ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ 1 ABSTRACT 2

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. Κρήτης Τµήµα Φυσικών Πόρων & Περιβάλλοντος ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΥΒΡΙ ΙΚΩΝ ΣΗΕ ΜΕ ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ HOGA ΓΙΑΚΟΥΜΟΓΛΟΥ ΒΑΣΙΛΗΣ ΜΑΡΑΓΚΑΚΗΣ ΝΤΕΡΡΥ Επιβλέπων Καθηγητής ΙΩΑΝΝΗΣ ΚΑΤΣΙΓΙΑΝΝΗΣ Χανιά ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2010

2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ 1 ABSTRACT 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εισαγωγή Είδη ή ιων µορφών ενέργειας Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα ΣΗΕ (σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας) Ανεµογεννήτριες Βασικές έννοιες Φωτοβολταϊκά Υδροηλεκτρικά Κυψέλες καυσίµου Εφαρµογές Μετατρο είς Γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος Συσσωρευτές 21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ HOGA Εισαγωγή Γενετικοί Αλγόριθµοι Στρατηγικές ελέγχου Βελτιστο οίηση των συστατικών και της στρατηγικής Φορτίο Πηγές Ηλιακή ακτινοβολία Άνεµος Υδρολογικό υναµικό Συστατικά Φ/Β Πανέλα Ανεµογεννήτριες 45

4 2.5.3 Υδροστρόβιλος Συσσωρευτές Αντιστροφέας Γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος Κυψέλες καυσίµου Μονάδα ηλεκτρόλυσης Κυψέλες καυσίµου Μονάδα ηλεκτρόλυσης εξαµενή α οθήκευσης Η Υ όλοι α εξαρτήµατα 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΙΑΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΙΚΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΚΑΙ ΠΟΛΥΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Εισαγωγή Σενάρια Ανάλυση σεναρίου Ανάλυση σεναρίου Ανάλυση σεναρίου Ανάλυση σεναρίου Ανάλυση σεναρίου 5 88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 :ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 91 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 92

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες ολόκληρη η ανθρω ότητα δοκιµάζεται α ό τις συνέ ειες των σαρωτικών αλλαγών ου αρατηρούνται στο κλιµατολογικό το ίο του λανήτη. Ταυτόχρονα, οι κυβερνήσεις του κόσµου εκδηλώνουν όλο και ιo έντονα το ενδιαφέρον τους για τη µείωση της εξάρτησής τους α ό τις συµβατικές ηγές αραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ό ως είναι το ετρέλαιο. Τα γεγονότα αυτά καθιστούν ολύ ιο ε ιτακτική την εξεύρεση εναλλακτικών ηγών αραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, οι ο οίες θα είναι φιλικές ρος το εριβάλλον. Μία αξιό ιστη α άντηση στην αναζήτηση αυτή φαίνεται να είναι οι Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), οι ο οίες το τελευταίο διάστηµα κερδίζουν συνεχώς έδαφος. Σχετικά µε τη χρησιµο οίηση των ΑΠΕ ανακύ τει το ερώτηµα του όσο καλά θα µ ορέσουν να αντικαταστήσουν τις συµβατικές ηγές ενέργειας, καθώς και του όσο α οδοτική οικονοµικά είναι η χρησιµο οίηση των ΑΠΕ. Η αρούσα εργασία δια ραγµατεύεται τη χρήση του λογισµικού HOGA το ο οίο είναι ένα ρόγραµµα ροσοµοίωσης και βελτιστο οίησης για τα υβριδικά ανανεώσιµα συστήµατα για την αραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας. Ε ίσης, το ρόγραµµα ε ιτρέ ει την βελτιστο οίηση ολλα λών στόχων, ό ου ε ι λέον µεταβλητές µ ορούν να ελαχιστο οιηθούν ό ως οι εκ οµ ές CO 2 και η αδυναµία κάλυψης φορτίου. Το HOGA χρησιµο οιεί τους γενετικούς αλγορίθµους για τη βελτιστο οίηση και για τα τµήµατα συστηµάτων (κύριους γενετικούς αλγόριθµους), και για τη στρατηγική ελέγχου (δευτεροβάθµιος γενετικός αλγόριθµος). Οι γενετικοί αλγόριθµοι µ ορούν να αραγάγουν τις ε αρκείς λύσεις όταν εφαρµόζονται σε ιδιαίτερα σύνθετα ροβλήµατα, µε τους ολύ σύντοµους χρόνους υ ολογισµού. 1

6 ABSTRACT During the last three decades, the humanity is being tested from the dramatic changes that took place in the planet environment. As a result, the governments of the world show an increasing interest on being independent from the traditional power sources, such as petrol. These facts make much more imperative the need for establishing alternative sources of power production, which should be environmental friendly. A reliable answer to this search seems to be the renewable energy sources (RES), which seem to be gaining ground recently. Regarding the use of RES, the question arises as to what extend they are able to replace the traditional power sources and how profitable would be their use. This work negotiates the use of HOGA software, which is a program of simulation and optimization for hybrid power systems that can contain renewable power technologies. The program allows the optimization of multiple objectives, where additional variables can be minimized, such as CO 2 emissions and unmet load. HOGA uses genetic algorithms to optimize the system components (main genetic algorithms), as well as the control strategy (secondary genetic algorithm). Genetic algorithms can produce adequate solutions when applied to highly complex problems with very short calculation time. 2

7 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι ή ιες µορφές ενέργειας ή "ανανεώσιµες ηγές ενέργειας" (ΑΠΕ) ή "νέες ηγές ενέργειας" είναι µορφές εκµεταλλεύσιµης ενέργειας ου ροέρχεται α ό διάφορες φυσικές διαδικασίες, ό ως ο άνεµος, η γεωθερµία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Ο όρος "ή ιες" αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Καταρχήν, για την εκµετάλλευσή τους δεν α αιτείται κά οια ενεργητική αρέµβαση, ό ως εξόρυξη, άντληση, καύση, ό ως µε τις µέχρι τώρα χρησιµο οιούµενες ηγές ενέργειας, αλλά α λώς η εκµετάλλευση της ήδη υ άρχουσας ροής ενέργειας στη φύση. εύτερον, ρόκειται για "καθαρές" µορφές ενέργειας, ολύ φιλικές στο εριβάλλον, ου δεν α οδεσµεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά α όβλητα ό ως οι υ όλοι ες ηγές ενέργειας ου χρησιµο οιούνται σε µεγάλη κλίµακα. Ως "ανανεώσιµες ηγές" θεωρούνται γενικά οι εναλλακτικές των αραδοσιακών ηγών ενέργειας (.χ. του ετρελαίου ή του άνθρακα), ό ως η ηλιακή και η αιολική. Ο χαρακτηρισµός "ανανεώσιµες" είναι κά ως καταχρηστικός, µιας και ορισµένες α ό αυτές τις ηγές, ό ως η γεωθερµική ενέργεια δεν ανανεώνονται σε κλίµακα χιλιετιών. Οι ή ιες µορφές ενέργειας βασίζονται στην ουσία στην ηλιακή ακτινοβολία, µε εξαίρεση τη γεωθερµική ενέργεια, η ο οία είναι ροή ενέργειας α ό το εσωτερικό του φλοιού της γης, και την ενέργεια α ' τις αλίρροιες ου εκµεταλλεύεται τη βαρύτητα. Οι βασιζόµενες στην ηλιακή ακτινοβολία ή ιες ηγές ενέργειας είναι ανανεώσιµες, µιας και δεν ρόκειται να εξαντληθούν όσο υ άρχει ο ήλιος. Ουσιαστικά είναι ηλιακή ενέργεια "συσκευασµένη" κατά τον ένα ή τον άλλο τρό ο: η βιοµάζα είναι ηλιακή ενέργεια δεσµευµένη στους ιστούς των φυτών µέσω της φωτοσύνθεσης, η αιολική εκµεταλλεύεται τους ανέµους ου ροκαλούνται α ' τη θέρµανση του αέρα ενώ αυτές ου βασίζονται στο νερό εκµεταλλεύονται τον κύκλο εξάτµισηςσυµ ύκνωσης του νερού και την κυκλοφορία του. Η γεωθερµική ενέργεια δεν είναι ανανεώσιµη, καθώς τα γεωθερµικά εδία κά οια στιγµή εξαντλούνται. Οι ή ιες µορφές ενέργειας χρησιµο οιούνται είτε άµεσα (κυρίως για θέρµανση) είτε µετατρε όµενες σε άλλες µορφές ενέργειας (κυρίως ηλεκτρισµό ή µηχανική ενέργεια). Υ ολογίζεται ότι το τεχνικά εκµεταλλεύσιµο ενεργειακό δυναµικό α ' τις 3

8 ή ιες µορφές ενέργειας είναι ολλα λάσιο της αγκόσµιας συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Το ενδιαφέρον για τις ή ιες µορφές ενέργειας ανακινήθηκε τη δεκαετία του 1970, ως α οτέλεσµα κυρίως των α ανωτών ετρελαϊκών κρίσεων της ε οχής, αλλά και της αλλοίωσης του εριβάλλοντος και της οιότητας ζωής α ό τη χρήση κλασικών ηγών ενέργειας. Ιδιαίτερα ακριβές στην αρχή, ξεκίνησαν σαν ειραµατικές εφαρµογές. Σήµερα όµως λαµβάνονται υ όψη στους ε ίσηµους σχεδιασµούς των ανε τυγµένων κρατών για την ενέργεια και, αν και α οτελούν ολύ µικρό οσοστό της ενεργειακής αραγωγής, ετοιµάζονται βήµατα για την αρα έρα αξιο οίησή τους. Το κόστος δε των εφαρµογών ή ιων µορφών ενέργειας έφτει συνέχεια τα τελευταία είκοσι χρόνια και ειδικά η αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια, αλλά και η βιοµάζα, µ ορούν λέον να ανταγωνίζονται αραδοσιακές ηγές ενέργειας ό ως ο άνθρακας και η υρηνική ενέργεια. Ενδεικτικά, στις Η.Π.Α. ένα 6% της ενέργειας ροέρχεται α ό ανανεώσιµες ηγές, ενώ στην Ευρω αϊκή Ένωση το 2010 το 25% της ενέργειας θα ροέρχεται α ό ανανεώσιµες ηγές (κυρίως υδροηλεκτρικά και βιοµάζα). 1.2 Είδη ή ιων µορφών ενέργειας: Αιολική ενέργεια: Χρησιµο οιήθηκε αλιότερα για την άντληση νερού α ό ηγάδια καθώς και για µηχανικές εφαρµογές (.χ. την άλεση στους ανεµόµυλους). Έχει αρχίσει να χρησιµο οιείται για ηλεκτρο αραγωγή. Ηλιακή ενέργεια: Χρησιµο οιείται ερισσότερο για θερµικές εφαρµογές (ηλιακοί θερµοσίφωνες και φούρνοι) ενώ η χρήση της για την αραγωγή ηλεκτρισµού έχει αρχίσει να κερδίζει έδαφος, µε την βοήθεια της ολιτικής ροώθησης των Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας α ό το ελληνικό κράτος και την Ευρω αϊκή Ένωση. Υδατο τώσεις: Είναι τα γνωστά υδροηλεκτρικά έργα, ου στο εδίο των ή ιων µορφών ενέργειας εξειδικεύονται ερισσότερο στα µικρά υδροηλεκτρικά. Είναι η ιο διαδεδοµένη µορφή ανανεώσιµης ενέργειας. Βιοµάζα: Χρησιµο οιεί τους υδατάνθρακες των φυτών (κυρίως α οβλήτων της βιοµηχανίας ξύλου, τροφίµων και ζωοτροφών και της βιοµηχανίας ζάχαρης) µε σκο ό την α οδέσµευση της ενέργειας ου δεσµεύτηκε α ' το φυτό µε τη φωτοσύνθεση. Ακόµα µ ορούν να χρησιµο οιηθούν αστικά α όβλητα και α ορρίµµατα. Μ ορεί να δώσει βιοαιθανόλη και βιοαέριο, ου είναι καύσιµα ιο φιλικά ρος το εριβάλλον α ό τα αραδοσιακά. Γεωθερµική ενέργεια: Προέρχεται α ό τη θερµότητα ου αράγεται α ' τη ραδιενεργό α οσύνθεση των ετρωµάτων της γης. Είναι εκµεταλλεύσιµη εκεί ό ου η θερµότητα αυτή ανεβαίνει µε φυσικό τρό ο στην ε ιφάνεια,.χ. στους θερµο ίδακες ή στις ηγές ζεστού νερού. Μ ορεί να χρησιµο οιηθεί είτε α ευθείας για θερµικές εφαρµογές είτε για την αραγωγή ηλεκτρισµού. Η Ισλανδία καλύ τει το 80-90% των 4

9 ενεργειακών της αναγκών, όσον αφορά τη θέρµανση, και το 20%, όσον αφορά τον ηλεκτρισµό, µε γεωθερµική ενέργεια. Ενέργεια α ό αλίρροιες: Εκµεταλλεύεται τη βαρύτητα του Ήλιου και της Σελήνης, ου ροκαλεί ανύψωση της στάθµης του νερού. Το νερό α οθηκεύεται καθώς ανεβαίνει και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να εράσει µέσα α ό µια τουρµ ίνα, αράγοντας ηλεκτρισµό. Έχει εφαρµοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. Ενέργεια α ό κύµατα: Εκµεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυµάτων της θάλασσας Πλεονεκτήµατα: Είναι ολύ φιλικές ρος το εριβάλλον, έχοντας ουσιαστικά µηδενικά κατάλοι α και α όβλητα. εν ρόκειται να εξαντληθούν οτέ, σε αντίθεση µε τα ορυκτά καύσιµα. Μ ορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια µικρών και ανα τυσσόµενων χωρών, καθώς και να α οτελέσουν την εναλλακτική ρόταση σε σχέση µε την οικονοµία του ετρελαίου. Είναι ευέλικτες εφαρµογές ου µ ορούν να αράγουν ενέργεια ανάλογη µε τις ανάγκες του ε ί τό ου ληθυσµού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες µονάδες αραγωγής ενέργειας (καταρχήν για την ύ αιθρο) αλλά και για µεταφορά της ενέργειας σε µεγάλες α οστάσεις. Ο εξο λισµός είναι α λός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει µεγάλο χρόνο ζωής. Ε ιδοτούνται α ό τις ερισσότερες κυβερνήσεις Μειονεκτήµατα: Έχουν αρκετά µικρό συντελεστή α όδοσης, της τάξης του 30% ή και χαµηλότερο. Συνε ώς α αιτείται αρκετά µεγάλο αρχικό κόστος εφαρµογής σε µεγάλη ε ιφάνεια γης. Γι' αυτό το λόγο µέχρι τώρα χρησιµο οιούνται σαν συµ ληρωµατικές ηγές ενέργειας. Για τον αρα άνω λόγο ρος το αρόν δεν µ ορούν να χρησιµο οιηθούν για την κάλυψη των αναγκών µεγάλων αστικών κέντρων. Η αροχή και α όδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται α ό την ε οχή του έτους αλλά και α ό το γεωγραφικό λάτος και το κλίµα της εριοχής στην ο οία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές µηχανές υ άρχει η ά οψη ότι δεν είναι κοµψές α ό αισθητική ά οψη κι ότι ροκαλούν θόρυβο και θανάτους ουλιών. Με την εξέλιξη όµως της τεχνολογίας τους και την ροσεκτικότερη ε ιλογή χώρων εγκατάστασης (.χ. σε λατφόρµες στην ανοιχτή θάλασσα) αυτά τα ροβλήµατα έχουν σχεδόν λυθεί. 5

10 Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι ροκαλούν έκλυση µεθανίου α ό την α οσύνθεση των φυτών ου βρίσκονται κάτω α ' το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόµενο του θερµοκη ίου. 1.3 ΣΗΕ (σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας) Ως σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) ορίζεται το σύνολο των εγκαταστάσεων και των µέσων ου χρησιµο οιούνται µε σκο ό την αροχή ηλεκτρικής ενέργειας στις εριοχές κατανάλωσης, τις ο οίες εξυ ηρετεί το ΣΗΕ. Ένα ΣΗΕ χρειάζεται να ικανο οιεί τις ακόλουθες α αιτήσεις : 1. Παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε όλες τις εριοχές κατανάλωσης ου εξυ ηρετούνται α ό αυτό. 2. Ικανο οίηση της διαρκώς µεταβαλλόµενης ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. 3. Παροχή οιοτικής ηλεκτρικής ενέργειας έτσι ώστε να διασφαλίζεται σταθερή συχνότητα, σταθερή τάση και υψηλή αξιο ιστία τροφοδότησης. 4. Παροχή ηλεκτρικής ενέργειας µε το ελάχιστο δυνατό οικονοµικό κόστος και τις ελάχιστες ε ι τώσεις στο εριβάλλον. Ένα ΣΗΕ α οτελείται α ό τα ακόλουθα τέσσερα κύρια µέρη: 1. Το σύστηµα αραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ου µετατρέ ει µια µορφή ρωτογενούς ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται α ό συµβατικές µονάδες ανανεώσιµων ηγών ενέργειας (ΑΠΕ). 2. Το σύστηµα µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας ου µεταφέρει την ισχύ α ό τις µονάδες αραγωγής ρος τα σηµεία ου γίνεται η κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας. Η µεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται µε υψηλή τάση, ε ειδή έχει σαν α οτέλεσµα µικρότερες ηλεκτρικές α ώλειες και κατά συνέ εια οικονοµικότερη λειτουργία. Α ό το σύστηµα µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας τροφοδοτούνται α ευθείας οι καταναλωτές υψηλής τάσης. 3. Το σύστηµα διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας ου είναι υ εύθυνο για την διανοµή της ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές µέσης και χαµηλής τάσης. 4. Τα φορτία ου α οτελούν τις συνολικές α αιτήσεις σε ισχύ των καταναλωτών ου είναι συνδεδεµένοι στο ΣΗΕ, και εκφράζονται σε kw ή MW. Η µεταβαλλόµενη ζήτηση ισχύος α ό τους καταναλωτές συναρτήσει του χρόνου, µ ορεί να ανα αρασταθεί γραφικά µέσω τις καµ ύλης φορτίου. Η µέγιστη τιµή του φορτίου στη διάρκεια µιας δεδοµένους χρονικής εριόδου ονοµάζεται αιχµή φορτίου της εριόδου αυτής. 6

