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

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΜΠΙΘΑ ΤΟΥ ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 7162 Θέμα ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΜΕ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Επιβλέπων ΑΝΤΩΝΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:

2 Πάτρα, Φεβρουάριος 2018 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΜΕ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΜΠΙΘΑ ΤΟΥ ΣΤΥΛΙΑΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 7162 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ 2

3 Ο Επιβλέπων Η Διευθύντρια του Τομέα Αντώνης Αλεξανδρίδης Καθηγητής Ελευθερία Πυργιώτη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΤΕΧΝΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΜΕ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ» Φοιτητής: ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΠΙΘΑΣ Επιβλέπων: ΑΝΤΩΝΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ 3

4 Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά τον καθηγητή μου και επιβλέπον της διπλωματικής εργασίας κ. Αντώνη Αλεξανδρίδη για την εκπόνηση αυτής διπλωματικής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου Στέλιο και Ευγενία για την στήριξη τους κατά την διάρκεια όλων αυτών των χρόνων. Αφιερωμένη στην Ελένη. 4

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η δυνατότητα χρήσης αυτόνομων υβριδικών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). Ειδικότερα, μελετάται η χρήση φωτοβολταϊκών, ανεμογεννήτριας, ηλεκτροπαράγωγου ζεύγους, για την εύρεση του βέλτιστου συνδυασμού τους, με κριτήρια το κόστος, την παραγωγή και τα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά. Η τεχνοοικονομική ανάλυση των υβριδικών συστημάτων έγινε με τη χρήση του λογισμικού Homer, το οποίο προσομοιώνει όλες τις παραμέτρους και τα επιμέρους αποτελούμενα συστήματα για όλα τα χρόνια της λειτουργίας του. 5

6 ABSTRACT This diploma thesis examines the possibility of using autonomous hybrid systems for the production of electricity from renewable energy sources (RES). In particular, the use of a photovoltaic, wind turbine, electric-coupled pair is being studied to find their optimal combination of cost, production and environmental characteristics. The techno-economic analysis of the hybrid systems was made using the Homer software, which simulates all parameters and individual systems for all years of operation. 6

7 Πίνακας Περιεχομένων Κεφάλαιο 1: Η Ενέργεια ως κοινωνικό αγαθό 1.1 Ανάγκη για ενέργεια Ενεργειακή παλέτα της Ε.Ε Οι ΑΠΕ στην Ελλάδα Υβριδικά συστήματα ενέργειας Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα...18 Κεφάλαιο 2: Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 2.1 Γενικά για ΑΠΕ Ηλιακή ενέργεια Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Η επαφή P-N Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα φ/β στοιχείου Η καμπύλη V-I ενός φ/β στοιχείου Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα φ/β συστημάτων Αιολική ενέργεια Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών Ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών Υδατόπτωση Βιομάζα Γεωθερμική Ενέργεια..40 Κεφάλαιο 3: Ηλεκτρονικά Ισχύος και Συσσωρευτές 3.1 Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος Μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε συνεχή (DC-DC) Ο μετατροπέας Inverter (DC-AC) Μετατροπέας εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές (AC- DC) Συσσωρευτές.44 7

8 3.2.1 Μπαταρίες μολύβδου οξέος Μπαταρίες νικελίου καδμίου Μπαταρίες τεχνολογίας λιθίου...49 Κεφάλαιο 4: Ανάλυση του προγράμματος προσομοίωσης 4.1 Το πρόγραμμα Homer Προσομοίωση (Simulation) Βελτιστοποίηση (optimization) Ανάλυση Ευαισθησίας (sensitivity analysis) Κεφάλαιο 5: Περιοχή και στοιχεία συστήματος προσομοίωσης 5.1 Τοποθεσία Φορτίο Ηλιακά και αιολικά δεδομένα Τεχνικά και οικονομικά χαρακτηριστικά συστημάτων Κεφάλαιο 6: Τεχνοοικονομική προσομοίωση υβριδικών συστημάτων 6.1 PV Wind Diesel υβριδικό σύστημα Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Ενεργειακά χαρακτηριστικά Οικονομική ανάλυση Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά PV Wind υβριδικό σύστημα Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Ενεργειακά χαρακτηριστικά Οικονομική ανάλυση Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά PV Diesel υβριδικό σύστημα Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Ενεργειακά χαρακτηριστικά Οικονομική ανάλυση

9 6.3.4 Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά 106 Κεφάλαιο 7: Συμπεράσματα Εκτιμήσεις 7.1 Συμπεράσματα Εκτιμήσεις

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΩΣ ΚΟΙΝΩΝΙΚΟ ΑΓΑΘΟ 1.1 Ανάγκη για ενέργεια Η ενέργεια αποτελεί καθοριστική παράμετρο της τεχνολογικής προόδου μιας κοινωνίας και κατ επέκταση του πολιτισμικού επιπέδου της. Είναι ο πρωταρχικός μοχλός ανάπτυξης της οικονομίας και παράγοντας που μπορεί να βελτιώσει σημαντικά το επίπεδο διαβίωσης των μελών της. Ο άνθρωπος, από αρχαιοτάτων χρόνων, αξιοποίησε την ενέργεια για την διασφάλιση τροφής, θέρμανσης και ευνοϊκότερων συνθηκών διαβίωσης. Η πρόοδος του ανθρώπου σχετίζεται άμεσα με την παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας όπως διαφαίνεται έντονα στην περίοδο της Βιομηχανικής Επανάστασης. Μάλιστα η γεωγραφική κατανομή της ενέργειας δημιούργησε πολιτικές, οικονομικές και κοινωνικές διαφοροποιήσεις ανά τον κόσμο. Ο δυτικός κόσμος κυριαρχώντας στις πηγές ενέργειας από τον Μεσαίωνα έως τον 21 αιώνα παρουσίασε αλματώδη ανάπτυξη σε σχέση με τον ανατολικό κόσμο και τις σημερινές τριτοκοσμικές χώρες. Ενδεικτικά στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζεται σε βάθος ενός αιώνα η αύξηση της παγκόσμιας ενεργειακής κατανάλωσης. 10

11 Σχήμα Η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση [17] Όπως είναι αναμενόμενο, οι ανάγκες σε κάθε τομέα της ανθρώπινης καθημερινότητας πλήθυναν με άμεση συνέπεια την εξάντληση της πάλαι ποτέ ενεργειακής επάρκειας. Έτσι, παράλληλα με την ποσοτική αξιολόγηση της καταναλισκόμενης ενέργειας, γεννήθηκε η ανάγκη μιας ποιοτικής αξιολόγησής της. Με άλλα λόγια, δημιουργήθηκαν κριτήρια για την παραγωγή ενέργειας με βάση την διαθεσιμότητά της σε βάθος χρόνου, την επίπτωσή της στην χλωρίδα και την πανίδα του πλανήτη, το κόστος της κ.α. Πετρέλαιο 33% Άνθρακας 25% Πυρηνικά 7% Φυσικό Αέριο 21% Α.Π.Ε 14% Σχήμα Ποσοστό συμμετοχής μορφών ενέργειας στην παγκόσμια παραγωγή [14] 11

12 Ως εκ τούτου, διαπιστώθηκε η ανάγκη για απεξάρτηση από την αλόγιστη χρήση ορυκτών καυσίμων όπως πετρέλαιο, φυσικό αέριο, κάρβουνο. Τα ορυκτά καύσιμα χρειάζονται εκατομμύρια χρόνια να σχηματιστούν με αποτέλεσμα να εξαντλούνται πολύ γρηγορότερα από ότι δημιουργούνται και επιπλέον η καύση τους παράγει τα ρυπογόνα αέρια του θερμοκηπίου. Ενδεικτικά, στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζεται αυτή η αύξηση στην συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα, του υπεροξειδίου του αζώτου και του μεθανίου στην ατμόσφαιρα. Σχήμα Συγκέντρωση αερίων του θερμοκηπίου [14] Το συμπέρασμα που προκύπτει από τα εν λόγω σχήματα είναι ότι παρουσιάζεται η ανάγκη για θέσπιση ανάλογης νομοθεσίας, η οποία θέτει περιορισμούς στην παραγωγή ρύπων και χαράσσει πολιτική ενεργειακής αυτάρκειας από τα εισαγόμενα καύσιμα, ιδίως από χώρες που είναι ασταθείς πολιτικά και κοινωνικά. [10] [17] 12

13 1.2 Η ενεργειακή παλέτα της Ε.Ε. Σήμερα, η Ευρωπαϊκή Ένωση βασίζεται σε σημαντικό βαθμό στα εισαγόμενα καύσιμα, γεγονός που δημιουργεί ισχυρότατο αντίκτυπο στην οικονομική ευημερία και τη σταθερότητά της. Συγκεκριμένα, εισάγει πετρέλαιο από τις χώρες του ΟΠΕΚ (Οργανισμός Πετρελαιοεξαγωγικών Κρατών) και τη Ρωσία, αλλά και φυσικό αέριο από την Ρωσία, την Αλγερία και την Νορβηγία. Αυτό μεταφράζεται σε απώλεια οικονομικού πλούτου για την Ευρώπη άνω των 350 δις. ευρώ ετησίως. Ως προς την διεθνή σκηνή, η Ευρώπη κατέχει μερίδιο της τάξεως του 15% της παγκόσμιας ενεργειακής κατανάλωσης, ενώ εισάγει το 19% της παγκόσμιας παραγωγής πετρελαίου και το 16% του φυσικού αερίου. Ο μέσος ευρωπαίος πολίτης καταναλώνει το πενταπλάσιο σε ορυκτή ενέργεια σε σχέση με το μέσο πολίτη της Μέσης Ανατολής και της Αφρικής, ενώ ο μέσος πολίτης των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής καταναλώνει σχεδόν το δεκαπλάσιο. Είναι, λοιπόν, επιτακτική η ανάγκη της Ευρωπαϊκής Ένωσης για διαφοροποίηση των ενεργειακών της πηγών και δημιουργία νέων διαύλων ενεργειακού ανεφοδιασμού. Ακολουθεί διαγραμματική ποσοστιαία απεικόνιση των εισαγόμενων καυσίμων. Σχήμα Το μερίδιο των εισαγωγών ορυκτών καυσίμων στην Ε.Ε [18] 13

14 Πάνω σε αυτή την κατεύθυνση, η Ευρωπαϊκή Ένωση σχεδίασε την Πράσινη (96/576) και την Λευκή Βίβλο, κατά το Διεθνές Δίκαιο, που εισάγει μια νέα ενεργειακή στρατηγική. Δομικό στοιχείο αυτής της στρατηγικής είναι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) που είναι εναλλακτικές μορφές παραγωγής ενέργειας αξιοποιώντας φυσικές διεργασίες. Οι βασικότερες μορφές ΑΠΕ είναι η ηλιακή ενέργεια που δεσμεύεται μέσω των φωτοβολταϊκών κυττάρων, η αιολική ενέργεια που αξιοποιείται μέσω ανεμογεννητριών, η γεωθερμική ενέργεια μέσω ειδικών σωληνώσεων κάτω από την επιφάνεια της γης, η υδροηλεκτρική ενέργεια μέσω κατάλληλων φραγμάτων, η καύση της βιομάζας, η παλιρροϊκή ενέργεια και η αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας των θαλάσσιων κυμάτων. Επιπροσθέτως, με την Συνθήκη της Λισαβόνας που υπεγράφη στις 13 Δεκεμβρίου του 2007, η Ευρωπαϊκή Ένωση θέτει την ενέργεια στο επίκεντρο της ευρωπαϊκής δραστηριότητας και δημιουργεί μια νέα νομική βάση αναπτυξιακής πολιτικής. Οι βασικοί άξονες της πράσινης ανάπτυξης είναι η αξιοποίηση ενεργειακών τεχνολογιών με αυξημένη ενεργειακή απόδοση και μειωμένη εκπομπή ρύπων, επιδοτήσεις για επενδυτική ανάπτυξη και δημιουργία συστήματος εμπορίας δικαιωμάτων εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα. Παράλληλα, τον Δεκέμβριο του 2008, το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο συμφώνησε στο φιλόδοξο σχέδιο « » για την ενέργεια και την κλιματική αλλαγή. Οι στόχοι του είναι: Η μείωση των ευρωπαϊκών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου κατά 20% κάτω από τα επίπεδα του Η παραγωγή ενέργειας στην ΕΕ να προέρχεται σε ποσοστό 20% από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας με σκοπό την αύξηση του μεριδίου τους στην αγορά της ενέργειας. Η μείωση κατά 20% στη χρήση πρωτογενούς ενέργειας, σε σύγκριση με τα προβλεπόμενα επίπεδα, μέσω της βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης. [18] 14

