος διατηρείται γενικά σταθερό. Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας (frequency modulation ratio) m f ορίζεται ως m f = Στον αντιστροφέα του σχ οι διακόπτες Τ Α+ και Τ Α- ελέγχονται με βάση τη σύγκριση των u control και u tri και προκύπτει η ακόλουθη τάση έξοδο, ανεξάρτητα από τη φορά του i o :

112 100 v control > v tri Τ Α+ είναι on, v Ao = V d ή v control < v tri Τ Α- είναι on, v Ao = V d Εφόσον οι δύο διακόπτες δεν είναι ποτέ ταυτόχρονα ανοιχτοί, η τάση εξόδου u Ao κυμαίνεται μεταξύ των τιμών (V d /2 και - V d /2). Η u Ao και η θεμελιώδης συχνότητά της(καμπύλη που σημειώνεται με διακεκομμένη γραμμή) φαίνονται στο σχ.4.3.3γ το οποίο σχεδιάζεται για m f = 15 και m a = 0.8 Σχ.5.4.: Φάσμα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα Παρατηρήσεις για το σχήμα 4.3.3(α) και 4.3.3(β) 1. Το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας είναι ma φορές το V d. Δηλαδή (V Ao )1 = m a για m a 1 και (V Ao )1 = για v control

113 101 Όταν 0 < m a < 1 το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με το m a. Για το λόγο αυτό, η περιοχή του m a από 0 έως 1 αναφέρεται ως γραμμική περιοχή. 2. Από το σχ.5.4 βλέπουμε ότι ότι οι αρμονικές εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες με κέντρο τη συχνότητα μετάβασης f tri και τις πολλαπλάσιές της. Δηλαδή οι αρμονικές τοποθετούνται στις συχνότητες 2m f f control, 3m f f control κ.ο.κ. Πιο συγκεκριμένα η πρώτη ομάδα περιέχει μία κεντρική αρμονική σε συχνότητα f tri καθώς επίσης και ένα σύνολο αρμονικών δεξιά και αριστερά της συχνότητας αυτής που δίνονται από τη σχέση f n = f tri ± 2n f control. Βλέπουμε επίσης ότι στη δεύτερη ομάδα δεν περιέχεται η κεντρική αρμονική σε συχνότητα 2 f tri, αλλά ένα σύνολο αρμονικών που δίνεται από τη σχέση f n = 2f tri ± 2(n-1) f control. Με βάση τα παραπάνω καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι δεν εμφανίζονται άρτιες αρμονικές αλλά μόνο περιττές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο m f είναι περιττός ακέραιος. Η επιλογή της τιμής του m a και του m f δεν πρέπει να γίνει τυχαία. Όσο αναφορά την τιμή του m a πριν θεωρήθηκε 0 < m a < 1, συνήθως επιλέγουμε μία τιμή σε αυτό το διάστημα γιατί η περαιτέρω αύξηση του m a έχει ως αποτέλεσμα αυτό που ονομάζουμε υπερδιαμόρφωση, κατά την οποία το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας δεν μεταβάλλεται γραμμικά με το m a και επιπλέον η τάση εξόδου περιέχει περισσότερες αρμονικές στις πλευρικές ζώνες. Επιπλέον αύξηση στο m a οδηγεί στη μετάβαση με τετραγωνική κυματομορφή όπου ο αντιστροφέας ρυθμίζει το πλάτος της τάσης εξόδου με ρύθμιση του πλάτους dc της τάσης εισόδου. Όλα τα παραπάνω φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί.

114 102 Σχ. 5.5: έλεγχος τάσης με μεταβολή του m a για μονοφασικό αντιστροφέα Η τιμή του m f επιλέγεται περιττός αριθμός γιατί μ αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι άρτιες αρμονικές στο φάσμα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Όσο πιο μεγάλη είναι η τιμή του m f σε τόσο υψηλότερες συχνότητες τοποθετούνται οι ανώτερες αρμονικές της τάσης εξόδου. Το τελευταίο συνεπάγεται μικρό και οικονομικό φίλτρο. Ο Πίνακας 4.1 που ακολουθεί αφορά ένα μονοφασικό μετατροπέα και δείχνει τα κανονικοποιημένα πλάτη των αρμονικών της τάσης εξόδου καθώς και τις συχνότητες στις οποίες τοποθετούνται ως συνάρτηση του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους m a και του συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας m f.

115 103 Πίνακας 5.1.: Γενικευμένες αρμονικές της V Ao για μεγάλο m f. 5.4 Διαμόρφωση PWM σε Τριφασικούς Αντιστροφείς Πηγής Τάσης Παρόμοια με τους μονοφασικούς αντιστροφείς, ο αντικειμενικός σκοπός στους τριφασικούς αντιστροφείς με διαμόρφωση PWM είναι η μορφοποίηση και ο έλεγχος των τριφασικών τάσεων εξόδου κατά πλάτος και συχνότητα, με μια ουσιαστική τάση εξόδου V d. Για την επίτευξη συμμετρικών τριφασικών τάσεων εξόδου σ έναν τριφασικό αντιστροφέα με διαμόρφωση PWM, συγκρίνεται η ίδια τριγωνική κυματομορφή τάσης με τρεις ημιτονοειδής τάσεις ελέγχου, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορά φάσης 120 ο η καθεμία από τις άλλες, όπως φαίνεται στο σχ.4.4(α) (για m f = 15)

116 104 Και εδώ η συχνότητα των ημιτονοειδών τάσεων ελέγχου (f control ) είναι επιθυμητή συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα ενώ η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής f tri καθορίζει την συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες. Η σχέση που συνδέει τις δύο αυτές συχνότητες είναι η ίδια που τις συνδέει και στο μονοφασικό αντιστροφέα. Σχ.5.5: Παραγωγή των παλμών οδήγησης ενός 3Φ-αντιστροφέα

117 105 Σχ.5.6: Φάσμα πολικής τάσης 3Φ-αντιστροφέα Παρατηρήσεις για το σχήμα 5.4 και Στις τάσεις εξόδου U AN και V BN (φασικές τάσεις), οι οποίες μετρούνται σε σχέση με τον αγωγό που φέρει την αρνητική dc τάση, υπάρχει η ίδια ακριβώς dc συνιστώσα. Οι dc συνιστώσες απαλείφονται στις πολικές τάσεις για παράδειγμα U AB. 2. Στο σχ.5.6 παρατηρούμε τις αρμονικές των πολικών τάσεων και σε αυτό το φάσμα έχουν εξαλειφθεί άρτιες αρμονικές εξαιτίας του γεγονότος ότι το m f είναι περιττός αριθμός. Για να επιτύγχουμε απαλοιφή των κυριότερων αρμονικών στην πολική τάση εξόδου επιλέγω το m f πολλαπλάσιο του 3. Όταν το m f είναι πολλαπλάσιο του 3 τότε οι περιττές αρμονικές του m f δεν εμφανίζονται. Άρα το m f επιλέγεται περιττό και πολλαπλάσιο του 3 (m f, 3m f, κλπ.). Μεγάλη τιμή του m f συνεπάγεται ότι οι ανώτερες αρμονικές τοποθετούνται σε υψηλότερες συχνότητες. Η τιμή του m a που θα επιλέξουμε δεν θα είναι τυχαία. Αν 0 < m a < 1 τότε βρισκόμαστε στη γραμμική περιοχή δηλαδή η θεμελιώδης συνιστώσα της τάσης εξόδου μεταβάλλεται γραμμικά με το λόγο διαμόρφωσης πλάτους m a. Το πλάτος της θεμελιώδους συνιστώσας σε ένα από τα σκέλη του αντιστροφέα είναι:

