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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: Τομέας Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΥΛΟΥ Α. ΠΑΡΑΣΚΕΥΑ Α.Μ.: 6831 Θέμα Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου Μελέτη και προσομοίωση αιολικού συστήματος Επιβλέπων: Δρ. Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 382 Πάτρα, Οκτώβριος 2014 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ Τηλ: Fax: ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: e.c.tatakis@ece.upatras.gr Τηλ:

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: Τομέας Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΥΛΟΥ Α. ΠΑΡΑΣΚΕΥΑ Α.Μ.: 6831 Θέμα Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου Μελέτη και προσομοίωση αιολικού συστήματος μικροδικτύου Επιβλέπων: Δρ. Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2014 Πάτρα, Οκτώβριος 2014

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου Μελέτη και προσομοίωση αιολικού συστήματος» Του φοιτητή της Πολυτεχνικής Σχολής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΥΛΟΥ Α. ΠΑΡΑΣΚΕΥΑ Αριθμός Μητρώου: 6831 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 20/10/2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2014 Τίτλος: «Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου Μελέτη και προσομοίωση αιολικού συστήματος» Φοιτητής: Επιβλέπων: Παρασκευάς Παύλος του Αθανασίου Δρ. Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της λειτουργίας και τη δημιουργία ενός μικροδικτύου, στο χώρο του Κτηρίου Βαρέων Ηλεκτρολόγων του Πανεπιστημίου Πατρών. Επιπρόσθετα, πραγματεύεται την κατασκευή ενός εξομοιωτή φορτίου μιας απαιτητικής από άποψης ενέργειας κατοικίας. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης για την εξομοίωση της ενεργειακής ζήτησης μιας μονοκατοικίας. Η διάταξη, για την υλοποίηση του αυτοματισμού, διαθέτει έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (ΠΛΕ). Ο προγραμματισμός του ΠΛΕ και η εξομοίωση της λειτουργίας των οικιακών συσκευών υπήρξε το κύριο αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Μετά την ολοκλήρωσή της θα είναι δυνατή η σύνδεσή της σε ένα μικροδίκτυο με σκοπούς τη βελτιστοποίηση της απόδοσής του καθώς και τη μελέτη της συμπεριφοράς κατά τη λειτουργία του. Η εκπόνηση της εργασίας έγινε σε συνεργασία με τους συναδέλφους Ψαρά Βασίλειο και Μπιλιανό Σωτήριο. Αρχικά παρουσιάζεται το ενεργειακό πρόβλημα, το οποίο εκ φύσεως οδηγεί στην ανεύρεση νέων πηγών ενέργειας. Εν συνεχεία αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και η παρούσα κατάσταση όσον αφορά τη χρησιμοποίησή τους. Εν συνεχεία παραθέτουμε τον ορισμό καθώς και τις συνήθεις συνιστώσες ενός μικροδικτύου, αναλύοντας θεωρητικά τις κυριότερες μονάδες παραγωγής, μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, παραθέτουμε μια καταγραφή καθώς και μια ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων του υπάρχοντος μικροδικτύου. Με σκοπό τη μελέτη της λειτουργίας του, την αξιολόγηση των δυνατοτήτων του και την εκτίμηση της παρούσας κατάστασής του, παρουσιάζονται μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με διάφορα φορτία και εξάγονται κάποια σημαντικά συμπεράσματα. Στη συνέχεια, παραθέτουμε το προφίλ (κατανομή μέσα στην ημέρα) και το μέγεθος μιας τυπικής ηλεκτρικής ενεργειακής κατανάλωσης, μιας μονοκατοικίας. Έχοντας την τυπική οικιακή κατανάλωση ως δεδομένο, έγινε η επιλογή του τρόπου εξομοίωσής της σε εργαστηριακό περιβάλλον, χρησιμοποιώντας κατάλληλα παθητικά στοιχεία R-L. Τέλος, παρουσιάζουμε την ενεργειακή κατανάλωση του εξομοιωτή, για μια ολόκληρη εβδομάδα, όπως αυτή καταγράφηκε, κατά τη σύνδεσή του στο δημόσιο δίκτυο και εξάγουμε συμπεράσματα για τη λειτουργία του.

8

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών σε συνεργασία με το Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων και Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενό της, αποτέλεσε η μελέτη και ανάλυση της λειτουργίας του μικροδικτύου που υπάρχει στο Κτήριο των Βαρέων Ηλεκτρολόγων, με απώτερο στόχο την κατασκευή ενός πλήρους μικροδικτύου, που θα περιλαμβάνει ανεμογεννήτρια και ντιζελογεννήτρια. Η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε καθ όλη τη διάρκεια, σε συνεργασία με τους συναδέλφους Ψαρά Βασίλειο και Μπιλιανό Σωτήριο. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται το ενεργειακό πρόβλημα και εξετάζεται συνοπτικά η φύση των Ήπιων Μορφών Ενέργειας, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης τους, συγκριτικά με τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Τέλος, παρατίθεται μια σύντομη απεικόνιση της παρούσας κατάστασης όσον αφορά το θεσμικό πλαίσιο και τη χρήση τους. Στο κεφάλαιο 2 αφού παρουσιαστεί η δομή του ελληνικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας διασαφηνίζονται οι όροι κεντρικοποιημένη και αποκεντρωμένη παραγωγή. Αφού δοθεί ο ορισμός του μικροδικτύου, εξετάζονται οι κύριες συνιστώσες του (μονάδες παραγωγής, μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας) και έπεται μια θεωρητική ανάλυσή τους. Στο ίδιο κεφάλαιο εξετάζονται κάποια από τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη διαρκώς αυξανόμενη δημιουργία μικροδικτύων μέσα στο υπάρχον δημόσιο δίκτυο. Στο κεφάλαιο 3 αναλύονται οι συνιστώσες του υπάρχοντος μικροδικτύου στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών. Αφού επεξηγηθεί το ηλεκτρολογικό σχέδιο της εγκατάστασης παρουσιάζονται οι παρούσες δυνατότητες του συστήματος καθώς και κάποιες από τις δυνατότητες επέκτασης που διαθέτει, όπως σύνδεση περισσότερων μονάδων παραγωγής ενέργειας, δημιουργία τριφασικής αυτόνομης και διασυνδεδεμένης λειτουργίας, σύνδεση γεννήτριας ντίζελ. Λόγω του ότι το σύστημα ήταν ανενεργό για αρκετό καιρό πριν την αρχή της εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ήταν αναγκαίες κάποιες εργασίες συντήρησης αλλά και κάποιες μετρήσεις για την εκτίμηση της κατάστασης του συστήματος, οι οποίες παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο. Τέλος, παρατίθενται ορισμένα αποτελέσματα μετρήσεων που έγιναν για την κατανόηση της συμπεριφοράς των μετατροπέων κατά την αυτόνομη λειτουργία. Στο κεφάλαιο 4 σκοπεύουμε στην προσομοίωση όλων των στοιχείων ενός μικροδικτύου και την τελική σύνδεσή τους για την τροφοδοσία ενός φορτίου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία ως μονάδα παραγωγής προσομοιώθηκε η ανεμογεννήτρια, που υπάρχει στο Εργαστήριο

10 Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής ενέργειας, ενώ στη διπλωματική εργασία του Ψαρά Βασίλειου προσομοιώνεται η λειτουργία των υπαρχόντων φωτοβολταϊκών πλαισίων. Η προσομοίωση των αντιστροφέων γίνεται στη διπλωματική εργασία του Μπιλιανού Σωτήριου. Αφού γίνουν οι κατάλληλοι έλεγχοι σε κάθε μετατροπέα γίνεται μια σύνδεση των επιμέρους στοιχείων σε ένα τελικό σύστημα. Για κάθε προσομοίωση παρατίθενται στο κεφάλαιο αυτό τα σχετικά παλμογραφήματα. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται λεπτομερώς ο σχεδιασμός και η κατασκευή της διάταξης του εξομοιωτή μιας τυπικής οικιακής κατανάλωσης. Επεξηγούνται λεπτομερώς ο τρόπος επιλογής των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, ο τρόπος προγραμματισμού του PLC και ο τρόπος σύνδεσης για την τροφοδοσία των παθητικών στοιχείων. Στο κεφάλαιο 6 παρατίθενται οι μετρήσεις, που έγιναν σε εργαστηριακό περιβάλλον κατά τη σύνδεση του εξομοιωτή στο δημόσιο δίκτυο χαμηλής τάσης. Μέσω των μετρήσεων εξάγονται ορισμένα συμπεράσματα, που αφορούν τη συμπεριφορά κατά τη λειτουργία του. Στο σημείο αυτό οφείλω να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη, για τη συνολική αρωγή του κατά την περίοδο εκπόνησής της, τις πολύτιμες συμβουλές και την καθοδήγηση που προσέφερε. Επιπρόσθετα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Θ. Ζαχαρία και τον Καθηγητή κ. Ν. Βοβό, που μας παρείχαν τη δυνατότητα χρήσης του υπάρχοντος συστήματος στο εργαστήριο Π.Μ.Δ.Η.Ε. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να δώσω στον κ. Κωνσταντίνο Πέτρου για την αμέριστη βοήθεια, που προσέφερε σε όλα τα στάδια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Οι γνώσεις και η επιθυμία του να βοηθήσει, μας οδήγησε να ξεπεράσουμε ορισμένους, αν όχι όλους, τους σκοπέλους που δημιουργούνταν. Θα ήθελα, επίσης, να ευχαριστήσω θερμά τους φίλους μου Χάρη, Σωτήρη, Περικλή, Μανόλη, Εβίτα, Δημήτρη και Γιάννη για τη βοήθεια που μου προσέφεραν τον τελευταίο χρόνο εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας, καθώς χωρίς αυτή δε θα ήταν δυνατή η ολοκλήρωσή της. Όσο για τους φίλους μου και συναδέλφους Σωτήρη και Βασίλη, με τους οποίους εκπονήσαμε την παρούσα διπλωματική εργασία, οι ευχαριστίες είναι περιττές, αλλά πρέπει να ειπωθεί, πως καθ όλη τη διάρκεια, η συνεργασία μας ήταν κάλλιστη και ιδιαίτερα ευχάριστη.

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1.1 Ενέργεια Αποτύπωση ενεργειακού προβλήματος Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ενσωμάτωση ήπιων μορφών ενέργειας στο ελληνικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μικροδίκτυα 2.1 Εισαγωγή Δομή του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Κεντρικοποιημένη και Αποκεντρωμένη (Κατανεμημένη) Παραγωγή Ορισμός και βασικά χαρακτηριστικά μικροδικτύου Βασικές μονάδες παραγωγής μικροδικτύων Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτριες Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Βασική δομή ανεμογεννήτριας Ανάλυση διαγράμματος μηχανικής ισχύος - ταχύτητας ανέμου Μέθοδοι ρύθμισης μηχανικής ισχύος ανεμοκινητήρα Τρόποι σύνδεσης ανεμογεννήτριας σε μικροδίκτυο Γεννήτριες καυσίμων Κύτταρα καυσίμου ή κυψέλες καυσίμου (Fuel Cell) Μονάδες μετατροπής ισχύος Διακοπτικοί μετατροπείς DC-DC Αντιστροφείς DC-AC διακοπτικού τύπου Μονάδες αποθήκευσης Συσσωρευτές Σφόνδυλοι Flywheel Υπεραγώγιμα πηνία....60

12 2.7.4 Πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας Super Capacitors Πεπιεσμένος Αέρας Αντλίες Υδρογόνο 61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ανάλυση και λειτουργία υπάρχοντος μικροδικτύου στο εργαστήριο ηλεκτρικής ενέργειας 3.1 Ανάλυση υπάρχοντος μικροδικτύου στο ΕΗΕ Φωτοβολταϊκά πλαίσια Ανεμογεννήτρια Μετατροπείς Αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών Μετατροπέας των συσσωρευτών Συσσωρευτές Λειτουργία του μικροδικτύου Ηλεκτρολογικό σχέδιο εγκατάστασης Μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Σύνδεση μετατροπέα συσσωρευτών στο δίκτυο Μονοφασική αυτόνομη λειτουργία Διαδικασία εκκίνησης και παύσης του συστήματος Καταγραφή λειτουργίας του αυτόνομου συστήματος Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Προσομοίωση συστήματος σε λογισμικό Matlab/Simulink 4.1 Προσομοίωση μοντέλου ανεμοκινητήρα Προσομοίωση μοντέλου τριφασικής σύγχρονης γεννήτριας με μόνιμους μαγνήτες..112

13 4.3 Προσομοίωση λειτουργίας ανεμογεννήτριας υπό τριφασικό ωμικό φορτίο Προσομοίωση λειτουργίας ανεμογεννήτριας σε σύνδεση με τριφασική ανορθωτική γέφυρα Χάραξη χαρακτηριστικών του συστήματος Ανεμοκινητήρας-Γεννήτρια- Ανορθωτής Χάραξη των χαρακτηριστικών του συστήματος Ανεμοκινητήρας- Γεννήτρια-Ανορθωτής χωρίς την εφαρμογή ελέγχου Χάραξη χαρακτηριστικών του συστήματος Ανεμοκινητήρας-Γεννήτρια- Ανορθωτής με τη χρήση ελέγχου βήματος πτερυγίου Προσομοίωση τροφοδοσίας φορτίου με τάση παραγόμενη από την ανεμογεννήτρια Έλεγχος του λόγου κατάτμησης του Boost μετατροπέα με κλειστό βρόχο Προσομοίωση ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος στην ανεμογεννήτρια Σταθερός άνεμος χωρίς την εφαρμογή ελέγχου MPPT Σταθερός άνεμος με εφαρμογή ελέγχου MPPT Βηματικές μεταβολές ανέμου Άνεμος με διαταραχές Διατήρηση σταθερής τάσης στη συνεχή διασύνδεση- Σύνδεση στο δίκτυο Μεταβολή ταχύτητας ανέμου Σύνδεση συστήματος Ανεμογεννήτρια-Ανορθωτή-Βοοst μετατροπέα- Αντιστροφέα με δικατευθυντήριο μετατροπέα και μπαταρίες Συνολικό σύστημα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Εξομοίωση ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μονοκατοικίας 5.1 Τυπική οικιακή κατανάλωση Εξομοίωση ηλεκτρικών συσκευών με RL στοιχεία Υλοποίηση και έλεγχος του εξομοιωτή ηλεκτρικών καταναλώσεων Εισαγωγή (PLC)

14 5.3.2 Είσοδοι έξοδοι και επιλογή του κατάλληλου PLC Προγραμματισμός του PLC Υλοποίηση του εξομοιωτή Ταμπλό ελέγχου λειτουργίας φορτίων Ηλεκτρολογικός πίνακας Βιομηχανικός πίνακας Στήριξη της κατασκευής 238 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Πειραματικά αποτελέσματα και συμπεράσματα 6.1 Διεξαγωγή μετρήσεων κατά τη σύνδεση του εξομοιωτή φορτίου με το δίκτυο Συμπεράσματα και προοπτικές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 259 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α - Τεχνικά Φυλλάδια ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β - Λίστες παραμέτρων Sunny Remote Control ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ - ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ- Εβδομαδιαίο πρόγραμμα λειτουργίας συσκευών και φωτισμού..289 Πρόγραμμα του PLC

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ενέργεια Η ενέργεια είναι σε τέτοιο βαθμό συνυφασμένη με την καθημερινή μας ζωή, που μόνο η έλλειψή της καθιστά πρόδηλη την αναγκαιότητά της. Το σύνολο των ανθρώπινων δραστηριοτήτων δεσμεύει, παράγει, καταναλώνει, μετατρέπει, αποθηκεύει και υποβαθμίζει τεράστια ποσά ενέργειας. Η ενέργεια εμφανίζεται με πολλές μορφές. Κίνηση, θερμότητα, ενέργεια χημικών δεσμών ή ηλεκτρισμός. Η ενέργεια μπορεί να προέρχεται από διαφορετικές πηγές, όπως ο άνεμος, ο άνθρακας, η ξυλεία ή τα τρόφιμα. Όλες οι πηγές ενέργειας έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό. Η χρήση τους μας δίνει τη δυνατότητα να θέσουμε αντικείμενα σε κίνηση, να μεταβάλουμε θερμοκρασίες, να παράγουμε ήχο και εικόνα. Με άλλα λόγια, μας δίνεται η δυνατότητα να παράγουμε έργο. Ο κύκλος της παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας ξεκινά από τις αρχικές μορφές ενέργειας όπως ο άνθρακας, το αργό πετρέλαιο, ο άνεμος, το ηλιακό φως ή το φυσικό αέριο. Αυτές οι μορφές χαρακτηρίζονται ως πρωτογενή ενέργεια και βεβαίως, ελάχιστα μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τους καταναλωτές. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή των πρωτογενών μορφών σε τελική ενέργεια όπως για παράδειγμα ηλεκτρισμός. Τέλος, κατάλληλος εξοπλισμός ή συσκευές όπως το αυτοκίνητο ή η τηλεόραση, μετατρέπουν την τελική ενέργεια σε χρήσιμη ενέργεια παρέχοντας ενεργειακές υπηρεσίες. Από την πρωτογενή έως τη χρήσιμη ενέργεια, μεσολαβούν πολλά ενδιάμεσα στάδια ανάλογα με τη μορφή της ενέργειας. Όλη αυτή η πολυσύνθετη αλυσίδα είναι γνωστή ως ενεργειακό σύστημα. [1] Σχήμα 1.1: Ενεργειακό σύστημα [1]

16 1.2 Αποτύπωση του ενεργειακού προβλήματος Η διαρκής προσπάθεια του ανθρώπου για την αύξηση του βιοτικού του επιπέδου, η βιομηχανική ανάπτυξη και η πληθυσμιακή αύξηση οδήγησαν στην ταχεία αύξηση της ενεργειακής ζήτησης. Συγκεκριμένα στον ελλαδικό χώρο, σύμφωνα με αποτελέσματα από έρευνες που αφορούν την κατανάλωση ενέργειας, κάθε νοικοκυριό καταναλώνει 1MWh, περίπου, ετησίως για την κάλυψη των ενεργειακών του αναγκών. Στο παρακάτω γράφημα βλέπουμε τα αποτελέσματα της έρευνας που διεξήγαγε η Ελληνική Στατιστική Αρχή (ΕΛ.ΣΤΑΤ), σε συνεργασία με το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε) για το έτος [2]. Σχήμα 1.2: Μέση ετήσια κατανάλωση ενέργειας ανά νοικοκυριό Επιπρόσθετα, από τα αποτελέσματα της έρευνας προέκυψε η κατανομή της μέσης ετήσιας συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας κατά το χρησιμοποιούμενο καύσιμο καθώς και κατά το είδος χρήσης. Τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα εμφανίζονται στον ακόλουθο πίνακα (Πίνακας 1.1) [2]. [2]

17 Πίνακας 1.1: Κατανομή συνολικής κατανάλωσης ενέργειας κατά τύπο καυσίμου (Πίνακας 1) και κατά τελική χρήση (Πίνακας 2) Δεδομένου, λοιπόν, ότι το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιείται σήμερα προέρχεται από ορυκτές καύσιμες ύλες, όπως γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο και σχάσιμα πυρηνικά υλικά, η αύξηση της ενεργειακής ζήτησης φέρνει την παγκόσμια κοινότητα αντιμέτωπη με δύο σημαντικά προβλήματα [3]: Τη διαθεσιμότητα και την επάρκεια των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων Τις επιπτώσεις στο περιβάλλον Τα ορυκτά καύσιμα χρειάστηκαν εκατομμύρια χρόνια για να σχηματιστούν από απολιθώματα, κάτω από υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, στο εσωτερικό της γης. Συνεπώς, η ποσότητά τους είναι πεπερασμένη και ο φυσικός ρυθμός παραγωγής τους εξαιρετικά βραδύς. Από τη στιγμή που ο ρυθμός παραγωγής θα φτάσει στην κορύφωσή του, θα γίνει ορατός και ο χρονικός ορίζοντας εξάντλησης των αποθεμάτων. Ωστόσο, η πραγματική κρίση θα εμφανιστεί αρκετά πιο νωρίς, τη στιγμή δηλαδή που η παραγωγή ορυκτών καυσίμων θα αδυνατεί να καλύψει τη ζήτησή τους [4]. Ο πίνακας 1.2 παρακάτω δίνει τη σύνοψη των αποδεδειγμένων [3]

18 κοιτασμάτων (έτος 2007). Ωστόσο, υπάρχει αξιοσημείωτη αβεβαιότητα σε αυτούς τους αριθμούς, εξαιτίας τεχνικών λόγων (η εκτίμηση του μεγέθους ενός κοιτάσματος είναι πολύ δύσκολη) και πολιτικής φύσης λόγων (χώρες και εταιρίες έχουν διάφορους λόγους να κάνουν τα κοιτάσματα να δείχνουν μεγαλύτερα ή μικρότερα). Πίνακας 1.2: Παγκόσμια αποδεδειγμένα αποθέματα και ετήσια παραγωγή υδρογονανθράκων σε όγκο (m 3 αερίου σε συνθήκες 1 bar και 15 C) και σε ενέργεια. Α/Π είναι ο λόγος των αποθεμάτων προς την ετήσια παραγωγή, και δίνει τον αριθμό των ετών που τα γνωστά αποθέματα θα διαρκέσουν, αν εκμεταλλεύονται με τον τρέχοντα ρυθμό παραγωγής [5] Σημειώνεται ότι οι παραπάνω εκτιμήσεις (Πίνακας 1.2) έχουν γίνει με την παραδοχή ότι το επίπεδο της κατανάλωσης και της παραγωγής θα παραμείνει σταθερό και πως όλες οι πηγές ορυκτών καυσίμων έχουν ανακαλυφθεί. Στην πραγματικότητα, όμως, η κατανάλωση αυξάνεται, ενώ εξακολουθούν να υπάρχουν ανεκμετάλλευτα κοιτάσματα, συνεπώς υπάρχει μεγάλη αβεβαιότητα για τον αριθμό 93. Δε σημαίνει ότι μετά από ακριβώς 93 χρόνια κατανάλωσης ενέργειας, θα φθάσει ξαφνικά το τέλος. Ήδη έχουμε αρχίσει να νιώθουμε την επίδραση του ότι τα ορυκτά καύσιμα τελειώνουν [6]. Η κύρια επιβλαβής επίδραση στο περιβάλλον της χρήσης των ορυκτών καυσίμων είναι η αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, που συντελεί στην εμφάνιση του φαινομένου του θερμοκηπίου με κύριο αποτέλεσμα την υπερθέρμανση του πλανήτη. Με την καύση των ορυκτών καυσίμων, εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα, απελευθερώνονται και άλλες επιβλαβείς ουσίες στην ατμόσφαιρα όπως νιτρικά, θειικά ή ανθρακικά οξέα τα οποία είναι υπεύθυνα για τον σχηματισμό όξινης βροχής [3]. [4]

19 1.3 Ήπιες μορφές ενέργειας Η εξοικονόμηση ενέργειας ή η ορθολογική χρήση ενέργειας, μπορεί να επιτευχθεί χωρίς να μειώσουμε το βιοτικό μας επίπεδο. Οι δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας είναι σημαντικές σε όλους τους τομείς, όπως στις μεταφορές, τη γεωργία, τη βιομηχανία, στα κτίρια του οικιακού ή τριτογενή τομέα, στον ενεργειακό τομέα (π.χ. στους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής) κ.λπ. Εκμεταλλευόμενοι νέα συστήματα υψηλής τεχνολογίας βελτιωμένων αποδόσεων, τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), τον καλύτερο σχεδιασμό συστημάτων, τους αυτοματισμούς κ.λπ., μπορούμε να πετύχουμε και τους δύο στόχους, δηλαδή μείωση της κατανάλωσης συμβατικών καυσίμων με ταυτόχρονη προστασία του περιβάλλοντος. Ως ανανεώσιμες ή ήπιες μορφές ενέργειας θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των παραδοσιακών πηγών ενέργειας (για παράδειγμα του πετρελαίου ή του άνθρακα), που εκ φύσεως ανανεώνονται και είναι διαρκώς διαθέσιμες. Ο όρος «ανανεώσιμες» είναι κάπως καταχρηστικός καθώς ορισμένες από αυτές τις πηγές, όπως η γεωθερμική ενέργεια δεν ανανεώνονται σε κλίμακα χιλιετιών. Οι ανανεώσιμες ή ήπιες μορφές ενέργειας (ΗΜΕ) είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας, η οποία προέρχεται από διάφορες φυσικές διαδικασίες. Ο όρος ήπιες αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Πρώτον, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση, καύση, αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ενέργειας στη φύση. Κατά δεύτερον πρόκειται για φιλικές προς το περιβάλλον μορφές ενέργειας. [7] Παρακάτω εξετάζουμε περιληπτικά τις κυριότερες ήπιες μορφές ενέργειας: - Ηλιακή Ενέργεια Η μέση προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια της γης είναι περίπου 600 W/m 2, αλλά η πραγματική της τιμή εξαρτάται κατά πολύ από τη γεωγραφική θέση της περιοχής. Έχει το πλεονέκτημα ότι δεν έχει κόστος, είναι ανεξάντλητη και δε μολύνει το περιβάλλον, αλλά έχει το μειονέκτημα ότι έχει μικρή ένταση ανά μονάδα επιφάνειας, είναι διαθέσιμη μόνο ένα μέρος της ημέρας και εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες. Οι προηγούμενοι λόγοι καθιστούν την εκμετάλλευσή της δύσκολο τεχνολογικά πρόβλημα. Η αξιοποίησή της γίνεται με [8]: [5]

20 α) Μετατροπή της σε θερμική ενέργεια β) Απευθείας μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια. - Αιολική Ενέργεια Ο νόμος της διάχυσης του Fick ορίζει, πως όταν δύο περιοχές έχουν άνιση ποσότητα σωματιδίων, τότε προκαλείται μια κίνηση μεταξύ αυτών και μάλιστα με ταχύτητα μεταβολής ανάλογη της διαφοράς της ποσότητας των σωματιδίων, ώστε σε κατάσταση ισορροπίας οι δύο περιοχές να περιέχουν τον ίδιο αριθμό [9]. Παρόμοιο φαινόμενο εξελίσσεται στην ατμόσφαιρα, όταν ανόμοιες θερμοκρασιακά αέριες μάζες αρχίζουν να κινούνται, ώστε να αποκτήσουν ίδια θερμοκρασία. Η κίνηση αυτή δημιουργεί τον άνεμο και η ενέργεια αυτή ονομάζεται αιολική. Εμμέσως πλην σαφώς, λοιπόν, υπεύθυνος για τη δημιουργία του ανέμου, είναι ο ήλιος που θερμαίνει την ατμόσφαιρα [10]. Ο άνεμος σαν πηγή ενέργειας έχει τα πλεονεκτήματα ότι είναι άφθονος ανεξάντλητος και δε μολύνει ούτε αυξάνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, έχει όμως το μειονέκτημα ότι είναι μεταβλητός, με αποτέλεσμα για τη βελτίωση της αξιοπιστίας της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος να απαιτείται ο συνδυασμός της με άλλες πηγές ενέργειας. Η αιολική ενέργεια βρίσκεται ξανά στο προσκήνιο τα τελευταία χρόνια με την κατασκευή και χρήση ανεμογεννητριών που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική [11]. - Γεωθερμική Ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια είναι η ενέργεια των πετρωμάτων της γης και γενικά η εκμετάλλευσή της είναι αντιοικονομική. Υπάρχουν όμως περιοχές της γης (γεωθερμικά πεδία), που εμφανίζεται επιφανειακά, υπό μορφή ζεστού νερού ( o C), υγρού ατμού (νερό με πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής και θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 ο C ) ή κεκορεσμένου ξηρού ατμού και μπορεί να αξιοποιηθεί σε βιομηχανίες, θερμοκήπια και θέρμανση κατοικιών [8]. - Βιομάζα Τα υπολείμματα φυτών και τα απορρίματα ζωικών οργανισμών ονομάζονται βιομάζα, που μπορεί με κατάλληλες χημικές ή βιολογικές διεργασίες να παράγει τα βιοκαύσιμα. Η βιομάζα αξιοποιείται με την καύση για την παραγωγή θερμότητας ή με την παραγωγή υγρών και αερίων καυσίμων [8]. [6]

21 - Υδροηλεκτρική ενέργεια Η δυναμική ενέργεια των υδάτων είναι από τις παλαιότερες μορφές ενέργειας που μετετράπησαν σε άλλες μορφές ενέργειας για να αξιοποιηθούν και ήταν φυσικό να χρησιμοποιηθεί και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς, η ηλεκτρική ενέργεια αποκτάται χωρίς σημαντικό λειτουργικό κόστος και χωρίς ρύπανση για το περιβάλλον [8]. - Θαλάσσια Ενέργεια α) Ενέργεια των κυμάτων Εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυμάτων της θάλασσας. Η ενέργεια που παράγεται μπορεί να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες μιας οικίας ενός φάρου κτλ. β) Παλιρροιακή ενέργεια Εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του ήλιου και της Σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται καθώς ανεβαίνει και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να περάσει μέσα από μια τουρμπίνα, παράγοντας ηλεκτρισμό. γ) Ενέργεια από θερμοκρασιακές διαφορές του νερού των ωκεανών Εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα στρώματα του ωκεανού, κάνοντας χρήση των θερμικών κύκλων, αλλά βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας Τα πλεονεκτήματα από την εκμετάλλευση της θαλάσσιας ενέργειας, εκτός από καθαρή και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, με τα γνωστά ευεργετήματα, είναι το σχετικά μικρό κόστος των απαιτούμενων εγκαταστάσεων, η μεγάλη απόδοση και η δυνατότητα παραγωγής, με ηλεκτρόλυση από το άφθονο θαλασσινό νερό, υδρογόνου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο. Στα μειονεκτήματα συγκαταλέγεται το κόστος μεταφοράς της ενέργειας στη στεριά [7]. [7]

22 1.4 Ενσωμάτωση ήπιων μορφών ενέργειας στο ελληνικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Η στρατηγική πολιτική και το σχέδιο δράσης της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Ε.Ε.) για τις ΗΜΕ παρουσιάζεται στη λευκή Βίβλο. Βασικός στόχος της Ε.Ε. είναι η ισορροπημένη χρήση όλων των πηγών ενέργειας και καυσίμων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η αειφόρος ανάπτυξη, και βάζει σα στόχο το διπλασιασμό του ποσοστού συμβολής των ΗΜΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο από 6% σε 12% μέχρι το 2010, και από 14% σε 22% στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [12]. Επίσης, δεδομένου ότι σύμφωνα με τις διεθνείς αποφάσεις για τις κλιματικές αλλαγές του Κυότο το 1997, του Μπουένος Άιρες το 1998 και του Μαροκές το 2001, η Ε.Ε. έχει συμφωνήσει στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα στα επίπεδα του 1990 μειωμένα κατά 8% κατά τη διάρκεια Συνεπώς, η συμβολή των ΗΜΕ και η περαιτέρω ανάπτυξή τους, σε συνδυασμό με τη μείωση της κατανάλωσης συμβατικών καυσίμων, αναμένεται να συμβάλλει ουσιαστικά στην επίτευξη των στόχων [13]. Σύμφωνα με στοιχεία της Δημόσιας Επιχείρησης Ηλεκτρισμού (Δ.Ε.Η) [14], η διείσδυση των ήπιων μορφών ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανέρχεται πλέον στο 10% της συνολικής παραγωγής, ενώ αν συνυπολογιστεί και η υδροηλεκτρική παραγωγή τότε το ποσοστό ανέρχεται στο 16%. ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΠΟΣΟΣΤΟ ΛΙΓΝΙΤΙΚΗ 47,22% ΠΕΤΡΕΛΑΪΚΗ 8,15% ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 24,53% ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ 6,08% ΑΠΕ 10,06% ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΙΣ 3,96% [8]

23 ΣΥΝΟΛΟ 100,00% Πίνακας 1.3: Στοιχεία της ΔΕΗ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Είναι τουλάχιστον ενθαρρυντικό για τη χώρα μας, ότι η συμμετοχή των ΑΠΕ έχει υπερδιπλασιαστεί σε μια δεκαετία, σύμφωνα με τα στοιχεία της Eurostat [15]. Πίνακας 1.4: Ποσοστό διείσδυσης των Ήπιων Μορφών Ενέργειας στις ευρωπαϊκές χώρες Η Ελλάδα σύμφωνα με τις ευρωπαϊκές οδηγίες πρέπει να φτάσει το ποσοστό 18% στη διείσδυση των ΑΠΕ μέχρι το έτος [9]

24 [10]

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 2.1 Εισαγωγή Η κλασσική δομή των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) περιλαμβάνει μεγάλους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που τροφοδοτούν την ισχύ τους σε απομακρυσμένα κέντρα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των ηλεκτρικών δικτύων. Για πολλούς λόγους όμως, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια βαθμιαία αλλαγή αυτής της δομής. Η εγκατάσταση κατανεμημένων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέχρι μερικών δεκάδων ΜW στο δίκτυο μέσης τάσης έχει γίνει πια μια αποδεκτή πραγματικότητα. Η νέα επιδίωξη αφορά την εγκατάσταση όλο και μικρότερων μονάδων παραγωγής, όσο το δυνατόν πλησιέστερα στα φορτία στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, με βάση τις διαθέσιμες τοπικές πηγές πρωτογενούς ενέργειας. Αυτή η διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης επιδιώκεται και αναμένεται να αυξηθεί δραματικά την επόμενη δεκαετία για διάφορους λόγους, με πιο σημαντικούς: Την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με μεθόδους φιλικές στο περιβάλλον ώστε να μειωθεί η εκπομπή τον διοξειδίου του άνθρακα, που εκπέμπουν οι παραδοσιακές μονάδες που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα όπως ο λιγνίτης ή το πετρέλαιο. Τη διεύρυνση της ποικιλίας των χρησιμοποιούμενων πρώτων υλών στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που είναι απαραίτητη για οικονομικούς λόγους (περιορισμός των εισαγόμενων καυσίμων) αλλά και λόγω του περιορισμένου χρόνου που αναμένεται να υπάρχει επάρκεια των συμβατικών καυσίμων. Την αλματώδη ανάπτυξη νέων τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως οι ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, καθώς και των μονάδων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας και των κυψελών καυσίμου. Την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας που επιτρέπει στους ανεξάρτητους παραγωγούς να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο και δίνει κίνητρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. [11]

26 Τη συνεχή αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας που δημιουργεί την ανάγκη κατασκευής νέων γραμμών μεταφοράς, που πέρα από το μεγάλο οικονομικό κόστος, είναι αβέβαιη η κατασκευή τους λόγω των κοινωνικών αντιδράσεων, με αποτέλεσμα να περιορίζεται η ευστάθεια των ΣΗΕ και να καθίσταται επισφαλής η τροφοδότηση των φορτίων. Τα σύγχρονα φορτία (συστήματα ελέγχου, υπολογιστές, επικοινωνίες) απαιτούν αδιάλειπτη παροχή ισχύος και τάση απαλλαγμένη από οποιαδήποτε ανωμαλία. Τα σημερινά ΣΗΕ αδυνατούν να ανταποκριθούν σε αυτές τις απαιτήσεις λόγω των μεγάλων αποστάσεων μεταξύ παραγωγής και φορτίου. [16] 2.2 Δομή του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Κύριο χαρακτηριστικό του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι η συγκέντρωση της πλειονότητας των σταθμών παραγωγής στο βόρειο τμήμα της χώρας, σε αντίθεση με το κύριο κέντρο κατανάλωσης που βρίσκεται στο νότιο γεωγραφικό τμήμα της. Τη σπονδυλική στήλη του Διασυνδεδεμένου Συστήματος Μεταφοράς αποτελούν οι τρεις γραμμές διπλού κυκλώματος των 400 kv, που μεταφέρουν ηλεκτρισμό, κυρίως από το σπουδαιότερο για την χώρα μας ενεργειακό κέντρο παραγωγής της Δυτικής Μακεδονίας. Στην περιοχή αυτή, παράγεται περίπου το 70% της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής της χώρας που στη συνέχεια μεταφέρεται στα μεγάλα κέντρα κατανάλωσης της Κεντρικής και Νότιας Ελλάδας, που καταναλώνεται περίπου το 65% της ηλεκτρικής ενέργειας. Το Διασυνδεδεμένο Σύστημα Μεταφοράς διαθέτει επιπλέον γραμμές των 400 kv καθώς επίσης εναέριες, υπόγειες γραμμές και υποβρύχια καλώδια των 150 kv που συνδέουν την Άνδρο και τα νησιά της Δυτικής Ελλάδας, Κέρκυρα, Λευκάδα, Κεφαλονιά και Ζάκυνθο με το διασυνδεδεμένο σύστημα μεταφοράς, καθώς και μία υποβρύχια διασύνδεση της Κέρκυρας με την Ηγουμενίτσα στα 66 kv. Την 31η Δεκεμβρίου 2013 το Διασυνδεδεμένο Σύστημα Μεταφοράς αποτελείτο από χλμ. γραμμών μεταφοράς [17]. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην ανάγκη μεταφοράς μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας κατά το γεωγραφικό άξονα βορρά νότου, με άμεση συνέπεια την εμφάνιση δυσκολιών στη διατήρηση ικανοποιητικών επιπέδων τάσεως στο Νότιο Σύστημα, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις μειωμένης διαθεσιμότητας παραγωγής στο Νότο ή μεγάλων διαταραχών τις ώρες υψηλού φορτίου. [12]

27 Για την αντιμετώπιση αυτής της εγγενούς αδυναμίας του Ελληνικού Ενεργειακού Συστήματος, απαιτείται η ενίσχυση των δικτύων μεταφοράς και διανομής καθώς και η διάθεση κεφαλαίων για τη δημιουργία νέων κεντρικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το Ελληνικό Ηλεκτρικό Σύστημα στηρίζεται κατά κύριο λόγο στην εκμετάλλευση των εγχώριων πηγών ενέργειας, η ηλεκτρική ζήτηση στο διασυνδεδεμένο σύστημα της ηπειρωτικής χώρας εξυπηρετείται κυρίως από λιγνιτικούς σταθμούς, ενώ στα συστήματα των νησιών από αυτόνομες πετρελαϊκές μονάδες, λόγω του υψηλού κόστους της διασύνδεσής τους με το ηπειρωτικό ηλεκτρικό δίκτυο. Από την άλλη πλευρά, η σταδιακή εξάντληση των διαθέσιμων κοιτασμάτων καυσίμων σε συνδυασμό με την επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τα παραπροϊόντα της καύσης αυτών, αναδεικνύει την ένταξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής, ως μια ιδιαίτερα ελκυστική λύση για την ενίσχυση των παραδοσιακά δομημένων ηλεκτρικών συστημάτων, όπως αυτό της Ελλάδας. Στη συνέχεια, θα διερευνηθούν οι τρόποι με τους οποίους οι ΑΠΕ δύνανται να συμβάλουν στην ενίσχυση των παραδοσιακών Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. [18] 2.3 Κεντρικοποιημένη και Αποκεντρωμένη (Κατανεμημένη) Παραγωγή Οι όροι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη δομή ενός ηλεκτρικού συστήματος είναι η κεντρικοποιημένη και η αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι όροι αυτοί προσδιορίζουν πρώτα από όλα τη γεωγραφική θέση των ηλεκτροπαραγωγών μονάδων σε σχέση με τα σημεία ζήτησης-κατανάλωσης, αλλά επίσης είναι και ενδεικτικοί του μεγέθους των μονάδων. Συγκεκριμένα, ο όρος κεντρικοποιημένη παραγωγή (Centralized Power Generation) περιγράφει τις περιπτώσεις μεγάλων κεντρικών ηλεκτροπαραγωγών σταθμών (με εγκατεστημένη ισχύ μεγαλύτερη των 50MW συνήθως), οι οποίοι συνήθως εγκαθίστανται μακριά από τις αστικές περιοχές για περιβαλλοντικούς κυρίως λόγους. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η μεταφορά της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στα σημεία κατανάλωσης πραγματοποιείται μέσω του δικτύου μεταφοράς (400kV και 150kV). Αντίθετα, στην αποκεντρωμένη παραγωγή (Decentralized - Distributed Power Generation), οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονται πλησίον των θέσεων ζήτησης και αποσκοπούν στην τοπική εξυπηρέτηση των φορτίων. Οι μονάδες αυτές είναι συνήθως μικρότερες του 1MW και συνδέονται σε δίκτυα μέσης τάσης ή ακόμα και χαμηλής τάσης αν η ισχύς τους είναι μικρότερη των 100kW. Τέλος, οι [13]

28 ηλεκτροπαραγωγοί σταθμοί με εγκατεστημένη ισχύ από 1 έως και 50MW μπορούν να συνδεθούν τόσο στην υψηλή όσο και στη μέση τάση. Αυτό εξαρτάται τόσο από τεχνοοικονομικές μελέτες, αλλά και από αποφάσεις που αφορούν τη στρατηγική ανάπτυξης των δικτύων [18]. Οι ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες ΑΠΕ, λόγω της σχετικά μικρής εγκατεστημένης ισχύος τους, μπορούν να θεωρηθούν στο σύνολό τους ως αποκεντρωμένη παραγωγή. Από την άλλη πλευρά όμως, τα αιολικά πάρκα, τα μεγάλα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί, εγκαθίστανται συνηθέστερα σε αραιοκατοικημένες περιοχές για λόγους επάρκειας χώρου, περιβαλλοντικών περιορισμών και κυρίως καλύτερης εκμετάλλευσής τους. Αυτό έχει ως συνέπεια, τα διερχόμενα, πλησίον των περιοχών αυτών, δίκτυα να είναι ασθενή, με αποτέλεσμα να απαιτείται η ενίσχυσή τους ή η κατασκευή νέων, προκειμένου να καταστεί δυνατή η σύνδεση των παραπάνω ηλεκτροπαραγωγών μονάδων σε αυτά. Εφόσον η ισχύς τους δεν καταναλώνεται τοπικά, οι παραπάνω μονάδες μπορούν να θεωρηθούν καταχρηστικά ως κεντρικοποιημένη παραγωγή, ενώ, από την άλλη πλευρά μόνο οι ηλεκτροπαραγωγοί σταθμοί ΑΠΕ που εγκαθίστανται πλησίον των φορτίων (μέσης ή χαμηλής τάσης) μπορούν να θεωρηθούν ως αποκεντρωμένη παραγωγή. Συχνά οι σταθμοί αυτοί αποκαλούνται κατανεμημένοι ή ακόμα και μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής (Dispersed Power Generation Systems) σε μοντέλο παραγωγής που αποτελείται από μικρούς σταθμούς κοντά στα φορτία και αποτελούνται συνήθως από ένα συνδυασμό συμβατικών και ανανεώσιμων πηγών, κάτι που σε πρώτο επίπεδο τα κάνει εξαιρετικά φιλικά προς το περιβάλλον. Οι μέθοδοι και οι πηγές ενέργειας επιλέγονται με βάση τα χαρακτηριστικά κάθε περιοχής και φυσικά αξιοποιούνται όλες οι δυνατότητες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. [18] Η χρήση κεντρικοποιημένων σταθμών Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας είναι δυνατόν να συνδράμει στην ενεργειακή ενίσχυση του ηλεκτρικού συστήματος, η μεγάλη όμως απόσταση των μονάδων αυτών από τα σημεία κατανάλωσης έχει ως αποτέλεσμα το υψηλό επίπεδο φόρτισης των γραμμών μεταφοράς και διανομής, με άμεσο συνεπακόλουθο την καταπόνηση των τελευταίων, λόγω των αυξημένων ηλεκτρικών απωλειών. Αντίθετα, η χρησιμοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, με τη μορφή μικρών μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, δύναται να συμβάλει καθοριστικά στη μείωση των απωλειών και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Στις διεσπαρμένες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής συμπεριλαμβάνεται ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο, [14]

29 ιδιαίτερα σε χώρες όπου οι γεωγραφικές και κλιματολογικές συνθήκες το ευνοούν. Σημειώνεται ότι, σε ορισμένες περιπτώσεις, η δυνατότητα τοπικής κάλυψης του φορτίου ή ενός μέρους αυτού από αποκεντρωμένες μονάδες παραγωγής, με τη χρησιμοποίηση ΑΠΕ, επιτρέπει στις επιχειρήσεις διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να αντιμετωπίσουν τις αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις με μικρό κόστος. Αυτός ο τρόπος εξυπηρέτησης τοπικών φορτίων αποτελεί και τη βασική φιλοσοφία πάνω στην οποία έχουν δομηθεί νεοεμφανιζόμενα ηλεκτρικά συστήματα, τα οποία ονομάζονται Μικροδίκτυα (Micro-Grids). Τα Μικροδίκτυα είναι συστήματα διανομής μέσης ή χαμηλής τάσης, στα οποία είναι διασυνδεδεμένες μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, φορτία καθώς επίσης και διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας. Χαρακτηριστική ιδιότητα των μικροδικτύων αποτελεί η ικανότητά τους να λειτουργούν τόσο σε συνδυασμό με πιθανόν προϋπάρχον δίκτυο μέσης ή χαμηλής τάσης όσο και αυτόνομα. Στο σχήμα 2.1 παρουσιάζονται οι προαναφερθέντες τρόποι ενίσχυσης ενός παραδοσιακά δομημένου ηλεκτρικού συστήματος, με τη διασύνδεση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας τόσο με κεντρικοποιημένη όσο και με αποκεντρωμένη μορφή. [18] Σχήμα 2.1: Τρόποι διασύνδεσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε ένα παραδοσιακά δομημένο ηλεκτρικό σύστημα [15]

30 2.4 Ορισμός και βασικά χαρακτηριστικά μικροδικτύου Η παροχή βοηθητικών υπηρεσιών (ancillary services) στο δίκτυο μπορεί να επιτευχθεί μέσω του ελέγχου των ηλεκτρονικών μετατροπέων, με τους οποίους συνδέεται η πλειοψηφία των κατανεμημένων παραγωγών στο δίκτυο. Αυτές οι ελεγχόμενες κατανεμημένες μικρές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας (<100kWe) που συνδέονται σε κλάδους του δικτύου χαμηλής τάσης με σκοπό την τροφοδοσία του τοπικού φορτίου, μαζί με συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και ελεγχόμενα φορτία διαμορφώνουν μια νέα δομή συστήματος, το μικροδίκτυο. Το μικροδίκτυο είναι ουσιαστικά μια μικρογραφία ενός μεγάλου διασυνδεδεμένου δικτύου και αντιμετωπίζεται σα μια μονάδα που αποδίδει ισχύ όταν απαιτείται, αλλά μπορεί και να μεταβαίνει σε αυτόνομη λειτουργία όταν χρειαστεί. Αξίζει να σημειωθεί πως εκτός από την αυξημένη αξιοπιστία και ποιότητα ισχύος, η αυτόνομη λειτουργία συνεπάγεται και αύξηση της διάρκειας παραγωγής των μονάδων οι οποίες σε διαφορετική περίπτωση θα έπρεπε να αποσυνδεθούν. Επιπλέον, η ανάπτυξη δομών μικροδικτύου είναι προϋπόθεση για να γίνει δυνατή η διείσδύση μεγάλου ποσοστού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη διανομή. [16] Η συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας το 1997 στην Ευρωπαϊκή 'Ενωση των 15 χωρών (ΕΕ 15) ήταν 13.9% και από αυτήν το 90% ήταν υδροηλεκτρική ενέργεια. Με την Ευρωπαϊκή οδηγία του 2001 ετέθη ως στόχος το ποσοστό αυτό να φτάσει το 21% το 2010 στην ΕΕ27. Όμως το 2005 η συνολική παραχθείσα ενέργεια από ΑΠΕ έφτασε μόλις το 15%, παρά τα μέτρα ανάπτυξης των ΑΠΕ, που αύξησαν την εγκατεστημένη ισχύ των ανεμογεννητριών κατά 150% και της βιομάζας κατά 23%. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των ΑΠΕ περιλαμβάνει μεγάλες μονάδες εγκατεστημένες στην υψηλή και μέση τάση, ενώ για να υπάρξει μια νέα δυναμική ανάπτυξη των ΑΠΕ και να προσεγγιστεί έστω ο στόχος που ετέθη, πρέπει να υπάρξει ευρεία ανάπτυξή τους και με μικρές μονάδες σε κλίμακα οικίας συνδεδεμένες στη χαμηλή τάση της διανομής. Όπως αναφέρθηκε, αυτή η μεγάλη διείσδυση επιβάλλεται και από άλλους λόγους όπως: Η απαίτηση των σύγχρονων φορτίων για αδιάλειπτη παροχή ισχύος και τάση απαλλαγμένη από οποιαδήποτε ανωμαλία. Ο περιορισμός της κατασκευής νέων γραμμών μεταφοράς και η μείωση των απωλειών δικτύου [16]

31 Η μείωση των κατασκευών νέων συμβατικών μονάδων παραγωγής και η οικονομική λειτουργία του συστήματος, αφού με την τοπική κάλυψη της μεταβαλλόμενης πραγματικής και άεργου ισχύος των φορτίων αποφεύγεται η ένταξη δαπανηρών κεντρικών μονάδων στο σύστημα. Οι πηγές που αναμένεται να συνδεθούν στο δίκτυο Χ.Τ. είναι: Μικρές ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά ή άλλες ανανεώσιμες πηγές ανάλογα με τις κατά τόπους διαθέσιμες πρωτογενείς πηγές ενέργειας (γεωθερμία, βιομάζα κα). Μικροτουρμπίνες. Κυψέλες καυσίμου. [16] Η απομονωμένη λειτουργία του μικροδικτύου προϋποθέτει την ύπαρξη στο σύστημα πηγών με ελεγχόμενη παραγωγή. Φυσικά, η παροχή ισχύος από τις ανανεώσιμες πηγές δεν μπορεί να είναι συνεχώς διαθέσιμη και μάλιστα εδώ δεν υφίσταται εξομάλυνση στη διαθεσιμότητα λόγω γεωγραφικής διασποράς, αφού όλες οι πηγές εντοπίζονται στην ίδια περιοχή της γραμμής Χ.Τ. όπου συνδέονται. Αναμένονται, λοιπόν, απότομες μεταβολές στην ισχύ που παρέχεται από τις μονάδες αυτές. Οι υπόλοιπες πηγές, από τις οποίες μπορεί να εξασφαλιστεί μια συνέχεια στην παραγωγή, έχουν αργή αντίδραση σε μεταβολές του συστήματος π.χ. κύτταρα καυσίμου. Συνεπώς, αν πρόκειται το μικροδίκτυο να λειτουργεί σε απομονωμένη λειτουργία με τα οφέλη που προσφέρει, θα συμμετέχουν απαραίτητα και πηγές συσσώρευσης ενέργειας. Οι πηγές αυτές παρέχουν ισχύ σε περιπτώσεις διαταραχών υποστηρίζοντας το σύστημα και διατηρώντας έτσι την ποιότητα ισχύος στα απαιτούμενα επίπεδα. Πηγές συσσώρευσης ενέργειας που χρησιμοποιούνται μπορεί να είναι: Μπαταρίες, σφόνδυλοι με υπεραγώγιμη δράση, υπερπυκνωτές και υπεραγώγιμα πηνία (SMES). [16] Όπως ήδη γνωρίζουμε, οι μικροπηγές συνδέονται στο δίκτυο Χ.Τ. μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Αυτό είναι απαραίτητο για να υπάρχει μεγαλύτερη ευελιξία στον έλεγχό τους, αφού η παρεμβολή του μετατροπέα αποσυμπλέκει τον έλεγχο της πρωτογενούς πηγής ισχύος από αυτόν του δικτύου. Όμως, τις περισσότερες φορές η σύνδεση μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων είναι επιβεβλημένη, καθώς είναι αδύνατη η απευθείας σύνδεση των πηγών με το δίκτυο. Για παράδειγμα, οι μπαταρίες, τα φωτοβολταϊκά και οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ισχύ σε συνεχές ρεύμα (DC), ενώ οι μικροτουρμπίνες και οι σφόνδυλοι σε [17]

32 εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) με πολύ υψηλή και μεταβλητή συχνότητα αντίστοιχα. Ουσιαστικά ο έλεγχος των αντιστροφέων καθορίζει την παροχή ενεργού και άεργου ισχύος από τις μικροπηγές στο σύστημα. Αναλαμβάνει να προσαρμόσει τα χαρακτηριστικά παραγωγής ισχύος της κάθε μικροπηγής στις ανάγκες του συστήματος και ταυτόχρονα τη ρύθμιση της τάσης στο μικροδίκτυο. Αποκτά, λοιπόν, πρωτεύουσα σημασία για τη σύνδεση των μικροπηγών στο δίκτυο και το σχηματισμό του μικροδικτύου. [16] Η χρήση των αντιστροφέων για σύνδεση των μονάδων στο δίκτυο, διαφοροποιεί την αυτόνομη λειτουργία του μικροδικτύου σε σχέση με ένα διασυνδεδεμένο σύστημα ή με ένα απομονωμένο σύστημα ισχύος στο οποίο συμμετέχουν μονάδες όπως γεννήτριες ντίζελ, υδροστρόβιλοι και ανεμογεννήτριες. Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας βασίζουν την ευσταθή λειτουργία τους στις στρεφόμενες μάζες των μηχανών που συνδέονται απευθείας στο δίκτυο. Στην περίπτωση του μικροδικτύου, όλες σχεδόν οι πηγές συνδέονται μέσω αντιστροφέων και έτσι το σύστημα δε διαθέτει την απαραίτητη αδράνεια που εξασφαλίζουν οι στρεφόμενες μηχανές μέσω της αποθηκευμένης κινητικής ενέργειας. Ακόμα και αν οι μικροπηγές βασίζουν τη λειτουργία τους στην ηλεκτρομηχανική μετατροπή, η στρεφόμενη μηχανή είναι απομονωμένη από το δίκτυο με την παρεμβολή του αντιστροφέα (π.χ ανεμογεννήτρια με γεννήτρια διπλής τροφοδότησης). Εναπόκειται στον έλεγχο των αντιστροφέων που συνδέουν στο δίκτυο διατάξεις συσσώρευσης ενέργειας και πηγές με ελεγχόμενη παραγωγή ισχύος, να υποκατασταστήσει την ευσταθή απόκριση που έχει ένα διασυνδεδεμένο σύστημα με στρεφόμενες μηχανές. Εκτός από τον έλεγχο των αντιστροφέων των μικροπηγών, ελεγκτές μπορεί να τοποθετηθούν και σε μέρος των φορτίων του μικροδικτύου. Οι ελεγκτές αυτοί μπορεί να πραγματοποιούν απόρριψη και εισαγωγή φορτίων ανάλογα με την κρισιμότητα τους ώστε να διατηρείται η επιθυμητή ισορροπία παραγωγής - κατανάλωσης στο σύστημα. [16] Προκειμένου να επιτευχθούν τα προσδοκώμενα αποτελέσματα εξοικονόμησης ενέργειας, προβλέπονται δύο ακόμα επίπεδα ελέγχου του μικροδικτύου πέρα από τον τοπικό έλεγχο των μικροπηγών (MC- Microgeneration Control) και των φορτίων (LC-Load Control). Σε αμέσως επόμενο επίπεδο ενεργεί ο κεντρικός ελεγκτής του μικροδικτύου (MGCC- Microgrid central controller). Ο κεντρικός αυτός ελεγκτής θα έχει τη γενική εποπτεία του μικροδικτύου και θα μπορεί να εντολοδοτεί τους τοπικούς ελεγκτές των μικροπηγών σχετικά με την παραγωγή τους αλλά και να λαμβάνει από αυτούς πληροφορίες σχετικά με την τρέχουσα κατάσταση παραγωγής [18]

33 τους, με στόχο τη βελτιστοποίηση και το σχεδιασμό της παραγωγής. Κατά την απομονωμένη λειτουργία, ο έλεγχος του κεντρικού ελεγκτή του μικροδικτύου αποκτά το χαρακτήρα της βελτιστοποίησης και του σχεδιασμού της παραγωγής που επιτελείται σε ένα διασυνδεδεμένο σύστημα. Τέλος, κατά τη συνδεδεμένη λειτουργία με το υπερκείμενο δίκτυο Μ.Τ., ο έλεγχος από τον κεντρικό ελεγκτή θα γίνεται σε συντονισμό με το σύστημα διαχείρισης του δικτύου διανομής (DMS- Distribution Management system) που θα αποτελεί το τελευταίο επίπεδο ελέγχου και η οποιαδήποτε βελτιστοποίηση της παραγωγής στο μικροδίκτυο θα εξαρτάται από τις εκάστοτε συνθήκες στο δίκτυο διανομής. [16] 2.5 Βασικές μονάδες παραγωγής μικροδικτύων Η τροφοδοτούμενη ενέργεια από τον ήλιο είναι πράγματι τεράστια. Κατά μέσο όρο, η επιφάνεια της γης λαμβάνει περίπου τα 1,2 x W από την ισχύ του ήλιου. Αυτό σημαίνει ότι σε λιγότερο από μια ώρα αρκετή ενέργεια τροφοδοτείται προς τη γη για να ικανοποιήσει την ολική ενέργεια που απαιτείται από τον ανθρώπινο πληθυσμό κατά τη διάρκεια όλου του έτους. Πράγματι, η ενέργεια αυτή των ηλιακών ακτίνων αφομοιώνεται από τους βιολογικούς οργανισμούς εδώ και εκατομμύρια χρόνια έχοντας καταστήσει δυνατή τη βιομηχανική ανάπτυξη, όπως τη βλέπουμε σήμερα. Οι περισσότερες από τις άλλες ανανεώσιμες πηγές ισχύος εξαρτώνται επίσης από τον ήλιο, που αποτελεί γι' αυτές πρωταρχική πηγή: Ο υδροηλεκτρισμός, η ισχύς του αέρα και των κυμάτων, όλα έχουν την ίδια προέλευση (σχήμα 2.2). [19] [19]

34 Σχήμα 2.2: Ενεργειακό ισοζύγιο της Γης Φωτοβολταϊκά Ο τομέας εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας έχει προοδεύσει ιδιαίτερα και είναι μαζί με την αιολική ενέργεια, από τις πλέον εμπορικά ανεπτυγμένες τεχνολογίες μεταξύ των 'Ηπιων Μορφών Ενέργειας. Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας γίνεται με: άμεσο τρόπο (ενεργητικά συστήματα) ή έμμεσο τρόπο (παθητικά συστήματα). Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα περιλαμβάνουν τους διάφορους τύπους ηλιακών συλλεκτών, όπως για παράδειγμα, τους απλούς επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες για θέρμανση νερού χρήσης ή ακόμη και σε συνδυασμό με μηχανήματα απορρόφησης για την παραγωγή ψύξης. Στα ενεργητικά συστήματα περιλαμβάνονται και οι [20]