11 Τα ΣΗΕ διαχωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες : 1) τα διασυνδεδεµένα ΣΗΕ, και 2) τα α οµονωµένα ΣΗΕ. Στα διασυνδεδεµένα ΣΗΕ, µεγάλες κεντρικές µονάδες αραγωγής εξυ ηρετούν ένα ευρύ γεωγραφικό και οσοτικό φάσµα ηλεκτρικών φορτίων. Αντίθετα, τα α οµονωµένα ΣΗΕ βρίσκονται εγκατεστηµένα σε α οµονωµένες γεωγραφικά εριοχές, οι ο οίες δεν έχουν την δυνατότητα διασύνδεσης µε ένα ευρύτερο σύνολο συστηµάτων. 1.4 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Οι µηχανές ου µετατρέ ουν την κινητική ενέργεια του ανέµου (αιολική ενέργεια) σε ηλεκτρική ενέργεια λέγονται ανεµογεννήτριες ή ανεµοηλεκτρικές γεννήτριες. Η ισχύ ου α οδίδει, κατ ε έκταση και η ενέργεια ου αράγει, µια ανεµογεννήτρια είναι συνάρτηση του κύβου της ταχύτητας του ανέµου, της υκνότητας του ανέµου και των τεχνικών χαρακτηριστικών του συγκροτήµατος. ό ου Cp είναι ο συντελεστής ισχύος της ανεµογεννήτριας, ου εριγράφει το κλάσµα της ισχύος αέριας δέσµης Pair(Kg/m^3) ου θα µετατρα εί σε µηχανικό έργο α ό τη ανεµογεννήτρια, A (m^2) είναι το εµβαδό της εγκάρσιας διατοµής της ανεµογεννήτριας και Vair (m/s) είναι η ταχύτητα του ανέµου. Η ταχύτητα του ανέµου αυξάνει µε το ύψος και γι αυτό οι ανεµογεννήτριες το οθετούνται άντα στην κορυφή υψηλών ύργων στήριξης. Παρ όλα αυτά οι θεωρητικοί υ ολογισµοί δείχνουν ότι για την αραγωγή ωφέλιµου έργου µ ορεί να αξιο οιηθεί µόνο το 53,9% της συνολικής ενέργειας του ανέµου ου καλείται και όριο του Betz. Η ανεµογεννήτρια οριζοντίου άξονα µε τερύγια αντα οκρίνεται στις µεταβολές της ταχύτητας του ανέµου µε αυτόµατη αλλαγή της κλίσης των τερυγίων. Ο άξονας της αραλληλίζεται αυτόµατα ρος τη διεύθυνση του ανέµου έτσι ώστε ο άνεµος να ροσβάλλει κάθετα την ε ιφάνεια ου διαγράφουν τα τερύγια. Μ αυτόν τον τρό ο ε ιτυγχάνεται τελικά η βέλτιστη αραγωγή ενέργειας α ό το άνεµο µε συντελεστή µέχρι 46 έως 48% και εξασφαλίζονται ικανο οιητικά όρια στα χαρακτηριστικά της αραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας. Η µηχανική ισχύς ου ανα τύσσεται στον άξονα των τερυγίων α ό τον άνεµο µεταδίδεται στην ηλεκτρική γεννήτρια µε τις κατάλληλες στροφές. Η γεννήτρια, ου µ ορεί να είναι σύγχρονη ή ασύγχρονη, αράγει την ηλεκτρική ενέργεια και τροφοδοτεί την κατανάλωση. 7

12 Η αραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια είναι χρονικά ασυνεχής, ε ειδή ακολουθεί τη ταχύτητα του άνεµου, ενώ η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται α ό τις ώρες της ηµέρας, την ε οχή, την οικονοµική και κοινωνική δοµή των καταναλωτών, κτλ. Το α οτέλεσµα είναι στις ανεµογεννήτριες να αρουσιάζονται σηµαντικές ταλαντώσεις ισχύος ακόµη και σε µικρά χρονικά διαστήµατα, ενώ όταν ε ικρατεί ά νοια ή ολύ ισχυρός άνεµος αύει η αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για τον σχεδιασµό ενός αυτόνοµου αιολικού ηλεκτρικού συστήµατος θα ρέ ει να ροβλεφθεί α οθήκευση. Ο συνηθέστερος τρό ος είναι η εγκατάσταση συσσωρευτών, αλλά στο µέλλον ίσως χρησιµο οιηθούν και άλλοι µέθοδοι, ό ως υδροδυναµική εκµετάλλευση, ε ιεσµένου αέρα, αραγωγή υδρογόνου, κλ. Οι ανεµογεννήτριες κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες : Οριζοντίου άξονα, των ο οίων ο δροµέας είναι τύ ου έλικα και βρίσκεται συνεχώς αράλληλος µε την κατεύθυνση του ανέµου και του εδάφους Κατακόρυφου άξονα, ο ο οίος αραµένει σταθερός και είναι κάθετος ρος την ε ιφάνεια του εδάφους Οι ανεµογεννήτριες οριζοντίου αρουσιάζουν τα ερισσότερα λεονεκτήµατα και έχουν κυριαρχήσει στην ράξη. Μια τυ ική ανεµογεννήτρια οριζοντίου άξονα α οτελείται α ό τα εξής µέρη : Το δροµέα, ου α οτελείται α ό δύο ή τρία τερύγια α ό ενισχυµένο ολυεστέρα. Τα τερύγια ροσδένονται άνω σε µια λήµνη είτε σταθερά, είτε µε τη δυνατότητα να εριστρέφονται γύρω α ό το διαµήκη άξονά τους µεταβάλλοντας το βήµα. Το σύστηµα µετάδοσης της κίνησης, α οτελούµενο α ό τον κύριο άξονα, τα έδρανά του και το κιβώτιο ολλα λασιασµού στροφών, το ο οίο ροσαρµόζει την ταχύτητα εριστροφής του δροµέα στη σύγχρονη ταχύτητα της ηλεκτρογεννήτριας. Η ταχύτητα εριστροφής αραµένει σταθερή κατά την κανονική λειτουργία της µηχανής. Την ηλεκτρική γεννήτρια, σύγχρονη ή ε αγωγική µε 4 ή 6 όλους η ο οία συνδέεται µε την έξοδο του ολλα λασιαστή µέσω ενός ελαστικού ή υδραυλικού συνδέσµου και µετατρέ ει τη µηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική και βρίσκεται συνήθως άνω στον ύργο της ανεµογεννήτριας. Υ άρχει και το σύστηµα έδης το ο οίο είναι ένα συνηθισµένο δισκόφρενο ου το οθετείται στον κύριο άξονα ή στον άξονα της γεννήτριας. Το σύστηµα ροσανατολισµού, αναγκάζει συνεχώς τον άξονα εριστροφής του δροµέα να βρίσκεται αράλληλα µε τη διεύθυνση του ανέµου. 8

13 Τον ύργο, ο ο οίος στηρίζει όλη την αρα άνω ηλεκτροµηχανολογική εγκατάσταση. Ο ύργος είναι συνήθως σωληνωτός ή δικτυωτός και σ ανίως α ό ο λισµένο σκυρόδεµα. Τον ηλεκτρονικό ίνακα και τον ίνακα ελέγχου, οι ο οίοι είναι το οθετηµένοι στη βάση του ύργου. Το σύστηµα ελέγχου αρακολουθεί, συντονίζει και ελέγχει όλες τις λειτουργίες της ανεµογεννήτριας, φροντίζοντας για την α ρόσκο τη λειτουργία της. Σχήµα 1.1: Ανεµογεννήτρια. 9

14 1.4.1 Βασικές έννοιες: Ταχύτητα έναρξης λειτουργίας (νin ): Η ταχύτητα στην ο οία αρχίζει η λειτουργία της ανεµογεννήτριας µε τυ ικές τιµές 2,5 m/sec έως 5 m/sec. Ονοµαστική ισχύς (PR):Η µέγιστη αραγόµενη ισχύς α ό την ανεµογεννήτρια. Ονοµαστική ταχύτητα λειτουργίας (νr): Η µικρότερη ταχύτητα του ανέµου στην ο οία αράγεται η ονοµαστική ισχύς της ανεµογεννήτριας. Ταχύτητα διακο ής λειτουργίας (νουt): Για ολύ υψηλές ταχύτητες ανέµου ε ιβάλλεται διακο ή λειτουργίας της ανεµογεννήτριας για λόγους ασφαλείας της εγκατάστασης. Καµ ύλη ισχύος: Η συσχέτιση µεταξύ της ταχύτητας του ανέµου (νair) και της ραγµατικά αραγόµενης ισχύος (Pwt) α ό µια ανεµογεννήτρια δίνεται α ό την καµ ύλη ισχύος της ανεµογεννήτριας. Σχήµα 1.2:Σύγκριση υκνότητας ισχύος αέριας δέσµης και ανεµογεννήτριας. 1.5 Φωτοβολταϊκά Με τον γενικό όρο φωτοβολταϊκά χαρακτηρίζονται οι βιοµηχανικές διατάξεις µετατρο ής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική και η λειτουργία τους βασίζεται στο 10

15 φωτοβολταϊκό (Φ/Β) φαινόµενο. Το Φ/Β φαινόµενο ανακαλύφθηκε το 1839 α ό τον Μ εκερέλ (Becquerel). Περιλη τικά ρόκειται για την α ορρόφηση της ενέργειας του φωτός α ό τα ηλεκτρόνια των ατόµων του Φ/Β στοιχείου(θεµελιώδης µονάδα µετατρο ής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική) και την α όδραση των ηλεκτρονίων αυτών α ό τις κανονικές τους θέσεις µε α οτέλεσµα την δηµιουργία ρεύµατος. Το ηλεκτρικό εδίο ου ροϋ άρχει στο Φ/Β στοιχείο οδηγεί το ρεύµα στο φορτίο. Τα Φ/Β στοιχεία οµαδο οιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά λαίσια ή γεννήτριες (module), τυ ικής ισχύος α ό 20W έως 300W. Οι Φ/Β γεννήτριες συνδέονται ηλεκτρολογικά µεταξύ τους και δηµιουργούνται οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες (arrays). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες 1. Κρυσταλλικού Πυριτίου Μονοκρυσταλλικού υριτίου, µε ονοµαστικές α οδόσεις λαισίων 14,5% έως 21%, Πολυκρυσταλλικού υριτίου, µε ονοµαστικές α οδόσεις λαισίων 13% έως 14,5%. 2. Λε τών Μεµβρανών Άµορφο Πυριτίου, ονοµαστικής α όδοσης ~7%. Χαλκο υριτών CIS / CIGS, ονοµαστικής α όδοσης α ό 7% έως 11%. Το υρίτιο (Si) είναι η βάση για το 90% ερί ου της αγκόσµιας αραγωγής Φ/Β. Η κυριαρχία αυτή οφείλεται αρχικά στην τεράστια αγκόσµια ε ιστηµονική και τεχνική υ οδοµή για το υλικό αυτό α ό τη δεκαετία του '60. Η γνώση ου ροέκυψε έτσι για το υρίτιο, τα χαρακτηριστικά του και η αφθονία του στη γη, το κατέστησαν ικανό και συµφέρον µέσο για την εκµετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Εντούτοις, λόγω του ότι είναι εύθραυστο, το υρίτιο α αιτεί τον σχηµατισµό στοιχείων σχετικά µεγάλου άχους. Αυτό σηµαίνει ότι µερικά α ό τα ηλεκτρόνια ου α ελευθερώνονται µετά την α ορρόφηση της ηλιακής ενέργειας ρέ ει να ταξιδέψουν µεγάλες α οστάσεις για να ενταχθούν στην ροή του ρεύµατος και να συνεισφέρουν στο ηλεκτρικό κύκλωµα. Συνε ώς, το υλικό θα ρέ ει να έχει υψηλή καθαρότητα και δοµική τελειότητα, ώστε να α οτρέψει την ε ιστροφή των ηλεκτρονίων στις φυσικές τους θέσεις. Οι ατέλειες ρέ ει να α οφευχθούν ώστε η ενέργεια του ηλεκτρονίου να µην µετατρα εί σε θερµότητα. Η αραγωγή θερµότητας, η ο οία είναι ε ιθυµητή στα ηλιακά θερµικά λαίσια, ό ου αυτή η θερµότητα µεταφέρεται σε ένα ρευστό, είναι ανε ιθύµητη στα Φ/Β λαίσια, ό ου η ηλιακή ενέργεια θα ρέ ει να µετατρα εί σε ηλεκτρική. Ένα τυ ικό Φ/Β σύστηµα συνδεδεµένο στο δίκτυο α οτελείται α ό τα εξής ε ιµέρους υ οσυστήµατα : 11

16 Φωτοβολταϊκά λαίσια (γεννήτρια ή άνελ) Κατασκευή στήριξης Συστήµατα µετατρο ής ισχύος Ηλεκτρονικά συστήµατα ελέγχου, ροστασίας &λοι ά στοιχεία Φωτοβολταϊκά λαίσια: Τα Φ/Β λαίσια α οτελούνται α ό (συνήθως 30 έως 36) ερµητικά σφραγισµένα Φ/Β στοιχεία µέσα σε ειδική διαφανή λαστική ύλη, των ο οίων η µ ροστινή όψη ροστατεύεται (συνήθως) α ό ανθεκτικό γυαλί χαµηλής εριεκτικότητας σε οξείδιο του σιδήρου. Η κατασκευή αυτή, ου δεν ξε ερνά σε άχος τα 4 µε 5 χιλιοστά, το οθετείται συνήθως σε λαίσιο αλουµινίου, ό ως τα τζάµια των κτιρίων. Τα στοιχεία εσωτερικά είναι διασυνδεµένα σε σειρά ή αράλληλα ανάλογα µε την εφαρµογή. Κατασκευή στήριξης Τα Φ/Β λαίσια ροκειµένου να το οθετηθούν/ ροσαρµοστούν στο σηµείο εγκατάστασής τους εφοδιάζονται µε ειδικές κατασκευές. Οι κατασκευές αυτές στήριξης ρέ ει να ληρούν συγκεκριµένα κριτήρια, ό ως αντοχή στα φορτία ου ροέρχονται α ό το βάρος των λαισίων και τους το ικούς ανέµους, να µη ροκαλούν σκιασµό στα λαίσια, να ε ιτρέ ουν την ροσέγγιση στα λαίσια, αλλά ταυτόχρονα να διασφαλίζουν την ασφάλειά τους. Σε εφαρµογές ό ου τα Φ/Β λαίσια ενσωµατώνονται σε κτιριακές δοµές, τότε α αιτείται καλή συναρµογή µε τα δοµικά στοιχεία. Συστήµατα µετατρο ής ισχύος Τα Φ/Β λαίσια αράγουν συνεχές ρεύµα ενώ τα φορτία καταναλώνουν συνήθως εναλλασσόµενο ρεύµα. Για την µετατρο ή της ισχύος στα Φ/Β συστήµατα χρησιµο οιούνται συνήθως αντιστροφείς (inverters) συνεχούς σε εναλλασσόµενο (DC/AC). Σκο ός των συστηµάτων µετατρο ής ισχύος είναι η κατάλληλη ρύθµιση των χαρακτηριστικών του αραγόµενου ρεύµατος, ώστε να καταστεί δυνατή η τροφοδοσία των διαφόρων καταναλώσεων. Τα σηµαντικότερα κριτήρια για την ε ιλογή του αντιστροφέα είναι : Η αξιο ιστία 12

17 Η ενεργειακή α όδοση Οι αρµονικές αραµορφώσεις Το κόστος Η συµβατότητα µε τις τεχνικές α αιτήσεις της ΕΗ Ηλεκτρονικά συστήµατα ελέγχου, ροστασίας & λοι ά στοιχεία Το Φ/Β σύστηµα συµ ληρώνουν οι ηλεκτρονικές διατάξεις ελέγχου, η γείωση, οι καλωδιώσεις (συνεχούς και εναλλασσόµενου ρεύµατος) και σχετικό ηλεκτρολογικό υλικό, οι διατάξεις ασφαλείας, ο µετρητής ηλεκτρικής ενέργειας και σύστηµα αρακολούθησης της λειτουργίας του Φ/Β συστήµατος (κατ ε ιλογή, αλλά ροτεινόµενο). Σηµειώνεται ότι η ΕΗ α αιτεί την ύ αρξη ροστασίας α όζευξης του σταθµού µέσω διατάξεων του αντιστροφέα ή µε άλλο τρό ο, ώστε ο σταθµός να α οσυνδέεται τόσο σε ερί τωση έλλειψης τάσης α ό το δίκτυο της ΕΗ, ( ρος α οφυγή του φαινόµενου της νησιοδότησης) όσο και στην ερί τωση ου η τάση και η συχνότητα α οκλίνουν των συνισταµένων ορίων. Ο βαθµός α όδοσης εκφράζει το οσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας ου µετατρέ εται σε ηλεκτρική ενέργεια στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Στην σηµερινή ε οχή ο τυ ικός βαθµός α όδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου βρίσκεται στο 13 15%, ο ο οίος, συγκρινόµενος µε την α όδοση άλλου συστήµατος (συµβατικού, αιολικού, υδροηλεκτρικού κλ.), αραµένει ακόµη αρκετά χαµηλός. Αυτό σηµαίνει ότι το φωτοβολταϊκό σύστηµα καταλαµβάνει µεγάλη ε ιφάνεια ροκειµένου να α οδώσει την ε ιθυµητή ηλεκτρική ισχύ. Ωστόσο, η α όδοση ενός δεδοµένου συστήµατος µ ορεί να βελτιωθεί σηµαντικά µε την το οθέτηση των φωτοβολταϊκών σε ηλιοστάτη. Οι ροϋ οθέσεις αξιο οίησης των Φ/Β συστηµάτων στην Ελλάδα είναι α ό τις καλύτερες στην Ευρώ η, αφού η συνολική ενέργεια ου δέχεται κάθε τετραγωνικό µέτρο ε ιφάνειας στην διάρκεια ενός έτους κυµαίνεται α ό kwh/m 2. 13