118 106 (V AN ) 1 = m a Όπου V d => η τάση εξόδου του αντιστροφέα Επομένως, η ενεργός τιμή της βασικής αρμονικής της πολικής τάσης εξόδου, εξαιτίας της διαφοράς φάσης των 120 ο μεταξύ των φασικών τάσεων μπορεί να γραφτεί ως εξής: (πολική, rms) = ( ) 1 = m av d m a V d Συνήθως επιλέγουμε λειτουργία στην γραμμική περιοχή. Πάντως καθώς αυξάνεται το m a περνάμε στην περιοχή υπερδιαμόρφωσης στην οποία το πλάτος της τάσης της θεμελιώδης συνιστώσας δεν αυξάνεται ανάλογα με το m a. Για αρκετές μεγάλες τιμές του m a, η διαμόρφωση SPWM εκφυλίζεται σε κυματομορφή αντιστροφέα με τετραγωνική κυματομορφή. Σ αυτήν την περιοχή λειτουργίας επιτυγχάνεται έλεγχος της τάσης εξόδου με έλεγχο της dc τάσης εισόδου. Αυτό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα όπου σχεδιάζεται η ενεργός τιμή της θεμελιώδους συνιστώσας της πολικής τάσης ως συνάρτηση του m a.

119 107 Σχ.5.7: Έλεγχος της πολικής τάσης με μεταβολή του m a για τριφασικό αντιστροφέα Ο Πίνακας 5.2 αφορά ένα τριφασικό αντιστροφέα με γραμμική διαμόρφωση. Δείχνει τα κανονικοποιημένα πλάτη των αρμονικών της τάσης εξόδου καθώς και τις συχνότητες στις οποίες τοποθετούνται ως συνάρτηση του συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους m a και του συντελεστή διαμόρφωσης συχνότητας m f.

120 108 Πίνακας 5.2: Γενικευμένες αρμονικές της V LL για μεγάλο και περιττό m f, πολλαπλάσιο του Προσομοίωση του τριφασικού Αντιστροφέα χωρίς φίλτρα στο πρόγραμμα Pscad Το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε για τη μοντελοποίηση του τριφασικού αντιστροφέα που είναι το παρακάτω: Σχ.5.8.: Μοντέλο τριφασικού Αντιστροφέα χωρίς φίλτρα

121 109 Στο παραπάνω κύκλωμα η πηγή Vdc είναι ρυθμισμένη στα 900V καθώς σε τόση τάση βρίσκεται ο dc κόμβος στης προσομοίωσής μας. Επίσης, ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους m a του Inverter έχει τιμή Η τιμή στο m a δεν είναι καθόλου τυχαία. Δεδομένου ότι η Vdc είναι αναγκαστικά στα 900V και επίσης η πολική τάση εξόδου του αντιστροφέα πρέπει να είναι ίση με 380V, τότε σύμφωνα με τον τύπο m a V d παρατηρούμε ότι για να έχουμε την βασική αρμονική της τάσης εξόδου ίση με 380V πρέπει το m a να είναι ίσο με Επίσης, η αντίσταση φορτίου που επιλέξαμε προκύπτει από το γεγονός ότι το σύστημά μου είναι ισχύος 30000W οπότε 10000W σε κάθε φάση και: 10000W= => R = 4.84 Ω Οπότε η RMS τιμή του ρεύματος θα ισούται με: I RMS = = A Η παραγωγή των παλμών έγινε με την μέθοδο PWM όπως αναφέρθηκε παρά πάνω, σύμφωνα με το οποία συγκρίνεται τρίγωνο συχνότητας 50x102=5100 με 3 ημίτονα συχνότητας 50Hz και διαφορά φάσης 120 ο. Τέλος m a = δηλαδή βρισκόμαστε στην γραμμική ρύθμιση που είναι και η επιθυμητή. Σχ.5.9: Παραγωγή τριγωνικού σήματος αναφοράς

122 110 Το PLL component παίρνει ως εισόδους 3 ημιτονοειδή σήματα, τα οποία έχουν διαφορά φάσης 120 ο μεταξύ τους και συχνότητα 50Hz. Έπειτα, κλειδώνοντας τη φάση και τη συχνότητα των προαναφερθέντων σημάτων παράγει έξι σήματα ράμπας πλάτους 360 και συχνότητας 50Hz, μετατοπισμένα κατά 60 ο μεταξύ τους. Στη συνέχεια, η ράμπα πολλαπλασιάζεται με έναν αριθμό. Ο αριθμός αυτός πρέπει να είναι πολλαπλάσιο του τρία έτσι ώστε να περιορίζονται οι άρτιες αρμονικές. Ο πολλαπλασιασμός αυτός γίνεται για να προκύψει η επιθυμητή συχνότητα του σήματος αναφοράς. Εμείς πολλαπλασιάζουμε τον αριθμό επί 102, οπότε η τριγωνική κυματομορφή που θα προκύψει θα έχει συχνότητα 50*102= 5100Hz. Η εξήγηση για την αύξηση της συχνότητας είναι η εξής: Οι τιμές από 0 έως 360 αντιστοιχούν σε ένα πλήρη κύκλο, ο οποίος επαναλαμβάνεται κάθε 1/50 = 0.02sec. Πολλαπλασιάζοντας την έξοδο με το 102 είναι σαν να παίρνουμε στον ίδιο χρόνο το σήμα 102 φορές, άρα του αυξάνουμε τη συχνότητα 102 φορές. Το module angle resolver μεταφράζει τις τιμές της ράμπας σε μοίρες και τις εξάγει πάλι ως μοίρες δηλαδή περιορίζει όλα τα σήματα σε τιμές από 0 έως 360 μοίρες χωρίς να αλλοιώνει τη συχνότητά τους. Το επόμενο module, το οποίο ονομάζεται non-linear transfer characteristic, δέχεται το σήμα εισόδου σε μοίρες και το μετατρέπει σε τριγωνικό σήμα με τιμές στην περιοχή [-1,1] τόσο για την έναυση όσο και για τη σβέση των διακοπτικών στοιχείων.