35 συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες με τους οποίους επιτυγχάνουμε υψηλότερες θερμοκρασίες, ικανές να καλύψουν τις απαιτήσεις για παραγωγή ατμού, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός ατμοστροβίλου ή να χρησιμοποιηθεί σε βιομηχανικές εφαρμογές. Όπως δηλώνει και το όνομα αυτού του τύπου των συλλεκτών, η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Οι συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες έχουν υψηλό κόστος και ιδιαίτερες απαιτήσεις στο σχεδιασμό και την λειτουργία τους, λόγω του μεγέθους τους και της συνεχούς κίνησής τους (πρέπει να παρακολουθούν τον ήλιο). [12] Τα φωτοβολταϊκά (ΦΒ) συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από ένα αριθμό μερών ή υποσυστημάτων (σχήμα 2.3): a) Τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια με τη μηχανική υποστήριξη και πιθανόν ένα σύστημα παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς. b) Μπαταρίες (υποσύστημα αποθήκευσης). c) Καθορισμό ισχύος και συσκευή ελέγχου που περιλαμβάνει φροντίδα για μέτρηση και παρατήρηση. d) Εφεδρική γεννήτρια. Σχήμα 2.3: Το φωτοβολταϊκό σύστημα. (Συνήθως δεν περιλαμβάνονται όλα τα υποσυστήματα) [21]

36 Τα ΦΒ συστήματα διακρίνονται, έναντι των άλλων πηγών Α.Π.Ε., με βάση τα επόμενα χαρακτηριστικά τους, εν συντομία: - άμεση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σε μικρή ή μεγάλη ισχύ, - δυνατότητα σταδιακής υλοποίησης του συστήματος, - μηδενικές εκπομπές ρύπων κατά τη λειτουργία τους, - αθόρυβη λειτουργία, - ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης, - μεγάλη αξιοπιστία, - μεγάλη διάρκεια ζωής, - αποδεκτή αισθητική παρουσία. [20] Τα ΦΒ στοιχεία μπορούν να αξιοποιηθούν σε πλήθος ηλεκτρικών εφαρμογών. Καλύπτουν ευρεία περιοχή ισχύος, από το μέγεθος της πολύ χαμηλής ισχύος ευρείας χρήσεως καταναλωτικών προϊόντων, όπως είναι οι αριθμητικοί υπολογιστές, τα μικρά φωτιστικά σώματα κήπου κ.α., έως συστήματα μεγάλης ισχύος, για την τροφοδοσία νησιών ή πρότυπων μεγάλων κτιριακών συγκροτημάτων, συνδεδεμένων ή όχι στο δίκτυο. (Όπου ο όρος δίκτυο, εννοείται το εθνικό ή τοπικό δίκτυο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από συμβατικές πηγές.) Τα ΦΒ συστήματα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες (Σχήμα 2.4): α) τα απομονωμένα (Stand-alone) ή εκτός δικτύου (Offgrid) συστήματα (Σχήματα 2.5 α, β, γ) και β) τα συνδεδεμένα στο δίκτυο (Grid connected, σχήμα 2.5 δ). Τα απομονωμένα ΦΒ συστήματα διακρίνονται επίσης σε αυτόνομα και υβριδικά. Το κριτήριο για τον προσδιορισμό της σύνθεσης του καταλληλότερου ΦΒ συστήματος στις κατηγορίες αυτές, προκύπτει με βάση την απαίτηση για πλήρη ή μερική κάλυψη (αυτονομία) των ενεργειακών καταναλώσεων της εφαρμογής, από το ΦΒ σύστημα, μηνιαίως ή ετησίως. [20] [22]

37 Σχήμα 2.4: Κατηγορίες και λειτουργίες ΦΒ συστημάτων Εκτός δικτύου ή Απομονωμένα ΦΒ συστήματα χαρακτηρίζονται τα ΦΒ συστήματα τα οποία παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να είναι συνδεδεμένα στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. Διακρίνονται σε αυτόνομα, στα οποία η ΦΒ συστοιχία αποτελεί την αποκλειστική πηγή ενέργειας και σε υβριδικά, στα οποία περιλαμβάνεται και άλλη πηγή Α.Π.Ε. ή συμβατική ηλεκτρική πηγή (π.χ. ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος Η/Ζ). [20] Στα αυτόνομα ΦΒ συστήματα η απαιτούμενη, από την εφαρμογή, ηλεκτρική ενέργεια καλύπτεται εξ ολοκλήρου από τη ΦΒ συστοιχία, χωρίς τη συμμετοχή άλλων Α.Π.Ε. ή Η/Ζ και μπορεί να περιλαμβάνονται ή όχι ηλεκτρικοί συσσωρευτές. Αφορούν εφαρμογές μη συνδεδεμένες στο εθνικό δίκτυο. Η παρεχόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι είτε συνεχούς (DC) είτε εναλλασσόμενης (AC) τάσεως. Τα αυτόνομα ΦΒ συστήματα διακρίνονται σε: Αυτόνομα ΦΒ συστήματα άμεσης τροφοδοσίας του φορτίου της εφαρμογής (Direct-coupled ΡV systems), στα οποία η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποδίδεται απευθείας στην κατανάλωση, όσο φωτίζεται η ΦΒ συστοιχία, χωρίς αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές. Τα συστήματα [23]

38 αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε άντληση για πότισμα καλλιεργειών που δεν απαιτούν αυστηρά τακτική λειτουργία τον συστήματος. Αυτόνομα συστήματα με αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, π.χ. αυτόνομα ΦΒ συστήματα φωτισμού οδών, αρχαιολογικών χώρων, αλσυλλίων, υποστήριξη συστημάτων πυρανίχνευσης δασικών εκτάσεων, τηλεπικοινωνιακών αναμεταδοτών, διατάξεων καταγραφής δεδομένων (Loggers) κ.α. Σχεδιάζονται με πρόβλεψη ορισμένων ημερών αυτονομίας του συστήματος, με βάση το κατάλληλο μέγεθος των συσσωρευτών. [20] Στα υβριδικά ΦΒ συστήματα η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια καλύπτεται από το συνδυασμό ΦΒ συστοιχίας με άλλες πηγές ενέργειας, δηλαδή, Α.Π.Ε. (π.χ. ανεμογεννήτρια, ΑΓ) ή πηγές συμβατικών καυσίμων (ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, Η/Ζ). Ο προσδιορισμός των συνιστωσών Α.Π.Ε. προκύπτει με ολοκληρωμένη οικονομοτεχνική μελέτη του συστήματος, με κριτήριο το βαθμό συμμετοχής των Η/Ζ στη διασφάλιση της κάλυψης των ενεργειακών απαιτήσεων της εφαρμογής. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, στο σύστημα προβλέπεται αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές (αυτονομία αποθηκευμένης ενέργειας). [20] Τα ΦΒ συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο (Grid-connected systems), συνδέονται απ' ευθείας στο εθνικό ή τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής παροχής (AC). Το δίκτυο αποτελεί για το ΦΒ σύστημα, μια τεράστια "δεξαμενή" ηλεκτρικής ενέργειας, σταθερής ηλεκτρικής τάσης. Συνεπώς, στα συστήματα αυτά δεν απαιτείται αποθήκευση της παραγόμενης ΦΒ ηλεκτρικής ενέργειας. Διακρίνονται σε αυτά που είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο, ως κατανεμημένα (Distributed) συστήματα και σε εκείνα που συνιστούν κεντρικούς ΦΒ σταθμούς μεγάλης ισχύος, των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται στο κεντρικό δίκτυο (Centralized systems). Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο ΦΒ συστήματα αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό του συνόλου των εγκατεστημένων ΦΒ συστημάτων παγκοσμίως (ΙΕΑ, Photovoltaic Barometer). Στην κατηγορία των κεντρικών ΦΒ συστημάτων ανήκουν και τα μεγάλα ΦΒ συγκροτήματα, των οποίων η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται κατ' ευθείας στο δίκτυο [20]. Τα κατανεμημένα ΦΒ συστήματα, διακρίνονται σε αυτά που χρησιμοποιούν το δίκτυο ως βοηθητική πηγή ενέργειας (Grid back-ιιρ) και σε εκείνα που λειτουργούν σε συνεχή αλληλεπίδραση με το δίκτυο, διοχετεύοντας την επιπλέον παραγόμενη ενέργεια [24]

39 σ' αυτό (Grid interactive). Στην πρώτη περίπτωση, το ΦΒ σύστημα σχεδιάζεται έτσι ώστε να καλύπτει κατά μέσο όρο τις μηνιαίες ενεργειακές απαιτήσεις της εφαρμογής. Το δίκτυο καλύπτει έκτακτη ενεργειακή ζήτηση ή καταστάσεις αστοχίας του ΦΒ συστήματος. Στη δεύτερη περίπτωση, το βασικότερο κριτήριο αφορά στην επιλογή εκείνης της ΦΒ συστοιχίας η οποία καλύπτει, κατά μέσο όρο, τις ετήσιες ενεργειακές απαιτήσεις της εφαρμογής. Στις χρονικές περιόδους που το ΦΒ σύστημα υστερεί στην κάλυψη των καταναλώσεων της εφαρμογής, η απαιτούμενη ενέργεια παρέχεται από το δίκτυο. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, μέσα στο έτος, η συνολική ενέργεια από το δίκτυο στην εφαρμογή, προβλέπεται να είναι ίση με τη συνολική ενέργεια από το ΦΒ σύστημα στο δίκτυο. Αν η επιδίωξή μας είναι το ετήσιο οικονομικό ισοζύγιο μεταξύ παραγωγού και ΔΕΗ, κατά τη σχεδίαση του συστήματος λαμβάνεται υπ' όψη η διαφοροποίηση των τιμολογίων παραγωγής και κατανάλωσης. [20] Σχήμα 2.5: Βασικά είδη ΦΒ συστημάτων. (α) Αυτόνομο ΦΒ σύστημα με συστοιχία συνδεδεμένη απευθείας στο φορτίο (DC). (β) Αυτόνομο ΦΒ σύστημα με αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας και τροφοδοσία φορτίων συνεχούς και εναλλασσόμενης τάσεως. (γ) Αυτόνομο ΦΒ υβριδικό σύστημα. (δ) ΦΒ σύστημα συνδεδεμένο στο εθνικό ή τοπικό δίκτυο. [25]

40 To κόστος παραγωγής ΦΒ είναι περίπου 1,5 με 2,5 Ευρώ/W. Για αυτόνομα συστήματα W το κόστος κυμαίνεται από Ευρώ/W, 1-4 kw από Ευρώ/W, για διασυνδεδεμένα συστήματα έως 1 kw από 4,5-6,5 Ευρώ/W, 1-4 kw από 7-20 Ευρώ/W, 10 50KW από 7,5-15 Ευρώ/W και για μεγαλύτερη από 50 kw το κόστος δεν ξεπερνά τα 14 Ευρώ/W. Το κόστος των ΦΒ στοιχείων αντιπροσωπεύει 40-60% τον συνολικού κόστους μιας εγκατάστασης. Το κόστος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τα ΦΒ κυμαίνεται από 0,25 έως 1,25 Ευρώ/kWh, ανάλογα με τον τύπο και την διάρκεια ζωής της εγκατάστασης Ανεμογεννήτριες Οι ανεμογεννήτριες κατασκευάστηκαν με σκοπό την εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια, αρχικά μετατρέπεται σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μορφή των ανεμογεννητριών έχει περάσει από πολλά στάδια στην πάροδο των χρόνων. Έχουν δοκιμαστεί διάφορες λύσεις όσον αφορά των αριθμό των πτερυγίων αλλά και τον προσανατολισμό του άξονα. Οι δυο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών διακρίνονται με βάση τον προσανατολισμό του άξονα ως προς την ροή του ανέμου, σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. [21] Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή του ανέμου. Πλεονέκτημα της διάταξης αυτής είναι ότι δε χρειάζεται να προσανατολίζεται κάθε φορά ανάλογα με τη φορά του ανέμου για να είναι αποτελεσματική. Μπορεί, δηλαδή, να περιστρέφεται από άνεμο που έρχεται από κάθε κατεύθυνση ανά πάσα στιγμή, χωρίς την ανάγκη κάποιου μηχανισμού προσανατολισμού. Συνεπώς, το γεγονός αυτό προσδίδει πλεονέκτημα σε μέρη με μεγάλη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέμου. Επιπλέον, η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος στις διατάξεις αυτές, πράγμα που συνεπάγεται την απλή και οικονομική σχεδίαση του πύργου. Τέλος, τα συστήματα είναι εύκολα προσβάσιμα και πολλές φορές δεν απαιτείται πυλώνας στήριξης. Από την άλλη το κυριότερο των προβλημάτων έγκειται στο ότι πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να ξεκινήσουν χωρίς εξωτερική παρέμβαση, λόγω της πάρα πολύ υψηλής ροπής εκκίνησής τους. Στην περίπτωση αυτή [26]

41 υποχρεωτικά πρέπει να λειτουργήσουν στην αρχή σαν κινητήρες τραβώντας ρεύμα από το δίκτυο. Σημαντικό είναι και το γεγονός ότι έχουν μικρή σχετικά απόδοση αφού οι ταχύτητες ανέμου σε αυτά τα ύψη είναι σχετικά χαμηλές και κατά την περιστροφή τους, υπάρχουν σημεία όπου η συνεισφορά του ανέμου είναι σχεδόν μηδενική. [21] Σχήμα 2.6: Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Πολύ σημαντικό πλεονέκτημα αυτού του τύπου ανεμογεννητριών είναι, ότι δεν απαιτείται πολύ μεγάλη ταχύτητα ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται. Τέλος, ένα ακόμα πολύ μεγάλο πλεονέκτημα είναι πως έχουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή. Απεναντίας, το μεγάλο αρνητικό των ανεμογεννητριών αυτών είναι ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στον πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και πολύπλοκη. Επιπλέον, απαιτείται μηχανισμός περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου. Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται με βάση τον αριθμό των πτερυγίων τους. Οι ανεμογεννήτριες με ένα πτερύγιο ονομάζονται μονοπτέρυγες, με δύο διπτέρυγες, με τρία τριπτέρυγες και όλες οι άλλες με περισσότερα από τρία ονομάζονται πολυπτέρυγες. Οι μονοπτέρυγες, αν και είναι οι φθηνότερες όλων, δεν απέκτησαν ποτέ μεγάλη δημοφιλία, είτε για αισθητικούς [27]

42 λόγους, είτε λόγω προβλημάτων στην εξισορρόπηση δυνάμεων της όλης κατασκευής κατά την περιστροφή τους, γεγονός που κάνει αναγκαία τη χρήση αντίβαρου στην πλήμνη. Παρόμοια προβλήματα παρουσιάζουν και οι διπτέρυγες αν και εκεί τα πράγματα είναι σαφώς καλύτερα. Σήμερα η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται είναι οι τριπτέρυγες οριζοντίου άξονα. Κατά καιρούς έχουν υλοποιηθεί εφαρμογές με μεγαλύτερο αριθμό πτερυγίων. Οι διατάξεις αυτές προτιμώνται σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης, γιατί έχουν την ιδιότητα να μπορούν να εκκινούν ευκολότερα, αφού αρχικά με τον άνεμο αλληλεπιδρά μεγαλύτερη επιφάνεια. Παρόλα αυτά, η ισχύς που παράγουν είναι σε γενικές γραμμές μικρότερη με μια ανεμογεννήτρια λιγότερων πτερυγίων που σαρώνει την ίδια επιφάνεια, λόγω αυξημένων αεροδυναμικών απωλειών. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας τριπτέρυγης ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα.[21] Σχήμα 2.7: Τριπτέρυγη ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα Βασική δομή ανεμογεννήτριας Στο σχήμα 2.8 διακρίνεται η βασική δομή μιας τυπικής ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα. [28]

43 Σχήμα 2.8: Βασική δομή ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα Μπορούμε να διακρίνουμε την πλήμνη, η οποία είναι ένα μηχανικό εξάρτημα στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών. Ο άξονας αυτός συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων και είναι ο άξονας του ρότορα του ανεμοκινητήρα. Στη συνέχεια από το κιβώτιο ταχυτήτων καταλήγει ένας ακόμα άξονας ο οποίος καταλήγει στην ηλεκτρική γεννήτρια και αποτελεί ουσιαστικά το δρομέα της. [21] Ανάλυση διαγράμματος μηχανικής ισχύος - ταχύτητας ανέμου Στο σχήμα 2.9 φαίνεται ένα τυπικό διάγραμμα μηχανικής ισχύος ενός ανεμοκινητήρα σε σχέση με την ταχύτητα ανέμου. Σχήμα 2.9: Διάγραμμα μηχανικής ισχύος ταχύτητας ανέμου [29]

44 Η ισχύς του ανέμου εξαρτάται από τον κύβο της ταχύτητας, όπως θα αναλύσουμε εκτενέστερα σε επόμενη ενότητα. Η ανεμογεννήτρια δεν αξιοποιεί πάντα αυτή την ισχύ, αλλά αντίθετα λειτουργεί σε μια περιοχή ταχυτήτων ανέμου με τρεις χαρακτηριστικές τιμές. Ο ανεμοκινητήρας αποδίδει ωφέλιμη ισχύ, όταν η ισχύς του ανέμου είναι μεγαλύτερη των εσωτερικών απωλειών. Για παράδειγμα, τέτοιες μπορεί να είναι οι τριβές, οι απώλειες στο δρομέα ή στο κιβώτιο ταχυτήτων. Έτσι, η ταχύτητα με την οποία ο ανεμοκινητήρας εκκινεί ονομάζεται ταχύτητα έναρξης λειτουργίας (cut in speed V cin ). Όταν η ταχύτητα ανέμου αγγίξει πολύ υψηλές τιμές (30-35m/s), η ανεμογεννήτρια σταματά τη λειτουργία της για λόγους προστασίας. Η ταχύτητα αυτή ονομάζεται ταχύτητα διακοπής λειτουργίας (cut out speed V cout ). Στην ονομαστική ταχύτητα (rated speed V rate ), η ανεμογεννήτρια αποδίδει την ονομαστική της ισχύ. Όπως διακρίνουμε από το παραπάνω σχήμα, αυτό δε συμβαίνει μόνο στην ονομαστική ταχύτητα αλλά και σε κάθε ταχύτητα ανέμου μεγαλύτερη από αυτή και μικρότερη της ταχύτητας διακοπής λειτουργίας. Οι ανεμογεννήτριες είναι κατασκευασμένες να παράγουν ενέργεια με όσο το δυνατό μικρότερο κόστος. Έτσι είναι σχεδιασμένες να αποδίδουν το μέγιστο της ενέργειας που μπορούν σε ταχύτητες ανάμεσα στα 12 με 15m/s. Πιο δυνατοί άνεμοι είναι πολύ σπάνιοι και σε περίπτωση που υπάρχουν, είναι πάγια τακτική να θυσιάζεται η πρόσθετη ενέργεια, που θα μπορούσε να παραχθεί, για την προστασία της ανεμογεννήτριας. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιούνται μέθοδοι ρύθμισης μηχανικής ισχύος του ανεμοκινητήρα [22] Μέθοδοι ρύθμισης μηχανικής ισχύος ανεμοκινητήρα Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι ρύθμισης της μηχανικής ισχύος: Ρύθμιση με μεταβολή της γωνίας βήματος πτερυγίου (ενεργητικός έλεγχος) Ρύθμιση με απώλεια στήριξης (παθητικός έλεγχος) Στις ανεμογεννήτριες που έχουν έλεγχο της γωνίας βήματος πτερυγίων (pitch control), τα πτερύγια θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται, περιστρέφοντας όλο ή μέρος κάθε πτερυγίου γύρω από τον άξονά τους, στην κατεύθυνση κατά την οποία μειώνεται η γωνία πρόσπτωσης και συνεπώς ο συντελεστής άνωσης, μια διαδικασία γνωστή ως βήμα πτέρωσης (pitch feathering). [30]

45 Όταν η παραγωγή ενέργειας γίνεται πολύ μεγάλη, ο μηχανισμός ελέγχου της γωνίας των πτερυγίων αρχίζει να στρίβει ώστε να μειώνεται ο άνεμος που προσπίπτει πάνω τους. Προφανώς τα πτερύγια ξαναστρίβουν όταν πέσει η ταχύτητα του ανέμου ώστε να υπάρχει πάλι μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας. Ο μηχανισμός ελέγχου του βήματος πτερυγίου πραγματοποιείται με χρήση υδραυλικών ή και ηλεκτρικών ενεργοποιητών. Στις ανεμογεννήτριες με παθητική απώλεια στήριξης (stall control) τα πτερύγια είναι τοποθετημένα στον άξονα σε μια σταθερή γωνία. Η γεωμετρία των πτερυγίων είναι τέτοια ώστε να διασφαλίζεται αεροδυναμικά, ότι σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου θα εμφανιστούν στα πλάγια των πτερυγίων και από την αντίθετη πλευρά πρόσπτωσης του ανέμου δίνες και στροβιλισμοί. Αυτές οι διαταραχές, αντισταθμίζουν τις δυνάμεις άντωσης στα πτερύγια και τις περιορίζουν στο να επενεργήσουν στο ρότορα.[21] Σε μικρής ισχύος ανεμογεννήτριες χρησιμοποιείται και η ακόλουθη μέθοδος: Σύστημα εκτροπής (yawing system). Με αυτό, η έλικα περιστρέφεται με τρόπο τέτοιο ώστε το επίπεδο περιστροφής να είναι κάθετο στη ροή του ανέμου. Σε μεγάλες ταχύτητες ανέμου για την προστασία της ανεμογεννήτριας, η έλικα στρέφεται, ώστε το επίπεδο περιστροφής να μην είναι κάθετο στη ροή του ανέμου. Ο κατάλληλος προσανατολισμός γίνεται με τη βοήθεια του ουριαίου πτερυγίου στο πίσω μέρος της ανεμογεννήτριας.[23] Τρόποι σύνδεσης ανεμογεννήτριας σε μικροδίκτυο Μια ανεμογεννήτρια μπορεί να συνδεθεί σε ένα μικροδίκτυο, είτε στον ac ζυγό, είτε στον DC ζυγό με την παράλληλη χρήση συσσωρευτών ως μονάδα αποθήκευσης. Σε ό,τι αφορά τη σύνδεση σε AC ζυγό ενός μικροδικτύου, υπάρχουν συγκεκριμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τη σύνδεση στον DC ζυγό. Το AC σύστημα επιτρέπει τη σύνδεση πολλών διαφορετικών πηγών και μονάδων αποθήκευσης σε ένα κοινό ζυγό AC. Οι συσσωρευτές και οι πηγές μπορούν να βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές και απλά να συνδέονται σε ένα κοινό ζυγό. Επιπλέον, λόγω του γεγονότος ότι το AC σύστημα είναι υψηλότερης τάσης, έχει μικρότερες απώλειες συγκρινόμενο με το DC σύστημα.[24] [31]

46 - Σύνδεση ανεμογεννήτριας σε ΑC ζυγό (Λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας) Η σύνδεση της ανεμογεννήτριας σε AC ζυγό μικροδικτύου γίνεται με τον ίδιο τρόπο που επιτυγχάνεται η σύνδεση της στο δίκτυο. Η σύνδεση στο ζυγό μικροδικτύου γίνεται γενικά μέσω ηλεκτρονικών ισχύος. Μια τυπική διάταξη φαίνεται στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 2.10). Σχήμα 2.10: Σύνδεση ανεμογεννήτριας στο δίκτυο/ac ζυγό μέσω μετατροπέων ισχύος Στην έξοδο της γεννήτριας συνδέεται ένας ανορθωτής ελεγχόμενος ή μη, που μετατρέπει τα εναλλασσόμενα μεγέθη της ανεμογεννήτριας σε συνεχή. Ο πυκνωτής διασύνδεσης κάνει εφικτή την πλήρη απόζευξη του ελέγχου των δύο μετατροπέων, επιτρέποντας την ανεξάρτητη ρύθμιση στην πλευρά της γεννήτριας και την πλευρά του δικτύου. Η σύνδεση στο δίκτυο ή αντίστοιχα στο ζυγό του μικροδικτύου γίνεται μέσω ενός αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει τα συνεχή μεγέθη σε εναλλασσόμενα συχνότητας ίδιας με αυτής του δικτύου (50Hz ή 60Ηz). Έτσι λοιπόν στην έξοδο του αντιστροφέα μπορεί να επιτευχθεί μια εναλλασσόμενη τάση, η συχνότητα και η ενεργός τιμή της οποίας, θα είναι ανεξάρτητες της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα, άρα και της ταχύτητας του ανέμου. Η λειτουργία αυτή ονομάζεται λειτουργία μεταβλητών στροφών σταθερής συχνότητας (ΛΜΣ), γιατί η ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας μπορεί να μεταβάλλεται με ελεγχόμενο τρόπο ανάλογα με την ταχύτητα ανέμου και παράλληλα να μην επηρεάζεται η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης στην έξοδο. Ο βασικός στόχος είναι να βελτιστοποιηθεί η ενεργειακή απόδοση του συστήματος, μεταβάλλοντας την ταχύτητα του δρομέα ανάλογα με την εκάστοτε ταχύτητα ανέμου, ώστε το σημείο λειτουργίας να βρίσκεται πάντα στην καμπύλη μέγιστης ισχύος. Στο σχήμα 2.11 μπορούμε να δούμε τη σχέση [32]

47 της μηχανικής ισχύος και της ταχύτητας του δρομέα για διαφορετικές ταχύτητες ανέμου. Σχήμα 2.11: Καμπύλη ισχύος- Ταχύτητας ακροπτερυγίων ωr Όπως μπορούμε να δούμε, για κάθε ταχύτητα ανέμου υπάρχει μια δεδομένη ταχύτητα περιστροφής των πτερυγίων που μας δίνει την μέγιστη ισχύ. Διακρίνουμε, επίσης, την ιδανική καμπύλη (optimal line) που προκύπτει από την ένωση όλων των σημείων μέγιστης ισχύος. Συνεπώς, με χρήση κάποιας εκ των μεθόδων μέγιστης απομάστευσης ισχύος (MPPT), οι οποίες θα αναλυθούν εκτενέστερα σε επόμενο κεφάλαιο, μπορούμε να βελτιστοποιήσουμε την ενεργειακή απόδοση του συστήματος. Βέβαια, πρέπει να τονιστεί πως, λόγω αδράνειας, ο δρομέας δεν μπορεί να ακολουθήσει τις γρήγορες μεταβολές της ταχύτητας ανέμου, με συνέπεια η βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης να είναι μικρότερη της αναμενόμενης.[25] Ένα βασικό πλεονέκτημα της ΛΜΣ είναι η σημαντική αύξηση της ενδοτικότητας των στροφών, κάτι που επιτρέπει την εξομάλυνση της μεταβλητότητας των μηχανικών ροπών, την απόσβεση των συντονισμών του μηχανικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης και τον περιορισμό των μέγιστων φορτίων (αιχμών της ροπής, για παράδειγμα, ριπές ανέμου). Συνέπεια αυτών είναι ο περιορισμός των καταπονήσεων και ακολούθως η αύξηση της αναμενόμενης διάρκειας ζωής των μηχανικών συνιστωσών και η δυνατότητα μείωσης του μεγέθους τους, με θετική επίπτωση στο βάρος και το κόστος της κατασκευής (περιορισμός του overengineering της όλης κατασκευής). Η εξομάλυνση των μηχανικών ροπών συνεπάγεται την εξομάλυνση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της γεννήτριας, πράγμα το οποίο έχει άμεση επίπτωση στην ποιότητα της παραγόμενης ισχύος, η οποία εμφανίζει σημαντική μείωση της μεταβλητότητάς της σε όλο το φάσμα των συχνοτήτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον [33]

48 περιορισμό των προκαλούμενων διαταραχών της συχνότητας από τη σύνδεση Α/Γ σε αυτόνομα συστήματα, καθώς και τη μείωση των ταχέων διακυμάνσεων της τάσης (flicker), που αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό πρόβλημα στην περίπτωση ασθενών δικτύων. Ταυτόχρονα, παρέχεται άμεσα η δυνατότητα ελεγχόμενης μεταβολής της παραγόμενης ισχύος (ακριβέστερα μείωσή της), εάν αυτό είναι επιθυμητό π.χ. προκειμένου να αποφευχθεί η αποσύνδεση Α/Γ λόγω υποφόρτισης των συμβατικών μονάδων σε ώρες χαμηλού φορτίου. Ανάλογα με τον τύπο των χρησιμοποιούμενων μετατροπέων ισχύος, σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι επίσης δυνατός ο έλεγχος και της αέργου ισχύος εξόδου, με λειτουργία της Α/Γ υπό μοναδιαίο ή και χωρητικό συντελεστή ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο, η Α/Γ μπορεί να παρέχει στήριξη τάσης σε ασθενή δίκτυα. Συνολικά, η ΛΜΣ, με χρήση κατάλληλων μετατροπέων ισχύος, περιορίζει το μη ελεγχόμενο χαρακτήρα της Α/Γ ως πηγή ισχύος και καθιστά ευκολότερη την ενσωμάτωσή της στα υπάρχοντα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας [10]. Άλλο σημαντικό πλεονέκτημα της ΛΜΣ είναι τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου λόγω λειτουργίας σε μειωμένες στροφές. Επίσης, η χρήση των μετατροπέων ισχύος παρέχει τη δυνατότητα ηλεκτρικής πέδησης σχεδόν μέχρι μηδενικής ταχύτητας (ανάλογα με το είδος των μετατροπέων) μειώνοντας τη φθορά των μηχανικών συστημάτων πέδησης, ενώ επίσης ο έλεγχος υπερφορτίσεων της μηχανής είναι πολύ πιο αποτελεσματικός, αφού ελέγχεται άμεσα το ρεύμα και η ροπή της γεννήτριας. Το βασικό μειονέκτημα των αιολικών συστημάτων με ΛΜΣ είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα και το κόστος, λόγω κυρίως του μετατροπέα συχνότητας, ο οποίος αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του κόστος του ηλεκτρολογικού εξοπλισμού. Επίσης, η διακοπτική λειτουργία των μετατροπέων έχει ως αποτέλεσμα αφενός την αρμονική παραμόρφωση των ρευμάτων της γεννήτριας, προκαλώντας την αύξηση των απωλειών της και την ανάπτυξη αρμονικών στη ροπή, και αφετέρου την έγχυση αρμονικών συχνοτήτων στο δίκτυο, απαιτώντας την εγκατάσταση ογκωδών φίλτρων. Τα προβλήματα αυτά είναι ιδιαίτερα έντονα για τους συμβατικούς εξαπαλμικούς μετατροπείς γέφυρας, οι οποίοι χαρακτηρίζονται επιπλέον από την αυξημένη κατανάλωση αέργου ισχύος. Με τη χρήση μετατροπέων ελεγχόμενων με τη μέθοδο της διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation - PWM) σε διακοπτικές συχνότητες της τάξης των λίγων khz (που είναι εφικτές με τη χρήση MOSFET ή IGBT) τα προβλήματα των αρμονικών της γεννήτριας και του δικτύου περιορίζονται [34]

49 σημαντικά, αφού μεταφέρονται σε υψηλότερες συχνότητες απαιτώντας έτσι μικρότερα φίλτρα. [25] - Σύνδεση ανεμογεννήτριας σε DC ζυγό Εξαιτίας του υψηλού κόστους των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος η σύνδεση όλων των πηγών ενός μικροδικτύου σε έναν κοινό AC ζυγό κρίνεται πολλές φορές αντιοικονομική και προτιμάται η σύνδεση όλων ή κάποιων εξ αυτών στο DC ζυγό των συσσωρευτών. Παράδειγμα σύνδεσης σε DC ζυγό απεικονίζει το παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.12: Σύνδεση ανεμογεννήτριας σε DC ζυγό Η ανεμογεννήτρια, μέσω ενός ΑC/DC μετατροπέα συνδέεται με τους συσσωρευτές. Απαραίτητη είναι η ύπαρξη ενός ηλεκτρονικού ρυθμιστή φόρτισης των μπαταριών. Η αποστολή του είναι η προστασία και η αποδοτική λειτουργία των συσσωρευτών. Όταν ο βαθμός φόρτισης των συσσωρευτών φτάνει κάτω από μια ορισμένη τιμή και υπάρχει ζήτηση ισχύος από τα φορτία, ο ρυθμιστής φόρτισης ανοίγει έναν διακόπτη και σταματά την παροχή ισχύος σε αυτά. Αντίστοιχα, όταν ο βαθμός φόρτισης των συσσωρευτών είναι υψηλός και η ανεμογεννήτρια παρέχει ισχύ, τροφοδοτείται με ισχύ ένα απορριπτικό φορτίο, ώστε να αποφευχθεί υπερφόρτιση των συσσωρευτών. Ο ρυθμιστής φόρτισης μπορεί να χρησιμοποιεί αλγορίθμους για το βέλτιστο ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης των συσσωρευτών, με σκοπό την αύξηση της διάρκειας ζωής και τη βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. Ο DC ζυγός οδηγείται σε ένα μονοκατευθυντήριο αντιστροφέα για την τροφοδότηση του φορτίου, υπό εναλλασσόμενη τάση συγκεκριμένης συχνότητας και ενεργού τιμής. [23] [35]

50 Όσον αφορά τον τρόπο σύνδεσης της ανεμογεννήτριας στο ζυγό DC μπορεί να γίνει, είτε απευθείας, είτε παρεμβάλλοντας σύστημα μεγιστοποίησης ισχύος ( MPPT). Απευθείας σύνδεση ανεμογεννήτριας με τους συσσωρευτές Απευθείας σύνδεση σημαίνει πως ανάμεσα σε συσσωρευτές και ανορθωτή δεν παρεμβάλλεται καμία άλλη διάταξη, όπως φαίνεται στο κάτωθι σχήμα. Σχήμα 2.13: Σύνδεση ανεμογεννήτριας απευθείας σε συσσωρευτές Η τάση στην έξοδο της ανορθωτικής γέφυρας εξαρτάται από την τάση των μπαταριών που είναι σχεδόν σταθερή. Η αύξηση της ταχύτητας ανέμου, αυξάνει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα με συνέπεια την αύξηση της HEΔ της γεννήτριας. Όσο η ΗΕΔ είναι μικρότερη της τάσης ανοιχτοκύκλωσης των συσσωρευτών το κύκλωμα δε διαρρέεται από ρεύμα, οπότε δεν υπάρχει έγχυση ισχύος στους συσσωρευτές και το φορτίο. Αφού η τάση στην έξοδο της γεννήτριας είναι σχεδόν σταθερή ανεξάρτητη των στροφών περιστροφής είναι προφανές, πως δεν ακολουθείται η βέλτιστη καμπύλη μηχανικής ισχύος ταχύτητας περιστροφής. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα στο ακόλουθο σχήμα το οποίο παριστάνει την μηχανική ισχύ εν σχέση με την συχνότητα του στάτη για διάφορες ταχύτητες ανέμου. [23] [36]

51 Σχήμα 2.13: Σύνδεση ανεμογεννήτριας απευθείας σε συσσωρευτές Διακρίνεται εύκολα η απόκλιση της καμπύλης ισχύος απευθείας σύνδεσης, από τη βέλτιστη. Συνεπώς δεν μπορούμε, με αυτόν τον τρόπο, να εκμεταλλευτούμε στο έπακρο τις ενεργειακές δυνατότητες της ανεμογεννήτριας. Σύνδεση με σύστημα μέγιστης απομάστευσης ισχύος (MPPT) Όπως είδαμε, η απευθείας σύνδεση έχει το μειονέκτημα πως η τάση στην έξοδο της γεννήτριας παραμένει σχεδόν σταθερή ανεξάρτητα των στροφών περιστροφής, με άμεσο επακόλουθο τη μείωση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος. Αν παρεμβληθεί ένας DC/DC μετατροπέας ανάμεσα στους συσσωρευτές και την ανορθωτική γέφυρα, θα μπορεί να καθορίζει την τάση εξόδου της ανεμογεννήτριας, με τρόπο τέτοιο ώστε η ανεμογεννήτρια να λειτουργεί με το βέλτιστο ενεργειακά τρόπο.[23] Γεννήτριες καυσίμων Σε πολλά συστήματα μικροδικτύων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούμε και μηχανές εσωτερικής καύσης. Οι γεννήτριες αυτές, συνήθως λειτουργούν ως υποστηρικτικές μονάδες μικροδικτύων μικρής ισχύος ή ως βασικές μονάδες παραγωγής για μικροδίκτυα μεγάλης ισχύος. Στις γεννήτριες αυτές, χρησιμοποιούνται συμβατικά καύσιμα, με αποτέλεσμα να χάνεται η φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία του μικροδικτύου. Με την ανάπτυξη και χρήση των [37]

52 βιοκαυσίμων, όπως το βιοντήζελ και βιοαέριο, μπορεί να λυθεί το πρόβλημα της φιλικής προς το περιβάλλον χρήσης των μηχανών εσωτερικής καύσης. Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε μία γεννήτρια, η τάση και η συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος δηλαδή, εξαρτώνται αφενός από κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας και αφετέρου από τον αριθμό στροφών στον οποίο αυτή λειτουργεί. Η χρήση, επομένως, ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, δηλαδή γεννήτριας που κινείται από μηχανή εσωτερικής καύσης, για την τροφοδοσία ενός μικροδικτύου ουσιαστικά συνεπάγεται την απαίτηση η μηχανή εσωτερικής καύσης να λειτουργεί συνεχώς σε συγκεκριμένο αριθμό στροφών, ανεξάρτητα από το ηλεκτρικό φορτίο του δικτύου. [26] Στην περίπτωση ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους δηλαδή, από το συνολικό πεδίο λειτουργίας της μηχανής εσωτερικής καύσης αξιοποιείται μόνο το εύρος ροπής που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο αριθμό στροφών. Ανάλογα με τη μηχανή εσωτερικής καύσης, οι στροφές λειτουργίας της μπορεί να ταυτίζονται με αυτές της γεννήτριας ή να παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο μηχανών μία σταθερή σχέση μετάδοσης, που συνήθως υποβιβάζει τις στροφές της μηχανής εσωτερικής καύσης. Με βάση τα παραπάνω, η επιλογή μηχανής εσωτερικής καύσης για την κίνηση ηλεκτρογεννήτριας είναι μία σχετικά απλή διαδικασία, καθώς η μόνη απαίτηση που θα πρέπει να ικανοποιείται είναι ο κινητήρας να είναι σε θέση να δώσει ροπή τουλάχιστον ίση με τη μέγιστη απαιτούμενη από τη γεννήτρια, στις κατάλληλες στροφές. [26] Το ζητούμενο κατά τη δημιουργία ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους είναι η κάλυψη της αναμενόμενης από το μικροδίκτυο ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας με το ελάχιστο δυνατό κόστος λειτουργίας. Στην περίπτωση σχετικά μεγάλων εγκαταστάσεων, η αναμενόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι συνάρτηση του χρόνου, και προφανώς η γεννήτρια θα πρέπει να είναι σε θέση να καλύψει τουλάχιστον το μέγιστο αυτής της συνάρτησης. Συνήθως, προκειμένου να μπορούν να καλυφθούν και κάποιες απρόβλεπτες αιχμές φορτίου, η επιλογή γίνεται λαμβάνοντας υπόψη και ένα συντελεστή ασφάλειας της τάξης του 20-25%. Με βάση επομένως το μέγιστο της αναμενόμενης καμπύλης ζήτησης φορτίου, τον επιθυμητό συντελεστή ασφάλειας και τα σχετικά οικονομικά κριτήρια (κόστος απόκτησης, κόστος συντήρησης, κλπ.) επιλέγεται η κατάλληλη γεννήτρια. [26] [38]

53 Για τη γεννήτρια είναι γνωστά: Οι στροφές λειτουργίας της, έτσι ώστε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια να έχει τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά (τάση και συχνότητα). Ο βαθμός απόδοσης της γεννήτριας, σταθερός ή συνάρτηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος, που είναι και το συνηθέστερο. [26] Κύτταρα καυσίμου ή κυψέλες καυσίμου (Fuel Cell) Η εμπορική τους ανάπτυξη άρχισε πρόσφατα με στόχο την αντικατάσταση των μηχανών εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων και την επικράτηση του ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Δεν είναι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, αλλά συσκευές ηλεκτροχημικής μετατροπής, που παράγουν ηλεκτρισμό απευθείας με οξείδωση υδρογόνου και απόδοση 40-60%. Κατάλληλα για εφαρμογή σε αυτοκίνητα είναι αυτά που χρησιμοποιούν μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (ΜΑΠ) και έχουν θερμοκρασία λειτουργίας 80 C. Αποτελούνται (Σχ. 2.14) από δύο πορώδη ηλεκτρόδια, που διαχωρίζονται από μια πολυμερή ΜΑΠ. Η μεμβράνη επιτρέπει τη δίοδο πρωτονίων υδρογόνου (Η + ), αλλά εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων και αερίων. Το καύσιμο (υδρογόνο) ρέει κατά μήκος της επιφάνειας του ηλεκτροδίου ανόδου, ενώ το οξυγόνο ή ο αέρας ρέουν κατά μήκος του ηλεκτροδίου καθόδου, όπου παράγεται νερό και θερμότητα. Ο καταλύτης βοηθάει τη διάσπαση υδρoγόνου σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. [8] Οι κυψέλες καυσίμου μέσω ηλεκτροχημικής αντίδρασης επιτυγχάνουν παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, με μόνο υποπροϊόν το νερό. Η λειτουργία της είναι αντίστροφη από αυτή μιας ηλεκτρολυτικής μονάδας και προσομοιάζει τη λειτουργία μιας μπαταρίας, με την διαφορά ότι δεν έχει τον περιορισμό της εξάντλησης του καυσίμου μια και το καύσιμο (υδρογόνο) και το οξειδωτικό (αέρας ή οξυγόνο) εισάγονται συνεχώς στην άνοδο και την κάθοδο και τα προϊόντα (ηλεκτρική ενέργεια και νερό) απομακρύνονται. [27] [39]

54 Σχήμα 2.14: Αρχή λειτουργίας κυττάρου καυσίμου με ΜΑΠ Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνοντας υδρογόνο σαν καύσιμο, το οποίο οξειδώνεται ηλεκτροχημικά με οξυγόνο, με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και νερού. Η κυψέλη καυσίμου λειτουργεί σαν ένας χημικός αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας, ο οποίος παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο τροφοδοτείται με H 2 και O 2. Οι κυψέλες καυσίμου δεν ανήκουν στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αλλά είναι μια μέθοδος μετατροπής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη με τη μορφή καυσίμου (υδρογόνο, μεθάνιο, φυσικό αέριο κ.ά.) σε ηλεκτρισμό και θερμότητα. Αυτό γίνεται με υψηλή απόδοση (40-80% ανάλογα με τον τύπο της κυψέλης) και με μοναδική εκπομπή το καθαρό νερό (όταν το καύσιμο είναι αποκλειστικά υδρογόνο). Στην περίπτωση που το καύσιμο περιέχει άνθρακα, εκπέμπονται και αέρια βλαβερά για το περιβάλλον (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα) αλλά σε πολύ μικρότερη ποσότητα από ότι σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχης ισχύος. [27] Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια (την άνοδο και την κάθοδο) που διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα ειδικευμένο πολυμερές ή άλλο υλικό, που επιτρέπει την διέλευση ιόντων αλλά δεν [40]

55 είναι περατό από ηλεκτρόνια. Το καύσιμο που περιέχει υδρογόνο, εισάγεται στην άνοδο, όπου τα ηλεκτρόνια τον υδρογόνου απελευθερώνονται και κινούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωμα παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην κάθοδο, όπου ενώνονται με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο, δημιουργώντας νερό, που αποτελεί το προϊόν της αντίδρασης. Προκειμένου να επιταχυνθεί η διαδικασία του ιονισμού του υδρογόνου, χρησιμοποιείται καταλύτης υψηλής αγωγιμότητας στα ηλεκτρόδια, τα οποία είναι συνήθως από πλατίνα. Με χρήση καθαρού υδρογόνου ως καυσίμου, τα μόνα παράγωγα της διαδικασίας αυτής είναι ηλεκτρικό ρεύμα, καθαρό νερό και θερμότητα. Το συνολικό πάχος μιας κυψέλης καυσίμου είναι περίπου 2.5 mm ενώ ο ηλεκτρολύτης έχει πάχος της τάξεως μερικών μm. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή ισχύς, οι κυψέλες καυσίμων μπορούν να στιβαχθούν η μια δίπλα στην άλλη, με την παρεμβολή πορώδους υλικού, που τις συνδέει ηλεκτρικά σε σειρά, ενώ επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση στα ηλεκτρόδια από το υδρογόνο και το οξυγόνο. [27] Το υδρογόνο θεωρείται ως το ιδανικό καύσιμο, διότι έχει υψηλή θερμαντική ικανότητα και το προϊόν της καύσης του είναι καθαρό νερό. Το υδρογόνο συνήθως παράγεται από το φυσικό αέριο με την επίδραση υδρατμών, αλλά η παραγωγή του από ηλεκτρόλυση του νερού και ιδιαίτερα σε συνδυασμό με κάποια ΑΠΕ, είναι περιβαλλοντικά η πιο αποδεκτή διαδικασία. Η κυψέλη καυσίμου χρησιμοποιεί υδρογόνο και οξυγόνο τα οποία αντιδρούν με την παρουσία ηλεκτρολύτη και παράγουν νερό, ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται ένα ηλεκτροχημικό δυναμικό, που προκαλεί ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα. Η χημική αντίδραση είναι εξώθερμη και συνεπώς η παραγόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει άλλες ανάγκες. Ορισμένοι τύποι κυψελών μπορούν να λειτουργήσουν επίσης με διοξείδιο τον άνθρακα ή υδρογονάνθρακες. Επιδεικτικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής (25KW - 11MW) έχουν κατασκευασθεί σε διάφορες Ευρωπαϊκές χώρες, στις ΗΠΑ και την Ιαπωνία. Η θερμοκρασία λειτουργίας τους (περίπου 200 C) περιορίζει τη θερμοκρασία της ανακτώμενης θερμότητας. Υπάρχουν σήμερα τυποποιημένες μονάδες συμπαραγωγής με θερμότητα που είναι διαθέσιμη σε θερμοκρασία C. Οι κυψέλες καυσίμου είναι κατάλληλες για συμπαραγωγή στο βιομηχανικό και εμπορικό - κτιριακό τομέα (ιδιαίτερα σε συνδυασμό με το φυσικό αέριο), αλλά το υψηλό κόστος κατασκευής και η χαμηλή διάρκεια ζωής τους περιορίζουν προς το παρόν τη χρήση τους. [12] [41]

56 2.6 Μονάδες μετατροπής ισχύος Μονάδες μετατροπής ισχύος, είναι οι μονάδες εκείνες που αναλαμβάνουν την προσαρμογή μεταξύ συστοιχίας, συσσωρευτή, φορτίων και εφεδρικής πηγής ενέργειας (αν υπάρχει) μετατρέποντας την ακατέργαστη DC ισχύ εξόδου από τη φωτοβολταϊκή (Φ/Β) συστοιχία ή τον ανορθωτή μιας ανεμογεννήτριας σε ισχύ κατάλληλης ποιότητας και σύμφωνης με τις απαιτήσεις του φορτίου. [28] Σε πολλά DC συστήματα οι μεταβολές της τάσης που οφείλονται σε μεταβολή των καιρικών συνθηκών ή (στην περίπτωση των Φ/Β) χειροτέρευση των χαρακτηριστικών των κυττάρων, λόγω γήρανσης, αντισταθμίζονται με έλεγχο της τάσης της συστοιχίας με τη βοήθεια ρυθμιστών τάσης. Έτσι, παρέχεται ισχύς σε σταθερή τάση, με σκοπό να προστατεύουμε το συσσωρευτή και το φορτίο από ακραίες τιμές της τάσης με όλες τις γνωστές συνέπειες. [28] Η διαχείριση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τη ΦΒ συστοιχία ή την ανεμογεννήτρια, απαιτεί την παρεμβολή κατάλληλων ηλεκτρονικών συσκευών, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της μεταφοράς της ενέργειας κατά τον οικονομικότερο τρόπο καθώς και την προστασία του συσσωρευτή από υπερφόρτιση ή από υπερεκφόρτιση. Από λειτουργικής πλευράς, δύο είναι οι βασικές ηλεκτρονικές διατάξεις: Ο ελεγκτής ή επιτηρητής της διαδικασίας φόρτισης - εκφόρτισης (charge controller) και οι μετατροπείς τάσεως. Ο ελεγκτής φόρτισης τοποθετείται συνήθως σε χωριστή μονάδα σε σχέση με τις υπόλοιπες διατάξεις, μπορεί όμως να βρίσκεται ενσωματωμένος με τον αντιστροφέα (inverter), σε μια ολοκληρωμένη μονάδα. [20] Η φόρτιση των ηλεκτρικών συσσωρευτών, μέσω μιας πηγής ηλεκτρικής ενέργειας π.χ. ΦΒ συστοιχίας, ανεμογεννήτριας ΑΓ, ή ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους (Η/Ζ), απαιτεί συνεχή έλεγχο της κατάστασης φόρτισής τους, ώστε, όταν αυτοί φτάσουν στην κατάσταση μέγιστης φόρτισης, να διακόπτεται η διαδικασία. 'Ετσι, αποφεύγεται η υπέρταση του συσσωρευτή, η οποία θα είχε ως συνέπεια την έκλυση μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου, λόγω ηλεκτρόλυσης και συνακόλουθα μείωση της στάθμης του διαλύματος. Αντίστοιχα, απαιτείται έλεγχος του συσσωρευτή όσο αυτός τροφοδοτεί την κατανάλωση, ώστε να προληφθεί η καταστροφική για τον συσσωρευτή, κατάσταση υπερεκφόρτισης (ελεγκτής εκφόρτισης). Γενικά, ο ελεγκτής φόρτισης - εκφόρτισης, στην πιο περιορισμένη του μορφή, εποπτεύει τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, ώστε να απομονώνει το σύστημα αποθήκευσης, αφενός από το σύστημα παραγωγής της ενέργειας, στην περίπτωση της υπερφόρτισης, και [42]

57 αφετέρου από το σύστημα κατανάλωσης, στην περίπτωση της υπερεκφόρτισης. Και στις δύο περιπτώσεις, η διακοπή αυτή προκαλείται όταν η τάση στα άκρα του συσσωρευτή ξεπεράσει, προς τα άνω και αντίστοιχα προς τα κάτω, ορισμένα όρια τάσης (setpoints), όπου ενεργοποιούνται οι ηλεκτρικοί διακόπτες. [20] Αν οι ανάγκες του φορτίου απαιτούν AC ρεύμα, που είναι και η πιο συνηθισμένη περίπτωση, χρησιμοποιείται και ένας αντιστροφέας (Inverter) ώστε να μετατρέπει το DC σε AC ρεύμα. Το ρεύμα εισόδου είναι DC από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια ή μπαταρία και η έξοδος είναι AC ρεύμα, που χρησιμοποιείται για να τρέξουν οι AC εφαρμογές ή για να τροφοδοτηθεί μέσα στο δίκτυο κατανάλωσης. Η απόδοση των αντιστροφέων συνήθως εξαρτάται από το ρεύμα στο φορτίο που είναι μέγιστο στην ονομαστική ισχύ εξόδου. Μπορεί να φτάνει το 95% αλλά είναι μικρότερη (75-80%), εάν ο αντιστροφέας λειτουργεί υπό μερικό φορτίο. [19] Η πλειονότητα των αντιστροφέων για ΦΒ εφαρμογές μπορούν να ταξινομηθούν μέσα σε τρεις κύριες κατηγορίες (σχήμα 2.15). Aντιστροφείς μεταβλητής συχνότητας χρησιμοποιούνται για αυτόνομες εφαρμογές ισχύος, σχεδόν αποκλειστικώς στα συστήματα ΦΒ άντλησης. Οι υπόλοιπες δυο κύριες κατηγορίες αντιστροφέων ταιριάζουν στη σύνδεση δικτύου ΦΒ ισχύος για βιομηχανικά συγκροτήματα. Αυτομεταγώμενοι αντιστροφείς σταθερής συχνότητας, είναι ικανοί να τροφοδοτήσουν ένα απομονωμένο δίκτυο διανομής και, εάν εξοπλισθούν με ειδικό παραλληλισμένο έλεγχο, ένα δίκτυο τροφοδοτούμενο και από άλλες παράλληλες πηγές ισχύος. Αντιστροφείς γραμμής μεταγωγής σταθερής συχνότητας που είναι ικανοί να τροφοδοτήσουν το δίκτυο μόνο όταν η συχνότητα δικτύου ορίζεται από άλλη πηγή ισχύος συνδεδεμένη παράλληλα. Ο αντιστροφέας δε θα λειτουργήσει, εάν μια τέτοια εξωτερική συχνότητα αναφοράς λείπει (π.χ. κατά τη διάρκεια γενικής διακοπής του δικτύου). [19] [43]

58 Σχήμα 2.15: Αντιστροφείς ποικίλων μορφών Στις παραπάνω μονάδες μετατροπής της ισχύος (Power Condtitioning Units, PCU) θα μπορούσαμε να κατατάξουμε και τις μονάδες ελέγχου του όλου συστήματος, που μπορεί να περιλαμβάνουν: αυτόματη εκκίνηση και θέση εκτός λειτουργίας, εκτίμηση του State Of Charge (SOC) των συσσωρευτών, θέση σε λειτουργία της εφεδρικής πηγής ενέργειας, κατανομή του φορτίου, εντόπιση σφαλμάτων/αυτόματη διόρθωση, διακόπτες, γείωση, άλλα συστήματα προστασίας, συστήματα παρακολούθησης και καταγραφής των δεδομένων κ.λπ. [28] [44]

59 2.6.1 Διακοπτικοί μετατροπείς DC-DC Στους μετατροπείς DC-DC η μέση DC τάση εξόδου πρέπει να ελέγχεται, ώστε να είναι σε ένα επιθυμητό επίπεδο, ανεξάρτητα από το γεγονός ότι η τάση εισόδου και το φορτίο μπορούν να αυξομειώνονται. Οι μετατροπείς DC-DC διακοπτικού τύπου χρησιμοποιούν έναν ή περισσότερους διακόπτες για το μετασχηματισμό της DC τάσης από ένα επίπεδο σε ένα άλλο. Σ' ένα DC-DC μετατροπέα με δεδομένη τάση εισόδου, η μέση τάση εξόδου ρυθμίζεται ελέγχοντας τους χρόνους έναυσης και σβέσης (t on και t off ) των διακοπτών. Για να καταστεί φανερή η αρχή της μετατροπής διακοπτικού τύπου, ας θεωρηθεί ένας βασικός DC-DC μετατροπέας, όπως αυτός του Σχ.2-16α. Η μέση τιμή V o της τάσης εξόδου υ ο, στο Σχ.2-16β, εξαρτάται από τους χρόνους t on και t off. Μια από τις μεθόδους ελέγχου της μέσης τάσης εξόδου χρησιμοποιεί σταθερή συχνότητα μετάβασης (και συνεπώς σταθερή περίοδο μετάβασης Τ s = t on + t off ) και ρύθμιση της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός. Σ' αυτήν τη μέθοδο, που ονομάζεται μετάβαση με Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (Pulse-Width Modulation, PWM), μεταβάλλεται η σχετική διάρκεια αγωγής (duty ratio) D = t on /T s, που ορίζεται ως ο λόγος της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός προς την περίοδο μετάβασης. Η άλλη μέθοδος ελέγχου είναι γενικότερη. Σύμφωνα με αυτήν, μεταβάλλονται τόσο η συχνότητα μετάβασης (και η περίοδος), όσο και η διάρκεια κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται μόνο σε μετατροπείς DC-DC που χρησιμοποιούν thyristors με εξαναγκασμένη μετάβαση. Οι μεταβολές της συχνότητας μετάβασης καθιστούν δύσκολο το φιλτράρισμα της κυμάτωσης των κυματομορφών της εισόδου και της εξόδου. [29] Σχήμα 2.16: Διακοπτική DC-DC μετατροπή Στη διαμόρφωση με PWM με σταθερή συχνότητα μετάβασης, το σήμα ελέγχου του διακόπτη, το οποίο ελέγχει την κατάστασή του (κλειστός ή ανοιχτός), παράγεται [45]

60 με τη σύγκριση του επιπέδου τάσης του σήματος ελέγχου υ control με μια περιοδική κυματομορφή σταθερού πλάτους, όπως φαίνεται στα Σχ.2-16α και 2-16β. Γενικά, το σήμα της τάσης ελέγχου λαμβάνεται ενισχύοντας το σφάλμα ή τη διαφορά μεταξύ της πραγματικής τάσης εξόδου και της επιθυμητής της τιμής. Η συχνότητα της περιοδικής κυματομορφής (συνήθως είναι πριονωτή), καθορίζει τη συχνότητα μετάβασης. Στον έλεγχο με PWM, η συχνότητα αυτή διατηρείται σταθερή και επιλέγεται σε μια περιοχή από μερικά khz μέχρι μερικές εκατοντάδες khz. Όταν το ενισχυμένο σήμα σφάλματος, που μεταβάλλεται πολύ αργά με το χρόνο σε σχέση με τη συχνότητα μετάβασης, είναι μεγαλύτερο από την πριονωτή κυματομορφή, το σήμα ελέγχου του διακόπτη γίνεται high, προκαλώντας το κλείσιμο του διακόπτη. Διαφορετικά, ο διακόπτης είναι ανοιχτός. Σύμφωνα με το Σχ.2-17, η σχετική διάρκεια αγωγής μπορεί να εκφραστεί, ως συνάρτηση της υ control και του πλάτους της πριονωτής κυματομορφής V st, με τη σχέση Οι μετατροπείς DC-DC μπορούν να λειτουργούν με δύο διαφορετικούς τρόπους: (1) με αγωγή συνεχούς ρεύματος και (2) με αγωγή ασυνεχούς ρεύματος. Στην πράξη, ένας μετατροπέας μπορεί να λειτουργεί και με τους δύο τρόπους, οι οποίοι έχουν έντονα διαφορετικά χαρακτηριστικά. Για τον λόγο αυτό, ένας μετατροπέας και ο έλεγχός του πρέπει να σχεδιάζονται με βάση και τους δύο τρόπους λειτουργίας. [29] [46]

61 Σχήμα 2.17: Διαμόρφωση Πλάτους Παλμού (PWM):(α)λειτουργικό διάγραμμα, (β)σήμα συγκριτή Στο Σχ.2-18 δίνεται ένας DC-DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης (step-up ή DC- DC converter). Η κύρια εφαρμογή του είναι στα DC διακοπτικά τροφοδοτικά και στην πέδηση DC κινητήρων με ανάκτηση ισχύος. Όπως υποδηλώνει το όνομά του, η τάση εξόδου είναι πάντα μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, απομονώνοντας έτσι τη βαθμίδα εξόδου. Η είσοδος παρέχει ενέργεια στο πηνίο. Όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, η βαθμίδα εξόδου απορροφά ενέργεια από το πηνίο και από την είσοδο. Στη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας ο πυκνωτής εξομάλυνσης θεωρείται πολύ μεγάλος, ώστε να εξασφαλίζει μια σταθερή τάση εξόδου [47]