18 Σχήµα 1.3:Ηλιακή ενέργεια ανά m 2 ε ιφάνειας. Τα φωτοβολταϊκά συστήµατα έχουν τα εξής λεονεκτήµατα: Τεχνολογία φιλική στο εριβάλλον: δεν ροκαλούνται ρύ οι α ό την αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλιακή ενέργεια είναι ανεξάντλητη ενεργειακή ηγή, διατίθεται αντού και δεν στοιχίζει α ολύτως τί οτα. Με την κατάλληλη γεωγραφική κατανοµή, κοντά στους αντίστοιχους καταναλωτές ενέργειας, τα Φ/Β συστήµατα µ ορούν να εγκατασταθούν χωρίς να α αιτείται ενίσχυση του δικτύου διανοµής. Η λειτουργία του συστήµατος είναι ολοσχερώς αθόρυβη. Έχουν σχεδόν µηδενικές α αιτήσεις συντήρησης. Έχουν µεγάλη διάρκεια ζωής: οι κατασκευαστές εγγυώνται τα «κρύσταλλα» για χρόνια λειτουργίας. Υ άρχει άντα η δυνατότητα µελλοντικής ε έκτασης, ώστε να αντα οκρίνονται στις αυξανόµενες ανάγκες των χρηστών Μ ορούν να εγκατασταθούν άνω σε ήδη υ άρχουσες κατασκευές, ό ως είναι.χ. η στέγη ενός σ ιτιού ή η ρόσοψη ενός κτιρίου, ιαθέτουν ευελιξία στις εφαρµογές: τα Φ/Β συστήµατα λειτουργούν άριστα τόσο ως αυτόνοµα συστήµατα, όσο και ως αυτόνοµα υβριδικά συστήµατα όταν συνδυάζονται µε άλλες ηγές ενέργειας (συµβατικές ή ανανεώσιµες) και συσσωρευτές για την α οθήκευση της αραγόµενης ενέργειας. Ε ι λέον, ένα µεγάλο λεονέκτηµα του Φ/Β συστήµατος είναι ότι µ ορεί να διασυνδεθεί µε το δίκτυο ηλεκτροδότησης (διασυνδεδεµένο σύστηµα), καταργώντας µε τον 14

19 τρό ο αυτό την ανάγκη για εφεδρεία και δίνοντας ε ι λέον τη δυνατότητα στον χρήστη να ωλήσει τυχόν λεονάζουσα ενέργεια στον διαχειριστή του ηλεκτρικού δικτύου, ό ως ήδη γίνεται στο Φράιµ ουργκ της Γερµανίας. Ως µειονέκτηµα θα µ ορούσε να καταλογίσει κανείς στα φωτοβολταϊκά συστήµατα το κόστος τους, το ο οίο, αρά τις τεχνολογικές εξελίξεις αραµένει ακόµη αρκετά υψηλό. Μια γενική ενδεικτική τιµή είναι 6000 ευρώ ανά εγκατεστηµένο κιλοβάτ (kw) ηλεκτρικής ισχύος. Λαµβάνοντας υ όψη ότι µια τυ ική οικιακή κατανάλωση α αιτεί α ό 1,5 έως 3,5 κιλοβάτ, το κόστος της εγκατάστασης δεν είναι αµελητέο. Το οσό αυτό, ωστόσο, µ ορεί να α οσβεστεί σε ερί ου 5-6 χρόνια και το Φ/Β σύστηµα θα συνεχίσει να αράγει δωρεάν ενέργεια για τουλάχιστον άλλα 25χρόνια. Ωστόσο, τα λεονεκτήµατα είναι ολλά, και το ευρύ κοινό έχει αρχίσει να στρέφεται όλο και ιο ολύ στις ανανεώσιµες ηγές ενέργειας και στα φωτοβολταϊκά ειδικότερα, για την κάλυψη ή την συµ λήρωση των ενεργειακών του αναγκών. 1.6 Υδροηλεκτρικά Η Υδροηλεκτρική Ενέργεια είναι µια ρακτικά ανεξάντλητη ηγή ενέργειας η ο οία στηρίζεται στην εκµετάλλευση της µηχανικής ενέργειας του νερού των οταµών και της µετατρο ής της σε ηλεκτρική ενέργεια µε τη βοήθεια στροβίλων και ηλεκτρογεννητριών. Η ενέργεια αυτή διαχέεται στη φύση α ό δίνες και ρεύµατα, καθώς το νερό ρέει κατηφορικά σε ρυάκια, χείµαρρους και οτάµια µέχρι να φτάσει στη θάλασσα. Όσο µεγαλύτερος είναι ο όγκος του νερού ( αροχή) και όσο ψηλότερα βρίσκεται (ύψος υδατό τωσης), τόσο ερισσότερη είναι η ενέργεια ου αρέχει. Ε ι λέον οι υδατο τώσεις είναι δυνατόν να χρησιµο οιούνται και για άλλες ανάγκες: ύδρευση, άρδευση, ανάσχεση χειµάρρων, διαχείριση υδάτων, συντήρηση υδροβιότο ων, αναψυχή, αθλητισµό. Το σύνολο των έργων και εξο λισµού µέσω των ο οίων µετατρέ εται η υδραυλική ενέργεια σε µηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική, ονοµάζεται Υδροηλεκτρικό έργο (ΥΗΕ). Τα Μικρής κλίµακας Υδροηλεκτρικά έργα (ΜΥΗΕ) είναι κυρίως "συνεχούς ροής", δηλαδή δεν εριλαµβάνουν σηµαντική ερισυλλογή νερού και ε οµένως δεν α αιτείται η κατασκευή µεγάλων φραγµάτων και ταµιευτήρων, αν και ό ου αυτά υ άρχουν ήδη και µ ορούν να χρησιµο οιηθούν εύκολα είναι ε ιβοηθητικά. Εξ' ορισµού δηλαδή ένας µικρός υδροηλεκτρικός σταθµός α οτελεί ένα έργο α όλυτα συµβατό µε το εριβάλλον, καθώς το σύνολο των ε ιµέρους 15

20 αρεµβάσεων του έργου µ ορεί να ενταχθεί αισθητικά και λειτουργικά στα χαρακτηριστικά του εριβάλλοντος, αξιο οιώντας τους το ικούς όρους. Σχήµα 1.4:Υδροηλεκτρικό σύστηµα. Τα µικρά υδροηλεκτρικά έργα αρουσιάζουν σηµαντικά λεονεκτήµατα: υνατότητα άµεσης σύνδεσης α όζευξης στο δίκτυο, ή η αυτόνοµη λειτουργία τους. Η αξιο ιστία τους Η αραγωγή ενέργειας αρίστης οιότητας χωρίς διακυµάνσεις Η άριστη διαχρονική συµ εριφορά τους Η µεγάλη διάρκεια ζωής Ο ροβλέψιµος χρόνος α όσβεσης των αναγκαίων ε ενδύσεων ου οφείλεται στο ολύ χαµηλό κόστος συντήρησης και λειτουργίας και στην ανυ αρξία κόστους ρώτης ύλης Η φιλικότητα ρος το εριβάλλον µε τις µηδενικές εκ οµ ές ρύ ων και τις εριορισµένες εριβαλλοντικές ε ι τώσεις Η ταυτόχρονη ικανο οίηση και άλλων αναγκών χρήσης νερού (ύδρευσης, άρδευσης κλ ) Η δυνατότητα αρεµβολής τους σε υ άρχουσες υδραυλικές εγκαταστάσεις, κ.α. 1.7 Κυψέλες καυσίµου Οι κυψέλες καυσίµου µ ορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήµατος το ο οίο χρησιµο οιεί το υδρογόνο ως καύσιµο. Είναι αυτές οι ο οίες αναλαµβάνουν τη µετατρο ή του καυσίµου σε χρήσιµη ηλεκτρική ενέργεια. Η κυψέλη καυσίµου α οτελεί ένα µηχανισµό για την ηλεκτροχηµική µετατρο ή της ενέργειας µετατρέ οντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, αράγοντας ταυτόχρονα µε τη 16

21 διαδικασία αυτή, ηλεκτρισµό και θερµότητα. Ο ηλεκτρισµός αράγεται µε τη µορφή συνεχούς ρεύµατος. Η ρώτη κυψέλη φτιάχτηκε α ό τον Sir William Grove, το Ωστόσο η συστηµατική έρευνα άνω σε αυτές άρχισε µόλις τη δεκαετία του '60, όταν η NASA χρησιµο οίησε κυψέλες καυσίµου στο διαστηµικό σκάφος Gemini και Apollo ως φθηνότερη λύση α ό την ηλιακή ενέργεια. Μία κυψέλη καυσίµου είναι µια ηλεκτρική κυψέλη. Α οτελείται α ό δύο ηλεκτρόδια, την άνοδο, την κάθοδο και τον ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης συνδέεται µε τα ηλεκτρόδια. Η άνοδος τροφοδοτείται µε το καύσιµο (Υδρογόνο) και η κάθοδος µε την οξειδωτική ουσία (Οξυγόνο). Στην άνοδο, τα µόρια του υδρογόνου οξειδώνονται σε θετικά φορτισµένα ιόντα υδρογόνου, α ελευθερώνοντας ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια ηγαίνουν µέσο του εξωτερικού κυκλώµατος στην κάθοδο και αράγεται έτσι ηλεκτρικό ρεύµα. Τα κατιόντα του υδρογόνου διασκορ ώνται µέσω του ηλεκτρολύτη στην κάθοδο. Αντιδρούν µε οξυγόνο και αράγεται νερό. Μία κυψέλη καυσίµου αράγει ερί ου α ό 0.6Volt και ολλές µαζί συνδυάζονται για να δώσουν την ηλεκτρική ισχύ ου χρειάζεται. Οι κυψέλες καυσίµου µ ορούν να ταξινοµηθούν βάση του τύ ου του ηλεκτρολύτη τον ο οίο χρησιµο οιούν. Το ιο γνωστό είδος είναι η κυψέλη καυσίµου µε µεµβράνη ανταλλαγής ρωτονίου ( PEM ). ύο ηλεκτρόδια, τα ο οία διαχωρίζονται α ό µία µεµβράνη, η ο οία έχει το ρόλο του ηλεκτρολύτη. Μεταξύ αυτής της ολυµερισµένης µεµβράνης και των ηλεκτροδίων υ άρχει ένα στρώµα καταλύτη. Συνο τικά, η διαδικασία αραγωγής ηλεκτρισµού εριγράφεται α ό τα αρακάτω ε ιµέρους στάδια. Το υδρογόνο τροφοδοτεί την άνοδο της κυψέλης, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το ο οίο ερχόµενο σε ε αφή µε τον καταλύτη διαχωρίζεται σε θετικά φορτισµένα ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Η άνοδος και ο καταλύτης είναι τέτοιας κατασκευής ώστε η διάχυση των ατόµων του υδρογόνου να γίνεται µε οµογενή τρό ο. Τα ηλεκτρόνια τα ο οία α ελευθερωθήκαν µεταφέρονται µέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώµατος ρος την κάθοδο δηµιουργώντας ηλεκτρισµό αφού η µεµβράνη α οτρέ ει τη διέλευση τους µέσω αυτής. Για αυτό το λόγο άνοδος και καταλύτης διαλέγονται αγώγιµα υλικά. Τα θετικά φορτισµένα ιόντα του υδρογόνου (στην ουσία αναφερόµαστε σε µεµονωµένα ρωτόνια) δια ερνούν τη µεµβράνη και ενώνονται µε το οξυγόνου το ο οίο τροφοδοτεί την κάθοδο, το θετικά φορτισµένο ηλεκτρόδιο, και αράγεται νερό. Ό ως και ριν, την οµογενή διάχυση του οξυγόνου στον καταλύτη εξασφαλίζει η κατασκευή του ηλεκτροδίου. Ο καταλύτης αναλαµβάνει την ε ιτάχυνση της δηµιουργίας του νερού α ό τα συστατικά του. Στο σχηµατισµό του νερού συµµετέχουν εκτός των µορίων του οξυγόνου και των ιόντων του υδρογόνου, τα 17

22 ηλεκτρόνια τα ο οία διοχετεύτηκαν µέσω του εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώµατος στην κάθοδο, στην αρχή της διαδικασίας. Τα δύο στρώµατα (στηριζόµενου) καταλύτη χρησιµεύουν στην αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων διάσ ασης του µορίου του υδρογόνου και της ένωσης υδρογόνου οξυγόνου για τη δηµιουργία νερού, στην άνοδο και στην κάθοδο αντίστοιχα. Συνήθως α οτελείται α ό ένα ολύ λε τό στρώµα λευκόχρυσου (Pt) άνω σε ε ιφάνεια άνθρακα. Το στρώµα αυτό είναι και το µέρος του καταλύτη το ο οίο βρίσκεται σε ε αφή µε τη µεµβράνη. Ο καταλύτης είναι τραχύς και ορώδης ώστε να µεγιστο οιεί την εκτεθειµένη ε ιφάνεια του. Οι χηµικές αντιδράσεις οι ο οίες χαρακτηρίζουν τα αρα άνω βήµατα, συνοψίζονται αρακάτω. Στην άνοδο: 2H 2 4H + +4e(-) Στην κάθοδο: O 2 + 4H + + 4e - 2H 2O Ολική αντίδραση: 2H 2 + O 2 2H 2O Οι αρα άνω αντιδράσεις σε µία α λή κυψέλη καυσίµου αράγει ερί ου στα 0,7 Volts. Προκειµένου να αραχθούν µεγαλύτερες (και ρακτικά αξιο οιήσιµες) τάσεις, χρησιµο οιούνται ερισσότερες κυψέλες σε σειρά (fuel cell stack). Σχήµα 1.5:τρο ος λειτουργιάς κυψέλης καυσίµου 18

23 Οι κυψέλες καυσίµων µ ορούν να χρησιµο οιηθούν µε οικίλα καύσιµα και µάλιστα µε ανανεώσιµες ηγές ενέργειας. Το υδρογόνο -το αφθονότερο στοιχείο στη Γη- µ ορεί να χρησιµο οιηθεί άµεσα. Οι κυψέλες καυσίµων µ ορούν ε ίσης να χρησιµο οιήσουν καύσιµα ου εριέχουν υδρογόνο, συµ εριλαµβανοµένης της µεθανόλης, της αιθανόλης, του φυσικού αερίου, και των ορυκτών καυσίµων ακόµη ό ως η βενζίνη ή το ντίζελ. Τα καύσιµα ου εριέχουν υδρογόνο α αιτούν γενικά έναν "µετασχηµατιστή καυσίµου" ου θα εξάγει α ό το καύσιµο το υδρογόνο. Η ενέργεια θα µ ορούσε ε ίσης να αρασχεθεί α ό τη βιοµάζα, τον αέρα, την ηλιακή ενέργεια ή άλλες ανανεώσιµες ηγές. Οι κυψέλες καυσίµων σήµερα λειτουργούν µε ολλά διαφορετικά καύσιµα, ακόµη και αέριο α ό τις εγκαταστάσεις σκου ιδιών και της ε εξεργασίας α όβλητου ύδατος Εφαρµογές Χρησιµο οίηση της κυψέλης καυσίµου για συµ αραγωγή ενέργειας (Παραγωγή θερµότητας και ενέργειας για ξενοδοχεία, νοσοκοµεία και σ ίτια) Α οκεντρωµένη αραγωγή ισχύος (Έρευνα και ανά τυξη στη βιοµηχανία) Εφαρµογές µικρής ισχύος: Φώτα α οµακρυσµένων εριοχών, ταµ έλες δρόµων, σταθµοί ε ικοινωνιών και µετεωρολογικοί σταθµοί. Μεταφορές ( ιαστηµό λοια, υ οβρύχια, τραίνα, λεωφορεία) Φορητές συσκευές ισχύος: Φορητά τηλέφωνα, Laptop, κάµερες και φορητές συσκευές ήχου Πλεονεκτήµατα: Ελάχιστες εκ οµ ές ρύ ων. Προστασία της ατµόσφαιρας, φιλικός ρος το εριβάλλον ηλεκτρισµός Οι κυψέλες δεν έχουν κινητά µέρα. Ήσυχη λειτουργία και µικρή συντήρηση. Μεγάλη α όδοση στην µετατρο ή ηλεκτρισµού της τάξης του 40-65% Εξοικονόµηση ενέργειας. Προσαρµοζόµενος σχεδιασµός για εφαρµογές α ό watt µέχρι megawatt 19

24 Σαν αέριο ή υγρό, το υδρογόνο µ ορεί εύκολα να µεταφερθεί, να φυλαχθεί και τελικά µ ορεί να χρησιµο οιηθεί σε κάθε εφαρµογή ό ου χρησιµο οιούνται σήµερα τα καύσιµα. 1.8 Μετατρο είς Στα ΜΑΣΗΕ (µικρά α οµονωµένα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας) συνήθως εµ εριέχεται συνδυασµός τεχνολογιών και φορτιών συνεχούς και εναλλασσόµενου ρεύµατος. Σε ένα τέτοιο σύστηµα α αιτείται µετατρο ή α ό συνεχές ρεύµα σε εναλλασσόµενο και αντιστρόφως, η ο οία ε ιτυγχάνεται µε χρήση µετατρο έων. Ανάλογα µε την δοµή του ρος µελέτη συστήµατος, ένας µετατρο έας µ ορεί να είναι αντιστροφέας (ο ο οίος µετατρέ ει το συνεχές ρεύµα σε εναλλασσόµενο), ανορθωτής (ο ο οίος µετατρέ ει το εναλλασσόµενο ρεύµα σε συνεχές), ή συνδυασµός και των δυο. Στην αρούσα εργασία οι µετατρο είς θεωρούνται ότι εριλαµβάνουν αντιστροφείς και ανορθωτές. Η µοντελο οίηση των µετατρο έων γίνεται σύµφωνα µε την ακόλουθη εξίσωση: Ό ου Pconvout είναι η ισχύς εξόδου του µετατρο έα (σε KW), Pconvin είναι η ισχύς εισόδου του µετατρο έα (σε KW), nconv είναι η α όδοση του µετατρο έα, βconv είναι οι µόνιµες α ώλειες του µετατρο έα (σε KW). 1.9 Γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος Μια γεννήτρια είναι µια συσκευή ου καταναλώνει καύσιµο για να αράγει ηλεκτρική ενέργεια, ενώ σε ορισµένες ερι τώσεις συµ αράγει και θερµική ενέργεια. Οι γεννήτριες συνδυάζονται µε µονάδες µη ελεγχόµενου ρυθµού αραγωγής (ΦΒ ή ΑΓ) ό ου ροσφέρουν εφεδρική ενέργεια στις εριόδους ό ου η αραγωγή ενέργειας των τεχνολογιών ΑΠΕ δεν ε αρκεί για την κάλυψη της ζήτησης. Η ιο συνηθισµένη ηγή αραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στις µέρες µας είναι η ντηζελογεννήτρια ου α οτελείται α ό µια ηλεκτρική γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος, ου καθοδηγείται α ό µια αλινδροµική µηχανή εσωτερικής καύσης ου ακολουθεί τον κύκλο του Diesel. Το καύσιµο ου χρησιµο οιείται συνήθως είναι το ετρέλαιο και τα µεγέθη των ντηζελογεννητριών οικίλουν α ό λίγα kw και το 1MW. Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά ου µοντελο οιούνται σε µια γεννήτρια 20