123 111 Σχ.5.10.: Παραγωγή σημάτων ελέγχου Η λειτουργία του PLL είναι ακριβώς η ίδια με αυτήν που περιγράφτηκε προηγουμένως. Το PLL γενικά χρησιμοποιείται για το συγχρονισμό του αντιστροφέα με το δίκτυο. Στα σήματα που παράγονται από το PLL προστίθεται η τιμή του σήματος phase, το οποίο εκφράζει γωνία, προκειμένου να πετύχουμε μετατόπιση φάσης των τελικών σημάτων ελέγχου. Τα μετατοπισμένα σήματα περνάνε μέσα από το module sin και μετατρέπονται σε ημιτονοειδή σήματα, τα οποία τελικά πολλαπλασιάζονται με το ma. Όσον αφορά τώρα τον συντελεστή διαμόρφωσης πλάτους ma με τον οποίο πολλαπλασιάζουμε το ημιτονοειδές σήμα αναφοράς, χρησιμοποιείται για να καθορίσει το μέτρο του ημιτονοειδούς σήματος αναφοράς. Εμείς του δώσαμε την τιμή προκειμένου να έχουμε στην έξοδο του αντιστροφέα 380 V πολική τάση όπως είδαμε παραπάνω.

124 112 Σχ.5.11: Συγκριτής για παλμοδότηση Interpolated Firing Pulses Με αυτό το component γίνεται η σύγκριση του σήματος αναφοράς και των σημάτων ελέγχου και έτσι παράγονται οι παλμοί έναυσης και σβέσης των διακοπτικών στοιχείων. 5.6 Αποτελέσματα προσομοίωσης χωρίς φίλτρα Στο Σχ.4.9 βλέπουμε την πολική τάσης εξόδου του αντιστροφέα η οποία ήταν αυτή που αναμενόταν δεδομένου ότι V dc = 900V.

125 113 Σχ.5.12.: Πολική τάση εξόδου Ακολουθεί η γραφική παράσταση της φασικής τάσης εξόδου του αντιστροφέα. Σχ.5.13.: Φασικές τάσεις εξόδου χωρίς φίλτρο Παρατηρούμε ότι η φασική τάση εξόδου του αντιστροφέα δεν είναι εναλλασσόμενη αλλά πάντα θετική (σχ.4.10.). Όμως, τόσο το ρεύμα

126 114 φορτίου(σχ.4.11) όπως και η φασική πτώση τάσης (σχ.4.9.) στα φορτία είναι εναλλασσόμενα μεγέθη όπως θα δούμε αμέσως παρακάτω. Σχ.5.14.: Φασικά ρεύματα

127 115 Σχ.5.15.: Φασική πτώση τάσης στο φορτίο Η rms τιμή της πολικής τάσης είναι όμως όπως τη θέλαμε, δηλαδή E RMS = 380 V. Η rms τιμή δίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχ.5.16.: RMS πολική τάση 5.7 Προσομοίωση του τριφασικού Αντιστροφέα με φίλτρα στο πρόγραμμα Pscad Στο προηγούμενο μοντέλο του τριφασικού αντιστροφέα τοποθετούμε στην έξοδό του χαμηλοπερατά φίλτρα, καθώς γνωρίζουμε ότι οι αρμονικές τις τάσεως εξόδου του αντιστροφέα βρίσκονται στις υψηλές συχνότητες. Το μοντέλο γίνεται ως εξής:

128 116 Σχ.5.17: Μοντέλο τριφασικού αντιστροφέα με φίλτρο. Όπως βλέπουμε σε κάθε φάση τοποθετούμε ένα χαμηλοπερατό φίλτρο LC. Οι τιμές του φίλτρου είναι L = 0.003H και C = 10μF. Οι τιμές των στοιχείων L,C επαληθεύονται πειραματικά ότι είναι σωστές και μπορούν να υπολογιστούν και μαθηματικά. 5.8 Υπολογισμός τιμών Φίλτρου Το χαμηλοπερατό φίλτρο LC τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα ώστε να αποκόπτει τις ανώτερες αρμονικές που εμφανίζονται στο φάσμα συχνοτήτων του ρεύματος. Σχ.5.18: Χαμηλοπερατό φίλτρο LC Η σχέση που προκύπτει από την εφαρμογή διαιρέτη τάσης στο παραπάνω κύκλωμα είναι: = = = Παρακάτω φαίνεται η απόκριση συχνότητας του φίλτρου όπως προκύπτει από την παραπάνω εξίσωση:

129 117 Σχ.5.19: Απόκριση συχνότητας του φίλτρου LC Υπολογισμός φίλτρου Πρώτα πρέπει να καθορίσουμε την κυριαρχούσα αρμονική. Η κυριαρχούσα αρμονική είναι η αρμονική με τη μεγαλύτερο συντελεστή παραμόρφωσης. Ο συντελεστής παραμόρφωσης δίνεται από τον τύπο = όπου είναι το πλάτος της αρμονικής τάξης n. Για m a < 1 η κυριαρχούσα αρμονική είναι η αρμονική με συχνότητα (2m f 1) f control. Από τον πίνακα 4.2 βρίσκουμε το ανηγμένο πλάτος της κυριαρχούσας αρμονικής για διάφορα m a του μονοφασικού αντιστροφέα. Το μέγιστο πλάτος προκύπτει για m a =0.6, συχνότητα (2*78 1) 50 = 7750 Hz και είναι ίσο με Παίρνουμε το μονοφασικό αντιστροφέα γιατί θέλουμε φασικά μεγέθη αφού εξετάζεται το μονοφασικό ισοδύναμο. Το ανηγμένο πλάτος της βασικής αρμονικής είναι 0.6. Στην έξοδο του φίλτρου πρέπει να ισχύει: πλάτος κυριαρχούσας αρμονικής 0.03 πλάτος βασικής αρμονικής Το 0.03 της βασικής αρμονικής προκύπτει από τον πίνακα 4.2 για h=203. Άρα πλάτος κυριαρχούσας αρμονικής δηλαδή πλάτος κυριαρχούσας αρμονικής 0.018

130 118 Η παραπάνω σχέση προκύπτει από την απαίτηση ότι η ολική παραμόρφωση της τάσης εξόδου του αντιστροφέα πρέπει να είναι το πολύ ίση με 5%. Ισχύει ακόμα: = όπου f = 7750 Hz η συχνότητα της κυριαρχούσας αρμονικής. οπότε = { και τελικά προκύπτει LC = 9x10-9. Επιλέγουμε πηνίο 3mH και πυκνωτή 10μF αντί για 3μF για να έχουμε ένα περιθώριο ασφαλείας. Επιπλέον τοποθετούμε σε σειρά με το πηνίο μία αντίσταση Ohm έτσι ώστε να έχουμε απόσβεση σε περίπτωση συντονισμού, ιδιαίτερα στις μεταβατικές καταστάσεις. 5.9 Αποτελέσματα προσομοίωσης με φίλτρα Σχ.5.20.: Πολική τάση του αντιστροφέα με φίλτρο