62 Σχήμα 2.18: DC-DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης Αντιστροφείς DC-AC διακοπτικού τύπου Οι αντιστροφείς DC-AC διακοπτικού τύπου χρησιμοποιούνται σε AC κινητήρια συστήματα και σε AC τροφοδοτικά αδιάλειπτης λειτουργίας, όπου ο αντικειμενικός σκοπός είναι η παραγωγή μιας ημιτονοειδούς AC τάσης εξόδου, με ελεγχόμενα τόσο το πλάτος της όσο και τη συχνότητά της. Ο αντιστροφέας αυτός δέχεται DC τάση ως είσοδο και παράγει την επιθυμητή AC τάση εξόδου. Ως είσοδος των αντιστροφέων διακοπτικού τύπου θα υποτεθεί μια πηγή DC τάσης. Τέτοιοι αντιστροφείς αναφέρονται ως αντιστροφείς πηγής τάσης (voltage-source inverters, VSI). Στους αντιστροφείς με Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM) η DC τάση εισόδου έχει ουσιαστικά σταθερό πλάτος. Επομένως, ο αντιστροφέας πρέπει να ελέγχει το πλάτος και τη συχνότητα των AC τάσεων εξόδου. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διαμόρφωση του εύρους των παλμών των διακοπτών του αντιστροφέα και έτσι τέτοιοι αντιστροφείς ονομάζονται αντιστροφείς με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM). Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι διαμόρφωσης PWM των διακοπτών του αντιστροφέα με σκοπό την επίτευξη AC τάσεων εξόδου που να πλησιάζουν την ημιτονοειδή κυματομορφή. Από τις διάφορες αυτές μεθόδους διαμόρφωσης PWM, θα εξεταστεί η ημιτονοειδής διαμόρφωση PWM. [29] Στο Σχ.2-19α βλέπουμε ένα μονοφασικό αντιστροφέα, ο οποίος δίνεται με μορφή λειτουργικού διαγράμματος. Η τάση εξόδου του αντιστροφέα εξομαλύνεται, έτσι ώστε η υ ο να μπορεί να θεωρηθεί ημιτονοειδής. Αν ο αντιστροφέας τροφοδοτεί ένα [48]

63 επαγωγικό φορτίο, για παράδειγμα έναν AC κινητήρα, το i o θα καθυστερεί σε σχέση με τη υ o, όπως φαίνεται στο Σχ.2-19β. Στις κυματομορφές της εξόδου του Σχ.2-19β φαίνεται ότι κατά το χρονικό διάστημα 1, οι τιμές των υ o και i o είναι και οι δύο θετικές, ενώ κατά το χρονικό διάστημα 3, οι τιμές των υ o και i o είναι και οι δύο αρνητικές. Επομένως, κατά τα χρονικά διαστήματα 1 και 3, η στιγμιαία ροή ισχύος (po =υ o* i o ) είναι από τη DC πλευρά προς την AC πλευρά, αντιστοιχώντας σε λειτουργία αντιστροφέα. Αντίθετα, οι τιμές των υ o και i o είναι ετερόσημες κατά τα χρονικά διαστήματα 2 και 4 και επομένως η p o ρέει από την AC πλευρά προς τη DC πλευρά του αντιστροφέα, αντιστοιχώντας σε λειτουργία ανορθωτή. Για το λόγο αυτό, κατά τη διάρκεια κάθε περιόδου της AC εξόδου, ο αντιστροφέας διακοπτικού τύπου του Σχ.2-19α, πρέπει να μπορεί να λειτουργεί και στα τέσσερα τεταρτημόρια του επιπέδου i o -υ o, όπως φαίνεται στο διακοπτικού τύπου. Σχ.2-19γ. [29] Σχήμα 2.19: Μονοφασικός αντιστροφέας διακοπτικού τύπου [49]

64 Ένας αντιστροφέας με πλήρη γέφυρα φαίνεται στο Σχ Με την ίδια DC τάση εισόδου, η μέγιστη τάση εξόδου του αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα είναι διπλάσια εκείνης του αντιστροφέα με μισή γέφυρα. Αυτό σημαίνει ότι για την ίδια ισχύ, το ρεύμα εξόδου και τα ρεύματα των διακοπτών είναι τα μισά εκείνων του αντιστροφέα με μισή γέφυρα. Σε υψηλά επίπεδα ισχύος, αυτό είναι ιδιαίτερο πλεονέκτημα, εφόσον απαιτεί λιγότερους παραλληλισμούς ημιαγωγικών στοιχείων. Τα ζεύγη των διακοπτών (Τ Α+, Τ Β_ ) και (Τ Α_, Τ Β+ ) από τα δύο σκέλη του Σχ.2-20 αλλάζουν κατάσταση ως ζεύγη διακοπτών 1 και 2 αντίστοιχα. Με το είδος αυτό της μετάβασης με διαμόρφωση PWM, η κυματομορφή της τάσης εξόδου του σκέλους Α καθορίζεται με σύγκριση του υ control και της υ tri στο Σχ.2-21α. Η έξοδος του σκέλους Β του αντιστροφέα είναι αντίθετη της εξόδου του σκέλους Α. Στο Σχ.2-21β, παρατηρείται ότι η τάση εξόδου υ ο μεταβαίνει μεταξύ των επιπέδων τάσης -V d και V d. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτή η μορφή μετάβασης ονομάζεται διαμόρφωση ΡWΜ με διπολική τάση εξόδου. [29] Σχήμα 2.20: Μονοφασικός αντιστροφέας με πλήρη γέφυρα Σχήμα 2.21: Διαμόρφωση PWM με διπολική τάση εξόδου [50]

65 Στη διαμόρφωση PWM με μονοπολική τάση εξόδου οι διακόπτες στα δύο σκέλη του αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα του Σχ.2.20 δεν αλλάζουν κατάσταση ταυτόχρονα, όπως στην προηγούμενη διάταξη με διπολική διαμόρφωση PWM. Εδώ τα σκέλη Α και Β του αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα ελέγχονται ξεχωριστά με σύγκριση της u tri με τα u control και - u control αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στο Σχ.2.22α, η σύγκριση του u control με την τριγωνική κυματομορφή έχει ως αποτέλεσμα τα ακόλουθα σήματα για τον έλεγχο των διακοπτών του σκέλους Α: u u : T on u V control tri A AN d u u : T on u 0 control tri A AN Η τάση εξόδου του σκέλους Α του αντιστροφέα σε σχέση με τον αγωγό Ν που φέρει την αρνητική dc τάση φαίνεται στο Σχ.2.22β. Για τον έλεγχο των διακοπτών του σκέλους Β το (- u control ) συγκρίνεται με την ίδια τριγωνική κυματομορφή, δίνοντας τα ακόλουθα: ( u ) u : T on u V control tri B BN d ( u ) u : T on u 0 control tri B BN Εξαιτίας των διόδων ανατροφοδότησης που συνδέονται αντιπαράλληλα προς τους διακόπτες, οι τάσεις που δίνονται από τις παραπάνω εξισώσεις είναι ανεξάρτητες από τη φορά του ρεύματος εξόδου i o.[29] Σ' αυτήν τη διάταξη διαμόρφωσης PWM, όταν συμβαίνει μια μετάβαση, η τάση εξόδου αλλάζει μεταξύ των επιπέδων τάσης 0 και +V d ή μεταξύ των 0 και - V d. Για τον λόγο αυτό, αυτή η μορφή διαμόρφωσης PWM ονομάζεται διαμόρφωση εύρους παλμού με μονοπολική τάση εξόδου, σε αντίθεση με τη διάταξη PWM με διπολική τάση εξόδου (μεταξύ + V d και - V d ) που περιγράφηκε παραπάνω. Η διάταξη αυτή έχει το πλεονέκτημα του διπλασιασμού της συχνότητας μετάβασης όσον αφορά τις αρμονικές εξόδου, σε σύγκριση με τη διάταξη διπολικής μετάβασης τάσης. Επίσης, τα άλματα της τάσης εξόδου σε κάθε μετάβαση μειώνονται σε V d από 2 V d στην προηγούμενη διάταξη.[29] [51]

66 Σχήμα 2.22:Διαμόρφωση PWM με μονοπολική τάση εξόδου Το πλεονέκτημα του διπλασιασμού της συχνότητας μετάβασης εμφανίζεται στο φάσμα της τάσης εξόδου, όπου οι χαμηλότερες αρμονικές εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες σε συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους. Αυτό είναι εύκολο να γίνει κατανοητό σ' ένα μονοφασικό αντιστροφέα, αν επιλεγεί άρτιος συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f (ο m f πρέπει να είναι περιττός στη διαμόρφωση PWM με διπολική τάση εξόδου). Οι κυματομορφές της τάσης U AN και U BN μετατοπίζονται [52]

67 κατά 180 από τη θεμελιώδη συχνότητα f 1, η μία σε σχέση με την άλλη. Επομένως, οι αρμονικοί όροι στη συχνότητα μετάβασης στις U AN και U BN έχουν την ίδια φάση (φ ΑΝ - φ ΒΝ = 180 m f = 0, εφόσον οι κυματομορφές είναι κατά 180 μετατοπισμένες και ο m f θεωρείται άρτιος). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απαλοιφή του αρμονικού όρου στη συχνότητα μετάβασης στην τάση εξόδου u o = U AN U BN. Επίσης, εξαλείφονται οι πλευρικές ζώνες των αρμονικών της συχνότητας μετάβασης. Κατά παρόμοιο τρόπο, εξαλείφεται η άλλη κύρια αρμονική με συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους, ενώ οι πλευρικές ζώνες της παραμένουν.[29] 2.7 Μονάδες αποθήκευσης Μέχρι σήμερα δεν έχει βρεθεί οικονομικός τρόπος για αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό φορτίο, προκαλεί σημαντική οικονομική επιβάρυνση στη λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων. Οι υδροαντλητικοί σταθμοί είναι ο πλέον διαδεδομένος τρόπος αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, κατά τις νυχτερινές ώρες χαμηλού φορτίου και η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια τις ώρες μεγίστου φορτίου. Άλλες μέθοδοι αποθήκευσης ενέργειας, όπως η αποθήκευση συμπιεσμένου αέρα σε υπόγεια σπήλαια ή η θέρμανση νερού και η αξιoποίησή της τις ώρες μεγίστου φορτίου έχουν περιορισμένη εφαρμογή. Η σημερινή όμως μορφή των ηλεκτρικών φορτίων, που περιλαμβάνει αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής ή εργαλεία μηχανών, ρομπότ, ηλεκτρονικά ισχύος, προγραμματιζόμενούς λογικούς ελεγκτές και τροφοδοσίες υπολογιστών, απαιτεί αξιόπιστη και υψηλής ποιότητας παροχή ηλεκτρικής ισχύος. Οι απαιτήσεις αυτές, περιορισμένες κατά το παρελθόν λόγω των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρομηχανικών συσκευών και της μικρότερης αυτοματοποίησης της παραγωγής και χρήσης των συστημάτων πληροφορικής, σήμερα εμφανίζονται εντονότερες, λόγω και της εξελισσόμενης απελευθέρωσης της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μονάδες αποθήκευσης έχουν πολύ σημαντικό ρόλο στα μικροδίκτυα, ειδικά στην αυτόνομη λειτουργία τους αφού υποκαθιστούν τις μονάδες παραγωγής. [8] Συσσωρευτές Παρ' όλο που μια ποικιλία μεθόδων αποθήκευσης της ενέργειας είναι υπό μελέτη (πίνακας 2.1), η πλειονότητα των αυτόνομων συστημάτων σήμερα χρησιμοποιεί ως μέσον αποθήκευσης τη μπαταρία. Σημαντική εξαίρεση αποτελούν τα συστήματα [53]

68 άντλησης νερού, στα οποία η αποθήκευση του αντλούμενου νερού είναι η προτιμότερη διέξοδος. Οι μπαταρίες είναι ως επί το πλείστον μπαταρίες μολύβδουοξέος, λόγω της ευκολίας απόκτησης τους και της σχέσης κόστους-απόδοσης. Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου χρησιμοποιούνται κυρίως σε μικρότερες εφαρμογές, λόγω της αντοχής τους, μηχανικής και ηλεκτρικής και λόγω του υψηλού τους κόστους ανά ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας. Γι' αυτό το λόγο έχει σταματήσει την ευρύτερη χρήση τους στα φωτοβολταϊκά συστήματα. [19] Πίνακας 2.1: Μερικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας Οι μπαταρίες στα ΦΒ συστήματα λειτουργούν κάτω από συγκεκριμένες, συνθήκες, οι οποίες πρέπει να έχουν προβλεφθεί κατά τη σχεδίαση του συστήματος, καθώς αυτές επηρεάζουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και την αποτελεσματικότητα της λειτουργίας της. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό τους είναι η κυκλική τους λειτουργία με διαφορετική κανονικότητα (σχήμα 2.23). Κατά τον ημερήσιο κύκλο η μπαταρία φορτίζεται κατά τη διάρκεια της ημέρας και εκφορτίζεται στη διάρκεια της νύκτας. Το βάθος της εκφόρτισης κατά τον ημερήσιο κύκλο για τα συστήματα χωρίς εφεδρική πηγή είναι πάντοτε σχετικά μικρό. Επάνω στον ημερήσιο κύκλο υπερτίθεται ο κλιματολογικός κύκλος, ανάλογα με τις μεταβαλλόμενες καιρικές συνθήκες. Αυτός ο κύκλος συμβαίνει οποτεδήποτε το ημερήσιο φορτίο ξεπερνά τη μέση παροχή ενέργειας από τη ΦΒ γεννήτρια. [19] [54]

69 Σχήμα 2.23: Κυκλική λειτουργία της μπαταρίας στα ΦΒ συστήματα Σε συστήματα, στα οποία η αξιοπιστία δεν είναι η υπέρτατη σπουδαιότητα, η μπαταρία ίσως να ενεργεί ως ένας εποχιακός αποθηκευτής. Σ' αυτή την περίπτωση ο κύκλος κλίματος εκτείνεται πάνω σ' ένα σημαντικό τμήμα της εποχής (σχήμα 2.24). Οι λεπτομέρειες της κυκλικής λειτουργίας εξαρτώνται από την επιθυμητή αξιοπιστία του συστήματος και από τη σχέση μεταξύ της ικανότητας αποθήκευσης και του μεγέθους της ΦΒ γεννήτριας. [19] Σχήμα 2.24: Ο εποχιακός κύκλος Η μπαταρία μολύβδου-οξέος περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόδια μολύβδου και διοξειδίου του μολύβδου και τον ηλεκτρολύτη του θειικού οξέος διαλυμένο με νερό. Στις πρακτικές κατασκευές τα ηλεκτρόδια σχηματίζονται από πλέγμα μολύβδου (μερικές φορές σε μορφή κράματος με ασβέστιο ή αντιμόνιο), όπου το ενεργό υλικό φέρεται με τη μορφή μιας πορώδους δομής, η οποία προσφέρει μια μεγάλη περιοχή [55]

70 επιφάνειας για χημικές αντιδράσεις με τον ηλεκτρολύτη. Οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μπαταρίας παρουσιάζονται στο (σχήμα 2.25). Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, το οξείδιο του μολύβδου σχηματίζεται στην κάθοδο και το θεϊκό οξύ ελευθερώνεται μέσα στον ηλεκτρολύτη. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης σχηματίζεται ο θειικός μόλυβδος και στα δύο ηλεκτρόδια και το θειικό οξύ απομακρύνεται από τον ηλεκτρολύτη. [19] Μια τυπική συμπεριφορά της τάσης κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης μιας μπαταρίας μολύβδου-οξέος παρουσιάζεται στο σχήμα (2.26). Φαίνεται ότι η χωρητικότητα της μπαταρίας ελαττώνεται, όταν εκφορτίζεται με έντονο ρυθμό. Για παράδειγμα, μια μπαταρία με μια ονομαστική χωρητικότητα που έχει προσδιοριστεί με εκφόρτιση στις 10 ώρες, μπορεί να αυξήσει εμφανώς τη χωρητικότητα της, όταν η εκφόρτιση διαρκέσει 100 ώρες, μια διάρκεια, η οποία χρησιμοποιείται σε πολλές φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Αυτό το χαρακτηριστικό πρέπει να ληφθεί υπόψη, όταν σχεδιάζεται η αποθήκευση ενέργειας ενός Φ.Β. συστήματος, γιατί πολλά λειτουργούν κάτω από διαφορετικές συνθήκες από αυτές που καθορίζουν οι κατασκευαστές της μπαταρίας. [19] Σχήμα 2.25: Λειτουργία μπαταρίας μολύβδου-οξέος [56]

71 Σχήμα 2.26: Χαρακτηριστικά εκφόρτισης μπαταρίας κάτω από διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισης. Η συμπεριφορά της τάσης κατά τη διάρκεια φόρτισης παρουσιάζεται στο σχήμα (2.27). Μετά από μια σχετικά αργή αύξηση έως τα 2.35 V περίπου ανά στοιχείο υπάρχει μια απότομη αύξηση τάσης που συνοδεύεται από έκλυση αερίου - γένεση υδρογόνου και οξυγόνου στα ηλεκτρόδια. Αυτές οι χημικές αντιδράσεις, συνεπάγονται ποικίλες διαδικασίες (δηλητηρίαση), συνοδεύουν τη λειτουργία της μπαταρίας και μειώνουν τη διάρκεια ζωής της ή αυξάνουν τις απαιτήσεις συντήρησης. Η έκλυση αερίου αυξάνει την ανάγκη για συντήρηση και ίσως παρουσιάζει ένα κίνδυνο ασφαλείας. Σε μέτρια επίπεδα, αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πλεονέκτημα, γιατί ελαττώνει τη στρωμάτωση του ηλεκτρολύτη. Η επαναλαμβανόμενη ανάπτυξη και διάλυση του μολύβδου, του οξειδίου του μολύβδου και του θειικού άλατος με διαφορετικούς ειδικούς όγκους συνοδεύεται από μηχανικές τάσεις στα ηλεκτρόδια. Αυτές οι τάσεις, στη συνέχεια, έχουν αποτέλεσμα την απόρριψη ενεργού υλικού από τα ηλεκτρόδια. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να συμβεί και κάποια άλλη στιγμή κατά τη διάρκεια της έντονης έκλυσης αερίου. [19] [57]

72 Σχήμα 2.27: Χαρακτηριστική φόρτισης μπαταρίας Η θείωση είναι ένας σχηματισμός μεγάλων κρυστάλλων θειικού μόλυβδου στις πλάκες, οι οποίες εμποδίζουν τις αμφίδρομες χημικές αντιδράσεις. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει κυρίως όταν η μπαταρία παραμένει σε μια κατάσταση χαμηλής φόρτισης για εκτεταμένες χρονικές περιόδους. Η λειτουργία της μπαταρίας τείνει να υποβοηθά μια μη ομοιόμορφη κατανομή του ηλεκτρολύτη, στην οποία ο ηλεκτρολύτης με την υψηλότερη πυκνότητα συγκεντρώνεται στο κάτω μέρος του δοχείου της μπαταρίας. Αυτή η στρωματοποίηση του ηλεκτρολύτη ενισχύει την οξείδωση και τη θείωση του κάτω μέρους του αρνητικού ηλεκτροδίου, μπορεί ωστόσο να αποφευχθεί με μια κανονική εβδομαδιαία υπερφόρτιση, στη διάρκεια της οποίας η έκλυση αερίου χρησιμοποιείται για την ανάδευση του ηλεκτρολύτη. Μια καλή πρακτική είναι να δίνεται στις μπαταρίες μια αντισταθμιστική φόρτιση στο τέλος μιας περιόδου, όταν η μπαταρία θα έχει λειτουργήσει σε κατάσταση χαμηλού φορτίου (κανονικά στο τέλος του χειμώνα). Αυτό το πρόσθετο φορτίο, το οποίο για λίγο υπερφορτίζει τη μπαταρία εξασφαλίζει ότι όλα τα στοιχεία είναι πλήρως επαναφορτισμένα. [19] Διάβρωση ηλεκτροδίου συμβαίνει ιδιαίτερα με την ανάπτυξη του θετικού μολύβδινου πλέγματος και επιταχύνεται με υψηλές θερμοκρασίες. Η σχεδίαση της αποθηκευτικής ικανότητας της μπαταρίας πρέπει επίσης να εξασφαλίζει ότι ο ηλεκτρολύτης δε θα παγώνει κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της σε τοποθεσίες, που η θερμοκρασία μπορεί να πέσει σε χαμηλά επίπεδα. Αυτό μπορεί να αποφευχθεί με τη διατήρηση μιας σχετικά υψηλής πυκνότητας του ηλεκτρολύτη είτε με μια υψηλή κατάσταση φόρτισης ή ακόμη και με την αύξηση της πυκνότητας του [58]

73 ηλεκτρολύτη πάνω από το συνηθισμένο μέτρο. Μολονότι ειδικές Φ.Β. μπαταρίες είναι τώρα διαθέσιμες στην αγορά, οι περισσότερες μπαταρίες, οι οποίες συνήθως εγκαθίστανται στα Φ.Β. συστήματα, είναι αυτές που αρχικά προορίζονται για συμβατικές εφαρμογές ή προσαρμοσμένες για να ταιριάζουν στη συγκεκριμένη μέθοδο λειτουργίας του Φ.Β. συστήματος. Οι τρεις βασικές τάξεις των μπαταριών μολύβδου οξέος καταγράφονται στον (Πίνακα 2.2). [19] Πίνακας 2.2: Βασικοί τύποι των μπαταριών εμπορίου μολύβδου-οξέος Σφόνδυλοι - Flywheel Ταχέως περιστρεφόμενοι δίσκοι ή κύλινδροι χρησιμοποιούνται ευρέως για την αποθήκευση κινητικής ενέργειας, που μετατρέπεται εύκολα σε ηλεκτρική με τη σύζευξή τους σε μια γεννήτρια. Ο περιοριστικός παράγοντας για την αποθήκευση της ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν οι απώλειες στα έδρανα στήριξης του σφονδύλου. Πρόσφατα όμως, η ανάπτυξη της υπεραγώγιμης έδρασης, υπόσχεται να ελαττώσει την τριβή κατά δύο τάξεις μεγέθους, για αποθήκευση ενέργειας στη περιοχή των 10 kwh. [8] Στην απλούστερή της μορφή, η υπεραγώγιμη έδραση αποτελείται από ένα μόνιμο μαγνήτη, αιωρούμενο σε μια σταθερή θέση πάνω από ένα υπεραγωγό. Οι υπεραγωγοί έχουν την ιδιότητα να αποκλείουν τη δίοδο της μαγνητικής ροής από το εσωτερικό τους, δρώντας ως διαμαγνητικά υλικά. Αυτή η ιδιότητα έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση βορείου πόλου όταν σε αυτόν πλησιάζουμε το βόρειο πόλο ενός μόνιμου μαγνήτη, γιατί στον υπεραγωγό εμφανίζονται ρεύματα με τέτοια φορά ώστε να αποκλείουν τη δίοδο της μαγνητικής ροής από το εσωτερικό τους. Έτσι, αναπτύσσεται μια απωθητική δύναμη μεταξύ του μόνιμου μαγνήτη και του [59]

74 υπεραγωγού, που αυξάνει όσο μικραίνει η απόστασή τούς. Αυτό δημιουργεί μια ευσταθή κατάσταση αιώρησης κατά τον κατακόρυφο άξονα, αν η διεύθυνση μαγνήτισης του μόνιμου μαγνήτη είναι κατακόρυφη. Για να επιτύχουμε και οριζόντια ευστάθεια, ο υπεραγωγός δημιουργεί κοιλότητα μέσα στην οποία εισέρχεται ο μόνιμος μαγνήτης, ώστε να περιβάλλεται από κατακόρυφα υπεραγώγιμα τοιχώματα. Κρυσταλλικές ανωμαλίες στον υπεραγωγό, δημιουργούν περιοχές που δεν έχουν την υπεραγώγιμη ιδιότητα και στις οποίες παγιδεύονται μαγνητικές γραμμές. Αυτή την ιδιότητα την εκμεταλλευόμαστε για την ανάπτυξη δυνάμεων συγκράτησης του μόνιμου μαγνήτη και του υπεραγωγού, γιατί οι μαγνητικές γραμμές δρουν σαν ελατήρια σύνδεσης μεταξύ τους. Όσο η κατανομή της μαγνητικής ροής δεν αλλάζει στον υπεραγωγό, η περιστροφή του μόνιμου μαγνήτη δε συναντά αντίσταση. 'Ομως κατακόρυφες ή οριζόντιες μετακινήσεις του μαγνήτη προκαλούν ανακατανομή των μαγνητικών γραμμών και την εμφάνιση του φαινομένου της υστέρησης, που είναι υπεύθυνο για τις μικρές απώλειες της υπεραγώγιμης έδρασης. [8] Υπεραγώγιμα πηνία Μαγνητική ενέργεια αποθηκευμένη σε υπεραγώγιμα πηνία (Superconducting Μagnetic Energy Storage (SMES)) χρησιμοποιείται όταν χρειαζόμαστε μεγάλη ισχύ (της τάξης των MW) για μικρό χρονικό διάστημα της τάξης μερικών δευτερολέπτων (30 MJ υπεραγώγιμα πηνία διατίθενται στο εμπόριο). Η ενέργεια αποθηκεύεται σε ένα ηλεκτρομαγνήτη, που δημιουργείται από τη ροή συνεχούς ρεύματος σε ένα πηνίο από υπεραγώγιμα υλικά. Για να διατηρηθεί σε υπεραγώγιμη κατάσταση το πηνίο εμβαπτίζεται σε υγρό ήλιο σε θερμοκρασία 4.2 Κ, που περιέχεται σε ένα κρυογενητικό δοχείο με μόνωση κενού (για συσκευές 30 MJ η επαγωγή του πηνίου είναι 2.6Η, το ονομαστικό ρεύμα 5ΚΑ και το μέγιστο μαγνητικό πεδίο 3Τ). Η φόρτιση και η εκφόρτιση του υπεραγώγιμου πηνίου επιτυγχάνεται με ελεγχόμενούς μετατροπείς ισχύος. [8] Πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας Super Capacitors Είναι μεγάλης χωρητικότητας ηλεκτροχημικές συσκευές οι οποίες αποθηκεύουν ενέργεια με ηλεκτροστατικό τρόπο. Αποτελούνται από δυο ηλεκτρόδια, που τοποθετούνται πολύ κοντά. Η αποθηκευμένη ενέργεια εξαρτάται από τις διαστάσεις της επιφάνειάς τους. Η αποθηκευμένη ενέργεια εμφανίζεται σαν ένα συνeχές πεδίο [60]

75 και απαιτείται ένας μετατροπέας για τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης. Έχουν μεγάλο βάθος εκφόρτισης και μπορούν να ανταπεξέλθουν πολύ γρήγορα όταν υπάρχει εναλλαγή φορτίου σε ένα μικροδίκτυο, γιατί μπορούν να αποδώσουν σημαντική ποσότητα ενέργειας σε μικρό χρόνο. Οι τιμές χωρητικότητάς τους είναι των εκατοντάδων Farad (F), αρκετές φορές μεγαλύτερες από τις συμβατικές μπαταρίες. Η απόδοσή τους είναι της τάξης του 85% με 98% σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και υγρασίας. Υπάρχουν στο εμπόριο συσκευές της τάξης των 2MVA και με δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας της τάξης των 400kJ. [30] Πεπιεσμένος Αέρας Αντλίες Υδρογόνο Η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί στην μορφή πεπιεσμένου αέρα, αποθήκευσης νερού μέσω αντλιών ή παραγωγής υδρογόνου για τη χρήση σε κυψέλες καυσίμου. Ο πεπιεσμένος αέρας αποθηκεύεται και μετά χρησιμοποιείται μέσω ενός στροβίλου για παραγωγή ενέργειας με ηλεκτρομηχανική μετατροπή. Με παρόμοιο έμμεσο τρόπο μπορεί να αποθηκεύεται νερό στην περίσσεια ενέργεια και μετά να χρησιμοποιείται σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Το νερό αντλείται σε ταμιευτήρες υψηλότερης στάθμης και όταν χρειάζεται ενέργεια, οι αντλητικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες, παρέχοντας ισχύ στο μικροδίκτυο. Τέλος, η ενέργεια μπορεί να είναι αποθηκευμένη στη μορφή καυσίμου για χρήση σε κυψέλες καυσίμου. [30] [61]

76 [62]

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΥΠΑΧΟΝΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3.1 Ανάλυση υπάρχοντος μικροδικτύου στο ΕΗΕ Εν έτει 2008 ξεκίνησε μια πετυχημένη προσπάθεια από προπτυχιακούς φοιτητές, να σχεδιαστεί στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας, του τμήματος ΗΜΤΥ, του πανεπιστημίου Πατρών, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα με δυνατότητα τόσο της αυτόνομης λειτουργίας, όσο και της διασυνδεδεμένης λειτουργίας στο δίκτυο της ΔΕΗ [31]. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής, που ως στόχο έχει την ανάλυση και κατασκευή ενός μικροδικτύου καθώς και την παρατήρηση της συμπεριφοράς αυτού κατά τη λειτουργία του, κρίθηκε σκόπιμο να χρησιμοποιηθεί ο υπάρχων εξοπλισμός και να εμπλουτιστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να μετατραπεί σε μικροδίκτυο. Το καινούριο σύστημα, ωστόσο, θα διατηρεί την δυνατότητα σύνδεσης με το δίκτυο της ΔΕΗ. Οι δυνατότητες λειτουργίας του συστήματος και οι αντίστοιχες συνδεσμολογίες των επιμέρους τμημάτων θα αναλυθούν εκτενώς σε επόμενη ενότητα. Οι συνιστώσες του νέου συστήματος, είναι οι παρακάτω: Φωτοβολταϊκά πλαίσια. Ανεμογεννήτρια Συσσωρευτές Μετατροπείς Το Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας πρόκειται να προσθέσει στο μέλλον μια ανεμογεννήτρια και μια ντιζελογεννήτρια και ότι άλλο χρειαστεί για την αναβάθμιση του υπάρχοντος συστήματος. Η ανεμογεννήτρια αναμένεται να συνδεθεί σύντομα στο μικροδίκτυο και αποτελεί αντικείμενο άλλης διπλωματικής. Σημειώνεται ότι κατά τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής πραγματοποιήθηκε συμπληρωματικά μια μελέτη για την εισαγωγή μια ντιζελογεννήτριας στο σύστημα, η οποία αναμένεται να προστεθεί από το εργαστήριο στο εγγύς μέλλον. [63]

78 Στο σχήμα 3.1 παρουσιάζεται το επεξηγηματικό σχέδιο του μικροδικτύου που έχει κατασκευαστεί συμπεριλαμβανομένων των προσθηκών που πρόκειται να γίνουν. Σχήμα 3.1: Επεξηγηματικό σχέδιο της εγκατάστασης. Στο παραπάνω σχέδιο βλέπουμε ότι οι πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι τρεις φωτοβολταϊκές συστοιχίες και μια ανεμογεννήτρια, ενώ σα βοηθητική πηγή χρησιμοποιείται μια ντιζελογεννήτρια. Κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία συνδέεται μέσω ενός μετατροπέα σε ένα AC ζυγό (AC bus) και από εκεί μπορεί να τροφοδοτήσει όποιο φορτίο συνδέσουμε. Η Φ/Β συστοιχία μπορεί επίσης, να συνδεθεί στο δίκτυο μέσω του μετατροπέα και να παρέχει σε αυτό ισχύ, αντί σε κάποιο τοπικό φορτίο. Το AC bus στην παρούσα εγκατάσταση μπορεί να είναι είτε τριφασικό είτε μονοφασικό. Η ανεμογεννήτρια έχει την δυνατότητα να συνδεθεί τόσο στο AC bus(περίπτωση 1 στο σχήμα) και να παρέχει και αυτή με τη σειρά της ισχύ στο φορτίο ή να συνδεθεί στο DC- ζυγό ή DC bus (περίπτωση 2) μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Η μελέτη της ανεμογεννήτριας στην παρούσα διπλωματική εργασία βασίζεται στην περίπτωση 1, που είναι και ο επιθυμητός τρόπος αξιοποίησης της στο μικροδίκτυο. Στο DC ζυγό είναι συνδεδεμένοι οι συσσωρευτές και ο μετατροπέας των συσσωρευτών. Αυτός ο μετατροπέας μπορεί να αναλάβει είτε την φόρτιση των συσσωρευτών, είτε την αξιοποίηση της αποθηκευμένης ενέργειας τους. Αποτελεί δηλαδή, έναν δικατευθυντήριο μετατροπέα ισχύος, ο οποίος επιτελεί μετατροπή DC/AC ή AC/DC. Για την ακρίβεια όταν οι πηγές ενέργειας καλύπτουν το φορτίο [64]

79 και υπάρχει περίσσεια ισχύος, τότε ο μετατροπέας στέλνει την υπόλοιπη ισχύ στους συσσωρευτές και τους φορτίζει. Αντίθετα, όταν η παρεχόμενη από τις πηγές ενέργεια ισχύς δεν καλύπτει το φορτίο, ο μετατροπέας φροντίζει να καλύπτεται το έλλειμμα ισχύος εκφορτίζοντας τους συσσωρευτές. Σε περίπτωση της απομονωμένης λειτουργίας, όταν το άθροισμα της ισχύος των πηγών ενέργειας και των συσσωρευτών δεν επαρκεί για την κάλυψη του φορτίου, συνδέεται η ντιζελογεννήτρια, η οποία παρέχει την υπολειπόμενη ισχύ. Τη σύνδεση της ντιζελογεννήτριας στο σύστημα, όταν αυτή είναι επιθυμητή, την πραγματοποιεί ο μετατροπέας των συσσωρευτών. Ο μετατροπέας αυτός, επίσης, διαθέτει τη δυνατότητα σύνδεσης με το δίκτυο παρέχοντας έτσι έναν επιπλέον τρόπο φόρτισης των συσσωρευτών Φωτοβολταϊκά πλαίσια Τα πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα SQ-80p της εταιρίας Shell [32]. Είναι κατασκευασμένα από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο και φέρουν προεγκατεστημένη δίοδο Bypass. Ο αριθμός 80 στην ονομασία του πλαισίου υποδηλώνει την ισχύ του. Στο αρχικό σύστημα (έτος 2010) ήταν εγκατεστημένα 36 φωτοβολταϊκά πλαίσια συνολικής ισχύος 2880W. Τα πλαίσια είναι εγκατεστημένα στην ταράτσα του εργαστηρίου και για να μην καταστραφεί η μόνωσή τους, έχουν στηριχθεί στο στηθαίο. Οι βάσεις είναι ενός άξονα κίνησης, δηλαδή μπορούσε να επιλεχθεί μόνο η κλίση και για αυτό το λόγο έχουν τοποθετηθεί με προσανατολισμό προς το νότο. Με την πάροδο του χρόνου και λόγω της απουσίας της συντήρησης και της ελάχιστης επιτήρησής τους, πραγματοποιήθηκαν φθορές (λογικά οφείλονται σε καιρικά φαινόμενα, όπως ο αέρας), ανάμεσα στις οποίες ήταν πολλές κατεστραμμένες καλωδιώσεις και αρκετά φθαρμένα πλαίσια. Εντοπίσαμε τα πλαίσια που λειτουργούσαν ορθά και τα επανασυνδέσαμε με ασφαλέστερο τρόπο, ώστε να είναι πιο ανθεκτικά σε ανέμους, ενώ επίσης, πραγματοποιήσαμε συντήρηση στις βάσεις στήριξης. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να έχουμε στην κατοχή μας πλέον 24 πλαίσια συνολικής ισχύος 1920W. Σημειώνεται, ότι έχει δρομολογηθεί από το εργαστήριο η επέκταση τους στα 2880W,δηλαδή να αντικατασταθούν τα υπόλοιπα δώδεκα πλαίσια που είχαν φθαρεί. Για λόγους που θα αναλυθούν αργότερα, αυτή περίπου η ισχύς είναι και η μέγιστη που μπορεί να συνδεθεί στους μετατροπείς που υπάρχουν στο εργαστήριο. [65]

80 Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού πλαισίου φαίνονται στον πίνακα 2.1. Isc Voc Imp Vmp Pmp 5,35A 21,8V 4,53A 16,9V 80W Πίνακας 2.1: Χαρακτηριστικά Φ/Β πλαισίου. Στο σχήμα 3.2 φαίνεται το χρησιμοποιούμενο Φ/Β πλαίσιο. Σχήμα 3.2: Άποψη ενός πλαισίου SQ-80P [32]. [66]

81 Το φυλλάδιο με αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του Φ/Β πλαισίου, δίνεται στο παράρτημα Α Ανεμογεννήτρια Στον ίδιο χώρο που βρίσκονται τα φωτοβολταϊκά, είναι εγκατεστημένη από το 2008 μια ανεμογεννήτρια [33]. Ο στόχος που τέθηκε στην παρούσα μελέτη ήταν αυτή η ανεμογεννήτρια να αποτελέσει κομμάτι του μικροδικτύου. Πρόκειται για την ανεμογεννήτρια Whisper 200 της εταιρίας Southwest Windpower [34]. Το συγκεκριμένο μοντέλο ανεμογεννήτριας είναι σχεδιασμένο ώστε να παράγει ισχύ 1000 W (ονομαστική ισχύς) για ταχύτητα ανέμου 11,6 m/s (ονομαστική ταχύτητα), ενώ η παραγωγή ισχύος ξεκινά για ταχύτητα ανέμου 3,1m/sec (cutinspeed). Ο περιορισμός της ισχύος στην ονομαστική της τιμή για υψηλές ταχύτητες του ανέμου, γίνεται μέσω της εκμετάλλευσης του φαινομένου απώλειας αεροδυναμικής στήριξης (stall controlled Α/Γ), ενώ η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αντέξει είναι τα 55m/sec (cut-out speed). Δε χρησιμοποιεί σύστημα μετάδοσης της κίνησης με κιβώτιο ταχυτήτων (gear box), ούτε έλεγχο πτερυγίων (Pitch control), ενώ στο ΕΗΜΕ βρίσκεται ένας διακόπτης βραχυκύκλωσης των τριών φάσεων της εξόδου της σύγχρονης γεννήτριας, με χρήση του οποίου ο δρομέας ακινητοποιείται. Όταν βραχυκυκλώνεται ο στάτης, η μηχανή σταματά, γιατί παράγεται ένα ρεύμα βραχυκύκλωσης, που σε συνδυασμό με τους μόνιμους μαγνήτες της Α/Γ, δημιουργεί μια ηλεκτρομαγνητική ροπή που συνεχώς αντισταθμίζει τη μηχανική ροπή του ανέμου (νόμος δράσης αντίδρασης). Αυτό σημαίνει ότι, όσο μεγαλώνει ο άνεμος τόσο τείνει να μεγαλώσει και η γωνιακή ταχύτητά της, επομένως άλλο τόσο τείνει να αυξηθεί και η τάση λόγω επαγωγής στα τυλίγματα του στάτη. Αυτό συνεπάγεται και ταυτόχρονη αύξηση του παραγόμενου ρεύματος, αφού στο βραχυκύκλωμα έχουμε πολύ μικρή αντίσταση (ίση με την εσωτερική αντίσταση της γεννήτριας) και συνεπώς πολύ μεγάλο ρεύμα. Στον πίνακα 3.2 φαίνονται συνοπτικά τα χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας, ενώ στο σχήμα 3.3 παρουσιάζεται η χαρακτηριστική της καμπύλη της Α/Γ. Το φυλλάδιο με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μοντέλου παρατίθεται στο Παράρτημα Α. [67]

82 Ονομαστική ισχύς εξόδου 1000W Εύρος τάσεων ανορθωτή V Ελάχιστη ταχύτητα ανέμου 3,1m/s Mέγιστη ταχύτητα ανέμου 55m/s Ονομαστική ταχύτητα ανέμου 11,6m/s Πίνακας 3.2: Χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας. Σχήμα 3.3: Χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος-ταχύτητας ανέμου της ανεμογεννήτριας Whisper 200 [34] Μετατροπείς Αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών Στο μικροδίκτυο είναι τοποθετημένοι τρείς φωτοβολταϊκοί μετατροπείς της εταιρίας SMA, οι sunny boy 1100 [35]. Ο ρόλος τους είναι να μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα που παράγει η συνδεδεμένη σε αυτούς φωτοβολταϊκή συστοιχία σε εναλλασσόμενο. Η παραγόμενη ισχύς των αντιστροφέων, είτε αποστέλλεται απευθείας στο δίκτυο, είτε χρησιμοποιείται ως πηγή ισχύος του μικροδικτύου. Στο αυτόνομο σύστημά μας, τη διαχείριση της ισχύος την αναλαμβάνει ο μετατροπέας των συσσωρευτών, όπως θα αναλυθεί στην επόμενη υποενότητα. [68]

83 Σε δύο από τους sunny boy έχουν συνδεθεί 12 φωτοβολταϊκά πλαίσια εν σειρά, επομένως η κάθε συστοιχία παρέχει 960W, ενώ αναμένεται να συνδεθεί μια συστοιχία και στον τρίτο μετατροπέα. Αυτός είναι και ο λόγος, που έχει εγκατασταθεί ο συγκεκριμένος μετατροπέας, καθώς το νούμερο 1100 στο μοντέλο του δηλώνει την μέγιστη ισχύ εξόδου του. Θα μπορούσε να έχει επιλεχθεί και ένας μόνο αντιστροφέας με συνολική ισχύ 3000W, αλλά για να μπορέσουμε να επιτύχουμε και μονοφασική και τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία (πέρα από τη λειτουργία του μικροδικτύου) είναι υποχρεωτική η εγκατάσταση τριών μετατροπέων με ισομοιρασμένη την ισχύ. Ο μετατροπέας διαθέτει MPPT λειτουργία, δηλαδή τα φωτοβολταϊκά λειτουργούν στο σημείο μέγιστης ισχύος και επομένως με τον πιο αποδοτικό τρόπο. Στο σχήμα 3.4 φαίνεται ο αντιστροφέας sunny boy ενώ στους πίνακες 3.3 και 3.4 δίνονται τα DC και AC τεχνικά χαρακτηριστικά του αντίστοιχα. Σχήμα 3.4: Ο μετατροπέας sunny boy. Στοιχεία σύνδεσης της φωτοβολταϊκής γεννήτριας SB 1100 Μέγιστη τάση εισόδου U DC max 400V Τάση εισόδου, περιοχή σημείου μέγιστης ισχύος (MPP) Μέγιστο ρεύμα εισόδου U PV 139V 320V 10A Μέγιστη ισχύς εισόδου P DC 1210W Συνιστώμενη συνολική ισχύς 1350Wp (για την [69]

84 γεννήτριας κεντρική Ευρώπη) Διακύμανση τάσης U ss <10% της τάσης εισόδου Ιδία κατανάλωση κατά τη λειτουργία <4 W (stand by) Πίνακας 3.3: Τεχνικά χαρακτηριστικά του sunny boy (στοιχεία DC) [35]. Σύνδεση δεδομένων δικτύου SB 1100 Ονομαστική ισχύς εξόδου P ac nom 1000W Μέγιστη ισχύς εξόδου P AC max 1100W Ονομαστικό ρεύμα εξόδου I AC nom 4,4A Μέγιστο ρεύμα εξόδου Μέγιστη ασφάλεια Συντελεστής θορύβου ρεύματος εξόδου Αντοχή σε βραχυκύκλωμα I AC max 5,6A 16A K IAC < 3% Από πλευράς δικτύου με ρύθμιση ρεύματος Ονομαστική τάση λειτουργίας U AC nom 220V / 230V / 240V Εύρος τιμών τάσης (διευρυμένο εύρος λειτουργίας) Ονομαστική συχνότητα λειτουργίας Εύρος συχνότητας (διευρυμένο εύρος λειτουργίας) f AC nom f AC U AC 180V 260V 50 Hz / 60 Hz 50Hz: 45.5 Hz 54.5 Hz 60Hz: 55.5 Hz 64.5 Hz Συντελεστής ισχύος cosφ 1 Κατηγορία υπέρτασης III Ιδία κατανάλωση κατά τη 0.1W νυχτερινή λειτουργία Πίνακας 3.4: Τεχνικά χαρακτηριστικά του sunny boy 1100 ( AC στοιχεία) [35]. [70]

85 Από τον πίνακα 3.3 προκύπτουν κάποιοι περιορισμοί ως προς τα χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών που μπορούν να συνδεθούν. Για παράδειγμα, το μέγιστο ρεύμα εισόδου είναι 10A, άρα δεν θα μπορούσαν να συνδεθούν τα 12 υπάρχοντα πλαίσια ανά συστοιχία παράλληλα, διότι θα είχαμε ρεύμα λειτουργίας πάνω από 10Α. Περιορισμός προκύπτει επίσης και για την τάση λειτουργίας, αφού η περιοχή σημείου μέγιστης ισχύος MPP βρίσκεται μεταξύ V, οπότε υπάρχει ένας περιορισμένος αριθμός πλαισίων που μπορούμε να συνδέσουμε σε σειρά για να μην ξεπεράσουμε τα 320V. Αυτός ο περιορισμός, βέβαια, καλύπτεται και από τον αντίστοιχο περιορισμό της ισχύος, καθώς όσο αυξάνει ο αριθμός πλαισίων πρώτα ξεπερνιέται το όριο ισχύος εισόδου του μετατροπέα και έπειτα το όριο της τάσης εισόδου. Για τα πλαίσια που έχουμε στο εργαστήριο, τα 139V αντιστοιχούν για ακτινοβολία 180W/m 2 (σε θερμοκρασία 25 ο C) και παρέχουν ισχύ 170W. Αυτή είναι και πρακτικά η μικρότερη ισχύς στην οποία δουλεύει ο μετατροπέας. Τέλος, υπάρχει και ο περιορισμός ότι στη διασυνδεδεμένη λειτουργία, η ισχύς των εγκατεστημένων φωτοβολταϊκών δεν πρέπει να ξεπερνάει τη μέγιστη ισχύ εξόδου του sunny boy, δηλαδή τα 1100Wp (αντί για 1350Wp όπως φαίνεται στον πίνακα 3.3) Μετατροπέας των συσσωρευτών Ο μετατροπέας των συσσωρευτών που χρησιμοποιείται στο μικροδίκτυο είναι ο sunny island 2224 της SMA [36]. Το 22 στο όνομα του μοντέλου αναφέρεται στην ονομαστική ισχύ του αντιστροφέα, δηλαδή 2200W, και το 24 στο τέλος αναφέρεται στην τάση των συσσωρευτών υπό την οποία λειτουργεί ο μετατροπέας. Στο σχήμα 3.5 φαίνεται ο sunny island. O sunny island αποτελεί την καρδιά του συστήματος του μικροδικτύου. Η κύρια λειτουργία του είναι η δημιουργία του αυτόνομου συστήματος, στο οποίο θα συγχρονιστούν οι αντιστροφείς sunny boy και θα πραγματοποιηθεί η διαχείρισή τους. Επιτηρεί το φορτίο που θέλουμε να τροφοδοτήσουμε με το αυτόνομο δίκτυο. Οι αντιστροφείς sunny boy είναι αυτοί που τροφοδοτούν το φορτίο και με την περίσσεια ισχύος φορτίζουν τις μπαταρίες, υπό την πλήρη εποπτεία του sunny island. Με τη φόρτιση των μπαταριών πετυχαίνουμε την τροφοδότηση του φορτίου σε περιπτώσεις μη ηλιοφάνειας και χωρίς άνεμο (εφόσον προστεθεί και η ανεμογεννήτρια). Σε περίπτωση εκφόρτισης των συσσωρευτών ή μεγάλης ζήτησης ενέργειας, ο sunny [71]

86 island μπορεί κατά περίπτωση να θέσει σε λειτουργία μια γεννήτρια diesel ή να αποσυνδέσει όλα ή κάποια από τα φορτία κατανάλωσης. Σχήμα 3.5: Ο μετατροπέας sunny island. Στους πίνακες 3.5, 3.6 και 3.7 δίνονται τα μεγέθη εισόδου, εξόδου και τα στοιχεία των συσσωρευτών για τον μετατροπέα sunny island. Μεγέθη εισόδου Σύμβολο Τιμές Ονομαστική τάση AC U AC 230V ( V) Συχνότητα δικτύου f AC 50Hz/60hz (45-Hz -65 Hz) Συνεχόμενη απόδοση AC στους 25 ο C / 45 ο C Συνεχόμενη απόδοσηac στους 25 ο C για 30/15/1 min 2200W/ 1600W 2900W/3800W/3800W Ονομαστικό ρεύμα AC I AC nom 9.6A Μέγιστο ρεύμα AC I AC max 25A (eff 3s) Συντελεστής ισχύος cosφ -1 έως 1 Πίνακας 3.5: Μεγέθη εισόδου του sunny island [36]. [72]

87 Μεγέθη εξόδου Σύμβολο Τιμές Τάση εξόδου V εξ 230V ( V) Συχνότητα εξόδου F εξ 50Hz (40 70Hz) Μέγιστο ρεύμα εξόδου I AC(max) 25A Μέγιστη ισχύς εξόδου P εξ(max) 5.75KW Πίνακας 3.6: Στοιχεία εξόδου του μετατροπέα [36]. Η συνεχόμενη απόδοση AC που αναφέρεται στον πίνακα 3.5, αφορά την ισχύ που μπορεί να τραβήξει ο sunny island από τους συσσωρευτές και ανέρχεται στα 2200W, υπό ονομαστική λειτουργία. Δεν πρέπει να συγχέουμε την ισχύ αυτή με τη μέγιστη ισχύ εξόδου του μετατροπέα (πίνακας 3.6). Η ισχύς που αποστέλλεται από τα Φ/Β και τους sunny boy στο φορτίο είναι ανεξάρτητη από την ισχύ που μπορεί να στείλει ο sunny island στο φορτίο μέσω της εκφόρτισης των μπαταριών. Για αυτόνομη λειτουργία, σύμφωνα με την SMA, η ισχύς των sunny boy δεν πρέπει να υπερβαίνει το διπλάσιο της ονομαστικής ισχύος του sunny island. Επομένως, η μέγιστη ισχύς δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 2x2224 = 4448W. Ο sunny island είναι μονοφασικός μετατροπέας, οπότε και το αυτόνομο σύστημα μας είναι μονοφασικό. Για να πετύχουμε την τριφασική λειτουργία, θα χρειαζόμασταν έναν τριφασικό μετατροπέα ή άλλους δύο sunny island. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να δηλωθεί ο ένας sunny island ως master και θα αναλαμβάνει να συγχρονίσει τους άλλους δύο sunny island (δηλωμένοι ως slave 1 και slave 2 αντίστοιχα), ώστε να δημιουργήσει το τριφασικό σύστημα. Οι συσσωρευτές μπορεί να είναι συνδεδεμένοι στον master sunny island ή και σε όλους τους μετατροπείς για να μπορεί να αυξηθεί το μέγεθος της χωρητικότητας τους. O μετατροπέας επιτηρεί ανά πάσα στιγμή τα δεδομένα του συστήματος. Ενημερώνεται διαρκώς για την κατάσταση των συσσωρευτών, την ισχύ που παρέχουν οι πηγές ενέργειας και το μέγεθος του φορτίου για να είναι σε θέση να προβεί στις ανάλογες ενέργειες που απαιτούνται. Επίσης, διαθέτει την δυνατότητα σύνδεσης με μια ντιζελογεννήτρια ή με το δίκτυο. Οι δυνατότητες και οι λειτουργίες του sunny island περιγράφονται σχηματικά στο σχήμα 3.6. [73]

88 Σχήμα 3.6: Σχηματικό διάγραμμα με τις λειτουργίες και τις συνδέσεις του sunny island [36]. [74]

89 Μαζί με το μετατροπέα διατίθεται και μια συσκευή η οποία επιτρέπει την επικοινωνία του χρήστη με το μετατροπέα. Η συσκευή αυτή είναι το sunny remote control (σχήμα 3.7). Σχήμα 3.7: Άποψη του sunny remote control. Τo sunny remote control διαθέτει ένα πλήρες μενού με μια πληθώρα επιλογών, με τις οποίες μπορεί να ρυθμιστεί το αυτόνομο σύστημα. Οι εντολές αυτές, αφορούν την λειτουργία των συσσωρευτών, τη ρύθμιση της ντιζελογεννήτριας, ρύθμιση παραμέτρων για τη σύνδεση με το δίκτυο κ.α. Οι εντολές που θα χρησιμοποιηθούν, θα παρουσιαστούν συνολικά στο παράρτημα Β. Η βασική οθόνη (home screen) του sunny remote control φαίνεται, με ένα τυχαίο παράδειγμα ενδείξεων, στο σχήμα 3.8. Σχήμα 3.8: Βασική οθόνη του sunny remote control [36]. [75]

90 Στην πρώτη γραμμή του home screen, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.8, δίνεται η πραγματική ώρα. Στη δεύτερη γραμμή στα αριστερά φαίνεται η παραγόμενη ισχύς της εξωτερικής πηγής ενέργειας (δίκτυο ή ντιζελογεννήτρια) και στα δεξιά φαίνεται το φορτίο που βλέπει ο sunny island. Στην τρίτη γραμμή στα αριστερά δίνεται το σύμβολο της εξωτερικής πηγής ενέργειας, εφόσον υπάρχει, και στα δεξιά φαίνεται με το βέλος η κατεύθυνση της ροής ενέργειας μεταξύ γεννήτριας και φορτίου. Στην τέταρτη γραμμή στα αριστερά δίνεται η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών, στο κέντρο το βέλος δείχνει αν οι μπαταρίες εκφορτίζονται ή φορτίζονται ενώ στα δεξιά φαίνεται η παραγόμενη ισχύς του μετατροπέα σε kw. Σημειώνεται ότι αρνητικό πρόσημο στην ισχύ του μετατροπέα σημαίνει ότι ο συσσωρευτής φορτίζεται, ενώ θετικό πρόσημο σημαίνει ότι οι μπαταρίες εκφορτίζονται και άρα ο μετατροπέας παρέχει ισχύ στο φορτίο. Στο παράδειγμα του σχήματος, δεν υπάρχει συνδεδεμένη εξωτερική πηγή, το φορτίο είναι 1,1kW και το καλύπτει εξ ολοκλήρου ο sunny island μέσω των συσσωρευτών που βρίσκονται σε στάθμη φόρτισης 45%. Πέρα από τη βασική οθόνη υπάρχει και το κύριο μενού το οποίο παρουσιάζεται στο σχήμα 3.9α) ενώ στο 3.9β) εμφανίζεται ένα υπομενού. α) β) Σχήμα 3.9: α) κύριο μενού του sunny remote control και β) υπομενού του 100# Meters Από το κύριου μενού μπορούμε να μεταβούμε στις τιμές ένδειξης των εξαρτημάτων όπως την εξωτερική γεννήτρια, τους αντιστροφείς και τους συσσωρευτές του αυτόνομου δικτύου (100# Meters), στις ρυθμίσεις των παραμέτρων του συστήματος (200# Settings), στα δεδομένα του sunny island, του συσσωρευτή και της γεννήτριας (300# Diagnosis) και τέλος στις διάφορες λίστες σφαλμάτων και γεγονότων(400# Failure/Event). Όλα τα υπομενού παρουσιάζονται στο παράρτημα Β. Ρυθμίσεις παραμέτρων για τους συσσωρευτές Μέσω του μενού του sunny remote control πραγματοποιήσαμε τις απαραίτητες ρυθμίσεις για τους συσσωρευτές. Αναλυτικά, δηλώσαμε τα στοιχεία του συσσωρευτή [76]

91 όπως τον τύπο του συσσωρευτή, την τάση και την ονομαστική χωρητικότητα του και τον επιθυμητό τρόπο με τον οποίο θα φορτίζει ο sunny island τις μπαταρίες μέσω του μενού 220# Set Battery. Επίσης ο μετατροπέας διαθέτει έναν αισθητήρα θερμοκρασίας που τοποθετείται στους συσσωρευτές. Με τα παραπάνω ο μετατροπέας κατορθώνει να αναγνωρίσει τις μπαταρίες με τις οποίες λειτουργεί και έτσι δίνεται η δυνατότητα να τις χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά και αποδοτικά. Στον πίνακα 3.7 παρουσιάζονται τα στοιχεία που πρέπει να πληρούν οι συσσωρευτές για να συνδεθούν με τον sunny island. Στοιχεία συσσωρευτών Σύμβολο Τιμές Τάση συσσωρευτών V σ 24V (16,8 31,5V) Μέγιστο ρεύμα φόρτισης Χωρητικότητα Συσσωρευτών Ι φορ, max Ah 90A Ah Πίνακας 3.7: Στοιχεία συσσωρευτή που συνδέονται στον sunny island [36]. Στο σχήμα 3.10 φαίνονται μερικά γρήγορα στοιχεία που υπολογίζει ο sunny island για τους συσσωρευτές και είναι προσβάσιμα μέσω του Meter Compact (150#). Σχήμα 3.10: Τιμές συσσωρευτών μέσω του Meter Compact Ρυθμίσεις παραμέτρων και σύνδεση της ντιζελογεννήτριας Επειδή στόχος στο Ε.Η.Μ.Ε είναι να προστεθεί στο μικροδίκτυο και μια ντιζελογεννήτρια σαν εξωτερική πηγή, πραγματοποιήσαμε μια μελέτη για τη ντιζελογεννήτρια. Ο ρόλος της ντιζελογεννήτριας είναι να λειτουργεί σαν εφεδρική πηγή ενέργειας, όταν η παρεχόμενη από τα φωτοβολταϊκά και τους συσσωρευτές [77]

92 ισχύς δεν επαρκεί για τις ανάγκες του φορτίου. Ο sunny island παρέχει την δυνατότητα, όταν η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών πέσει κάτω από ένα καθορισμένο όριο, να ενεργοποιεί τη ντιζελογεννήτρια ώστε να καλύπτει το φορτίο και ταυτόχρονα να φορτίζει και τους συσσωρευτές. Όταν η στάθμη φόρτισης ξεπεράσει ένα καθορισμένο από τον χρήστη ποσοστό, τότε η ντιζελογεννήτρια απενεργοποιείται. O sunny island υποστηρίζει τις ακόλουθες επιλογές για την εκκίνηση γεννήτριας: Χειροκίνητο τρόπο εκκίνησης: Η ντιζελογεννήτρια συνδέεται και αποσυνδέεται από τον ίδιο τον χρήστη. Η επιλογή αυτή είναι για ντιζελογεννήτριες οι οποίες δε διαθέτουν ηλεκτρική επιλογή τηλεχειρισμού ενεργοποίησης, οι οποίες δηλαδή εκκινούνται με τράβηγμα, μανιβέλα κλπ. Σύστημα autostart: Με αυτή τη λειτουργία μπορούν να συνδεθούν οι επονομαζόμενες γεννήτριες autostart. Οι γεννήτριες αυτές διαθέτουν δικό τους σύστημα ελέγχου το οποίο ρυθμίζει τη διαδικασία εκκίνησης. Σύστημα GenMan: Αν υπάρχει σύστημα GenMan (generator manager) τότε αυτό αναλαμβάνει τον άμεσο χειρισμό της γεννήτριας. Γίνεται σύνδεση ανάμεσα στο sunny island και τη γεννήτρια. Το σύστημα διαχείρισης GenMan αναλαμβάνει τον έλεγχο της γεννήτριας (χρόνοι προθέρμανσης και ψύξης καθώς και αυτόματες εκκινήσεις). Στόχος είναι να έχουμε λειτουργία αυτόνομου δικτύου με την ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση, αφού είναι δύσκολο να το ελέγχει κάποιος συνεχώς. Γι αυτό, είναι προτιμότερο το σύστημα Autostart ή GenMan με το πρώτο να είναι πιο οικονομικό. Σχήμα 3.11: Συνδεσμολογία της γεννήτριας με λειτουργία αυτόματης εκκίνησης [36]. [78]