15 1.3 Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην Ελλάδα Στην Ελλάδα, η ιστορία της ανάπτυξης των ΑΠΕ ξεκινά το 1985 με την πρώτη προσπάθεια νομοθετικής ρύθμισης θεμάτων ηλεκτροπαραγωγής από εναλλακτικές μορφές ενέργειας. Ουσιαστικό βήμα για την ένταξη των ΑΠΕ στο ελληνικό ενεργειακό σύστημα πραγματοποιήθηκε το 1994 με την ψήφιση του νόμου 2244/94, που περιείχε εξαιρετικά ευνοϊκούς όρους για τους επενδυτές. Έκτοτε, το ενδιαφέρον του ιδιωτικού τομέα για επενδύσεις στις ΑΠΕ έχει υπάρξει έντονο, με το σύνολο των αιτήσεων να φτάνει το 2004 τα MW. Παρόλα αυτά, η υλοποίηση των αντιστοίχων έργων καθυστερεί σημαντικά λόγω της δαιδαλώδους αδειοδοτικής διαδικασίας, της ανάγκης εκσυγχρονισμού και επέκτασης του δικτύου, καθώς και των έντονων αντιδράσεων των κατοίκων σε ορισμένες περιοχές. Η Οδηγία της ΕΕ «Για την προαγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές στην εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας» προβλέπει για την Ελλάδα ενδεικτικό στόχο κάλυψης από Α.Π.Ε., περιλαμβανομένων των μεγάλων υδροηλεκτρικών έργων, σε ποσοστό της ακαθάριστης κατανάλωσης ενέργειας (νοείται ως η μέση εθνική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβανομένης αυτοπαραγωγής συν εισαγωγές μείον εξαγωγές) κατά το έτος 2020 ίσο με 20,1%. Ο στόχος αυτός είναι συμβατός με τις διεθνείς απαιτήσεις της χώρας που απορρέουν από το Πρωτόκολλο του Κιότο που υπογράφηκε τον Δεκέμβριο του 1997 στη σύμβαση - πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για την αλλαγή του κλίματος. Το Πρωτόκολλο του Κιότο προβλέπει για την Ελλάδα συγκράτηση του ρυθμού αύξησης κατά το έτος 2010 του CO2 και άλλων αερίων που επιτείνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου κατά 25% σε σχέση με το έτος-βάση Με δεδομένο ότι κατά το έτος 2020 η ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας θα έχει φθάσει τις 72 TWh υφίσταται ανάγκη συμμετοχής των εν λόγω μη συμβατικών ενεργειακών πηγών σε επίπεδο τάξης 14 TWh. Ενδεικτικά, φαίνονται στο σχήμα εγκαταστάσεις που εκμεταλλεύονται την αιολική ενέργεια. Στο πίνακα δίνονται κάποιες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, ενώ στον πίνακα 1.3.6, εγκαταστάσεις που εκμεταλλεύονται βιοαέριο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας [16] [15] 15

16 Πίνακας Εγκαταστάσεις που εκμεταλλεύονται την αιολική ενέργεια [15] Πίνακας Φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις [15] 16

17 Πίνακας Εγκαταστάσεις που εκμεταλλεύονται βιοαέριο [15] 1.4 Υβριδικά Συστήματα Ενέργειας Ο όρος «Υβριδικά Συστήματα Ενέργειας», ή πιο απλά «Υβριδικά Συστήματα», αναφέρεται σε συστήματα όπου χρησιμοποιούνται πολλαπλές διατάξεις ενεργειακής μετατροπής, ή περισσότερα του ενός καύσιμα για την ίδια διάταξη, με σκοπό την παραγωγή ενέργειας. Ένα υβριδικό σύστημα μπορεί να περιλαμβάνει μία συμβατική μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με μία τουλάχιστον μορφή ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, διατάξεις αποθήκευσης, συστήματα εποπτείας και ελέγχου, καθώς και σύστημα διαχείρισης φορτίου. Με αυτήν την έννοια, τα υβριδικά συστήματα αποτελούν μία εναλλακτική επιλογή αντί των συμβατικών συστημάτων, τα οποία τυπικά βασίζονται στην παραγωγή ενέργειας από ορυκτά καύσιμα. Σύμφωνα με το νόμο 3468/2006, ως υβριδικό σύστημα ή αλλιώς υβριδικός σταθμός ορίζεται κάθε σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που: Χρησιμοποιεί μία, τουλάχιστον, μορφή ΑΠΕ. Η συνολική ενέργεια που απορροφά από το δίκτυο, σε ετήσια βάση, δεν υπερβαίνει το 30% της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται για την πλήρωση του συστήματος αποθήκευσης του σταθμού αυτού. Ως ενέργεια που απορροφά ο υβριδικός σταθμός από το δίκτυο ορίζεται η διαφορά μεταξύ της ενέργειας που μετράται κατά την είσοδό της στο σταθμό και της ενέργειας που αποδίδεται απευθείας στο δίκτυο από τις μονάδες ΑΠΕ του υβριδικού σταθμού. Η διαφορά αυτή υπολογίζεται, για τα μη διασυνδεδεμένα νησιά, σε ωριαία βάση. Αν για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας εφαρμόζεται τεχνολογία διαφορετική από αυτή των φωτοβολταϊκών, μπορεί να χρησιμοποιείται και συμβατική ενέργεια που δεν απορροφάται στο δίκτυο, εφόσον η χρήση 17

18 της ενέργειας αυτής κρίνεται αναγκαία για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Η χρησιμοποιούμενη συμβατική ενέργεια δεν μπορεί να υπερβαίνει το 10% της συνολικής ενέργειας που παράγεται, σε ετήσια βάση, από τις μονάδες αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας. Η μέγιστη ισχύς παραγωγής των μονάδων ΑΠΕ του σταθμού δεν μπορεί να υπερβαίνει την εγκατεστημένη ισχύ των μονάδων αποθήκευσης του σταθμού αυτού, προσαυξημένη κατά ποσοστό μέχρι 20%. [10] [20] 1.5 Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Τα αυτόνομα υβριδικά συστήματα (ΑΥΣ) χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση απομονωμένων ή νησιωτικών περιοχών που δεν είναι συνδεδεμένες με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο, οπότε δεν υπάρχει σύστημα μεταφοράς παρά μόνο σύστημα διανομής. Η μετατροπή ενός συμβατικού αυτόνομου σταθμού σε υβριδικό αποσκοπεί κατά κύριο λόγο στην ελάττωση της κατανάλωσης καυσίμου και των ωρών λειτουργίας των συμβατικών γεννητριών. Η σημαντικότερη διαφορά του αυτόνομου σε σχέση με ένα διασυνδεδεμένο υβριδικό σύστημα είναι ότι πρέπει να μπορεί να παρέχει όλη την ενέργεια που ζητείται οποιαδήποτε χρονική στιγμή ή να κάνει αποκοπή φορτίου όταν αυτό δεν είναι εφικτό. Επιπλέον, πρέπει να έχει την ικανότητα ρύθμισης συχνότητας και παραγωγής άεργου ισχύος, ώστε να ρυθμίζει την τάση του δικτύου. Όταν η ηλεκτρική παραγωγή από τις μονάδες ΑΠΕ του συστήματος ξεπερνά το φορτίο, η περίσσεια ενέργειας πρέπει να αποθηκευτεί ή και να απορριφθεί με κάποιον τρόπο, ώστε να μην προκαλέσει αστάθεια στο σύστημα. Τα αυτόνομα δίκτυα δεν έχουν άπειρο ζυγό, οπότε επηρεάζονται έντονα από την σύνδεση επιπρόσθετου φορτίου ή γεννήτριας. Για τους παραπάνω λόγους, τα περισσότερα αυτόνομα συστήματα περιλαμβάνουν διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας και συστήματα ελέγχου και διαχείρισης φορτίου. [10] [2] 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 Εισαγωγή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή ήπιες μορφές ενέργειας ή πράσινη ενέργεια είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Ως ενέργεια από ανανεώσιμες μη ορυκτές πηγές θεωρείται η αιολική, η ηλιακή, η γεωθερμική, ενέργεια των ωκεανών, η υδροηλεκτρική και η ενέργεια από βιομάζα και από βιοαέριο. Πλεονεκτήματα Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. Είναι ευέλικτες εφαρμογές, που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής ενέργειας (καταρχήν για την ύπαιθρο) αλλά και για μεταφορά της ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει πολύ μεγάλο χρόνο ζωής. Επιδοτούνται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. Μειονεκτήματα Έχουν ένα αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς, απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια της γης. Γι' αυτό τον λόγο μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται ως συμπληρωματικές πηγές ενέργειας. 19

20 Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους, αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής, στην οποία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές μηχανές υπάρχει η άποψη ότι δεν είναι κομψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη όμως της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης (π.χ. σε πλατφόρμες στην ανοιχτή θάλασσα) αυτά τα προβλήματα έχουν σχεδόν λυθεί. Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση μεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω από το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. [13] [10] 2.2 Ηλιακή ενέργεια Η ηλιακή ενέργεια, αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την ύπαρξη της ζωής στη Γη. Μέσω της ηλιακής ενέργειας καθορίζεται η θερμοκρασία στην επιφάνεια της Γης και παρέχεται ουσιαστικά το σύνολο της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία όλων των φυσικών συστημάτων. Με µία καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως µία τέλεια πηγή ακτινοβολίας (μέλαν σώμα) σε µία θερμοκρασία κοντά στους 5800 K. Η προσπίπτουσα ροή ενέργειας πάνω σε µία μονάδα επιφάνειας, η οποία είναι κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσμης έξω από την ατμόσφαιρα, είναι γνωστή ως ηλιακή σταθερά: S=1367 W/m². Γενικά, η ισχύς από µία πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη μονάδα επιφάνειας, ονομάζεται ένταση ακτινοβολίας. 20

21 Κατά τη διέλευση των ηλιακών ακτινών από την ατμόσφαιρα της Γης, η έντασή τους ελαττώνεται, αφού τα φωτόνια σκεδάζονται στα µόρια της ατμόσφαιρας, στα πολύ μικρής διαμέτρου σωματίδια, αλλά και στα μεγαλύτερης διαμέτρου αιωρήματά της, όπως οι υδρατμοί, η σκόνη και ο καπνός. Ακόμα, ένα άλλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από ορισμένα συστατικά της ατμόσφαιρας. Για παράδειγμα, η υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από τα µόρια του όζοντος στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, έτσι ώστε η ένταση των ακτινών αυτών, στην επιφάνεια της γης, να είναι εξαιρετικά μειωμένη και η καρκινογόνος δράση της αισθητά περιορισμένη. Έτσι, στην επιφάνεια της γης, φτάνουν τελικώς δύο συνιστώσες του ηλιακού φωτός: η απευθείας ή άμεση B (Beam) η σκεδαζόμενη στα µόρια του αέρα, η οποία ονομάζεται διάχυτη D (Diffuse). Η διάχυτη ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια, προέρχεται από όλο τον ουράνιο θόλο (πάνω από τον φυσικό ορίζοντα). Τελικώς, η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα συλλέκτη ή σ έναν αισθητήρα, αποτελείται από την απευθείας, τη διάχυτη και την ανακλώμενη από το έδαφος. Η συνολική αυτή ακτινοβολία αναφέρεται ως ολική ακτινοβολία και συμβολίζεται µε G (Global Irradiation). Η ανακλώμενη ακτινοβολία εξαρτάται γενικά από τη μορφολογία και το χρώμα του εδάφους και την πυκνότητα των νεφών, ενώ η ολική, απευθείας και διάχυτη, εξαρτώνται σε γενικές γραμμές από τους επόμενους παράγοντες: τη σύσταση-κατάσταση της ατμόσφαιρας, τη δεδομένη χρονική στιγμή (π.χ. υγρασία ή ατμοσφαιρικά αιωρήματα) 21