131 Σχ.5.21.: Φασικές τάσεις του αντιστροφέα με φίλτρο 119

132 120 Σχ.5.22: Φασικά ρεύματα του αντιστροφέα με φίλτρο Σχ.5.23.: RMS τιμή της πολικής τάσης του αντιστροφέα με φίλτρο

133 121 Παρατηρήσεις: Βλέποντας τα αποτελέσματα των δοκιμών με φίλτρο, παρατηρούμε ότι τα φίλτρα βοήθησαν πάρα πολύ στο να παίρνουμε στην έξοδο των αντιστροφέων όσο το δυνατών πιο ημιτονοειδής κυματομορφές τόσο στις τάσεις όσο και στο ρεύμα. Πριν το φίλτρο, οι τάσεις και τα ρεύματα δεν ήταν ημιτονοειδή καθώς περιείχαν αρμονικές οι οποίες είχαν υψηλές συχνότητες. Η τοποθέτηση του χαμηλοπερατού φίλτρου είχε σαν αποτέλεσμα να φιλτράρει τις αρμονικές αυτές. Το γεγονός ότι οι αρμονικές εμφανίζονται σε υψηλές συχνότητες έκανε, όπως είπαμε και πριν, πιο εύκολο το φιλτράρισμά τους. Ένα μειονέκτημα που παρουσιάστηκε ήταν ότι με την εισαγωγή του LC φίλτρου άλλαξε τον συντελεστή ισχύος μειώνοντας τον, με αποτέλεσμα να μειωθεί η συνολική αποδιδόμενη ισχύς.

134 122

135 123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ανάλυση και σχεδιασμός του πλήρους συστήματος Σε αυτό το κεφάλαιο θα φτιάξουμε το τελικό μοντέλο διεσπαρμένης παραγωγής το οποίο θέλουμε να μελετήσουμε. Το τελικό αυτό σύστημα αποτελείται από συνιστώσες οι οποίες περιγράφηκαν σε προηγούμενα κεφάλαια. Απομένουν ακόμα πληροφορίες για το φορτίο Φορτίο Το φορτίο που τροφοδοτεί το σύστημά μας είναι κρίσιμο δηλαδή πρέπει να διασφαλίσουμε ότι θα υπάρχει συνεχή παροχή ισχύος. Το φορτίο αυτό είναι 30kW και 15kVar αλλά κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης θα το αυξήσουμε σε 40kW και 20kVar προκειμένου να ερευνήσουμε πως θα επηρεαστεί το σύστημά μας από αυτή τη μεταβολή αυτή. Γι αυτό το λόγο το συνολικό φορτίο το οποίο καλείται να τροφοδοτήσει το σύστημά μας το προσομοιώνουμε με δύο φορτία παράλληλα, το ένα που ζητά 30kW και 15kVar και το άλλο που ζητά 10kW και 5kVar. Επίσης χρησιμοποιούμε δύο διακόπτες για να κλείνουμε ή να ανοίγουμε τα φορτία. Επειδή το φορτίο με το οποίο μελετάμε το σύστημά μας είναι 30kW και 15kVar, ο διακόπτης που αφορά το φορτίο αυτό θα είναι πάντα on. Τον δεύτερο διακόπτη θα τον χρησιμοποιήσουμε όταν θα μελετάμε το σύστημά μας στις μεταβολές φορτίου. Στη θέση του φορτίου χρησιμοποιείται ένα έτοιμο μοντέλο του Pscad που απορροφά σταθερή τιμή ισχύος για δεδομένη τιμή τάσης εισόδου την οποία ορίζουμε εμείς.

136 124 Σχ.6.1.: Προσομοίωση μεταβλητού φορτίου με μετρητή ισχύος σε Pscad. 6.2 Μετασχηματιστής απομόνωσης. Πρέπει επιπλέον να αναφέρουμε ότι στο σύστημά μας χρησιμοποιούμε και έναν μετασχηματιστή. Ο μετασχηματιστής αυτός είναι μετασχηματιστής απομόνωσης και έχει σαν στόχο τη σύνδεση του αντιστροφέα στο ζυγό του δικτύου και επιπλέον ανυψώνει την τάση του αντιστροφέα στα επιθυμητά επίπεδα. Ο μετασχηματιστής έχει οριστεί ως ιδανικός. Το πρωτεύον τύλιγμα (χαμηλής τάσης) είναι συνδεσμολογία τριγώνου και έχει οριστεί στα 380kV. Το δευτερεύον τύλιγμα (υψηλής τάσης) έχει συνδεσμολογία γειωμένου αστέρα και έχει οριστεί στα 1κV όση είναι η τάση του ζυγού με τον οποίο έχει συνδεθεί το σύστημά μας αλλά και η τάση που απαιτεί το φορτίο. Η τριφασική ονομαστική ισχύς του είναι 50 kva.

137 125 Σχ.6.2.: Μονάδα τριφασικού μετασχηματιστή στο Pscad Η τριφασική ονομαστική ισχύς του μετασχηματιστή δεν είναι τυχαία. Αν λειτουργήσουν και τα δύο φορτίο ταυτόχρονα τότε μέσα από τον μετασχηματιστή θα περνούν 40kW πραγματική ισχύ και 20kVar άεργο. S = = = VA ή 44,721 kva 6.3 Δίκτυο Το σύστημά μας αλλά και το φορτίο συνδέονται με το δίκτυο. Το δίκτυο πρέπει να είναι ικανό και να δέχεται οποιαδήποτε περισσευούμενη ισχύ από το σύστημά μας, αλλά και να προσφέρει ισχύ όταν απαιτείται. Γι αυτό το λόγο θα το προσομοιώσουμε με μία τριφασική πηγή ισχύος η οποία θα έχει 1kV πολική τάση και συχνότητα 50Hz. Σχ.6.3.: Προσομοίωση δικτύου στο Pscad

138 Προσομοίωση πλήρους συστήματος Σχ.6.4.: Προσομοίωση σε Pscad πλήρους συστήματος Βλέπουμε ότι το σύστημά μας αποτελείται από δύο μετατροπείς ανύψωσης τάσης, όπου ο ένας συνδέεται με τη φωτοβολταϊκή συστοιχία ενώ ο άλλος με τις κυψέλες καυσίμου. Οι έξοδοι των δύο αυτών μετατροπέων συνδέονται σε έναν κοινό dc κόμβο. Η ισχύς χύνεται στο δίκτυο μέσω του Inverter για τον οποίο ο κοινός dc κόμβος λειτουργεί σαν μία σταθερή πηγή. Το σύστημά μας σχεδιάζεται με τέτοιον τρόπο ώστε κάθε στιγμή το φορτίο να δέχεται την απαιτούμενη ισχύ. Στην περίπτωση που υπάρχει περίσσευμα ισχύος από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, τότε