93 Όπως φαίνεται στο σχήμα 3.11, όταν ο sunny island δώσει σήμα στη γεννήτρια, δηλαδή, όταν η στάθμη φόρτισης των μπαταριών πέσει κάτω από το επιτρεπτό όριο, ενεργοποιείται το ρελέ 1 και εκκινεί η γεννήτρια. Το AC1 στο σχήμα, ουσιαστικά αποτελεί το AC bus (ζυγός) στο οποίο συνδέονται οι sunny boy και τα φορτία. Στο AC2 συνδέεται η ντιζελογεννήτρια και όταν δοθεί εντολή από το sunny island, κλείνει ένα ρελέ εσωτερικά του sunny island και συνδέεται το AC1 με το AC2. Έτσι πλέον, η ντιζελογεννήτρια συνδέεται στο σύστημα και μπορεί να στέλνει ισχύ στο φορτίο και επιπρόσθετα να αναλάβει τη φόρτιση των συσσωρευτών, εφόσον η ισχύς της επαρκεί. Σημειώνεται ότι, αν χρησιμοποιούσαμε ως εξωτερική πηγή ενέργειας το δίκτυο, αντί για ντιζελογεννήτρια, θα το συνδέαμε και αυτό στο AC2. Σύμφωνα με την SMA (πίνακας 3.6), το μέγιστο ρεύμα εξόδου στην πλευρά AC, δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 25Α. Οπότε η ισχύς της ντιζελογεννήτριας δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 25Αx230V = 5750VA. Εμείς έχουμε ρυθμίσει το μέγιστο ρεύμα της γεννήτριας στα 16Α (μέσω του μενού 230# Set External), επειδή θα χρησιμοποιήσουμε προσωρινά ως εξωτερική πηγή το δίκτυο. Μέσω του sunny remote control δίνεται η δυνατότητα ρύθμισης κάποιων παραμέτρων της ντιζελογεννήτριας, ώστε να μπορέσει ο μετατροπέας να αναγνωρίσει τη λειτουργία του συγκεκριμένου μοντέλου. Έτσι μπορεί να καθοριστεί το ονομαστικό ρεύμα της γεννήτριας, η ελάχιστη και μέγιστη τάση, ένα εύρος συχνοτήτων λειτουργίας της ντιζελογεννήτριας, ο ελάχιστος χρόνος λειτουργίας και τερματισμού της κ.α. (μενού 230# Set External). Στα αυτόνομα συστήματα, η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών συνηθίζεται να μην πέφτει ποτέ κάτω από ένα ποσοστό (γύρω στο 65-75%), για να μην εκφορτίζεται πολύ ο συσσωρευτής και μειωθεί ο προσδόκιμος χρόνος ζωής του. Στον sunny island θέσαμε αυτό το όριο στο 70%, που είναι και το σημείο που θα εκκινεί η γεννήτρια, όταν ενσωματωθεί στο σύστημα. Υπάρχει η δυνατότητα να οριστεί και το ποσοστό στο οποίο θα σβήνει η γεννήτρια, που έχει οριστεί αντίστοιχα στο 85%. Μέσω του μενού, υπάρχει, τέλος, η δυνατότητα όταν όλες οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας, δηλαδή τα φωτοβολταϊκά, η ανεμογεννήτρια και οι συσσωρευτές, δεν επαρκούν για να καλύψουν το φορτίο, να συνδεθεί η ντιζελογεννήτρια, ώστε να καλύψει το έλλειμμα ισχύος. [79]

94 Ρύθμιση άλλων σημαντικών παραμέτρων Ο sunny island προσφέρει δύο λειτουργίες τροφοδοσίας δικτύου, τη λειτουργία gridfeed και τη λειτουργία gridcharge (μενού 232# Grid Control). Με τη λειτουργία gridfeed ο μετατροπέας λειτουργεί on grid, και το δίκτυο καλύπτει το φορτίο, ενώ η ισχύς των sunny boy και των μπαταριών εγχέεται στο δίκτυο. Με τη λειτουργία gridcharge το δίκτυο χρησιμοποιείται για τη φόρτιση των μπαταριών και την κάλυψη του φορτίου. Στο εργαστήριο, έχουμε επιλέξει την λειτουργία gridcharge. Αναλυτικά, σε αυτή τη λειτουργία οι πηγές παραγωγής ενέργειας (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτρια) παρέχουν όλη την παραγόμενη ισχύ στο φορτίο, και το δίκτυο αναλαμβάνει να καλύψει την υπολειπόμενη ισχύ του φορτίου και τη φόρτιση των συσσωρευτών ταυτοχρόνως. Αν το δίκτυο δεν είναι απαραίτητο για την κάλυψη των αναγκών, τότε ο sunny island το αποσυνδέει. Ο sunny island παρέχει επίσης τη δυνατότητα, όταν η στάθμη φόρτισης του συσσωρευτή πέσει κάτω από ένα όριο, να απορρίψει κάποια ή όλα τα φορτία (μενού 242# Set Relay). Για την ακρίβεια δύναται ο ορισμός δύο ορίων (στάθμες φόρτισης) μέσα στη διάρκεια της ημέρας, πράγμα βολικό γιατί για παράδειγμα τις βραδινές ώρες που απουσιάζει η παραγωγή ενέργειας από τα Φ/Β είναι προτιμότερο να εκφορτιστεί λίγο παραπάνω ο συσσωρευτής από το να δουλεύει η ντιζελογεννήτρια αρκετές ώρες που έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος λειτουργίας. Οπότε κατά την διάρκεια της ημέρας που το ποσό παραγόμενης ισχύος αυξάνεται λόγω ηλιοφάνειας, μπορεί το όριο φόρτισης να είναι σχετικά μικρότερο Συσσωρευτές Οι συσσωρευτές που είναι εγκατεστημένοι στο μικροδίκτυο είναι οξέως-μολύβδου (Vented Lead Acid VLA) της εταιρίας BAE [37]. Είναι συσσωρευτές ανοικτού τύπου, χαμηλού αντιμονίου (1,6%) και φέρουν τάση 2V στα άκρα τους. Παρέχουν 670Ah με ρυθμό εκφόρτισης 10 ωρών (C 10 ). Έχουν προσδόκιμο χρόνο ζωής χρόνια. Ο συνολικός αριθμός κύκλων λειτουργίας τους είναι άρρηκτα συνδεδεμένος με το βάθος εκφόρτισης (DOD) σε κάθε κύκλο (πίνακας 3.8), και για DOD ίσο με 30% (τιμή που έχει επιλεχθεί στο σύστημα μας) ο αναμενόμενος αριθμός ανέρχεται σε 4500 κύκλους. Σημειώνεται ότι, εκφόρτιση πάνω από 80% μπορεί να προκαλέσει μόνιμη βλάβη ή και καταστροφή του συσσωρευτή. Απαιτούν μια απλή συντήρηση κάθε έξι μήνες για απλό έλεγχο της τάσης και της θερμοκρασίας τους, ενώ κάθε τρία [80]

95 χρόνια χρειάζονται τη συμπλήρωση του απιονισμένου νερού στο εσωτερικό τους. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του μοντέλου παρατίθενται στο παράρτημα Α. Depth of discharge (DOD) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Cycles PVS-cell Cycles PVS block Πίνακας 3.8: Κύκλοι φόρτισης σε σχέση με το ποσοστό αποφόρτισης (DOD) [36]. Στο εργαστήριο είναι προεγκατεστημένα 12 στοιχεία εν σειρά, δίνοντας συνολική τάση 24V που είναι και η απαιτούμενη τάση λειτουργίας από τον μετατροπέα sunny island. Η σύνδεση αυτή φαίνεται στο σχήμα 3.12, όπως αυτά είναι τοποθετημένα στο χώρο του εργαστήριου. Σχήμα 3.12: Οι συσσωρευτές του μικροδικτύου. Αν αυξηθούν οι απαιτήσεις σε χωρητικότητα μπορούμε να προσθέσουμε επιπλέον ομάδες των 12 μπαταριών σε παράλληλη σύνδεση. Για να γίνει αυτό θα έπρεπε οι συσσωρευτές να έχουν ίδια ονομαστικά στοιχεία. Αυτό όμως είναι καλύτερο να [81]

96 αποφεύγεται, γιατί είναι δύσκολο να βρίσκονται όλοι οι συσσωρευτές ταυτόχρονα σε ισορροπία, οπότε τα στοιχεία που έχουν διαφορετικές προδιαγραφές σε σχέση με τα υπόλοιπα δημιουργούν πρόβλημα στα γειτονικά τους. Φόρτιση συσσωρευτών Ο τρόπος φόρτισης των μπαταριών που προτείνεται από τον κατασκευαστή είναι με σταθερή τάση και περίπου ίση με 2,3-2,4V ανά στοιχείο [37] Το συνιστώμενο ρεύμα φόρτισης είναι σταθερό και ίσο με Ι 10 = C 10 / 10 = 670Ah / 10h = 67A. Δηλαδή η φόρτιση αφόρτιστων συσσωρευτών με αυτό το ρεύμα θα έπρεπε να διαρκέσει 10 ώρες, λόγω όμως απωλειών των συσσωρευτών, χρειάζεται πρακτικά ώρες για την πλήρη φόρτισή τους. Το έργο της φόρτισης των συσσωρευτών στο σύστημά μας το αναλαμβάνει ο sunny island. Η μέθοδος φόρτισης, που ρυθμίσαμε μέσω του μενού 222# Bat Chargemode για τις μπαταρίες, είναι μια διαδικασία φόρτισης τριών βαθμίδων (σχήμα 3.13), με όνομα IU o U. Οι τρείς βαθμίδες είναι η φάση φόρτισης με σταθερή ένταση (bulk phase), η φάση ρύθμισης σταθερής τάσης ή φάση απορρόφησης και τέλος η φάση φόρτισης συντήρησης (float phase). Προαιρετικά, κατά τη λειτουργία με το δίκτυο υπάρχει και μια τέταρτη βαθμίδα, η φάση ηρεμίας (silent mode). Σχήμα 3.13: Στάδια φόρτισης συσσωρευτών από τον sunny island. Η πρώτη βαθμίδα είναι η φάση σταθερού ρεύματος. Σε αυτό το επίπεδο, η φόρτιση περιορίζεται από το μέγιστο καθορισμένο ρεύμα συσσωρευτή, το [82]

97 ονομαστικό ρεύμα δικτύου ή το μέγιστο ρεύμα φόρτισης AC. Ο περιορισμός γίνεται πάντοτε στην τιμή που φτάνει πρώτη στα όρια. Ρυθμίσαμε το μέγιστο ρεύμα συσσωρευτή στα 67A που είναι και το ονομαστικό ρεύμα φόρτισης σύμφωνα με τον κατασκευαστή. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, αυξάνεται η τάση του συσσωρευτή όσο αυξάνεται η κατάσταση φόρτισής του. Όταν η τάση φτάσει σε μια καθορισμένη τιμή, αρχίζει η φάση ρύθμιση σταθερής τάσης (φάση απορρόφησης). Στη βαθμίδα αυτή, ρυθμίζεται η τάση συσσωρευτή σε μία σταθερή τιμή, κάτι που διαφαίνεται στο συνεχώς μειούμενο ρεύμα συσσωρευτή (σχήμα 3.13). Στην κατάσταση αυτή, παραμένει ο μετατροπέας sunny island μέχρι να ολοκληρωθεί ο χρόνος που ορίζεται για τη βαθμίδα αυτή. Για αυτήν τη φάση φόρτισης, ο sunny island διαλέγει αυτόματα μια από τις τρείς επιλογές φόρτισης, την ταχεία φόρτιση (boost charge), την πλήρη φόρτιση (full charge) και τη φόρτιση απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης. Η ταχεία φόρτιση αποτελεί τη συχνότερη διαδικασία φόρτισης που χρησιμοποιείται από τον sunny island. Κατά την διαδικασία αυτή, εξασφαλίζεται μέσω της υψηλής τάσης φόρτισης και της σύντομης διάρκειας η μεγάλη ενεργειακή κάλυψη της γεννήτριας. Στους συσσωρευτές υγρού ηλεκτρολύτη FLA, όπως οι συσσωρευτές του συστήματός μας, θα πρέπει η διαδικασία αυτή να χρησιμοποιείται για την αερίωση και συνεπώς την ομογενοποίηση του ηλεκτρολύτη. Με τη διαδικασία αυτή μπορεί ο συσσωρευτής να φορτιστεί ως το 85% ή 90%. Εμείς το ρυθμίσαμε στο 90% μέσω του μενού. Ο μετατροπέας sunny island ξεκινά αυτομάτως κάθε 14 ημέρες ή ανά οκτώ διελεύσεις ονομαστικού φορτίου μία πλήρη φόρτιση (full charge). Στόχος είναι η φόρτιση σε στάθμη τουλάχιστον 95 % και αποκατάσταση πιθανών φαινομένων λόγω προβληματικής φόρτισης. Η τακτική πλήρης φόρτιση κάθε 2 έως 4 εβδομάδες μπορεί να επιφέρει διπλασιασμό της διάρκειας ζωής του συσσωρευτή. Ένα συγκρότημα συσσωρευτών, όπως αυτό του υπό μελέτη συστήματος, αποτελείται από μεμονωμένους συσσωρευτές συνδεδεμένους σε σειρά, οι οποίοι είναι λογικό να παρουσιάζουν μεταξύ τους ελαφρώς διαφορετική συμπεριφορά. Με τον τρόπο αυτό αρχίζουν με την πάροδο του χρόνου να διαφέρουν οι καταστάσεις φόρτισης των επιμέρους κυψελών. Αυτό μπορεί να οδηγήσει αρχικά σε απώλεια μεμονωμένων κυψελών και τελικά στην απώλεια ολόκληρου του συγκροτήματος. [83]

98 Ο μετατροπέας sunny island μπορεί αυτομάτως κάθε 180 ημέρες ή ανά 30 διελεύσεις ονομαστικού φορτίου να εκτελεί μία φόρτιση απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης (ή αλλιώς φόρτιση αντιστάθμισης). Κατά τη φόρτιση απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης, φορτίζει πλήρως και τις πιο αδύναμες κυψέλες, μέσω στοχευμένης υπερφόρτισης της κάθε μονάδας. Η φόρτιση εξισορρόπησης έχει ως αποτέλεσμα την επιμήκυνση της διάρκειας ζωής του συσσωρευτή κατά 50 %. Η αυτόματη εκτέλεση της φόρτισης απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης μπορεί να απενεργοποιηθεί ή να ενεργοποιηθεί χειροκίνητα Μετά την ολοκλήρωση αυτής της φάσης συνεχούς τάσης, ο sunny island μεταβαίνει στην επονομαζόμενη φόρτιση συντήρησης (Float Charge), η οποία εκτελείται επίσης ως φόρτιση σταθερής τάσης, αλλά με σημαντικά μειωμένη τάση φόρτισης. Η φόρτιση συντήρησης (ή αλλιώς διατήρησης) έχει ως στόχο να διατηρεί το συσσωρευτή σε πλήρως φορτισμένη κατάσταση, χωρίς να προκαλείται πρόωρη γήρανση από υπερφόρτιση. Ο sunny island παραμένει σε αυτήν τη φάση έως ότου, είτε η ονομαστική χωρητικότητα μειωθεί κατά περισσότερο από 30 % (αθροίζονται όλες οι αποφορτίσεις), είτε η κατάσταση φόρτισης πέσει κάτω από το 70 %. Από τη φόρτιση συντήρησης μπορεί ο sunny island, όταν βρίσκεται σε δημόσιο δίκτυο, να γυρίσει σε λειτουργία silent mode. Η λειτουργία silent mode χρησιμεύει κυρίως σε συστήματα εφεδρικών δικτύων, στα οποία ο μετατροπέας sunny island τον περισσότερο χρόνο λειτουργεί στην κατάσταση φόρτισης διατήρησης, για την εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη μεταγωγή σε λειτουργία από την κατάσταση standby. Οι λειτουργίες float charge και silent mode, όσο η κατάσταση φόρτισης δεν αλλάζει δραματικά, εναλλάσσονται μεταξύ τους. Επειδή οι μπαταρίες ήταν αφόρτιστες πολύ καιρό, αφού πραγματοποιήσαμε την φόρτισή τους από τον sunny island, με την διαδικασία που περιγράψαμε, στη συνέχεια συμπληρώσαμε την απαραίτητη ποσότητα απιονισμένου νερού σε κάθε συσσωρευτή, όπως συνιστάται από τον κατασκευαστή. Λόγω της μακράς χρονικής περιόδου που οι μπαταρίες ήταν ουσιαστικά αφόρτιστες, ενδέχεται οι συσσωρευτές να μη λειτουργούν τόσο αποδοτικά όσο στην αρχή. [84]

99 3.2 Λειτουργία του μικροδικτύου Ηλεκτρολογικό σχέδιο εγκατάστασης Έχοντας αναλύσει μέχρι τώρα όλες τις συνιστώσες του συστήματος, μπορούμε πλέον να αναλύσουμε την ηλεκτρολογική εγκατάσταση, που έχει πραγματοποιηθεί (από το 2010) για το σύστημα στο εργαστήριο ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρολογική εγκατάσταση, περιλαμβάνει έναν DC ηλεκτρολογικό πίνακα (σχήμα 3.14) και έναν AC ηλεκτρολογικό πίνακα (σχήμα 3.15). Ο DC ηλεκτρολογικός πίνακας παρεμβάλλεται μεταξύ των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των sunny boy. Μετά τους sunny boy, όπου πραγματοποιείται η μετατροπή του ρεύματος των φωτοβολταϊκών από συνεχές σε εναλλασσόμενο, έχει τοποθετηθεί ο AC πίνακας. Από τον AC πίνακα πραγματοποιείται η έναρξη και η παύση της λειτουργίας του συστήματός μας. Σχήμα 3.14: Ο DC ηλεκτρολογικός πίνακας του εργαστηρίου. Στον DC πίνακα έχουν τοποθετηθεί 6 ασφαλειοδιακόπτες DC, δύο για κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία, που περιέχουν μονοπολικές ασφάλειες τήξεως NEOZED των 6A. Η τιμή αυτή είχε επιλεγεί με τη λογική ότι οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες [85]

100 δουλεύουν με περίπου μέγιστο ρεύμα 4,8Α, οπότε με μια ανοχή 25% τοποθετήθηκαν ασφάλειες των 6A. Επίσης, έχουν τοποθετηθεί 3 απαγωγείς υπερτάσεων, οι οποίοι βρίσκονται ανάμεσα σε κάθε ζευγάρι ασφαλειοδιακοπτών στο σχήμα Ο απαγωγέας υπερτάσεων χρησιμεύει για να οδηγεί τις κρουστικές υπερτάσεις που εισέρχονται από την πλευρά των φωτοβολταϊκών στο κύκλωμα (συνήθως μέσω έμμεσου κεραυνικού πλήγματος) στη γη. Σχήμα 3.15: AC ηλεκτρολογικός πίνακας του εργαστηρίου. Στον AC ηλεκτρολογικό πίνακα περιλαμβάνονται: Τρείς διακόπτες προστασίας των 6Α και 3 ενδεικτικές λυχνίες αντίστοιχα. Είναι οι τρεις διακόπτες στην πάνω ράγα του πίνακα του σχήματος 3.15 και αντιστοιχεί ένας διακόπτης για κάθε αντιστροφέα sunny boy. Έχουν τοποθετηθεί για να τους προστατεύουν από σφάλματα του δικτύου και επιπλέον χρησιμοποιούνται ως διακόπτες για τον κάθε αντιστροφέα ξεχωριστά. Ένας τετραπολικός διακόπτης 40Α (μεσαία ράγα στον πίνακα στα αριστερά). Ο διακόπτης αυτός αποτελεί το γενικό διακόπτη του πίνακα AC και πραγματοποιεί την ζεύξη ή την απόζευξη με το δίκτυο. [86]

101 Ένας τριπολικός διακόπτης προστασίας των 20A και τρεις ενδεικτικές λυχνίες (μεσαία ράγα δεξιά στο σχήμα). Ο τριπολικός διακόπτης επιτρέπει τη ροή ενέργειας προς το δίκτυο της ΔΕΗ και προστατεύει το κύκλωμα από βραχυκυκλώματα και υπερφορτίσεις. Ένας ασφαλειοδιακόπτης των 16A σε συνδυασμό με έναν διακόπτη διαφυγής ρεύματος των 40Α και Ι ΔΝ = 0.03Α και είναι τοποθετημένοι στα δεξιά της τρίτης ράγας του πίνακα. Ο ασφαλειοδιακόπτης έχει προστεθεί για ασφάλεια στους δύο ρευματοδότες που έχουν προστεθεί στο χώρο, για την τροφοδοσία διάφορων συσκευών. Ο διακόπτης αυτός συνδέεται κατευθείαν στον διακόπτη διαφυγής εντάσεως για προστασία από ρεύματα διαφυγής, δηλαδή οι ρευματοδότες είναι συνδεδεμένοι με το γενικό μέσω του διακόπτη διαφυγής ρεύματος, όπως ακριβώς σε μια οικιακή ηλεκτρολογική εγκατάσταση. Ένας διπολικός διακόπτης φορτίου των 25Α (στα αριστερά της τρίτης ράγας). Πρόκειται για το διακόπτη ο οποίος προστατεύει το φορτίο στο αυτόνομο δίκτυο. Ένας διπολικός διακόπτης των 16Α ο οποίος βρίσκεται αμέσως δεξιά του διακόπτη φορτίου. Ο ρόλος αυτού του διακόπτη είναι να επιτρέπει τη σύνδεση του sunny island απευθείας με το δίκτυο, ώστε να είναι δυνατή η φόρτιση των συσσωρευτών ανά πάσα στιγμή χωρίς τη συμμετοχή των πηγών παραγωγής του αυτόνομου συστήματος. Τέλος, είναι εγκατεστημένος ένας DC ασφαλειοαποζεύκτης ανάμεσα στις μπαταρίες και το sunny island. Όπως ορίζεται από τον κατασκευαστή, οι ασφάλειες είναι μαχαιρωτές των 125A. Ο ασφαλειοαποζεύκτης φαίνεται στο σχήμα [87]

102 Σχήμα 3.16: α) η ασφάλεια και β) ο DC ασφαλειοαποζεύκτης. Στην πόρτα του AC πίνακα είναι τοποθετημένοι δύο μεταγωγικοί διακόπτες (σχήμα 3.17), ένας διπολικός περιστροφικός διακόπτης μέγιστου ρεύματος 20A και ένας τετραπολικός περιστροφικός διακόπτης μέγιστου ρεύματος 32Α. Ο διπολικός διακόπτης χρησιμεύει στην επιλογή μεταξύ της μονοφασικής διασυνδεδεμένης λειτουργίας με το δίκτυο (επιλογή 1) και της μονοφασικής σύνδεσης με το αυτόνομο δίκτυο (επιλογή 2). Μέσω του τετραπολικού διακόπτη επιλέγουμε ανάμεσα σε τριφασική λειτουργία (επιλογή 1) ή σε μονοφασική λειτουργία (επιλογή 2). α) β) Σχήμα 3.17: Οι μεταγωγικοί διακόπτες όπως φαίνονται α) εξωτερικά και β) εσωτερικά της πόρτας του πίνακα. [88]

103 Σχήμα 3.18: Ηλεκτρολογικό σχέδιο της όλης εγκατάστασης. [89]

104 Στο σχήμα 3.18 δίνεται το ολοκληρωμένο ηλεκτρολογικό σχέδιο που περιλαμβάνει το DC πίνακα, τον AC πίνακα, τους αντιστροφείς, τα φωτοβολταϊκά και τους συσσωρευτές. Η ονομασία των διακοπτών στο σχέδιο της εγκατάστασης διευκρινίζεται στον πίνακα 3.9. Σύμβολο διακόπτη Φ1, Φ2, Φ3 Δ1, Δ2, Δ3 Π1 Π2 Τ1 Τ2 Τ3 ΡΔ Μ1 Μ2 ΑΑ Προσδιορισμός και λειτουργία διακόπτη Οι DC ασφαλειοδιακόπτες που είναι τοποθετημένοι στον DC πίνακα. Κάθε σύμβολο αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος διακοπτών. Οι διπολικοί διακόπτες που είναι τοποθετημένοι στον AC πίνακα για προστασία των sunny boy καθώς και για τη ζεύξη-απόζευξη τους. Ο τετραπολικός περιστροφικός διακόπτης που είναι υπεύθυνος για την επιλογή ανάμεσα σε μονοφασική και τριφασική λειτουργία. Ο διπολικός περιστροφικός διακόπτης που είναι υπεύθυνος για την επιλογή ανάμεσα σε αυτόνομη ή διασυνδεδεμένη λειτουργία. Ένας τριπολικός διακόπτης που είναι τοποθετημένος στο γενικό πίνακα του εργαστηρίου, και όχι στον AC πίνακα που βρίσκεται στον χώρο του εργαστηρίου, και δίνει παροχή στον AC πίνακα. Ο τετραπολικός γενικός διακόπτης που πίνακα AC. Ο τριπολικός διακόπτης που επιτρέπει τη ροή ενέργειας προς το δίκτυο της ΔΕΗ. Το ρελέ διαφυγής έντασης που είναι τοποθετημένο για τους ρευματοδότες της εγκατάστασης. Ο μονοπολικός διακόπτης που παρέχει ενέργεια στους ρευματοδότες. Ο μονοπολικός διακόπτης που συνδέει και αποσυνδέει το φορτίο. Ο DC ασφαλειοαποζεύκτης που παρεμβάλλεται μεταξύ συσσωρευτών και του μετατροπέα των συσσωρευτών [90]

105 Δ4 Ο διπολικός διακόπτης που επιτρέπει τη σύνδεση του sunny island με το δίκτυο με σκοπό τη φόρτιση των συσσωρευτών. Πίνακας 3.9: Ονοματολογία και προσδιορισμός των διακοπτών της εγκατάστασης. Σχόλια για τον ηλεκτρολογικό πίνακα Η σύνδεση του φορτίου πραγματοποιείται σε τρείς μπόρνες (φάση ουδέτερος, γείωση), οι οποίες φαίνονται στο εξωτερικό μέρος της πόρτας του AC πίνακα (σχήμα 3.17). Η σύνδεση αυτή πραγματοποιείται μέσω του διακόπτη Μ2 απευθείας στον AC ζυγό του sunny island. Όπως είναι φανερό, είναι δυνατή η σύνδεση μόνο μονοφασικού φορτίου, μιας και το σύστημα δε διαθέτει αυτόνομη τριφασική λειτουργία. Οι ρευματοδότες δεν παίρνουν ρεύμα από το αυτόνομο δίκτυο αλλά απευθείας από τη ΔΕΗ. Για αυτό, χρειάζεται το κλείσιμο μόνο των διακοπτών Τ1 και Τ2 (και φυσικά του Μ1) για την παροχή ρεύματος. Στο χώρο της εγκατάστασης έχουν τοποθετηθεί μετρητές διπλής ενέργειας, οι οποίοι καταγράφουν την παραγόμενη ενέργεια και αφαιρούν το ποσό της καταναλισκόμενης από αυτή. Αυτό συμβαίνει, γιατί σε μια εγκατάσταση φωτοβολταϊκών, εκτός από παραγωγή ενέργειας έχουμε και κατανάλωση, όπως για ανάγκες φωτισμού, trackers σε κινητές βάσεις, νυχτερινή κατανάλωση των αντιστροφέων κ.α. Αυτοί οι μετρητές χρησιμοποιούνται σε όλες τις εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών Μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Το υπό μελέτη σύστημά μας έχει τη δυνατότητα να πραγματοποιήσει μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία. Σε αυτή την περίπτωση, οι sunny boy παραλληλίζονται και η παραγόμενη ισχύς από τις τρεις φωτοβολταϊκές συστοιχίες αθροίζεται και εγχέεται όλη σε μια φάση στο δίκτυο. Για να πετύχουμε αυτή τη λειτουργία, χρειάζεται να γυρίσουμε τον τετραπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π1 στην επιλογή 2 (μονοφασική σύνδεση) και το διπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π2 στην επιλογή 1 (μονοφασική διασύνδεση με το δίκτυο). Ο sunny island δεν έχει καμία συμμετοχή σε αυτό το κύκλωμα. Το νέο ηλεκτρολογικό σχέδιο μετασχηματίζεται στο κύκλωμα της εικόνας Οι χρησιμοποιούμενοι διακόπτες στο σχήμα φαίνονται κλειστοί. [91]

106 Σχήμα 3.19: Το νέο ηλεκτρολογικό σχέδιο στην μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Σε αυτή τη λειτουργία κάθε μετατροπέας sunny boy συνδέεται σε μια φάση του δικτύου και συγχρονίζεται από αυτό. Η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά κάθε συστοιχίας μεταφέρεται μέσω του sunny boy στην αντίστοιχη φάση που είναι συνδεδεμένος. Για να πραγματοποιήσουμε αυτή τη λειτουργία, γυρίζουμε τον τετραπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π1 στην επιλογή 1 (τριφασική σύνδεση) και αφήνουμε το διπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π2 στη θέση 0. Το κύκλωμα σε τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία δίνεται στο σχήμα Σχήμα 3.20: Το κύκλωμα για την τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία. [92]

107 3.2.4 Σύνδεση μετατροπέα συσσωρευτών στο δίκτυο Ο διακόπτης Μ2 του AC πίνακα καθιστά δυνατή τη σύνδεση του sunny island με το δίκτυο. Ο μοναδικός επιπλέον διακόπτης του πίνακα AC που χρειάζεται να κλείσει για να γίνει εφικτή η σύνδεση είναι ο γενικός διακόπτης Τ1. Η σύνδεση του αντιστροφέα με το δίκτυο προσφέρει τα εξής δύο πλεονεκτήματα: Μπορεί να φορτίζει τους συσσωρευτές χωρίς την ύπαρξη πηγών παραγωγής ενέργειας, δηλαδή π.χ. χωρίς ηλιοφάνεια. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εξωτερική πηγή το δίκτυο για να εξαχθούν συμπεράσματα, μέχρι να προστεθεί στο μικροδίκτυο η ντιζελογεννήτρια. Το κύκλωμα σύνδεσης του sunny island με το δίκτυο δίνεται στο σχήμα Σχήμα 3.21: Σύνδεση sunny island με το δίκτυο Μονοφασική αυτόνομη λειτουργία Αυτή είναι η λειτουργία που μας ενδιαφέρει περισσότερο. Σε αυτή τη λειτουργία. ο sunny island αναλαμβάνει να δημιουργήσει το αυτόνομο δίκτυο. Οι αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών συνδέονται στον AC ζυγό (AC 1), που δημιουργεί ο sunny island, και μπορούν να συνεισφέρουν στο αυτόνομο δίκτυο καλύπτοντας τις ανάγκες [93]

108 του φορτίου ή των συσσωρευτών, αν αυτοί χρειάζονται φόρτιση. Ο sunny island επικοινωνεί με τους sunny boy μέσω καλωδίων τύπου RS485 από τα οποία πραγματοποιείται η σειριακή μετάδοση δεδομένων. Έτσι, ο sunny island είναι ενημερωμένος για τα χαρακτηριστικά των sunny boy, όπως την ισχύ που παράγουν οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες και αναλαμβάνει να διοχετεύσει την ισχύ αυτή, όπου χρειάζεται. Οι μπαταρίες συνδέονται στο μετατροπέα μέσω του DC ασφαλειοαποζεύκτη (διακόπτης ΑΑ). Όπως αναφέραμε, ο sunny island γνωρίζει την κατάσταση φόρτισης των συσσωρευτών. Αν οι συσσωρευτές έχουν στάθμη φόρτισης πάνω από ένα όριο (η τιμή ρυθμίζεται από το μενού του sunny remote control), ο sunny island μπορεί να χρησιμοποιήσει όσο ποσό της αποθηκευμένης ενέργειας του συσσωρευτή χρειάζεται για την κάλυψη του φορτίου. Αν η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών είναι κάτω από αυτό το όριο, ο μετατροπέας χρησιμοποιεί τη διαφορά παραγόμενης ισχύος από τα φωτοβολταϊκά και ισχύος φορτίου, για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Αν το φορτίο ζητάει περισσότερη ισχύ από αυτή που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά, τότε ο sunny island μπορεί ή να απορρίψει το φορτίο ή να εκφορτίσει κι άλλο τους συσσωρευτές (η επιλογή αφήνεται στο χρήστη). Απόρριψη φορτίου πραγματοποιείται επίσης, αν η ισχύς του συνδεδεμένου φορτίου ξεπεράσει τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να δώσει το σύστημά μας, δηλαδή το άθροισμα της παραγόμενης ισχύος από τα φωτοβολταϊκά και τα 2,2kW που παρέχουν οι μπαταρίες μέσω του μετατροπέα σε ονομαστική λειτουργία. Για την ακρίβεια, υπάρχει η δυνατότητα ο sunny island να δώσει ισχύ από τους συσσωρευτές 3,8kW για 15 λεπτά (πίνακας 3.5), μετά επέρχεται η απόρριψη φορτίου. Το μονοφασικό φορτίο συνδέεται στον AC ζυγό του sunny island μέσω του διακόπτη Δ4. Όταν προστεθεί στο σύστημα και η ντιζελογεννήτρια, θα συνδεθεί και αυτή στον ίδιο AC ζυγό. Σε αυτή την περίπτωση, όταν η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών πέσει κάτω από το 70% (αυτό το όριο έχει επιλέγει), επειδή η ισχύς των φωτοβολταϊκών δεν επαρκεί για την κάλυψη του φορτίου, ο sunny island θα ενεργοποιεί τη γεννήτρια με τον τρόπο που αναφέραμε στην υποενότητα Αν η στάθμη φόρτισης ξεπεράσει το 85% (επιλεγμένη τιμή από το μενού), τότε η ντιζελογεννήτρια θα αποσυνδεθεί. Εναλλακτικά, ως εξωτερική πηγή ενέργειας μπορεί να συνδεθεί το δίκτυο και να αναλάβει το ρόλο της γεννήτριας. Για να το πετύχουμε αυτό, χρειάζεται να κλείσουμε το διακόπτη Μ2 και το γενικό τετραπολικό διακόπτη Τ2 του AC πίνακα. [94]

109 Η αυτόνομη λειτουργία (σχήμα 3.22) επιτυγχάνεται, αν γυρίσουμε το διπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π2 στην επιλογή 2 (μονοφασική αυτόνομη σύνδεση), και τον διακόπτη Π1 στην επιλογή 2 (μονοφασική σύνδεση). Σχήμα 3.22: Κύκλωμα αυτόνομης λειτουργίας του συστήματος Διαδικασία εκκίνησης και παύσης του συστήματος Για την εκκίνηση του διασυνδεδεμένου συστήματος πραγματοποιούμε τα εξής βήματα: 1. Κλείνουμε τον τριπολικό διακόπτη Τ1 του πίνακα του εργαστηρίου. 2. Κλείνουμε τον τετραπολικό γενικό διακόπτη Τ2 του πίνακα AC του συστήματος. 3. Κλείνουμε το διακόπτη διαφυγής έντασης (ΡΔ) και το μικροαυτόματο (Μ1) των ρευματοδοτών. Αν οι ρευματοδότες δεν χρειάζονται, τότε παραλείπουμε αυτό το βήμα. 4. Ελέγχουμε ότι οι περιστροφικοί διακόπτες Π1 και Π2 βρίσκονται αμφότεροι στις θέσεις 0. [95]

110 5. Κλείνουμε προσεκτικά τους διακόπτες DC (Φ1,Φ2 και Φ3) στον πίνακα DC του συστήματος. 6. Κλείνουμε τους διπολικούς διακόπτες (Δ1,Δ2 και Δ3) των sunny boy. 7. Κλείνουμε τον τριπολικό διακόπτη Τ3. 8. Επιλέγουμε λειτουργία με τη χρήση των μεταγωγικών διακοπτών Π1, Π2 στο εξωτερικό μέρος του πίνακα AC. i. Για μονοφασική λειτουργία γυρίζουμε τους μεταγωγικούς διακόπτες Π1 και Π2 στη θέση 2 και θέση 1 αντίστοιχα. ii. Για τριφασική λειτουργία αφήνουμε το διακόπτη Π2 στην θέση 0 και γυρίζουμε το διακόπτη Π1 στην επιλογή 1. Για την εκκίνηση του αυτόνομου δικτύου πραγματοποιούμε τα εξής βήματα: 1. Ελέγχουμε ότι οι περιστροφικοί διακόπτες Π1 και Π2 βρίσκονται αμφότεροι στις θέσεις Κλείνουμε προσεκτικά τους διακόπτες Φ1,Φ2 και Φ3 στον DC πίνακα. 3. Κλείνουμε τους διπολικούς διακόπτες (Δ1,Δ2 και Δ3) των sunny boy. 4. Γυρνάμε τον τετραπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π1 στην θέση Γυρνάμε τον διπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π2 στην θέση Κλείνουμε τον DC ασφαλειοαποζεύκτη (διακόπτης ΑΑ). 7. Εκκινούμε τον sunny island. 8. Ελέγχουμε ότι ο διακόπτης φορτίου (Δ4) είναι ανοικτός, και αφού συνδέσουμε το φορτίο, κλείνουμε τον διακόπτη. 9. Αν επιθυμούμε τη σύνδεση κάποιων συσκευών στους ρευματοδότες κλείνουμε με τη σειρά τους διακόπτες Τ1, Τ2, ΡΔ και τέλος το διακόπτη των ρευματοδοτών Μ1. [96]

111 Για την παύση του συστήματος πραγματοποιούμε τα παρακάτω βήματα παραλείποντας όσα δε χρειάζονται: 1. Γυρίζουμε τους δύο μεταγωγικούς διακόπτες Π1 και Π2 στη θέση 0. i. Για το διασυνδεδεμένο σύστημα ελέγχουμε ότι οι sunny boy είναι σε mode disturbance (φαίνεται στη μικρή οθόνη του μετατροπέα). ii. Για το αυτόνομο σύστημα, ανοίγουμε πρώτα τον διακόπτη φορτίου Δ4, μετά αποσυνδέουμε το φορτίο, έπειτα σβήνουμε τον sunny island και τέλος ανοίγουμε τον ασφαλειοαποζεύκτη ΑΑ. 2. Ανοίγουμε τους διπολικούς διακόπτες (Δ1, Δ2 και Δ3) των sunny boy. 3. Ανοίγουμε προσεκτικά τους διακόπτες DC (Φ1, Φ2 και Φ3) στον DC πίνακα. 4. Ανοίγουμε το διακόπτη διαφυγής έντασης (διακόπτης ΡΔ στο σχήμα) και το μικροαυτόματο Μ1 των ρευματοδοτών. 5. Ανοίγουμε τον τριπολικό διακόπτη Τ3. 6. Ανοίγουμε τον τετραπολικό γενικό διακόπτη Τ2 του πίνακα AC. 7. Ανοίγουμε τον τριπολικό διακόπτη Τ1 του πίνακα του εργαστηρίου. 3.3 Καταγραφή λειτουργίας του αυτόνομου συστήματος Για να κατανοήσουμε καλύτερα το σύστημά μας και για να διαπιστώσουμε ότι δουλεύει όπως περιμένουμε, πραγματοποιήσαμε ένα σύνολο μετρήσεων στο αυτόνομο σύστημα. Στην αρχή, πραγματοποιήσαμε μετρήσεις με μικρά φορτία (λαμπτήρες ισχύος W) και στη συνέχεια με μεγαλύτερα φορτία μέχρι της τάξης των 2KW. Από τα πειράματα αυτά, θα καταφέρουμε να εξάγουμε συμπεράσματα για τους συσσωρευτές, τους αντιστροφείς αλλά και τη συμπεριφορά μιας εξωτερικής πηγής, όταν αυτή συνδέεται στο σύστημα. Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων, χρησιμοποιήσαμε έναν πολυλειτουργικό καταγραφέα δεδομένων, το sunny webbox (σχήμα 3.23) [38]. Το sunny webbox συλλέγει συνεχώς όλα τα δεδομένα των μετατροπέων και μας ενημερώνει ανά πάσα στιγμή για την κατάσταση του συστήματος. Παρέχει μια πληθώρα επιλογών για την προβολή, την αρχειοθέτηση και την περαιτέρω επεξεργασία των δεδομένων ακόμα και σε δίκτυα με υψηλές απαιτήσεις ασφαλείας. Το sunny webbox συλλέγει συνεχώς πληροφορίες μέσω του remote control, στο οποίο είναι συνδεδεμένος και ο sunny island, ο οποίος επικοινωνεί με τους sunny boy. Έτσι, το webbox είναι σε θέση να παρέχει πλήρη εποπτεία του συστήματος. [97]

112 Σχήμα 3.23: Άποψη του sunny webbox[38]. Οι λειτουργίες του είναι: Ο συνεχής έλεγχος της ηλιακής εγκατάστασης Η έγκαιρη αναγνώριση σφαλμάτων λειτουργίας Η καταγραφή των ενεργειακών αποδόσεων Η ασφαλής αποθήκευση δεδομένων και αξιολόγηση με MS excel Η διάγνωση και διαμόρφωση εγκατάστασης Η αυτόματη μετάδοση δεδομένων σε ρυθμιζόμενα χρονικά διαστήματα Η επεξεργασία δεδομένων και γραφική απεικόνιση στο διαδίκτυο μέσω του Sunny Portal Το sunny portal αποτελεί το γραφικό περιβάλλον επικοινωνίας του χρήστη με τα δεδομένα του sunny webbox. Έχουμε ρυθμίσει το webbox να αποθηκεύει κάθε πέντε λεπτά (ο μικρότερος χρόνος που είναι διαθέσιμος) τις τιμές που συλλέγει, οι οποίες είναι προσβάσιμες μέσω του MS excel. Διαθέτει εσωτερική μνήμη και μπορεί να αποθηκεύει τιμές πολλών ημερών. Οι τιμές που εμφανίζει είναι οι μέσες τιμές των μετρούμενων μεγεθών. Για παράδειγμα για τα AC στοιχεία του sunny island, υπολογίζει έναν μέσο όρο των ενεργών τιμών κάθε μεγέθους που μετράει, και αποθηκεύει την τιμή αυτή. [98]

113 Μέτρηση της ισχύος σε κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία Το σύστημα λειτουργεί μόνο με τους δύο sunny boy λόγω έλλειψης της τρίτης συστοιχίας φωτοβολταϊκών. Θυμίζουμε ότι κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία έχει ισχύ 960Wp. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις 14 Σεπτεμβρίου. Στο γράφημα του σχήματος 3.24 δίνεται η παραγόμενη φωτοβολταϊκή ισχύς από τις δύο ενεργές συστοιχίες μεταξύ των ωρών 0:00 και 14: Ισχύς (W) Φωτοβολταϊκή συστοιχία 1 Φωτοβολταϊκή συστοιχία 2 0 0:00 1:55 3:50 5:45 7:40 9:36 11:31 13:26 15:21 17:16 Ώρα Σχήμα 3.24: Παραγόμενη ισχύς από τις δύο φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Παρατηρούμε ότι η παραγόμενης ισχύς είναι απολύτως ίδια και στις δύο φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Αυτό είναι απόλυτα λογικό, καθώς οι συστοιχίες είναι με τον ίδιο τρόπο τοποθετημένες ως προς τον προσανατολισμό και την κλίση τους, ενώ δεν υπάρχει κανένα φυσικό ή τεχνητό εμπόδιο στην κατεύθυνση του ηλίου, καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Για την ακρίβεια, η διαφορά είναι της τάξης των 2-5 Watt. Αυτή η διαφορά είναι πιο πιθανό να οφείλεται στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών, παρά σε σφάλμα των αντιστροφέων, αφού τα τελευταία χρόνια δεν είχαν πραγματοποιηθεί τακτικές συντηρήσεις στα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Η μέγιστη παραγόμενη ισχύς ανά συστοιχία έφτασε ως τα 660W, τιμή ικανοποιητική για μια μέτρια σε ηλιοφάνεια ημέρα Σεπτεμβρίου. Η σταδιακή μείωση της ισχύος από τις 11:30 και μετά οφείλεται σε σταδιακή νέφωση, ενώ στις 14:15 η ηλιοφάνεια ήταν πλέον πάρα πολύ μικρή λόγω υψηλής νέφωσης. Σημειώνεται ότι κατά τη διάρκεια του πειράματος, η παραγόμενη ισχύς διοχετευόταν στο δίκτυο (αυτόνομη λειτουργία με εξωτερική πηγή το δίκτυο). [99]

114 Μετρήσεις με φορτίο 130W Το πρώτο φορτίο που τοποθετήσαμε στο αυτόνομο σύστημα ήταν ένας λαμπτήρας ισχύος 130W. Αυτό το μικρό φορτίο θα μας επιτρέψει να βγάλουμε τα πρώτα συμπεράσματα για τους συσσωρευτές. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν επίσης τον Σεπτέμβριο του Το σχήμα 3.25 δείχνει πώς μεταβλήθηκε η κατάσταση των συσσωρευτών με αρχική φόρτιση 95,53%. Οι τιμές ξεκινούν στις 12 το βράδυ, οπότε ελλείψει ηλιοφάνειας, οι συσσωρευτές καλύπτουν το φορτίο με την αποθηκευμένη ενέργειά τους. 100 Στάθμη φόρτισης συσσωρευτών Στάθμη φόρτισης σε % :00 1:26 2:52 4:19 5:45 7:12 8:38 10:04 11:31 12:57 14:24 15:50 Ώρα Σχήμα 3.25: Στάθμη φόρτισης συσσωρευτών κατά την διάρκεια της ημέρας. Όπως αναμέναμε, κατά τη διάρκεια της νύχτας, η στάθμη φόρτισης (state of charge - SOC) διαρκώς μειώνεται καθώς δεν υπάρχει άλλη πηγή ενέργειας να φορτίσει τους συσσωρευτές και να καλύψει το φορτίο. Η μείωση είναι γραμμική και διαρκεί μέχρις ότου έχουμε ικανοποιητική ηλιοφάνεια, ώστε να ξεκινήσουν τα Φ/Β να παράγουν ενέργεια, δηλαδή στις 07:30 το πρωί. Από εκείνη την ώρα και μετά, τα φωτοβολταϊκά καλύπτουν το φορτίο και αρχίζουν να φορτίζουν τους συσσωρευτές με μικρό ρεύμα. Μέχρι τις 11:30, οι συσσωρευτές έχουν φορτιστεί πλήρως. Μια μικρή μεταβολή στις 04:00 που διακόπτει τη μέχρι τότε γραμμική μείωση του SOC, οφείλεται σε λάθος εκτίμηση του sunny island για τη στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών. Ο sunny island διορθώνει την εκτίμηση του για το SOC, από 92,81% [100]

115 σε 93,16%, και η γραμμική εκφόρτιση των συσσωρευτών συνεχίζεται. Σημειώνεται ότι ο sunny island δείχνει πάντα το SOC των συσσωρευτών μαζί με ένα περιθώριο λάθους της εκτίμησης του. Οι συσσωρευτές έχουν χωρητικότητα 670Αh και συνολική τάση 24V. Άρα η ισχύς τους σε Wh είναι: Η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών στις 4:00 ήταν 93% και στις 07:30 ήταν 90,5%, η οποία είναι και η χαμηλότερη στάθμη που έφτασαν οι συσσωρευτές. Άρα. σε τρεις ώρες είχαμε κατανάλωση 390W και μείωση του SOC κατά 2,5% και επειδή έχουμε σταθερό φορτίο, η μείωση του SOC είναι γραμμική και αντιστοιχεί σε 0,83% εκφόρτιση την ώρα. Η μείωση του SOC κατά 0,83% θεωρητικά αντιστοιχεί σε: Αυτή η τιμή είναι μεγαλύτερη από την κατανάλωση που είχε το σύστημα, δηλαδή τα 130W την ώρα. Η απόκλιση όμως είναι μικρή και μπορεί να οφείλεται είτε σε λάθος εκτίμηση του sunny island είτε σε όχι ιδανική κατάσταση των συσσωρευτών. Θυμίζουμε ότι οι συσσωρευτές είχαν εκφορτιστεί σε πολύ μεγάλο ποσοστό πριν την επαναλειτουργία του συστήματος και ενδέχεται να έχουν υποστεί κάποια βλάβη. Μετρήσεις με φορτίο 230W Τo νέο φορτίο αυξήθηκε στα 230W, (ένας λαμπτήρας 100W και ένας λαμπτήρας 130W). Στο σχήμα 3.26, δίνεται η παραγόμενη φωτοβολταϊκή ισχύς μιας συστοιχίας για μια ολόκληρη ημέρα. Ισχύς (W) 800 Ισχύς φωτοβολταϊκής συστοιχίας :00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 Ώρα Σχήμα 3.26: Ισχύς φωτοβολταϊκής συστοιχίας στην διάρκεια της ημέρας. [101]

116 Οι τιμές του παραπάνω σχήματος είναι οι τιμές ισχύος μιας συστοιχίας, στις 15 Σεπτεμβρίου του Αυτή τη μέρα δεν υπήρχε ιδιαίτερη νέφωση, για αυτό και οι μεταβολές της ισχύος είναι πιο ομαλές. Παρουσιάζεται παραγωγή ισχύος από τις 07:30 το πρωί μέχρι τις 19:10 το απόγευμα, με την μέγιστη τιμή να παρουσιάζεται στις 13:15 και να ανέρχεται στα 720W. Η μέση τιμή της παραγόμενης ισχύος για τη διάρκεια της ημέρας με ηλιοφάνεια βρίσκεται στα 420W και η συνολική παραγωγή της ημέρας φτάνει τα 4900Wh ανά φωτοβολταϊκή συστοιχία. Στο παρακάτω σχήμα δίνεται το διάγραμμα της στάθμης φόρτισης των συσσωρευτών κατά την διάρκεια αυτής της ημέρας με το φορτίο των 230W. στάθμη φόρτισης σε % Στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών 102,00 100,00 98,00 96,00 94,00 92,00 90,00 88,00 86,00 84,00 82,00 80,00 78,00 76,00 74,00 72,00 70,00 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 Ώρα Σχήμα 3.27: Στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών κατά την διάρκεια της ημέρας. Η αρχική στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών είναι 90,41%. Όπως αναμενόταν, λόγω της νύκτας, η στάθμη φόρτισης μειώνεται μέχρι το 76,66%. Από τις 07:30, ξεκινά η παραγωγή ισχύος και τα φωτοβολταϊκά καλύπτουν την ισχύ του φορτίου και ταυτόχρονα φορτίζουν τις μπαταρίες. Μέχρι τις 12:00, οι μπαταρίες έχουν φορτιστεί στο 100% και παραμένουν φορτισμένες μέχρι τις 19:00, που πλέον η ισχύς των φωτοβολταϊκών δεν επαρκεί για το φορτίο. Δηλαδή, η παραγωγή τους έχει πέσει κάτω από τα 230W και έτσι οι συσσωρευτές αρχίζουν πάλι να εκφορτίζονται, αφού καλύπτουν αυτοί πλέον το φορτίο. [102]

117 Οι μπαταρίες εκφορτίζονται με ρυθμό 1,59% την ώρα. Αυτό αντιστοιχεί σε, ενώ το φορτίο μας είναι 230W. Αυτή η απόκλιση είναι μεγαλύτερη από πριν, γεγονός που ενισχύει το ενδεχόμενο οι μπαταρίες να έχουν υποστεί βλάβη. Μετρήσεις με μεταβλητό φορτίο Στη συνέχεια παρουσιάζουμε κάποια αποτελέσματα πειραμάτων που πραγματοποιήσαμε με μεταβλητό φορτίο, αυξάνοντάς το σταδιακά, χρησιμοποιώντας για τη καταγραφή τους τις ενδείξεις της οθόνης του sunny remote control. Σημειώνουμε ότι οι ενδείξεις του δίνονται όσο αφορά την ισχύ σε kw με ένα δεκαδικό ψηφίο και ενδέχεται να παρουσιάζει τις τιμές με σφάλμα ενός δεκαδικού ψηφίου, δηλαδή με σφάλμα 100W. Φορτίο 100W Στην αρχή τοποθετήσαμε ένα μικρό φορτίο με συνδεδεμένο το δίκτυο ως εξωτερική πηγή. Οι ενδείξεις του sunny remote control φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 3:28: Ενδείξεις του sunny remote control για φορτίο 100W. Το δίκτυο παρέχει περίπου 0,2KW (η ισχύς του δικτύου φαίνεται πάντα πάνω αριστερά στην οθόνη), 100W για το φορτίο και οι μπαταρίες φορτίζονται με την υπόλοιπη ισχύ. Φορτίο 400W Έπειτα αυξήσαμε το φορτίο στα 400W και βάλαμε το σύστημα να δουλέψει με και χωρίς δίκτυο. Τα αποτελέσματα δίνονται στα σχήματα 3.29 και 3.30 Σχήμα 3.29: Οθόνη sunny remote control για φορτίο 400W και συνδεδεμένο το δίκτυο. [103]

118 Σε αυτή την περίπτωση το δίκτυο παρέχει 500W, από τα οποία τα 400W προσφέρονται στο φορτίο και τα 100W για την φόρτιση των συσσωρευτών. Σχήμα 3.30: Ενδείξεις sunny remote control για φορτίο 400W σε αυτόνομη λειτουργία. Επειδή το βελάκι του συσσωρευτή δείχνει προς τα κάτω, καταλαβαίνουμε ότι φορτίζεται με μια ισχύ που δεν μπορεί να διακριθεί λόγω ευαισθησίας του οργάνου. Το φορτίο που βλέπει ο sunny island (ένδειξη πάνω δεξιά στο μόνιτορ) είναι ουσιαστικά το ποσό της ισχύος που δίνεται στις μπαταρίες αφού το φορτίο καλύπτεται εξ ολοκλήρου από τα φωτοβολταϊκά. Πριν την σύνδεσή τους στο σύστημα οι sunny boy εμφάνιζαν στη δική τους μικρή οθόνη ότι η συνολική ισχύς των φωτοβολταϊκών, με MPPT έλεγχο, είναι γύρω στα 1600W. Επειδή όμως το φορτίο είναι μόνο 400W και οι συσσωρευτές δε χρειάζονται μεγαλύτερο ρεύμα σε αυτό το στάδιο φόρτισης που βρίσκονται, ο sunny island σε συνεργασία με τα sunny boy περιορίζουν την ισχύ των φωτοβολταϊκών στις ανάγκες του συστήματος.. Φορτίο 800W Στη συνέχεια συνδέσαμε φορτίο 800W και πήραμε πάλι μετρήσεις με και χωρίς δίκτυο. Οι νέες ενδείξεις δίνονται στο σχήμα Σχήμα 3.31: Οθόνη του sunny remote control για φορτίο 800W με δίκτυο συνδεδεμένο. Το δίκτυο αυτή τη φορά προσφέρει 1.3kW. Από αυτά, τα 800W πάνε στο φορτίο (τα φωτοβολταϊκά είναι εκτός συστήματος) και τα υπόλοιπα 500W προσφέρονται για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Οι συσσωρευτές τώρα απαιτούν μεγαλύτερο ρεύμα γιατί το στάδιο φόρτισης άλλαξε σε σχέση με πριν. Τα αντίστοιχα αποτελέσματα χωρίς δίκτυο και με συνδεδεμένα τα φωτοβολταϊκά δίνονται στο σχήμα [104]

119 Σχήμα 3.32: Μόνιτορ sunny remote control για φορτίο 800W με συνδεδεμένα μόνο τα φωτοβολταϊκά. Τώρα το δίκτυο έχει αποσυνδεθεί και τα φωτοβολταϊκά έχουν αναλάβει το φορτίο. Με τον ίδιο τρόπο με πριν, ο sunny island βλέπει σα φορτίο τα 200W που παρέχουν τα Φ/Β για να φορτίσουν τους συσσωρευτές. Φορτίο 1200W Κατά την διάρκεια αυτού του πειράματος, η παραγωγή των φωτοβολταϊκών μειώθηκε στα 300W λόγω νέφωσης. Στο σχήμα 3.33 δίνονται τα αποτελέσματα στην αυτόνομη λειτουργία. Σχήμα 3.33: Αποτελέσματα για φορτίο 1200W σε αυτόνομη λειτουργία. Τα φωτοβολταϊκά τώρα παρέχουν μόνο τα 300W από τα 1200W και την υπόλοιπη ισχύ την δίνουν οι συσσωρευτές. Τώρα σαν φορτίο ο sunny island βλέπει την υπόλοιπη ισχύ που καλούνται να καλύψουν οι μπαταρίες. Στη συνέχεια συνδέουμε το δίκτυο ενώ τα φωτοβολταϊκά παρέχουν ακόμα ισχύ. Σχήμα 3.34: Οθόνη sunny remote control για φορτίο 1200 σε αυτόνομη λειτουργία Το δίκτυο παρέχει τα 1,2kW στο φορτίο και τα φωτοβολταϊκά μόνο τα υπόλοιπα 200W, αφού η παραγόμενη ισχύς μειώθηκε κι άλλο. Το δίκτυο φορτίζει επίσης τις μπαταρίες, δίνοντας έτσι συνολική ισχύ 1,4kW. Αυτός ακριβώς είναι και ο τρόπος με τον οποίο θα λειτουργούσε μια ντιζελογεννήτρια αν συνδεόταν στο αυτόνομο σύστημα αντί για το δίκτυο. [105]