22 την ημέρα κατά τη διάρκεια του έτους τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών στην επιφάνεια του συλλέκτη (ύψος του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας). Κατά την ανατολή του ήλιου, η ζενίθια γωνία του ήλιου (z=90ο -EL, όπου EL (Elevation) το ύψος του ήλιου) είναι z=90ο (σχήμα 2.2.2) και επομένως η ολική οριζόντια πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας G, καθορίζεται, κατά κύριο λόγο, από τη διάχυτη συνιστώσα, D. Καθώς το ύψος του ήλιου αυξάνει, η απευθείας κάθετη ακτινοβολία αυξάνει μέχρι το ηλιακό μεσημέρι, μετά από το οποίο ελαττώνεται, περίπου κατά συμμετρικό τρόπο. Σχήμα Το μήκος L που διανύουν οι ηλιακές ακτίνες μέσα στην ατμόσφαιρα πάχους H και η ζενίθια γωνία z. [21] Όταν η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη Γη, κατανέμεται ανομοιόμορφα στις διάφορες περιοχές. Οι περιοχές κοντά στον Ισημερινό λαμβάνουν περισσότερη ακτινοβολία από τις υπόλοιπες. Η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει σημαντικά ανάλογα µε τις εποχές και εξαρτάται από την ώρα της ημέρας, το κλίμα (τα σύννεφα σκεδάζουν σε σημαντικό βαθμό τις ακτίνες του ήλιου) και την ατμοσφαιρική ρύπανση. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες επηρεάζουν αποφασιστικά το ποσό της ηλιακής ενέργειας που διατίθεται και προσπίπτει στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία (kw/m²) αθροίζεται στη διάρκεια ενός έτους, προκύπτει η ετήσια ηλιακή ενέργεια (συνήθως σε kwh/m²). Η τιμή αυτή διαφέρει σημαντικά ανάλογα µε την τοποθεσία, όπως φαίνεται και στο σχήμα Η χώρα µας συγκαταλέγεται μεταξύ των χωρών υψηλής ακτινοβολίας. Αυτό αποτελεί συγκριτικό πλεονέκτημα, ιδιαίτερα σε σχέση με τις χώρες του ευρωπαϊκού βορρά, στην εφαρμογή των φωτοβολταϊκών συστημάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. [21] [2] [1] [9] 22

23 Σχήμα Χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας των χωρών της Ευρώπης. [22] Το Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, αποτελεί τη βασική φυσική διαδικασία μέσω της οποίας ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική. Ημιαγώγιμα υλικά όπως το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο ή ο δισελινοϊνδιούχος χαλκός, χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό. Το στοιχείο του κρυσταλλικού πυριτίου ωστόσο παραμένει το πιο διαδεδομένο φωτοβολταϊκό στοιχείο, σχήμα Σχήμα Φωτοβολταϊκό στοιχείο (cell) [24] 23

24 Πιο συγκεκριμένα, το πυρίτιο (Si) είναι η βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής φ/β, λόγω της υφιστάμενης υποδομής για το συγκεκριμένο υλικό αυτό την τελευταία πεντηκονταετία. Η τεχνογνωσία πάνω στο πυρίτιο οφείλεται στις πολλαπλές εφαρμογές του στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές και στα φ/β πλαίσια που τροφοδοτούν δορυφόρους και υποστηρίχθηκε από μεγάλες κυβερνητικές και βιομηχανικές επενδύσεις. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργήθηκε κατάλληλος εξοπλισμός για την επεξεργασία του πυριτίου ώστε να έχει την απαιτούμενη καθαρότητα και κρυσταλλική δομή. Σε συνδυασμό με την αφθονία του στη γη και τα ηλεκτρικά του χαρακτηριστικά, το πυρίτιο είναι ικανό και συμφέρον μέσο για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Το μόνο μειονέκτημα του πυριτίου είναι ότι είναι εύθραυστο και ως εκ τούτου απαιτεί τον σχηματισμό στοιχείων μεγάλου πάχους. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός υλικού, τότε ένα μέρος αυτού ανακλάται, ένα άλλο τη διαπερνά, ενώ το υπόλοιπο απορροφάται από το υλικό. Η απορρόφηση του φωτός, έχει ως αποτέλεσμα τη μετατροπή του σε άλλη μορφή ενέργειας, η οποία συνήθως είναι θερμότητα. Παρ' όλα αυτά, υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους, σε ηλεκτρική ενέργεια. Σχήμα Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η ηλιακή ακτινοβολία, προσπίπτοντας στη δίοδο p-n, διαχωρίζει οπές και ηλεκτρόνια δημιουργώντας διαφορά δυναμικού [23] 24

25 Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και σε αυτά οφείλεται σε μεγάλο βαθμό η τεχνολογική πρόοδος του τομέα της ηλεκτρονικής και του τομέα της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών. Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια, δηλαδή πακέτα ηλιακής ενέργειας. Τα φωτόνια περικλείουν διαφορετικά ποσά ενέργειας, που αντιστοιχούν στα διάφορα μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος. Η τεχνολογία, μας έδωσε τη δυνατότητα εκμετάλλευσης της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας με τη χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων, των οποίων η λειτουργία στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αποτελούν διόδους ημιαγωγικών ενώσεων τύπου p-n με τη μορφή επίπεδης πλάκας. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, μπορεί να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Όσο διαρκεί η πρόσπτωση της ακτινοβολίας, δημιουργείται περίσσεια φορέων, δηλαδή περίσσεια ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Οι φορείς αυτοί κυκλοφορούν στο στερεό και αν δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντιθέτου προσήμου, δέχονται την επίδραση του ηλεκτροστατικού πεδίου της ένωσης p-n. Έτσι, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κατευθύνονται προς το τμήμα τύπου-n και οι οπές προς το τμήμα τύπου- ρ, με αποτέλεσμα να δημιουργείται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Αν στους ακροδέκτες συνδεθεί κατάλληλο ηλεκτρικό φορτίο, παρατηρείται ροή ηλεκτρικού ρεύματος από τη φωτοβολταϊκή διάταξη προς το φορτίο (σχήμα 2.2.4). Τελικά, η όλη διάταξη αποτελεί μία πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, που διατηρείται για όσο χρονικό διάστημα διαρκεί η πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του κυττάρου. Η ύπαρξη της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στους δύο ακροδέκτες της παραπάνω διάταξης, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Ανάλογα με το υλικό κατασκευής ή την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται, ένα ηλιακό στοιχείο μπορεί να δώσει συνεχή τάση μέχρι 0,5-1,0 V και πυκνότητα ρεύματος μέχρι ma ανά cm 2 της επιφάνειας του. Η συνήθης ισχύς ενός κυττάρου είναι λίγο μικρότερη από 3 Watt, συνεπώς για να έχουμε μία χρήσιμη ποσότητα ισχύος, πρέπει να καταφύγουμε σε εν παραλλήλω και εν σειρά συνδεσμολογίες των φ/β στοιχείων. Το φ/β πλαίσιο (module), αποτελείται από έναν αριθμό προκαλωδιωμένων ηλιακών κελιών σε σειρά, πακεταρισμένων σε 25

26 ανθεκτικά περιβλήματα. Ένα τυπικό πλαίσιο έχει 36 κελιά σε σειρά και συχνά ονομάζεται πλαίσιο των 12 V, αν και συχνά έχει δυνατότητα να παράγει μεγαλύτερες τάσεις. Λόγω των απαιτούμενων υλικών και εργασιών για την κατασκευή τους, το κόστος των φ/β πλαισίων είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το κόστος των ηλιακών στοιχείων που περιέχουν. Τυπικές τιμές ισχύος εξόδου για ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο είναι Wp. [1] [4] [5] Σχήμα Φωτοβολταϊκό πλαίσιο. [25] Περισσότερα του ενός φ/β πλαισίου μπορούν να στηριχτούν στην ίδια μεταλλική κατασκευή, σχηματίζοντας ένα φ/β panel. Περισσότερα του ενός panel σχηματίζουν τη φ/β συστοιχία (array), όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα Φωτοβολταϊκό panel (αριστερά) και φωτοβολταϊκή συστοιχία-array (δεξιά). [25] 26

27 Για να παράγει μία συστοιχία φ/β στοιχείων ισχύ πρέπει να υπάρχει επαρκής ηλιακή ακτινοβολία, επομένως σε πολλές περιπτώσεις στις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις υπάρχουν και μέσα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας (ηλεκτρικοί συσσωρευτές). Οι συσσωρευτές επιτρέπουν την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας τις ώρες ακτινοβολίας και την κατανάλωση αυτής κατά τις νυχτερινές ώρες ή σε διαστήματα συννεφιάς. Επίσης τα φορτία που τροφοδοτούνται από τη φ/β γεννήτρια απαιτούν εναλλασσόμενη τάση τροφοδότησης, οπότε είναι αναγκαία η ύπαρξη ενός αντιστροφέα, που θα μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη. Ο αντιστροφέας αυτός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη σύνδεση της φ/β εγκατάστασης με το δίκτυο, ώστε να παρέχει σε αυτό την περίσσεια ισχύος. Όπως θα αναφερθεί και σε επόμενη ενότητα, το ρόλο του αντιστροφέα αναλαμβάνει ο inverter Η επαφή p-n Τα άτομα των ημιαγώγιμων υλικών, όπως το πυρίτιο, το οποίο χρησιμοποιείται κατά κόρον στα φ/β πάνελ, συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς, οι οποίοι είναι δυνατόν να σπάσουν υπό την επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας ή θερμότητας, οπότε απελευθερώνονται ηλεκτρόνια (αρνητικοί φορείς n) και αφήνουν κενές θέσεις, τις οπές (θετικοί φορείς p). Οι σημαντικότερες ιδιότητες των διατάξεων ημιαγωγών, προέρχονται από τη διάχυση των φορέων τους. Βασική διάταξη για την εκδήλωση των ιδιοτήτων αυτών, είναι η ένωση p-n (possitive-negative) η οποία σχηματίζεται όταν έρθουν σε επαφή ένα τμήμα ημιαγωγού τύπου-p με ένα τμήμα τύπου-n. Τότε, ένα μέρος από τις οπές του τμήματος τύπου-p διαχέεται προς το τμήμα τύπου-n, όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τμήματος τύπου-n διαχέεται προς το τμήμα τύπου-p, όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι επίσης πολύ λιγότερα. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μία περιοχή, στην οποία υπάρχουν λίγοι φορείς αγωγιμότητας, η οποία ονομάζεται ζώνη εξάντλησης φορέων ή περιοχή αραίωσης. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα παραμένουν στη περιοχή τύπου-n και τα αρνητικά στην περιοχή τύπου-p. Έτσι, δημιουργείται ένα εσωτερικό των ημιαγωγών ηλεκτροστατικό πεδίο, το οποίο αντιτίθεται στην κίνηση των φορέων αγωγιμότητας, με συνέπεια η παραπάνω διάχυση να μη συνεχίζεται επ' άπειρον. Η αποκατάσταση της ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις φορέων, μέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιμές που ικανοποιούν τον νόμο δράσης των μαζών. 27