139 127 αυτή χύνεται στο δίκτυο. Κυψέλες καυσίμου δεν χρειάζονται να παράγουν επιπλέον ενέργεια παρά μόνο όταν υπάρχει έλλειμμα ισχύος από την πλευρά των φωτοβολταϊκών για την τροφοδότηση του τοπικού φορτίου. Με αυτόν τον τρόπο, αυτό το υβριδικό σύστημα διεσπαρμένης παραγωγής εξασφαλίζει τη μέγιστη χρησιμοποίηση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας από τα μια, και την βέλτιστη χρησιμοποίηση της στιβάδας κυψελών καυσίμου από την άλλη. Η βασική θεώρηση του συστήματός μας είναι να δουλεύει με ελάχιστο φορτίο 30kW και 15kVar και μέγιστο φορτίο 40kW και 20kVar. Τα φωτοβολταϊκή συστοιχία σε συνδυασμό με τις κυψέλες καυσίμου θα μπορούσαν να ικανοποιήσουν και ακόμη μεγαλύτερο φορτίο αλλά τότε πρώτον δεν θα είχαμε βέλτιστη χρησιμοποίηση από άποψη λειτουργίας του συστήματός μας και δεύτερον το σύστημα ελέγχου και γενικά όλες οι προδιαγραφές με τις οποίες ορίσαμε έχουν μικρό περιθώριο απόκλισης. 6.5 Απόκριση συστήματος σε κανονικές συνθήκες Στο σημείο αυτό θα «τρέξουμε» το σύστημά μας σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας δηλαδή οι φωτοβολταϊκή συστοιχία θα δέχεται 1000 W/m 2 με θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 ο C. Επίσης το φορτίο «τραβά» 30kW πραγματική ισχύ και 15KVar άεργη.

140 128 Σχ.6.5: Τάση εξόδου Φωτοβολταϊκής συστοιχίας Παρατηρούμε ότι στην αρχή η τάση εξόδου των φωτοβολταϊκών μεταβάλλεται και στη συνέχεια συγκλίνει σε λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα στην τάση Vmpp, η οποία θυμίζουμε ότι είναι η τάση για την οποία τα φωτοβολταϊκά για τις δεδομένες συνθήκες παράγουν τη μέγιστη ισχύ. Σχ.6.6.: Ισχύς εξόδου Φωτοβολταϊκής συστοιχίας Παρατηρούμε ότι η ισχύς εξόδου στα στην αρχή της λειτουργίας δεν είναι σταθερή. Στη συνέχεια όμως σταθεροποιείται στα γύρω στα 34kW, ισχύ η οποία είναι η μέγιστη που μπορεί να παράγει η φωτοβολταϊκή συστοιχία για την συγκεκριμένη ηλιοφάνεια και θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η μέγιστη αυτή τιμή της ισχύς εξόδου συμπίπτει χρονικά με την σύγκλιση της τάσης εξόδου στην Vmpp.

141 129 Σχ.6.7.α): Τάση του DC κόμβου Η τάση DC του κοινού κόμβου των φωτοβολταϊκών με την συστοιχία των κυψελών καυσίμου. Παρατηρούμε ότι ο PI έλεγχος που έχουμε μετά από λίγα δευτερόλεπτα ισορροπεί την DC τάση στα 900 Volt που επιθυμούμε. Είναι πολύ σημαντικό να τονίσουμε ότι η τάση αυτή πρέπει να είναι σταθερή στα 900 V. Αν τρεμοπαίζει δημιουργεί προβλήματα στην ισχύ εξόδου του inverter. Αν ζουμάρουμε στην γραφική παράσταση της DC τάσης θα δούμε ότι πράγματι υπάρχει ένα μικρό «τρεμόπαιγμα». Αυτό οφείλεται και στον MPPT που, όπως έχουμε δει, αναγκάζει την τάση εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας να τον ακολουθεί.

142 130 Σχ.6.7.β): DC Τάση του DC κόμβου Βλέπουμε από την παραπάνω εικόνα αυτό που περιγράψαμε πριν λίγο. Στην μόνιμη κατάσταση το τρεμόπαιγμα αυτό είναι μικρότερο από 0,5 Volt πράγμα το οποίο ικανοποιεί τις προδιαγραφές που έχουμε ορίσει. Σχ.6.8.: Ενεργός-Άεργος ισχύς μετά τον Μ/Σ.

143 131 Σχ.6.9.: Ενεργός-Άεργος Ισχύς του Δικτύου. Μπορούμε να κάνουμε τις εξής παρατηρήσεις: Αρχικά υπάρχουν μεγάλες μεταβολές στην ενεργό και άεργο ισχύ που διακινείται από και προς το δίκτυο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η τάση εισόδου του Inverter δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται. Θυμίζουμε ότι: Q inv =( )cosδ - P inv =

144 132 Παρατηρούμε ότι το σύστημά μας όχι μόνο καλύπτει τις ανάγκες του φορτίου αλλά χύνει το περίσσευμα τις ισχύς που παράγεται στο δίκτυο. Γι αυτό το λόγο η ενεργός ισχύς P στη γραφική παράσταση του δικτύου είναι αρνητική. Η ισχύς αυτή που χύνεται στο δίκτυο είναι η διαφορά της ισχύς που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλην τις απώλειες. Συγκεκριμένα είναι περίπου 3kW. Επίσης βλέπουμε ότι το φορτίο δεν τραβά άεργο από το δίκτυο. Αυτό οφείλεται ότι μέσω του ελέγχου ma του inverter, την άεργη αυτή ισχύ την παράγει ο inverter. Τέλος λόγω του ελάχιστου τρεμοπαίγματος της τάσης εισόδου του inverter η ισχύς, ενεργός και άεργος, που βγαίνει από αυτόν είναι σταθερή.

145 133 Σχ.6.10.: Ισχύς ενεργός άεργος που τραβά το φορτίο Το φορτίο τραβά την αναμενόμενη ισχύ υπό την δεδομένη τάση που συνδέεται. Βλέπουμε ότι γρήγορα απορροφά την ονομαστική ισχύ και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η rms τιμή της εξόδου του Inverter και κατεπέκταση του μετασχηματιστή γρήγορα (σχεδόν άμεσα) συγκλίνει στην ονομαστική. Αν η rms τιμή αυτή τρεμόπαιζε τότε η ισχύς που θα τράβαγε το φορτίο δεν θα ήταν σταθερή. 6.6 Απόκριση συστήματος για μεταβολή της ηλιοφάνειας Στη συνέχεια θα δούμε πως ανταποκρίνεται το σύστημά μας σε περιβαλλοντικές μεταβολές, συγκεκριμένα στην μεταβολή της ηλιοφάνειας και κατά συνέπεια στην μείωση της ισχύς που παράγεται από την συστοιχία των φωτοβολταϊκών. Κατεβάζουμε γραμμικά την ηλιοφάνεια από 1000 W/m 2 σε 500 W/m 2 στο 4 ο δευτερόλεπτο και εν συνεχεία στο 8 ο δευτερόλεπτο από 500 W/m 2 σε 0 W/m 2. Έτσι προκύπτουν οι ακόλουθες γραφικές παραστάσεις. Σχ.6.11.: Τάση εξόδου Φωτοβολταϊκής συστοιχίας