25 είναι η µέγιστη και η ελάχιστη αραγόµενη ισχύς,ο τύ ος καυσίµου ου χρησιµο οιείται και η καµ ύλη κατανάλωσης ου σχετίζει την οσότητα καυσίµου ου καταναλώνεται µε την αραγόµενη ηλεκτρική ισχύ. Για την µοντελο οίηση των ντηζελογεννητριών χρησιµο οιείται συνήθως η θεώρηση ότι η κατανάλωση καυσίµου είναι γραµµική συνάρτηση της αραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος. Ε ι λέον για να α οφευχθεί η ρόωρη φθορά του κινητήρα,η ελάχιστη αραγόµενη ισχύς µιας ντηζελογεννήτριας Pdslmin τίθεται συνήθως ίση µε το 30% της µέγιστης ονοµαστικής (ονοµαστικής) ισχύος Pdslmax. Σχήµα 1.6:Καµ ύλη κατανάλωσης µιας ντηζελογεννήτριας µε καύσιµο ντήζελ. Στην ερί τωση ου το καύσιµο της ντηζελογεννήτριας είναι το βιοντήζελ, το ο οίο αράγεται α ό φυτικά έλαια, η κατανάλωση καυσίµου είναι ελαφρώς µεγαλύτερη Συσσωρευτές Ο συσσωρευτής στην ηλεκτρολογία είναι χηµική ηγή ρεύµατος, ικανή να α οθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια (αφού τη µετατρέψει σε χηµική) και όταν χρειαστεί, να την α οδώσει σε εξωτερικό κύκλωµα. Α οτελείται α ό δοχείο κατασκευασµένο α ό µονωτικό υλικό (εβονίτη, λαστικό, γυαλί) µε ηλεκτρολύτη (οξύ ή αλκάλιο), στο ο οίο βυθίζονται τα ηλεκτρόδια. Η σύνδεσή τους σε εξωτερικό κύκλωµα ροκαλεί σε αυτό διέλευση ρεύµατος (εκφόρτιση του ηλεκτρικού συσσωρευτή). Έτσι, στον 21

26 ηλεκτρικό συσσωρευτή γίνονται χηµικές διεργασίες, ου έχουν σχέση µε τη µετατρο ή της χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ο εκφορτισµένος ηλεκτρικός συσσωρευτής φορτίζεται όταν εράσει α ό αυτόν συνεχές ρεύµα α ό άλλη ηγή, ενώ ταυτόχρονα στον ηλεκτρικό συσσωρευτή γίνονται αντίστροφες χηµικές διεργασίες, µε τις ο οίες η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέ εται σε χηµική. Ο ηλεκτρικός συσσωρευτής χαρακτηρίζεται α ό τα ακόλουθα στοιχεία: χωρητικότητα, δηλ. την οσότητα του ηλεκτρισµού σε αµ ερώρια, ου µ ορεί ο συσσωρευτής να δώσει στο κύκλωµα ου τροφοδοτεί. α ό τη µέση τάση σε Volt κατά το χρόνο της φόρτισης και εκφόρτισης α ό την ειδική ενέργεια κατά βάρος και όγκο, δηλ. την ενέργεια σε βατώρια ου αρέχεται κατά την εκφόρτιση α ό 1 kgr βάρους ή 1 δεκατόµετρο του όγκου του ηλεκτρικού συσσωρευτή, α ό την α όδοση κατά χωρητικότητα, δηλ. το λόγο της οσότητας των αµ ερωρίων ου α οδίδεται κατά την εκφόρτιση ρος την οσότητα των αµ ερωρίων ου α ορροφάται κατά τη φόρτιση, α ό την α όδοση κατά ενέργεια (ή βαθµό α όδοσης), δηλ. το λόγο της ενέργειας ου α οδίδεται κατά την εκφόρτιση ρος την ενέργεια ου α ορροφάται κατά τη φόρτιση. Ευρεία χρήση έχουν (κυρίως σε µόνιµες εγκαταστάσεις) οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές µόλυβδου - οξέος, στους ο οίους σαν ηλεκτρολύτης χρησιµο οιείται διάλυµα θειικού οξέος µε υκνότητα 1,18-1,29 gr/cm 3 και σαν ηλεκτρολύτες διοξειδίου του µόλυβδου ΡbΟ 2 και σ ογγώδης µόλυβδος. Κατά την εκφόρτιση γίνεται η αντίδραση: PbΟ2 + Pb + 2Η2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O, ενώ η τάση και η υκνότητα του ηλεκτρολύτη ελαττώνονται. 22

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ HOGA 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το λογισµικό HOGA είναι ένα ρόγραµµα ροσοµοίωσης και βελτιστο οίησης για τα υβριδικά ανανεώσιµα συστήµατα για την αραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας (συνεχούς ή/και εναλλασσόµενου ρεύµατος) ή/και υδρογόνου. Η βελτιστο οίηση ε ιτυγχάνεται µε την ελαχιστο οίηση των συνολικών δα ανών του συστήµατος στο σύνολο της ωφέλιµης διάρκειας ζωής του έργου. Ωστόσο, το ρόγραµµα ε ιτρέ ει την βελτιστο οίηση ολλα λών στόχων, ό ου ε ι λέον µεταβλητές µ ορούν ε ίσης να ελαχιστο οιηθούν: οι εκ οµ ές CO2 και η αδυναµία κάλυψης φορτίου. Όταν ζητείται βελτιστο οίηση ολλα λών στόχων το HOGA ροσφέρει ερισσότερες α ό µία λύσεις, ορισµένες α ό αυτές αρουσιάζουν καλύτερες ε ιδόσεις όσον αφορά τις εκ οµ ές ή την αδυναµία κάλυψης του φορτίου, ενώ άλλες λύσεις ταιριάζουν καλύτερα για το κόστος. Το υβριδικό σύστηµα µ ορεί να εριλαµβάνει τα ακόλουθα στοιχεία: φωτοβολταϊκά, ανεµογεννήτριες, υδροηλεκτρικά, κυψέλες καυσίµου, δεξαµενές H2, και µονάδα ηλεκτρόλυσης, καθώς και συσσωρευτές, ρυθµιστές φόρτισης της µ αταρίας, µετατρο έας (DC / AC), ανορθωτές (AC / DC µετατρο έα), και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος. Όλα τα στοιχεία µ ορούν να είναι αρόντα ταυτόχρονα, και ο χρήστης µ ορεί να α οφασίσει να εριλαµβάνει µόνο µερικά α ό αυτά, στο λαίσιο του ε ιθυµητού υβριδικού συστήµατος. Ένας βελτιστο οιηµένος σχεδιασµός για τον έλεγχο των υβριδικών συστηµάτων συχνά µ ορεί να µειώσει το κόστος αραγωγής ανά kwh, σε σχέση µε τη δηµιουργία εγκαταστάσεων στις ο οίες χρησιµο οιείται µόνο µία ηγή ενέργειας. Στα υβριδικά συστήµατα αραγωγής ενεργείας ασυνήθιστες αιχµές κατανάλωσης ή χαµηλά ε ί εδα ηλιακής ακτινοβολίας και ταχυτήτων του ανέµου καθιστούν τις αιολικές και φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις ανε αρκείς. Για τον αρα άνω λόγο ρόσθετα βοηθητικά συστήµατα αραγωγής ενέργειας χρησιµο οιούνται για την κάλυψη του α αιτούµενου φορτίου. Τα ηλεκτρο αραγωγά ζεύγη χρησιµο οιούνται συχνά για να εξασφαλίζουν την αδιάλει τη αροχή ενέργειας (γνωστές ως "γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος" στο ρόγραµµα), και συνήθως λειτουργούν µε µονάδα ντίζελ. Αυτά τα συγκροτήµατα αραγωγής είναι η ιο διαδεδοµένη εναλλακτική λύση για τα βοηθητικά συστήµατα, ως µέθοδος για την αροχή ρόσθετου ενεργειακού εφοδιασµού για ορισµένα υψηλής ισχύος ε ί εδα κατανάλωσης. Οι γεννήτριες 23

28 εναλλασσόµενου ρεύµατος, εντούτοις, έχουν ως σηµαντικό µειονέκτηµα την εκ οµ ή τοξικών αερίων συµβάλλοντας στην ε ιδείνωση του φαινόµενου του θερµοκη ίου. Όταν η ζήτηση ενέργειας είναι υψηλότερη α ό την ενέργεια ου αρέχεται α ό τις ανανεώσιµες ηγές, µια εναλλακτική τεχνολογία για την αραγωγή ρόσθετης ενέργειας είναι η κυψέλη καυσίµου. Η κυψέλη καυσίµου χρησιµο οιώντας α οθηκευµένο H2 σε σχέση µε το Ο2 α ό τον αέρα, αράγει ηλεκτρική ενέργεια και νερό, µέσω της αντίστροφης ηλεκτρόλυσης. Καµία ε ιβλαβής εκ οµ ή δεν αράγεται, και το H2 λαµβάνεται χωρίς ο οιεσδή οτε δα άνες µε τα ροφανή εριβαλλοντικά οφέλη. Εντούτοις, αυτή η τεχνολογία είναι αυτήν την ερίοδο µάλλον δα ανηρή, έτσι καµία µεγάλου µεγέθους εγκατάσταση δεν έχει εγκατασταθεί. Οι υ ολογισµοί βελτιστο οίησης είναι ιδιαίτερα σύνθετοι και αυτή η ολυ λοκότητα οφείλεται στον εξαιρετικά µεταβλητό βαθµό διαθεσιµότητας των ανανεώσιµων όρων (ηλιακή ακτινοβολία, αέρας), καθώς ε ίσης και στη µεταβλητότητα της ζήτησης ενέργειας. Εκτός αυτού, υ άρχει ένας µεγάλος αριθµός µεταβλητών ου µ ορεί να έχει µια ε ιρροή στη βελτιστο οίηση συστηµάτων, και µερικά τµήµατα συστηµάτων αρουσιάζουν µη γραµµική συµ εριφορά. Πολλές διαφορετικές λύσεις είναι εφικτές για ο οιοδή οτε δεδοµένο υβριδικό σύστηµα (φωτοβολταϊκά, ανεµογεννήτριες, υδροστρόβιλοι, µ αταρίες, γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος, κυψέλες καυσίµου, µονάδα ηλεκτρόλυσης, αναστροφείς, και µεταβλητές για τη στρατηγική ελέγχου). Οι µέθοδοι βελτιστο οίησης βασισµένες στις κλασσικές µαθηµατικές τεχνικές είναι ε οµένως ιδιαίτερα δύσκολο να ισχύσουν. Το HOGA χρησιµο οιεί τους γενετικούς αλγορίθµους για τη βελτιστο οίηση και για τα τµήµατα συστηµάτων (κύριους γενετικούς αλγόριθµους), και για τη στρατηγική ελέγχου (δευτεροβάθµιος γενετικός αλγόριθµος). Οι γενετικοί αλγόριθµοι µ ορούν να αραγάγουν τις ε αρκείς λύσεις όταν εφαρµόζονται σε ιδιαίτερα σύνθετα ροβλήµατα, µε τους ολύ σύντοµους χρόνους υ ολογισµού. Αυτές οι τεχνικές έχουν εφαρµοστεί σε ολλά ροβλήµατα στη βιοµηχανία, ου συχνά ε ιτυγχάνουν καλύτερες λύσεις, µε µείωση του χρόνου σε αντίθεση µε τις εναλλακτικές µεθόδους βελτιστο οίησης. Το HOGA ροσφέρει την ε ιλογή να εκτελεστεί µια αξιολόγηση όλων των ιθανών συνδυασµών, τόσο για τα κατασκευαστικά στοιχεία όσο και για τον έλεγχο των στρατηγικών µεταβλητών. Οι γενετικοί αλγόριθµοι ε ιτρέ ουν σχεδόν βέλτιστες λύσεις µε σχετικά σύντοµους χρόνους υ ολογισµού. Το HOGA είναι ένα λογισµικό εργαλείο για βέλτιστη διαστασιολόγηση των υβριδικών ενεργειακών εγκαταστάσεων, µε τη δυνατότητα να εντάξουν τις ανανεώσιµες ηγές ενέργειας (ηλιακή, αιολική και υδραυλική ενέργεια) µε βάση τα συστήµατα υ οστήριξης (µ αταρίες και electrolyzer µε δεξαµενή H2, ηλεκτρο αραγωγά ζεύγη και κυψέλες καυσίµου). Το HOGA χρησιµο οιεί γενετικούς αλγόριθµους για τη µελέτη του κόστους και των εκ οµ ών 24

29 ρύ ων ροκειµένου να καθορίσει τη βέλτιστη αναλογία για τον αριθµό και το είδος των τεχνολογιών και τη συνολική στρατηγική ελέγχου για το σύστηµα. Όλα τα στοιχεία θα είναι αρόντα για µια γενική ερί τωση, ωστόσο ο χρήστης έχει την ε ιλογή να α οκλείσει ο οιαδή οτε στοιχεία κατά βούληση Γενετικοί Αλγόριθµοι Οι Γενετικοί αλγόριθµοι ανήκουν στο κλάδο της ε ιστήµης υ ολογιστών και α οτελούν µια µέθοδο αναζήτησης βέλτιστων λύσεων σε συστήµατα ου µ ορούν να εριγραφούν ως µαθηµατικό ρόβληµα. Είναι χρήσιµοι σε ροβλήµατα ου εριέχουν ολλές αραµέτρους/διαστάσεις και δεν υ άρχει αναλυτική µέθοδος ου να µ ορεί να βρει το βέλτιστο συνδυασµό τιµών για τις µεταβλητές ώστε το υ ό εξέταση σύστηµα να αντιδρά όσο το δυνατόν µε το θεµιτό τρό ο. Ο τρό ος λειτουργίας των Γενετικών Αλγορίθµων είναι εµ νευσµένος α ό την βιολογία. Χρησιµο οιεί την ιδέα της εξέλιξης µέσω γενετικής µετάλλαξης, φυσικής ε ιλογής και διασταύρωσης. Οι Γενετικοί Αλγόριθµοι είναι αρκετά α λοί στην υλο οίησή τους. Οι τιµές για τις αραµέτρους του συστήµατος ρέ ει να κωδικο οιούνται µε τρό ο ώστε να ανα αρασταθούν α ό µια µεταβλητή ου εριέχει σειρά χαρακτήρων ή δυαδικών ψηφίων (0/1). Αυτή η µεταβλητή µιµείται το γενετικό κώδικα ου υ άρχει στους ζωντανούς οργανισµούς. Αρχικά, ο Γενετικός Αλγόριθµος αράγει ολλα λά αντίγραφα της µεταβλητής/γεννητικού κώδικα, συνήθως µε τυχαίες τιµές, δηµιουργώντας ένα ληθυσµό λύσεων. Κάθε λύση (τιµές για τις αραµέτρους του συστήµατος) δοκιµάζεται για το όσο κοντά φέρνει την αντίδραση του συστήµατος στην ε ιθυµητή, µέσω µιας συνάρτησης ου δίνει το µέτρο ικανότητας της λύσης και η ο οία ονοµάζεται συνάρτηση ικανότητας (Σ.Ι). Οι λύσεις ου βρίσκονται ιο κοντά στην ε ιθυµητή, σε σχέση µε τις άλλες, σύµφωνα µε το µέτρο ου µας δίνει η Σ.Ι, ανα αράγονται στην ε όµενη γενιά λύσεων και λαµβάνουν µια τυχαία µετάλλαξη. Ε αναλαµβάνοντας αυτή τη διαδικασία για αρκετές γενιές, οι τυχαίες µεταλλάξεις σε συνδυασµό µε την ε ιβίωση και ανα αραγωγή των γονιδίων/λύσεων ου λησιάζουν καλύτερα το ε ιθυµητό α οτέλεσµα θα αράγουν ένα γονίδιο/λύση ου θα εριέχει τις τιµές για τις αραµέτρους ου ικανο οιούν όσο καλύτερα γίνεται την Σ.Ι. Υ άρχουν διάφορες εκδοχές της αρα άνω διαδικασίας για τους Γ.Α α ό τις ο οίες κά οιες εριλαµβάνουν και τη διασταύρωση (ζευγάρωµα) γονιδίων/λύσεων ώστε ο αλγόριθµος να φτάσει στο α οτέλεσµα ιο γρήγορα. Καθώς υ άρχει το στοχαστικό (τυχαίο) συστατικό της µετάλλαξης και ζευγαρώµατος, κάθε εκτέλεση του Γ.Α µ ορεί να συγκλίνει σε διαφορετική λύση και σε διαφορετικό χρόνο. Η α όδοση του Γ.Α εξαρτάται ε ί το λείστον α ό την συνάρτηση ικανότητας και συγκεκριµένα α ό το κατά όσο το µέτρο της εριγράφει την βέλτιστη λύση. Οι γενετικοί αλγόριθµοι είναι ένα ε ερασµένο σύνολο οδηγιών για την εκ λήρωση ενός έργου, το ο οίο δεδοµένης µιας αρχικής κατάστασης θα οδηγήσει σε µια αναγνωρίσιµη τελική κατάσταση, και το ο οίο ροσ αθεί να µιµηθεί την διαδικασία της βιολογικής 25