28 Η διάταξη ημιαγωγών, που αποτελείται από μία ένωση p-n και από μία ηλεκτρική σύνδεση στο κάθε τμήμα της, ονομάζεται δίοδος. H δίοδος μπορεί να είναι είτε ορθά ή ανάστροφα πολωμένη. Στην πρώτη περίπτωση, ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδέεται με το τμήμα τύπου-n της διόδου, και ο θετικός πόλος με το τμήμα τύπου-p, ενώ αντίθετα στη δεύτερη, ο αρνητικός πόλος της πηγής συνδέεται με το τμήμα τύπου-p και ο θετικός πόλος με το τμήμα τύπου-n. [2] Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα φ/β στοιχείου Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός φ/β στοιχείου δίνεται στο σχήμα (α) (απλοποιημένο) και στο σχήμα (β) (πλήρες ισοδύναμο). Περιλαμβάνει μια πηγή σταθερού ρεύματος σε συνδυασμό με μια ιδανική δίοδο. Η πηγή εντάσεως παράγει το φωτορεύμα (photocurrent), Ιφ, το οποίο είναι ανάλογο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Στη συνέχεια τοποθετείται το μη ιδανικό τμήμα του φ/β στοιχείου, το οποίο περιλαμβάνει αφενός την αντίσταση απωλειών διαρροής του ρεύματος μεταξύ των άκρων του φ/β στοιχείου, η οποία τίθεται παράλληλα συνδεδεμένη στα άκρα της διόδου, αφετέρου την αντίσταση απωλειών στο δρόμο ροής του ρεύματος της διόδου, που αντιπροσωπεύεται από αντίσταση συνδεδεμένη σε σειρά με τη δίοδο. Σχήμα (α) Το απλοποιημένο και (β) το πλήρες ισοδύναμο κύκλωμα του φ/β στοιχείου [4] Στο σχήμα (β) παρατηρούμε τις εξής αντιστάσεις: Παράλληλα συνδεδεμένη αντίσταση διαρροής, Rsh (Shunt resistance) Η αντίσταση αυτή συνδέεται με τη διαρροή ρεύματος μεταξύ των άκρων της επαφής p-n. Αφορά διαδρομές ρεύματος διαρροής στο εσωτερικό της επαφής p-n, μεταξύ σημείων που βρίσκονται σε διαφορά δυναμικού ίση με την τάση στα άκρα της διόδου. Η τιμή της, σε πολύ καλής απόδοσης φ/β στοιχείων, είναι μεγαλύτερη των 103 Ω. Σειριακή αντίσταση, Rs (Series resistance) 28

29 Η συγκεκριμένη αντίσταση αφορά στην αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή κατά τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το σώμα της διόδου και στις ωμικές αντιστάσεις των σημείων πρόσφυσης των ηλεκτροδίων της επαφής, καθώς και κατά μήκος των μεταλλικών κλάδων τους. Άμεσο αποτέλεσμα της αύξησης της Rs είναι η δραστική ελάττωση της αντίστοιχης μέγιστης ισχύος που αποδίδει το στοιχείο. Τυπικές τιμές της Rs, για καλής ποιότητας φ/β στοιχεία, βρίσκονται στο εύρος 0,1 Ω έως 0,3 Ω. [4] Η καμπύλη V-I ενός φ/β στοιχείου Πειραματικά προκύπτει ότι για μία ορισμένη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας, η χαρακτηριστική Τάσεως - Εντάσεως (V-I) ενός φ/β στοιχείου έχει τη μορφή του σχήματος 2.2.8, όπου διακρίνονται: Voc, η τάση ανοιχτοκυκλώματος, Isc, η ένταση βραχυκυκλώσεως, Vm και Im, η τάση και η ένταση της μέγιστης ισχύος Pm = Vm * Im, το σημείο στο οποίο η παραγόμενη ισχύς γίνεται μέγιστη, είναι γνωστό ως το γόνατο της V-I χαρακτηριστικής καμπύλης, MPP (Maximum Power Point). VL και IL, η τάση και η ένταση τυχόντος σημείου στο οποίο το φ/β στοιχείο λειτουργεί, όταν παράγει ένταση IL και ισχύ: PL = VL* IL. Σχήμα Η χαρακτηριστική Τάσεως-Εντάσεως (V-I) [2] Όταν το φ/β στοιχείο είναι ανοιχτοκυκλωμένο (δεν συνδέεται φορτίο στα άκρα του), αναπτύσσεται μεταξύ των δύο του όψεων ένα αντίθετο ρεύμα, που αντισταθμίζει το φωτορεύμα, ενώ στα άκρα του εμφανίζεται η τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc. To φ/β στοιχείο όμως παρουσιάζει κάποιες απώλειες, οι 29

30 οποίες -όπως αναφέραμε- εκφράζονται με την παράλληλη αντίσταση Rsh στο ισοδύναμο κύκλωμα. Όταν στα άκρα του φ/β στοιχείου συνδεθεί μία αντίσταση (φορτίο RL), διαπιστώνεται ότι το φ/β στοιχείο παρουσιάζει πρόσθετες απώλειες, ενώ η τάση του μειώνεται, όσο η τιμή της RL μειώνεται. Η συμπεριφορά αυτή εκφράζεται μέσω της αντίστασης σειράς Rs. Επομένως, με βάση το πλήρες ισοδύναμο του σχήματος (β), αν VL και IL η τάση και ένταση στα άκρα του φορτίου RL, η λειτουργία του φ/β στοιχείου θα εκφράζεται από την παρακάτω εξίσωση: I L = I φ Ι 0 [exp (V L + R s I L μ ) 1] V L + R s I L R sh Όπου, Ι0 το ανάστροφο ρεύμα κόρου, μ = γ Κ T = μία σταθερά, με : e γ = ο συντελεστής ποιότητας της διόδου (συνήθως γ=1/2), Κ = η σταθερά Boltzman, Τ = η απόλυτη θερμοκρασία του φ/β στοιχείου, e = το φορτίο του ηλεκτρονίου Το πλήρες ισοδύναμο κύκλωμα μπορεί να απλοποιηθεί χωρίς σημαντικό σφάλμα αν ληφθεί υπόψη ότι οι απώλειες χωρίς φορτίο είναι πολύ μικρές, δηλαδή αγνοηθεί η Rsh, σχήμα (α). Ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος Ρm (ή Pmpp) προς το γινόμενο του ρεύματος βραχυκύκλωσης Isc επί την τάση ανοιχτοκύκλωσης Voc του φωτοβολταϊκού στοιχείου, ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF (Fill Factor) και είναι ένα μέτρο του πόσο τετράγωνη είναι η V-I καμπύλη. Είναι δηλαδή FF = I sc V oc Τυπικές τιμές βρίσκονται μεταξύ 0,6 (60%) και 0,85 (85%) και είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας (καθώς η τάση ανοιχτοκύκλωσης εξαρτάται από τη θερμοκρασία) και της ηλιακής ακτινοβολίας (καθώς το ρεύμα βραχυκύκλωσης μεταβάλλεται γραμμικά με αυτή). Όπως είδαμε μέχρι τώρα, οι βασικότερες παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία και συμπεριφορά των φωτοβολταϊκών είναι ο συντελεστής πλήρωσης (FF), η τάση ανοικτού κυκλώματος Voc και το ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc. Οι παράγοντες αυτοί επηρεάζουν και την απόδοση (η %) 30 P m

31 των φωτοβολταϊκών στοιχείων η οποία δίνεται από το λόγο της μέγιστης αποδιδόμενης ισχύος προς την προσπίπτουσα φωτεινή ισχύ επί όλης της επιφανείας. Είναι δηλαδή η c = P m = I m V m = FF I sc V oc P in P in P in Όπου, Pin = E S (ισχύς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια ενός φ/β στοιχείου εμβαδού S με πυκνότητα ισχύος ίση με Ε). [2] [5] [35] Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την εφαρμογή τέτοιου είδους συστημάτων είναι περιορισμένες. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους δεν προκαλούν θόρυβο, δεν απελευθερώνουν αέρια ή υγρά απόβλητα, στερεά κατάλοιπα, ή θερμότητα προς το περιβάλλον. Είναι μία από τις πλέον φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες και έχει γίνει γενικώς αποδεκτή από το κοινωνικό σύνολο -αφού εκτός από το ότι είναι μια καθαρή τεχνολογία- πως δεν παρουσιάζει πλέον προβλήματα λειτουργίας. Τα πλεονεκτήματά τους συνοψίζονται στα ακόλουθα: Δεν έχουν κινούμενα μέρη και παράγουν ισχύ αθόρυβα. Δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον με αέρια ή με άλλα κατάλοιπα, αφού δεν λαμβάνει χώρα κάποια χημική αντίδραση. Λόγω του σπονδυλωτού τρόπου κατασκευής τους, τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να προσαρμοστούν σε όλες τις απαιτήσεις μεγέθους και ζήτησης ισχύος. Μπορούν εύκολα να λειτουργήσουν παράλληλα με άλλα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αυξάνοντας την αξιοπιστία των συστημάτων. Είναι επεκτάσιμα ανάλογα με τις ανάγκες σε φορτίο, χωρίς την απαίτηση ειδικής εγκατάστασης. Μπορούν να λειτουργήσουν αυτόνομα και αξιόπιστα, χωρίς την παρουσία κάποιου χειριστή. Επειδή δεν χρειάζονται διαρκή παρακολούθηση, έχουν πολύ μικρό κόστος λειτουργίας. Μπορούν να εγκατασταθούν σε απομονωμένες περιοχές. Δεν καταναλώνουν καύσιμο. Λειτουργούν χωρίς προβλήματα σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και κάτω από όλες τις καιρικές συνθήκες. 31

32 Το ηλιακό κύτταρο δεν αλλοιώνεται κατά την διάρκεια της λειτουργίας του και έχει επίσης μεγάλη διάρκεια ζωής (περισσότερο από 25 χρόνια). Το κυριότερο μειονέκτημα των Φ/Β συστημάτων είναι το υψηλό τους κόστος, το οποίο έχει αποτρέψει μέχρι στιγμής την ευρεία εξάπλωσή τους. Ωστόσο, η εξέλιξη της τεχνολογίας οδηγεί στη σταδιακή μείωση του κόστους αυτών και τα καθιστά ολοένα και πιο ανταγωνιστικά των άλλων αυτόνομων συστημάτων. Γενικά τα μειονεκτήματα των Φ/Β συνοψίζονται στα ακόλουθα: Υψηλό κόστος. Απαίτηση χρήσης συσσωρευτών για την αποθήκευση ενέργειας, ειδικά σε αυτόνομα συστήματα. Έτσι αυξάνεται και το συνολικό κόστος του συστήματος. Απαίτηση χρήσης σχετικά μεγάλων επιφανειών για την εγκατάστασή τους, λόγω της μικρής απόδοσης (μετατρέπουν περίπου το 11% της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική). Η απόδοσή τους μειώνεται σε συνθήκες συννεφιάς, ομίχλης και κακοκαιρίας. Ο χρόνος πλήρους λειτουργίας, σε ονομαστικά μεγέθη ισχύος, είναι περίπου 1300 ώρες το έτος, δηλαδή παράγουν ενέργεια το 14,84% του ετήσιου χρόνου κατανάλωσης. [26] 2.3 Αιολική ενέργεια Η χρήση της αιολικής ενέργειας αποτελεί μία από τις καθαρότερες ενεργειακές επιλογές. Η πηγή αυτή της ενέργειας είναι πρακτικά ανεξάντλητη, ανανεούμενη συνεχώς, γι αυτό ονομάζεται ανανεώσιμη. Εάν υπήρχε η δυνατότητα να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες για ηλεκτρική ενέργεια της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα. 32