146 134 Παρατηρούμε ότι η μεταβολή της ηλιοφάνειας δημιουργεί διαταραχή στην τάση εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Ο MPPT επαναφέρει την τάση εξόδου της συστοιχίας στην επιθυμητή για να έχουμε την μέγιστη δυνατή ισχύ εξόδου. Σχ.6.12.: Ισχύς εξόδου Φωτοβολταϊκής συστοιχίας Ξεκάθαρες επίσης είναι και οι διαταραχές της ισχύος εξόδου της συστοιχίας εξαιτίας της μεταβολής της ηλιοφάνειας. Βλέπουμε ότι στο 4 ο δευτερόλεπτο η ισχύ εξόδου μειώνεται περίπου στην μέση της αρχικής με τιμή 17kW. Επίσης στο 8 ο δευτερόλεπτο υπάρχει σταθερή μείωση της ισχύος και μετά από λίγο μηδενίζεται όπως είναι φυσικό. Εν συνεχεία σκόπιμο είναι να δείξουμε και την ισχύ εξόδου των κυψελών καυσίμου μιας και τώρα εξαιτίας της μείωσης της ηλιοφάνειας η ισχύς που παράγει η φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν αρκεί για να καλύψει τις ανάγκες του φορτίου. Έτσι, οι κυψέλες θα αναλάβουν να καλύψουν το έλλειμμα αυτό της ισχύος.

147 135 Σχ.6.13.: Ισχύς εξόδου Κυψελών καυσίμου Στο ξεκίνημα της προσομοίωσης βλέπουμε ότι οι κυψέλες δίνουν κάποια ισχύ. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην αρχή η ισχύς εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας δεν είναι ικανή να καλύψει τις ανάγκες του φορτίου. Έτσι ο έλεγχος που είναι έτσι σχεδιασμένος έτσι ώστε να ενεργοποιεί τις κυψέλες όταν η ισχύς εξόδου των φωτοβολταϊκών δεν είναι ικανή να καλύψει το φορτίο, οδηγεί τις κυψέλες στο να παράξουν κάποια ισχύ. Γρήγορα όμως όταν η ισχύς των φωτοβολταϊκών ξεπερνά τα 30kW που είναι οι απαιτήσεις του φορτίου τότε βλέπουμε να πέφτει η παραγόμενη ισχύς από τις κυψέλες και τελικά να μηδενίζεται. Γενικά η απόκριση των κυψελών καυσίμου δεν είναι γρήγορη. Αυτό είναι ένα από τα μειονεκτήματά τους. Αργούν κάθε φορά να «προσαρμοστούν» στις νέες ανάγκες. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα και από τον τρόπο που αντιδρούν στις αλλαγές της ισχύος των φωτοβολταϊκών. Βλέπουμε ότι απαιτεί κάποια δευτερόλεπτα να φτάσουν να παράγουν την απαιτούμενη ισχύ.

148 136 Σχ.6.14.: DC τάση του κοινού κόμβου Φαίνεται ξεκάθαρα ότι η πτώση της ηλιοφάνειας δημιουργεί διαταραχές στην DC τάση του κοινού κόμβου μεταξύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και των κυψελών. Ο έλεγχος επαναφέρει γρήγορα την τάση στα 900Volt. Όπως έχει ήδη αναφερθεί η DC τάση, δηλαδή η τάση εισόδου του αντιστροφέα, πρέπει απαραίτητα να είναι σταθερή στην τιμή που έχουμε ορίσει.

149 137 Σχ.6.15.: Ενεργός-Άεργος ισχύς μετά τον Μ/Σ. Σχ.6.16.: Ενεργός-Άεργος Ισχύς του Δικτύου.

150 138 Σχ.6.17.: Ισχύς ενεργός άεργος που τραβά το φορτίο Παρατηρήσεις για τις παραπάνω γραφικές παραστάσεις: Καταρχάς, βλέπουμε ότι αμέσως μετά την μείωση της ηλιοφάνειας υπάρχει μία απότομη μείωση της ισχύς που περνά μέσα από τον μετασχηματιστή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ισχύς που παράγει η φωτοβολταϊκή συστοιχία μειώνεται. Επίσης, παρατηρούμε ότι όταν μειώνεται η ηλιοφάνεια και αρχίζουν να ενεργοποιούνται οι κυψέλες, το προσωρινό έλλειμμα ισχύος το καλύπτει το δίκτυο. Αυτό φαίνεται από το γεγονός ότι στην διαταραχή που

151 139 δημιουργείται λόγω της αλλαγής της ηλιοφάνειας στο 4 ο και 8 ο δευτερόλεπτο η πραγματική ισχύς του δικτύου παίρνει θετικές τιμές πράγμα το οποίο σημαίνει ότι το δίκτυο δίνει ισχύ στο σύστημά μας. Η γραφική παράσταση της άεργου ισχύος, τόσο του δικτύου αλλά και της άεργου που περνά από τον Μ/Σ, ακολουθεί την DC τάση του κοινού κόμβου. Αυτό δείχνει ότι η Vdc επηρεάζει κυρίως την άεργο που πάει προς και από το δίκτυο. Βλέπουμε ότι ο έλεγχος γρήγορα επαναφέρει την παραγωγή άεργου ισχύος του αντιστροφέα στα 15kVar. Η ισχύς που απορροφά το φορτίο βλέπουμε ότι δεν επηρεάζεται από τις μεταβολές της ηλιοφάνειας και παραμένει σταθερή. 6.7 Μελέτη συστήματος στη μεταβολή του φορτίου Στο υποκεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε την απόκριση του συστήματος σε μεταβολή του φορτίου από 30kW και 15kVar σε 40kW και 20kVar. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες όταν θα εμφανιστεί η διαταραχή αυτή είναι ηλιοφάνεια στα 1000 W/m 2 και θερμοκρασία στους 25 ο C. Σε αυτές τις δεδομένες συνθήκες η φωτοβολταϊκή συστοιχία παράγει περίπου 34kW ισχύος. Έτσι όπως είναι αναμενόμενο, θα ενεργοποιηθούν και οι κυψέλες καυσίμου προκειμένου να προσφέρουν την υπόλοιπη απαιτούμενη ισχύ. Στο 4 ο δευτερόλεπτο θα κλείσουμε τον διακόπτη που αναφέρεται στο επιπλέον φορτίο. Επιπλέον, επειδή ο έλεγχος του Inverter έχει ρυθμιστεί έτσι ώστε να παράγει 15kVar άεργου ισχύος (τόση είναι η άεργος ισχύ που χρειάζεται το κυρίως φορτίο), στο 9 ο δευτερόλεπτο θα αλλάξουμε την παραγωγή άεργου του inverter από 15 kvar σε 20 kvar, όσες είναι δηλαδή οι καινούργιες ανάγκες άεργου ισχύος.