30 εξέλιξης. Οι γενετικοί αλγόριθµοι ροσ αθούν να βρουν τη λύση ενός ροβλήµατος µε το να ροσοµοιώνουν την εξέλιξη ενός ληθυσµού «λύσεων» του ροβλήµατος. Είναι µια τεχνική ρογραµµατισµού ου εισήγαγε στα τέλη της δεκαετίας του 1960 ο Τζον Χόλαντ, ερευνητής του Ινστιτούτου της Σάντα Φε (ΗΠΑ). Οι γενετικοί αλγόριθµοι είναι µια α ό τις βάσεις των Προγραµµάτων Τεχνητής Ζωής. Συγκεκριµένα, ε ιχειρεί να ανα αραγάγει στους υ ολογιστές τους µηχανισµούς της βιολογικής εξέλιξης µε τον ίδιο τρό ο ου η τεχνητή νοηµοσύνη ε ιχειρεί να ανα αραστήσει και να µιµηθεί τις διαδικασίες της γνώσης. Τα ρογράµµατα εξελίσσονται µέχρι να φτάσουν, µέσω µεταλλάξεων, διασταυρώσεων και φυσικής ε ιλογής, σε µια α οτελεσµατική φόρµουλα η ο οία θα εκτελεί µε τον καλύτερο δυνατό τρό ο µια συγκεκριµένη εργασία Λειτουργία: Ο τρό ος λειτουργίας των Γενετικών Αλγορίθµων είναι εµ νευσµένος α ό την βιολογία. Χρησιµο οιεί την ιδέα της εξέλιξης µέσω γενετικής µετάλλαξης, φυσικής ε ιλογής και διασταύρωσης. Στην ράξη ο αλγόριθµος ξεκινά µ' ένα σύνολο λύσεων - ονοµάζονται γονιδιώµατα, δανειζόµενες το όνοµά τους α ό τη βιολογία- οι ο οίες συνιστούν τον " ληθυσµό". Κατό ιν ζητείται α ό τον υ ολογιστή να δηµιουργήσει µια σειρά τυχαίων ανασυνδυασµών και µεταλλάξεων των "γονιδιωµάτων". Οι ιο ικανές λύσεις για ένα συγκεκριµένο ρόβληµα συνεχίζουν να εξελίσσονται και ανασυνδυάζονται τυχαία, µέχρις ότου "ε ιβιώσουν" οι καλύτερες. Συνήθως, όσο ερισσότερες γενιές ερνούν τόσο καλύτερες λύσεις βρίσκονται, µ ορεί όµως ο αλγόριθµος να βρεθεί σε σηµείο του εδίου των λύσεων α ό ό ου και δεν µ ορεί να ροχωρήσει λόγο του ότι βρίσκεται σε το ικό µέγιστο. Για το λόγο αυτό υ άρχουν διαφορετικές εκδοχές του αλγόριθµου ανάλογα µε τη µορφή του ροβλήµατος. Τρό ος Υλο οίησης του Αλγορίθµου: Οι Γενετικοί Αλγόριθµοι είναι αρκετά α λοί στην υλο οίησή τους. Οι τιµές για τις αραµέτρους του συστήµατος ρέ ει να κωδικο οιούνται µε τρό ο ώστε να ανα αρασταθούν α ό µια µεταβλητή ου εριέχει σειρά χαρακτήρων ή δυαδικών ψηφίων (0/1). Αυτή η µεταβλητή µιµείται το γενετικό κώδικα (γονιδίωµα) ου υ άρχει στους ζωντανούς οργανισµούς. Αρχικά, ο Γενετικός Αλγόριθµος αράγει ολλα λά αντίγραφα της µεταβλητής/γενετικού κώδικα, συνήθως µε τυχαίες τιµές, δηµιουργώντας ένα ληθυσµό λύσεων. Κάθε λύση (τιµές για τις αραµέτρους του συστήµατος) δοκιµάζεται για το όσο κοντά φέρνει την αντίδραση του συστήµατος στην 26

31 ε ιθυµητή, µέσω µιας συνάρτησης ου δίνει το µέτρο ικανότητας της λύσης και η ο οία ονοµάζεται συνάρτηση ικανότητας (Σ.Ι). Οι λύσεις ου βρίσκονται ιο κοντά στην ε ιθυµητή, σε σχέση µε τις άλλες, σύµφωνα µε το µέτρο ου µας δίνει η Σ.Ι, ανα αράγονται στην ε όµενη γενιά λύσεων και λαµβάνουν µια τυχαία µετάλλαξη. Ε αναλαµβάνοντας αυτή τη διαδικασία για αρκετές γενιές, οι τυχαίες µεταλλάξεις σε συνδυασµό µε την ε ιβίωση και ανα αραγωγή των γονιδίωµατων/λύσεων ου λησιάζουν καλύτερα το ε ιθυµητό α οτέλεσµα θα αράγουν ένα γονίδιο/λύση ου θα εριέχει τις τιµές για τις αραµέτρους ου ικανο οιούν όσο καλύτερα γίνεται την Σ.Ι. Εκδοχές Αλγορίθµου: Υ άρχουν διάφορες εκδοχές της αρα άνω διαδικασίας για τους Γ.Α α ό τις ο οίες κά οιες εριλαµβάνουν και τη διασταύρωση (ζευγάρωµα) γονιδίων/λύσεων ώστε ο αλγόριθµος να φτάσει στο α οτέλεσµα ιο γρήγορα. Καθώς υ άρχει το στοχαστικό (τυχαίο) συστατικό της µετάλλαξης και ζευγαρώµατος, κάθε εκτέλεση του Γ.Α µ ορεί να συγκλίνει σε διαφορετική λύση και σε διαφορετικό χρόνο. Η α όδοση του Γ.Α εξαρτάται ε ί το λείστον α ό την συνάρτηση ικανότητας και συγκεκριµένα α ό το κατά όσο το µέτρο της εριγράφει την βέλτιστη λύση. Χαρακτηριστικά: Οι γενετικοί αλγόριθµοι δεν ε ιλύουν το ρόβληµα µε αναλυτικό/ µαθηµατικό τρό ο αλλά µε βιολογικό. Συνε ώς έχουν µεγαλύτερη ενδογενή ευελιξία και ελευθερία να ε ιλέγουν µια ε ιθυµητή βέλτιστη λύση σύµφωνα µε τις ροδιαγραφές του ροβλήµατος. Ουσιαστικά οι γενετικoί αλγόριθµοι είναι αλγόριθµοι αναζήτησης ου ροσ αθούν να αναζητήσουν την λύση του ροβλήµατος ου τους αναθέτουµε. Εφαρµογές: Οι ιθανές εφαρµογές είναι ολλές: η καλύτερη δυνατή οργάνωση του ωραρίου ενός σχολείου, η µελέτη της βέλτιστης κατανοµής ενός δικτύου α ό λατφόρµες ετρελαίου η δηµιουργία υ ολογιστών ου θα βελτιώνουν τον τρό ο λειτουργίας τους "µαθαίνοντας" α ό την εµ ειρία τους. εξερεύνηση των δυναµικών βιολογικών διαδικασιών, και της θεωρίας της εξέλιξης. 27

32 2.2 Στρατηγικές ελέγχου Βελτιστο οίηση των συστατικών και της στρατηγικής Όταν η βελτιστο οίηση εφαρµόζεται και στα συστατικά και στη στρατηγική ελέγχου, η ακόλουθη κύρια οθόνη αρουσιάζεται: Σχήµα 2.1: κύρια οθόνη HOGA 28

33 Στην κύρια οθόνη αρουσιάζονται οι ε ιλογές για τις αρεχόµενες τεχνολογίες κάθε µια α ό τις ο οίες αρέχει ρόσβαση στις ρόσθετες οθόνες ό ου διαφορετικά στοιχεία συστηµάτων µ ορούν να ε ιλεχτούν. Σχήµα 2.2:τεχνολογίες Στο αρα άνω λαίσιο(σχήµα 2.2) ο χρήστης έχει την δυνατότητα να ε ιλέξει τις τεχνολογίες ου θα α αρτίσουν το ρος µελέτη υβριδικό σύστηµα. (φωτοβολταϊκά, ανεµογεννήτριες, υδροστρόβιλοι, µ αταρίες, γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος, αναστροφείς, κυψέλες καυσίµου και µονάδα ηλεκτρόλυσης) Σχήµα 2.3:ελάχιστος και µέγιστος αριθµός για τις τεχνολογίες Στο αρα άνω λαίσιο(σχήµα 2.3) δίνεται η δυνατότητα να ε ιλεγεί ο ελάχιστος και µέγιστος αριθµός ου ε ιτρέ εται για τις µ αταρίες, τα φωτοβολταϊκά και τις ανεµογεννήτριες. 29

34 Σχήµα 2.4:µεταβλητές βελτιστο οίησης Οι µεταβλητές ου βελτιστο οιούνται ε ιλέγονται στην εριοχή ου δείχνεται στο σχήµα 2.4, µε έναν µέγιστο αριθµό 12. Ο ακριβής αριθµός των µεταβλητών θα εξαρτηθεί α ό τα στοιχεία συστηµάτων ου ε ιλέγονται. Είναι δυνατό να ε ιλεχτούν µόνο µερικές α ό όλες τις διαθέσιµες µεταβλητές. Οι µεταβλητές ου δεν ε ιλέγονται εδώ δεν θα βελτιστο οιηθούν. Πατώντας στο κουµ ί Fix variables ανοίγει το αρακάτω αράθυρο(σχήµα 2.5): Σχήµα 2.5:µεταβλητές µη βελτιστο οίησης 30

35 Με αυτό τον τρό ο θα ε ιτρα εί στο χρήστη για να ε ιλέξει τις µεταβλητές ου δεν ελέγχονται στον ροηγούµενο αράθυρο(σχήµα 2.4). Οι αράµετροι της βελτιστο οίησης µ ορούν να ε ιλεχτούν είτε α ό το HOGA ( ροε ιλογή) είτε α ό το ΧΡΗΣΤΗ (USER). Εάν οι αράµετροι ε ιλέγονται α ό το HOGA, ο χρήστης ρέ ει να α οφασίσει το µέγιστο χρόνο να εκτελέσει τη βελτιστο οίηση ( ροε ιλογή 5 ώρες). Πατώντας στο κουµ ί Display Parameters ανοίγει το αρακάτω αράθυρο: Σχήµα 2.6: αράµετροι βελτιστο οίησης 31

36 Σχήµα 2.7:ορισµός µέγιστου µη εξυ ηρετούµενου φορτίου Ο χρήστης ρέ ει να καθορίσει το µέγιστο οσοστό του ετήσιου µη εξυ ηρετούµενου φορτίου ου ε ιτρέ ει. Το µη εξυ ηρετούµενο φορτίο είναι η ενέργεια ου α αιτείται και ου δεν αρέχεται α ό το σύστηµα (ενέργεια ου δεν εξυ ηρετείται α ό το σύστηµα). Σχήµα 2.7:έναρξη ροσοµοίωσης Ο χρήστης ρέ ει να α οφασίσει το χρόνο του έτους ου αρχίζει η ροσοµοίωση. Σχήµα 2.7:οικονοµικά στοιχεία Τα στοιχεία για τους οικονοµικούς υ ολογισµούς ρέ ει να αρασχεθούν ως εξής: ιάρκεια ζωής του συστήµατος, δα άνες εγκατάστασης, ονοµαστικό ε ιτόκιο, (ι), και αναµενόµενο γενικό οσοστό ληθωρισµού. Το ρόγραµµα χρησιµο οιεί αυτούς τους τελευταίους δύο δείκτες για να υ ολογίσει το οσοστό έκ τωσης,αυτή η αξία θα 32

37 χρησιµο οιηθεί έ ειτα για να ενηµερώσει για τις διαφορετικές δα άνες ου ε ηρεάζονται α ό το γενικό οσοστό ληθωρισµού. Ο τύ ος βελτιστο οίησης ου εφαρµόζεται ε ιλέγεται στην οθόνη ου αρουσιάζεται κατωτέρω (σχήµα 2.10): Σχήµα 2.10: αντικειµενική ή ολυαντικειµενική βελτιστο οίηση Ο χρήστης έχει την δυνατότητα να ε ιλέξει µεταξύ δυο τύ ων βελτιστο οίησης : α) βελτιστο οίηση µιας αντικειµενικής συνάρτησης (ΜΟΝΟ OBJECTIVE) ου είναι ροε ιλεγµένος εξ ορισµού,στην ο οία το ρόγραµµα θα λάβει την οικονοµικά ιο α οδοτική λύση (µε το χαµηλότερο καθαρό αρόν κόστος,ή NPC). β) ολυαντικειµενική βελτιστο οίηση(multi-objective) ο ού µ ορεί να αντιτάξει το συνολικό κόστος (NPC) στις εκ οµ ές του CO2, ή το συνολικό κόστος (NPC) στο µη ικανο οιηθέν φορτίο. Στην τελευταία ερί τωση, µια µέγιστη ε ιτρε όµενη αξία ρέ ει να εισαχθεί. Η τάση συνεχούς και εναλλασσόµενου ρεύµατος συστηµάτων µ ορεί να εισαχθεί στο αρακάτω αράθυρο της κύριας οθόνης : Σχήµα 2.11:τάση συνεχούς ή εναλλασσόµενου ρεύµατος 33

38 ιάφορα κουµ ιά είναι διαθέσιµα στο αριστερό µέρος της κύριας οθόνης : LOAD: το φορτίο ου α αιτείται RESOURCES: όροι SOLAR: εδοµένα ηλιακής ενέργειας WIND: εδοµένα αιολικού δυναµικού της ρος µελέτη εριοχής HYDRO: Υδρολογικό δυναµικό της ρος µελέτη εριοχής COMPONENTS: Συστατικά PV PANELS: Φωτοβολταϊκά WIND TURB. : Ανεµογεννήτριες HYDRO TURB. : Υδροηλεκτρικά BATTERIES: Συσσωρευτές INVERTER: Μετατρο είς AC GENERATOR: Γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος H2 (F.C. Elyzer.): εξαµενές H2, και electrolyzers OTHERS (AUX.): Βοηθητικά εξαρτήµατα (ρυθµιστές φόρτισης µ αταρίας, ανορθωτές) 34

39 Με το κουµ ί CALCULATE αρχίζει η βελτιστο οίηση ενώ µε το κουµ ί REPORT, αφού ραγµατο οιηθεί η βελτιστο οίηση, εµφανίζεται η καλύτερη λύση. 2.3 ΦΟΡΤΙΟ Παρακάτω είναι διαθέσιµες οι ε ιλογές για την εισαγωγή στοιχείων για το α αιτούµενο φορτίο(σχήµα 2.12): Σχήµα 2.12:ε ιλογές εισαγωγής α αιτούµενου φορτίου Τρεις ίνακες φορτίων είναι διαθέσιµοι: εναλλασσόµενο φορτίο (AC LOAD), συνεχές φορτίο (DC LOAD) και φορτίο H2 (H2 LOAD).Στον ίνακα αναγράφονται οι ωριαίες τιµές του α αιτούµενου φορτίου ανά µήνα. Σχήµα 2.13:ρυθµιση ηµερήσιου και ωριαίου θορύβου Ένα οσοστό του θορύβου (Noise) ρέ ει να εισαχθεί για την αναµενόµενη κατανάλωση, όταν οι ηγές δεδοµένων είναι είτε µέσες µηνιαίες, είτε βασίζονται στο 35

40 ροφίλ του φορτίου. Το οσοστό αυτό ρέ ει να εισάγεται για την ηµερήσια και ωριαία ερίοδο,για κάθε τύ ο φορτίου. Ε ίσης, ρέ ει να εισαχθούν δυο αράγοντες κλίµακας, ένας για τις εργάσιµες µέρες και ένας για το Σαββατοκύριακο. Ο χρήστης ρέ ει ε ίσης να εισάγει µια αξία για τον αναµενόµενο συντελεστή φορτίου (cosφ) του εναλλασσόµενου ρεύµατος: Στον ίνακα κατανάλωσης νερού (m3/day) α ό την δεξαµενή νερού ( ου αντλήθηκε ροηγουµένως) ο χρήστης ρέ ει να ε ιλέξει τη καθηµερινή κατανάλωση νερού (m3/day) για τον κάθε µήνα, την ωριαία κατανάλωση νερού σε % καθηµερινά,τη µέγιστη χωρητικότητα του νερού των δεξαµενών (m3), τη χωρητικότητα του νερού των δεξαµενών (m3)στην αρχή της ροσοµοίωσης, δεδοµένα άντλησης: ανύψωση + αναρρόφηση (m), τις α ώλειες τριβής (%). Ηλεκτρικά στοιχεία αντλιών: εκτιµώµενη ηλεκτρική ισχύς αντλιών (w), ελάχιστη δύναµη αντλιών (%), συνολική α οδοτικότητα αντλιών (%) και τάση αντλιών (συνεχές ή εναλλασσόµενο ρεύµα). Πατώντας το κουµ ί Generate θα αρουσιάσει τη µέγιστη και µέση τιµή του εναλλασσόµενου και του συνεχούς ρεύµατος. Σχήµα 2.14: ινακας ρυθµίσεων του φορτίου 36

41 Στο ρόγραµµα αρουσιάζονται τρεις ε ιλογές: α) η αγορά του µη ικανο οιηθέντος φορτίου α ό το δίκτυο εναλλασσόµενου ρεύµατος. β) η ώληση της ενέργεια λεονάσµατος στο δίκτυο εναλλασσόµενου ρεύµατος. γ) η ώληση του λεονάσµατος H2 ου α οθηκεύεται στη H2 δεξαµενή, ως α οτέλεσµα της διαφοράς µεταξύ της έναρξης και του τέλους του έτους. Στο σχήµα 2.15 αρουσιάζεται το διάγραµµα κατανάλωσης µε τα φορτία εναλλασσόµενου ρεύµατος ε ιδεικνύονται µε µ λε, τα συνεχή φορτία µε ράσινο, και τα φορτία H2 µε κόκκινο. Σχήµα 2.15:διάγραµµα κατανάλωσης µε τα φορτία εναλλασσόµενου ρεύµατος 37

42 2.4 ΠΗΓΕΣ Ηλιακή ακτινοβολία Τα στοιχεία όσον αφορά την ηλιακή ακτινοβολία µ ορούν να εισαχθούν µε το κουµ ί SOLAR. Σχήµα 2.16:στοιχεία ηλιακής ακτινοβολίας Τα στοιχεία ου ρέ ει να εισαχθούν είναι το γεωγραφικό λάτος (+ για το βόρειο ηµισφαίριο, - για το νότιο ηµισφαίριο), η κλίση των φωτοβολταϊκών, το αζιµούθιο ( ροσανατολισµός όσον αφορά το νότο, συνήθως 0º για το βόρειο ηµισφαίριο, 180º για το νότιο ηµισφαίριο) και τον συντελεστή ανάκλασης. Η εισαγωγή στοιχείων της ηλιακής ακτινοβολίας µ ορεί να εισαχθεί µε µηνιαίος µέσους όρους ή µε τη βοήθεια ενός εξωτερικού αρχείου. Ε ι λέον, χρήστης µ ορεί να εισάγει τα δεδοµένα για τη µέση ηλιακή ακτινοβολία ως εξής: Σχήµα 2.17: ίνακας εισαγωγής δεδοµένων για την µέση ηλιακή ακτινοβολία 38