33 Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας καθιστά απαραίτητη την χρήση ειδικών διατάξεων που εκθέτουν έναν δρομέα (πτερωτή τύπου έλικας, με ένα η περισσότερα πτερύγια) στο ρεύμα του ανέμου, λαμβάνοντας έτσι μέρος της κινητικής ενέργειάς του, με αποτέλεσμα την περιστροφική κίνηση του δρομέα. Οι διατάξεις αυτές λέγονται ανεμογεννήτριες όταν ο άξονάς τους κινεί ηλεκτρογεννήτρια παραγωγής ρεύματος. Στις ανεμογεννήτριες η αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση του δρομέα του αεροκινητήρα και του άξονά του. Η σύνδεση ανεμογεννητριών στο ηλεκτρικό δίκτυο μιας χώρας αποτελεί, από οικονομικής απόψεως, μια πολύ σημαντική εφαρμογή τους. Σ αυτή την περίπτωση κατασκευάζεται μια συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, γνωστή ως αιολικό πάρκο, που εγκαθίσταται και λειτουργεί σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό. Η συνολική ενέργεια που παράγεται στο αιολικό αυτό πάρκο διοχετεύεται στο ηλεκτρικό σύστημα. Συνήθως, η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται: i. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές συνδεδεμένες στο δίκτυο είτε για την κάλυψη ίδιων αναγκών, είτε για την πώληση του ρεύματος στην εταιρεία εκμετάλλευσης του δικτύου. ii. Για παραγωγή ηλεκτρισμού σε περιοχές που δεν είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, για λειτουργία είτε μόνες τους με συσσωρευτές, είτε σε συνδυασμό με φωτοβολταϊκά ή σταθμό ηλεκτροπαραγωγής με ντίζελ (υβριδικό σύστημα). iii. Για θέρμανση (π.χ. σε θερμοκήπια) με διαδοχική μετατροπή της σε ηλεκτρισμό και ακολούθως σε θερμότητα με τη χρήση ηλεκτρικής αντίστασης ή με την κίνηση αντλιών θερμότητας 33

34 2.3.1 Ανεμογεννήτριες Οριζόντιου άξονα Μία τυπική γεννήτρια οριζόντιου άξονα είναι αυτή που φαίνεται (σχήμα 2.3.1) και αποτελείται από: Σχήμα Α/Γ οριζόντιου άξονα [25] Πύργος: Μπορεί να είναι μεταλλικός (δικτυωτός ή συνηθέστερα σωληνωτός) αλλά και από οπλισμένο σκυρόδεμα για Α/Γ μεγάλης ισχύος. Βασικής σημασίας για την επιλογή του πύργου είναι ο προβλεπόμενος τρόπος μεταφοράς και εγκατάστασής του, σε συνδυασμό με την όλη συναρμολόγηση της Α/Γ και την έδρασή της. Ο πύργος υπολογίζεται ως πακτωμένη δοκός, η οποία υφίσταται σύνθετη στατική και κυρίως δυναμική καταπόνηση. Ο σχεδιασμός του πύργου, ώστε να αποφεύγονται συνθήκες συντονισμού, έχει βασική σημασία. Δρομέας (Έλικας): Οι σύγχρονοι Α/Κ κατασκευάζονται με 2 ή με 3 πτερύγια, τα οποία έχουν την αεροδυναμική μορφή των ελίκων αεροπλάνων, με αρκετή συστροφή και συνεχή μείωση της διατομής τους, από τη βάση προς τα άκρα. Η τεχνολογία κατασκευής των πτερυγίων βρίσκεται σε συνεχή εξέλιξη και πολλά είδη υλικών έχουν χρησιμοποιηθεί: Για τους μικρούς Α/Κ χρησιμοποιούνται πολυουρεθάνη, υαλόνημα και ξύλο, για τους μεσαίου μεγέθους υαλονήματα σε πολλαπλές στρώσεις και εναλλαγή κατευθύνσεων, ενώ για τους μεγάλους Α/Κ χρησιμοποιούνται τεχνολογίες ελίκων αεροπλάνων (ανθρακονήματα κ.λπ.). Η στήριξη των πτερυγίων της έλικας στον άξονα του δρομέα μπορεί να είναι σταθερή (πτερύγιο σταθερού βήματος) ή μεταβλητή, δηλαδή να είναι δυνατή η περιστροφή του στο σημείο εδράσεως (πτερύγιο μεταβλητού βήματος). Επίσης, το πτερύγιο μπορεί να 34

35 αποτελείται από 2 τμήματα: Ένα τμήμα σταθερό, στηριζόμενο στον άξονα και επιπλέον ένα ρυθμιζόμενο ακροπτερύγιο. Οι παραπάνω παραλλαγές είναι βασικής σημασίας για τον έλεγχο ισχύος - στροφών του Α/Κ, καθώς και για την ασφάλεια της λειτουργίας του. Ο χώρος μηχανισμών περιλαμβάνει κυρίως: Το σύστημα εδράσεως του δρομέα στον πύργο Τον πολλαπλασιαστή στροφών Τη γεννήτρια Το φρένο, καθώς και τους μηχανισμούς ελέγχου του βήματος των πτερυγίων, το σύστημα περιστροφής και προσανατολισμού προς την κατεύθυνση του ανέμου Στο σχήμα αναπαριστάται η άτρακτος (ο χώρος των μηχανισμών). [3] [11] Σχήμα Αποτελούμενα μέρη ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα [27] Κατακόρυφου άξονα Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι Α/Κ κατακόρυφου άξονα εκ των οποίων ο ευρύτερα χρησιμοποιούμενος είναι ο τύπου Darrieus. Στον Α/Κ αυτόν, ο άξονας περιστροφής του δρομέα αποτελεί και τον πύργο στήριξης, ο οποίος συχνά προσδένεται με επιτόνους. Έχουν 2 ή 3 πτερύγια, των οποίων η διατομή είναι παρόμοια του οριζοντίου άξονα, αλλά παραμένει σταθερή καθ' 35

36 όλο το μήκος τους. Μειονέκτημα του Α/Κ Darrieus είναι ότι έχει πολύ χαμηλή ροπή εκκινήσεως και η εκκίνησή του πρέπει να γίνεται και με άλλα μέσα. Ένας άλλος τύπος Α/Κ κατακόρυφου άξονα, που έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια, είναι ο «μεταβαλλόμενης γεωμετρίας», στον οποίο με τη μεταβολή της γεωμετρίας του πτερυγίου επιτυγχάνεται ο έλεγχος των στροφών. Οι Α/Κ κατακόρυφου άξονα παρουσιάζουν το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτούν σύστημα αυτοματισμού για τον προσανατολισμό του δρομέα προς τη διεύθυνση του ανέμου, καθώς επίσης ότι και η εγκατάσταση του συστήματος μετατροπής σε ηλεκτρική ενέργεια (πολλαπλασιαστής στροφών, γεννήτρια) βρίσκεται στο επίπεδο του εδάφους στη βάση του Α/Κ. Γενικότερα οι Α/Κ κατακόρυφου άξονα είναι κατασκευαστικά απλούστεροι του οριζοντίου άξονα, πράγμα που αντισταθμίζει μερικά τον μικρότερο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος. Παρουσιάζουν όμως το σημαντικό μειονέκτημα ότι η ισχύς τους ταλαντώνεται έντονα, λόγω της συνεχούς αλλαγής του βήματος των πτερυγίων κατά την περιστροφή τους. Οπωσδήποτε ο Α/Κ οριζοντίου άξονα συγκεντρώνει τα περισσότερα πλεονεκτήματα και αυτός κυρίως σήμερα αναπτύσσεται. Αυτός ο τύπος θα χρησιμοποιηθεί και στην παρούσα εργασία. [3] [11] Σχήμα Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα [25] Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών συνήθως χρησιμοποιούν μια επαγωγική γεννήτρια απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο, μέσω ενός ηλεκτρονικά ελεγχόμενου εκκινητή και συστοιχίας πυκνωτών για την αντιστάθμιση της αέργου ισχύος. Η ολίσθηση των γεννητριών αυτής της κατηγορίας ποικίλλει ανάλογα με την παραγόμενη ενεργό ισχύ, έτσι η 36

37 ταχύτητα δεν είναι στην πραγματικότητα σταθερή. Εν τούτοις, δεδομένου ότι οι μεταβολές της ταχύτητας είναι πολύ μικρές (περίπου 1-2%), αναφέρονται συνήθως ως ανεμογεννήτριες «σταθερής ταχύτητας». Σχεδιάζονται με τρόπο, ώστε να επιτυγχάνουν μέγιστη απόδοση, σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα του ανέμου, η οποία ονομάζεται και ονομαστική, γιατί σ αυτή επιτυγχάνεται και η ονομαστική ισχύς. Σε περιπτώσεις, όπου η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη των 3m/s, οι ανεμογεννήτριες σταματούν τη λειτουργία τους, λόγω περιορισμένης διαθέσιμης αιολικής ενέργειας. Αντίθετα, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπερνά την ονομαστική, οι ανεμογεννήτριες πρέπει να περιορίζουν την εισερχόμενη ενέργεια στο επίπεδο της ονομαστικής, μεταβάλλοντας τη θέση των πτερυγίων. Βασικό πλεονέκτημα ενός τέτοιου συστήματος είναι η σχετικά απλή δομή του. Συνεπώς, το κόστος του τείνει να είναι χαμηλό. Δεδομένου ότι η ταχύτητα του ανεμοκινητήρα δεν μπορεί να ποικίλλει, οι ανεμογεννήτριες αυτές πρέπει να είναι μηχανικά περισσότερο στιβαρές από άλλες, λόγω των υψηλότερων μηχανικών φορτίων. Ωστόσο, οι διακυμάνσεις στην ταχύτητα του αέρα προκαλούν μεγάλες μηχανικές καταπονήσεις και έχουν ως άμεσο αποτέλεσμα διαταραχές στη μηχανική ροπή. Οι διακυμάνσεις ισχύος μπορούν να προκαλέσουν διακυμάνσεις τάσης, οι οποίες αντισταθμίζονται από πυκνωτές. Τέλος, αξίζει να αναφερθεί ότι μερικοί κατασκευαστές προσαρμόζουν στις ανεμογεννήτριές τους επαγωγικές γεννήτριες με δύο τυλίγματα στάτη, το ένα για τις περιόδους που υπάρχουν χαμηλές ταχύτητες αέρα και το άλλο για τις περιόδους που υπάρχουν υψηλότερες τιμές ταχύτητας αέρα. Επίσης, ένας άλλος σχεδιασμός είναι οι επαγωγικές γεννήτριες με μεταβαλλόμενους πόλους, δηλαδή γεννήτριες που μπορούν να λειτουργούν με διαφορετικό αριθμό πόλων, συνεπώς και με διαφορετική περιστροφική ταχύτητα. [3] Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών σχεδιάζονται με τρόπο, ώστε να λειτουργούν σε μεγάλο εύρος ταχυτήτων του ανέμου με στόχο την επίτευξη της μέγιστης αεροδυναμικής απόδοσης. Η λειτουργία τους με μεταβλητές στροφές επιτρέπει την προσαρμογή της γωνιακής ταχύτητας του δρομέα της ανεμογεννήτριας σε κάθε ταχύτητα ανέμου. Έτσι, ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου λ διατηρείται σταθερός σε μία προκαθορισμένη τιμή, που αντιστοιχεί στον συντελεστή μέγιστης αεροδυναμικής απόδοσης -αρχή του αεροδυναμικού ελέγχου ισχύος (pitch control). Σε αντίθεση με τη διάταξη σταθερών στροφών, η διάταξη μεταβλητών στροφών διατηρεί τη ροπή της 37