152 140 Σχ.6.18.: Τάση εξόδου Φωτοβολταϊκής συστοιχίας Σχ.6.19.: Ισχύς εξόδου Φωτοβολταϊκής συστοιχίας Όπως είναι αναμενόμενο η τάση και η ισχύς εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας δεν επηρεάζεται από τη μεταβολή του φορτίου, αφού οι περιβαλλοντικές συνθήκες παραμένουν σταθερές κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Αυτή που θα επηρεαστεί θα είναι η ισχύς εξόδου των κυψελών.

153 141 Σχ.6.20.: Ρεύμα εξόδου στοίβας κυψελών καυσίμου Σχ.6.21: Ισχύς εξόδου στοίβας κυψελών καυσίμου Παρατηρούμε ότι στο 4 ο δευτερόλεπτο ενεργοποιούνται οι κυψέλες καυσίμου προκειμένου να καλύψουν τις ανάγκες του φορτίου. Επίσης, παρατηρούμε ότι οι κυμματομορφές του ρεύματος και της ισχύς των κυψελών είναι παρεμφερείς.

154 142 Σχ.6.22: DC τάση του κοινού κόμβου Βλέπουμε ότι όταν εισάγεται το επιπλέον φορτίο στο σύστημά μας δημιουργεί διαταραχή στην τάση εισόδου του inverter. Η διαταραχή αυτή αναγκάζει την Vdc να φτάσει τα 904Volt, δηλαδή εμφανίζεται μία μικρή απόκλιση 0,44%, αλλά γρήγορα βλέπουμε ότι επαναφέρεται στα 900. Επίσης παρατηρούμε ότι στο 9 ο δευτερόλεπτο που πειράζουμε το συντελεστή διαμόρφωσης ma του inverter προκειμένου να καλυφτούν η επιπλέον ανάγκες σε άεργο ισχύ, υπάρχει μία μικρή βύθιση τάσης στον dc κόμβο της τάξης των 2Volt. Σχ.6.23: RMS τιμή της τάση του φορτίου

155 143 Αντίθετα παρατηρούμε ότι δημιουργείται μία πολύ μικρή βύθιση τάσης στην τάση στην οποία συνδέονται τα φορτία όταν κλείνει ο διακόπτης στο 4 ο δευτερόλεπτο. Η βύθιση είναι περίπου 0,3 Volt και είναι πολύ μικρή. Σχ.6.24: RMS τιμή της τάση του φορτίου

156 144 Σχ.6.25.: Ενεργός-Άεργος Ισχύς του Δικτύου. Σχ.6.26.: Συντελεστής διαμόρφωσης και το κύκλωμα ελέγχου

157 145 Σχ.6.27.: Ισχύς ενεργός άεργος που τραβά το φορτίο Παρατηρήσεις: Παρατηρούμε ότι στο 4 ο δευτερόλεπτο όπου και συνδέεται το επιπλέον φορτίο το δίκτυο να δίνει ενεργό και άεργο ισχύ. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι κυψέλες όπως έχουμε πει αργούν σχετικά να παράξουν την απαιτούμενη ισχύ. Βλέπουμε επίσης, ότι στο 9 ο δευτερόλεπτο όπου «πειράζουμε» το συντελεστή διαμόρφωσης του αντιστροφέα να αυξάνεται η άεργος που περνά από το μετασχηματιστή και αντίστοιχα να μειώνεται η άεργος ισχύς που φεύγει από το δίκτυο.

158 146 Παρατηρούμε από τη γραφική παράσταση του φορτίου ότι στην αρχή του 4 ου δευτερολέπτου η γραφική παράσταση είναι πιο παχιά απ ότι μετά. Αυτό οφείλεται στο ότι μετά τη διαταραχή απαιτείται λίγος χρόνος μέχρι το σύστημά μας να ισορροπήσει στα νέα δεδομένα. Τέλος, βλέπουμε ότι ο συντελεστής διαμόρφωσης ma επηρεάζεται κυρίως όταν αναγκάζομαι τον inverter να παράξει επιπλέον άεργο. Η προσθήκη του νέου φορτίου στο 4 ο δευτερόλεπτο παρατηρούμε ότι τον επηρεάζει ελάχιστα. 6.8 Προσομοίωση συστήματος για σφάλματα στη γραμμή Στο σύστημά μας θα εισάγουμε από τη βιβλιοθήκη του pscad το module το οποίο δημιουργεί σφάλματα στη γραμμή. Μπορεί να προσομοίωση όλων των ειδών τα σφάλματα, τριφασικά με γη, μονοφασικά, σφάλματα μεταξύ των γραμμών κ.ο.κ. Σχ.6.28.: Module παρασκευής σφαλμάτων Δίπλα από το module FAUTLS στην παραπάνω εικόνα υπάρχει και το κουτάκι Timed Fault Logic. Σε αυτό το κουτάκι ρυθμίζεται το πότε ακριβώς θέλεις να εμφανιστεί το σφάλμα και τη διάρκειά του. Στην προσομοίωσή μας το σφάλμα θα συμβεί στο 5 ο δευτερόλεπτο και θα έχει διάρκεια 0,1 δευτερόλεπτα. Τέλος, το Module FAULTS το ρυθμίσαμε να παράξει ένα τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη. Αυτό είναι και το ποιο σοβαρή διαταραχή, όσο αναφορά τα βραχυκυκλώματα, που μπορεί να γίνει στη γραμμή. Στη συνέχεια, θα δείξουμε και τις επιδράσεις που θα έχει στο σύστημα ένα μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη, για να επιβεβαιωθεί και στην πράξη ο προηγούμενος ισχυρισμός.

159 147 Τα βραχυκυκλώματα θέλουμε να γίνουν στο σημείο που συνδέεται το φορτίο. Έτσι το σύστημά μας γίνεται: Σχ.6.29.: Το σύστημα με το module των σφαλμάτων Το υπόλοιπο σύστημα μένει όπως είναι γι αυτό και δεν βάζουμε την εικόνα το σχήμα του Τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη Λειτουργία μόνο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας Όπως αναφέραμε προηγούμενος το σφάλμα εμφανίζεται στο 5 ο sec της προσομοίωσής μας και διαρκεί για 0.1 sec. Η φωτοβολταϊκή συστοιχία λειτουργεί σε ηλιοφάνεια 1000 W/m 2 και θερμοκρασία 25 ο C. Το φορτίο είναι 30kW και 15kVar. Οι κυψέλες καυσίμου δεν λειτουργούν μιας και η φωτοβολταϊκή συστοιχία υπερκαλύπτει τις ανάγκες του φορτίου.