43 Ό ου: α) Clearness Index (δείκτης αιθριότητας) β) Radiation Horizontal Surface σε kwh/m2 (οριζόντια ακτινοβολία ε ιφάνειας) γ) Peak Sun Hours (ώρες µέγιστης ηλιακής ακτινοβολίας) Ο χρήστης ρέ ει έ ειτα να ε ιλέξει τη µεθοδολογία ου χρησιµο οιείται για τον υ ολογισµό των ωριαίων τιµών ακτινοβολίας σε µια κεκλιµένη ε ιφάνεια. Οι τέσσερις διαθέσιµες µέθοδοι αρουσιάζονται στο σχήµα 2.18: Σχήµα 2.18 Ο χρήστης ρέ ει να ε ιλέξει τη µέθοδο αρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς µε τα ακόλουθα συστήµατα (σχήµα 2.19) Σχήµα 2.19 Ό ου: α) No tracking (σύστηµα µη αρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς) β) Horizontal Axis (σύστηµα οριζοντίου άξονα) γ) Vertical Axis (σύστηµα κατακόρυφου άξονα) δ)two Axis (σύστηµα δυο αξόνων) Ο χρήστης ρέ ει να ε ιλέξει τον αράγοντα κλίµακας των τιµών της ηλιακής ακτινοβολίας ( ροε ιλεγµένη τιµή 0,1)καθώς και την ε ίσηµη αλλαγή ώρας (χειµώνα - καλοκαίρι) (σχήµα2.20): 39

44 Σχήµα 2.20:ρυθµίσης αλλαγής θερινής χειµερινής ώρας ΑΝΕΜΟΣ Το αράθυρο ρύθµισης των αιολικών δεδοµένων είναι το ακόλουθο (σχήµα 2.21): Σχήµα 2.21: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων του ανέµου Οι µηνιαίες τιµές ταχύτητας ανέµου µ ορούν να υ ολογιστούν α ό: α)τις µηνιαίες µέσες τιµές ταχύτητας 40

45 β)τη µηνιαία µέση ταχύτητα κατά την διάρκεια της νύκτας, το εύρος ταχυτήτων, τον αράγοντα F και τη µέγιστη ωριαία ταχύτητα. Σχήµα 2.22: ίνακας δεδοµένων του ανέµου Όταν ε ιλέγεται η δεύτερη µέθοδος για την εισαγωγή στοιχείων οι ληροφορίες ου α αιτούνται α ό τον ίνακα είναι οι εξής: οι µηνιαίες τιµές ταχύτητας κατά την διάρκεια της νύκτας (m/s), το εύρος ταχυτήτων (m/s), ο αράγοντας F, η µέγιστη ωριαία ταχύτητα., η αράµετρος κλίµακας κατανοµής Weibull (Form Factor), και ο αράγοντας αυτοσυσχέτισης (σχήµα 2.22). Μηνιαία µέση ταχύτητα κατά την διάρκεια της νύκτας (m/s): Αυτό δείχνει τη µέση ταχύτητα του αέρα κατά την διάρκεια της νύκτας για ένα ο οιοδή οτε µήνα δεδοµένου ότι οι ταχύτητες του αέρα είναι υψηλότερες κατά τη διάρκεια της ηµέρας για τις ερισσότερες θέσεις στον λανήτη. Εύρος (m/s): Είναι η διαφορά µεταξύ της µέσης ταχύτητας κατά την διάρκεια της νύχτας και της µέγιστης ωριαίας ταχύτητας. Ώρες µέγιστης ταχύτητας: Ο χρόνος της ηµέρας στον ο οίο καταγράφεται η µέγιστη ταχύτητα. 41

46 Παράγοντας F: Ο αράγοντας αυτός είναι αντιστρόφως ανάλογος ρος τον αριθµό ωρών του ήλιου, και ανάλογος ρος τη µέση ταχύτητα. Αυτή η αράµετρος αρέχει µια ένδειξη της εξάρτησης των ταχυτήτων αέρα στο χρόνο της ηµέρας στον ο οίο οι ταχύτητες µετριούνται Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟ ΥΝΑΜΙΚΟ Το αράθυρο ε εξεργασίας δεδοµένων του υδρολογικού δυναµικού δίνεται στο σχήµα 2.23: Σχήµα 2.23: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων υδρολογικού δυναµικού 42

47 Παρακάτω είναι διαθέσιµες οι ε ιλογές για την εισαγωγή στοιχείων Τα ακόλουθα στοιχεία ρέ ει να εισαχθούν: Head H: Yψος υδατό τωσης (m) Losses in power canal and draft tube: Yψος α ωλειών (m) Available head H =H-losses: Γεωδαιτικό ύψος υδατό τωσης (m) Losses in Penstock:Α ώλειες στον αγωγό ροσαγωγής (m) Total Efficiency Turbine Generator: Συνολική α όδοση υδροστρόβιλου Στην συνέχεια µ ορεί να εισαχθεί το ηµερήσιο και ωριαίο οσοστό του θορύβου (Noise). 2.5 ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ Φ/Β ΠΑΝΕΛΑ Οι αράµετροι ου αρουσιάζονται εριλαµβάνουν: το όνοµα, την ονοµαστική τάση (V), το ρεύµα βραχυκύκλωσης(a), την ονοµαστική ισχύ (Wp), τις δα άνες εγκατάστασης ( ), το κόστος λειτουργίας και συντήρησης (Ο&Μ Cost) ανά χρόνο, και τον αναµενόµενο χρόνο ζωής τις ο οίες µ ορεί και να εισάγει ο χρήστης. Το αράθυρο ε εξεργασίας δεδοµένων των Φ/Β δίνεται στο σχήµα 2.24: 43

48 Σχήµα 2.24: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων των φωτοβολταϊκών Ο χρήστης ρέ ει να εισάγει τις σταθερές δα άνες για τη λειτουργία και τη συντήρηση των ε ιτρο ών οι ο οίες είναι ανεξάρτητες α ό τον αριθµό και τον τύ ο των συστοιχιών Φ/Β ου χρησιµο οιούνται. Ε ίσης ρέ ει να εισαχθεί ο συντελεστής α ωλειών, ο ο οίος θεωρείται ότι εχει τη τιµή 1,2. Τα οικονοµικά στοιχεία της Φ/Β εγκατάστασης δίνονται στο σχήµα Σχήµα 2.25:οικονοµικά στοιχεία Φ/Β εγκατάστασης 44

49 Annual Inflation Rate for PV Panels Cost: Πληθωρισµός ειδικά για τα φωτοβολταϊκά. Max Variation of PV Panels Cost: Προσδοκόµενη µείωση ου θα υ άρξει στην τωρινή τιµή των φωτοβολταϊκων λαισίων ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Το αράθυρο ε ιλογών των Α/Γ δίνεται στο σχήµα 2.26: Σχήµα 2.26: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων ανεµογεννητριών Τα στοιχεία είναι διαθέσιµα σε έναν ίνακα για κάθε τύ ο ανεµογεννήτριας. Οι αράµετροι ου αρουσιάζονται εριλαµβάνουν: το όνοµα, τον τύ ο ρεύµατος (συνεχές ή εναλλασσόµενο), τις δα άνες εγκατάστασης ( ), το κόστος αντικατάστασης( ),το κόστος λειτουργίας και συντήρησης για κάθε γεννήτρια ( /year),τον αναµενόµενο χρόνο ζωής ( years ), και το ύψος της λήµνης (m). Στα υ όλοι α στοιχεία ρέ ει να εισαχθούν οι τιµές της αραγόµενης ισχύος σε συνάρτηση µε την ταχύτητα α ό τις ο οίες ροκύ τει η καµ ύλη ισχύος ου α εικονίζεται στο αρα άνω διάγραµµα. Ε ι λέον ρέ ει να ε ιλεγούν η κατηγορία και το ύψος τραχύτητας ε ιφάνειας ό ως και το ύψος ε άνω α ό τη στάθµη θάλασσας ρέ ει να ε ιλεχτούν. 45

50 Σχήµα 2.27:ε ιλογή κατηγορίας τραχύτητας και ύψους το οθεσίας Α/Γ Υ ΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΣ Τα γενικά στοιχεία για κάθε στρόβιλο εριλαµβάνουν: το όνοµα, το τύ ο τάσης (συνεχές ή εναλλασσόµενο ρεύµα),την ονοµαστική ροή σε (l/sec), το κόστος εγκατάστασης ( ), τη διάρκεια ζωής (year) και τις δα άνες λειτουργίας και συντήρησης ( /year) για κάθε στρόβιλο. Στα υ όλοι α στοιχεία ρέ ει να εισαχθούν οι τιµές τις α οδοτικότητας των στροβίλων σε συνάρτηση µε την ονοµαστική ροή α ό τις ο οίες ροκύ τει η καµ ύλη ου α εικονίζεται στο αρα άνω διάγραµµα. Σχήµα 2.28: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων υδροστροβίλου 46

51 Τα στοιχεία ου ρέ ει να εισαχθούν έξω α ό το διάγραµµα είναι η α όδοση του κιβωτίου ταχυτήτων, η α όδοση των ηλεκτρικών γεννητριών, καθώς ε ίσης και το κόστος τους ( /kw)(σχήµα 2.29). Σχήµα 2.29: ίνακας εισαγωγής στοιχείων του υδροστρόβιλου ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ (ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ) Τα γενικά στοιχεία για κάθε µ αταρία εριλαµβάνουν: το όνοµα, την ονοµαστική χωρητικότητα Cn σε (Ah), την ονοµαστική τάση (Vn), το κόστος εγκατάστασης ( ), το κόστος λειτουργίας και συντήρησης (Ο&Μ Cost) ανά χρόνο ( /year) για κάθε µονάδα, την ελάχιστη κατάσταση της φόρτισης ου ε ιτρέ εται για τις µ αταρίες SOCmin(%),το συντελεστή αυτό-εκφόρτισης(% ανά µήνα), τη µέγιστη ένταση ρεύµατος (Imax) για κάθε µ αταρία, τη ολική α οδοτικότητα (%) και τη διάρκεια ζωής (year).μια εκτίµηση ρέ ει να ραγµατο οιηθεί για τις σταθερές δα άνες λειτουργίας και συντήρησης ( /year) για την µ αταρία ου τίθεται ως στόχος να χρησιµο οιηθεί α ό το υβριδικό σύστηµα. Το αράθυρο ρυθµίσεων των συσσωρευτών δίνεται στο σχήµα

52 Σχήµα 2.30: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων συσσωρευτών (µ αταριών) Τα διαθέσιµα µοντέλα συσσωρευτών είναι τα εξής: το ρότυ ο Ah (Schumacher 1993)και το ρότυ ο KiBaM (Manwell-McGowan 1993): Όταν το ρότυ ο KiBaM ε ιλέγεται, ο ίνακας διευρύνει, και το διάγραµµα στενεύει για να ροσαρµόσει µια ρόσθετη γραφική αράσταση. Με την ε ιλογή "Calculate" το HOGA λαµβάνει αραµέτρους ου α αιτούνται για το ρότυ ο, ή "Data", για την άµεση εισαγωγή στοιχείων. Όταν ε ιλεγεί το "calculate" νέες στήλες ε ιδεικνύονται: C100, C20, και C10 οι ο οίες αντιστοιχούν στην χωρητική ικανότητα των µ αταριών για 100, 20 και 10 ώρες σε κατάσταση εκφόρτισης. Όσο ερισσότερο χρειάζεται µια µ αταρία να εκφορτίσει τόσο ερισσότερη ενέργεια αρέχεται, έτσι C100 >C20> C10.Το HOGA υ ολογίζει την ένταση εκφόρτισης (Α) για C100, C20, και C10 η ο οία εµφανίζεται στο διάγραµµα σε συνάρτηση µε την χωρητικότητα των µ αταριών. Οι ρόσθετοι αράµετροι αρουσιάζονται κάτω α ό το διάγραµµα α ό το c, το Κ, και το Qmax. Η τελευταία στήλη δείχνει το µέγιστο ρυθµό φόρτισης της µ αταρίας (σε A/Ah), ή το µέγιστο συντελεστή φόρτισης της µ αταρίας. 48

53 Σχήµα 2.31: ίνακας δεδοµένων των συσσωρευτών (α) Όταν ε ιλεγεί το ρότυ ο "Data", η ρόσθετη γραφική αράσταση δεν ε ιδεικνύεται λέον και τα C100, C20, και C10 αντικαθίστανται α ό τις στήλες k (1/h), c, και Qmax (Ah). Αυτές οι τιµές ρέ ει να αρασχεθούν α ό τον κατασκευαστή µ αταριών. Η αρχική φόρτιση των συσσωρευτών ρέ ει να εισαχθεί ριν την έναρξη της ροσοµοίωσης (initial SOC). 49

54 Σχήµα 2.32: ίνακας δεδοµένων των συσσωρευτών (β) ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ Σχήµα 2.33: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων αντιστροφέα 50

55 Οι αναστροφείς είναι µετατρο είς συνεχούς ρεύµατος σε εναλλασσόµενο. Αντίθετα α ό άλλο βοηθητικό εξο λισµό, οι αναστροφείς είναι ένα ολύ σηµαντικό συστατικό µε µεγάλη ε ιρροή στη λειτουργία και το συνολικό κόστος του συστήµατος. Τα γενικά στοιχεία για κάθε αναστροφέα εριλαµβάνουν: το όνοµα, τη φαινόµενη ισχύ(va), τη διάρκεια ζωής (years), και το κόστος εγκατάστασης ( ). Στα ρόσθετα στοιχεία ρέ ει να εισαχθούν η α οδοτικότητα (%) σε συνάρτηση µε την ισχύ εξόδου του αναστροφέα. Αυτές οι τιµές ε ιδεικνύονται στο διάγραµµα α όδοσης. Η ε ιλογή ροε ιλογής ελέγχεται στο λαίσιο διαλόγου «select inverter», έτσι το HOGA θα ε ιλέξει τον αναστροφέα ου α αιτείται για την αροχή του µέγιστου φορτίου εναλλασσόµενου ρεύµατος. Αυτό α αιτεί τον αναστροφέα µε τη χαµηλότερη φαινόµενη ισχύ, ροκειµένου να αρασχεθεί η µέγιστη ισχύ ου α αιτείται α ό το φορτίο εναλλασσόµενου ρεύµατος. Όταν η ε ιλογή ροε ιλογής δεν ελέγχεται, το HOGA θα δοκιµάσει τους διαφορετικούς συνδυασµούς αναστροφέων ροκειµένου να υ ολογιστεί η καλύτερη λύση για το υβριδικό σύστηµα. Όλοι οι αναστροφείς θα θεωρηθούν έ ειτα ισοδύναµοι µε α οτέλεσµα να έχουµε έναν βαθµό µη ικανο οιηθέντος φορτίου ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΕΝΑΛΛΑΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Τα στοιχεία ου ρέ ει να εισαχθούν για κάθε γεννήτρια είναι τα εξής: το όνοµα, η φαινόµενη ισχύς (kva), οι δα άνες εγκατάστασης ( ), το κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /h), η αναµενόµενη διάρκεια ζωής (h), η ελάχιστη ροτεινόµενη ισχύ, ο τύ ος καυσίµων (οι αρεχόµενες ε ιλογές εριλαµβάνουν: diesel, βενζίνη, αιθανόλη, µεθανόλη, φυσικό αέριο, ρο άνιο, βιοαέριο, ή H2), οι µονάδες καυσίµων (λίτρο, m 3,kg), η τιµή των καυσίµων ( /unit),το ετήσιο οσοστό ληθωρισµού για τις τιµές καυσίµων (%), τις εκ οµ ές του CO2 (kgco2/unit) και τις αραµέτρους κατανάλωσης: Α (unit/kwh), και B (unit/kwh),σύµφωνα µε τον τύ ο: CONSUMPTION (l/h) = Pn (kw) B + P (kw) A Το διάγραµµα στο σχήµα 2.34 αρουσιάζει την κατανάλωση καυσίµων για τη γεννήτρια ου ε ιλέγεται σε συνάρτηση µε την αραγόµενη ισχύ. 51

56 Σχήµα 2.34: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων γεννήτριας εναλλασσόµενου ρεύµατος Κυψέλες καυσίµου Μονάδα ηλεκτρόλυσης: Τα ρόσθετα στοιχεία ου ρέ ει να εισαχθούν για τον ίνακα κυψέλες καυσίµων είναι τα εξής: το όνοµα, το ονοµαστική ισχύς (kw), οι δα άνες εγκατάστασης ( ),το κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /h), η διάρκεια ζωής (h), τις αραµέτρους κατανάλωσης Α (kg/kwh) και Β (kg/kwh), το Pmax_ef (%), το Fef και την ελάχιστη ισχύ λειτουργίας (ως οσοστό της ονοµαστικής ισχύς) Pmin (%). Το διάγραµµα αρουσιάζει την κατανάλωση καυσίµου για τη κυψέλη καυσίµου ου ε ιλέγεται,την α οδοτικότητα και την αραγόµενη ισχύ. Τρεις ετικέτες ε ιδεικνύονται, αρέχοντας την ρόσβαση στα κύτταρα καυσίµων, µονάδες ηλεκτρόλυσης, και τη δεξαµενή H2. ύο ε ιλογές είναι διαθέσιµες: Η κυψέλη καυσίµου να χρησιµο οιεί H2 ου αράγεται στη µονάδα ηλεκτρόλυσης(και α οθηκεύεται στη δεξαµενή H 2) Η κυψέλη καυσίµου να χρησιµο οιεί εξωτερικό H2. 52

57 Σχήµα 2.35: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων Η2 (F.C-µονάδα ηλεκτρόλυσης) ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ: Η αρχική οθόνη ου ε ιδεικνύεται αντιστοιχεί στη κυψέλη καυσίµου. Η ροκαθορισµένη ε ιλογή είναι "H2 ου αράγεται στη µονάδα ηλεκτρόλυσης". Αυτό σηµαίνει ότι µια µονάδα ηλεκτρόλυσης είναι σε λειτουργία για να αραγάγει H 2 και να το α οθηκεύει στη δεξαµενή H2 ου χρησιµο οιείται α ό τη κυψέλη καυσίµου για να αραγάγει την ηλεκτρική ενέργεια όταν χρειάζεται. Σχήµα 2.36:ε ιλογές ροέλευσης καυσίµου 53