38 γεννήτριας σχεδόν σταθερή και οι διακυμάνσεις της ισχύος, που προκαλούνται από μεταβολές του ανέμου, αποσβένονται, μέσω της αλλαγής της ταχύτητας του δρομέα. Το ηλεκτρικό σύστημα των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών είναι πιο περίπλοκο από το αντίστοιχο των σταθερών στροφών. Συνήθως αποτελούνται από μια επαγωγική ή σύγχρονη γεννήτρια, που συνδέεται στο δίκτυο, μέσω ενός μετατροπέα ισχύος, ο οποίος ελέγχει την ταχύτητα της γεννήτριας. Συνεπώς, οι διακυμάνσεις ισχύος, λόγω των διακυμάνσεων του ανέμου, απορροφώνται από τις αλλαγές στην ταχύτητα του δρομέα. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διάταξης είναι η αυξημένη απομάστευση ισχύος, η βελτιωμένη ποιότητα ισχύος και η μειωμένη καταπόνηση των μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας. Ωστόσο, στα μειονεκτήματά της συγκαταλέγονται οι απώλειες στους μετατροπείς ισχύος, η πολυπλοκότητα και το αυξημένο κόστος. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, οι ανεμογεννήτριες με αυτόν τον τύπο ελέγχου έχουν αναπτυχθεί εντυπωσιακά. Η λειτουργία με μεταβλητές στροφές μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την αποσύζευξη της ηλεκτρικής συχνότητας του δικτύου και της μηχανικής συχνότητας. Για το λόγο αυτό οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, όπως ένας μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε εναλλασσόμενη τάση, συνδυάζονται με τα προηγμένα συστήματα ελέγχου. [3] 2.4 Βιομάζα Ως βιομάζα ορίζεται η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση. Πρακτικά, στον όρο βιομάζα εμπεριέχεται οποιοδήποτε υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από τον φυτικό κόσμο. Ειδικότερα, η βιομάζα για ενεργειακούς σκοπούς περιλαμβάνει κάθε τύπο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή στερεών, υγρών ή αέριων καυσίμων. Η βιομάζα αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτικών οργανισμών. Κατ αυτήν, η χλωροφύλλη των φυτών μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια με μια σειρά διεργασιών, χρησιμοποιώντας ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, καθώς νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος. [28] [14] 38

39 Σχήμα Παραγωγή ενέργειας από βιομάζα [28] 2.5 Γεωθερμική Ενέργεια Η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα. Όταν η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών είναι χαμηλή, η ενέργειά τους χρησιμοποιείται κυρίως για θέρμανση κτιρίων, θερμοκηπίων, κτηνοτροφικών μονάδων, ιχθυοκαλλιεργειών, κ.α., ενώ στις περιπτώσεις που η θερμοκρασία των ατμών είναι υψηλή (>150 C), μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Στην Ελλάδα υπάρχουν πολλά γεωθερμικά πεδία χαμηλής θερμοκρασίας, όπου είναι έτοιμες πολλές δεκάδες γεωτρήσεων παραγωγής, με εξαιρετικά μεγάλο δυναμικό. Από αυτό το δυναμικό, μικρό μόνο μέρος (περίπου τα 3/20) χρησιμοποιείται σήμερα για θέρμανση χώρων, λουτροθεραπεία, θέρμανση θερμοκηπίων και ιχθυοκαλλιέργειες. [29] [14] Σχήμα Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με γεωθερμία [29] 39

40 2.6 Υδροηλεκτρική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από την μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του νερού σε κινητική και στη συνέχεια σε ηλεκτρισμό. Αυτό γίνεται: με την εκμετάλλευση της ροής του νερού σε υδάτινο αγωγό με φυσική κλίση, με αποθήκευση του νερού σε τεχνητή λίμνη, ώστε να αυξηθεί το υδραυλικό ύψος ή με ένα συνδυασμό των παραπάνω. Απαιτείται συνεπώς ένα σημαντικό δυναμικό βαρυτικού ύψους και μια ικανή ποσότητα ροής, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα υδροηλεκτρικής παραγωγής. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια απόδειξη ότι η ηλιακή ενέργεια μπορεί να αναπτυχθεί κατά οικονομικό τρόπο σε μεγάλη κλίμακα. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι κατά κανόνα πιο οικονομική από την ηλεκτρική ενέργεια που έχει παραχθεί από καύση υδρογονανθράκων ή από πυρηνικά καύσιμα στους συμβατικούς θερμικούς σταθμούς. [14] [30] Σχήμα Υδροηλεκτρική μονάδα παραγωγής ενέργειας [30] 40

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ 3.1 Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά Ισχύος Είναι ηλεκτρονικές διατάξεις μετατροπής: συνεχούς ρεύματος σε συνεχές (DC-DC converter), οποιασδήποτε τάσης συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο (DC-AC converter), οποιουδήποτε πλάτους εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή (AC-DC converter) Ένας DC-DC μετατροπέας, μόνος του ή σε συνδυασμό με τους άλλους τύπους (DC- AC ή AC-DC), μπορεί να αποτελεί χωριστή μονάδα ή να αποτελεί τμήμα του ελεγκτή φόρτισης. Στην τελευταία περίπτωση, η λειτουργία του έγκειται στο να προσαρμόζει την τάση του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στην τάση του συστήματος αποθήκευσης, ώστε να εκμεταλλευόμαστε πλήρως την παραγόμενη ΦΒ ηλεκτρική ενέργεια. Η όλη διαδικασία έχει ομοιότητα με την μετατροπή του εναλλασσόμενου σε εναλλασσόμενο διαφορετικού πλάτους, μέσω μετασχηματιστή (Transformer), η οποία, ως γνωστόν, βασίζεται αποκλειστικά και μόνο, στο φαινόμενο της επαγωγής. Στην περίπτωση αυτή, το κύκλωμα εξόδου είναι ηλεκτρικά μονωμένο από το κύκλωμα εισόδου. Στην περίπτωση των μετατροπέων DC- DC, δεν είναι υποχρεωτική η χρησιμοποίηση μετασχηματιστή. [6] Μετατροπέας συνεχούς τάσεως σε συνεχή (DC-DC) Η μετατροπή μιας συνεχούς τάσεως, VI, σε συνεχή, V0, βασίζεται στη χρήση υψίσυχνων διακοπτικών στοιχείων κυκλωμάτων (switchmode π.χ.transistors, thyristors), με τα οποία μπορούμε να διαχειριζόμαστε μεγάλη ισχύ, με ελάχιστες απώλειες. Η μονάδα μετατρέπει συνεχή τάση σε συνεχή, 41

42 μεγαλύτερης ή μικρότερης τιμής, ανάλογα με τις απαιτήσεις, συμβάλλοντας στη μείωση των καταναλώσεων στη γραμμή μεταφοράς από τον χώρο παραγωγής στον χώρο αποθήκευσης. Στον χώρο του ΦΒ πεδίου, τα ΦΒ πλαίσια συνδέονται σε σειρά και αν απαιτείται παράλληλα, ώστε η παραγόμενη σ' αυτά ηλεκτρική ενέργεια να μεταφέρεται με όσο γίνεται υψηλότερη τάση, πάντα μέσα στα επιτρεπτά όρια, ώστε το ρεύμα (DC) στη γραμμή μεταφοράς να είναι χαμηλό και αντίστοιχα χαμηλές οι απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Σε συστήματα μεγαλύτερα των μερικών kwp, η τάση εξόδου συστοιχίας βρίσκεται συνήθως περί τα 300 V, με όριο τα 600 V. Στον χώρο των συσσωρευτών, ο μετατροπέας DC-DC, προσαρμόζει την τάση της συστοιχίας στην τάση του συσσωρευτή, ώστε να υπάρχει πλήρης εκμετάλλευση της ενέργειας και επιπλέον να μη δημιουργηθούν συνθήκες υπέρτασης του συσσωρευτή. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν απόδοση ~94%. Στη διάταξη μπορεί να ενσωματωθεί μικροελεγκτής, ο οποίος συνεχώς ελέγχει και επιβάλλει την προσαρμογή του σημείου λειτουργίας του συστήματος παραγωγής ενέργειας, με το σημείο μέγιστης ισχύος, που καθορίζουν οι κρατούσες συνθήκες φωτισμού και θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Η πρόσθετη αυτή διάταξη ονομάζεται διάταξη "Παρακολούθησης Σημείου Μέγιστης Ισχύος, ΠΣΜΙ (Maximum Power Point Tracking. ΜΡΡΤ) ". [6] [7] Ο μετατροπέας DC-AC (Inverter) Η χρήση του εναλλασσόμενου ρεύματος σε ΦΒ εφαρμογές επιβάλλεται, στις περισσότερες των περιπτώσεων, εξαιτίας της επικράτησής του, κατά γενικό τρόπο, σε κάθε είδους οικιακές εφαρμογές, καθώς και στη βιομηχανία. Εντελώς γενικά, τρεις είναι οι κύριοι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να μετατρέψουμε συνεχές ρεύμα (DC) σε εναλλασσόμενο (AC): i. Με συνδυασμό κινητήρα συνεχούς ρεύματος με γεννήτρια εναλλασσόμενου ii. Με χρήση του κλασικού μηχανικού ή ηλεκτρονικού διακοπτικού συστήματος σε συνεργασία με μετασχηματιστή (πηνίο Ruhmkorff, διατάξεις τροφοδοσίας των αναφλεκτήρων των μηχανών εσωτερικής καύσης) και iii. Με τον καθαρά ηλεκτρονικό μετατροπέα DC-AC converter (Inverter). Ο inverter είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα ισχύος που μετατρέπει συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (μονοφασική ή τριφασική). Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε 42

43 περιπτώσεις που διαθέτουμε πηγή συνεχούς ηλεκτρικής τάσεως και καταναλωτές εναλλασσόμενης, π.χ. φωτοβολταϊκές εφαρμογές οικιακής χρήσεως. Αποτελείται από ηλεκτρονικούς διακόπτες (π.χ. bipolar transistors ισχύος, MOSFETs, thyristors κ.λπ.), η συνδυασμένη λειτουργία των οποίων έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία σειράς τετραγωνικών παλμών διαδοχικά ορθών και αντεστραμμένων (inversion). Μια βελτιωμένη έκδοση inverter, αποτελεί εκείνη, της οποίας η τάση εξόδου παρουσιάζεται με τη μορφή του διαμορφωμένου ημίτονου (modified sine inverter). Με κατάλληλη ρύθμιση των χρόνων κλεισίματος ανοίγματος των διακοπτών, επιτυγχάνουμε μικρή τροποποίηση της κυματομορφής εξόδου του, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο αρνητικός τετραγωνικός παλμός είναι μετατοπισμένος χρονικά, σε σχέση με τον θετικό, κατά Τ/6 της περιόδου της συνολικής κυματομορφής. Το χρονικό εύρος των τετραγωνικών τμημάτων είναι Τ/3. Το πλεονέκτημα αυτής της διαμορφωμένης τετραγωνικής κυματομορφής, είναι ότι περιορίζεται το μέγεθος των ανωτέρων αρμονικών και άρα περιορίζεται δραστικά η παραμόρφωση σήματος. Η περίπτωση με μετατόπιση τ=τ/6 μεταξύ των αντεστραμμένων παλμών χαρακτηρίζεται από μικρότερη παραμόρφωση, που επιβάλλουν οι ανώτερες αρμονικές στο σήμα της θεμελιώδους. Οι inverters αυτού του είδους χρησιμοποιούνται ευρέως, χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα στις συσκευές που τροφοδοτούν και παρουσιάζουν αρκετά καλή απόδοση (μέχρι και 96%, σε πλήρες φορτίο). Γενικά, η απόδοση των inverters είναι αρκετά υψηλή (93-96%,), εξαρτώμενη από το ποσοστό του πλήρους φορτίου που τροφοδοτεί. Απαιτείται υψηλή απόδοση, όχι μόνο όταν τροφοδοτείται το πλήρες φορτίο (100%), αλλά και όταν αυτό είναι μειωμένο. Συγκεκριμένα, βασικό απαιτούμενο χαρακτηριστικό ενός inverter είναι η υψηλή απόδοση (>90%) ακόμα κι όταν το φορτίο είναι μόνο 10% του πλήρους. Σημειώνεται, επίσης, ότι η λειτουργία τους συνοδεύεται, κατά περίπτωση, από παραγωγή μεγάλου πλήθους αρμονικών υψηλών συχνοτήτων (κυρίως με τον απλό τετραγωνικό παλμό), που περιορίζονται με ειδικά ηλεκτρονικά φίλτρα. Επιβάλλοντας περισσότερα κλεισίματα των διακοπτών 1,4 και στη συνέχεια των 2, 3 και μάλιστα μεταβαλλόμενης διάρκειας, ανάλογα με τις τιμές ενός ημίτονου, παράγεται ηλεκτρικό σήμα, που πλησιάζει πολύ την ημιτονική μορφή. Οι διατάξεις αυτές ονομάζονται "inverters διαμόρφωσης του εύρους των παλμών της κυματομορφής εξόδου" (Modulated Pulse Width Waveform). [6] [8] 43