160 148 Σχ.6.30.: Τάση εξόδου φωτοβολταϊκής συστοιχίας Σχ.6.31.: Ισχύς εξόδου φωτοβολταϊκής συστοιχίας

161 149 Σχ.6.32.: Τάση κοινού DC κόμβου. Παρατηρούμε ότι το βραχυκύκλωμα επηρεάζει περισσότερο την τάση του dc κόμβου απ ότι την τάση και την ισχύ της φωτοβολταϊκης συστοιχίας. Στον dc κόμβο όχι μόνο δημιουργείται μια διαταραχή των 50Volt (απόκλιση 5,56%) αλλά και μία έντονη κυμάτωση, ενώ στην τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού δημιουργεί διαταραχή γύρο στα 6-7 Volt. Βλέπουμε ότι η τάσεις επαναφέρονται στις ονομαστικές τιμές μέσα σε 1 sec περίπου. Ακόμα βλέπουμε ότι η ισχύς εξόδου της φωτοβολταϊκής συστοιχίας πέφτει κατά περίπου 600 W.

162 150 Σχ.6.33.: Ρεύμα μετά τον Μ/Σ. Όπως γνωρίζουμε στα βραχυκυκλώματα οι γραμμές διαρρέονται από πολύ μεγάλα ρεύματα. Αυτό επιβεβαιώνεται και από την παραπάνω γραφική παράσταση η οποία απεικονίζει τα ρεύματα σε κάθε μία από τις τρεις φάσεις. Στις δύο πρώτες γραφικές παραστάσεις βλέπουμε ότι το ρεύμα φτάνει τα A! Στην τρίτη γραφική παράσταση βλέπουμε ότι το ρεύμα πριν το σφάλμα αλλά και μετά την εκκαθάρισή του είναι ±40 A. Επομένως, τα 9000 Α που εμφανίζονται στιγμιαίως κατά τη διάρκεια του σφάλματος είναι περίπου 225 φορές μεγαλύτερο από το ρεύμα που εμφανίζεται στην κανονική λειτουργία.

163 151 Σχ.6.34.: RMS τάση φορτίου. Όπως είναι φυσικό υπάρχει πολύ μεγάλη πτώση τάσης στο σημείο όπου πραγματοποιείται το σφάλμα. Συγκεκριμένα εδώ εμφανίζεται 400 V πτώση τάσης η οποία όμως διαρκεί ελάχιστα. Αμέσως η rms τιμή επιστρέφει στα 1kV.

164 Σχ.6.35.: Ενεργός Άεργος ισχύς μετά το Μ/Σ. 152

165 153 Σχ.6.36.: Ενεργός Άεργος ισχύς δικτύου. Από την πλευρά του συστήματός μας υπάρχει σοβαρή διαταραχή όσο αναφορά την μεταφορά της ισχύος προς το φορτίο αλλά σε καμία περίπτωση δεν συγκρίνεται με αυτή του δικτύου. Από το δίκτυο βλέπουμε ότι διακινούνται τεράστια ποσά ενεργού και άεργου ισχύος προς το βραχυκύκλωμα. Συγκεκριμένα στιγμιαία διακινούνται από το δίκτυο 4.5MW ενεργού και 2MVar άεργου ισχύος. Ωστόσο, παρατηρούμε ότι η μεταφορά αυτή των τεραστίων ποσοτήτων ισχύος διαρκεί ελάχιστα από την πλευρά του δικτύου Λειτουργία μόνο της στοίβας κυψελών καυσίμου Τώρα θα εξετάσουμε τη συμπεριφορά του συστήματος σε τριφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη όταν λειτουργούν μόνο οι κυψέλες καυσίμου. Δηλαδή

166 154 έχουμε ηλιοφάνεια 0 W/m 2. Το βραχυκύκλωμα θα εμφανιστεί τώρα στο 10 ο δευτερόλεπτο και όχι στο 5 ο που εξετάσαμε πριν. Σχ.6.37.: Ισχύς στοίβας κυψελών καυσίμου Παρατηρούμε ότι η παραγωγή ισχύος από τη στοίβα επηρεάζεται ελάχιστα. Υπάρχει μία μικρή μείωση της τάξης των 100 W. Η μείωση αυτή της ισχύς είναι μικρότερη από αυτή που εμφανίζει η φωτοβολταϊκή συστοιχία, πράγμα λογικό καθώς όπως έχουμε δει οι κυψέλες καυσίμου γενικά εμφανίζουν μία αδράνεια προς τις μεταβολές. Σχ.6.38.: Τάση κοινού DC κόμβου.

167 155 Η dc τάση βλέπουμε ότι εμφανίζει παρόμοια διαταραχή με αυτή που εμφανίστηκε όταν λειτουργούσαν μόνο η φωτοβολταϊκή συστoιχία. Η μόνη διαφορά είναι απαιτήθηκε λίγο περισσότερος χρόνος για την επαναφερθεί η dc τάση στα 900 Volt. Σχ.6.39.: Ενεργός Άεργος ισχύς μετά το Μ/Σ.

168 156 Σχ.6.40.: Ενεργός Άεργος ισχύς δικτύου. Η ενεργός και άεργος ισχύς που τραβιέται από το δίκτυο και πηγαίνει προς το σφάλμα είναι ακριβώς ίδια (4.5 kw και 2.0 kvar) με αυτήν που είχαμε όταν πραγματοποιήθηκε το σφάλμα όταν λειτουγούσαν μόνο τα φωτοβολταϊκά. Η μόνη διαφορά είναι ότι όσο αναφορά την ενεργό και άεργο ισχύ που μεταφέρεται από το σύστημά μας προς το φορτίο, απαιτείται περισσότερος χρόνος για να ξαναισορροπίσει το σύστημα Μονοφασικό βραχυκύκλωμα με τη γη Εδώ θα δούμε την επίδραση ενός μονοφασικού βραχυκυκλώματος που πραγματοποιείται στην γραμμή όταν λειτουργούν μόνο τα φωτοβολταϊκά. Η επίδραση είναι παρόμοια με το αν λειτουργούσαν μόνο οι κυψέλες, γι αυτό θα

169 157 μελετήσουμε μόνο αυτήν την περίπτωση. Δεν θα γίνουμε τόσο αναλυτικοί στις γραφικές παραστάσεις όσο πριν, απλά θέλουμε απλά να δείξουμε τη διαφορά που εμφανίζει το σύστημα στα δύο αυτά είδη βραχυκυκλωμάτων : Τάση κοινού DC κόμβου : RMS τιμή της τάσης φορτίου

170 6.43.: Ρεύμα μετά τον Μ/Σ. 158

171 : Ενεργός Άεργος ισχύς δικτύου Γενικά παρατηρούμε ότι στο μονοφασικό βραχυκύκλωμα έχουμε μεν μεγάλες διαταραχές στις τάσεις και στις ισχύς που διακινούνται στη γραμμή αλλά είναι σχετικά ηπιότερες εν συγκρίσει με αυτές που έχουμε στο τριφασικό βραχυκύκλωμα. Μόνο στο ρεύμα παρατηρείται μία αύξηση καθώς από 9kA που ήταν τώρα εμφανίζει τιμή 10kA.