120 Φορτίο 1400W Στη συνέχεια, η ισχύς των φωτοβολταϊκών επανέρχεται στα 1600W και αυξάνουμε το φορτίο σε μια τιμή κοντά στην ισχύ τους, τα 1400W. Επειδή το δίκτυο πλέον δε χρειάζεται, αφού η ισχύς των φωτοβολταϊκών είναι μεγαλύτερη από το φορτίο, ο sunny island αποσυνδέει την εξωτερική πηγή, δηλαδή το δίκτυο. Τελικά έχουμε τα αποτελέσματα του σχήματος Σχήμα 3.35: Οθόνη sunny remote control για αυτόνομη λειτουργία και φορτίο 1400W. Τα φωτοβολταϊκά τώρα ικανοποιούν το φορτίο και προσφέρουν την υπόλοιπη ισχύ τους στη φόρτιση των συσσωρευτών. Ο sunny island βλέπει πάλι σα φορτίο μόνο το ποσό ισχύος που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση των μπαταριών. Φορτίο 1800W Σαν τελευταία μέτρηση, συνδέουμε ένα μεγαλύτερο φορτίο από την ισχύ των φωτοβολταϊκών και συνδέουμε το δίκτυο (σχήμα 3.36). Σχήμα 3.36: Οθόνη sunny remote control για φορτίο 1800W. Το δίκτυο δίνει πλέον 400W. Τα 300W τα στέλνει στο φορτίο (η ισχύς των φωτοβολταϊκών μειώθηκε στα 1500W) και με τα υπόλοιπα 100W φορτίζει τους συσσωρευτές. Σημειώνεται ότι το δίκτυο το συνδέσαμε καθαρά για σκοπούς παρατήρησης, γιατί στο συγκεκριμένο πείραμα δε χρειάζεται η σύνδεσή του, αφού την υπολειπόμενη ισχύ του φορτίου θα μπορούσαν να την καλύψουν οι συσσωρευτές. [106]

121 3.4. Συμπεράσματα Από τις μετρήσεις που πραγματοποιήσαμε, συμπεραίνουμε ότι το μικροδίκτυο, κατά την αυτόνομη λειτουργία, λειτουργεί σωστά. Υπάρχει ορθή και επαρκής επιτήρηση του συστήματος από το μετατροπέα των συσσωρευτών, καθώς και σωστή διαχείριση της ισχύος. Οι sunny boy, οι συσσωρευτές και το δίκτυο, που στο παρόν σύστημα προσομοιώνει τη ντιζελογεννήτρια, πραγματοποίησαν τις ενέργειες που αναμέναμε. Σε αυτό το κεφάλαιο, παρουσιάσαμε τόσο τις συνιστώσες του παρόντος συστήματος, όσο και τις προσθήκες που αναμένεται να γίνουν. Το φορτίο που κατασκευάσαμε, το οποίο θα παρουσιαστεί στο κεφάλαιο 5, είναι τριφασικό και προσομοιώνει την οικιακή κατανάλωση ενός μέσου νοικοκυριού. Για να μπορέσουμε να εξάγουμε ασφαλέστερα συμπεράσματα για το αν το μικροδίκτυο επαρκεί για την κάλυψη αυτού του φορτίου, θα πρέπει να πραγματοποιηθεί η μετατροπή του συστήματος από μονοφασικό σε τριφασικό. Όπως αναφέρθηκε, αυτό μπορεί να γίνει είτε με την προσθήκη δύο ακόμα sunny island, είτε με την αντικατάσταση του υπάρχοντος μετατροπέα με έναν τριφασικό. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει και στην προσθήκη περισσότερων συσσωρευτών και άρα στην αύξηση της συνολικής χωρητικότητας. Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό και αναγκαίο βήμα, καθώς η τωρινή χωρητικότητα των συσσωρευτών θεωρείται μικρή και δεν επαρκεί για τη κάλυψη ενός απαιτητικού φορτίου, όπως αυτό ενός σπιτιού, σε καθημερινή βάση. Στα πειράματα του κεφαλαίου 6, το μικροδίκτυο συνδέεται στο φορτίο που κατασκευάστηκε και θα μπορέσουμε να εξάγουμε περισσότερα συμπεράσματα ως προς τη συμπεριφορά του. [107]

122 [108]

123 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΜΑΤLAB/ SIMULINK 4.1 Προσομοίωση μοντέλου ανεμοκινητήρα Για την κατανόηση του μοντέλου που προσομοιώνει τον ανεμοκινητήρα, πρέπει να αναλύσουμε συνοπτικά τις βασικές σχέσεις παραγωγής ενέργειας από τον άνεμο. Τελικός στόχος της προσομοίωσης του μοντέλου αυτού, είναι να πάρουμε ως έξοδο τη μηχανική ροπή που δημιουργείται από την περιστροφή των πτερυγίων, ώστε να τη χρησιμοποιήσουμε ως είσοδο στο μοντέλο μιας μηχανής, που θα χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια για την παραγωγή ενέργειας. Η δημιουργία των ανέμων είναι αποτέλεσμα της ανομοιόμορφης θέρμανσης της ατμόσφαιρας και οφείλεται στη μετακίνηση τεράστιων αέριων μαζών ώστε να γίνει ανακατανομή της θερμότητας που απορροφάται. Θεωρούμε αέρα μάζας m, που όταν έχει ταχύτητα υ, ο άνεμος έχει κινητική ενέργεια: ( 4.1) Αν ρ είναι η πυκνότητα του αέρα που μεταβάλλεται με το ύψος και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες (τυπική τιμή 1,3kg/m 3 ), υ η ταχύτητα του ανέμου και Α (Α= π R 2, όπου R το μήκος των πτερυγίων) η επιφάνεια που σαρώνει ένα πτερύγιο σε μια πλήρη περιστροφή του, τότε η μάζα του αέρα που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη συγκεκριμένη επιφάνεια θα είναι: ( 4.2) Συνεπώς, η ενέργεια που περνά από την επιφάνεια αυτή στη μονάδα του χρόνου δηλαδή η ισχύς θα είναι: ( 4.3) Αυτή είναι η ολική ισχύς που υπάρχει στον άνεμο και μπορεί να δεσμευθεί με έναν ανεμοκινητήρα. Στην πραγματικότητα μόνο ένα μέρος Pm αυτής της ισχύος μπορεί να δεσμευθεί, διότι αφενός ο αέρας απομακρύνεται από τον ανεμοκινητήρα (Α/Κ) με κάποια ταχύτητα, αφετέρου δε τα πτερύγια του Α/Κ προκαλούν εκτροπή μέρους του αέρα ο οποίος τα παρακάμπτει χωρίς να τα διαπεράσει. Η μηχανική ισχύς που [109]

124 απορροφάται από τον άνεμο σε μια ανεμογεννήτρια είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας ανέμου και δίνεται από την ακόλουθη σχέση: Όπου: ρ: η πυκνότητα αέρα σε kg/m 3 υ: η ταχύτητα ανέμου σε m/s A: η επιφάνεια σάρωσης της ανεμογεννήτριας σε m 2 ( 4.4) To C p ονομάζεται συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος, ο οποίος εξαρτάται από το λόγο ταχύτητας ακροπτερυγίου λ (tip speed ratio), καθώς και τη γωνία κλίσης των πτερυγίων β. Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C p εκφράζει το ποσοστό της προσπίπτουσας αεροδυναμικής ισχύος που μετατρέπεται σε μηχανική από τον Α/Κ (C p =P m /P w ). Για έναν ιδανικό Α/Κ η μέγιστη τιμή του C p είναι 0,593 ή 59,3%, το οποίο ονομάζεται όριο του Betz. Στην πράξη, λόγω μηχανικών τριβών, στροβίλων και αεροδυναμικών ατελειών, ο C p είναι σημαντικά μικρότερος (30%-40%). Η ακριβής τιμή του C p εξαρτάται από τον τύπο και τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες του Α/Κ, καθώς και τις συνθήκες λειτουργίας.[21] Ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου είναι ο λόγος της γραμμικής ταχύτητας περιστροφής των ακροπτερυγίων προς την ταχύτητα του ανέμου δηλαδή: ω R (4.5) Σχήμα 4.1: Αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος συναρτήσει του λόγου ταχύτητας ακροπτερυγίου [110]

125 Στο σχήμα 4.1 παρατηρούμε ότι ανάλογα με τη γωνία κλίσης των πτερυγίων ο συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος Cp παίρνει μια μέγιστη τιμή για μια συγκεκριμένη τιμή του λ. Αυτό σημαίνει πως για κάθε κλίση των πτερυγίων β και για κάθε ταχύτητα του ανέμου υ, υπάρχει μια γωνιακή ταχύτητα ακροπτερυγίων ω R τέτοια ώστε ο ανεμοκινητήρας να απομαστεύει τη μέγιστη δυνατή μηχανική ισχύ για τη συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου. Για την προσομοίωση του ανεμοκινητήρα σε περιβάλλον Simulink/Matlab χρησιμοποιήθηκε το μπλοκ wind turbine. Το μπλοκ αυτό προσομοιώνει τη λειτουργία του ανεμοκινητήρα, έχοντας ως είσοδο τη γωνία κλίσης των πτερυγίων (σε μοίρες), την ταχύτητα του ανέμου (m/s) και την ταχύτητα περιστροφής του άξονα (σε ανά μονάδα σύστημα) [39]. Επειδή το μοντέλο χρησιμοποιεί το ανά μονάδα σύστημα η εξίσωση (4.4) μπορεί να κανονικοποιηθεί και να γραφεί: m_pu p _pu _pu (4.6) Όπου: P m_pu : η μηχανική ισχύς σε p.u. για δεδομένες τιμές των ρ και Α υ _pu: η ανά μονάδα ταχύτητα ανέμου (με βάση την ονομαστική ταχύτητα ανέμου) Cp _pu: η ανά μονάδα τιμή του συντελεστή αεροδυναμικής ισχύος (με βάση τη μέγιστη τιμή του, που στο Matlab θεωρείται ίση με 0.48) K p : Ένα κέρδος μικρότερο ή ίσο του 1. Είναι ίσο με 1 όταν η ανά μονάδα τιμή του αεροδυναμικού συντελεστή είναι ένα, και η ταχύτητα είναι η ονομαστική. Για τον προσδιορισμό του συντελεστή αεροδυναμικής ισχύος Cp χρησιμοποιείται ο προσεγγιστικός τύπος: (4.7) Όπου β: λαμβάνεται στην είσοδο του μοντέλου λ: δίνεται από τον τύπο (4.5) και λ i : δίνεται από τον τύπο: (4.8) Για να γίνει η μετατροπή του λ από ανά μονάδα σύστημα σε καθαρό αριθμό πολλαπλασιάζεται με τη βάση που είναι το λ στο Cp max. Όπως βλέπουμε από την παραπάνω γραφική παράσταση (Σχήμα 4.1), αυτό είναι το λ nom =8.1. Το μοντέλο λοιπόν, του ανεμοκινητήρα προσομοιώνεται στο Simulink ως εξής: [111]

126 Σχήμα 4.2: Μοντέλο ανεμοκινητήρα στο Simulink Η έξοδος του μοντέλου είναι η μηχανική ροπή σε ανά μονάδα σύστημα (4.9) στον άξονα της γεννήτριας, η οποία είναι αρνητική ώστε να έχουμε λειτουργία γεννήτριας. Λόγω των χαρακτηριστικών της ανεμογεννήτριας, που ήδη υπάρχει στο εργαστήριο, ρυθμίσαμε την ονομαστική ταχύτητα (base wind speed) ίση με 11.6m/s και την ονομαστική μηχανική ισχύ εξόδου ίση με 1000 W (Nominal mechanical output power). 4.2 Προσομοίωση μοντέλου τριφασικής σύγχρονης γεννήτριας με μόνιμους μαγνήτες Το μοντέλο της μηχανής αποτελείται από δύο υπομοντέλα, ένα που προσομοιώνει το ηλεκτρικό κομμάτι και ένα που προσομοιώνει το μηχανικό μέρος της μηχανής [40]. Το μηχανικό μέρος της μηχανής προσομοιώνεται ως εξής: r r (4.10) Όπου Τ e : ηλεκτρική ροπή Τ m : μηχανική ροπή F: συντελεστής απόσβεσης Τ f : στατική τριβή J: συντελεστής αδράνειας [112]

127 Άρα στην περίπτωσή μας, όπου αγνοήθηκε η στατική τριβή και ο συντελεστής απόσβεσης : r (4.11) Σχήμα 4.3: Μηχανικό μέρος γεννήτριας Όπου ω r η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα και δίνεται από τον τύπο: Με θ τη γωνιακή θέση του δρομέα. Το μοντέλο παίρνει ως εισόδους τη μηχανική ροπή από τον ανεμοκινητήρα και την ηλεκτρική ροπή από το μοντέλο που προσομοιώνει το ηλεκτρικό μέρος της μηχανής. Παίρνουμε ως εξόδους το ω e και θ e τα οποία και τροφοδοτούμε ως εισόδους στο δεύτερο υπομοντέλο. Μπορούμε από την ω e (ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα) να πάρουμε την ταχύτητα του δρομέα της μηχανής από την σχέση: m e Για την προσομοίωση του ηλεκτρικού μέρους απαιτείται η μετατροπή των ηλεκτρικών μεγεθών σε dq άξονες. Η μετατροπή θα γίνει σε σύγχρονα στρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς, ώστε να έχουμε συνεχή μεγέθη τα id, iq. Οι εξισώσεις που περιγράφουν το σύστημά μας (στο οποίο επιλέξαμε η ΗΕΔ να είναι ημιτονοειδής) είναι οι εξής: (4.12) (4.13) (4.14) r [113]

128 Όπου i d, i q : τα ρεύματα σε q, d άξονες u d, u q : οι τάσεις σε q, d άξονες p: τα ζεύγη πόλων L q, L d : οι επαγωγές στους q, d άξονες R: η αντίσταση τυλιγμάτων στάτη λ: η μόνιμη μαγνήτιση ω r : η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα Επειδή στο μοντέλο μας επιλέξαμε η μηχανή να είναι κυλινδρικού δρομέα και συνεπώς οι επαγωγές στον q και d άξονα είναι ίδιες, οι εξισώσεις μετατρέπονται ως εξής: (4.15) (4.16) (4.17) Σχήμα 4.4: Ηλεκτρικό μέρος γεννήτριας [114]

129 Για την προσομοίωση της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιήθηκε τελικά το μοντέλο της σύγχρονης μηχανής με μόνιμους μαγνήτες, που υπάρχει στις βιβλιοθήκες του Matlab. Προσομοιώνει μια τριφασική μηχανή με μόνιμους μαγνήτες λαμβάνοντας ως είσοδο μηχανική ροπή. Αν η μηχανική ροπή είναι αρνητική, τότε η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια, αλλιώς ως κινητήρας. Σαν εξόδους μπορούμε να πάρουμε διάφορα μεγέθη, κυρίως όμως μας ενδιαφέρει η ταχύτητα περιστροφής του άξονα ώστε να ανατροφοδοτήσουμε το μοντέλο του ανεμοκινητήρα, το οποίο αναλύθηκε παραπάνω. Τα βασικά χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας παρουσιάστηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο. Τα δοθέντα από τον κατασκευαστή στοιχεία δεν επαρκούν για την προσομοίωσή της, όμως είναι τα μόνα που είναι διαθέσιμα. Έπειτα από εκτενή αναζήτηση στη βιβλιογραφία, επιλέχτηκαν τιμές των παραμέτρων της ανεμογεννήτριας που συμβαδίζουν με τις περισσότερες ανεμογεννήτριες της συγκεκριμένης ισχύος (1000W) και μορφής (PMSM). Πρόκειται για τα εξής μεγέθη: Ονομαστική ταχύτητα περιστροφής: n nom =1200rpm Αντίσταση στάτη: Rs=0.6Ω Επαγωγή στάτη: Ls= H Σταθερά τάσης: 123Vp-p/krpm Ροπή αδράνειας: J=0.0008kgm2 Ζεύγη πόλων: p=16 Επίσης, η σύγχρονη μηχανή επιλέχτηκε κυλινδρικού δρομέα και η ηλεκτρεγερτική της δύναμη ημιτονοειδής. 4.3 Προσομοίωση λειτουργίας ανεμογεννήτριας υπό τριφασικό ωμικό φορτίο Το κύκλωμα που σχεδιάστηκε φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 4.5): [115]

130 Σχήμα 4.5: Σύνδεση ανεμογεννήτριας σε τριφασικό ωμικό φορτίο Μπορούμε να διακρίνουμε το μπλοκ Wind Turbine (με κίτρινο χρώμα) που αναλύσαμε σε προηγούμενη ενότητα και προσομοιώνει τη λειτουργία του ανεμοκινητήρα. Επίσης, φαίνεται το μπλοκ που προσομοιώνει τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας (με μπλε χρώμα). Η έξοδος του μπλοκ wind turbine είναι η μηχανική ροπή σε per unit, ενώ η είσοδος της γεννήτριας μόνιμων μαγνητών είναι η μηχανική ροπή σε S.I. (Nm). Έτσι λοιπόν, για τη μετατροπή από ανά μονάδα σύστημα στο SI χρησιμοποιήθηκε ο εξής τύπος: pu Στην έξοδο της ανεμογεννήτριας, συνδέθηκε τριφασικό ωμικό φορτίο σε σύνδεση αστέρα αντίστασης R=15Ω ανά φάση. Η προσομοίωση έγινε για ταχύτητα ανέμου 11,6m/s και έδωσε τα παρακάτω παλμογραφήματα: [116]

131 Σχήμα 4.6: Πολικές τάσεις στάτη γεννήτριας Σχήμα 4.7: Ρεύματα στάτη γεννήτριας Σχήμα 4.8: Μηχανική ισχύς στην είσοδο της γεννήτριας [117]

132 Στα σχήματα 4.6 και 4.7 φαίνονται τα εναλλασσόμενα μεγέθη στην έξοδο της ανεμογεννήτριας. Όπως αναμενόταν η συχνότητα των μεγεθών αυτών εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής της ανεμογεννήτριας. Συγκεκριμένα έχουμε περίοδο περίπου 0.003sec, δηλαδή, περίπου f= 350Hz. H ταχύτητα περιστροφής σε rad/sec είναι ωm=140rad/sec, άρα ωe=p*ωm=16*140=2240 rad/s δηλαδή f=356hz. Η μικρή διαφορά στη συχνότητα οφείλεται στο γεγονός, πως η περίοδος των εναλλασσόμενων μεγεθών στην έξοδο της γεννήτριας υπολογίστηκε κατά προσέγγιση από τη γραφική παράσταση. Επίσης, οι πολικές τάσεις έχουν rms τιμή 116V και τα ρεύματα 4.4 Α. Άρα έχουμε μια μονοφασική ισχύ περίπου 295 W (P1φ=Vab *Iα/1.732) άρα μια τριφασική ισχύ περίπου 900W. Στο Σχήμα 4.8 βλέπουμε τη μηχανική ισχύ στην είσοδο της ανεμογεννήτριας η οποία έχει σταθεροποιηθεί σε μια τιμή τον 922W. Αυτό σημαίνει ότι με τις παρούσες συνθήκες λειτουργίας η ανεμογεννήτρια έχει βαθμό απόδοσης 98%. Πρέπει να σημειωθεί εδώ, ότι στην παρούσα έκδοση του Matlab/Simulink (R2011a) η προσομοίωση έβγαζε εσφαλμένα αποτελέσματα, αν δεν αρχικοποιούταν η ταχύτητα περιστροφής της ανεμογεννήτριας στην ονομαστική της τιμή. Έτσι εξηγείται γιατί η γραφική της μηχανικής ισχύος ξεκινά από τα 1000W. Η αρχικοποίηση αυτή, χρησιμοποιήθηκε στο σύνολο, σχεδόν, των παρακάτω προσομοιώσεων. 4.4 Προσομοίωση λειτουργίας ανεμογεννήτριας σε σύνδεση με τριφασική ανορθωτική γέφυρα Το κύκλωμα που σχεδιάστηκε φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 4.9): Σχήμα 4.9: Σύνδεση ανεμογεννήτριας με ανορθωτική γέφυρα [118]

133 Το μπλοκ Anor8wths (με γκρι χρώμα) περιέχει την τριφασική ανορθωτική γέφυρα με διόδους. Η είσοδός του είναι η τριφασική τάση της εξόδου της γεννήτριας και έξοδος μία DC τάση, η οποία ασφαλώς περιέχει κυμάτωση. Στην έξοδο της γέφυρας συνδέεται πυκνωτής εξομάλυνσης C=500μF και φορτίο R=15Ω. Η προσομοίωση έγινε πάλι για άνεμο 11.6m/s και έδωσε τα παρακάτω παλμογραφήματα: Σχήμα 4.10: Πολικές τάσεις εξόδου Α/Γ Σχήμα 4.11: Ρεύματα εξόδου Α/Γ [119]

134 Σχήμα 4.12: Τάση εξόδου ανορθωτή (στο φορτίο) Όπως μπορούμε να δούμε από τα σχήματα 4.9 και 4.10 η προσθήκη της ανορθωτικής γέφυρας μεταβάλλει τη μορφή των τάσεων και ρευμάτων εξόδου της ανεμογεννήτριας. Η διαφορά φάσης παραμένει αναλλοίωτη. Θεωρητικά η τάση εξόδου του ανορθωτή δίνεται από τον τύπο [29]: (4.18) Δηλαδή στην περίπτωσή μας θα περιμέναμε V DC =120 V. Η κυμάτωση της τάσης εξόδου είναι πολύ μικρή και η μέση τιμή της τάσης είναι V. Η μικρή απόκλιση των δύο τιμών οφείλεται στο γεγονός ότι η παραπάνω θεωρητική σχέση ισχύει για ημιτονοειδή είσοδο ενώ στη συγκεκριμένη περίπτωση, όπως αναφέρθηκε, κάτι τέτοιο δεν ισχύει. Επιπρόσθετα, η ισχύς που καταναλώνεται στο φορτίο είναι 920W. Η μηχανική ισχύς στην είσοδο της Α/Γ είναι τώρα 1000W που σημαίνει ότι ο συντελεστής απόδοσης του συστήματος έπεσε στο 92%, η ανορθωτική γέφυρα δηλαδή έχει εισάγει ένα συντελεστή απόδοσης της τάξης του 90% στο σύστημα. 4.5 Χάραξη χαρακτηριστικών του συστήματος Ανεμοκινητήρας-Γεννήτρια- Ανορθωτής Το μπλοκ που προσομοιώνει τον ανεμοκινητήρα, μας παρέχει τη δυνατότητα να εμφανίσει τη χαρακτηριστική P-ω του ανεμοκινητήρα, σύμφωνα με τις επιλογές που έχουμε κάνει. [120]

135 Σχήμα 4.13: Χαρακτηριστική P-Ω του μπλοκ wind turbine Όπως βλέπουμε από το παραπάνω σχήμα (Σχήμα 4.13), όταν ο ανεμοκινητήρας λειτουργεί στον ονομαστικό αριθμό στροφών, θα αποδίδει τη μέγιστη ισχύ για την ονομαστική ταχύτητα ανέμου (11,6m/s). Επειδή στο μπλοκ της γεννήτριας δεν υπήρχε επιλογή για την ονομαστική ισχύ της, όταν ο άνεμος είναι μεγαλύτερος από τον ονομαστικό, πχ 12.92m/s τότε υπάρχει το ενδεχόμενο η γεννήτρια να μπορεί να αποδώσει παραπάνω από το επιθυμητό όριο των 1000W (Θυμίζουμε τόση είναι η ισχύς της Α/Γ στο εργαστήριο). Για να αποφευχθεί κάτι τέτοιο, θα πρέπει να γίνει ένας έλεγχος της ισχύος, όταν η ταχύτητα ανέμου ξεπεράσει την ονομαστική. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο υπάρχει ο παθητικός (stall control) και ο ενεργητικός έλεγχος (έλεγχος βήματος πτερυγίων-pitch control). Η ανεμογεννήτρια που είναι ήδη εγκατεστημένη στο εργαστήριο, χρησιμοποιεί παθητικό έλεγχο (στολάρισμα), επειδή όμως στο Simulink κάτι τέτοιο θα ήταν έξω από τα όρια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, χρησιμοποιήθηκε ο ενεργητικός έλεγχος. Η τεχνική ενεργητικού ελέγχου που χρησιμοποιήθηκε, θα παρουσιασθεί σύντομα παρακάτω [21]. [121]

136 Σχήμα 4.14: Έλεγχος βήματος πτερυγίου Όταν η ταχύτητα ανέμου ξεπερνά την ονομαστική τότε ενεργοποιείται ο έλεγχος αυτός με σκοπό να αλλάξει τη γωνία κλίσης β των πτερυγίων, αλλιώς η γωνία κλίσης παραμένει 0 ο. Αρχικά, συγκρίνεται η μηχανική ισχύς στην είσοδο της Α/Γ με την ισχύ αναφοράς που στη δική μας περίπτωση είναι τα 1000W. Ο έλεγχος της γωνίας βήματος γίνεται με έναν ελεγκτή PI που δέχεται σαν είσοδο τη διαφορά Pm-Pref. Για να ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα ο έλεγχος, εισάγεται κι ένα ακόμα στάδιο που είναι το στάδιο του ενεργοποιητή (actuator). Η έξοδος του PI ελεγκτή είναι η γωνία κλίσης που θέλουμε, έστω β ref, όμως στο πραγματικό σύστημα η αλλαγή αυτή δεν μπορεί να γίνει ακαριαία, γιατί τα πτερύγια λόγω αδράνειας δεν μπορούν να στραφούν αμέσως. Έτσι στο στάδιο αυτό υπάρχει κάποιο όριο στις μοίρες με τις οποίες στρέφονται τα πτερύγια (από 0 έως 40 μοίρες) καθώς και κάποιο όριο στο ρυθμό μεταβολής της γωνίας κλίσης (+/- 20 ο /sec). Τέλος, υπάρχει και ο ενεργοποιητής, που μπορεί να προσομοιωθεί με μια συνάρτηση μεταφοράς πρώτης τάξης με μια χρονική σταθερά T act, ο οποίος είναι ελέγχει τη διαφορά της γωνίας που επιθυμούμε β ref και της γωνίας κλίσης β κατά την οποία είναι στραμμένα τα πτερύγια. Έχει επιλεγεί η ανεμογεννήτρια να μην εκκινεί για ταχύτητες μικρότερες των 3.5m/s και να αποκόπτει τη λειτουργία της για ταχύτητες μεγαλύτερες των 55m/s (survival speed), όπως δηλαδή και το πραγματικό μοντέλο της ανεμογεννήτριας στο εργαστήριο Χάραξη των χαρακτηριστικών του συστήματος Ανεμοκινητήρας-Γεννήτρια- Ανορθωτής χωρίς την εφαρμογή ελέγχου Παρακάτω (Σχήμα 4.15), παρουσιάζεται το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε για την εύρεση των χαρακτηριστικών του συστήματος: [122]

137 Σχήμα 4.15: Κύκλωμα για εύρεση χαρακτηριστικής P-Ω του συστήματος Στην έξοδο του ανορθωτή συνδέθηκε μια ελεγχόμενη πηγή τάσης, η οποία ελέγχεται από ένα σήμα και το ρεύμα εξόδου του ανορθωτή. Τα μπλοκ αυτά προσομοιώνουν μια αντίσταση R η τιμή της οποίας εξαρτάται από το σήμα, το οποίο μαζί με το ρεύμα ελέγχει την πηγή τάσης. Το σήμα αυτό φαίνεται στο σχήμα 4.16: Σχήμα 4.16: Σήμα που χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή της χαρακτηριστικής P-ω Όπως βλέπουμε λοιπόν, η τιμή της αντίστασης το πρώτο μισό δευτερόλεπτο είναι 100Ω και μετέπειτα μειώνεται γραμμικά με το χρόνο έως τη χρονική στιγμή 4,5sec. Η σταθερή αντίσταση το πρώτο μισό δευτερόλεπτο χρησιμοποιήθηκε για να αποσβεσθούν κάποια μεταβατικά φαινόμενα στην ανεμογεννήτρια. Με το συγκεκριμένο κύκλωμα μπορούμε να χαράξουμε τη χαρακτηριστική ισχύος-στροφών [123]

138 του συστήματος, για δεδομένη ταχύτητα ανέμου. Η χάραξη της καμπύλης θα αρχίζει κάθε φορά μετά το πρώτο 0,5sec. Οι προσομοιώσεις και οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές βρέθηκαν για ταχύτητες ανέμου 5.6m/s, 8.6m/s, 11.6m/s και 15m/s και παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 4.17),: Σχήμα 4.17: Χαρακτηριστικές P-Ω για διάφορες ταχύτητες ανέμου Όπως βλέπουμε, στα 15m/s η ανεμογεννήτρια μπορεί να προσφέρει παραπάνω από 1000W, κάτι που δεν είναι επιθυμητό για το σύστημα που θέλουμε να προσομοιώσουμε. Επίσης, παρατηρούμε ότι για κάθε ταχύτητα ανέμου υπάρχει ένα σημείο μέγιστης ισχύος. Δηλαδή σε κάθε ταχύτητα ανέμου, η ανεμογεννήτρια μπορεί να αποδώσει τη μέγιστη ισχύ στο φορτίο, εάν στρέφεται με έναν συγκεκριμένο αριθμό στροφών. Αυτό είναι κάτι που θα μας απασχολήσει στη συνέχεια, όταν ασχοληθούμε με τον αλγόριθμο μέγιστης απομάστευσης ισχύος. Έκτος από την χαρακτηριστική καμπύλη P-Ω που σχεδιάσαμε, σημαντική είναι και η καμπύλη Ισχύος-Ταχύτητας ανέμου. Θυμίζουμε ότι η ανεμογεννήτρια στα τεχνικά χαρακτηριστικά της δεν παρέχει συνήθως την καμπύλη P-Ω αλλά αυτή της P- v ανέμου. Το μοντέλο ανεμογεννήτριας (whisper 200), που υπάρχει εγκατεστημένο στο εργαστήριο έχει την ακόλουθη καμπύλη ισχύος-ταχύτητας ανέμου, την οποία ιδανικά θα θέλαμε να προσομοιώσουμε: [124]

139 Σχήμα 4.18: Χαρακτηριστική P- v ανέμου της Α/Γ Whisper 200 [34] Για την χάραξη αυτής της καμπύλης χρησιμοποιήθηκε το ακόλουθο κύκλωμα (Σχήμα 4.19): Σχήμα 4.19: Κύκλωμα για εύρεση χαρακτηριστικής P-v του συστήματος Αυτή τη φορά πρέπει να αλλάζει η ταχύτητα ανέμου γραμμικά με το χρόνο. Έτσι, χρησιμοποιήθηκε το ακόλουθο σήμα ως είσοδος στο μπλοκ wind turbine. Σχήμα 4.20: Σήμα που χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή χαρακτηριστικής P-v ανέμου [125]

140 Έγιναν 3 ενδεικτικές προσομοιώσεις με σταθερή αντίσταση κάθε φορά (15, 50 και 100 Ω). Οι αντίστοιχες καμπύλες είναι οι εξής: Σχήμα 4.21: Χαρακτηριστικές P-v του συστήματος για διάφορα φορτία Όπως βλέπουμε και εδώ, η ανεμογεννήτρια μπορεί να αποδώσει ισχύ μεγαλύτερη των 1000W, συνεπώς απέχουμε αρκετά από την πραγματική χαρακτηριστική P-v της A/Γ Χάραξη χαρακτηριστικών του συστήματος Ανεμοκινητήρας-Γεννήτρια- Ανορθωτής με τη χρήση ελέγχου βήματος πτερυγίου Λόγω των μη επιθυμητών αποτελεσμάτων που παρουσιάστηκαν στη μελέτη των προηγούμενων χαρακτηριστικών του συστήματος, ήταν αναγκαίο να προστεθεί ένας έλεγχος ο οποίος θα είχε ως σκοπό να πλησιάσει τα αποτελέσματα στην πραγματικότητα. Έτσι χωρίς την αλλαγή των κυκλωμάτων, αλλά με την προσθήκη ενός επιπλέον μπλοκ, αυτό του ελέγχου, που παρουσιάστηκε στην εισαγωγή αυτής της ενότητας, πήραμε τις ακόλουθες κυματομορφές. [126]

141 Σχήμα 4.22: Χαρακτηριστικές P-Ω για διάφορες ταχύτητες ανέμου (μετά την εφαρμογή του ελέγχου) Όπως αναμέναμε, οι χαρακτηριστικές για ταχύτητες ανέμου μικρότερες της ονομαστικής δεν επηρεάστηκαν, αφού ο έλεγχος ξεκινά για μεγαλύτερες ταχύτητες. Πράγματι, στα 15m/s πλέον η ανεμογεννήτρια, ενώ στρέφεται με περισσότερες στροφές των ονομαστικών, δεν αποδίδει μεγαλύτερη ισχύ από τα 1000 W. Σχήμα 4.23: Χαρακτηριστική P-Vανέμου (μετά την εφαρμογή του ελέγχου) Παρατηρώντας το παραπάνω σχήμα, που απεικονίζει τη χαρακτηριστική ισχύοςταχύτητας ανέμου του συστήματος κατά την προσομοίωση μπορούμε να διακρίνουμε μια ειδοποιό διαφορά με αυτήν της πραγματικής ανεμογεννήτριας. Η ισχύς όταν φτάνει τα 1000 W στη μεν πρώτη αποκόπτεται απότομα και μένει σταθερή ανεξάρτητα της ταχύτητας του ανέμου ενώ στη δεύτερη πιο ομαλά και στη συνέχεια [127]

142 ακολουθεί μια μικρή πτώση. Αυτό είναι συνέπεια του ελέγχου που χρησιμοποιήθηκε. Η πρώτη συμπεριφορά είναι χαρακτηριστικό του ενεργητικού ελέγχου, ο οποίος και χρησιμοποιήθηκε, ενώ η δεύτερη του παθητικού ελέγχου (στολαρίσματος). Η καμπύλη που προκύπτει από την προσομοίωση που έγινε, είναι το γραμμοσκιασμένο μέρος του σχήματος 4.23 στην οποία παρατηρούμε μια μικρή απόκλιση με την πραγματική σε ταχύτητες μικρότερες των 10m/s, αλλά αυτό είναι θέμα του μικρού αριθμού προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκε, όπως επίσης της διαφοράς του ανεμοκινητήρα στην προσομοίωση από την πραγματικότητα. Ένας δεύτερος τρόπος να αναπαραστήσουμε την καμπύλη P-v είναι βρίσκοντας για κάθε ταχύτητα ανέμου το μέγιστο σημείο ισχύος και συνδέοντας το καθένα να σχεδιάσουμε την καμπύλη. Το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε θα αναλυθεί με λεπτομέρεια σε επόμενη ενότητα. Η χαρακτηριστική καμπύλη που προέκυψε μετά τις προσομοιώσεις είναι : Σχήμα 4.24: Χαρακτηριστική P-Vανέμου [128]

143 Vανέμου P (W) ω (pu) Vανέμου P (W) ω (pu) (m/s) (m/s) Πίνακας 4.1: Μέγιστα σημεία ισχύος για διάφορες ταχύτητες ανέμου Τέλος, όπως μπορούμε να δούμε από την παραπάνω χαρακτηριστική, η ισχύς έχει μία αναλογική σχέση με την τρίτη δύναμη της ταχύτητας ανέμου, κάτι που δικαιολογείται και από τις σχέσεις 4.4 και Προσομοίωση τροφοδοσίας φορτίου με τάση παραγόμενη από την ανεμογεννήτρια Όπως είδαμε παραπάνω, η τάση με την οποία τροφοδοτούσε το φορτίο η Α/Γ ήταν, μεταβλητής ενεργού τιμής, όπως επίσης και μεταβλητής συχνότητας, γιατί και τα δύο μεγέθη έχουν άμεση εξάρτηση από την ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας. Για να μπορέσουμε να φτιάξουμε ένα μικροδίκτυο, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η παραγωγή μιας σταθερής ενεργού τιμής και συχνότητας τάσης. Συνεπώς, θα πρέπει να παρεμβάλουμε μεταξύ της ανεμογεννήτριας και του φορτίου μετατροπείς ισχύος. Συγκεκριμένα, θα πρέπει να έχουμε έναν DC/DC μετατροπέα, ο οποίος θα παίρνει την DC τάση του ανορθωτή και -στην προκειμένη περίπτωση θα την ανυψώνει σε μια DC τάση δεδομένης τιμής για να μετατραπεί στην επιθυμητή εναλλασσόμενη τάση από έναν αντιστροφέα (DC/AC). Και οι δύο τοπολογίες αναλύονται διεξοδικά στη διπλωματική του Μπιλιανού Σωτήριου [41]. [129]

144 4.6.1 Έλεγχος του λόγου κατάτμησης του Boost μετατροπέα με κλειστό βρόχο Αρχικά επιλέξαμε να παρεμβάλλουμε ανάμεσα στο φορτίο και την ανεμογεννήτρια μόνο τον Boost μετατροπέα και να τροφοδοτούμε το φορτίο με DC τάση. Σε κάθε περίπτωση θέλουμε η τάση που τροφοδοτεί το φορτίο να είναι 400V, έτσι ώστε στη συνέχεια να παρεμβάλλουμε έναν αντιστροφέα, ο οποίος θα παρέχει AC τάση όμοια με αυτή του δικτύου στο φορτίο. Αν καταφέρουμε λοιπόν να διατηρήσουμε την τάση στο φορτίο στα 400 V, ανεξαρτήτως των μεταβολών της τάσης εισόδου ή των μεταβολών του φορτίου, η ισχύς που καταναλώνεται θα εξαρτάται αποκλειστικά από την τιμή της αντίστασης. Για να το πετύχουμε αυτό, χρησιμοποιήσαμε έναν έλεγχο κλειστού βρόχου, ώστε να μεταβάλλουμε κάθε φορά κατάλληλα το λόγο κατάτμησης, δ, του μετατροπέα. Το συνολικό κύκλωμα που σχεδιάστηκε είναι το ακόλουθο (Σχήμα 4.25): Σχήμα 4.25: Συνολικό Κύκλωμα για την τροφοδοσία ωμικού φορτίο υπό σταθερή συνεχή τάση 400V Με κόκκινο χρώμα διακρίνεται ο μετατροπέας Boost ο οποίος εσωτερικά μαζί με τον έλεγχό του είναι : [130]

145 Σχήμα 4.26: Boost και ελεγκτής PI για τον καθορισμό του λόγου κατάτμησης Ο έλεγχος κλειστού βρόχου που υλοποιήθηκε λειτουργεί ως εξής: Η τάση εξόδου του μετατροπέα που πλέον είναι η τάση πάνω στο φορτίο συγκρίνεται με μία τάση αναφοράς V ref, η οποία στην προκειμένη περίπτωση είναι 400 V. Η διαφορά των δύο τάσεων οδηγείται στον PI ελεγκτή, δηλαδή πολλαπλασιάζεται με ένα κέρδος Κ p και ολοκληρώνεται με ένα κέρδος K i. Το σήμα που παίρνουμε από την πρόσθεση των επιμέρους δυο σημάτων συγκρίνεται με μια πριονωτή τάση συχνότητας ίση με την επιθυμητή διακοπτική συχνότητα του μετατροπέα και το τελικό αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι ο παλμός με τον οποίο τροφοδοτούμε το ημιαγωγικό στοιχείο του Boost μετατροπέα. Τα K p και Κ i πρέπει να είναι κατάλληλα επιλεγμένα έτσι ώστε και να πετυχαίνουμε μηδενισμό του σφάλματος μόνιμης κατάστασης, καθώς και να έχουμε όσο το δυνατόν μικρότερη μεταβατική απόκριση [42]. Η επιλογή τους εξαρτάται επίσης, από τα στοιχεία του κυκλώματος. Συγκεκριμένα, όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή εξόδου του μετατροπέα, τόσο μικρότερο είναι το εύρος του K i που μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Οι όροι του ελεγκτή τελικά προσδιορίστηκαν μετά από αρκετές προσομοιώσεις στις τιμές K p =1.5 και K i =21, με σκοπό το τελικό σήμα που προκύπτει από την πρόσθεση των δύο επιμέρους όρων να σταθεροποιείται σε τιμές μεγαλύτερες του 0 και μικρότερες του 10, δηλαδή 10 φορές το λόγο κατάτμησης. Η σταθεροποίηση της τιμής του σήματος αυτού ή με άλλα λόγια η λειτουργία του ελέγχου, όπως φάνηκε από τις προσομοιώσεις, έχει άμεση σχέση με τους ακόλουθους παράγοντες. 1. Τα κέρδη Κ p και Κ i. Μη επιτρεπτές τιμές κερδών μπορεί να οδηγήσουν απευθείας το σύστημα στην αστάθεια [131]

146 2. Τα όρια που έχει ο λόγος κατάτμησης λόγω του ότι στην είσοδο του μετατροπέα δεν έχουμε μια πηγή τάσης που μπορεί θεωρητικά να προσφέρει άπειρη ισχύ, αλλά μια πηγή δεδομένης ισχύος. Θα μπορούσε να προσομοιαστεί από μια πηγή τάσης εν σειρά με μια αντίσταση, η οποία πηγή τάσης όμως δεν μπορεί να προσφέρει πάνω από κάποιο όριο ισχύος. Επίσης, πρέπει να θυμηθούμε ότι η αντίσταση που φαίνεται από την είσοδο κάθε μετατροπέα εξαρτάται από το λόγο κατάτμησης δ. Στην απλούστερη μορφή, δηλαδή, θα είχαμε ένα κύκλωμα σαν το παρακάτω, με την Ro να μεταβάλλεται. Στον Boost η σχέση που συνδέει την αντίσταση εξόδου και αυτή που φαίνεται από την είσοδο είναι 2 boost Έστω λοιπόν ένα παράδειγμα: Αν η πηγή τάσης είναι 400V και μέγιστης ισχύος 1200W, η R1 είναι 100 Ω τότε η Ri _boost πρέπει να είναι πάντα μεγαλύτερη των 33 Ω. Αν στη θέση της Ri _boost, είχαμε έναν Boost θα έπρεπε η Ri _boost > 33Ω κι αν το φορτίο στην έξοδο ήταν 100Ω τότε θα πρέπει κι η Ri _boost <100Ω δηλαδή το δ να ανήκει στο διάστημα [0, 0.42]. Λόγω του ότι στο σύστημα δε γίνεται έλεγχος για μέγιστη απομάστευση ισχύος (MPPT), μεγάλο μέρος της ενέργειας στην Α/Γ μένει αναξιοποίητο, όπως βλέπουμε από τον παρακάτω πίνακα. Ο τρόπος που βρέθηκε η μέγιστη ισχύς που μπορεί να δώσει η ανεμογεννήτρια, θα αναλυθεί σε επόμενη ενότητα, ενώ η μέγιστη ισχύς φορτίου που επιτρέπεται για να λειτουργεί το σύστημα βρέθηκε μετά από πολλές δοκιμαστικές προσομοιώσεις, με διάφορα φορτία, για τις αντίστοιχες ταχύτητες ανέμου. [132]

147 Ταχύτητα ανέμου Μέγιστη ισχύς που Μέγιστη Ισχύς φορτίου που (m/s) μπορεί να δώσει η επιτρέπεται για να Α/Γ (W) λειτουργεί το σύστημα (W) 11, , , , Πίνακας 4.2: Μέγιστο επιτρεπτό φορτίο σε αντιπαραβολή με τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να δώσει η γεννήτρια Ακολουθούν παλμογραφήματα για κάποιες περιπτώσεις ταχυτήτων ανέμου που προσομοιώθηκαν. Θεωρήθηκε σκόπιμο να παρουσιαστούν αποτελέσματα από τουλάχιστον τρεις ταχύτητες ανέμου, την ονομαστική (11.6m/s), μια μεγαλύτερη (όπου η ισχύς της Α/Γ περιορίζεται πλέον από τον έλεγχο στη γωνία βήματος πτερυγίου) και μια μικρότερη αυτής. - Ταχύτητα ανέμου 11,6m/s Ισχύς φορτίου 800W: Σχήμα 4.27: Iσχύς ανεμογεννήτριας υπό άνεμο 11,6m/s με την εφαρμογή PIελέγχου [133]

148 Σχήμα 4.28: Στροφές ανεμογεννήτριας υπό άνεμο 11,6m/s με την εφαρμογή PI ελέγχου Σχήμα 4.29: Τάση εξόδου του Boost μετατροπέα Όπως παρατηρούμε από την κυματομορφή της ισχύος, η ισχύς της Α/Γ είναι 920 W ενώ αυτή του φορτίου 800W, έχουμε δηλαδή 120 W απώλειες πάνω στον μετατροπέα. Οι στροφές της μηχανής σταθεροποιούνται στις 1.15pu, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.28, δηλαδή σύμφωνα με την επιλογή που κάναμε στην ανεμογεννήτρια (το peak της πολικής τάσης να είναι 123V/krpm) μπορούμε να υπολογίσουμε την τάση εισόδου στο μετατροπέα και συνεπώς το λόγο κατάτμησης. pu nom ανορθωτή Boost Vin Boost / Vout Boost [134]

149 Στο σχήμα 4.29 βλέπουμε και την κυματομορφή της τάσης πάνω στην αντίσταση, η οποία σταθεροποιήθηκε στα 400 V. - Ταχύτητα ανέμου 12,92m/s Ισχύς φορτίου 800W Σχήμα 4.30: Iσχύς ανεμογεννήτριας υπό άνεμο 12,92m/s με την εφαρμογή PI ελέγχου Σχήμα 4.31: Στροφές ανεμογεννήτριας υπό άνεμο 12,92m/s με την εφαρμογή PI ελέγχου Σχήμα 4.32: Τάση εξόδου του Boost μετατροπέα [135]

150 - Ταχύτητα ανέμου 6,4m/s Ισχύς φορτίου 100W Σχήμα 4.33: Iσχύς ανεμογεννήτριας υπό άνεμο 6,4m/s με την εφαρμογή PI ελέγχου Σχήμα 4.34: Στροφές ανεμογεννήτριας υπό άνεμο 6,4m/s με την εφαρμογή PI ελέγχου Σχήμα 4.35: Τάση εξόδου του Boost μετατροπέα [136]

151 Όπως παρατηρούμε, και στις τρεις περιπτώσεις η αρχική ισχύς της ανεμογεννήτριας είναι 1000W, λόγω της αρχικοποίησης που έχει γίνει στις στροφές. Επίσης, η τάση εξόδου του DC/DC μετατροπέα σταθεροποιείται, μετά την εφαρμογή του ελέγχου στην επιθυμητή τιμή των 400V, ενώ οι υπερυψώσεις στις κυματοφορφές των στροφών αλλά και των τάσεων οφείλονται στον έλεγχο και μάλιστα στην επιλογή των κερδών Κ p και Κ i, που έχει γίνει. Στη συνέχεια επιχειρήσαμε να συνδέσουμε ένα μονοφασικό αντιστροφέα (DC/AC μετατροπέα) με σταθερό ma=0.81 έτσι ώστε να τροφοδοτήσουμε το φορτίο με μια τάση, με χαρακτηριστικά όμοια με αυτά του δικτύου (230V, 50Hz). Έτσι τώρα το συνολικό κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα 4.36 : Σχήμα 4.36: Συνολικό κύκλωμα για τροφοδοσία του φορτίου με τάση όμοια με αυτή του δικτύου Μετά τη σύνδεση του αντιστροφέα παρατηρήθηκε ότι οι απώλειες που είχε το σύστημα πλέον έγιναν αισθητά μεγαλύτερες με αποτέλεσμα να κάνει το κύκλωμα μη λειτουργικό σχεδόν για όλες τις ταχύτητες ανέμου. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται ορισμένες από τις οριακές τιμές, όπου το σύστημα λειτουργεί. Όπως και προηγουμένως μέγιστη ισχύς του φορτίου που επιτρέπεται, ώστε να λειτουργεί το σύστημα βρέθηκε μετά από πολλές δοκιμαστικές προσομοιώσεις για κάθε ταχύτητα ανέμου. [137]

152 Μέγιστη ισχύς που Μέγιστη Ισχύς φορτίου Ταχύτητα ανέμου (m/s) μπορεί να δώσει η Α/Γ (W) που επιτρέπεται για να λειτουργεί το σύστημα (W) 11, , , , Πίνακας 4. 3: Μέγιστο επιτρεπτό φορτίο σε αντιπαραβολή με τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να δώσει η γεννήτρια Έτσι, λοιπόν, αναζητήθηκε ένας άλλος τρόπος τροφοδοσίας του φορτίου με τάση δικτύου από την ανεμογεννήτρια, ο οποίος θα αξιοποιούσε τις ενεργειακές δυνατότητες του συστήματος. Κύριο μέλημα, δηλαδή, πρέπει να είναι ο μετατροπέας Boost να απορροφά τη μέγιστη ισχύ που του προσφέρει η Α/Γ και όχι η ανύψωση της τάσης στα 400V Προσομοίωση ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος στην ανεμογεννήτρια Όπως παρατηρούμε από το Σχήμα 4.15 η ισχύς που παράγει η ανεμογεννήτρια είναι συνάρτηση δύο παραγόντων, της ταχύτητας ανέμου και της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα. Συνεπώς, ρυθμίζοντας κατάλληλα την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι δυνατό να λειτουργήσει η ανεμογεννήτρια στην καμπύλη βέλτιστης ισχύος. Για μια σύγχρονη γεννήτρια ισχύει [43]: (4.19) (4.20) [138]

153 Όπου U s : η τάση εξόδου της γεννήτριας Ε: η επαγόμενη τάση στο στάτη I s : το ρεύμα εξόδου της γεννήτριας (ρεύμα στάτη) R s : η αντίσταση του στάτη L s : η επαγωγή του στάτη Κ: σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής λ: η μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής ω r : η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της μηχανής Μετατρέποντας την παραπάνω σχέση στο πεδίο του Laplace και με μηδενικές αρχικές συνθήκες έχουμε: (4.21) Η ισχύς εξόδου της γεννήτριας είναι Ps(s)=Us Is(s) άρα Ιs(s)=Ps(s)/Us(s). Όπως αναφέρθηκε η ισχύς είναι μια συνάρτηση της μορφής: Ps= P(v,ωr) Αντικαθιστώντας τα παραπάνω στην εξίσωση της τάσης στο πεδίο Laplace έχουμε: (4.22) Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι για δεδομένη ταχύτητα ανέμου v εφαρμόζοντας μία τάση Us στην έξοδο της γεννήτριας μπορούμε να ρυθμίσουμε τις στροφές της ω r. Θεωρώντας την αντίσταση και την επαγωγή του στάτη αμελητέες η εξίσωση απλοποιείται στην : (4.23) Επειδή πρόκειται για γεννήτρια μόνιμων μαγνητών, η μαγνητική ροή λ είναι σταθερή μετατρέποντας, έτσι, τη σχέση της τάσης με την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα γραμμική και ανεξάρτητη της ταχύτητας ανέμου. Το ζητούμενο, δηλαδή πλέον, είναι η εφαρμογή κατάλληλης τάσης στην έξοδο της γεννήτριας. Αν θεωρήσουμε την τάση εξόδου του μετατροπέα ανύψωσης σταθερή, τότε μεταβάλλοντας το λόγο κατάτμησής του κατάλληλα, μπορούμε να ρυθμίζουμε την τάση εισόδου του κατά το δοκούν. Υπάρχουν δύο τρόποι για να επιτευχθεί αυτό [44]: [139]

154 I. Χρησιμοποιώντας χαρακτηριστικές του συστήματος που μελετάται Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο σε έναν πίνακα αντιστοίχισης (look-up table) είναι αποθηκευμένη η καμπύλη μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελεί συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου (v) και της γωνιακής ταχύτητας του δρομέα (ω r ). Με έναν αισθητήρα μετράται η ταχύτητα ανέμου η τιμή της οποίας στέλνεται στον ελεγκτή και προσπελαύνοντας τον πίνακα αντιστοίχισης βρίσκει την ταχύτητα του δρομέα στην οποία αντιστοιχεί το σημείο μέγιστης ισχύος. Η τιμή αυτή, αποτελεί την αναφορά σε έναν PI ελεγκτή και συγκρίνεται με την ταχύτητα του δρομέα, η οποία μετράται. Η έξοδος του PI ελεγκτή είναι ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Σχήμα 4.37: MPPT με πίνακα αντιστοίχισης II. Μέσω αλγορίθμου ανίχνευσης σημείου μέγιστης ισχύος. Υπάρχουν δύο κύριοι αλγόριθμοι, που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση μέγιστου σημείου ισχύος, incremental conductance (διαφορικής αγωγιμότητας) και perturb and observe (διαταραχής και παρατήρησης). Η μέθοδος της διαφορικής αγωγιμότητας [30, 45, 46] βασίζεται στο γεγονός ότι στο σημείο μέγιστης ισχύος θα ισχύει Όπου Ι και V το ρεύμα και η τάση εξόδου της ανεμογεννήτριας. Όταν το σημείο λειτουργίας της χαρακτηριστικής P-ω βρίσκεται δεξιά του σημείου απόδοσης μέγιστης ισχύος (MPP), ισχύει : [140]

155 Ενώ όταν το σημείο λειτουργίας βρίσκεται αριστερά του σημείου απόδοσης μέγιστης ισχύος (MPP), ισχύει : Το σημείο απόδοσης μέγιστης ισχύος μπορεί να ανιχνευτεί, συγκρίνοντας τη στιγμιαία αγωγιμότητα Ι/V με τη διαφορική αγωγιμότητα di/dv. Έτσι το πρόσημο της ποσότητας υποδεικνύει τη σωστή κατεύθυνση μεταβολής της τάσης και του ρεύματος για να προσεγγιστεί το σημείο απόδοσης μέγιστης ισχύος. Μόλις το σημείο απόδοσης μέγιστης ισχύος προσεγγιστεί, το σημείο λειτουργίας διατηρείται, εκτός και αν σημειωθεί κάποια μεταβολή di. Στην περίπτωση αυτή, το σύστημα ελέγχου αυξάνει ή μειώνει την τάση για να προσεγγιστεί το νέο MPP. Ένα ενδεικτικό διάγραμμα ροής αυτής της μεθόδου είναι το ακόλουθο: Σχήμα 4.38: Διάγραμμα ροής της μεθόδου Incremental Conductance Η μέθοδος Perturb and Observe (P&Ο) [45,47] είναι αυτή που χρησιμοποιείται στις προσομοιώσεις για την εύρεση μέγιστου σημείου ισχύος στην παρούσα διπλωματική. Λειτουργεί μεταβάλλοντας περιοδικά (αυξάνοντας ή μειώνοντας την τάση και συγκρίνει την ηλεκτρική ισχύ που παράγεται με αυτή του προηγούμενου κύκλου Εάν με τη μεταβολή της τάσης η παρεχόμενη ισχύς αυξάνεται ( ), το σύστημα ελέγχου συνεχίζει να μεταβάλλει το σημείο λειτουργίας προς την ίδια [141]

156 κατεύθυνση. Διαφορετικά το σημείο λειτουργίας μεταβάλλεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στον επόμενο κύκλο η μέθοδος λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται το διάγραμμα ροής της μεθόδου: Σχήμα 4.39: Διάγραμμα ροής της μεθόδου P&O Ένα μειονέκτημα της μεθόδου αυτής συγκριτικά με τη μέθοδο incremental conductance είναι οι ταλαντώσεις που παρουσιάζονται γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος. Επιπλέον, λόγω του ότι στη μέθοδο incremental conductance υπολογίζεται η παράγωγος της ισχύος, σε μεταβολές των συνθηκών δεν αποπροσανατολίζεται. Τελευταία χρησιμοποιείται και η μέθοδος η οποία συνδυάζει την P&O και ασαφή λογική [48] και αυξάνει την αξιοπιστία σε δυναμικές καταστάσεις. Για να εφαρμόσουμε τον αλγόριθμο ανίχνευσης μέγιστου σημείου ισχύος σχεδιάσαμε το επόμενο κύκλωμα: Σχήμα 4.40: Συνολικό κύκλωμα για την εφαρμογή MPPT Όπως βλέπουμε, θεωρούμε την τάση στην έξοδο του ανυψωτή τάσης (με κόκκινο χρώμα) σταθερή στα 400V DC. Επειδή οι προσομοιώσεις ήταν αρκετά αργές προσομοιώσαμε το μοντέλο του μετατροπέα Boost με εξισώσεις (average model) κι [142]

157 όχι με το κυκλωματικό μοντέλο του. Συγκεκριμένα, οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν είναι: (4.24) Και (4.25) Τελικά το μοντέλο του Boost μετατροπέα με τον MPPT έλεγχο είναι το ακόλουθο (Σχήμα 4.41): Σχήμα 4.41: Boost average model Το υποσύστημα MPPT υλοποιεί τον αλγόριθμο P&O έχοντας ως είσοδο την τάση και το ρεύμα στην είσοδο του μετατροπέα και έξοδο το λόγο κατάτμησης δ. Το εσωτερικό του υποσυστήματος φαίνεται στην επόμενη εικόνα (Σχήμα 4.42): [143]

158 Σχήμα 4.42: Εσωτερικό του υποσυστήματος που υλοποιεί τον αλγόριθμο του MPPT Όπως φαίνεται, η τάση και το ρεύμα δειγματοληπτούνται μέσω του μπλοκ Zero Order Hold. Αυτό γίνεται για να μειωθούν αρχικά τα δείγματα και άρα ο χρόνος υλοποίησης του αλγορίθμου και κατά δεύτερον να αποφευχθεί τυχόν αστοχία του αλγορίθμου λόγω κυματώσεων της τάσης ή του ρεύματος. Η τάση και το ρεύμα πολλαπλασιάζονται για να μας δώσουν την ισχύ P. Ο αλγόριθμος απαιτεί τον υπολογισμό του ΔP= P-Pk όπου η Pk είναι η προηγούμενη τιμή του P. Αυτήν μπορούμε να την υπολογίσουμε περνώντας το σήμα P μέσω ενός καθυστερητή (Unit Delay). Ο καθυστερητής αυτός, μας δίνει τις προηγούμενες δειγματοληπτούμενες τιμές της τάσης (Vk) και της ισχύος (Pk). Ο καθυστερητής στην τιμή του λόγου κατάτμησης d έχει μπει, έτσι ώστε να μπορούμε να ορίζουμε μια αρχική τιμή στο λόγο κατάτμησης. Τα παραπάνω σήματα εισέρχονται ως είσοδοι στο block ΜATLAB Function, το οποίο μας δίνει τη δυνατότητα να γράψουμε έναν κώδικα για τη σχέση της εξόδου (στην προκειμένη περίπτωση ο λόγος κατάτμησης δ) και των εισόδων. Ο κώδικας που γράφτηκε φαίνεται παρακάτω και υλοποιεί το διάγραμμα ροής της perturb and observe μεθόδου. [144]

159 Σχήμα 4.43: Κώδικας για την υλοποίηση του διαγράμματος ροής της P&O μεθόδου. Στην αρχή ορίζονται το όνομα της συνάρτησης, η έξοδος και οι μεταβλητές εισόδου. Το Dd είναι το βήμα με το οποίο αλλάζουμε το λόγο κατάτμησης σε κάθε κύκλο και έχει οριστεί Όπως βλέπουμε, αρχίζει ένας βρόχος επανάληψης, ο οποίος υλοποιείται μόνο μια φορά. Αυτό γίνεται αναγκαστικά, γιατί η υλοποίηση του αλγορίθμου δε συμβαδίζει χρονικά με την υπόλοιπη προσομοίωση. Ό κώδικας μέσω των τελευταίων δυο εντολών σταματάει την υλοποίησή του για 0.1 δευτερόλεπτα το οποίο είναι και η περίοδος δειγματοληψίας της τάσης και του ρεύματος, που αναφέρθηκε προηγουμένως (μέσω του ZOH). Με το πέρας του χρονικού διαστήματος αυτού ο κώδικας υλοποιείται για άλλη μια φορά. Αν δεν υπήρχαν οι εντολές παύσης και ο βρόχος της μιας επανάληψης, η προσομοίωση θα άρχιζε, αλλά δε θα ολοκληρωνόταν ποτέ γιατί ο κώδικας θα έτρεχε συνέχεια Σταθερός άνεμος χωρίς την εφαρμογή ελέγχου MPPT Αρχικά προσομοιώθηκε το σύστημα για σταθερό λόγο κατάτμησης δ=0,9 και σταθερή ταχύτητα ανέμου 7 m/s. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι κυματομορφές της τάσης, των στροφών της γεννήτριας και της μηχανικής ισχύος στον άξονα της ανεμογεννήτριας. [145]