58 Εάν η ροέλευση των καυσίµων είναι "εξωτερική", καµία µονάδα ηλεκτρόλυσης δεν α αιτείται. Σε αυτήν την ερί τωση, η χρήση µιας δεξαµενής θα εξαρτηθεί α ό τον ροµηθευτή καυσίµων και το αράθυρο ελέγχου ε ιτρέ εται για να εριλάβει ή να α οκλείσει την χρήση µονάδα ηλεκτρόλυσης καθώς και δεξαµενής H 2. Εάν τα καύσιµα ου χρησιµο οιούνται α ό τη κυψέλη καυσίµου αγοράζονται εξωτερικά, και τα ρόσθετα στοιχεία ρέ ει να εισαχθούν, ό ως αρουσιάζεται αρακάτω: την τιµή καυσίµου ( /kg), το ετήσιο οσοστό ληθωρισµού για τις τιµές καυσίµων (%) και τις εκ οµ ές του CO2 (kg CO2/kg Fuel). Σχήµα 2.37:οικονοµικά δεδοµένα καυσίµου κυψελών καυσίµου ΜΟΝΑ Α ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗΣ: Τα στοιχεία ρέ ει να εισαχθούν είναι τα εξής: το όνοµα, η ονοµαστική ισχύ (kw), οι δα άνες εγκατάστασης ( ),το κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /year), η διάρκεια ζωής (years), τις αραµέτρους κατανάλωσης Α (kw/kg/h) και B (kw/kg/h), και την ελάχιστη ισχύ λειτουργίας (ως οσοστό της ονοµαστικής ισχύς). Το διάγραµµα αρουσιάζει την κατανάλωση ισχύος(kw), την α οδοτικότητα (%) και µάζα ροής του H 2(kg/h). Ε ι λέον, ε ιλέγονται τις κατάλληλες µονάδες για τις αναµενόµενες δα άνες, τη διάρκειας ζωής και το κόστος λειτουργίας και συντήρησης (years και /year, ή hours και /h). 54

59 Σχήµα 2.38: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων µονάδας ηλεκτρόλυσης ΕΞΑΜΕΝΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ Η2: Τα στοιχεία ου ρέ ει να εισαχθούν για τις δεξαµενές Η2 είναι τα εξής: οι δα άνες εγκατάστασης ( /kg H 2 max capacity),το µέγιστο ε ιτρε όµενο µέγεθος (kg),τα kg Η 2 στην έναρξη της ροσοµοίωσης, η διάρκεια ζωής (years) και το κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /year). 55

60 Σχήµα 2.39: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων δεξαµενής α οθήκευσης Η ΥΠΟΛΟΙΠΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ: Οι ρυθµίσεις για τα λοι ά εξαρτήµατα δείχνονται στο σχήµα 2.40 Σχήµα 2.40: ίνακας ε εξεργασίας δεδοµένων υ όλοι ων εξαρτηµάτων 56

61 Ο βοηθητικός εξο λισµός εριλαµβάνει τους ρυθµιστές µ αταριών και τους µετατρο είς εναλλασσόµενου/συνεχούς ρεύµατος (ανορθωτές). Οι ρυθµιστές µ αταριών έχουν µια διάρκεια ζωής ερί ου 10 ετών, ανεξάρτητα α ό το µέγεθός τους. Οι δα άνες εγκατάστασης ( ) ροκύ τουν ως α οτέλεσµα της µέγιστη τάσης, µε µια σταθερή ανεξάρτητη τιµή, και µια ρόσθετη αράµετρο, η ο οία ολλα λασιάζεται µε την αξία της µέγιστης τάσης.. Το κόστος των µετατρο έων εναλλασσόµενου /συνεχούς ρεύµατος µ ορεί να διαµορφωθεί για να εξαρτηθεί γραµµικά α ό την ισχύ (µέσα σε ορισµένα όρια). Η α οδοτικότητά τους είναι συνήθως ολύ υψηλή ( ερί ου 90 %), µε µικρή εξάρτηση α ό την ισχύ. 57

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΙΑΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΙΚΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΚΑΙ ΠΟΛΥΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το λογισµικό HOGA χρησιµο οιήθηκε για την εκτέλεση τριών βελτιστο οιήσεων µιας αντικειµενικής συνάρτησης (ΜΟΝΟ OBJECTIVE) και δυο ολυαντικειµενικών βελτιστο οιήσεων (MULTI-OBJECTIVE). Παρακάτω αναφέρονται λε τοµερώς τα στοιχεία και οι τεχνολογίες ου χρησιµο οιήθηκαν σε κάθε σενάριο Σενάρια Τα σενάρια ου ανα τύσσονται στην αρούσα διατριβή είναι τα ακόλουθα: Σενάριο 1 (βελτιστο οίηση µιας αντικειµενικής συνάρτησης): Οι τεχνολογίες και τα χαρακτηριστικά ου χρησιµο οιήθηκαν είναι τα εξής: Ζήτηση φορτίου : 10 kwh Φωτοβολταϊκά Ανεµογεννήτριες Συσσωρευτές Μετατρο είς (DC/AC) Γεννήτριες εναλλασσοµένου ρεύµατος Σενάριο 2 (βελτιστο οίηση µιας αντικειµενικής συνάρτησης): Οι τεχνολογίες και τα χαρακτηριστικά ου χρησιµο οιήθηκαν είναι τα εξής: Ζήτηση φορτίου : 10 kwh Φωτοβολταϊκά Ανεµογεννήτριες 58

63 Μετατρο είς (DC/AC) Κυψέλες καυσίµου (H2 ) εξαµενές H2 Μονάδες ηλεκτρόλυσης Γεννήτριες εναλλασσοµένου ρεύµατος Σενάριο 3 (βελτιστο οίηση µιας αντικειµενικής συνάρτησης): Οι τεχνολογίες και τα χαρακτηριστικά ου χρησιµο οιήθηκαν είναι τα εξής: Ζήτηση φορτίου : kwh Υδροηλεκτρικά Μετατρο είς (DC/AC) Γεννήτριες εναλλασσοµένου ρεύµατος Σενάριο 4 ( ολυαντικειµενική βελτιστο οίηση): Οι τεχνολογίες και τα χαρακτηριστικά ου χρησιµο οιήθηκαν είναι τα εξής: Ζήτηση φορτίου : 10 kwh Φωτοβολταϊκά Μετατρο είς (DC/AC) Συσσωρευτές Γεννήτριες εναλλασσοµένου ρεύµατος Σενάριο 5 ( ολυαντικειµενική βελτιστο οίηση): Οι τεχνολογίες και τα χαρακτηριστικά ου χρησιµο οιήθηκαν είναι τα εξής: Ζήτηση φορτίου : 10 kwh Φωτοβολταϊκά 59

64 Μετατρο είς (DC/AC) Συσσωρευτές Γεννήτριες εναλλασσοµένου ρεύµατος 3.2: Ανάλυση σεναρίου 1 Για την κάλυψη ζήτησης φορτίου 10 kw χρησιµο οιήθηκε ένα υβριδικό συστήµατα αραγωγής ενεργείας ου εριλαµβάνει τις εξής τεχνολογίες: φωτοβολταϊκά, ανεµογεννήτριες, συσσωρευτές,µετατρο είς (DC/AC) και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος. Τα χαρακτηριστικά των συσσωρευτών δείχνονται στον Πίνακα 3.1. Όνοµα Ονοµαστική χωρητικότητα Cn σε (Ah) Πίνακας 3.1:χαρακτηριστικά συσσωρευτών Ονοµαστική τάση (V) Κόστος εγκατάστασης ( ) Κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /yr) για κάθε συσσωρευτή Bat Bat Ελάχιστη κατάσταση δα άνης SOCmin(%) Όνοµα Συντελεστής αυτόεκφόρτισης (% ανά µήνα) Μέγιστη ένταση (Α) Ολική α οδοτικότητα (%) Bat Bat ιάρκεια ζωής (years) Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές καµ ύλες κύκλων λειτουργίας των συσσωρευτών συναρτήσει του βάθους εκφόρτισης: 60

65 Σχήµα3.1: χαρακτηριστική καµ ύλη Bat5 Σχήµα3.2: χαρακτηριστική καµ ύλη Bat12 Ο αριθµός τεχνολογιών ου α αρτίζουν το υβριδικό σύστηµα είναι: 4 φωτοβολταϊκά το οθετηµένα στη σειρά * 20 φωτοβολταϊκά το οθετηµένα αράλληλα ονοµαστική ισχύς 125 Wp ου α οδίδει συνολική ισχύς 10 KWp. 4 συσσωρευτές το οθετηµένοι στη σειρά *16 συσσωρευτές το οθετηµένοι αράλληλα ονοµαστικής χωρητικότητας 144 Ah ου α οδίδει συνολικής ενεργείας 110,5 KWh. 3 ανεµογεννήτριες συνεχούς ρεύµατος ου α οδίδει 6500W στα 14m/sec, συνολικής ισχύος 19,l5 KW. γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος ονοµαστικής ισχύος 7kVA µετατρο έας 5500 VA ρυθµιστής φόρτισης της µ αταρίας,ένταση ρεύµατος 377,4A 61

66 Το διάγραµµα αραγόµενης ισχύος α ό το υβριδικό σύστηµα δίνεται στο σχήµα POWER(kW) PV WIND AC GENERATOR INVERTER Σχήµα3.3: διάγραµµα αραγόµενης ισχύος Στρατηγικές ελέγχου του υβριδικού συστήµατος: Το ελάχιστο σηµείο κατάστασης φόρτισης των µ αταριών SOCmin είναι 40%.Αν κατά την αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας α ό ανανεώσιµες ηγές υ άρχει ερίσσεια ενέργεια, η ενέργεια αυτή θα χρησιµο οιηθεί για την φόρτιση των συσσωρευτών. Αντιθέτως, αν η αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας α ό ανανεώσιµες ηγές δεν ε αρκεί για την κάλυψη του ζητούµενου φορτίου, είτε οι συσσωρευτές εκφορτίζονται αρέχοντας ενέργεια για την κάλυψη του φορτίου (µε την υ οστήριξη των γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος αν η ζήτηση είναι µεγαλύτερη α ό την ενέργεια ου µ ορούν να ροσφέρουν),είτε αράγεται α ό τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος αν το ζητούµενο φορτίο είναι µεγαλύτερο α ό την ελάχιστη ισχύ ου µ ορεί να αραχθεί α ό την γεννήτρια Pmin(µε την υ οστήριξη των συσσωρευτών αν η ζήτηση είναι µεγαλύτερη α ό την ενέργεια ου µ ορούν να ροσφέρουν). 62

67 Κόστος εγκατάστασης του υβριδικού συστήµατος: Κόστος λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος καθ όλη τη διάρκεια ζωής του (25χρόνια) δίνεται στον Πίνακα 3.2: Πίνακας 3.2:κοστος εγκατάστασης υβριδικού συστήµατος Συνολικές δα άνες λειτουργίας και συντήρησης συστήµατος α άνες λειτουργίας και συντήρησης φωτοβολταϊκών α άνες λειτουργίας και συντήρησης συσσωρευτών α άνες λειτουργίας και συντήρησης ανεµογεννητριών α άνες λειτουργίας και συντήρησης για τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος α άνες λειτουργίας και συντήρησης βοηθητικών 3597 συστηµάτων α άνες λειτουργίας και συντήρησης µετατρο έα Κόστος καυσίµου για τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος Το διάγραµµα κόστους λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος δίνεται στο Σχήµα 3.4: PV AC GENERATOR AC GENERATOR FUEL OTHERS 10.44% 9.38% 10.22% 69.97% Σχήµα3.4: διάγραµµα κόστους λειτουργιάς και συντήρησης 63

68 Η κατανοµή ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο δίνεται στον Πίνακα 3.3: Πίνακας 3.3:κατανοµής ενέργειας του συστήµατος ανά χρόνο Συνολική αραγόµενη ενέργεια Μη εξυ ηρετούµενο φορτίο Περίσσεια ενέργειας Παραγόµενη ενέργεια φωτοβολταϊκών Παραγόµενη ενέργεια ανεµογεννητριών Παραγόµενη ενέργεια γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος Ώρες λειτουργίας γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος Ενέργεια φόρτισης συσσωρευτών Ενέργεια εκφόρτισης συσσωρευτών ιάρκεια ζωής συσσωρευτών Εκ οµ ή διοξειδίου του άνθρακα kwh/yr 402.6kWh/yr 2860 kwh/yr kwh/yr kwh/yr kwh/yr 6025 h/yr 6178 kwh/yr 7534 kwh/yr 12 yrs kg CO2 /yr ιάγραµµα κατανοµής ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο δίνεται στο Σχήµα 3.5: ENERGY(kWh) TOTAL LOAD UNMET LOAD EXCESS LOAD PV WIND AC GENERATOR CHARGE BATTERIES DISCHARGE BATTERIES Σχήµα3.5: διάγραµµα κατανοµής ενέργειας του συστήµατος ανά χρόνο 64

69 Σχόλια-συµ εράσµατα: Στο διάγραµµα 3.3 αρατηρείται ότι µεγάλο µέρος της αραγόµενης ενέργειας ροέρχεται α ό τις ανεµογεννήτριες, ενώ ε ίσης χρησιµο οιούνται µετατρο είς (DC/AC) και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος ου α οδίδουν την µέγιστη δυνατή ισχύ. Στο διάγραµµα κόστους λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος ου δίνεται στο σχήµα 3.4 φαίνεται ότι το µεγαλύτερο κόστος αρουσιάζεται στο καύσιµο ου χρησιµο οιείται α ό τη γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος. Στο διάγραµµα κατανοµής ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο ου δίνεται στο σχήµα 3.5 αρατηρείται µικρό οσό µη εξυ ηρετούµενο φορτίου λόγω της καλύτερης διαχείρισης του συστήµατος µε την χρήση των συσσωρευτών. 3.3: Ανάλυση σεναρίου 2 Για την κάλυψη ζήτησης φορτίου 10 kw χρησιµο οιήθηκε ένα υβριδικό συστήµατα αραγωγής ενεργείας ου εριλαµβάνει τις εξής τεχνολογίες: φωτοβολταϊκά, ανεµογεννήτριες,µετατρο είς (DC / AC ), κυψέλες καυσίµου (H2), δεξαµενές H2, µονάδες ηλεκτρόλυσης και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος. Τα χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών δείχνονται στον Πίνακα 3.4. Πίνακας 3.4:χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκών Όνοµα Ονοµαστική τάση (V) Ένταση ρεύµατος(α) Ονοµαστική ισχύς (Wp) Κόστος εγκατάστασης( ) Κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /yr) ιάρκεια ζωής (years) Panel 4 Panel Τα χαρακτηριστικά των ανεµογεννητριών δείχνονται στον Πίνακα

70 Πίνακας 3.5:χαρακτηριστικά ανεµογεννητριών Όνοµα Τύ ος Κόστος εγκατάστασης( ) Κόστος αντικατάστασης( ) Κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /yr) ιάρκεια ζωής (years) Ύψος (m) INCLIN1500 DC INCLIN6000 DC Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές καµ ύλες χαρακτηριστικές καµ ύλες της αραγόµενης ισχύς των ανεµογεννητριών συναρτήσει της ταχύτητας του άνεµου: Σχήµα3.6: Καµ ύλη Ισχύος INCLIN

71 Σχήµα3.7: Καµ ύλη Ισχύος INCLIN6000 Τα χαρακτηριστικά των µετατρο έων δείχνονται στον Πίνακα 3.6. Πίνακας 3.6:χαρακτηριστικά µετατρο έων Όνοµα Φαινόµενη δύναµη (VA) ιάρκεια ζωής (years) Κόστος εγκατάστασης ( ) Ιnv Ιvn Ιvn Ιvn Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές καµ ύλες χαρακτηριστικές καµ ύλες της α οδοτικότητας των µετατρο έων συναρτήσει της αραγόµενης ισχύος: 67

72 Σχήµα3.8: Χαρακτηριστική καµ ύλη Ιnv1 Σχήµα3.9: Χαρακτηριστική καµ ύλη Ιnv2 68

73 Σχήµα3.10: Χαρακτηριστική καµ ύλη Ιnv3 Σχήµα3.11: Χαρακτηριστική καµ ύλη Ιnv4 Τα χαρακτηριστικά των γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος δείχνονται στον Πίνακα

74 Πίνακας 3.7:χαρακτηριστικά γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος Όνοµα Φαινόµενη δύναµη Pn (kva) Κόστος εγκατάστασης ( ) Kόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /h) ιάρκεια ζωής (hours) Eλάχιστη ροτεινόµενη ισχύ (% Pn) Τύ ος καυσίµου Gen Diesel Gen Diesel Diesel Gen Diesel Gen Diesel Όνοµα Μονάδα όγκου των καυσίµων ( Lt ) Τιµή καυσίµου ανά µονάδα όγκου ( /Lt) Ποσοστό ληθωρισµ ού για τις τιµές καυσίµων Εκ οµ ές CO2 (Kg CO2/Lt) Παράµετρος κατανάλωσης : Α (Lt/kWh) Παράµετρος κατανάλωσης: B (Lt/kWh) (%) Gen1 liter Gen2 liter liter Gen3 liter Gen4 liter Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές καµ ύλες χαρακτηριστικές καµ ύλες της αραγόµενης ισχύος των γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος συναρτήσει της κατανάλωσης καυσίµου: 70

75 Σχήµα3.12: Χαρακτηριστική καµ ύλη Gen1 Σχήµα3.13: Χαρακτηριστική καµ ύλη Gen2 Σχήµα3.14: Χαρακτηριστική καµ ύλη 4 71

76 Σχήµα3.15: Χαρακτηριστική καµ ύλη Gen3 Σχήµα3.16: Χαρακτηριστική καµ ύλη Gen4 Τα χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίµου δείχνονται στον Πίνακα

77 Πίνακας 3.8:χαρακτηριστικά κυψελών καυσίµου Όνοµα Ονοµαστική ισχύς (kw) Κόστος εγκατάστασης ( ) Κόστος λειτουργίας συντήρησης ( /h) και ιάρκεια ζωής (hours) FC FC Όνοµα Παράµετρος κατανάλωσης Α (kg/kwh) Παράµετρος κατανάλωσης Β(kg/kWh) Μέγιστη ισχύς λειτουργίας Pmax_ef (%) Παράµετρος Fef Ελάχιστη ισχύς λειτουργίας Pmin (%) FC FC Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές καµ ύλες της αραγόµενης ισχύος των κυψελών καυσίµου συναρτήσει της κατανάλωσης καυσίµου και της α οδοτικότητας των κυψελών καυσίµου. Σχήµα3.17: Χαρακτηριστική καµ ύλη FC1 73