44 3.1.3 Μετατροπέας εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές (AC-DC) Σε αυτή τη διάταξη συνδυάζεται ένα σύστημα ανόρθωσης της παρεχόμενης, από την ενεργειακή πηγή (ΑΓ, Η/Ζ), εναλλασσόμενης ηλεκτρικής τάσης (μονοφασικής ή τριφασικής μορφής), χωρίς την παρεμβολή μετασχηματιστή, με μια διάταξη μετατροπής συνεχούς σε συνεχές ρεύμα (DC-DC). Μια τέτοια διάταξη περιλαμβάνει μια ανορθωτική μονάδα σε συνδυασμό με ένα μετατροπέα DC-DC. [7] 3.2 Συσσωρευτές Ο συσσωρευτής είναι μια χημική πηγή ρεύματος, ικανή να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια (αφού τη μετατρέψει σε χημική) και όταν χρειαστεί, να την αποδώσει σε εξωτερικό κύκλωμα. Αποτελείται από δοχείο κατασκευασμένο από μονωτικό υλικό (εβονίτη, πλαστικό, γυαλί) με ηλεκτρολύτη (οξύ ή αλκάλιο), στο οποίο βυθίζονται τα ηλεκτρόδια. Η σύνδεσή τους σε εξωτερικό κύκλωμα προκαλεί σε αυτό διέλευση ρεύματος (εκφόρτιση του ηλεκτρικού συσσωρευτή). Έτσι, στον ηλεκτρικό συσσωρευτή γίνονται χημικές διεργασίες, που έχουν σχέση με τη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Βασικά μεγέθη μπαταριών Οι τέσσερις πιο σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση μιας μπαταρίας είναι: 1. η χωρητικότητα 2. η απόδοση 3. ο ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης 4. η διάρκεια ζωής Δευτερεύοντες παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση μιας μπαταρίας είναι η θερμοκρασία, η αυτοεκφόρτιση και η γήρανση. Φόρτιση/εκφόρτιση: Είναι οι διαδικασίες της μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική (φόρτιση) ή της χημικής σε ηλεκτρική (εκφόρτιση) κατά το πέρασμα του (συνεχούς) ρεύματος από την μπαταρία. Χωρητικότητα: Συμβολίζεται με C και αντιπροσωπεύει την ποσότητα φορτίου (σε Ah) που μια μπαταρία μπορεί να παρέχει κατά τη διάρκεια μιας εκφόρτισης. Ονομαστική χωρητικότητα: Είναι η ποσότητα φορτίου που μπορεί να αντληθεί θεωρητικά από μια μπαταρία σε δεδομένο χρονικό διάστημα 44

45 (συνήθως 10h (C10) ή 20h (C20)) υπό θερμοκρασία 20οC. Βάθος εκφόρτισης: Ο λόγος του αντλούμενου φορτίου μιας μπαταρίας προς την ονομαστική χωρητικότητά της (εκφράζεται ως ποσοστό). Μέγιστο βάθος εκφόρτισης: Η μέγιστη τιμή βάθους εκφόρτισης που μπορεί να λειτουργήσει ένας συσσωρευτής, χωρίς να προκληθεί βλάβη σ αυτόν. Στάθμη φόρτισης (SOC): Η χωρητικότητα που μπορεί να εκφορτιστεί από μια μπαταρία σε μια συγκεκριμένη στιγμή (εκφράζεται ως ποσοστό). Ενεργός αξιοποιήσιμη χωρητικότητα: Ορίζεται ως το γινόμενο της ονομαστικής χωρητικότητας και του μέγιστου βάθους εκφόρτισης. Ρυθμός εκφόρτισης/φόρτισης: Αντιπροσωπεύει το ρεύμα στο οποίο φορτίζονται/εκφορτίζονται οι μπαταρίες για συγκεκριμένο αριθμό ωρών (π.χ., C/5 για 5 ώρες, C/20 για 20 ώρες, κλπ). Απόδοση: Ορίζεται ως ο λόγος των Ah που εκφορτίζονται από τη μπαταρία προς τις Ah που φορτίζονται στη μπαταρία μέσα σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Κύκλος: Η επαναλαμβανόμενη διαδικασία εκφόρτισης και φόρτισης που συμβαίνει σε μια μπαταρία εν λειτουργία. Κύκλος ζωής: Είναι ένα μέτρο του πόσους κύκλους μια μπαταρία μπορεί να δώσει κατά τη διάρκεια της χρήσιμης ζωής της, και αντιστοιχεί συνήθως στον αριθμό των κύκλων εκφόρτισης για ένα συγκεκριμένο βάθος που η μπαταρία μπορεί να πραγματοποιήσει, πριν η διαθέσιμη χωρητικότητά της μειωθεί σε ένα συγκεκριμένο ποσοστό (συνήθως 80%) της αρχικής χωρητικότητας. Αυτοεκφόρτιση: Η απώλεια φορτίου σε μια μπαταρία, αν αυτή αφεθεί σε κατάσταση ανοικτού κυκλώματος για υπολογίσιμο χρονικό διάστημα (τυπικές τιμές: 1-4% ανά μήνα σε θερμοκρασία C). [2] [31] Μπαταρίες Μολύβδου Οξέος Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (lead - acid), που εφευρέθηκαν το 1859, αποτελούν την παλαιότερη και πιο διαδεδομένη μορφή επαναφορτιζόμενων ηλεκτροχημικών συσκευών. Έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε αυτόνομα υβριδικά συστήματα και αποτελούν πλέον ώριμη τεχνολογία. Στην κατάσταση πλήρους φόρτισης αποτελούνται από ένα ηλεκτρόδιο μολύβδου (άνοδος) και ένα ηλεκτρόδιο διοξειδίου του μολύβδου (κάθοδος) βυθισμένα σε έναν ηλεκτρολύτη με περιεκτικότητα περίπου 37% σε θειικό οξύ. Σε κατάσταση πλήρους εκφόρτισης και τα δύο ηλεκτρόδια αποτελούνται από θειικό 45

46 μόλυβδο, η τάση στα άκρα του στοιχείου μηδενίζεται και ο ηλεκτρολύτης δεν περιέχει πλέον θειικό οξύ και ουσιαστικά μετατρέπεται σε νερό. Οι χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται κατά την εκφόρτιση και την φόρτιση είναι: Pb + PbO2 + 2H2SO4 ^ 2PbSO4 + H2O Ανάλογα με τον τύπο της ανόδου, οι μπαταρίες διακρίνονται σε τύπου Manchex, σωληνωτού τύπου και τύπου λεπτής επίπεδης πλάκας. Η ονομαστική τάση κάθε κελιού είναι περίπου 2 Volt. Με κριτήριο τη λειτουργία, οι δύο κύριοι τύποι μπαταριών μολύβδου οξέος είναι οι flooded batteries και οι VRLA. Στις πρώτες ο ηλεκτρολύτης είναι σε υγρή μορφή και απαιτείται συστηματική προσθήκη αποσταγμένου νερού για σωστή λειτουργία. Σε περίπτωση υπερφόρτισης παρατηρείται υπερβολική ηλεκτρόλυση του νερού με ταυτόχρονη εκπομπή υδρογόνου και οξυγόνου από κάθε κελί, αέρια που συνιστούν ένα εκρηκτικό μίγμα. Για αυτό το λόγο απαιτείται η παρουσία μηχανισμού που σταματά τη διαδικασία φόρτισης όταν η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη (trickle charge). Οι μπαταρίες VRLA διαφέρουν στο ότι σφραγίζονται με μία βαλβίδα ελέγχου της πίεσης και στο ότι ο ηλεκτρολύτης είναι ακινητοποιημένος σε μορφή gel ή σε απορροφητικό γυαλί (absorbent glass mat). Τα βασικότερα πλεονεκτήματα των τελευταίων είναι η δραματική μείωση της απαιτούμενης συντήρησης, η μη εκπομπή όξινων αερίων, το μικρότερο βάρος και η πιο εύκολη τοποθέτηση, ενώ μειονέκτημα αποτελεί το μεγαλύτερο κόστος. Η βασικότερη αιτία της τόσο ευρείας διάδοσης των μπαταριών μολύβδου οξέος είναι το μικρό κόστος τους συγκριτικά με άλλες τεχνολογίες μπαταριών ($ ανά kwh), σε συνδυασμό με την εμπορική διαθεσιμότητα, αλλά και η πολυετής συσσωρευμένη λειτουργική εμπειρία. Επιπρόσθετα, οι μπαταρίες αυτές χαρακτηρίζονται από υψηλούς βαθμούς απόδοσης (roundtrip efficiency) της τάξης του 70-90%, καθώς και από υψηλή αξιοπιστία. Η εμπειρία έχει δείξει ότι ο ρυθμός αστοχίας των μπαταριών μολύβδου οξέος είναι μικρότερος από 0.25%. Επίσης, πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής είναι οι μικροί ρυθμοί αυτοεκφόρτισης που παρουσιάζει και η εξαιρετική συμπεριφορά στην παροχή βηματικής τάσης. Για τον τελευταίο λόγο, οι μπαταρίες αυτές μπορούν να παρακολουθήσουν αποτελεσματικά τις γρήγορες αλλαγές του φορτίου, ιδιότητα που τις καθιστά κατάλληλες για εφαρμογές ποιότητας ισχύος, UPS, διατήρησης στρεφόμενης εφεδρείας και για power bridging σε υβριδικά συστήματα που χρησιμοποιούν ΑΠΕ. 46

47 Από την άλλη μεριά, οι εφαρμογές τους για διαχείριση ενέργειας μεγάλης κλίμακας είναι πολύ περιορισμένες εξαιτίας της μικρής διάρκειας ζωής τους και της χαμηλής ειδικής ενέργειας, που εν γένει κυμαίνεται μεταξύ 25 και 50 Wh/kg. Επιπρόσθετα αρνητικά χαρακτηριστικά αποτελούν η μειωμένη απόδοση σε πολύ χαμηλές και πολύ υψηλές θερμοκρασίες (σύνηθες θερμοκρασιακό εύρος -20 C έως 50 C), η χρήση μη φιλικών προς το περιβάλλον υλικών, η ανάγκη για συχνή αναπλήρωση νερού και το συνιστώμενο μικρό βάθος εκφόρτισης. Παρόλα αυτά, έχουν χρησιμοποιηθεί σε μερικές εμπορικές εφαρμογές διαχείρισης ενέργειας μεγάλης κλίμακας όπως στα BEWAG, Iberdrola, PREPA, Chino. Γενικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι ελκυστικές ως διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας για εφαρμογές ισχύος 100 kw έως 10 MW. [32] [2] Μπαταρίες Νικελίου Καδμίου Οι μπαταρίες νικελίου καδμίου (NiCd) κατατάσσονται μαζί με τις μολύβδου οξέος από άποψη δημοτικότητας και τεχνολογικής ωριμότητας, αφού χρησιμοποιούνται για περίπου εκατό χρόνια. Τα κελιά αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια, ηλεκτρολύτη με υδροξείδιο του καλίου και ένα διαχωριστή, ενώ συνήθως περικλείονται σε μεταλλική θήκη που σφραγίζεται με μία πλάκα εφοδιασμένη με βαλβίδα ασφαλείας. Το θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο, απομονωμένα το ένα από το άλλο μέσω του διαχωριστή, τυλίγονται σε σπιράλ σχήμα μέσα στη θήκη. Σε κατάσταση πλήρους φόρτισης, το θετικό ηλεκτρόδιο περιέχει υδροξείδιο του νικελίου και το αρνητικό κάδμιο. Η ονομαστική τάση εκφόρτισης του κελιού είναι 1,2 Volt σε ρυθμό εκφόρτισης 0,2C και ελαττώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Η συνολική χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι (με φορά προς τα δεξιά η εκφόρτιση): 2NiO(OH) + Cd + 2H2O ^ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 Συγκριτικά με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος, οι νικελίου καδμίου έχουν μεγαλύτερες τιμές ειδικής ενέργειας (50-75 Wh/kg), μεγαλύτερη διάρκεια ζωής ( κύκλοι), υποστηρίζουν υψηλότερους ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης, αλλά έχουν μικρότερη απόδοση (60-75%), είναι και πιο ακριβές. Επιπλέον πλεονεκτήματά τους αποτελούν η αυξημένη αξιοπιστία και οι πολύ μικρές ανάγκες συντήρησης, η δυνατότητα βαθιάς εκφόρτισης και η εξαιρετική παροχή βηματικής τάσης. Για τους λόγους αυτούς, είναι γενικά κατάλληλες για φορητές συσκευές, φωτισμό έκτακτης ανάγκης, UPS και εκκίνηση κινητήρων. 47