160 Σχήμα 4.44: Στροφές δρομέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.45: Τάση εισόδου μετατροπέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.46: Μηχανική Ισχύς εισόδου Α/Γ ως συνάρτηση του χρόνου Οι στροφές του δρομέα είναι περίπου 380/λεπτό, όπως φαίνεται στο Σχήμα Όπως αναμενόταν, επειδή στην ανεμογεννήτρια δεν εφαρμόζεται κανένας έλεγχος, η ισχύς που αποδίδεται είναι αρκετά μικρότερη από αυτή που θα μπορούσε να αποδώσει η μηχανή σε αυτήν την ταχύτητα ανέμου. Συγκεκριμένα, όπως βλέπουμε [146]

161 στο Σχήμα 4.46, η ισχύς είναι περίπου 77W αντί των 220W που μπορεί να αποδώσει η ανεμογεννήτρια αν λειτουργήσει στο μέγιστο σημείο ισχύος (Πίνακας 4.1). Επίσης, λόγω του ότι ο λόγος κατάτμησης είναι δ=0.9 και η τάση εξόδου του μετατροπέα σταθερή στα 400V, όπως αναμενόταν η τάση εισόδου του Boost ταλαντώνεται γύρω από τη μέση τιμή των 40V Σταθερός άνεμος με εφαρμογή ελέγχου MPPT Με σταθερό άνεμο 7m/s, αρχικό λόγο κατάτμησης δ=0.9 και εφαρμογή του MPPT ελέγχου, η προσομοίωση έδωσε τα ακόλουθα αποτελέσματα. Σχήμα 4.47: Λόγος κατάτμησης ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.48: Μεγεθυμένος λόγος κατάτμησης στο MPP [147]

162 Σχήμα 4.49: Στροφές δρομέα ως συνάρτηση του χρόνου Σχήμα 4.50: Μεγέθυνση στροφών δρομέα στο MPP Σχήμα 4.51: Μηχανική Ισχύς εισόδου Α/Γ ως συνάρτηση του χρόνου [148]

163 Σχήμα 4.52: Μεγεθυμένη μηχανική ισχύς εισόδου Α/Γ στο MPP Παρατηρούμε, πως ο λόγος κατάτμησης ταλαντώνεται γύρω από τη μέση τιμή του 0,8, πράγμα που οδηγεί σε ταλάντωση τις στροφές της μηχανής γύρω από τα 0.61pu ή αλλιώς τις 740 / min, όπως δείχνουν τα σχήματα 4.49 και Σε αυτές τις στροφές και στη συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου η Α/Γ αποδίδει τη μέγιστη ισχύ που είναι τα 220W (Πίνακας 4.1). Βλέπουμε, τέλος, την ταλάντωση του λόγου κατάτμησης εξαιτίας του αλγορίθμου P&O που οδηγεί και σε ταλάντωση γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος Βηματικές μεταβολές ανέμου Αρχικά, εφαρμόζεται άνεμος ταχύτητας 13m/s, τη χρονική στιγμή t=3s γίνεται 11,6m/s και τη χρονική t=6s γίνεται 7m/s. Προκύπτουν τα εξής σχήματα: [149]

164 Σχήμα 4.53: Ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς σε βηματικές μεταβολές ανέμου ως συνάρτηση του χρόνου Με κάθε αλλαγή της ταχύτητας ανέμου, οι στροφές και η ισχύς φαίνεται να αλλάζουν ακαριαία ενώ παράλληλα αρχίζει η αναζήτηση από τον αλγόριθμο για νέο κατάλληλο λόγο κατάτμησης. Όταν η ταχύτητα είναι 13m/s μεγαλύτερη δηλαδή από την ονομαστική φαίνεται αρχικά να λειτουργεί ο έλεγχος ΜPPT ο οποίος βρίσκει το σημείο μέγιστης ισχύος (1400 W) αλλά στη συνέχεια αναλαμβάνει ο έλεγχος της γωνίας βήματος και περιορίζει την ισχύ στο επιθυμητό όριο των 1000 W, με συνέπεια ο λόγος κατάτμησης να αλλάζει και να σταθεροποιείται σε μια τιμή, ώστε η ισχύς να μην είναι λιγότερη από 1000W Άνεμος με διαταραχές Εδώ εξετάζεται η περίπτωση όπου ο άνεμος από σταθερός 7m/s αποκτά μία κυμάτωση [49]. [150]

165 Σχήμα 4.54: Ταχύτητα ανέμου, λόγος κατάτμησης, στροφές δρομέα και ισχύς σε μεταβολή σε άνεμο με διαταραχές ως συνάρτηση του χρόνου Παρατηρούμε πως η κυμάτωση αφήνει ανεπηρέαστο το λόγο κατάτμησης, ενώ παράλληλα επηρεάζει την κυματομορφή της ισχύος και των στροφών του δρομέα Διατήρηση σταθερής τάσης στη συνεχή διασύνδεση- Σύνδεση στο δίκτυο Μέχρι στιγμής, θεωρούσαμε ότι η τάση DC στη διασύνδεση των δύο μετατροπέων είναι σταθερή στα 400 V. Πράγματι, με την εφαρμογή του κλειστού βρόχου η τάση παρέμενε σταθερή. Αυτό όμως δεν ισχύει απαραίτητα όταν έχουμε έλεγχο για μέγιστη απορρόφηση ισχύος. Συγκεκριμένα, μεταξύ των δύο μετατροπέων υπάρχει ένας πυκνωτής, με χωρητικότητα της τάξης των 5mF. Για την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης ισχύει πως αν η ισχύς που μεταφέρεται στον πυκνωτή από το σύστημα ανεμογεννήτρια - ανορθωτής - Boost είναι μεγαλύτερη από την ισχύ που μεταφέρεται [151]

166 από τον πυκνωτή στο φορτίο μέσω του αντιστροφέα, η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης αρχίζει να αυξάνεται [22]. Αυτό το συμπέρασμα προκύπτει εύκολα αν σκεφτούμε ότι ισχύει η παρακάτω σχέση: 1 2 EC C VC 2 dec dvc C dt dt dvc Pin Pout dt c C (4.26) Συνεπώς εκ πρώτης για να μπορέσει να λειτουργήσει το σύστημα θα πρέπει να συνδεθεί με μια «καταβόθρα» φορτίου, όπως για παράδειγμα οι μπαταρίες ή το δίκτυο. Κατά δεύτερον θα πρέπει να γίνεται ένας έλεγχος κατά τρόπο τέτοιο ώστε όταν αυξάνεται η τάση στα άκρα του πυκνωτή να δίνεται εντολή να αυξάνεται η ενεργός ισχύς που αποδίδεται από τον αντιστροφέα, έως ότου η τάση στον πυκνωτή γίνει πάλι ίση με την προκαθορισμένη τιμή. Αντίστοιχα, μόλις παρατηρηθεί μείωση της τάσης του πυκνωτή, μειώνεται η ενεργός ισχύς που στέλνει ο αντιστροφέας έως ότου η τάση στα άκρα του επιστρέψει στην προκαθορισμένη τιμή. Μια εύκολη υλοποίηση που μπορεί να μας δώσει ικανοποιητική ταχύτητα είναι ένας PI βρόχος. Σχήμα 4.55: PI βρόχος για την σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή Ως θετική είσοδο στο PI βάζουμε την προκαθορισμένη τιμή τάσης, ενώ ως αρνητική τη μετρούμενη τιμή τάσης του πυκνωτή. Η έξοδος του PI αυτού δίνει την αναφορά ενεργού ισχύος που πρέπει να στείλει ο αντιστροφέας. Παράλληλα, εκτός από τον έλεγχο ενεργού ισχύος απαιτείται ο συνεχής έλεγχος αέργου ισχύος η μεταφορά της οποίας προς την καταβόθρα φορτίου για τη διατήρηση μοναδιαίου συντελεστή ισχύος απαιτείται να είναι συνεχώς μηδενική. Αρχικά επιλέχτηκε ως αποθήκη φορτίου το δίκτυο. [152]

167 Για τον έλεγχο ενεργού και αέργου ισχύος προς το δίκτυο επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ο μη ιδανικός PR ελεγκτής (ελεγκτής αναλογικός-συντονισμού), ο οποίος αναλύεται με λεπτομέρεια στη διπλωματική του Γ. Πυρρή [22]. Ο ελεγκτής αυτός έχει συνάρτηση μεταφοράς: PR () s K K s p I s s C C (4.27) Ο έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος στο μονοφασικό αντιστροφέα με χρήση του PR ελεγκτή φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 4.56: Δημιουργία της παλμοδότησης σε μονοφασικό αντιστροφέα για έλεγχο ενεργού - αέργου ισχύος με χρήση PR ελεγκτή Ισχύει η παρακάτω σχέση για την ενεργό ισχύ που εγχέει ο αντιστροφέας στο δίκτυο: Pactive VGRID, RMS IOUT, RMS cos (4.28) άρα έχουμε: I OUT, RMS V Pactive, cos GRID RMS (4.29) κι επειδή έχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος θεωρούμε cosφ = 1. Επιπλέον, για να έχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος πρέπει το ρεύμα αναφοράς να είναι ημιτονοειδές συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου κι έτσι παίρνουμε: P i ( t) I 2 cos( t ) 2 cos( t ) active OUT OUT, RMS grid grid grid grid VGRID, RMS (4.30) Η αναφορά ενεργού ισχύος που μας δίνει ο εξωτερικός PI ελεγκτής για την σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης διαιρείται με την ενεργό τιμή του δικτύου στο οποίο θέλουμε να συνδέσουμε τον αντιστροφέα. Έπειτα, το σήμα που παράγεται από τη διαίρεση πολλαπλασιάζεται με 2 και με ένα μοναδιαίο ημιτονοειδές σήμα συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου. Το ημιτονοειδές σήμα που προκύπτει είναι το ρεύμα αναφοράς, το οποίο αποτελεί τη θετική είσοδο του PR [153]

168 controller, ενώ το μετρούμενο ρεύμα εξόδου αποτελεί την αρνητική ανατροφοδότηση του βρόχου ελέγχου. Το σήμα που παράγεται στην έξοδο του ελεγκτή αποτελεί την τάση ελέγχου της SPWM παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Για την προσομοίωση του παραπάνω ελέγχου σχεδιάστηκε το εξής κύκλωμα: Σχήμα 4.57: Κύκλωμα για την εφαρμογή του ελέγχου ενεργού-αέργου ισχύος Αρχικά, γίνεται συγχρονισμός της τάσης δικτύου και της τάσης εξόδου του αντιστροφέα και στη συνέχεια (μετά από 0.08s) γίνεται η σύνδεση του δικτύου. Ο συγχρονισμός γίνεται μέσω του υποσυστήματος sygxronismos που είναι: Σχήμα 4.58: Συγχρονισμός της τάσης εξόδου αντιστροφέα με αυτή του δικτύου πριν τη σύνδεση Η ενεργός τιμή της τάσης, που μετράται στην έξοδο του αντιστροφέα, συγκρίνεται με αυτή του δικτύου μέσω ενός ελεγκτή PI, του οποίου η έξοδος είναι το επιθυμητό ma του αντιστροφέα. Επειδή έχουμε χρησιμοποιήσει το average μοντέλο του [154]

169 αντιστροφέα, αρκεί για την παλμοδότηση ένα ημίτονο αναφοράς της μορφής sin1=ma*sin(2πf δικτύου ). Το πρώτο 1s οι δυο μετατροπείς δεν είναι συνδεδεμένοι και η τάση στην είσοδο του αντιστροφέα παραμένει σταθερή από μια πηγή DC τάσης 400V, η οποία στη συνέχεια αποσυνδέεται. Το διάστημα [0.08, 0.8s], την τροφοδοσία του δικτύου και του φορτίου την αναλαμβάνει η πηγή τάσης έχοντας ορίσει μια ισχύ αναφοράς της επιλογής μας. Σημειώνεται πως όποια ισχύ και να χρησιμοποιήσουμε η πηγή τάσης DC θα μπορεί να την προσφέρει. Μετά το πέρας του 1s, αποσυνδέεται η πηγή τάσης και οι δύο μετατροπείς συνδέονται μεταξύ τους. Πλέον την τροφοδοσία του φορτίου αναλαμβάνει η ανεμογεννήτρια. Αν η ισχύς που μπορεί να προσφέρει η Α/Γ περισσεύει, τότε η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης θα αρχίσει να αυξάνει κι ο έλεγχος θα λάβει χώρα. Αντίστοιχα, αν υπάρχει έλλειμμα ισχύος η τάση θα αρχίσει να μειώνεται και τότε πλέον το φορτίο θα καλύπτει την ισχύ του τόσο από την παρεχόμενη από την Α/Γ ισχύ, όσο και από το δίκτυο. Ο έλεγχος ενεργού- αέργου ισχύος γίνεται στο παρακάτω υποσύστημα: Σχήμα 4.59: Υποσύστημα ελέγχου ενεργού-αέργου ισχύος Είσοδοι του υποσυστήματος αποτελούν το ρεύμα που μετράται στην έξοδο του αντιστροφέα, το ημίτονο της τάσης δικτύου και η ισχύς αναφοράς, η οποία το πρώτο δευτερόλεπτο προσομοίωσης είναι σταθερή, καθορισμένη από εμάς και μετά είναι η έξοδος του PI ελεγκτή της τάσης στον πυκνωτή διασύνδεσης. Δημιουργείται το ρεύμα αναφοράς, όπως εξηγήθηκε στο Σχήμα 4.55, και συγκρίνεται με το μετρούμενο ρεύμα. Η διαφορά οδηγείται στον PR ελεγκτή: [155]

170 Σχήμα 4.60: Υποσύστημα PR ελεγκτή Το συνολικό κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του φορτίου και τη σύνδεση στο δίκτυο είναι: Σχήμα 4.61: Συνολικό κύκλωμα για την τροφοδοσία φορτίου και τη σύνδεση στο δίκτυο Με κόκκινο χρώμα φαίνεται το μπλοκ του Boost με τον MPPT έλεγχο και με πορτοκαλί, ο αντιστροφέας με τον έλεγχο. Το φορτίο μας έχει ρυθμιστεί στα 100Ω άρα στα 529W. [156]

171 Σχήμα 4.62: Ισχύς εισόδου του μετατροπέα Boost Σχήμα 4.63: Στροφές ανεμογεννήτριας [157]

172 Σχήμα 4.64: Λόγος κατάτμησης στο μετατροπέα Boost Όπως παρατηρούμε, ο MPPT έλεγχος βρίσκει το σημείο μέγιστης ισχύος στα 1.5s, όπου η ανεμογεννήτρια μπορεί να αποδώσει 1000W, 500W παραπάνω περίπου από τις ανάγκες του φορτίου. Επίσης, μπορούμε να δούμε πως ήδη από το πρώτο δευτερόλεπτο (στιγμή που αποσυνδέεται η πηγή τάσης) μπορεί η ανεμογεννήτρια να ικανοποιήσει το φορτίο. Συνεπώς, κάποιο ποσό ισχύος πρέπει να οδηγηθεί προς το δίκτυο. Αυτό φαίνεται από την τάση του πυκνωτή διασύνδεσης στο παρακάτω σχήμα η οποία όταν συνδέονται οι δυο μετατροπείς αρχίζει να αυξάνεται. Σχήμα 4.65: Τάση του πυκνωτή διασύνδεσης [158]

173 Σχήμα 4.66: Ενεργός ισχύς εξόδου αντιστροφέα Σχήμα 4.67: Άεργος ισχύς εξόδου αντιστροφέα Η ενεργός ισχύς στην έξοδο του αντιστροφέα σταθεροποιείται στα 935W, από τα οποία τα 530 ικανοποιούν το φορτίο και τα υπόλοιπα ρέουν προς το δίκτυο. Κατά τις χρονικές στιγμές που ανοίγουν οι διακόπτες που προαναφέρθηκαν, βλέπουμε στις γραφικές παραστάσεις της ενεργού και αέργου ισχύος κάποιες ταλαντώσεις η οποίες αποτελούν μεταβατικά φαινόμενα τα οποία αποσβένουν στη συνέχεια. Συμπεραίνουμε, πως το όλο σύστημα έχει απόδοση 93% περίπου που είναι [159]

174 ικανοποιητική. Η άεργος ισχύς σταθεροποιείται σε μια πολύ μικρή τιμή (5Var περίπου) Μεταβολή ταχύτητας ανέμου Θέλοντας να απεικονίσουμε τον τρόπο που το δίκτυο προσδίδει ή απορροφά ισχύ ανάλογα με τις ανάγκες κάθε φορά του φορτίου, μεταβάλλουμε την ταχύτητα ανέμου από 11,6m/s σε 7m/s. Θυμίζουμε το MPP των 7m/s είναι στα 220W (Πίνακας 4.1), τα οποία δεν μπορούν να ικανοποιήσουν το συγκεκριμένο φορτίο. Τα παλμογραφήματα που πήραμε είναι: Σχήμα 4.68: Ισχύς εισόδου του μετατροπέα Boost [160]

175 Σχήμα 4.69: Λόγος κατάτμησης στο μετατροπέα Boost Σχήμα 4.70: Τάση του πυκνωτή διασύνδεσης [161]

176 Σχήμα 4.71: Ενεργός ισχύς εξόδου αντιστροφέα Σχήμα 4.72: Ενεργός ισχύς από και προς το δίκτυο Όπως αναμέναμε, με τη μείωση στην ταχύτητα ανέμου η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης αρχίζει να μειώνεται, καθώς υπάρχει έλλειψη ισχύος για την κάλυψη του φορτίου. Το δίκτυο ενώ απορροφούσε περίπου 400W τώρα αρχίζει να προσφέρει στο φορτίο, και όταν ο έλεγχος MPPT ολοκληρωθεί και η Α/Γ αποδίδει τα 220W, ο αντιστροφέας προσφέρει στο φορτίο τα 200W, το δίκτυο προσφέρει τα υπόλοιπα 330W. [162]

177 4.6.4 Σύνδεση συστήματος Ανεμογεννήτρια-Ανορθωτή-Βοοst μετατροπέα- Αντιστροφέα με δικατευθυντήριο μετατροπέα και μπαταρίες Επειδή κύρια λειτουργία του μικροδικτύου είναι να λειτουργεί αυτόνομα, ήταν ανάγκη η σύνδεση του προσομοιωθέντος συστήματος με μπαταρίες. Αυτό θα γίνει μέσω ενός δικατευθυντήριου αντιστροφέα, ο οποίος θα προσφέρει ισχύ, όταν το φορτίο δεν καλύπτεται από την Α/Γ και θα στέλνει την περίσσια ισχύος στις μπαταρίες, όταν απαιτείται. Επιπλέον, θα είναι υπεύθυνος για τη δημιουργία ημιτόνου αναφοράς για τη δημιουργία δικτύου. Η τοπολογία του αντιστροφέα και ο τυπικός αυτός έλεγχος της παλμοδότησής του φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Σχήμα 4.73: Τοπολογία δικατευθυντήριου μετατροπέα και έλεγχος παλμοδότησης Στην AC πλευρά του μετατροπέα υπάρχουν 4 mosfet τα οποία υλοποιούν την τοπολογία μιας γέφυρας. Λόγω του ότι υπάρχει το LC φίλτρο η γέφυρα αυτή μπορεί να λειτουργήσει δικατευθυντήρια, τόσο σα γέφυρα όσο και σαν αντιστροφέας.[50] Θεωρούμε το ma αυτής της γέφυρας σταθερό, ώστε η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης να είναι σταθερή και η τάση στην AC πλευρά επίσης σταθερή στα 230V. Για την παλμοδότηση, χρησιμοποιούμε το υποσύστημα sygxronismos που είδαμε παραπάνω, μόνο που τώρα επειδή το ημίτονο δικτύου θέλουμε να το παράγουμε, συγκρίνουμε την ενεργό τιμή της τάσης που μετράται με τα 230V. Η τάση στη σταθερή διασύνδεση πρέπει πάλι να είναι μεγαλύτερη των 325 V, ώστε να μην χρειαστεί να συνδέσουμε μετασχηματιστή ισχύος. Επιλέχθηκε πάλι η τιμή των 400 V. [163]

178 Στην DC πλευρά του μετατροπέα υπάρχει μια τοπολογία DC-DC μετατροπέα, ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει δικατευθυντήρια.[51] Σχήμα 4.74: Τοπολογία Buck-Boost Είναι μια τοπολογία Βuck-Boost. Όταν θέλουμε να φορτίσουν οι μπαταρίες, λειτουργεί ο Buck μετατροπέας (υποβιβασμού τάσης), ενώ το ημιαγωγικό στοιχείο του Boost (κίτρινο χρώμα), δεν παλμοδοτείται, με αποτέλεσμα να λειτουργεί σαν δίοδος. Έτσι έχουμε το εξής κύκλωμα: Σχήμα 4.75: Ισοδύναμη τοπολογία μετατροπέα Buck- Boost με την παλμοδότηση μόνο του ενός ημιαγωγικού στοιχείου Αυτή η τοπολογία είναι η τοπολογία του Buck μετατροπέα αν στην πλευρά του πυκνωτή διασύνδεσης C1 θεωρήσουμε ότι είναι η πηγή και στην πλευρά του πυκνωτή C3 το φορτίο ( στην περίπτωσή μας δηλαδή οι μπαταρίες ). Αντίστοιχα, αν παλμοδοτήσουμε μόνο το Mosfet του μετατροπέα ανύψωσης (κίτρινο χρώμα), τότε θα έχουμε το εξής ισοδύναμο κύκλωμα: [164]

179 Σχήμα 4.76: Ισοδύναμη τοπολογία μετατροπέα Buck Boost με την παλμοδότηση μόνο του δεύτερου ημιαγωγικού στοιχείου Καθότι φαίνεται, η παραπάνω είναι η τοπολογία ενός Boost μετατροπέα με τη ροή ισχύος αυτή τη φορά να κατευθύνεται προς τον πυκνωτή διασύνδεσης C1. Οι λόγοι κατάτμησης της παλμοδότησης των δύο ημιαγωγικών στοιχείων είναι σταθεροί και τέτοιοι ώστε να μετατρέπουν τα 24 V των μπαταριών σε 400 V και αντίστροφα. Η παλμοδότηση στο μετατροπέα υποβιβασμού γίνεται μόνο στην περίπτωση που η ισχύς της ανεμογεννήτριας περισσεύει για την τροφοδότηση του φορτίου, συνεπώς μπορούν οι συσσωρευτές να φορτιστούν, ενώ αν υπάρχει έλλειψη ισχύος οι μπαταρίες δίνουν ισχύ στο φορτίο μέσω του Boost μετατροπέα. Το συνολικό κύκλωμα στο οποίο διακρίνονται η ανεμογεννήτρια με τον ανορθωτή (γκρι), ο μετατροπέας ανύψωσης (γαλάζιο), ο αντιστροφέας (κόκκινο), ο δικατευθυντήριος μετατροπέας (κίτρινο) και οι μπαταρίες (μαύρο) φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 4.77: Κύκλωμα για τη σύνδεση συστήματος με μπαταρίες [165]

180 4.7 Συνολικό σύστημα Η προσομοίωση του συνολικού συστήματος έγινε μετά από ενοποίηση του συστήματος που περιγράφεται στην παρούσα διπλωματική καθώς επίσης και των συστημάτων, που αναλύονται στις διπλωματικές των συναδέλφων Ψαρά Βασίλειου [52] και Μπιλιανού Σωτήριου [41]. Λόγω του όγκου της προσομοίωσης, έγινε τελικά μια κοινή προσομοίωση του συνολικού συστήματος και εξήχθησαν κοινά συμπεράσματα. Στο σχήμα 4.78 φαίνεται το συνολικό σύστημα που πρόκειται να προσομοιωθεί. Κατά παρόμοιο τρόπο με την ανεμογεννήτρια, συνδέονται και τα Φ/Β πλαίσια μέσω των μετατροπέων τους στο δικατευθυντήριο μετατροπέα. Σχήμα 4.78: Συνολικό σύστημα με μπαταρίες Η προσομοίωση θα γίνει με σταθερό φορτίο, ενώ σε διάφορες χρονικές στιγμές θα μεταβάλλονται η ακτινοβολία και η ταχύτητα ανέμου. Συγκεκριμένα, τις κάτωθι χρονικές στιγμές, συμβαίνουν τα εξής γεγονότα: [166]

181 Χρονική στιγμή (sec) Γεγονός Επίτευξη συχρονισμού και σύνδεση των 0.2 δύο αντιστροφέων με το δικατευθυντήριο μετατροπέα 2.2 Αποσύνδεση DC πηγών Παροχή ισχύος από Α/Γ και Φ/Β στο 2.2 φορτίο 3 Μείωση ακτινοβολίας 5 Μείωση ταχύτητας ανέμου 8 Τέλος προσομοίωσης Πίνακας 4.5: Σημαντικές χρονικές κατά την προσομοίωση Η αρχική ακτινοβολία και ταχύτητα ανέμου ορίστηκαν στα ονομαστικά μεγέθη, ώστε να έχουμε παραγωγή περίπου 2kW. Το φορτίο, όπως προείπαμε, παραμένει σταθερό κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης και είναι ωμικό της τάξης των 1000W, δηλαδή 52,9 Ω. Αφού επιτευχθεί συγχρονισμός, συνδέονται οι μετατροπείς μεταξύ τους στα 0.2 s. Όπως είδαμε και σε προηγούμενη ενότητα στην αρχή χρησιμοποιείται μια DC πηγή τάσης στους δύο μετατροπείς, ώστε να παραμείνει σταθερή η τάση στη διασύνδεση. Οι DC πηγές μέσω του ελέγχου των 2 αντιστροφέων προσφέρουν αρχικά (κατ επιλογή μας) τα 1000 W που απαιτούνται από το φορτίο (500 W ο αντιστροφέας των Φ/Β και 500 W ο αντιστροφέας της Α/Γ αντίστοιχα). Οι δύο πηγές αποσυνδέονται στα 2.2 sec. Ο χρόνος αυτός επιλέχθηκε, έτσι ώστε ο έλεγχος MPPT των δύο μετατροπέων να έχει σχεδόν ολοκληρωθεί. Από το χρόνο αυτό και μετά, το φορτίο τροφοδοτείται αποκλειστικά από την ισχύ των Φ/Β, της Α/Γ ή των συσσωρευτών. Τα παραπάνω μπορούμε να τα δούμε και στα παρακάτω παλμογραφήματα. [167]

182 Σχήμα 4.79: Ενεργός ισχύς προς το δικατευθυντήριο μετατροπέα Σχήμα 4.80: Ενεργός ισχύς από το μετατροπέα Φ/Β Σχήμα 4.81: Ενεργός ισχύς από το μετατροπέα Α/Γ [168]

183 Αρχικά, από τα παραπάνω παλμογραφήματα, μπορούμε να δούμε πως μέχρι τη χρονική στιγμή 2.2sec, η ισχύς που παρέχουν οι DC πηγές τροφοδοτεί εξολοκλήρου το φορτίο. Έτσι, έχουμε μηδενική ροή ισχύος προς τους συσσωρευτές. Αφού περάσουν τα μεταβατικά φαινόμενα από το άνοιγμα των διακοπτών (αποσύνδεση των DC πηγών σύνδεση μετατροπέων Α/Γ και Φ/Β στο ΑC bus), βλέπουμε στα σχήματα 4.80 και 4.81 ότι η ενεργός ισχύς που παρέχουν τα Φ/Β και η Α/Γ είναι όπως αναμενόταν κοντά στις ονομαστικές τιμές των 1000W. Συνεπώς υπάρχει περίσσια ισχύος η οποία οδηγείται μέσω του δικατευθυντήριου μετατροπέα στους συσσωρευτές, όπως φαίνεται και από το Σχήμα Αυτό συμβαίνει μέχρι τη χρονική στιγμή 3s, όταν και η ακτινοβολία μεταβάλλεται σε 500 W/m 2. Συνέπεια του γεγονότος αυτού είναι η μείωση της συνολικής ισχύος που μπορούν να παράσχουν τα Φ/Β πλαίσια. Πλέον τα πλαίσια παρέχουν κοντά στα 500W (Σχήμα 4.82), άρα και πάλι υπάρχει περίσσια ισχύος με την οποία μέσω του δικατευθυντήριου μετατροπέα φορτίζονται οι συσσωρευτές. Σχήμα 4.82: Ισχύς που παρέχεται από τα Φ/Β κάθε στιγμή Μπορούμε να παρατηρήσουμε πως τα Φ/Β παράγουν περίπου 960W, ενώ ο αντιστροφέας των ΦΒ παρέχει περίπου 1000W. Αυτό είναι ίσως μεταβατικό φαινόμενο που οφείλεται στην απότομη αύξηση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης. Επειδή δεν ήταν αρκετός ο χρόνος ώστε η τάση του πυκνωτή διασύνδεσης να επανέλθει μέσω του ελέγχου στα 400V (σχήμα 4.88), φαίνεται πως ο αντιστροφέας παρέχει μεγαλύτερη ισχύ απ όσο τα Φ/Β πλαίσια. Το ίδιο συμβαίνει και με τον αντιστροφέα της Α/Γ, που όμως επειδή το χρονικό διάστημα, που η ταχύτητα ανέμου παραμένει σταθερή είναι μεγαλύτερο από αυτό της ακτινοβολίας, η τάση στον [169]

184 πυκνωτή διασύνδεσης επανέρχεται στα 400V και η ισχύς που προσφέρει ο αντιστροφέας τελικά είναι μικρότερη από αυτή που προσφέρει η Α/Γ, γεγονός που αναμενόταν. Τη χρονική στιγμή 5s η ταχύτητα ανέμου μειώνεται από την ονομαστική στα 7m/s. Η ανεμογεννήτρια πλέον μπορεί να δώσει μέχρι 200 W(Σχήμα 4.83), και έτσι δημιουργείται έλλειμμα ισχύος. Σχήμα 4.83: Ισχύς που παρέχεται από την Α/Γ κάθε στιγμή Η ισχύς που ζητά το φορτίο εξακολουθεί να είναι 1000 W, η ισχύς που παρέχουν τα Φ/Β είναι περίπου 500W, ενώ 200W παράγονται από την Α/Γ. Τα υπόλοιπα 300W που ζητά το φορτίο καλύπτονται πλέον από τις μπαταρίες, όπως βλέπουμε και από το Σχήμα Πέρα από την ενεργό ισχύ μας ενδιαφέρει και η άεργος. Σύμφωνα με τον έλεγχο που έχει γίνει στους δύο μετατροπείς, η μεταφορά άεργου ισχύος πρέπει να είναι μηδενική. Αυτό επιβεβαιώνεται από τα δύο επόμενα σχήματα. [170]

185 Σχήμα 4.84: Άεργος ισχύς από τον αντιστροφέα των Φ/Β Σχήμα 4.85: Άεργος ισχύς από τον αντιστροφέα της Α/Γ Ο δικατευθυντήριος μετατροπέας όμως, χρησιμοποιεί μια άεργο ισχύ περίπου 300Var, όπως φαίνεται στο Σχήμα Η άεργος ισχύς αυτή οφείλεται στα δύο LC φίλτρα, που χρησιμοποιεί ο μετατροπέας αυτός, καθώς επίσης και στη διακοπτική συχνότητα των ημιαγωγικών του στοιχείων. [171]

186 Σχήμα 4.86: Άεργος ισχύς στο δικατευθυντήριο μετατροπέα Τέλος, σημαντικά συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν και από την παρατήρηση των τάσεων στη συνεχή διασύνδεση των μετατροπέων των Φ/Β και της Α/Γ. Τα παλμογραφήματα των τάσεων αυτών φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα 4.87: Τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης του αντιστροφέα της Α/Γ [172]

187 Σχήμα 4.88: Τάση στον πυκνωτή διασύνδεση του αντιστροφέα των Φ/Β Τα πρώτα 2.2 sec, η τάση στη διασύνδεση διατηρείται σταθερή εξαιτίας των DC πηγών που είναι συνδεδεμένες. Αφού οι πηγές αποσυνδεθούν, η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης και στα δύο κυκλώματα αρχίζει να αυξάνει, αφού υπάρχει περίσσια ισχύος, η οποία οδηγείται στους συσσωρευτές. Ο έλεγχος ενεργού- άεργου ισχύος λαμβάνει χώρα και οδηγεί την περίσσια ισχύος μέσω του δικατευθυντήριου μετατροπέα στους συσσωρευτές. Συνεπώς, η τάση τείνει να σταθεροποιηθεί πάλι στα 400V. Αυτό είναι πιο ξεκάθαρο στο Σχήμα 4.87 που απεικονίζει την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης στο μετατροπέα της Α/Γ, καθώς στην περίπτωση των Φ/Β μεταβάλλεται η ακτινοβολία πριν η τάση προλάβει να σταθεροποιηθεί στα 400V. Το αντίστροφο συμβαίνει όταν μειωθεί ξαφνικά η ισχύς που παρέχεται από την Α/Γ ή τα Φ/Β. Η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης μειώνεται καθώς η απαιτούμενη στιγμιαία ισχύς, αφού δεν μπορεί να αποδοθεί από τα Φ/Β ή την Α/Γ αποδίδεται στιγμιαία από τον πυκνωτή διασύνδεσης με αποτέλεσμα την εκφόρτισή του. Τότε ενεργεί ο έλεγχος, ο οποίος καλύπτει πλέον τις ανάγκες του φορτίου, τραβώντας την απαιτούμενη ισχύ από τις μπαταρίες και έτσι η τάση τείνει να ισορροπήσει πάλι στα 400V. Τέλος, παρατίθενται και τα παλμογραφήματα των λόγων κατάτμησης των δύο μετατροπέων ανύψωσης τάσης. [173]

188 Σχήμα 4.89: Λόγος κατάτμησης του μετατροπέα ανύψωσης της Α/Γ Σχήμα 4.90: Λόγος κατάτμησης του μετατροπέα ανύψωσης των Φ/Β Μελετώντας τα, μπορούμε να δούμε, πως τη χρονική στιγμή 2.2sec οι δύο μετατροπείς έχουν μόλις φτάσει στο σημείο απομάστευσης μέγιστης ισχύος, καθώς επίσης και πότε φτάνουν πάλι στον κατάλληλο λόγο κατάτμησης μετά τη μεταβολή της ταχύτητας ανέμου και της ακτινοβολίας. [174]

189 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΜΟΝΟΚΑΤΟΙΚΙΑΣ 5.1 Τυπική οικιακή κατανάλωση Σημαντικό βήμα για την εξομοίωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης του φορτίου μιας μονοκατοικίας, είναι ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι, αν το φορτίο είναι μονοφασικό ή τριφασικό, το μέγεθός του σε ισχύ, καθώς επίσης και το αν πρόκειται για ωμικό ή ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας, έχουν γίνει στατιστικές έρευνες στη χώρα μας για τον προσδιορισμό της μέσης ετήσιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας μιας κατοικίας. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κατοικία σε έρευνα που έγινε από το ΚΑΠΕ σε δείγμα 100 κατοικιών. [53] Σχήμα 5.1: Μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κατοικία Παρόμοιες έρευνες έχουν γίνει και από άλλους φορείς όπως η ΕΛ.ΣΤΑΤ. [2] με μικρές αποκλίσεις στη μέση τιμή. Μια μέση ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση αυτής της [175]

190 τάξης σημαίνει περίπου 13kWh μέση ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κατοικία. Επειδή ο εν λόγω εξομοιωτής φορτίου θα χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων και τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενός μικροδικτύου, επιλέχθηκε, η μέση ημερήσια κατανάλωση να είναι περίπου 20kWh, εξομοιώνοντας με αυτόν τον τρόπο την ηλεκτρική κατανάλωση μιας πιο απαιτητικής οικίας. Μια τέτοια μονοκατοικία, για παράδειγμα, μπορεί να αποτελείται από δύο ορόφους και ένα υπόγειο. Ένας ενδεικτικός χωρισμός των χώρων κάθε ορόφου γίνεται σε επόμενη ενότητα. Η τροφοδότηση μικρών σχετικά καταναλωτών (π.χ. καταναλωτές για οικιακή, αγροτική, εμπορική χρήση κ.α.) γίνεται από το δίκτυο χαμηλής τάσης (Χ.Τ.). Οι καταναλωτές χαμηλής τάσης είναι, είτε μονοφασικοί (μέχρι 8kVA), είτε τριφασικοί. Στην περίπτωσή μας, λόγω της ισχύος των επιμέρους φορτίων, επιλέχθηκε η τριφασική παροχή [53 ]. Στις μέρες μας οι περισσότερες συσκευές που χρησιμοποιούνται στα νοικοκυριά έχουν κυρίως ωμικό-επαγωγικό χαρακτήρα. Για παράδειγμα, τέτοιες συσκευές μπορεί να είναι η τηλεόραση, το κλιματιστικό, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, το ψυγείο, ενώ απεναντίας λίγες έχουν μόνο ωμικό χαρακτήρα (ηλεκτρικό μαγειρείο, ηλεκτρικός θερμοσίφωνας, ηλεκτρικό σίδερο κ.α.). Η ΔΕΗ δεν επιβαρύνει τους οικιακούς καταναλωτές για τη χρήση φορτίων επαγωγικού χαρακτήρα, παρά μόνο για την ενεργό ισχύ που καταναλώνουν. Παρόλα αυτά, επιλέχθηκε το φορτίο να έχει ωμικόεπαγωγικό χαρακτήρα, προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά αξιοπιστία του μικροδικτύου και κατά τα μεταβατικά φαινόμενα. Τέλος, η ΔΕΗ παρέχει για τις συσκευές, που μπορεί να υπάρχουν σε μια κατοικία, την τυπική ισχύ τους καθώς και τον τυπικό συνήθη χρόνο λειτουργίας τους. Με βάση αυτά τα δεδομένα αλλά και με στοιχεία που προστέθηκαν από την προσωπική εμπειρία, παρατίθεται ο ακόλουθος πίνακας (Πίνακας 5.1), ο οποίος συνθέτει την ηλεκτρική κατανάλωση του φορτίου που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο. Συσκευή Ισχύς (W) Χρόνος λειτουργίας επιμέρους φορτίων εξομοιωτή Συνήθης χρόνος λειτουργίας[12,56,57] Ψυγείο min/h 6h [176]

191 Ψυγείο min/h 6h Απορροφητήρας min/3 φορές την εβδομάδα + 90min/1 φορά την εβδομάδα Ηλεκτρικό σίδερο Ηλεκτρική Σκούπα min/ εβδομάδα 15min min/ εβδομάδα 15min Πιστολάκι min/4 φορές την εβδομάδα 15min ΤV h 4h TV h 4h H/Y h 2h H/Y h 2h Τοστιέρα min 15min Βραστήρας min 15min Σκάνερ 200 1h 2h Φούρνος Μικροκυμάτων min 10min Θερμοσίφωνας min (χειμερινό) Πλυντήριο ρούχων h/2φορές/εβδομάδα 1h [177]

192 Φούρνος h/ 3 φορές την εβδομάδα 45min Μεγάλο Μάτι min/ εβδομάδα Μεσαίο Μάτι min/ εβδομάδα Μεσαίο Μάτι h/ εβδομάδα Μικρό Μάτι min Κλιματιστικό h (μόνο 2 μήνες) 2h Πίνακας 5.1: Συνήθης και χρησιμοποιούμενος χρόνος λειτουργίας τυπική ισχύς οικιακών συσκευών Εκτός από τις παραπάνω συσκευές, μια κατοικία πρέπει να ικανοποιεί όλη τη διάρκεια του χρόνου τις ανάγκες φωτισμού της. Ο χρόνος λειτουργίας και η ποσότητα λαμπτήρων επιλέχθηκαν κατά τρόπο τέτοιο, ώστε η συνολική ημερήσια κατανάλωση να είναι περίπου 20kWh. Η χρονική στιγμή ενεργοποίησης των συσκευών και των λαμπτήρων επιλέχθηκε έτσι, ώστε η ζήτηση ενέργειας από το φορτίο να γίνεται μεγαλύτερη κατά τις απογευματινές και βραδινές ώρες τις εργάσιμες ημέρες. Αυτή η επιλογή έγινε γιατί το τυπικό ηλεκτρικό φορτίο μιας κατοικίας συμπεριφέρεται κατ αυτόν τον τρόπο, όπως φαίνεται και από το Σχήμα 5.2. [178]

193 Σχήμα 5.2: Εβδομαδιαία ζήτηση ισχύος για μια μέση κατοικία Το παραπάνω σχήμα (Σχήμα 5.2) προέρχεται από μια έρευνα του ΚΑΠΕ σε ένα δείγμα 30 κατοικιών [58] και απεικονίζει τη συμπεριφορά του μέσου ηλεκτρικού φορτίου τους στη διάρκεια μιας εβδομάδας. Το δείγμα προέκυψε από έρευνα κατά τους φθινοπωρινούς μήνες, συνεπώς ενδέχεται να υπάρχει διαφοροποίηση στα αποτελέσματα κατά τους θερινούς μήνες λόγω της μειωμένης χρήσης των λαμπτήρων ή της ενδεχόμενης χρήσης κλιματισμού. Όπως βλέπουμε, το μέσο φορτίο τις εργάσιμες μέρες (Δευτέρα- Παρασκευή) μεγιστοποιείται τις απογευματινές και βραδινές ώρες, ενώ παρατηρούμε πως υπάρχει ένα σταθερό φορτίο περίπου 250W τις ώρες της νύχτας κατά τις οποίες δεν υπάρχει ανθρώπινη δραστηριότητα. Αυτό μπορεί να οφείλεται στη λειτουργία του ψυγείου, στην κατανάλωση ενέργειας από συσκευές, που βρίσκονται σε κατάσταση standby αλλά και σε ενδεχόμενο βραδινό φωτισμό. Στην περίπτωσή μας κατά τους χειμερινούς μήνες το εβδομαδιαίο προφίλ της κατανάλωσης φαίνεται στο Σχήμα 5.3. [179]

194 Σχήμα 5.3: Εβδομαδιαία ζήτηση ισχύος κατά τους χειμερινούς μήνες της κατασκευασθείσας κατανάλωσης Το σενάριο ενεργοποίησης των συσκευών στην περίπτωσή μας αποφασίστηκε να είναι εβδομαδιαίο, δηλαδή να επαναλαμβάνεται κάθε εβδομάδα. Υπάρχει αλλαγή από χειμερινό σε θερινό σενάριο τους αντίστοιχους μήνες που η ΔΕΗ αλλάζει το νυχτερινό της τιμολόγιο, από χειμερινό σε θερινό. Το αναλυτικό πρόγραμμα ενεργοποίησης και λειτουργίας κάθε συσκευής παρατίθεται (για λόγους οικονομίας χώρου) στο παράρτημα Γ. 5.2 Εξομοίωση ηλεκτρικών συσκευών με RL στοιχεία Οι ηλεκτρικές καταναλώσεις των παραπάνω ηλεκτρικών οικιακών συσκευών θα πρέπει να εξομοιωθούν με κάποιον τρόπο, για λόγους οικονομίας, εποπτικούς αλλά κυρίως και για λόγους οικονομίας χώρου, αφού η μελέτη του εξομοιωτή θα γίνει στο χώρο του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Αποφασίστηκε, οι συσκευές να εξομοιωθούν με αντιστάσεις και πηνία, όπου αυτά κρίνονται απαραίτητα, και να χρησιμοποιηθούν λαμπτήρες, οι οποίοι θα εξομοιώνουν την ηλεκτρική ισχύ των φωτιστικών σημείων της κατοικίας (οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτήν την υλοποίηση αναφέρονται αναλυτικά στην επόμενη ενότητα). Από τις συσκευές του παραπάνω πίνακα, θεωρήθηκαν ότι έχουν και επαγωγικό χαρακτήρα οι δύο τηλεοράσεις, οι δύο Η/Υ, το πλυντήριο ρούχων, τα δύο ψυγεία, ο απορροφητήρας, η ηλεκτρική σκούπα, το πιστολάκι και το κλιματιστικό. Ο συντελεστής ισχύος cosφ των συσκευών αυτών δεν είναι σταθερός κατά τη λειτουργία τους. Συγκεκριμένα, στον επαγωγικό κινητήρα, ο συντελεστής ισχύος έχει άμεση εξάρτηση με το φορτίο του κινητήρα. Αυτό δείχνει και το σχήμα 5.4 [59]. [180]

195 Σχήμα 5.4: Μεταβολή συντελεστή ισχύος για κοινό επαγωγικό κινητήρα σε σχέση με το φορτίο Το ίδιο συμβαίνει και με το συντελεστή ισχύος σε τηλεοράσεις και ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Έχει άμεση σχέση με το φορτίο της συσκευής την εκάστοτε στιγμή. Για παράδειγμα, διαφορετικό συντελεστή ισχύος μπορεί να παρουσιάζει μια τηλεόραση για διαφορετικές τιμές της φωτεινότητάς της. Επειδή πιθανές εναλλαγές του φορτίου και ταυτόχρονα του συντελεστή ισχύος, θα αύξαναν την πολυπλοκότητα του συστήματος, όπως επίσης και το κόστος, αποφασίστηκε η επιλογή ενός σταθερού συντελεστή ισχύος cosφ κατά τη λειτουργία της εκάστοτε συσκευής. Επειδή δεν υπάρχει σαφής προσδιορισμός των συντελεστών ισχύος οικιακών συσκευών στα τεχνικά φυλλάδιά τους ή σε βιβλιογραφία, η τελική επιλογή έγινε σε κάποιες περιπτώσεις από μετρήσεις σε οικιακές συσκευές κατά τη λειτουργία τους με κατάλληλο όργανο, είτε σε άλλες περιπτώσεις με τις πιο συνήθεις τιμές που αναφέρονταν στο διαδίκτυο από χρήστες [60,61,62]. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 5.2), φαίνονται οι τιμές του cosφ που επιλέχθηκαν. Συσκευή Συντελεστής Ισχύος cosφ Ψυγείο 0,8 ΤV1/ TV2 0,92 H/Y 1 / H/Y 2 0,6 Πλυντήριο ρούχων 0,8 [181]

196 Ηλεκτρική σκούπα 0,8 Πιστολάκι 0,8 Air Condition 0,8 Απορροφητήρας 0,8 Πίνακας 5.2: Επιλεχθείσες τιμές συντελεστών ισχύος Έχοντας επιλέξει για κάθε συσκευή τους συντελεστές ισχύος (πίνακας 5.2) καθώς και τα Watt που καταναλώνουν κατά τη λειτουργία τους (πίνακας 5.1), μπορούμε να υπολογίσουμε τις τιμές της επαγωγής των πηνίων που θα χρειαστούν. - Υπολογισμός επαγωγής πηνίων τηλεοράσεων: Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης της συσκευής από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: (5.1) (5.2) Άρα η επαγωγή του πηνίου της συσκευής θα είναι: (5.3) [182]

197 - Υπολογισμός επαγωγής πηνίων για τις συσκευές: Πλυντήριο ρούχων, πιστολάκι, ηλεκτρική σκούπα: Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης των συσκευών από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: (5.4) (5.5) Άρα η επαγωγή των πηνίων των συσκευών θα είναι: (5.6) - Υπολογισμός επαγωγής πηνίων ηλεκτρονικών υπολογιστών: Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης των συσκευών από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: (5.7) (5.8) [183]

198 Άρα η επαγωγή των πηνίων των συσκευών θα είναι: (5.9) - Υπολογισμός πηνίων των δύο ψυγείων και απορροφητήρα: (Εδώ για λόγους οικονομίας θεωρήθηκε πως τα δύο ψυγεία λειτουργούνε τον ίδιο ακριβώς χρόνο μέσα στη μέρα, καταναλώνοντας τις ίδιες Wh, και ενοποιήθηκαν σε μία συσκευή η οποία όταν λειτουργεί καταναλώνει 200W.) Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης των συσκευών από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: (5.10) (5.11) Άρα η επαγωγή των πηνίων των συσκευών θα είναι: (5.12) - Υπολογισμός του πηνίου του κλιματιστικού: [184]

199 Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης της συσκευής από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: (5.13) (5.14) Άρα η επαγωγή του πηνίου της συσκευής θα είναι: (5.15) Εκτός από τα πηνία θα πρέπει να επιλέξουμε τις κατάλληλες αντιστάσεις για να πετύχουμε την επιθυμητή κατανάλωση. Οι αντιστάσεις επιλέγονται με βάση την ισχύ τους και την ωμική αντίσταση. Για τους καθαρά ωμικούς καταναλωτές έχοντας την κατανάλωσή τους, μπορούμε να υπολογίσουμε την ωμική αντίσταση που απαιτείται από τον τύπο: (5.16) Όπου P η κατανάλωση της συσκευής και V τα 230 V του δικτύου. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 5.3) παρατίθενται οι τελικές τιμές των επιλεχθέντων αντιστάσεων, καθώς επίσης και οι τελικές τιμές των επαγωγών των πηνίων. Σημειώνεται, πως η διαφοροποίηση μεταξύ αρχικών και τελικών τιμών των πηνίων των φορτίων θα εξηγηθεί παρακάτω. Ισχύς Συσκευή Κατανάλωση συσκευής (W) Επαγωγή (Η) επιλεγμένης αντίστασης (W) Ωμική αντίσταση (Ω) Ψυγείο 200 0, Απορροφητήρας 200 0, [185]

200 Ηλεκτρικό σίδερο Ηλεκτρική σκούπα , , Πιστολάκι , ΤV , TV , PC , ,6 PC , ,6 Τοστιέρα ,3 Βραστήρας ,3 Σκάνερ ,5 Φούρνος Μικροκυμάτων ,8 Θερμοσίφωνας ,23 Πλυντήριο ρούχων , Φούρνος ,16 Μεγάλο Μάτι ,45 Μεσαίο Μάτι ,3 [186]

201 Μεσαίο Μάτι ,3 Μικρό Μάτι ,8 Κλιματιστικό , Πίνακας 5.3: Πίνακας με απαιτούμενα παθητικά στοιχεία RL Είναι αυτονόητο πως οι τιμές των αντιστάσεων που διατίθενται στο εμπόριο βγαίνουν σε κάποια συγκεκριμένα μεγέθη, τόσο όσον αφορά τα ohm όσο επίσης και τα watt. Έτσι επιλέχθηκε να αγοραστεί ένα πλήθος κατάλληλων αντιστάσεων, οι οποίες να συνθέτουν με την κατάλληλη σύνδεσή τους κάθε φορά, τον απαιτούμενο αριθμό ohm (Ω) και κατά συνέπεια τα watt. Από το σύνολο των διαθέσιμων αντιστάσεων στο εμπόριο επιλέχθηκαν δύο μοντέλα, τα οποία φαίνονται στα δύο παρακάτω σχήματα (Σχήματα 5.5 και 5.6). Σχήμα 5.5: Αντίσταση σύρματος (wire wound) 500W, 100Ω που αγοράστηκε από το εργαστήριο Σχήμα 5.6: Αντίσταση σύρματος (wire wound) 200W, 470Ω που αγοράστηκε από το εργαστήριο [187]

202 Η πρώτη (Σχήμα 5.5) είναι μια αντίσταση 100 Ω, 500W ενώ η δεύτερη (Σχήμα 5.6) είναι αντίστασης 470 Ω και ισχύος 200W. Είναι αντιστάσεις σύρματος, με ειδική μόνωση από κεραμικά υλικά, κατάλληλη για να χρησιμοποιηθεί σε συνθήκες εργαστηρίου [63]. Ο συγκεκριμένος τύπος αντιστάσεων επιλέχθηκε, καθώς κρίθηκε καταλληλότερος από άλλου τύπου αντιστάσεις, όπως οι «κουκουνάρες», οι οποίες ακτινοβολούν πολύ περισσότερο με συνέπεια την έκλυση πολύ μεγαλύτερων ποσών θερμότητας. Η χρησιμοποίηση αντιστάσεων όπως οι «κουκουνάρες» ή οι αντιστάσεις σόμπας θα ήταν μια οικονομικά πιο συμφέρουσα λύση, αλλά φέρει μαζί της μια πλειάδα μειονεκτημάτων. Λόγω των μεγάλων ποσών θερμότητας, θα απαιτούταν ένα αποδοτικό σύστημα ψύξης της όλης διάταξης. Επίσης, επειδή ο εξομοιωτής θα βρίσκεται στο χώρο του εργαστηρίου και στόχος είναι να λειτουργήσει για αρκετό χρονικό διάστημα και μάλιστα αρκετές ώρες χωρίς κάποια εποπτεία, θεωρήθηκε επικίνδυνο να χρησιμοποιηθούν τέτοιου τύπου αντιστάσεις. Τέλος, υπήρχε η πρόταση να χρησιμοποιηθούν έτοιμες συσκευές ηλεκτρικών σομπών αντί αντιστάσεων, η οποία είναι μεν οικονομικότερη λύση, αλλά οι διατάξεις αυτές καταλαμβάνουν πολύ χώρο. Συνεπώς, οδηγηθήκαμε στη λύση του παραπάνω τύπου αντιστάσεων, οι οποίες είναι πρακτικές και παρέχουν κάποιο σεβαστό βαθμό ασφάλειας για τη λειτουργία τους σε συνθήκες εργαστηρίου. Τα τεχνικά φυλλάδια των αντιστάσεων παρατίθενται στο παράρτημα A. Όπως είναι λογικό, κατά την εξομοίωση θα υπάρχει μια μικρή διαφορά από τη θεωρητικά υπολογισμένη τιμή της συσκευής, που αναγράφεται στον πίνακα 5.3. Κάτι τέτοιο δε μας ενοχλεί, αφού δεν θα παίζει σημαντικό ρόλο στη συνολική κατανάλωση, η οποία είναι και το ζητούμενο. Βέβαια, οι μικροδιαφορές, που θα υπήρχαν στη συνολική ισχύ κάθε συσκευής μας οδήγησαν να αλλάξουμε δύο από τις τιμές των επαγωγών των πηνίων, πριν την τελική παραγγελία, ώστε τα cosφ να συμβαδίζουν, όσο γίνεται με τις επιθυμητές τιμές του πίνακα 5.2. Συγκεκριμένα τροποποιήθηκε η τιμή της επαγωγής των πηνίων που θα χρησιμοποιηθούν στην εξομοίωση των δύο τηλεοράσεων καθώς και της επαγωγής των πηνίων που θα χρησιμοποιηθούν στην εξομοίωση του ψυγείου και του απορροφητήρα. Παρακάτω, αναλύεται ο λόγος που οδήγησε στην αλλαγή. [188]

203 Στην εξομοίωση της τηλεόρασης θα χρησιμοποιηθεί μια αντίσταση 470Ω, αντί για τη θεωρητική τιμή των 431Ω που υπολογίστηκε στη σχέση (5.1) σε σειρά με το κατάλληλο πηνίο. Ακολουθώντας μια αντίστροφη πορεία, μπορούμε να βρούμε ποια είναι η τιμή της επαγωγής ώστε ο συντελεστής ισχύος να παραμείνει στην επιθυμητή τιμή. (5.18) Να σημειωθεί, πως μεταβάλλαμε ελαφρώς το συντελεστή ισχύος, ώστε να μειώσουμε την επαγωγή του πηνίου, καθώς στην πράξη μια επαγωγή αυτής της τάξης είναι αρκετά μεγάλη. Αντίστοιχα, υπολογίζονται τα πηνία, που αφορούν το ψυγείο και τον απορροφητήρα. Η εξομοίωση των συσκευών αυτών θα γίνει με τρεις αντιστάσεις των 470Ω παράλληλα και εν σειρά σε αυτές το πηνίο. Άρα η αντίσταση R θα είναι τώρα 156Ω, αντί των 170Ω στον πίνακα 5.3. Συνεπώς: (5.19) Η επιλογή των πηνίων, έγινε με βάση την επαγωγή και το ρεύμα που θα τα διαρρέει. Προτιμήθηκαν τοροειδείς πυρήνες για λόγους οικονομίας. Παρακάτω (Σχήμα 5.7) φαίνονται τα πηνία που αγοράστηκαν από το εργαστήριο. [189]

204 Σχήμα 5.7: Πηνία που χρησιμοποιήθηκαν για την εξομοίωση της κατανάλωσης Παραπάνω (Σχήμα 5.7) μπορούμε να δούμε 6 από τα 8 πηνία. Στην πάνω σειρά διακρίνουμε από αριστερά προς τα δεξιά το πηνίο της τηλεόρασης, του απορροφητήρα και του πλυντηρίου, ενώ στην κάτω τα πηνία των 2 Η/Υ και του κλιματιστικού. Τα πηνία αυτά συνδέθηκαν με τις βάσεις στήριξής τους στην τελική κατασκευή. Μια εικόνα της τελικής τους σύνδεσης μας δίνει το σχήμα 5.8. [190]

205 Σχήμα 5.8: Τοποθέτηση των πηνίων πάνω στην κατασκευή με τις βάσεις τους 5.3 Υλοποίηση και έλεγχος του εξομοιωτή ηλεκτρικών καταναλώσεων Για την υλοποίηση του ελέγχου, δηλαδή του κυκλώματος αυτοματισμού του εξομοιωτή, προτιμήθηκε η χρησιμοποίηση ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (Programmable Logic Controller- PLC). Συνεπώς, κρίνεται απαραίτητο να γίνει μια συνοπτική περιγραφή και ανάλυση των βασικών τμημάτων του PLC, προτού αναφερθούμε στον τρόπο υλοποίησης και τη στρατηγική ελέγχου του εξομοιωτή. [64] Εισαγωγή (PLC) Στον κόσμο των αυτοματισμών, ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής έχει γίνει το πρότυπο για τον έλεγχο. Όχι μόνο αντικαθιστά πλέον τις παλαιότερες μονάδες ελέγχου με ηλεκτρονόμους, αλλά έχει αναλάβει τις επιπλέον λειτουργίες ελέγχου. Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής είναι ένας υπολογιστής που έχει σχεδιαστεί για να χρησιμοποιηθεί σε μηχανήματα. Αντίθετα με ότι συμβαίνει με τον υπολογιστή, έχει σχεδιαστεί να λειτουργεί σε βιομηχανικό περιβάλλον. Κάθε PLC είναι εφοδιασμένο με ειδικές εισόδους/εξόδους και με γλώσσα προγραμματισμού ελέγχων. Το PLC, επειδή η δομή του βασίζεται στην ίδια αρχή λειτουργίας με τις αρχές που [191]