78 Σχήµα3.18: Χαρακτηριστική καµ ύλη FC2 Τα χαρακτηριστικά µονάδων ηλεκτρόλυσης δείχνονται στον Πίνακα 3.9. Πίνακας 3.9:χαρακτηριστικά µονάδων ηλεκτρόλυσης Όνοµα Ονοµαστική ισχύ (kw) Κόστος εγκατάστασης ( ) Κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /yr) ιάρκεια ζωής (years) Elec Elec Elec Όνοµα Παράµετρος κατανάλωσης Α Παράµετρος κατανάλωσης Β Ελάχιστη ισχύς λειτουργίας Pmin (%) (kw/kg/h) (kw/kg/h) Elec Elec Elec Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές καµ ύλες της αραγόµενης µάζας Η 2 συναρτήσει της κατανάλωσης ισχύος και της α οδοτικότητας των µονάδων ηλεκτρόλυσης. 74

79 Σχήµα3.19: Χαρακτηριστική καµ ύλη Elec1 Σχήµα3.20: Χαρακτηριστική καµ ύλη Elec2 Σχήµα3.21: Χαρακτηριστική καµ ύλη El Τα χαρακτηριστικά των δεξαµενών H2 δείχνονται στον Πίνακα Πίνακας 3.10:χαρακτηριστικά δεξαµενών H Κόστος εγκατάστασης ( /kg H2 max capacity) Μέγιστος ε ιτρε όµενος όγκος (kg) Όγκος στην έναρξη της ροσοµοίωσης(kg H2 ) ιάρκεια ζωής (years) Κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /yr)

80 Ο αριθµός τεχνολογιών ου α αρτίζουν το υβριδικό σύστηµα είναι: 4 φωτοβολταϊκά το οθετηµένα στη σειρά * 9 φωτοβολταϊκά το οθετηµένα αράλληλα ονοµαστική ισχύς 125 Wp ου α οδίδει συνολική ισχύς 4,5KWp. 5 ανεµογεννήτριες συνεχούς ρεύµατος ου α οδίδει 6500W στα 14m/sec, συνολικής ισχύος 32,5 KW. Γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος ονοµαστικής ισχύος 7 kva Κυψέλες καυσίµου ονοµαστική ισχύος 2 kw Μονάδες ηλεκτρόλυσης ονοµαστική ισχύος 3 kw εξαµενές H2 χωρητικότητας 1, kg Μετατρο έας 5500 VA To διάγραµµα αραγόµενης ισχύος α ό το υβριδικό σύστηµα δίνεται στο Σχήµα 3.22: POWER(kW) PV WIND AC GENERATOR FUEL CELLS ELECTROLYZER INVERTER Σχήµα3.22: ιάγραµµα αραγόµενης ισχύος α ό το υβριδικό σύστηµα Στρατηγικές ελέγχου του υβριδικού συστήµατος: Αν κατά την αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας α ό ανανεώσιµες ηγές υ άρχει ερίσσεια ενέργεια, οι µονάδες ηλεκτρόλυσης τίθενται σε λειτουργία και αράγουν H2. Αντιθέτως, αν η αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας α ό ανανεώσιµες ηγές δεν ε αρκεί για την κάλυψη του ζητούµενου φορτίου η ενέργεια αράγεται α ό τις κυψέλες καυσίµου. Κόστος εγκατάστασης του υβριδικού συστήµατος:

81 Το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος καθ όλη τη διάρκεια ζωής του(25 χρόνια) δείχνονται στον Πίνακα 3.11.: Πίνακας 3.11:κοστος εγκατάστασης υβριδικού συστήµατος Συνολικές δα άνες λειτουργίας και συντήρησης συστήµατος α άνες λειτουργίας και συντήρησης φωτοβολταϊκών α άνες λειτουργίας και συντήρησης ανεµογεννητριών α άνες λειτουργίας και συντήρησης για τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος α άνες λειτουργίας και συντήρησης βοηθητικών συστηµάτων α άνες λειτουργίας και συντήρησης µετατρο έα Κόστος καυσίµου για τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος Το διάγραµµα κόστους λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος δίνεται στο Σχήµα 3.23: 77

82 AC GENERATOR FUEL OTHERS WIND AC GENERATOR 6.68% 10.74% 11.86% 70.72% Σχήµα3.23: διάγραµµα κόστους λειτουργιάς και συντήρησης Η κατανοµή ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο δείχνονται στον Πίνακα 3.12.: Πίνακας 3.12:κατανοµής ενέργειας του συστήµατος ανά χρόνο Συνολική αραγόµενη ενέργεια kwh/yr Μη εξυ ηρετούµενο φορτίο Περίσσεια ενέργειας Παραγόµενη ενέργεια φωτοβολταϊκών 196,6 kwh/yr kwh/yr 6333 kwh/yr Παραγόµενη ανεµογεννητριών ενέργεια kwh/yr Παραγόµενη ενέργεια γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος Ώρες λειτουργίας γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος ιάρκεια ζωής συσσωρευτών Εκ οµ ή διοξειδίου του άνθρακα kwh/yr 8223 h/yr 12 yrs kg CO2 /yr 78

83 Το διάγραµµα κατανοµής ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο δίνεται στο Σχήµα 3.24: ENERGY (kwh) TOTAL LOAD UNMET LOAD EXCESS LOAD PV 4926 WIND AC GENERATOR FUEL CELLS ELECTROLYZER Σχήµα3.24: διάγραµµα κατανοµής ενέργειας του συστήµατος ανά χρόνο Σχόλια-συµ εράσµατα: Στο διάγραµµα 3.22 αρατηρείται ότι µεγάλο µέρος της αραγόµενης ενέργειας ροέρχεται α ό τις ανεµογεννήτριες, ε ίσης χρησιµο οιούνται µετατρο είς (DC/AC) και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος ου α οδίδουν την µέγιστη δυνατή ισχύ σε αντίθεση µε τα φωτοβολταϊκά, τις κυψέλες καυσίµου (H2) και τις µονάδες ηλεκτρόλυσης ου συµµετάσχουν λιγότερο. Στο διάγραµµα κόστους λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος ου δίνεται στο σχήµα 3.23 φαίνεται ότι το µεγαλύτερο κόστος αρουσιάζεται στο καύσιµο ου χρησιµο οιείται α ό τη γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος. Στο διάγραµµα κατανοµής ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο ου δίνεται στο σχήµα 3.24 αρατηρείται µεγάλο οσό ερισσευούµενου φορτίου λόγω του µεγάλου αριθµού των ανεµογεννητριών και της α ουσίας συσσωρευτών για τη καλύτερη διαχείριση της ενέργειας του συστήµατος. 3.4: Ανάλυση σεναρίου 3 Για την κάλυψη ζήτησης φορτίου kw χρησιµο οιήθηκε ένα υβριδικό σύστηµα αραγωγής ενέργειας ου εριλαµβάνει τις εξής τεχνολογίες: υδροηλεκτρικά, µετατρο είς (DC / AC ) και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος. Το ύψος της υδατό τωσης είναι 15 m και το γεωδαιτικό ύψος της υδατό τωσης είναι 13m. Τα χαρακτηριστικά υδροστρόβιλων δείχνονται στον Πίνακα 3.13.: 79

84 Πίνακας 3.13:χαρακτηριστικά υδροστρόβιλων Όνοµα Τύ ος Ονοµαστική ροή (l/sec) Κόστος εγκατάστασης( ) ιάρκεια ζωής (years) Κόστος λειτουργίας και συντήρησης ( /yr) Tur1 DC Tur2 DC Tur3 DC Tur4 DC Tur5 DC Tur6 DC Παρακάτω δίνονται οι χαρακτηριστικές καµ ύλες της ονοµαστικής ροής του νερού συναρτήσει της α οδοτικότητας των υδροστρόβιλων: Σχήµα3.25: Χαρακτηριστική καµ ύλη Tur1 80

85 Σχήµα3.26: Χαρακτηριστική καµ ύλη Tur2 Σχήµα3.27: Χαρακτηριστική καµ ύλη Tur3 81

86 Σχήµα3.28: Χαρακτηριστική καµ ύλη Tur4 Σχήµα3.29: Χαρακτηριστική καµ ύλη Tur5 82

87 Σχήµα3.30: Χαρακτηριστική καµ ύλη Tur6 Ο αριθµός τεχνολογιών ου α αρτίζουν το υβριδικό σύστηµα είναι: γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος ονοµαστικής ισχύος 1,9 kva µετατρο έας 2200 VA υδροστρόβιλος συνεχούς ρεύµατος, ονοµαστικής ροής 4 l/sec, ονοµαστικής ισχύος 0,464 Kw Το διάγραµµα αραγόµενης ισχύος α ό το υβριδικό σύστηµα δίνεται στο Σχήµα 3.31: Σχήµα3.31: ιάγραµµα αραγόµενης ισχύος α ό το υβριδικό σύστηµα 83

88 Στρατηγικές ελέγχου του υβριδικού συστήµατος: Αν κατά την αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας α ό ανανεώσιµες ηγές υ άρχει ερίσσεια ενέργεια, εφόσον δε υ άρχουν ούτε συσσωρευτές ούτε µονάδες ηλεκτρόλυσης η ερίσσεια ενέργεια είτε θα χαθεί είτε θα ωληθεί στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αντιθέτως, αν η αραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας α ό ανανεώσιµες ηγές δεν ε αρκεί για την κάλυψη του ζητούµενου φορτίου η ενέργεια αράγεται α ό τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος.αν οι γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος δεν ε αρκούν για την κάλυψη της ζήτησης θα υ άρξει µη εξυ ηρετούµενο φορτίο. Κόστος εγκατάστασης του υβριδικού συστήµατος: 5369 Το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος καθ όλη τη διάρκεια ζωής του(25 χρόνια) δείχνονται στον Πίνακα 3.14.: Πίνακας 3.14:κοστος εγκατάστασης υβριδικού συστήµατος Συνολικές δα άνες λειτουργίας και συντήρησης συστήµατος α άνες λειτουργίας και συντήρησης υδροστρόβιλων α άνες λειτουργίας και συντήρησης για τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος α άνες λειτουργίας και συντήρησης βοηθητικών συστηµάτων α άνες λειτουργίας και συντήρησης µετατρο έα Κόστος καυσίµου για τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος Το διάγραµµα κόστους λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος δίνεται στο Σχήµα 3.32: 84

89 Σχήµα3.32: διάγραµµα κόστους λειτουργιάς και συντήρησης. Η κατανοµή ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο δείχνονται στον Πίνακα 3.15.: Πίνακας 3.15:κατανοµής ενέργειας του συστήµατος ανά χρόνο Συνολική αραγόµενη ενέργεια 1324 kwh/yr Περίσσεια ενέργειας Παραγόµενη υδροστροβίλων ενέργεια 1214 kwh/yr 3016 kwh/yr Παραγόµενη ενέργεια γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος Ώρες λειτουργίας γεννητριών εναλλασσόµενου ρεύµατος ιάρκεια ζωής συσσωρευτών Εκ οµ ή διοξειδίου του άνθρακα 404 kwh/yr 710 h/yr 12 yrs 521 kg CO2 /yr Το διάγραµµα κατανοµής ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο δίνεται στο Σχήµα 3.33: 85

90 Σχήµα3.33: διάγραµµα κατανοµής ενέργειας του συστήµατος ανά χρόνο Σχόλια-συµ εράσµατα: Στο διάγραµµα κόστους λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος ου δίνεται στο σχήµα 3.32 φαίνεται ότι το µεγαλύτερο κόστος αρουσιάζεται στο καύσιµο ου χρησιµο οιείται α ό τη γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος. Στο διάγραµµα κατανοµής ενέργειας α ό το σύστηµα ανά χρόνο ου δίνεται στο σχήµα 3.33 αρατηρείται µεγάλο οσό α ωλειών ενέργεια λόγω του µετατρο έα ου τίθεται σε λειτουργία σε εριοχές µε χαµηλή α όδοση. 3.5: Ανάλυση σεναρίου 4 Για την κάλυψη ζήτησης φορτίου 10 kw χρησιµο οιήθηκε ένα υβριδικό συστήµατα αραγωγής ενεργείας ου εριλαµβάνει τις εξής τεχνολογίες: φωτοβολταϊκά, µετατρο είς (DC / AC ),συσσωρευτές και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος. Στόχος της ολλα λής βελτιστο οίησης είναι ο υ ολογισµός των βέλτιστων λύσεων µε κύριο γνώµονα το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του συστήµατος και τις εκ οµ ές διοξειδίου του άνθρακα (CO2) ου αράγονται. Η ε ίλυση ενός ροβλήµατος αντικρουόµενων στόχων ανήκει στη κατηγορία της ολυαντικειµενικής βελτιστο οίησης. Η διαδικασία της βελτιστο οίησης σχετίζεται µε την εύρεση εφικτών λύσεων και τη σύγκρισή τους σύµφωνα µε µία ή ερισσότερες αντικειµενικές συναρτήσεις. Στην ερί τωση ου το ρόβληµα βελτιστο οίησης εριλαµβάνει µία αντικειµενική συνάρτηση, η διαδικασία στοχεύει στην εύρεση της βέλτιστης εφικτής λύσης σύµφωνα µε το δεδοµένο κριτήριο. Η λειονότητα όµως των 86

91 ροβληµάτων βελτιστο οίησης ου α αντώνται σε ραγµατικές συνθήκες εριλαµβάνει την ύ αρξη ολλα λών αντικειµενικών συναρτήσεων. Συνήθως, οι συναρτήσεις αυτές ροσ αθούν να ικανο οιήσουν αντικρουόµενους στόχους, οι ο οίοι δεν µ ορούν να εκφραστούν εύκολα σε ένα οσοτικό µέγεθος, έτσι ώστε να είναι δυνατή η α ευθείας σύγκρισή τους. Για το λόγο αυτό χρειάζεται να αναζητηθεί µια συµβιβαστική λύση η ο οία να βρίσκεται σε συµφωνία µε τις ροτεραιότητες του α οφασίζοντα. Η διαδικασία εύρεσης µιας τέτοιας λύσης καλείται ολυαντικειµενική βελτιστο οίηση. Ο ίνακας α οτελεσµάτων του καθαρού αρόντος κόστους,των εκ οµ ών CO 2, του κόστους καυσίµου και της ισχύς ου α οδίδει το κάθε στοιχείο του υβριδικού συστήµατος δείχνονται στον Πίνακα 3.16.: Πίνακας 3.16:α οτελεσµατα καθαρού αρόντος κόστους,εκ οµ ές CO 2, κόστος καυσίµου και ισχύς ου α οδίδει το κάθε στοιχείο του υβριδικού συστήµατος. Σενάρια Καθαρό αρόν κόστος ( /yr) Εκ οµ ές διοξειδίου του άνθρακα (kg CO2 /yr) Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Κόστος καυσίµου για τις γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος ( ): Σενάρια Συνολική ισχύς ου α οδίδουν τα φωτοβολταϊκά (kwp) Συνολική ισχύς ου α οδίδουν οι συσσωρευτές (kwh) Συνολική ισχύς ου α οδίδει η γεννήτρια εναλλασσόµενου ρεύµατος (kva) Συνολική ισχύς ου α οδίδει o µετατρο έας (VA) Ρυθµιστής φόρτισης των συσσωρευτών, έντασης (Α) Σενάριο 1 19,5 27, ,7 Σενάριο 2 19,5 34, ,7 Σενάριο 3 19,5 34, ,7 Σενάριο 4 19,5 48, ,7 Σενάριο 5 19,5 310, ,7 Σενάριο 6 19,5 399, ,7 87

92 Το διάγραµµα των µη κυριαρχουσών λύσεων δίνεται στο Σχήµα 3.34: Σχήµα3.34:γραφηµα καθαρού αρόντος κόστους συναρτήσει των εκ οµ ών διοξειδίου του άνθρακα. Σχόλια-συµ εράσµατα: Στο ίνακα α οτελεσµάτων 3.16 αρατηρείται ότι ισχύς ου α οδίδει το κάθε στοιχείο του υβριδικού συστήµατος αραµένει ίδια σε όλα τα σενάρια λην των συσσωρευτών. Ε ίσης στα σενάρια µε τους ερισσότερους συσσωρευτές το καθαρό αρόν κόστος αυξάνεται ενώ η εκ οµ ή διοξειδίου του άνθρακα µειώνεται. 3.6: Ανάλυση σεναρίου 5 Για την κάλυψη ζήτησης φορτίου 10 kw χρησιµο οιήθηκε ένα υβριδικό σύστηµα αραγωγής ενέργειας ου εριλαµβάνει τις εξής τεχνολογίες: φωτοβολταϊκά, µετατρο είς (DC / AC ),συσσωρευτές και γεννήτριες εναλλασσόµενου ρεύµατος. Στόχος της ολυαντικειµενικής βελτιστο οίησης είναι ο υ ολογισµός των βέλτιστων λύσεων µε κύριο γνώµονα το κόστος του συστήµατος και το οσοστό µη εξυ ηρετούµενου φορτίου ου καθορίσαµε στην αρχή της βελτιστο οίησης της τάξης του 10%. 88

93 Το διάγραµµα των µη κυριαρχουσών λύσεων δίνεται στο Σχήµα 3.35: Σχήµα3.35:γραφηµα καθαρού αρόντος κόστους συναρτήσει του µη εξυ ηρετούµενου φορτίου. Πίνακας 3.17: α οτελέσµατα συνολικής ισχύος ου α οδίδουν τα στοιχεία του υβριδικού συστήµατος, καθαρού αρόντος κόστους και µη εξυ ηρετούµενου φορτίου. (Α/Α) Συνολική ισχύς Συνολική Συνολική ισχύς Συνολική ισχύς Συνολική Λύση ου α οδίδουν ισχύς ου ου α οδίδουν οι ου α οδίδει η ισχύς ου τα α οδίδουν οι ανεµογεννήτριες γεννήτρια α οδίδει o φωτοβολταϊκά (kwp) συσσωρευτές (kwh) (kw) εναλλασσόµενου ρεύµατος (kva) µετατρο έας (VA)