206 χρησιμοποιούνται στην αρχιτεκτονική υπολογιστών, έχει την ικανότητα να εκτελεί όχι μόνο εργασίες μεταγωγής ηλεκτρονόμων αλλά και πολλές εφαρμογές, όπως η καταμέτρηση, οι υπολογισμοί, οι συγκρίσεις και η επεξεργασία αναλογικών σημάτων. Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής έχει εξαφανίσει τις περισσότερες από τις καλωδιώσεις που πραγματοποιούνταν με το χέρι και είχαν σχέση με τα συμβατικά κυκλώματα ελέγχου ηλεκτρονόμων. Οι προγραμματιζόμενοι ελεγκτές προσφέρουν ηλεκτρονική αξιοπιστία, λιγότερη κατανάλωση ενέργειας και ευκολία στην επέκτασή τους. Ένας συνηθισμένος προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής μπορεί να διαιρεθεί σε τρία τμήματα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.9). Σχήμα 5.9: Κύρια τμήματα ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή Αυτά τα τρία συστατικά είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας ή CPU, το τμήμα εισόδων/εξόδων (input/output section ή Ι/Ο) και η συσκευή προγραμματισμού. Η CPU είναι η καρδιά του συστήματος του PLC. Αυτή δέχεται τις πληροφορίες εισόδου, από διάφορες συσκευές ανίχνευσης, εκτελεί το αποθηκευμένο πρόγραμμα του χρήστη από τη μνήμη και στέλνει τις κατάλληλες εντολές εξόδου για τον έλεγχο των συσκευών. Οι περισσότερες CPU διαθέτουν εφεδρικές μπαταρίες που διατηρούν στη μνήμη το λειτουργικό πρόγραμμα για την περίπτωση διακοπής τροφοδοσίας. Ο συνηθισμένος χρόνος συγκράτησης είναι από ένα μήνα μέχρι ένα έτος. Μνήμη (Memory) είναι το μέρος όπου διατηρείται ή είναι αποθηκευμένο στη μονάδα ελέγχου το σχέδιο ελέγχου ή πρόγραμμα. Οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη δείχνουν τον τρόπο με τον οποίο θα γίνεται η επεξεργασία των πληροφοριών εισόδου και εξόδου. Η πολυπλοκότητα του προγράμματος καθορίζει την ποσότητα μνήμης που χρειάζεται. Τα στοιχεία της μνήμης [192]

207 αποθηκεύουν διακριτά κομμάτια πληροφοριών (bit). Η μονάδα επεξεργασίας κάνει σαρώσεις ανίχνευσης πληροφοριών από τις μονάδες εισόδου/εξόδου και αποθηκεύει την κατάστασή τους στη μνήμη. Στη συνέχεια, σαρώνεται το πρόγραμμα χρήστη που είναι αποθηκευμένο στη μνήμη και λαμβάνονται αποφάσεις που προκαλούν τη μεταβολή των εξόδων. Η μνήμη είναι δύο κατηγοριών: πτητική και μη πτητική. Η πτητική μνήμη (volatile memory) χάνει τις αποθηκευμένες σε αυτήν πληροφορίες αν χαθεί ή διακοπεί η τροφοδοσία λειτουργίας. Η μη πτητική μνήμη (non-volatile memory) διατηρεί τις αποθηκευμένες πληροφορίες όταν η τροφοδοσία διακόπτεται τυχαία ή εκούσια. Στα PLC χρησιμοποιούνται πολλά διαφορετικά είδη πτητικής και μη πτητικής μνήμης, όπως η RAM, ROM, EPROM, EEPROM. Το τμήμα Ι/Ο ενός PLC αποτελείται από μονάδες εισόδου και από μονάδες εξόδου. Το σύστημα Ι/Ο σχηματίζει τη μονάδα προσαρμογής (interface) με την οποία οι συσκευές εργασίας συνδέονται με τη μονάδα ελέγχου. Σκοπός της μονάδας προσαρμογής είναι η προετοιμασία των διαφόρων σημάτων που γίνονται δεκτά από ή στέλνονται στις εξωτερικές συσκευές εργασίας. Ο όρος συσκευές εργασίας χρησιμοποιείται για να γίνει διαχωρισμός μεταξύ των υπαρχουσών πραγματικών εξωτερικών συσκευών (μπουτόν, διακόπτες, λυχνίες, φορτία κτλ), που πρέπει να συνδέονται με καλώδια και του εσωτερικού προγράμματος χρήστη, που μιμείται τη λειτουργία των ηλεκτρονόμων, των χρονοκυκλωμάτων και των μετρητών. Μερικοί προγραμματιζόμενοι ελεγκτές έχουν ξεχωριστές μονάδες εισόδων- εξόδων, ενώ άλλοι έχουν τις μονάδες αυτές συνδεδεμένες σαν ενιαίο τμήμα της μονάδας ελέγχου. Υπάρχουν πολλά είδη εισόδων και εξόδων που μπορούν να συνδεθούν σε προγραμματιζόμενο ελεγκτή και όλες διαιρούνται σε δύο ομάδες: τις ψηφιακές και τις αναλογικές εισόδους. Οι μονάδες εισόδου εκτελούν τέσσερις εργασίες στο σύστημα ελέγχου του PLC: Ανιχνεύουν πότε φτάνει στο μηχάνημα σήμα από αισθητήρα Μετατρέπουν το σήμα εισόδου στη σωστή τιμή τάσης για το συγκεκριμένο PLC Απομονώνουν το PLC από διακυμάνσεις της τάσης ή του ρεύματος του σήματος εισόδου Στέλνουν στο PLC ένα σήμα που δείχνει τον αισθητήρα προέλευσης του σήματος [193]

208 Η μονάδα προσαρμογής εξόδου του PLC λειτουργεί σαν διακόπτης που τροφοδοτεί την έξοδο από την τροφοδοσία χρήστη. Η έξοδος κάτω από τον έλεγχο του προγράμματος οδηγείται από τον επεξεργαστή σε ένα λογικό κύκλωμα, το οποίο δέχεται και αποθηκεύει την εντολή του επεξεργαστή που χρειάζεται για να ενεργοποιήσει μια έξοδο. Οι συσκευές μεταγωγής εξόδου που χρησιμοποιούνται συχνότερα για να προσφέρουν τροφοδοσία στα φορτία είναι: Ηλεκτρονόμοι για φορτία ΑC ή DC Triac μόνο για AC φορτία Τρανζίστορ μόνο για φορτία DC Οι μονάδες προσαρμογής εξόδου είναι κανονικά σχεδιασμένες να χειρίζονται ρεύματα στην περιοχή 2 μέχρι 3 Α. Για προστασία των κυκλωμάτων εξόδου της μονάδας, δεν πρέπει να υπερβαίνονται οι καθορισμένες βαθμονομήσεις ρεύματος. Για έλεγχο μεγαλύτερων φορτίων συνδέεται ένας συνηθισμένος ηλεκτρονόμος ελέγχου. Όταν χρησιμοποιείται με τον τρόπο αυτό, ο ηλεκτρονόμος ονομάζεται ηλεκτρονόμος παρεμβολής (interposing relay). Οι μονάδες προσαρμογής εισόδου και εξόδου συνήθως φέρουν ενδεικτικές λυχνίες LED οι οποίες δείχνουν την κατάσταση κάθε εισόδου και εξόδου αντίστοιχα. Κάθε θύρα ή ακροδέκτης στις μονάδες εισόδου και εξόδου λαμβάνει ένα μοναδικό αριθμό διεύθυνσης. Η διεύθυνση αυτή χρησιμοποιείται από τον επεξεργαστή για αναγνώριση της θέσης της συσκευής, ώστε να την εποπτεύει ή να την ελέγχει. Το είδος της μονάδας και η πραγματική φυσική θέση του ακροδέκτη καθορίζουν τη διεύθυνση προγραμματισμού. Το σύστημα του PLC χρειάζεται δύο τροφοδοσίες. Η μία παρέχει την ενέργεια που χρειάζεται για τη λειτουργία των συσκευών εργασίας και των φορτίων εξόδου και δίνεται από το χρήστη του PLC. Η δεύτερη τροφοδοσία προσφέρεται εσωτερικά ή σα μονάδα που αποτελεί τμήμα του συστήματος του PLC. Αυτή παρέχει εσωτερικό συνεχές ρεύμα για τη λειτουργία των λογικών κυκλωμάτων του επεξεργαστή και των κατασκευών Ι/Ο. Η τάση που προσφέρεται θα εξαρτάται από το είδος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που υπάρχουν μέσα στο σύστημα. Η συσκευή προγραμματισμού προσφέρει το κύριο μέσο με το οποίο ο χρήστης επικοινωνεί με τα κυκλώματα του PLC. Επιτρέπει στο χρήστη να εισάγει, να διορθώνει και να εποπτεύει προγράμματα με σύνδεση στη μονάδα επεξεργαστή, [194]

209 επιτρέποντας πρόσβαση στη μνήμη χρήστη. Η μονάδα προγραμματισμού μπορεί να είναι ένα τερματικό χειρός με οθόνη απεικόνισης LCD, είτε μια μονάδα απεικόνισης μιας γραμμής με LED, είτε ένα πληκτρολόγιο και μονάδα απεικόνισης βίντεο. Η απεικόνιση βίντεο προσφέρει το πλεονέκτημα πως μπορεί να δείχνει σε οθόνη μεγάλες ποσότητες λογικής, πράγμα που απλοποιεί την ερμηνεία του προγράμματος. Ένας υπολογιστής με το κατάλληλο λογισμικό μπορεί επίσης να λειτουργήσει σαν τερματικό προγραμματισμού, δίνοντας τη δυνατότητα συνέχισης του προγραμματισμού μακρυά από τη φυσική θέση του προγραμματιζόμενου ελεγκτή. Όταν το πρόγραμμα συμπληρωθεί, αποθηκεύεται σε κάποια μορφή μνήμης και όταν χρειαστεί, μεταφέρεται στο PLC. Γενικά, η μονάδα προγραμματισμού επικοινωνεί με τον επεξεργαστή μέσω σειριακής ή παράλληλης ζεύξης επικοινωνίας πληροφοριών. Όταν η μονάδα προγραμματισμού δε χρησιμοποιείται, μπορεί να απομακρυνθεί, χωρίς να επηρεαστεί η λειτουργία του προγράμματος χρήστη. Όταν πρωτοεμφανίστηκαν τα PLC, σα θεμελιώδης μορφή προγραμματισμού επιλέχθηκε το διάγραμμα κλίμακας (ladder diagram) επειδή ήταν πολύ γνωστό στην ηλεκτρική και ηλεκτρονική βιομηχανία. Ένα παράδειγμα αυτής της μορφής προγραμματισμού μπορεί να φανεί στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 5.10). Σχήμα 5.10: Προγραμματισμός με διάγραμμα κλίμακας (ladder diagram) Όπως παρατηρούμε αυτός ο τρόπος προγραμματισμού φέρει αρκετές ομοιότητες με την κλασσική σχεδίαση κυκλωμάτων αυτοματισμού με ηλεκτρονόμους. Τα ξεχωριστά σύμβολα παριστάνουν διάφορες εντολές. Για παράδειγμα το σύμβολο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ΝΟ επαφή, ενώ το σύμβολο ( ) μπορεί να θεωρηθεί ότι [195]

210 παριστάνει πηνίο, που όταν ενεργοποιηθεί, κλείνει μια ομάδα επαφών. Οι αριθμοί και τα γράμματα παριστάνουν διευθύνσεις εντολών. Όταν γίνεται ο προγραμματισμός, οι εντολές εισάγονται μια μια στη μνήμη του επεξεργαστή από το τερματικό πληκτρολόγιο του χειριστή και αποθηκεύονται στο τμήμα προγράμματος χρήστη της μνήμης. Για να λειτουργήσει το πρόγραμμα, η μονάδα ελέγχου μπαίνει σε λειτουργία RUN, ή σε κύκλο λειτουργίας. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου λειτουργίας, η μονάδα ελέγχου εξετάζει την κατάσταση των συσκευών εισόδου, εκτελεί το πρόγραμμα χρήστη και μεταβάλλει αντίστοιχα τις εξόδους. Η λειτουργία RUN μπορεί να περιγραφεί με την παρακάτω ακολουθία γεγονότων. Πρώτον, εξετάζονται οι είσοδοι και καταγράφεται η κατάστασή τους στη μνήμη της μονάδας ελέγχου. Έπειτα γίνεται αποτίμηση του διαγράμματος κλίμακας, όπου κάθε εσωτερική επαφή παίρνει μια κατάσταση ΑΝΟΙΚΤΗ ή ΚΛΕΙΣΤΗ σύμφωνα με την καταγραφή. Αν οι επαφές αυτές δίνουν διαδρομή ρεύματος από τα αριστερά της τα δεξιά του διαγράμματος, η θέση μνήμης του πηνίου εξόδου παίρνει λογική τιμή 1 και οι επαφές της μονάδας προσαρμογής της εξόδου θα κλείσουν. Ειδάλλως, η θέση μνήμης παίρνει λογική τιμή 0 και οι επαφές της μονάδας προσαρμογής της εξόδου θα είναι ανοικτές. Η συμπλήρωση ενός κύκλου αυτής της ακολουθίας ονομάζεται σάρωση (scan). Ο χρόνος σάρωσης, δηλαδή το χρονικό διάστημα που χρειάζεται για ένα πλήρη κύκλο, δίνει ένα μέτρο της ταχύτητας απόκρισης του PLC. Τέλος, είναι φανερό πως ο χρόνος σάρωσης εξαρτάται και από το μέγεθος και τα στοιχεία του προγράμματος. [64] Είσοδοι έξοδοι και επιλογή του κατάλληλου PLC Για να γίνει η επιλογή του PLC, πρέπει πρώτα, να καθοριστεί με σαφήνεια ο αριθμός και το είδος των εισόδων και εξόδων, που θα χρειαστούν για την εφαρμογή. Έτσι σε αυτήν την ενότητα, αφού αναλυθεί ο τρόπος υλοποίησης της εξομοίωσης της κατανάλωσης, θα παρουσιαστεί το PLC, που τελικά επιλέχθηκε. Αρχικά, προτάθηκαν δύο τρόποι για την εξομοίωση της οικιακής κατανάλωσης. Ο πρώτος ήταν να εξομοιωθεί η στιγμιαία κατανάλωση ενεργού και αέργου ισχύος, χρησιμοποιώντας αντιστάσεις για την κατανάλωση της πραγματικής ισχύος και πηνία για την κατανάλωση αέργου ισχύος. Ο δεύτερος τρόπος θα εξομοίωνε την κάθε χρησιμοποιούμενη οικιακή συσκευή χωριστά, με αντίσταση, εάν η συμπεριφορά της [196]

211 ήταν καθαρά ωμική, με αντίσταση σε σειρά με πηνίο αν η συσκευή εμφάνιζε ωμικόεπαγωγική συμπεριφορά. Στον δεύτερο τρόπο, οι καταναλώσεις που θα οφείλονταν σε φωτισμό θα εξομοιώνονταν με λαμπτήρες κατάλληλης ισχύος. Και οι δύο τρόποι φέρουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Συγκεκριμένα, όπως γίνεται σαφές, ο πρώτος τρόπος είναι αρκετά πιο οικονομικός, αφού για να τον υλοποιήσουμε χρειάζεται να ξέρουμε το μέγιστο φορτίο ανά φάση του εβδομαδιαίου σεναρίου, το οποίο όπως είναι λογικό θα είναι αρκετά μικρότερο από τη συνολική ισχύ των οικιακών συσκευών, η οποία στο δεύτερο τρόπο πρέπει να εξομοιωθεί καθ ολοκληρία. Εκτός από το μειωμένο κόστος στην αγορά των αντιστάσεων, η συνολική διάταξη θα καταλάμβανε αρκετά μικρότερο χώρο. Με βάση τον πρώτο τρόπο υλοποίησης, η απαιτούμενη ισχύς προς εξομοίωση θα ήταν περίπου 15 kw, ενώ στο δεύτερο τρόπο υλοποίησης η συνολική ισχύς των αντιστάσεων που θα απαιτούνταν είναι (όπως συμπεραίνεται εύκολα από τον πίνακα 5.3) περίπου 31 kw συν όποιοι λαμπτήρες χρησιμοποιηθούν. Ήδη με μια πρώτη ματιά και αν αναλογιστεί κανείς το σχετικά μεγάλο κόστος των παθητικών στοιχείων R-L, μπορεί να καταλάβει πως ο πρώτος τρόπος είναι πιο συμφέρων. Βέβαια, ένας λόγος μας αποθάρρυνε από την υλοποίηση του εξομοιωτή με αυτόν τον τρόπο. Σε αυτόν τον τρόπο ο προγραμματισμός του PLC από τρίτους ή η αλλαγή του εβδομαδιαίου σεναρίου κατανάλωσης θα ήταν δύσκολο εγχείρημα, καθώς η κάθε έξοδος του PLC αντίθετα με το δεύτερο τρόπο, δε θα αντιστοιχίζεται με μια συσκευή, αλλά με ένα στοιχείο (αντίσταση ή πηνίο), το οποίο θα έχει το δικό του ρόλο στη συνολική κατανάλωση. Αυτό, με άλλα λόγια, θα σήμαινε την επανεγγραφή μεγάλου μέρους του κώδικα ή στη χειρότερη περίπτωση την εξ ολοκλήρου αλλαγή του. Συνεπώς, οδηγηθήκαμε σε μια τρίτη λύση, η οποία θα μείωνε το κόστος του δεύτερου τρόπου υλοποίησης, αλλά δε θα ξέφευγε από τη λογική ότι σε κάθε έξοδο του PLC αντιστοιχίζεται η εξομοίωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης μιας οικιακής συσκευής. Όπως παρατηρούμε από τον πίνακα 5.3, αρκετές από τις καταναλώσεις των οικιακών συσκευών που θα χρησιμοποιήσουμε, ομοιάζουν. Έτσι, προσπαθώντας να μειώσουμε το κόστος, αποφασίσαμε να ομαδοποιήσουμε κάποιες από αυτές τις οικιακές συσκευές και να τις εξομοιώσουμε ως μια συσκευή, η οποία όμως θα ενεργοποιείται από διαφορετική έξοδο του PLC. Η ομαδοποίηση αυτή δεν μπορεί να γίνει άφοβα, καθώς κρύβει κάποιους σοβαρούς κινδύνους, όπως η βραχυκύκλωση δύο φάσεων εάν οι συσκευές (έξοδοι του PLC) προς ομαδοποίηση δεν τροφοδοτούνται από την ίδια φάση. Επίσης, οι έξοδοι του PLC που οδηγούνται στην [197]

212 ίδια σειρά αντιστάσεων δεν πρέπει να ενεργοποιούνται ταυτόχρονα. Έχοντας αυτούς τους περιορισμούς κατά νου, προχωρήσαμε στην ομαδοποίηση των συσκευών, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Συσκευή Θεωρητική Επαγωγή Ισχύς Ωμική Κατανάλωση Πηνίου (Η) επιλεγμένων αντίσταση Συσκευής (W) αντιστάσεων (Ω) (W) Ψυγείο Απορροφητήρας ΤV TV PC PC2 Ηλεκτρικό σίδερο (Το ηλεκτρικό σίδερο θα χρησιμοποιεί μόνο το ωμικό μέρος της εξομοίωσης του Η/Υ) Τοστιέρα Βραστήρας Σκάνερ [198]

213 Φούρνος Μικροκυμάτων Φούρνος Μικρό Μάτι Μεσαίο Μάτι Μεσαίο Μάτι Μεγάλο Μάτι Πλυντήριο ρούχων Πιστολάκι Ηλεκτρική Σκούπα Θερμοσίφωνας Air condition - (ο θερμοσίφωνας και το κλιματιστικό δε θα 4000 χρησιμοποιούν επιπλέον αντιστάσεις, αλλά το ωμικό κομμάτι τους θα αποτελείται απ την παράλληλη σύνδεση των αντιστάσεων του φούρνου και του Μεσαίου ματιού) Πίνακας 5.4: Πίνακας ομαδοποίησης συσκευών και επιλογής στοιχείων RL Έτσι, ενώ θα προγραμματίζονται και θα ενεργοποιούνται στο PLC 21 ( +1 για τη σύνδεση των αντιστάσεων κατά τη λειτουργία του air condition ή του θερμοσίφωνα) έξοδοι για τις 21 χρησιμοποιηθείσες συσκευές, θα τροφοδοτούνται 13 φορτία. Εφαρμόζοντας την παραπάνω ομαδοποίηση, μπορούμε να δούμε, πως η απαιτούμενη ισχύς των συνολικών αντιστάσεων είναι περίπου 13 kw, συν όποιοι λαμπτήρες χρειαστούν για την εξομοίωση του φωτισμού. Έχοντας πάντα κατά νου τις [199]

214 δεσμεύσεις και τους περιορισμούς κατά την ομαδοποίηση, καταφέραμε να φέρουμε το κόστος της υλοποίησης στα επίπεδα του πρώτου τρόπου που αναφέρθηκε, ενώ παράλληλα διατηρήσαμε το θετικό στοιχείο της εύκολης επέμβασης στο πρόγραμμα ανά πάσα στιγμή. Στο παρακάτω σχήμα 5.11 φαίνεται, πώς έχουν συνδεθεί παράλληλα οι αντιστάσεις και με ποια σειρά τοποθετήθηκαν στην κατασκευή. Σχήμα 5.11: Αρίθμηση αντιστάσεων με βάση την τοποθέτησή τους στην κατασκευή Στο παραπάνω σχήμα (Σχήμα 5.11) οι μεγάλοι κύκλοι (1 μέχρι 23) αντιστοιχούν σε αντιστάσεις των 100Ω, ενώ οι μικροί (1 μέχρι 11) στις αντιστάσεις 470Ω. Κατ αυτόν τον τρόπο, έχουν τοποθετηθεί και στην τελική κατασκευή. Για την εξομοίωση των φορτίων, επιλέχθηκε οι αντιστάσεις τους να είναι όσο το δυνατόν μακρύτερα η μια από την άλλη, έτσι ώστε να εμποδίσουμε τη συσσώρευση θερμότητας σε ένα σημείο και να πετυχαίνουμε καλύτερη απαγωγή της. Φυσικά, προσπαθήσαμε να πετύχουμε, φορτία, που λειτουργούν συχνότερα να βρίσκονται ψηλότερα στην κατασκευή, για καλύτερη απαγωγή της θερμότητας. Έτσι, λοιπόν στον παρακάτω πίνακα μπορούμε να δούμε ποιες αντιστάσεις αντιστοιχούν σε κάθε φορτίο. [200]

215 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ Οι παρακάτω αντιστάσεις αφορούν τις αντιστάσεις των 100Ω Φούρνος 1,3,5,7,16 Μεγάλο Μάτι 6,4,21,19 Πλυντήριο/Πιστολάκι/Ηλ. Σκούπα 2,20,18,17,15,22 PC1/ Ηλ. Σίδερο 14,12 Μεσαίο Μάτι/Βραστήρας/Τοστιέρα 13,11,9 PC2 10,8 Μικρό μάτι/ Φούρνος Μικροκυμάτων 23 Οι παρακάτω αριθμοί αφορούν τις αντιστάσεις των 470Ω. Ψυγείο 8,9,10 Απορροφητήρας 2,4,6 ΤV1 1 TV2 3 Scanner 5,7 Πίνακας 5.5: Αντιστοίχιση αντιστάσεων με συσκευές [201]

216 Για να έχουμε μια εικόνα για το πώς έχουν τοποθετηθεί οι αντιστάσεις στην τελική κατασκευή παραθέτουμε το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.12). Σχήμα 5.12: Τρόπος τοποθέτησης των αντιστάσεων στην τελική κατασκευή Έχοντας υπόψη λοιπόν, πως θα χρειαστούμε σίγουρα 21 εξόδους για τις παραπάνω συσκευές, οι οποίες στην περίπτωση μας, δε χρειάζεται να είναι αναλογικές μπορούμε να επιλέξουμε το κατάλληλο PLC και τις απαιτούμενες επεκτάσεις. Οι είσοδοι που έχουμε είναι πολύ λίγες (τέσσερις συνολικά), το σύνολο των οποίων ψηφιακές. Επιλέχθηκε τελικά να αγοραστεί ένα PLC 36 ψηφιακών εισόδων και 24 ψηφιακών εξόδων καθώς και δύο επεκτάσεις 16 ψηφιακών εξόδων. Γεγονός είναι, ότι οι [202]

217 ανάγκες της εφαρμογής υπερκαλύπτονται, αλλά η αγορά έγινε με σκοπό όχι μόνο την παρούσα αλλά και τη μελλοντική χρήση του PLC από το εργαστήριο πάνω σε άλλες εφαρμογές. Το PLC είναι της εταιρείας Fatek, το μοντέλο FBs-60MA, οι έξοδοι του οποίου είναι ηλεκτρονόμοι. Στο σχήμα 5.13 μπορούμε να διακρίνουμε κάποια από τα βασικά στοιχεία του PLC. [65] Σχήμα 5.13: Τυπική μορφή PLC της σειράς FBs της εταιρείας Fatek Οι αριθμοί κατά αύξουσα σειρά αντιπροσωπεύουν: 1. Ράγα στην οποία μπορεί να τοποθετηθεί το PLC 2. Εγκοπή για τοποθέτηση σε ράγα (DIN rail tab) 3. Τρύπες για την επιτοίχια τοποθέτηση του PLC με βίδες. 4. Ακροδέκτες για τη σύνδεση τροφοδοτικού 24V DC και οι είσοδοι του PLC 5. Ακροδέκτες για τη σύνδεση τροφοδοτικού και οι έξοδοι του PLC 6. Θύρα για την επικοινωνία του PLC με τυχόν επεκτάσεις (από την αριστερή πλευρά) 7. Θύρα επικοινωνίας με συσκευή προγραμματισμού 8. Ενδεικτικές λυχνίες για την αποστολή (Τx) ή παραλαβή δεδομένων (Rx) με τη θύρα επικοινωνίας 9. Ενδεικτικές λυχνίες κατάστασης εισόδων (Χn) 10. Ενδεικτικές λυχνίες κατάστασης εξόδων (Υn) 11. Ενδεικτικές λυχνίες κατάστασης λειτουργίας (RUN, ERR, POW) 12. Θύρα για τη σύνδεση επεκτάσεων (από τη δεξιά πλευρά) [203]

218 Αυτή τη μορφή έχει και το PLC που υπάρχει ήδη στο εργαστήριο. Συγκεκριμένα το μοντέλο που υπάρχει πλέον στο εργαστήριο φαίνεται στο σχήμα 5.14: Σχήμα 5.14: Μοντέλο του PLC που υπάρχει πλέον στο εργαστήριο Έχοντας πλέον, ένα τόσο μεγάλο εύρος εξόδων (σύνολο 56) μας έδωσε τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε ένα μεγάλο πλήθος εξ αυτών για την τροφοδότηση λαμπτήρων. Το γεγονός αυτό, προσέδωσε ευελιξία και μεταβλητότητα στο σενάριο της κατανάλωσης. Συνολικά, οι έξοδοι που δεσμεύονται για λαμπτήρες αποφασίστηκε να είναι 23. Άρα οι συνολικές έξοδοι του PLC που χρησιμοποιήθηκαν είναι 45 συν 7 επιπρόσθετες άρα 52. Οι 7 επιπρόσθετες έξοδοι που χρησιμοποιήθηκαν είναι για να οδηγήσουν 7 DC ενδεικτικές λυχνίες των ομαδοποιημένων φορτίων, που χρησιμοποιούν κοινά ρελέ (περισσότερες λεπτομέρειες θα δωθούν στη συνέχεια). Μπορούμε τώρα να ονοματίσουμε τις εισόδους και τις εξόδους που χρησιμοποιήθηκαν. Για μεγαλύτερη εποπτεία, οι έξοδοι του PLC που θα οδηγούν τους λαμπτήρες, μεταφέρθηκαν στις δύο επεκτάσεις. [204]

219 Είσοδος Λειτουργία Σχόλια Χ0 START Εκκίνηση λειτουργίας Χ1 ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΗ Ορισμός αρχικής στιγμής εκκίνησης Η αρχικοποίηση πρέπει να ενεργοποιηθεί πριν την εκκίνηση Χ2 STOP Παύση λειτουργίας Χ4 Αρχικοποίηση δυο συγκεκριμένων μετρητών (περισσότερα θα αναφερθούν κατά την ανάλυση του προγράμματος) Ενεργοποίηση πριν την πρώτη εκκίνηση του προγράμματος Πίνακας 5.6: Είσοδοι που χρησιμοποιήθηκαν και η λειτουργία τους Έξοδος Συσκευή Υ0 Βραστήρας Υ1 Ψυγείο Υ2 Τοστιέρα Υ3 Τηλεόραση Υ4 Θερμοσίφωνας Υ5 Υπολογιστής Υ6 Πλυντήριο ρούχων [205]

220 Υ7 Υπολογιστής Υ8 Μικρό Μάτι Υ9 Μεσαίο Μάτι Υ10 Μεσαίο Μάτι Υ11 Μεγάλο Μάτι Υ12 Φούρνος Υ13 Τηλεόραση Υ14 Σκάνερ Υ15 Φούρνος μικροκυμάτων Υ16 Κλιματιστικό Υ17 Ηλεκτρικό σίδερο Υ18 Ηλεκτρική σκούπα Υ19 Απορροφητήρας Υ20 Πιστολάκι Υ23 Έξοδος που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση αντιστάσεων φούρνου μεσαίου ματιού Έξοδοι της πρώτης επέκτασης Υ24 (Υ1) Φως Μπαλκόνι 1 [206]

221 Υ25 (Υ2) Φως Μπαλκόνι 2 Υ26 (Υ3) Φως Υπογείου Υ27 (Υ4) Φως Αποθήκης Υ28 (Υ5) Σαλόνι Φως 1 Υ29 (Υ6) Σαλόνι Φως 2 Υ30 (Υ7) Φως ενιαίου χώρου υπογείου Υ31 (Υ8) Φώτα κήπου Υ32 (Υ9) Φως Μπάνιο 1 Υ33 (Υ10) Φως Δωμάτιο 3 Υ34 (Υ11) Μικρά φώτα κουζίνας Υ35 (Υ12) Κεντρικό φως κουζίνας Υ36 (Υ13) Φως δωμάτιο 1 Υ37 (Υ14) Φως δωμάτιο 2 Υ38 (Υ15) Τραπεζαρία φως 1 Υ39 (Υ16) Φως Μπάνιο 2 Έξοδοι της δεύτερης επέκτασης Υ40 (Υ1) Φως Χολ 1 Υ41 (Υ2) Φως Χολ 2 [207]

222 Υ42 (Υ3) Αμπαζούρ 1 Υ43 (Υ4) Αμπαζούρ 2 Υ44 (Υ5) Φως Εισόδου Υ45 (Υ6) Τραπεζαρία Φως 2 Υ46 (Υ7) Φώτα Νέον (Κουζίνα) Υ48 (Υ9) Ενδεικτική λυχνία DC μεσαίου ματιού (αντιστοιχία με Υ9 main unit) Υ49 (Υ10) Ενδεικτική λυχνία DC μεσαίου ματιού (αντιστοιχία με Υ10 main unit) Υ50 (Υ11) Ενδεικτική λυχνία DC Πλυντηρίου Υ51 (Υ12) Ενδεικτική λυχνία DC ηλεκτρικής σκούπας Υ52 (Υ13) Ενδεικτική λυχνία DC πιστολάκι Υ53 (Υ14) Ενδεικτική λυχνία DC βραστήρα Υ55 (Υ16) Ενδεικτική λυχνία DC τοστιέρας Πίνακας 5.7: Έξοδοι που χρησιμοποιήθηκαν και η συσκευή στην οποία αντιστοιχούν [208]

223 Η ονοματολογία των εξόδων των λαμπτήρων στον παραπάνω πίνακα, έχει γίνει με βάση το διαχωρισμό των χώρων κάθε ορόφου της μονοκατοικίας, που εξετάζεται, και αναλύεται εκτενέστερα σε επόμενη ενότητα. Επίσης η ονοματολογία των εξόδων των επεκτάσεων έχει γίνει με βάση την αρίθμηση η οποία δίνεται στο πρόγραμμα winproladder, που χρησιμοποιείται για τον προγραμματισμό του PLC, ενώ μέσα σε παρένθεση δίνεται η αντιστοίχιση με τον αριθμό της εξόδου της εκάστοτε εξόδου της επέκτασης Προγραμματισμός του PLC Στην ενότητα αυτή, θα παρουσιαστεί η βασική λογική που χρησιμοποιήθηκε για τον προγραμματισμό του PLC, ενώ το συνολικό πρόγραμμα θα παρουσιαστεί στο παράρτημα. Για καλύτερη εποπτεία και ευκολία σε ενδεχόμενες επεμβάσεις, το συνολικό πρόγραμμα έχει χωριστεί σε υποσυστήματα το καθένα από τα οποία εκτελεί κάποιες συγκεκριμένες λειτουργίες. Για να δώσουμε μια ιδέα του βασικού μενού της εφαρμογής winproladder παραθέτουμε τα ακόλουθα δύο σχήματα [66]. Σχήμα 5.15: Βασικό μενού winproladder [209]

224 Σχήμα 5.16: Βασικό μενού winproladder Με τη βοήθεια του σχήματος 5.16 μπορούμε να καταλάβουμε, πώς μπορεί ένα πρόγραμμα που είναι σε μορφή κώδικα να περαστεί στο PLC. Αφού ολοκληρωθεί η συγγραφή του προγράμματος, από την καρτέλα PLC της εφαρμογής winproladder, επιλέγοντας το On-Line μεταφέρουμε τον κώδικα στο PLC. Για να μπορεί το PLC να «τρέξει» τον εν λόγω κώδικα, πρέπει να πατήσουμε την επιλογή Run PLC, από την ίδια καρτέλα. Από τη στιγμή αυτή και μετά η σύνδεση του PLC με τον υπολογιστή δεν είναι απαραίτητη και ο κώδικας τίθεται σε λειτουργία. Αν για παράδειγμα, ο κώδικας ενεργοποιεί τις εξόδους με το πάτημα ενός button, το PLC θα αναμένει το πάτημα του εν λόγω button. Στο σχήμα 5.15 βλέπουμε, πώς μπορεί κανείς να περιηγηθεί ανάμεσα στις καρτέλες των κυρίων προγραμμάτων και υποπρογραμμάτων. Επειδή το winproladder μπορεί να εμφανίζει μόνο δύο καρτέλες κατά το άνοιγμα, για να περιηγηθούμε στις υπόλοιπες, αρκεί να πατήσουμε από την καρτέλα Project, την υποκαρτέλα Main Program ή Sub Program και εν τέλει την καρτέλα που επιθυμούμε. Το συγκεκριμένο μοντέλο PLC δε διαθέτει εσωτερικό ρολόι πραγματικού χρόνου. Καθώς επιθυμούμε να ενεργοποιούμε τις εξόδους του PLC σε διάφορες χρονικές στιγμές μέσα στην ημέρα και το επιθυμητό σενάριο να επαναλαμβάνεται για όλες τις εβδομάδες ενός ημερολογιακού έτους, ήταν επιτακτική η ανάγκη ενός προγράμματος, που θα εξομοίωνε ένα ρολόι, το οποίο να συμβαδίζει με τον πραγματικό χρόνο. Στο υποσύστημα clock του προγράμματος, λοιπόν, υπάρχει το χρονόμετρο το οποίο χτίστηκε με την εξής λογική. Σε έξι διαφορετικούς καταχωρητές αποθηκεύουμε [210]

225 δευτερόλεπτα (R0), λεπτά (R1), ώρες (R2), μέρες (R3), μήνες (R4), έτη (R5). Δύο χρονιστές (timers) μετράνε το 1 δευτερόλεπτο και ενεργοποιούν ένα βοηθητικό ρελέ Μ2. Το M2 ενεργοποιεί μια NO επαφή, η οποία με τη σειρά της εφαρμόζει τη συνάρτηση ΙΝR στον καταχωρητή R0. Η INR αυξάνει το περιεχόμενο του καταχωρητή κατά 1. Όταν τα δευτερόλεπτα (το περιεχόμενο του R0) φτάσουν τα 60 αυτόματα μηδενίζονται (μέσω της συνάρτησης MOV) και το περιεχόμενο του R1 (λεπτά) αυξάνει μέσω της INR κατά 1. Τα παραπάνω μπορούν να φανούν στο σχήμα 5.17: Σχήμα 5.17: Κώδικας για μέτρηση δευτερολέπτων με τη χρήση timers Κατά αυτόν τον τρόπο, έχουμε καταφέρει να μετράμε 1 λεπτό κάθε φορά. Με αντίστοιχη λογική μπορούμε να μετράμε τις ώρες, τις μέρες, τους μήνες και εν τέλει τα έτη. Παρακάτω φαίνεται η λογική που στηρίχθηκε η υλοποίηση του χρονομέτρου. AN M2= ΟN TOTE R0=R0+1 (αύξηση δευτερολέπτου) ΑΝ R0=60 TOTE R0=0 R1=R1+1 (αύξηση λεπτού) AN R1=60 TOTE R1=0 R2=R2+1 (αύξηση ώρας) [211]

226 AN R2=24 TOTE R3=R3+1 (αλλαγή μέρας μέσα στον μήνα) R2=0 Σχήμα 5.18: Κώδικας για μέτρηση ημερών και ωρών Για να αλλάξουν οι μήνες πρέπει να ξέρουμε τον αριθμό ημερών κάθε μήνα: ΑΝ (R3=29 KAI R4=2) Ή (R3=32 KAI R4=(1 H 3 H 5 H 7 H 8 H 10 H 12)) Ή( R3=31 KAI (R4=4 H 6 H 9 H 11) ) TOTE R3=1 R4=R4+1(αλλαγή μήνα) Ο κώδικας για την αλλαγή του μήνα φαίνεται στο σχήμα [212]

227 Σχήμα 5.19: Κώδικας για αλλαγή μήνα Τέλος, για να αλλάξει το έτος πρέπει να ελεγχθεί ο καταχωρητής R4, των μηνών, αν έχει ξεπεράσει την τιμή 12, δηλαδή το μήνα Δεκέμβριο. AN R4=13 TOTE R4=1 R5=R5+1 (αλλαγή χρόνου) [213]

228 Σχήμα 5.20: Κώδικας για αλλαγή έτους Επιπλέον, στο υποσύστημα αυτό υπάρχει μια διαδικασία ώστε να αλλάζει η ώρα από χειμερινή σε θερινή ζώνη και αντίστροφα, ώστε να συμβαδίζει με την πραγματική ώρα. Επειδή η ώρα αλλάζει τελευταία Κυριακή Μαρτίου και Οκτωβρίου βάλαμε την τελευταία Κυριακή του Μαρτίου 2015 και την τελευταία Κυριακή Οκτωβρίου Όταν η ώρα από 4:00 γίνεται 3:00 πρέπει να αλλάξει μόνο μια φορά αλλιώς το πρόγραμμα θα μπει σε αέναη επανάληψη, για το λόγο αυτό ο μετρητής (counter C0) μετρά μια φορά. Αυτός ο Counter δεν πρέπει να γίνει clear, παρά μόνο πριν την αρχή του προγράμματος. Για το λόγο αυτό, έχει χρησιμοποιηθεί μια είσοδος Χ4 που θα καθαρίζει τα δεδομένα του μετρητή, μια φορά πριν την πρώτη εκκίνηση του προγράμματος. Όταν η ώρα από 3πμ αλλάζει σε 4πμ. επειδή μια συσκευή πρέπει να κλείσει στις 3πμ, έχει προστεθεί ο κώδικας στις γραμμές Ν028 Ν030, έτσι ώστε να απενεργοποιεί τη συσκευή αυτή. Σε αντίθετη περίπτωση, η συσκευή θα έμενε ανοιχτή μέχρι να απενεργοποιηθεί την επόμενη φορά, που η ώρα θα γίνει 3πμ. Τα παραπάνω φαίνονται στα δύο παρακάτω σχήματα. Σχήμα 5.21: Κώδικας για αλλαγή ώρας από χειμερινή σε θερινή ζώνη [214]

229 Σχήμα 5.22: Κώδικας για αλλαγή ώρας από θερινή σε χειμερινή ζώνη Σ αυτό το υποσύστημα, υπάρχει επίσης μια συνάρτηση (ΤΑΒLE TO REGISTER) η οποία χρησιμοποιείται για να αλλάζουμε διαδοχικά τις μέρες της βδομάδας. (θα επεξηγηθεί καλύτερα με το υποσύστημα mera). Σχήμα 5.23: Συνάρτηση Table to register Στο υποσύστημα mera υπάρχουν επτά διαφορετικά σενάρια ανάλογα με τη μέρα που θα ξεκινήσει τη λειτουργία του το plc. Αν ξεκινήσει για παράδειγμα Δευτέρα, τότε έχουμε το πρώτο σενάριο (Μ1000). Είναι χρήσιμο να ξέρουμε ποια μέρα είναι, ώστε να πραγματοποιείται το εβδομαδιαίο σενάριο. Για παράδειγμα, ο φούρνος ανοίγει κάθε Δευτέρα Τετάρτη- Παρασκευή. Για να ξέρουμε ποια μέρα είναι ανά πάσα στιγμή πρέπει, πρώτον, να οριστεί η αρχική μέρα (ορίζεται στο υποσύστημα αρχικοποίησης μέσω του R20 καταχωρητή που παίρνει τιμές από 0 έως 6, όπου 0 για Δευτέρα), δεύτερον να αλλάζουν οι μέρες με τη σωστή σειρά και τρίτον να αποθηκεύεται η εκάστοτε μέρα σε έναν καταχωρητή. Τα δύο τελευταία τα πετυχαίνουμε μέσω αυτού του υποσυστήματος και της συνάρτησης Τable to register στο υποσύστημα clock. [215]

230 Σχήμα 5.24: Ορισμός αρχικής ημέρας και σεναρίου ακολουθίας ημερών Έστω για παράδειγμα το R20= 2 (Τετάρτη) τότε ενεργοποιείται το Μ1002 και έχουμε την εξής σειρά ημερών (την οποία αποθηκεύουμε σε καταχωρητές): ΤΕΤΑΡΤΗ=R6, ΠΕΜΠΤΗ=R7 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ=R8, ΣΑΒΒΑΤΟ=R9, ΚΥΡΙΑΚΗ=R10, ΔΕΥΤΕΡΑ=R11, ΤΡΙΤΗ=R12. Σχήμα 5.25: Ορισμός καταχωρητών αν ενεργοποιηθεί η επαφή Μ1002 Με την συνάρτηση table to register, όπως βλέπουμε στο σχήμα 5.23, φτιάχνουμε έναν πίνακα από περιεχόμενα καταχωρητών με πρώτο τον R6 (Ts=R6) και μήκος 7 (L=7), δηλαδή μέχρι και τον R12. Το Pr είναι ένας καταχωρητής (R13), που το περιεχόμενό του θα χρησιμοποιηθεί ως δείκτης στον πίνακα και το περιεχόμενο του στοιχείου που δείχνει θα αντιγράφεται στον R14 καταχωρητή (που είναι αυτός που χρησιμοποιούμε για τον έλεγχο της μέρας μέσα στο πρόγραμμα για το εβδομαδιαίο σενάριο). Έτσι λοιπόν, αρχικοποιούμε τον R13 πάντα στο 0 και στο παράδειγμά μας θα δείχνει την ΤΕΤΑΡΤΗ και θα αποθηκεύσει την τιμή στον R14. Για να αλλάξει [216]

231 θέση, ο δείκτης (R13), πρέπει να αλλάξει η μέρα κάτι που γίνεται με το Μ5 (γι αυτό ενεργοποιείται η ΙΝC από την αντίστοιχη επαφή Μ5). Αν βρισκόμαστε στην έβδομη μέρα και ενεργοποιηθεί η επαφή Μ5 (αλλάξει η μέρα), αυξάνεται ο δείκτης και θα υπερχειλίσει ο πίνακας. Τότε, θα ενεργοποιηθεί η έξοδος λάθους που υπάρχει (ΕRR). Ενεργοποιώντας το Μ1007 από την ΕRR, μηδενίζουμε πάλι τον δείκτη R13 ώστε να αρχίσει η εβδομάδα να μετρά απ την αρχή (Τετάρτη, στο συγκεκριμένο παράδειγμα). Αφού ο εξομοιωτής του φορτίου θα συνδεθεί στο μικροδίκτυο, πριν την έναρξη του προγράμματος είναι σημαντικό να έχουμε ορίσει την αρχική ημερομηνία και ώρα, ώστε να συμβαδίζουν με τις πραγματικές. Με το πάτημα του μπουτόν που ενεργοποιεί τη Χ1 είσοδο ενεργοποιείται στιγμιαία η αρχικοποίηση, μέσω Μ0VE συναρτήσεων ορίζουμε το αρχικό περιεχόμενο των 6 καταχωρητών που χρησιμοποιούνται από το υποσύστημα clock όπως και των R13, R14 και του R20. Σχήμα 5.26: Αρχικοποίηση καταχωρητών Σε αυτό το υποσύστημα ορίζεται και το τέλος του προγράμματος (έναν ακριβώς χρόνο μετά την πρώτη εκκίνηση). Το σύστημα μπορεί για οποιοδήποτε λόγο να βγεί εκτός λειτουργίας μέσα σε αυτόν τον χρόνο και να χρειαστεί να αρχικοποιηθεί απ την [217]

232 αρχή, χωρίς όμως απαραίτητα να πρέπει να μετατοπιστεί και το σημείο όπου είχε προγραμματιστεί να σταματήσει να λειτουργεί. Για το λόγο αυτό υπάρχει ένας counter (διατηρητικός) C139 ώστε και μετά την ενδεχόμενη διακοπή λειτουργίας, ακούσια ή εκούσια, να διατηρεί την προηγούμενη κατάστασή του με σκοπό να κρατάει ανοιχτή την επαφή Μ996. Αν θέλουμε να μετατοπίσουμε το σημείο παύσης λειτουργίας, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε το μπουτόν που ενεργοποιεί την είσοδο Χ4 πριν την αρχικοποίηση ώστε να έχει καθαριστεί το περιεχόμενο του counter C139. Σχήμα 5.27: Κώδικας για αυτόματη-προγραμματισμένη σβέση του εξομοιωτή Όσον αφορά την ενεργοποίηση των εξόδων του PLC, αυτή γίνεται με τη χρησιμοποίηση δυο κύριων μοτίβων κατά τον προγραμματισμό. Ο διαχωρισμός γίνεται με βάση το χρόνο που παραμένει ενεργοποιημένη η έξοδος. Αν η έξοδος παραμένει ενεργοποιημένη για λιγότερο από μια ώρα, τότε η λογική είναι η εξής: Ελέγχεται ο καταχωρητής, που το περιεχόμενό του δείχνει την ώρα (R2), αν το [218]

233 περιεχόμενό του είναι η ώρα που θέλουμε, τότε ελέγχονται τα λεπτά, τα οποία πρέπει να είναι ανάμεσα στο χρονικό διάστημα που επιθυμούμε. Έστω, για παράδειγμα, ότι θέλουμε να ενεργοποιηθεί μια έξοδος από 7:30 έως 7:45. Το πρόγραμμα που πρέπει να γράψουμε σε ladder φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 5.28: Κώδικας για ενεργοποίηση και απενεργοποίηση συσκευής Η ενδεχόμενη αλλαγή της ώρας ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης της εξόδου, μπορεί να γίνει πολύ εύκολα, όπως γίνεται αντιληπτό και από το προηγούμενο σχήμα, απλά αλλάζοντας κατάλληλα τις τιμές της ώρας και των λεπτών στους αντίστοιχους συγκριτές. Όπως είναι αντιληπτό, οι ενδεχόμενες μεταβολές του χρόνου λειτουργίας μιας εξόδου που χρησιμοποιεί αυτό το μοτίβο, πρέπει να αφορούν χρόνους λειτουργίας μικρότερους της ώρας. Σε αντίθετη περίπτωση, πρέπει να χρησιμοποιηθεί το επόμενο προγραμματιστικό μοτίβο. Στη δεύτερη περίπτωση, περιλαμβάνονται χρόνοι που αφορούν διαστήματα μεγαλύτερα της μιας ώρας. Αν, για παράδειγμα, θέλουμε να λειτουργήσει μια έξοδος από τις 20:00 μέχρι τις 22:00 ο αντίστοιχος κώδικας σε ladder είναι: Σχήμα 5.29: Κώδικας για ενεργοποίηση και απενεργοποίηση συσκευής [219]

234 Όπως φαίνεται και πάλι, ενδεχόμενες αλλαγές στο πρόγραμμα ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης της εξόδου γίνονται αρκετά εύκολα με τον ίδιο τρόπο, όπως προηγουμένως. Στο παράδειγμά μας, αν το PLC είναι απενεργοποιημένο και η αρχική στιγμή εκκίνησης έχει οριστεί μια ώρα ενδιάμεσα της 9μμ και της 10μμ, τότε η εν λόγω έξοδος δε θα ενεργοποιηθεί. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιήθηκε ένας αρχικός έλεγχος (κατά την εκκίνηση), για όσες συσκευές λειτουργούν περισσότερο από μια ώρα. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα εξόδου, ο αντίστοιχος αρχικός έλεγχος θα ήταν: Σχήμα 5.30: Κώδικας για έλεγχο ενεργοποίησης μιας συσκευής κατά την εκκίνηση Η επαφή Μ600, που ουσιαστικά ενεργοποιεί αυτόν τον έλεγχο, ελέγχεται από το μπουτόν της αρχικοποίησης (Χ1) και απενεργοποιείται μετά από 2 sec, χρόνος αρκετός για να ενεργοποιηθούν οι όποιες έξοδοι. Όπως προαναφέρθηκε, η μνήμη ενός PLC μπορεί να είναι πτητική ή μη πτητική, συνεπώς τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται κατά τον προγραμματισμό, όπως βοηθητικά ρελέ (Μ0-Μ1399), μετρητές (C0-255), και καταχωρητές (R0-R2999) μπορούν να διατηρούν ή όχι την κατάστασή τους μετά την παύση λειτουργίας (ακούσια ή εκούσια) του PLC. Η επιλογή για το ποια από αυτά τα στοιχεία θα διατηρούν την κατάστασή τους γίνεται κατά τον προγραμματισμό. Συγκεκριμένα, γίνεται επιλέγοντας την καρτέλα Project (του προγράμματος winproladder) και έπειτα την επιλογή memory allocation. Για την κάλυψη των δικών μας αναγκών, έγινε η εξής επιλογή: [220]

235 Σχήμα 5.31: Memory Allocation Πρέπει να αναφερθεί πως το συνολικό κύριο πρόγραμμα αποτελείται από τρία μέρη. Στο πρώτο βρίσκεται το σενάριο για τις συσκευές της κατοικίας, στο δεύτερο ο φωτισμός κατά τους χειμερινούς μήνες και στο τρίτο ο φωτισμός κατά τους θερινούς μήνες. Και για τα τρία αυτά μέρη υπάρχουν τα αντίστοιχα υποπρογράμματα για τον έλεγχο ενδεχόμενης ενεργοποίησης εξόδων κατά την εκκίνηση του PLC (check_y0- Y20, check_fwtismos_xeimwnas, check_fwtismos_kalokairi). Τέλος, εκτός από τα τρία υποσυστήματα που έχουν προηγουμένως αναλυθεί, αυτά του χρονομέτρου (clock), της αρχικοποίησης (arxikopoihsh) και της αλλαγής των ημερών της εβδομάδας (mera), υπάρχει ένα τελευταίο υποσύστημα (exits) το οποίο περιλαμβάνει όλες τις εξόδους, το οποίο δημιουργήθηκε για εποπτικούς λόγους. 5.4 Υλοποίηση του εξομοιωτή Σε αυτήν την υποενότητα, θα εξετάσουμε τον τρόπο με τον οποίο υλοποιήθηκε ο εξομοιωτής φορτίου στο εργαστήριο ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας, αναλύοντας τα κύρια μέρη από τα οποία αποτελείται. Στο παρακάτω σχήμα μπορεί να φανεί ο εξομοιωτής στο τελικό του στάδιο. [221]

236 Σχήμα 5.32: Ολοκληρωμένη διάταξη του εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης μιας μονοκατοικίας Όπως βλέπουμε, η όλη διάταξη του εξομοιωτή στηρίζεται σε μια κατασκευή από ράβδους ντέξιον, ενώ μπορούμε να διακρίνουμε τον ηλεκτρολογικό πίνακα, το βιομηχανικό πίνακα, τις αντιστάσεις και τα πηνία, όπως επίσης και ένα ταμπλό που κατασκευάστηκε για καλύτερη εποπτεία της λειτουργίας του εξομοιωτή Ταμπλό ελέγχου λειτουργίας φορτίων Στην πρόσοψη της κατασκευής έχει προσαρτηθεί ένα ορθογωνικό φύλλο πλεξιγκλάς πάχους 4mm. Πάνω σε αυτό έχουν τοποθετηθεί λυχνίες που αντιστοιχούν στις οικιακές συσκευές που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά την εξομοίωση της κατανάλωσης. Επίσης, σε αυτό το φύλλο, έχουν τοποθετηθεί κι οι λαμπτήρες που χρησιμοποιούνται. Για εποπτικούς λόγους, το φύλλο έχει χωριστεί σε τρία τμήματα που αντιστοιχούν στους 3 ορόφους της εξομοιωθείσας κατοικίας (υπόγειο, ισόγειο, 1 ος όροφος), κάθε ένας από τους οποίους, έχει χωριστεί σε έναν αριθμό δωματίων, μέσα στα οποία τοποθετούνται οι λυχνίες και οι λαμπτήρες. Ο χωρισμός του φύλλου πλεξιγκλάς στους διάφορους χώρους της κατοικίας έγινε με βάση το επόμενο σχέδιο. [222]

237 Σχήμα 5.33: Διαχωρισμός χώρων εξομοιωθείσας μονοκατοικίας Μια άποψη του ταμπλό ελέγχου λειτουργίας των συσκευών και των λαμπτήρων του εξομοιωτή μπορεί να φανεί στο σχήμα Σχήμα 5.34: Ταμπλό ελέγχου λειτουργίας συσκευών και λαμπτήρων [223]

238 5.4.2 Ηλεκτρολογικός πίνακας Επειδή εξομοιώνεται η ηλεκτρική κατανάλωση μιας κατοικίας, κρίθηκε απαραίτητο για λόγους ασφαλείας, να υπάρχει στην κατασκευή ένας ηλεκτρολογικός πίνακας, η σχεδίαση του οποίου να συμμορφώνεται πλήρως με τους κανονισμούς σχεδίασης ηλεκτρολογικών πινάκων μιας ανάλογης εγκατάστασης [53]. Η τριφασική παροχή από το μικροδίκτυο ή το δίκτυο της ΔΕΗ θα εισέρχεται στον ηλεκτρολογικό πίνακα και από εκεί μέσω ασφαλειών και ασφαλειοδιακοπτών θα διαμοιράζεται στα φορτία της εγκατάστασης. Πριν την επιλογή των κατάλληλων στοιχείων, έπρεπε να γίνει ένας διαχωρισμός για το ποια φορτία θα τροφοδοτεί κάθε φάση. Όπως είναι λογικό το φορτίο κάθε φάσης πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο ισομοιρασμένο. Επίσης, ο διαχωρισμός των λαμπτήρων σε κάθε φάση έγινε και με το σκεπτικό, πως αν για κάποιο λόγο διακοπεί η παροχή από κάποια φάση, ο κάθε όροφος της κατοικίας (Σχήμα 5.33) να έχει έναν ελάχιστο αριθμό λαμπτήρων που να λειτουργεί. Κάθε φάση λοιπόν αποφασίστηκε να έχει τα ακόλουθα κυκλώματα. L1 L2 L3 Γραμμή Θερμοσίφωνα Γραμμή Κλιματιστικού Γραμμή Ηλεκτρικό Μαγειρείου Κύκλωμα φωτισμού 1 Κύκλωμα φωτισμού 3 Κύκλωμα φωτισμού 5 Κύκλωμα φωτισμού 2 Κύκλωμα φωτισμού 4 Κύκλωμα φωτισμού 6 Κύκλωμα ρευματοδοτών 1 Κύκλωμα ρευματοδοτών 3 Κύκλωμα ρευματοδοτών 6 Κύκλωμα ρευματοδοτών 2 Κύκλωμα ρευματοδοτών 4 Κύκλωμα ρευματοδοτών 7 Κύκλωμα ρευματοδοτών 5 Πίνακας 5.8: Κυκλώματα που υπάρχουν σε κάθε φάση [224]

239 Παρακάτω αναλύονται ποιες συσκευές ή ποιους λαμπτήρες περιέχει το κάθε κύκλωμα ρευματοδοτών ή φωτισμού αντίστοιχα. Οικιακές Συσκευές Κύκλωμα ρευματοδοτών 1 TV2 PC2 Scanner Κύκλωμα ρευματοδοτών 2 Απορροφητήρας Κύκλωμα ρευματοδοτών 3 Ψυγείο TV1 Κύκλωμα ρευματοδοτών 4 PC1 Ηλεκτρικό Σίδερο Κύκλωμα ρευματοδοτών 5 Πλυντήριο Ρούχων Ηλεκτρική Σκούπα Πιστολάκι Κύκλωμα ρευματοδοτών 6 Φούρνος Μικροκυμάτων Κύκλωμα ρευματοδοτών 7 Βραστήρας Τοστιέρα Πίνακας 5.9: Συσκευές που αντιστοιχούν σε κάθε κύκλωμα ρευματοδοτών [225]

240 Είναι σημαντικό να τονιστεί πως κατά το διαχωρισμό των συσκευών ανά φάση έπρεπε να ληφθεί υπ όψιν η ομαδοποίηση που έγινε σε κάποιες από τις αντιστάσεις των φορτίων. Συσκευές που έχουν ομαδοποιηθεί οφείλουν να τροφοδοτούνται από την ίδια φάση για την αποφυγή βραχυκυκλώματος ανάμεσα σε δύο φάσεις. Λαμπτήρες Έξοδος PLC Κύκλωμα φωτισμού 1 Φως Δωματίου 1 Υ37 Φως Σαλονιού 1 Υ28 Φως Σαλονιού 2 Υ29 Κύκλωμα φωτισμού 2 Φως Χωλ 2 Υ41 Φως Μπαλκονιού 2 Υ25 Φως Μπάνιου 2 Υ39 Κύκλωμα φωτισμού 3 Φώτα Νέον Κουζίνας Υ46 Φως Τραπεζαρίας 1 Υ45 Φως Εισόδου Υ44 Φως Τραπεζαρίας 2 Υ38 Κεντρικό Φως Κουζίνας Υ35 Μικρό φως κουζίνας Υ34 [226]

241 Κύκλωμα φωτισμού 4 Φως Δωματίου 3 Υ33 Φως Δωματίου 1 Υ36 Φως Μπαλκονιού 1 Υ24 Κύκλωμα φωτισμού 5 Φως Δωματίου 4 Υ43 Αμπαζούρ Υ42 Φως Χωλ 1 Υ40 Φως Μπάνιου 1 Υ32 Φως Κήπου Υ31 Κύκλωμα φωτισμού 6 Φως ενιαίου χώρου υπογείου Υ30 Φως αποθήκης Υ27 Φως υπογείου Υ26 Πίνακας 5.10: Λαμπτήρες που αντιστοιχούν σε κάθε κύκλωμα φωτισμού Σύμφωνα με τους κανονισμούς τα κυκλώματα φωτισμού απαιτούν μικροαυτόματους των 10 Α, ενώ τα κυκλώματα ρευματοδοτών μικροαυτόματους των 16 Α. [ 53] Το κλιματιστικό είναι ισχύος 2600W περίπου, έτσι ένας μικροαυτόματος των 16 Α κρίθηκε ικανοποιητικός. Για την επιλογή του μικροαυτόματου του ηλεκτρικού μαγειρείου, το οποίο είναι συνολικής ισχύος 8000W ( δηλαδή μέγιστο ρεύμα 35 Α), χρησιμοποιήθηκε ένας συντελεστής χρησιμοποιήσεως 0,7 σύμφωνα με τους κανονισμούς[53]. Επίσης, για την προστασία του ηλεκτρικού μαγειρείου απαιτείται, πλέον, η χρησιμοποίηση διπολικού διακόπτη πριν το μικροαυτόματο. Γενικά, [227]

242 επιλέγεται διπολικός διακόπτης μεγαλύτερης ονομαστικής έντασης ρεύματος από το μικροαυτόματο. Έτσι επιλέχθηκε η χρησιμοποίηση ενός διπολικού διακόπτη 32 Α και ενός μικροαυτόματου των 25 Α (. Για το κύκλωμα του θερμοσίφωνα, απαιτείται η χρησιμοποίηση ενός μικροαυτόματου και ενός διπολικού διακόπτη. Επιλέχθηκε ο μικροαυτόματος να είναι των 20 Α, ενώ ο διπολικός διακόπτης των 32 Α. Πλέον στους ηλεκτρολογικούς πίνακες εγκαταστάσεων επιβάλλεται η χρησιμοποίηση αντιηλεκτροπληξιακού ρελέ διαρροής [67,54]. Ο αντιηλεκτροπληξιακός διακόπτης ορίζεται πως πρέπει να είναι ονομαστικού διαφορικού ρεύματος λειτουργίας 30mA ή μικρότερου. Σκοπός του Διακόπτη Διαφυγής Έντασης (ΔΔΕ) είναι να διακόπτει τη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος όταν η ένταση του ρεύματος στον αγωγό φάσης (ή των φάσεων για τριφασικό ρεύμα) δεν είναι ίση με την ένταση του ρεύματος στον αγωγό του ουδετέρου. Με αυτόν τον τρόπο, παρέχει ένα βαθμό προστασίας έναντι ηλεκτροπληξίας. Λόγω του μεγέθους των φορτίων και με βάση τις τυπικές τιμές που χρησιμοποιούνται στην επιλογή τους, ο γενικός διακόπτης επιλέχθηκε να είναι των 45 Α, τριπολικός. Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν βιδωτές ασφάλειες των 35 Α. Για την καλωδίωση στο εσωτερικό του πίνακα χρησιμοποιήθηκαν διατομές καλωδίων που ορίζονται από τους κανονισμούς [53]. Συγκεκριμένα, για τη σύνδεση του τριπολικού γενικού διακόπτη με το διακόπτη διαφυγής έντασης και εν συνεχεία με τις ασφάλειες χρησιμοποιήθηκε καλώδιο διατομής 10mm 2. Από το σημείο εκείνο και μέχρι τον κάθε μικροαυτόματο χρησιμοποιήθηκε καλώδιο διατομής 6mm 2. Από τους μικροαυτόματους των 10 Α φεύγει καλώδιο διατομής 1,5 mm 2, από αυτούς των 16 Α καλώδιο διατομής 2,5 mm 2, ενώ από αυτούς των 25 Α καλώδιο διατομής 4 mm 2, τα οποία οδηγούνται στον βιομηχανικό πίνακα για την τροφοδότηση των φορτίων. Μια άποψη του εσωτερικού του ηλεκτρολογικού πίνακα αλλά και της εξωτερικής του εμφάνισης μπορούμε να δούμε στο σχήμα [228]

243 Σχήμα 5.35: Ηλεκτρολογικός πίνακας της διάταξης Τέλος παρατίθεται το ηλεκτρολογικό σχέδιο του ηλεκτρολογικού πίνακα του εξομοιωτή στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 5.36). Σχήμα 5.36: Ηλεκτρολογικό σχέδιο του ηλεκτρολογικού πίνακα [229]

244 5.4.3 Βιομηχανικός πίνακας Στο βιομηχανικό πίνακα είναι τοποθετημένα όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι υπεύθυνα για τον έλεγχο του αυτοματισμού του εξομοιωτή. Συγκεκριμένα, έχει τοποθετηθεί το PLC μαζί με τις δυο επεκτάσεις και τους ηλεκτρονόμους. Στον πίνακα αυτό, εισέρχονται οι αγωγοί από τους μικροαυτόματους και εξέρχονται οι αγωγοί που καταλήγουν στα φορτία, τις ενδεικτικές λυχνίες και τους λαμπτήρες. Μια εικόνα της τελικής μορφής του πίνακα αυτού μπορεί να φανεί στο σχήμα Σχήμα 5.37: Εσωτερικό του βιομηχανικού πίνακα Κρίθηκε απαραίτητο, όλα τα φορτία να μη συνδεθούν απευθείας στις εξόδους του PLC, αλλά παρεμβάλλοντας ρελέ, η λειτουργία των οποίων θα ελέγχεται από τις εξόδους του PLC. Αν και στο PLC θα μπορούσαν να συνδεθούν τα μικρότερης ισχύος φορτία, η επιλογή αυτή έγινε για την προστασία των μηχανικών μερών των εξόδων του PLC. Αν για κάποιο λόγο υπάρξει πρόβλημα σε έναν ηλεκτρονόμο η αντικατάστασή του είναι εύκολη, σε αντίθεση με το αν το ίδιο πρόβλημα παρουσιαστεί εσωτερικά του PLC. Τα τεχνικά φυλλάδια των ηλεκτρονόμων που χρησιμοποιήθηκαν παρατίθενται στο παράρτημα Α. Η επιλογή τους έγινε ανάλογα με το είδος και την ισχύ του φορτίου που πρέπει να ελέγξουν. Κάθε φορτίο AC ή DC εντάσσεται σε κάποια κατηγορία ανάλογα με το είδος του. Αν για παράδειγμα το φορτίο είναι ωμικό τότε εντάσσεται [230]

245 στην κατηγορία ΑC1, ενώ φορτία με μικρό επαγωγικό χαρακτήρα εντάσσονται σε κατηγορίες ΑC7a ή ΑC7b, όπως διακρίνουμε και στο σχήμα 5.38 [68]. Σχήμα 5.38: Διαχωρισμός φορτίων με βάση το είδος τους [68] Στα τεχνικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρονόμων αναφέρεται το ονομαστικό και το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αποκόψει το ρελέ, όπως επίσης και η ονομαστική φαινόμενη ισχύς του φορτίου (σε κατηγορίες ΑC1 ή AC15). Με βάση αυτά τα στοιχεία, επιλέχθηκαν οι ηλεκτρονόμοι που θα χρησιμοποιηθούν. Για τον έλεγχο της τροφοδότησης των λαμπτήρων επιλέχθηκαν τα ρελέ της εταιρίας Finder, το μοντέλο ονομαστικής έντασης 10 Α, αφού αυτή ήταν η μικρότερη δυνατή τιμή σε ρελέ ράγας [69]. Σχήμα 5.39: Ρελέ Finder [231]

246 Για τον έλεγχο του θερμοσίφωνα χρησιμοποιήθηκε το ρελέ της ίδιας εταιρίας, το οποίο είναι ονομαστικής έντασης 20Α [70]. Σχήμα 5.40: Ρελέ Finder Το ίδιο ρελέ χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο της τροφοδότησης του κλιματιστικού που έχει εξομοιωθεί ως ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Το φορτίο αυτό διαρρέεται από 14 Α, συνεπώς ένα ρελέ ονομαστικής έντασης 16 Α θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Όμως, επειδή το φορτίο είναι ωμικό-επαγωγικό θα δημιουργούταν, κατά τη σβέση, τόξο ανάμεσα στις επαφές του ηλεκτρονόμου γεγονός που θα μείωνε τη διάρκεια ζωής τους. Έτσι, επιλέχθηκε ηλεκτρονόμος της επόμενης ονομαστικής έντασης. Για φορτία όπως το πλυντήριο, η ηλεκτρική σκούπα, το πιστολάκι και ο φούρνος χρησιμοποιήθηκαν τα ρελέ της Finder [71], ονομαστικής έντασης 16 Α ενώ για όλα τα υπόλοιπα φορτία χρησιμοποιήθηκαν τα [232]

247 Σχήμα 5.41: Ρελέ Finder Ο έλεγχος των επαφών των ηλεκτρονόμων από το PLC γίνεται στη χαμηλή τάση των 24V, η οποία παρέχεται από το τροφοδοτικό 2Α που υπάρχει στον πίνακα. Το τροφοδοτικό είναι υπεύθυνο για την τροφοδοσία των εξόδων και εισόδων του PLC. Για να εξηγηθεί με ποιο τρόπο γίνεται η τροφοδοσία μιας εξόδου του PLC θα χρησιμοποιηθούν τα επόμενα σχήματα (Σχήματα 5.42 και 5.43).. Σχήμα 5.42: Αντιπροσωπευτικό σχήμα του μοντέλου του ΠΛΕ που υπάρχει στο εργαστήριο Στο παραπάνω σχήμα μπορούμε να δούμε πως οι έξοδοι του συγκεκριμένου PLC είναι χωρισμένες σε κάποιες ομάδες. Αυτό γίνεται για οικονομία στις συνδέσεις επάνω στο PLC. Οι ομαδοποιημένες έξοδοι (με πιο έντονο περίγραμμα) μπορούν να τροφοδοτηθούν από διαφορετικές πηγές, όπως διακρίνουμε στο επόμενο σχήμα. [233]

248 Σχήμα 5.43: Επεξηγηματικό σχέδιο για τη σύνδεση και τροφοδοσία φορτίου σε έξοδο του PLC [72] Στο προηγούμενο σχήμα μπορούμε να δούμε πως γίνεται η σύνδεση ενός φορτίου στην έξοδο του PLC, όπως επίσης και τη χρησιμότητα των Cn (Common). Στη δική μας περίπτωση, υπάρχει μια DC πηγή 24V και θέλουμε υπό αυτήν την τάση να τροφοδοτηθούν όλα τα φορτία στις εξόδους του PLC. Συνεπώς, αρχικά, συνδέουμε μεταξύ τους, όλα τα Cn τόσο της κύριας μονάδας, όσο και των δύο επεκτάσεων και εν συνεχεία συνδέουμε το + της πηγής με το C0. Από την εκάστοτε έξοδο συνδέουμε το φορτίο και από το φορτίο στο της DC πηγής. Στην περίπτωση μας συγκεκριμένα στην έξοδο του PLC δεν έχουμε φορτίο αλλά τις επαφές ελέγχου των ηλεκτρονόμων. Έτσι στην εκάστοτε έξοδο συνδέουμε το Α1 των βοηθητικών επαφών. Βραχυκυκλώνουμε τα Α2 των βοηθητικών επαφών των ηλεκτρονόμων και από εκεί συνδεόμαστε πίσω στο της DC πηγής. Φυσικά, εκτός από την τροφοδότηση των εξόδων πρέπει να τροφοδοτηθεί και το PLC από το τροφοδοτικό DC στις κατάλληλες επαφές που διαθέτει η κεντρική μονάδα. Για λόγους προστασίας του PLC ανάμεσα σε αυτό και το τροφοδοτικό παρεμβάλαμε ένα DC ασφαλειοαποζεύκτη των 2 Α. Η τροφοδότηση των φορτίων και των λαμπτήρων υπό τάση δικτύου γίνεται με παρόμοιο τρόπο μέσω των επαφών των ηλεκτρονόμων. Στο παρακάτω απλουστευμένο σχέδιο (Σχήμα 5.44) μπορούμε να δούμε κάποιες ενδεικτικές συνδέσεις για την τροφοδότηση των φορτίων. [234]

249 Σχήμα 5.44: Επεξηγηματικό σχέδιο για τις συνδέσεις μέσα στο βιομηχανικό πίνακα Στο παραπάνω σχέδιο (Σχήμα 5.44) φαίνονται το τροφοδοτικό με το PLC και τις δύο επεκτάσεις, στα οποία έχει σχεδιαστεί ενδεικτικά ένας μικρός αριθμός εξόδων, ο ασφαλειοαποζεύκτης, κάποιες κλέμες και ένας ενδεικτικός αριθμός ρελέ στο δεύτερο όροφο (δεύτερη σειρά του βιομηχανικού πίνακα όπως φαίνεται στο σχήμα 5.44), που χρησιμοποιούνται για την τροφοδότηση φορτίων, ένας επίσης ενδεικτικός αριθμός ρελέ στον τρίτο όροφο που χρησιμοποιούνται για την τροφοδότηση λαμπτήρων και τέλος δύο ομάδες από κλέμες. Για να κατανοήσουμε πώς τροφοδοτούνται τα φορτία ή οι λαμπτήρες από την εκάστοτε φάση, δηλαδή με τάση δικτύου, ακολουθούμε τους αγωγούς που εισέρχονται στο βιομηχανικό πίνακα από τον ηλεκτρολογικό. Οι αγωγοί αυτοί καταλήγουν στις κλέμες στο κάτω μέρος του πίνακα, από τις κλέμες φτάνουν στους ηλεκτρονόμους (επαφή 21) και από την επαφή 14 των ηλεκτρονόμων αναχωρεί ενας αγωγός προς τα φορτία. Ο αγωγός που καταλήγει στις αντιστάσεις είναι ειδικής μόνωσης (σιλικόνης), με αυξημένη θερμική αντοχή και λευκού χρώματος. Για την τροφοδότηση των λαμπτήρων εισέρχονται 6 αγωγοί από τους αντίστοιχους [235]

250 μικροαυτόματους και καταλήγουν σε 6 ομάδες από κλέμες. Ο αγωγός που αναχωρεί από τους ηλεκτρονόμους καταλήγει πάλι σε άλλες επαφές από κλέμες και από εκεί αναχωρούν, ξεχωριστά, αγωγοί για κάθε λαμπτήρα. Οι αγωγοί που αναχωρούν για τους λαμπτήρες είναι αγωγοί μόνωσης PVC και διατομής 1,5mm 2. Οι DC συνδέσεις μέσα στο βιομηχανικό πίνακα γίνονται με αγωγούς διατομής 0,75mm 2 κόκκινου και μαύρου χρώματος. Λόγω των ομαδοποιήσεων που κάναμε στις αντιστάσεις των φορτίων, ενίοτε, πρέπει να ενεργοποιούμε έναν ηλεκτρονόμο από δύο ή περισσότερες εξόδους του PLC. Για να μην καταλήγουν πολλοί αγωγοί στον ίδιο ηλεκτρονόμο, βραχυκυκλώσαμε τις κατάλληλες εξόδους κάθε φορά στις κλέμες που βρίσκονται στο δεύτερο όροφο του βιομηχανικού πίνακα. Εξαίρεση όσον αφορά την τροφοδότησή τους, αποτελούν τα φορτία του ηλεκτρικού μαγειρείου, του θερμοσίφωνα και του κλιματιστικού. Από τον ασφαλειοδιακόπτη του ηλεκτρικού μαγειρείου εκκινεί αγωγός 6mm 2, ο οποίος καταλήγει σε μια κλέμα στο βιομηχανικό πίνακα. Από εκεί διαμοιράζεται σε τρεις κλέμες, από όπου αναχωρούν αγωγοί διατομής 2,5mm 2 για τους ηλεκτρονόμους που ελέγχουν τα δύο μεσαία μάτια, το μικρό και το μεγάλο μάτι και σε μια κλέμα από την οποία αναχωρεί αγωγός διατομής 4mm 2 και καταλήγει στον ηλεκτρονόμο, που ελέγχει τις αντιστάσεις που εξομοιώνουν τον ηλεκτρικό φούρνο. Από τον ηλεκτρονόμο, ο αγωγός αυτός οδηγείται σε 2 κλέμες από τις οποίες αναχωρούν 2 αγωγοί διατομής 2,5mm 2 προς 2 ομάδες αντιστάσεων που εξομοιώνουν τελικά το φούρνο. Ο συγκεκριμένος τρόπος σύνδεσης έγινε γιατί οι αγωγοί σιλικόνης είναι γενικά ακριβότεροι από τους κλασσικούς PVC και πωλούνται μόνο σε κουλούρες των 100 μέτρων. Έτσι, κρίθηκε πως δεν ήταν συμφέρον οικονομικά να αγοραστούν αγωγοί σιλικόνης σε όλα τα μεγέθη, αλλά να χρησιμοποιηθεί ένα μέγεθος διατομής για τη σύνδεση όλων των αντιστάσεων. Το μέγεθος διατομής που επιλέχθηκε ήταν τα 2,5mm 2. Όπως έχουμε προαναφέρει, για λόγους οικονομίας αποφασίσαμε το φορτίο του θερμοσίφωνα, αλλά και το ωμικό μέρος του φορτίου του κλιματιστικού να το εξομοιώνει η σύνδεση αντιστάσεων που εξομοιώνουν το φούρνο και το μεσαίο μάτι. Η σύνδεση αυτή γίνεται μέσω ενός ρελέ 46.61, ονομαστικής έντασης 16 Α. Η σύνδεση των δύο ομάδων αντιστάσεων μπορεί να φανεί στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.45). [236]

251 Σχήμα 5.45: Επεξηγηματικό σχέδιο για τη χρήση του ρελέ που συνδέει 2 ομάδες αντιστάσεων Όπως είναι αυτονόητο λόγω της παραπάνω σύνδεσης αν ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα το ρελέ του θερμοσίφωνα με του κλιματιστικού ή του φούρνου ή του μεσαίου ματιού θα προκληθεί βραχυκύκλωμα μεταξύ δύο φάσεων. Για το λόγο αυτό κατά τον προγραμματισμό του εβδομαδιαίου σεναρίου λήφθηκε υπόψη ο παραπάνω κίνδυνος. Επίσης, στο πρόγραμμα υπάρχουν μανδαλώσεις, ώστε να αποφεύγεται να ενεργοποιούνται ταυτόχρονα οι παραπάνω συσκευές. Πέρα από τον παραπάνω κίνδυνο βραχυκυκλώματος υπάρχουν, λόγω των υπόλοιπων ομαδοποιήσεων, και άλλοι που οφείλουμε να αναφέρουμε. Δυο ομαδοποιημένες συσκευές δεν μπορούν να τροφοδοτηθούν από διαφορετικές φάσεις, καθώς όπως φαίνεται στο σχήμα (5.44) θα προκληθεί βραχυκύκλωμα κατά τη σύνδεση των αγωγών των φάσεων στην επαφή 21 του ηλεκτρονόμου. Οι ομαδοποιημένες συσκευές πρέπει να αποφεύγεται να λειτουργούν ταυτόχρονα, για το λόγο αυτό έχουν χρησιμοποιηθεί οι αντίστοιχες μανδαλώσεις στο πρόγραμμα. Ο παρακάτω πίνακας (Πίνακας 5.11) απεικονίζει ποιες έξοδοι του PLC (η κάθε μία από τις οποίες αντιστοιχεί σε μία οικιακή συσκευή) αντιστοιχεί σε ποιον ηλεκτρονόμο, καθώς επίσης σε ποια φάση συνδέεται ο κάθε ηλεκτρονόμος. [237]

252 Ρελέ Φάση L 3 L 3 L 3 L 2 L 2 L 2 L 2 L 1 L 3 L 3 L 1 L 1 L 1 L 2 L 3 L 2 L 1 - Έξοδοι Y 8 Y 9 Y 0 Y 1 Y 3 Y 5 Y 17 Y 7 Y 15 Y 11 Y 13 Y 14 Y 19 Y 6 Y 12 Y 16 Y 4 Y 23 Y 18 Y 10 Y 2 Y 20 Πίνακας 5.11: Έξοδοι του PLC και φάσεις που αντιστοιχούν σε κάθε ηλεκτρονόμο Να σημειωθεί, πως για ευκολία στην κατανόηση των καλωδιώσεων έχει χρησιμοποιηθεί αρίθμηση των αγωγών. Οι αγωγοί που εισέρχονται στο βιομηχανικό πίνακα από τον ηλεκτρολογικό και καταλήγουν στις κλέμες στο κάτω μέρος του, έχουν αρίθμηση από 1 έως 16 και αντιστοιχούν στην αύξουσα αρίθμηση των μικροαυτόματων του ηλεκτρολογικού πίνακα από αριστερά προς τα δεξιά. Οι αγωγοί που εξέρχονται του βιομηχανικού πίνακα και καταλήγουν σε πηνία ή αντιστάσεις έχουν τον αριθμό του αντίστοιχου ηλεκτρονόμου από τον οποίο αναχωρεί. Τον αριθμό του ηλεκτρονόμου έχουν επίσης οι αγωγοί που καταλήγουν σε κλέμες μέσα στο βιομηχανικό πίνακα Στήριξη της κατασκευής Για να γίνει η κατασκευή πιο πρακτική και να μπορεί να μετακινείται αποφασίστηκε να γίνει μια κατασκευή από ράβδους ντέξιον, η οποία θα στηριχθεί πάνω σε 4 ρόδες. Κρίθηκε απαραίτητο ο κάθε όροφος, που θα τοποθετηθούν οι αντιστάσεις να απέχει τουλάχιστον 25 εκατοστά από τον επόμενο, ενώ σε κάθε όροφο να μην τοποθετηθούν παραπάνω από 7 αντιστάσεις, έτσι ώστε να έχουμε καλύτερη απαγωγή της θερμότητας. Τα σχέδια που χρησιμοποιήθηκαν πριν την τελική κατασκευή παρατίθενται παρακάτω. [238]

253 Σχήμα 5.46: Κάτοψη και πλάγια όψη της κατασκευής Στο παραπάνω σχήμα μπορούμε να δούμε την κάτοψη και την πλάγια όψη της κατασκευής που σχεδιάστηκε, ενώ στο επόμενο σχήμα σχεδιάστηκε προοπτικά η κατασκευή. Σχήμα 5.47: Προοπτικό σχέδιο της κατασκευής [239]

254 Η ολοκληρωμένη κατασκευή που χρησιμοποιήθηκε για τη στήριξη της διάταξης με τις ράβδους ντέξιον μπορεί να φανεί στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 5.48). Σχήμα 5.48: Ολοκληρωμένη κατασκευή με ράβδους ντέξιον Επειδή το κουτί του βιομηχανικού πίνακα είναι μεταλλικό και η πλάτη του βρίσκεται σχετικά κοντά με τις αντιστάσεις, παρεμβλήθηκε ενδιάμεσα ένα φύλλο βακελίτη 4mm, έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε τις θερμομονωτικές του ιδιότητες και να μην έχουμε μεταφορά θερμότητας μέσα στο κουτί. Στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.49) μπορούμε να διακρίνουμε το φύλλο βακελίτη πίσω από το κουτί του βιομηχανικού πίνακα. [240]

255 Σχήμα 5.49: Τοποθέτηση φύλλου βακελίτη ενδιάμεσα των αντιστάσεων και των κουτιών ηλεκτρολογικού και βιομηχανικού πίνακα [241]

256 [242]

257 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε αυτό το κεφάλαιο, θα παρουσιάσουμε μια σειρά πειραμάτων, που διεξήχθησαν, με σκοπό να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία του εξομοιωτή φορτίου, που παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 5. Για να πετύχουμε τα παραπάνω ο εξομοιωτής συνδέθηκε στο δίκτυο. 6.1 Διεξαγωγή μετρήσεων κατά τη σύνδεση του εξομοιωτή φορτίου με το δίκτυο Για να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία της όλης διάταξης και να παρατηρηθεί η συμπεριφορά της εν λειτουργία, προτιμήθηκε, αρχικά, να συνδεθεί σε ένα δίκτυο που μπορεί να προσφέρει αδιάλειπτα ενέργεια, όπως αυτό της Δ.Ε.Η.. Επειδή, κατά την κατασκευή, δεν ήταν διαθέσιμα εξ αρχής όλα τα επιμέρους στοιχεία, που εν τέλει χρησιμοποιήθηκαν, δεν ήταν δυνατή η μέτρηση των καταναλώσεων των εξομοιωθέντων συσκευών. Συνεπώς, με τη διεξαγωγή αυτού του πειράματος, μας δόθηκε η ευκαιρία σε πρώτο επίπεδο, να καταγράψουμε τις καταναλώσεις των συσκευών και την ημερήσια/εβδομαδιαία κατανομή φορτίου ανά φάση, και σε δεύτερο επίπεδο, να μπορέσουμε να ελέγξουμε τη συμπεριφορά της συνολικής διάταξης για ένα σημαντικό χρονικό διάστημα, για παράδειγμα τρεις ή τέσσερις μέρες συνεχόμενης λειτουργίας, όσον αφορά θέματα έκλυσης θερμότητας, τόσο στον περιβάλλοντα χώρο όσο και στους δύο πίνακες (ηλεκτρολογικό και βιομηχανικό) της διάταξης. Για την καταγραφή των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε ένα μετρητικό πολλών καναλιών, ο LMG500 Power Analyzer. Μέσω αυτού μπορούμε να εξάγουμε και να συλλέγουμε πληροφορίες για την ισχύ, το ρεύμα και την ενέργεια κάθε φάσης. Παρακάτω παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων από τη διεξαγωγή ενός εβδομαδιαίου σεναρίου κατανάλωσης, όπως αυτό έχει προγραμματιστεί μέσω του PLC. Οι μετρήσεις αυτές αφορούν το χειμερινό πρόγραμμα και οι ώρες λειτουργίας της κάθε συσκευής για κάθε μέρα, αναγράφονται στο παράρτημα Γ. [243]

258 Ισχύς (W) 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3 Φάσεων) Δευτέρα 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ 'Ωρα Σχήμα 6.1: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Δευτέρας. Eνέργεια (Wh) 32500, , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια (3 Φάσεις) Δευτέρα 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.2: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Δευτέρας. [244]

259 Ρεύμα (Α) 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Ρεύμα (Φάση L1) Ρεύμα (Φάση L2) Ρεύμα (Φάση L3) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Σχήμα 6.3: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Δευτέρας. Ώρα Ισχύς (W) 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3 φάσεις) Τρίτη / Πέμπτη 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.4: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Τρίτης και της Πέμπτης. [245]

260 Ενέργεια (Wh) 22500, , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια (3 Φάσεις) Τρίτη/Πέμπτη 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.5: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Τρίτης και Πέμπτης. Ρεύμα (Α) 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Ρεύμα (Φάση L1) Ρεύμα (Φάση L2) Ρεύμα (Φάση L3) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.6: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Τρίτης/Πέμπτης. [246]

261 Ισχύς (W) 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3φάσεις) Τετάρτη 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.7: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Τετάρτης. Ενέργεια (Wh) 32500, , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια (3 Φάσεις) Τετάρτη 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.8: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Τετάρτης. [247]

262 Ρεύμα (Α) 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Ρεύμα (Φάση L1) Ρεύμα (Φάση L2) Ρεύμα (Φάση L3) 12:00:00 πμ 12:41:45 πμ 1:22:52 πμ 2:04:04 πμ 2:45:25 πμ 3:26:30 πμ 4:07:45 πμ 4:49:00 πμ 5:30:15 πμ 6:11:45 πμ 6:53:22 πμ 7:35:22 πμ 8:17:34 πμ 8:58:45 πμ 9:40:16 πμ 10:21:30 πμ 11:02:46 πμ 11:44:18 πμ 12:25:30 μμ 1:06:45 μμ 1:48:00 μμ 2:29:15 μμ 3:10:30 μμ 3:51:45 μμ 4:33:00 μμ 5:14:28 μμ 5:55:34 μμ 6:36:45 μμ 7:18:00 μμ 7:59:15 μμ 8:40:30 μμ 9:22:00 μμ 10:03:15 μμ 10:44:30 μμ 11:26:00 μμ Σχήμα 6.9: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Τετάρτης. Ώρα Παρασκευή Ισχύς (W) 8000,0 7500,0 7000,0 6500,0 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3 φάσεις) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.10: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Παρασκευής. [248]

263 Ισχύς (W) 32500, , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Παρασκευή Ενέργεια 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.11: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Παρασκευής. Ρεύμα (Α) 30,0 27,5 25,0 22,5 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Ρεύμα (φάση L1) ρεύμα (φάση L2) ρεύμα (φάση L3) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ώρα Σχήμα 6.12: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Παρασκευής. [249]

264 ΙΣΧΥΣ (W) 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς ( 3 φάσεις) Σάββατο 0:00 0:31 1:01 1:31 2:01 2:31 3:01 3:31 4:01 4:31 5:01 5:31 6:01 6:31 7:01 7:32 8:02 8:32 9:02 9:32 10:02 10:32 11:02 11:32 12:02 12:32 13:02 13:32 14:02 14:32 15:03 15:33 16:04 16:34 17:05 17:35 18:06 18:37 19:08 19:38 20:08 20:38 21:08 21:38 22:08 22:41 23:15 23:46 Ώρα Σχήμα 6.13: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια του Σαββάτου. ΕΝΕΡΓΕΙΑ (Wh) 25000, , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια Σάββατο 0:00 0:31 1:01 1:31 2:01 2:31 3:01 3:31 4:01 4:31 5:01 5:31 6:01 6:31 7:01 7:32 8:02 8:32 9:02 9:32 10:02 10:32 11:02 11:32 12:02 12:32 13:02 13:32 14:02 14:32 15:03 15:33 16:04 16:34 17:05 17:35 18:06 18:37 19:08 19:38 20:08 20:38 21:08 21:38 22:08 22:41 23:15 23:46 Ώρα Σχήμα 6.14: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια του Σαββάτου. [250]

265 22,5 20,0 17,5 ρεύμα (Φάση L1) ρεύμα (Φάση L2) ρεύμα (φάση L3) 15,0 Ρεύμα (Α) 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 0:00 0:31 1:01 1:31 2:01 2:31 3:01 3:31 4:01 4:31 5:01 5:31 6:01 6:31 7:01 7:32 8:02 8:32 9:02 9:32 10:02 10:32 11:02 11:32 12:02 12:32 13:02 13:32 14:02 14:32 15:03 15:33 16:04 16:34 17:05 17:35 18:06 18:37 19:08 19:38 20:08 20:38 21:08 21:38 22:08 22:41 23:15 23:46 Ώρα Σχήμα 6.15: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια του Σαββάτου. Ισχύς (W) 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3 φάσεις) Κυριακή 12:00:00 πμ 12:30:15 πμ 1:00:15 πμ 1:30:00 πμ 2:00:00 πμ 2:30:00 πμ 3:00:00 πμ 3:30:00 πμ 4:00:00 πμ 4:30:00 πμ 5:00:15 πμ 5:30:27 πμ 6:00:45 πμ 6:30:46 πμ 7:00:52 πμ 7:30:48 πμ 8:02:15 πμ 8:32:15 πμ 9:02:16 πμ 9:32:28 πμ 10:02:30 πμ 10:32:25 πμ 11:02:15 πμ 11:32:16 πμ 12:02:15 μμ 12:32:15 μμ 1:02:16 μμ 1:32:28 μμ 2:02:30 μμ 2:32:30 μμ 3:02:46 μμ 3:32:58 μμ 4:03:02 μμ 4:33:26 μμ 5:04:00 μμ 5:33:50 μμ 6:03:18 μμ 6:33:44 μμ 7:04:30 μμ 7:34:30 μμ 8:04:34 μμ 8:34:45 μμ 9:05:00 μμ 9:35:00 μμ 10:05:15 μμ 10:35:15 μμ 11:05:32 μμ 11:35:45 μμ Ώρα Σχήμα 6.16: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Κυριακής. [251]

266 Ενέργεια (Wh) 32500, , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια Κυριακή 12:00:00 πμ 12:30:15 πμ 1:00:15 πμ 1:30:00 πμ 2:00:00 πμ 2:30:00 πμ 3:00:00 πμ 3:30:00 πμ 4:00:00 πμ 4:30:00 πμ 5:00:15 πμ 5:30:27 πμ 6:00:45 πμ 6:30:46 πμ 7:00:52 πμ 7:30:48 πμ 8:02:15 πμ 8:32:15 πμ 9:02:16 πμ 9:32:28 πμ 10:02:30 πμ 10:32:25 πμ 11:02:15 πμ 11:32:16 πμ 12:02:15 μμ 12:32:15 μμ 1:02:16 μμ 1:32:28 μμ 2:02:30 μμ 2:32:30 μμ 3:02:46 μμ 3:32:58 μμ 4:03:02 μμ 4:33:26 μμ 5:04:00 μμ 5:33:50 μμ 6:03:18 μμ 6:33:44 μμ 7:04:30 μμ 7:34:30 μμ 8:04:34 μμ 8:34:45 μμ 9:05:00 μμ 9:35:00 μμ 10:05:15 μμ 10:35:15 μμ 11:05:32 μμ 11:35:45 μμ Ώρα Σχήμα 6.17: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Κυριακής. 20,0 17,5 15,0 Ρεύμα (φάση L1) Ρεύμα (φάση L2) Ρεύμα (φάση L3) ΡΕύμα (Α) 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 12:00:00 πμ 12:30:15 πμ 1:00:15 πμ 1:30:00 πμ 2:00:00 πμ 2:30:00 πμ 3:00:00 πμ 3:30:00 πμ 4:00:00 πμ 4:30:00 πμ 5:00:15 πμ 5:30:27 πμ 6:00:45 πμ 6:30:46 πμ 7:00:52 πμ 7:30:48 πμ 8:02:15 πμ 8:32:15 πμ 9:02:16 πμ 9:32:28 πμ 10:02:30 πμ 10:32:25 πμ 11:02:15 πμ 11:32:16 πμ 12:02:15 μμ 12:32:15 μμ 1:02:16 μμ 1:32:28 μμ 2:02:30 μμ 2:32:30 μμ 3:02:46 μμ 3:32:58 μμ 4:03:02 μμ 4:33:26 μμ 5:04:00 μμ 5:33:50 μμ 6:03:18 μμ 6:33:44 μμ 7:04:30 μμ 7:34:30 μμ 8:04:34 μμ 8:34:45 μμ 9:05:00 μμ 9:35:00 μμ 10:05:15 μμ 10:35:15 μμ 11:05:32 μμ 11:35:45 μμ Ώρα Σχήμα 6.18: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Κυριακής. [252]

267 Στα σχήματα 6.1, 6.4, 6.7, 6.10, 6.13, 6.16 μπορούμε να δούμε τη συνολική ισχύ των τριών φάσεων του εξομοιωτή ανά πάσα στιγμή, κατά τη διάρκεια της εκάστοτε ημέρας (Δευτέρα έως Κυριακή). Όπως έχει αναφερθεί, η κατανάλωση που παρουσιάζεται στα εν λόγω σχήματα, θα επαναλαμβάνεται για κάθε βδομάδα του χειμερινού προγράμματος. Παρατηρούμε ότι τα προφίλ της ισχύος της Δευτέρας και της Τετάρτης είναι πανομοιότυπα, όπως επίσης τα αντίστοιχα της Τρίτης και της Πέμπτης. Την Παρασκευή, το Σάββατο και την Κυριακή βλέπουμε πως υπάρχουν σημαντικές αλλαγές στην κατανάλωση σε σχέση με τις υπόλοιπες μέρες. Αυτή η παραδοχή κατά το σχεδιασμό έγινε με βάση τα όσα έχουν αναφερθεί στο Κεφάλαιο 5 (ενότητα 5.1). Τα σχήματα 6.2, 6.5, 6.8, 6.11, 6.14, 6.17 απεικονίζουν τη συνολική ενέργεια που καταναλώνεται κάθε μέρα της εβδομάδας. Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 5, στόχος μας ήταν ο εξομοιωτής να καταναλώνει περίπου 600kWh το μήνα. Από τις παραπάνω μετρήσεις μπορούμε να υπολογίσουμε με ικανοποιητική ακρίβεια, αφού το σενάριο επαναλαμβάνεται κάθε εβδομάδα, πόση θα είναι η μηνιαία κατανάλωση του εξομοιωτή. Στον παρακάτω πίνακα παραθέτουμε τη συνολική ενέργεια που καταναλώνεται κάθε μέρα της εβδομάδας. Ημέρα Ενέργεια (kwh) Δευτέρα 30,36 Τρίτη 20,95 Τετάρτη 30,32 Πέμπτη 20,95 Παρασκευή 28,99 Σάββατο 23,28 Κυριακή 28,76 Εβδομαδιαία Κατανάλωση 183,76 Πίνακας 6.1: Ημερήσια κατανάλωση κατά το χειμερινό πρόγραμμα. [253]

268 Με βάση τον πίνακα 6.1 η μηνιαία κατανάλωση (τέσσερις εβδομάδες) θα είναι: 4 183,76kWh = 735kWh Παρατηρούμε μια σημαντική απόκλιση στη συνολική μηνιαία κατανάλωση ενέργειας, σε σχέση με αυτήν, που αρχικά είχε σχεδιαστεί. Σύμφωνα πάλι με τον πίνακα 6.1, κατά μέσο όρο, μια μέρα της εβδομάδας καταναλώνονται περίπου 183,76kWh/ 7 = 26,25kWh, δηλαδή, έχουμε μια απόκλιση 6kWh ανά ημέρα, συγκριτικά με τη σχεδιασμένη κατανάλωση. Οδηγούμαστε λοιπόν στο συμπέρασμα πως οι συσκευές που καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από την επιθυμητή, λειτουργούν επί καθημερινής βάσεως. Μέσω των καταγεγραμμένων τιμών από τον Power Analyzer, μπορέσαμε να συμπεράνουμε πως κάποιες από τις τιμές των επαγωγών, με κυριότερες αυτές των Η/Υ, είναι μικρότερες από τις επιθυμητές, με αποτέλεσμα την κατανάλωση μεγαλύτερων ποσών ενέργειας. Συγκεκριμένα, οι Η/Υ1 και Η/Υ2 είχαν σχεδιαστεί να καταναλώνουν 400W ο καθένας, ενώ σύμφωνα με τις μετρήσεις καταναλώνουν περίπου 790W και 820W αντίστοιχα. Η διαφορά αυτή στην ισχύ (810W), σε συνδυασμό με το γεγονός πως οι υπολογιστές έχουν προγραμματιστεί να λειτουργούν κάθε μέρα για 12 ώρες (συνολικά), δημιουργεί μια μεγάλη απόκλιση τόσο στην ημερήσια, όσο και στη μηνιαία κατανάλωση ενέργειας, συγκριτικά με τον αρχικό σχεδιασμό. Συνεπώς, μόνο το σφάλμα των επαγωγών των Η/Υ οδηγεί το σύστημα στην κατανάλωση 227kWh περισσότερο μηνιαίως. Για να κατανοήσουμε τη διαφορά των επαγωγών αυτών συγκριτικά με τις θεωρητικά υπολογισμένες τιμές, παρατηρήσαμε τις μετρήσεις της ενεργού, φαινόμενης και άεργου ισχύος, κατά τα χρονικά διαστήματα, που λειτουργούσαν οι Η/Υ. Με βάση τις μετρήσεις σε αυτά τα χρονικά διαστήματα, κατασκευάσαμε την ακόλουθη γραφική παράσταση του συντελεστή ισχύος με το χρόνο. [254]

269 0,901 Συντελεστής Ισχύος 0,9 cosφ 0,899 0,898 0,897 0,896 0,895 15:00 15:01 15:02 15:03 15:05 15:06 15:07 15:08 15:10 15:11 15:12 15:13 15:15 15:16 15:17 15:18 15:20 15:21 15:22 15:23 15:25 15:26 15:27 15:28 Ώρα cosφ 0,9034 0,9032 0,903 0,9028 0,9026 0,9024 0,9022 0,902 0,9018 0,9016 0,9014 Σχήμα 6.19: Συντελεστής ισχύος για τον Η/Υ 1 Συντελεστής Ισχύος 1:30 1:31 1:33 1:34 1:36 1:37 1:39 1:40 1:42 1:43 1:45 1:46 1:48 1:49 1:51 1:52 1:54 1:55 1:57 1:58 Ώρα Σχήμα 6.20: Συντελεστής ισχύος για τον Η/Υ 2. Παρατηρούμε πως και οι δύο συσκευές έχουν πρακτικά συντελεστή ισχύος cosφ=0,9 και με βάση αυτήν την τιμή μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή των επαγωγών των πηνίων του εξομοιωτή. Στην πρώτη περίπτωση όπου, cosφ=0,9, P=790W, S=887VA, έχουμε: [255]

270 Στη δεύτερη περίπτωση όπου, cosφ=0,9, P=820W, S=910VA, έχουμε: Βλέπουμε δηλαδή πως οι επαγωγές, και στις δύο περιπτώσεις, διαφέρουν κατά πολύ σε σχέση με τις θεωρητικά υπολογισμένες τιμές των 0,2 Η. Τέλος, τα σχήματα 6.3, 6.6, 6.9, 6.12, 6.15, 6.18 απεικονίζουν την κατανομή των ρευμάτων ανά φάση τις διάφορες ώρες στις μέρες της εβδομάδας. Κύριο μέλημα κατά το χωρισμό των φορτίων ανά φάση ήταν η μη υπερφόρτισή τους, κάτι το οποίο όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα έχει επιτευχθεί, καθώς οι μέγιστες ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση είναι περίπου οι ίδιες. Με την ολοκλήρωση αυτής της σειράς πειραμάτων διαπιστώσαμε την άρτια λειτουργία του εξομοιωτή. Κατά την διεξαγωγή των μετρήσεων, παρατηρήθηκε η έκλυση θερμότητας στον περιβάλλοντα χώρο καθώς και στους δύο πίνακες της διάταξης. Η αύξηση της θερμοκρασίας σε αυτούς τους χώρους ήταν αμελητέα, ακόμα και μετά την τρίτη συνεχόμενη ημέρα λειτουργίας του εξομοιωτή. Το φύλλο του βακελίτη, που χρησιμοποιήθηκε, αποτρέπει τη μεταφορά θερμότητας προς τους πίνακες, ενώ ούτε αυτό θερμάνθηκε σε μεγάλο βαθμό. Επιπλέον, δεν παρατηρήθηκε κάποια φθορά λόγω θερμότητας στους αγωγούς με μόνωση σιλικόνης, που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνδεση των αντιστάσεων. Τέλος, τα πλαστικά κανάλια πλησίον των αντιστάσεων, στα οποία είναι τοποθετημένοι οι αγωγοί, δεν παρουσίασαν κάποια φθορά ή αλλοίωση λόγω αύξησης της θερμοκρασίας Συμπεράσματα και προοπτικές Με την ολοκλήρωση, λοιπόν, της κατασκευής αλλά και του προγραμματισμού του εξομοιωτή, έχουμε πετύχει να διαθέτουμε μια ηλεκτρική κατανάλωση ενός απαιτητικού, από άποψης ενέργειας, νοικοκυριού. Η εξομοίωση αυτή, λόγω της ευκολίας στη μεταβολή των χρόνων λειτουργίας κάθε φορτίου, μπορεί να αποτελέσει μέχρι και ακριβή απεικόνιση της κατανάλωσης ενός νοικοκυριού. Το γεγονός αυτό, μπορεί να αποτελέσει στο μέλλον ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο, για όποιον θέλει να ασχοληθεί με τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενός αυτόνομου μικροδικτύου. [256]

271 Ως γνωστόν, αυτόνομα μικροδίκτυα που χρησιμοποιούν σαν πηγές ενέργειας φωτοβολταϊκά είναι περισσότερο αποδοτικά κάποιες ώρες μέσα στη μέρα, αφού η ηλιοφάνεια δε διαρκεί όλο το 24ωρο. Αυτό έχει ως συνέπεια την αύξηση της χωρητικότητας των συσσωρευτών, ώστε να μπορεί να καλυφθεί τις ώρες χωρίς ηλιοφάνεια η ζήτηση ενέργειας. Λόγω του κόστους των συσσωρευτών, πολλές φορές τα αυτόνομα μικροδίκτυα κρίνονται αντιοικονομικά. Επίσης, οι ώρες λειτουργίας που θα ενεργοποιείται μια ντιζελογεννήτρια κρίνει πολλές φορές το αν το αυτόνομο μικροδίκτυο είναι μια συμφέρουσα λύση ή όχι. Συνεπώς, έχοντας μια κατανάλωση που αντιπροσωπεύει ένα νοικοκυριό και ένα αυτόνομο δίκτυο, όπως αυτό στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας, μπορεί κανείς μελετώντας τη συμπεριφορά του αυτόνομου δικτύου να καταλήξει σε κάποια συμπεράσματα. Τέλος, μπορεί μεταβάλλοντας είτε κάποια από τα στοιχεία του μικροδικτύου, είτε το μέγεθος ή το ημερήσιο προφίλ της κατανάλωσης να βελτιστοποιήσει την απόδοση του μικροδικτύου. Είναι πολύ πιθανό, για συγκεκριμένο φορτίο (κατανάλωση), να προκύψει ένα πλήθος πιθανών λύσεων, που θα διαφέρουν τόσο ως προς την εγκατεστημένη ισχύ των πηγών παραγωγής ενέργειας όσο και ως προς τις δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας του συστήματος. Ο ιδανικός συνδυασμός αυτών, μπορεί να προέλθει μέσα από τεχνοοικονομικές μελέτες. Στα πλαίσια της μελλοντικής αξιοποίησης του εξομοιωτή, μπορούν να γίνουν κάποιες προσθήκες που θα βελτιστοποιούν τη λειτουργία του ή θα βελτιώνουν τη διεπαφή του με τους χειριστές. Για παράδειγμα, θα ήταν σημαντική η προσθήκη μετρητικών διατάξεων σε κάθε φάση, οι οποίες θα μπορούν να επικοινωνούν τόσο με το PLC, όσο και με υπολογιστικό σύστημα για καταγραφή των μετρήσεων. Μέσω του PLC θα είναι δυνατή η απόρριψη κάποιων συγκεκριμένων φορτίων, τα οποία θα ορίζονται από τον χρήστη, όταν η ισχύς της φάσης ξεπερνάει τη μέγιστη ισχύ εξόδου του μετατροπέα των συσσωρευτών. Στην περίπτωση αυτή θα αποφεύγεται η εξ ολοκλήρου απόρριψη του φορτίου της φάσης από το μετατροπέα των συσσωρευτών (π.χ. Sunny Island) και η απόρριψη θα περιορίζεται σε φορτία της αρεσκείας μας. Για τη βελτίωση της διεπαφής του PLC, με τον χρήστη-χειριστή θα μπορούσε να εγκατασταθεί ένα λογισμικό SCADA, ώστε να είναι δυνατή η online αλλαγή κάποιων παραμέτρων ή η καλύτερη εποπτεία κατά τη λειτουργία. Τέλος, θα μπορούσαν να προστεθούν στη διάταξη κάποιοι αισθητήρες θερμοκρασίας οι οποίοι θα ενεργοποιούν, όταν κρίνεται αναγκαίο, κάποιο σύστημα ψύξης. [257]

272 [258]

273 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] [2] ΕΛ.ΣΤΑΤ. Δελτίο τύπου, έρευνα κατανάλωσης ενέργειας στα νοικοκυριά, [3] Αναστασοπούλου Αικατερίνη, «Παραγωγή ενέργειας από λιγνίτη με μηδενική έκλυση αερίων θερμοκηπίου και σύγκριση με άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για την Ελλάδα», Διπλωματική εργασία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Δεκέμβριος 2011 [4] Κουφόπουλου Π. Εμμανουήλ, «Σχεδιασμός και κατασκευή συστήματος μετατροπής τάσεων από πηγές ΑΠΕ σε εναλλασσόμενη, για διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο», Διπλωματική εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2010 [5] [6] [7] Προγράμματα Ανοικτών Περιβαλλοντικών Τάξεων «ΚΑΛΛΙΣΤΩ», Ανανεώσιμες- Ήπιες Πηγές Ενέργειας. Συγγραφική ομάδα: Ιωάννης Γιαννακούρας, Δέσποινα Ζαραβέλα, Αχιλλέας Μανδρίκας [8] Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος, Νικόλαος Α. Βοβός, «Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Εκδόσεις ΖΗΤΗ 2008 [9] Σπύρου Σ. Νικόλαος, «Αγώγιμες ιδιότητες ηλεκτροτεχνικών υλικών», Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ [10] Θωμάς Ζαχαρίας, «Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2009 [11] Ζωγόγιαννη Γ. Χαρούλα, «Σύνδεση ανεμογεννήτριας μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης Κατασκευή τριφασικού αντιστροφέα τάσης, ελεγχόμενου από μικροελεγκτή», Διπλωματική εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Φεβρουάριος 2013 [12] Κωνσταντίνος Α. Μπαλάρας, Αθανάσιος Α. Αργυρίου, Φώτης Ε. Καραγιάννης, «Συμβατικές & Ήπιες Μορφές Ενέργειας», Εκδόσεις ΤeΚΔΟΤΙΚΗ 2006 [13] Στρατηγική και σχέδιο δράσης για την προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, Βρυξέλλες, 26 Νοεμβρίου 1997, ΙP/97/1040 [14] [15] [16] Χριστίνα Ν. Παπαδημητρίου, «Έλεγχος κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για ένταξη της σε μικροδίκτυα», Διδακτορική Διατριβή, [259]

274 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Υπολογιστών, Ιούνιος 2012 [17] Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας [18] Αναστάσιου Χ. Κυρίτση, «Βέλτιστος σχεδιασμός υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών συστημάτων μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης», Διδακτορική διατρίβη, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιανουάριος 2009 [19] Tomas Markvart, «Ηλεκτρισμός από ηλιακή ενέργεια», Εκδόσεις ΙΩΝ 2003 [20] Ι.Ε. Φραγκιαδάκης, «Φωτοβολταϊκά Συστήματα», Εκδόσεις ΖΗΤΗ 2011 [21] Αντώνης Θ. Αλεξανδρίδης, «Τεχνολογία Ελέγχου Στα Αιολίκα Συστήματα», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2009 [22] Πυρρής Μ. Γεώργιος, «Διερεύνηση της λειτουργίας του συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης Κατασκευή αντιστροφέα τάσης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Δεκέμβριος 2012 [23] Δαγιόλου Δ. Στέργιος, «Μελέτη και κατασκευή ανεμογεννήτριας μικρής ισχύος και σύνδεσή της σε αυτόνομο δίκτυο «, Διπλωματική Εργασία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. [24] Κοτσαμπόπουλος Χ. Παναγιώτης, «Μελέτη, κατασκευή και προσομοίωση της λειτουργίας ανεμογεννήτριας αξονικής ροής «, Διπλωματική Εργασία, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. [25] Σταύρος Α. Παπαθανασίου, «Συμβολή στην ανάλυση ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών με ασύγχρονη γεννήτρια για την επιλογή του ηλεκτρικού σχήματος», Διδακτορική διατριβή, Ε.Μ.Π., Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Αθήνα 1997 [26] Νικόλαος Α. Κυριάκης, «Μηχανές εσωτερικής καύσης εισαγωγή στη λειτουργία και τη χρήση», Εκδόσεις σοφία 2008 [27] Ελευθερία Πυργιώτη, «Υψηλές τάσεις», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2010 [28] Θωμάς Ζαχαρίας, «Ήπιες Μορφές Ενέργειας IΙ», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2009 [29] Ν. Mohan, Τ. Undeland, W. Robbins, «Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ 2010 [260]

275 [30] Ελένη Δ. Κεμενέ, «Ανάλυση και σχεδιασμός επιδεικτικού μικροδικτύου μελέτη συμπεριφοράς ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιούλιος 2010 [31] Παναγιώτης Α. Δρόσου, Σπυρίδων Ν. Σχοινά «Μελέτη και εγκατάσταση φωτοβολταϊκού», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιούνιος 2010 [32] Shell Solar Data Sheet for Module SQ 80-P [33] Ιάκωβος Γιακουμής, «Μελέτη και κατασκευή συστήματος υβριδικού Α.Π.Ε. μικρής ισχύος αιολικής και φωτοβολταϊκής διάταξης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Φλεβάρης 2009 [34] «Whisper 100/200 Technical Specifications DOC# 0040 REV D 4-07», Southwest Windpower [35] SMA Solar Technology AG, Φωτοβολταϊκοί μετατροπείς SUNNY BOY 1100/1200/1700 Οδηγίες τοποθέτησης, SMA, 2009 [36] SMA Solar Technology AG, Μετατροπείς αυτόνομων δικτύων SUNNY ISLAND 2012/2224 Τεχνική περιγραφή, SMA, 2009 [37] Φυλλάδιο συσσωρευτή BAE, τεχνική περιγραφή, ΒΑΕ 2009 [38] SMA Solar Technology AG, Επιτήρηση εγκατάστασης SUNNY WEBBOX Τεχνική περιγραφή, SMA, 2009 [39] [40] D.I. Stroe, A.I. Stan, I. Visa, I. Stroe, «Modelling and Control of Variable Speed Wind Turbine Equipped with PMSG» [41] Μπιλιανός Θ. Σωτήριος, «Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου Μελέτη και προσομοίωση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2014 [42] Παππάς Ι. Κωνσταντίνος, «Μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή διάταξης διασύνδεσης ανεμογεννήτριας 1kW με το δίκτυο», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2011 [261]

276 [43] Ιωάννης Β. Γκαρτζώνης, «Διερεύνηση της λειτουργίας συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης - κατασκευή μετατροπέα ανύψωσης τάσης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών, Νοέμβριος 2012 [44] Ι. Κιοσκερίδης, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», ΤΖΙΟΛΑ 2008 Τεχνολογίας [45] Κρομμύδας Φ. Κωνσταντίνος, «Σχεδίαση εγκαταστάσεων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ (φωτοβολταϊκών συστημάτων σε λειτουργία μέγιστης απόδοσης», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2010 [46] Divya Teja Reddy Challa, I. Raghavendar, «Implementation of Incremental Conductance MPPT with Direct Control Method Using CUK Converter»,2012 [47] Tekeshwar Prasad Sahu, T.V. Dixit, Ramesh Kumar, «Simulation and analysis of Perturb and Observe MPPT algorithm for PV array using CUK converter»,2014 [48] D.P. Hohm, M.E. Ropp, «Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms, 2003 [49] Thomas Ackermann, «Wind Power in Power Systems», Second Edition, εκδόσεις John Wiley & Sons [50] Dong Dong, D. Boroyevich, R. Wang, F. Wang, «Two-Stage Single Phase bi- Directional PWM Converter with DC link Capacitor Reduction»,2012 [51] Allan Agatep, Mason Ung «Design and Simulation of V2G Bidirectional Inverter and DC-DC Converter», Senior Project, California Polytechnic State University, Electrical Engineering Department [52] Ψαράς Βασίλειος, «Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου- Μελέτη και προσομοίωση φωτοβολταϊκού συστήματος», Διπλωματική εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2014 [53] Γιώργος Μαρκογιαννάκης, «Residential Monitoring to Decrease Energy Use and Carbon Emissions in Europe», ΚΑΠΕ, Τμήμα Ανάλυσης Ενεργειακής Πολιτικής [54] Θωμάς Ζαχαρίας, «Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2009 [262]

277 [55] Δ. Κ. Τσανάκας, «Ειδικά κεφάλαια ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και δικτύων, Α μέρος: Προστασία ανθρώπων και εξοπλισμού», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2008 [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] «High Power Wire Wound Resistor, Type TE Series», TE Connectivity [64] Frank D. Petruzella, «Βιομηχανικά ηλεκτρονικά», εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ, 1999 [65] «Hardware Chapter 1: Introduction of Fatek FBs Series PLC», Fatek [66] «Winproladder User Guide», Fatek [67] Κανονισμός εσωτερικών ηλεκτρικών εγκαταστάσεων, πρότυπο ΕΛΟΤ384 [68] «IEC Utilization Categories (Explanation)», EEC Controls [69] «Finder 40 Series Miniature PCB/ Plug-in Relays A», Finder [70] «Finder 22 Series Modular monostable Relays 20A», Finder [71] «Finder 46 Series Miniature Industrial Relays 8-16A», Finder [72] «Hardware Chapter 7: Digital Output (DO) Circuit», Fatek [263]

278 [264]

279 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΜΟΙ [265]

280 [266]

281 [267]

282 [268]

283 [269]

284 [270]

285 [271]

286 [272]

287 [273]

288 [274]

289 [275]

290 [276]

291 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΛΙΣΤΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥ SUNNY REMOTE CONTROL Στο παράρτημα αυτό παρατίθενται όλες οι λίστες παραμέτρων που είναι προσβάσιμες μέσω του sunny remote control. Επίσης, δίνονται όλες οι παράμετροι που διαθέτει το μενού 200# Settings, που είναι το μενού στο οποίο πραγματοποιείται η ρύθμιση κάθε συνιστώσας του συστήματος. Θα γίνει αναφορά σε όλες τις παραμέτρους που έχουν ρυθμιστεί κατά την διάρκεια της παρούσας διπλωματικής, ενώ όλες οι υπόλοιπες παραμένουν στην αρχική τους τιμή, όπως υποδεικνύουν οι παρακάτω λίστες. - [277]

292 Στο υπομενού 220# Set Battery, με βάση τους συσσωρευτές που διαθέτει το σύστημα έγιναν οι παρακάτω μεταβολές. Παράμετρος BatTyp Τιμή FLA BatCpyNom 670 [278]

293 BatTmpMax 50 Η παράμετρος BatChrgCurMax ρυθμίστηκε στην τιμή 67Α (C 1o ). Με τη ρύθμιση της παραμέτρου BatTyp σε τιμή FLA, άλλαξαν και οι παράμετροι του υπομενού 222#, στις τιμές που αντιστοιχούν για FLA συσσωρευτή. [279]

294 Η παράμετρος ChrgVtgFlo ορίστηκε στην τιμή 2.2V. Οι παράμετροι ChrgVtgFul και ChrgVtgEqu ρυθμίστηκαν στην τιμή 2,35V. Τέλος, παράμετρων 222# 07 ChrgVtgBoost ρυθμίστηκε σε 2.4 V. Οι παράμετροι αυτοί ρυθμίστηκαν κατ αυτόν τον τρόπο για να συμβαδίζουν όσο γίνεται με τα εργοστασιακά στοιχεία των συσσωρευτών στο εργαστήριο. [280]

295 [281]

296 [282]

297 Οι παράμετροι GnSoCTm1Str και GnSocTmStp ρυθμίστηκαν στις τιμές 70% και 85% αντίστοιχα, ενώ η παράμετρος #231 ΕxtLkTm ρυθμίστηκε από 20 σε 3 λεπτά. [283]

298 [284]

299 [285]

300 [286]

301 [287]

302 [288]