48 Ωστόσο, σήμερα οι φορητές συσκευές, όπως τα κινητά τηλέφωνα και οι φορητοί υπολογιστές, χρησιμοποιούν άλλες τεχνολογίες ηλεκτροχημικής αποθήκευσης. Η τεχνολογία αυτή έχει χρησιμοποιηθεί και σε εφαρμογές ηλεκτροπαραγωγής. Έχουν εγκατασταθεί υβριδικά συστήματα που διαθέτουν μπαταρίες νικελίου καδμίου ως διατάξεις αποθήκευσης, όπως το υβριδικό σύστημα στο Wales της Αλάσκας. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μεγαλύτερης ισχύος σύστημα ηλεκτροχημικής αποθήκευσης παγκοσμίως έχει εγκατασταθεί στο Golden Valley της Αλάσκας και χρησιμοποιεί μπαταρίες NiCd. Αποτελείται από τέσσερις συστοιχίες μπαταριών με 3440 κελιά η καθεμία και έχει ικανότητα απόδοσης ισχύος 40 MW για 7 min ή 27MW για 15 min. Το βασικό μειονέκτημά τους είναι το σχετικά υψηλό κόστος ($850/kWh) εξαιτίας της ακριβής κατασκευαστικής διαδικασίας. Επιπλέον, το κάδμιο είναι ένα βαρύ τοξικό μέταλλο, που εισάγει προβλήματα διάθεσης και ανακύκλωσης των μπαταριών νικελίου καδμίου. Αρνητικό χαρακτηριστικό αποτελεί και το φαινόμενο μνήμης (memory effect Σχ 3.5.1), σύμφωνα με το οποίο, όταν μία μπαταρία NiCd φορτίζεται και εκφορτίζεται εκατοντάδες φορές σε ένα συγκεκριμένο ποσοστό της ονομαστικής χωρητικότητας, τείνει να το «θυμάται» και τελικά μπορεί να εκφορτιστεί αποτελεσματικά μόνο μέχρι το ποσοστό αυτό. Στην πραγματικότητα, στο σημείο που άρχιζε η επαναφόρτιση παρατηρείται μία δραματική μείωση της τάσης της μπαταρίας, σαν να ήταν πλήρως εκφορτισμένη, ενώ πρωτογενώς η χωρητικότητα δεν μειώνεται σημαντικά. Ωστόσο, εάν το σύστημα, που ηλεκτροδοτείται από την μπαταρία, δεν μπορεί να λειτουργήσει κατά τη διάρκεια της χαμηλής τιμής της τάσης, είναι αδύνατο να αξιοποιήσει όλη την αποθηκευμένη ενέργεια, οπότε πρακτικά η μπαταρία εμφανίζει μειωμένη χωρητικότητα. Αν παρατηρηθεί το memory effect, μπορεί να εξαλειφθεί μετά από μία σειρά πλήρων εκφορτίσεων της μπαταρίας. [32] [2] 48

49 Σχ Σύγκριση του memory effect στους συσσωρευτές NiCd και του lazy effect στους NiMH. Shutoff Threshold είναι το ελάχιστο όριο τάσης για να μπορεί να αποδώσει ισχύ ο συσσωρευτής. [31] Μπαταρίες Τεχνολογίας Λιθίου Οι μπαταρίες που βασίζονται στο λίθιο συνιστούν μία σχετικά νέα τεχνολογία, η οποία σήμερα εφαρμόζεται κυρίως σε φορητές συσκευές, αλλά στο σύντομο μέλλον αναμένεται η χρήση τους σε υβριδικά συστήματα, καθώς ήδη χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα. Η τεχνολογία περιλαμβάνει δύο κύριους τύπους μπαταριών: τις ιόντων λιθίου (Li-ion) και τις λιθίου πολυμερούς (Li-poly). Στις πρώτες, η κάθοδος κατασκευάζεται από μεταλλικό οξείδιο λιθίου που συνήθως είναι LiCoO2, LiMO2 ή LiNiO2, η άνοδος από γραφιτικό άνθρακα με δομή στοιβάδας, ενώ ο ηλεκτρολύτης από τη διάλυση αλάτων λιθίου (όπως το LiPF6) σε οργανικούς ανθρακικούς διαλύτες. Κατά τη φάση της φόρτισης, τα άτομα λιθίου στην κάθοδο μετατρέπονται σε ιόντα και μετακινούνται διαμέσου του ηλεκτρολύτη προς την άνοδο, όπου συνδυάζονται με ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα και τοποθετούνται ως άτομα λιθίου μεταξύ των ανθρακικών στοιβάδων. Αυτή η διαδικασία αντιστρέφεται κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης. Η σημαντικότερη διαφορά των μπαταριών Li-poly είναι ότι ο διαλύτης είναι από στερεό πολυμερές και χρησιμοποιείται ταυτόχρονα και ως διαχωριστής. Οι συνολικές ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στους δύο τύπους μπαταριών είναι (προς τα δεξιά είναι η φόρτιση): LiCoO2 + 6C ^ Lil_xCoO2 + LixC6 49

50 Το βασικότερο πλεονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι οι πολύ υψηλές τιμές ειδικής ενέργειας που κυμαίνονται μεταξύ Wh/kg για τις μπαταρίες Liion και Wh/kg για τις Li-poly, καθώς και οι πολύ μεγάλοι βαθμοί απόδοσης που μπορεί να αγγίξουν και το 100%. Πιο συγκεκριμένα, οι μπαταρίες Li-ion εμφανίζουν αξιοσημείωτη διάρκεια ζωής συνδυασμένη με αρκετά βαθιές εκφορτίσεις, καθώς 3000 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης με βάθη εκφόρτισης 80% αποτελούν τυπικές τιμές. Επιπρόσθετα πλεονεκτήματα αποτελούν ο χαμηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης (<3% ανά μήνα), η μικρή ανάγκη για συντήρηση και η ικανότητα παροχής ρευμάτων πολύ υψηλής τιμής. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής τους επηρεάζεται αρνητικά σε μεγάλο βαθμό από τις υψηλές θερμοκρασίες, ενώ μπορεί να μειωθεί δραστικά σε περίπτωση υπερβολικά βαθιάς εκφόρτισης, γεγονός που τις καθιστά ακατάλληλες για εφαρμογές εφεδρείας. Επιπλέον αρνητικά στοιχεία αποτελούν ο περιορισμένος ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης για λόγους αποφυγής δημιουργίας metallic lithium plating και η μεγάλη ευαισθησία σε περίπτωση υπερφόρτισης. Οι μπαταρίες Li- poly πλεονεκτούν έναντι των Li-ion από άποψη βάρους και ασφάλειας, καθώς σε αντίθεση με τις τελευταίες δεν εμφανίζουν κίνδυνο αυτανάφλεξης. Από την άλλη μεριά, το σημαντικότερο πρόβλημα που παρουσιάζουν είναι η περιορισμένη διάρκεια ζωής (περίπου 600 κύκλοι) και το πιο στενό θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας σε σχέση με τις μπαταρίες Li-ion. Κοινό πλεονέκτημα και των δύο τεχνολογιών είναι ότι η ονομαστική τάση του κελιού είναι 3,7 Volt, δηλαδή μεγαλύτερη από τις άλλες τεχνολογίες. Γι αυτό τον λόγο, απαιτείται η σύνδεση μικρότερου αριθμού κελιών σε σειρά, ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό επίπεδο τάσης, οδηγώντας ίσως έτσι σε μικρότερο τελικό κόστος κατασκευής. Αντίθετα, σημαντικό κοινό μειονέκτημα συνιστά ο μικρότερος βαθμός αξιοπιστίας συγκριτικά με τις συμβατικές τεχνολογίες μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου. Σήμερα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου καλύπτουν το 50% της αγοράς των μικρών φορητών συσκευών, αν και υπάρχουν προκλήσεις για την επέκτασή τους σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος. Το μεγαλύτερο εμπόδιο είναι το μεγάλο κόστος, εξαιτίας της ακριβής παραγωγής και συσκευασίας, καθώς και της παρουσίας ειδικών κυκλωμάτων προστασίας από υπερφόρτιση. Σήμερα η έρευνα στις μπαταρίες τεχνολογίας λιθίου επικεντρώνεται κυρίως στη μείωση του κόστους που κυμαίνεται γενικά μεταξύ /kwh με τη χρήση φθηνότερων υλικών, την αύξηση της διάρκειας ζωής και τη μείωση 50

51 του κινδύνου αυτανάφλεξης στην περίπτωση της τεχνολογίας Li-ion. Αρκετές εταιρίες προσπαθούν να μειώσουν το κόστος παραγωγής των μπαταριών Liion με σκοπό την επέκτασή τους στην αγορά μεγάλης κλίμακας ισχύος και προς αυτήν την κατεύθυνση έχουν παραχθεί μοντέλα επίδειξης ισχύος 3 kw. Η πιο συνήθης Li-ion κυψέλη μπαταρίας είναι η (18mm διάμετρος, 65mm μήκος και 0 υποδηλώνει το κυλινδρικό σχήμα), καθώς βρίσκεται σε Laptop, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και ποικίλες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές. Εχει nominal Voltage στα 3,7V και χωρητικότητα έως 3000mAh. Τα επόμενα χρόνια θα αντικατασταθούν με τις που έχουν κατά 10% αυξημένες διαστάσεις με αποτέλεσμα την δραματική αύξηση της ηλεκτροχημικής χωρητικότητας. [14] [32] 51

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 o ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ 4.1 Το Πρόγραμμα Homer Κατά τη διαδικασία σχεδιασμού ενός συστήματος ηλεκτροπαραγωγής πρέπει να ληφθούν διάφορες αποφάσεις, ώστε να είναι ρυθμισμένο και να λειτουργεί ορθά, όπως το τι είδους στοιχεία πρέπει να συμπεριληφθούν στο σύστημα, σε τι ποσότητα και σε ποιο μέγεθος. Η ποικιλία των τεχνολογιών που είναι πλέον διαθέσιμες, οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας και το αποθεματικό τους, καθώς και το κόστος του κάθε προς χρήση στοιχείου καθιστούν πολύπλοκες αυτές τις αποφάσεις. Το Homer, που χρησιμοποιήθηκε για την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, συμβάλλει στη διευκόλυνση αυτής της αλληλουχίας αποφάσεων. Σχεδιάστηκε από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμης Ενέργειας των ΗΠΑ (National Renewable Energy Laboratory - NREL) ως μοντέλο βελτιστοποίησης διεσπαρμένης ενέργειας και συνεπώς παρέχει μοντέλα βελτιστοποίησης για μικρά συστήματα ηλεκτροπαραγωγής, απλοποιώντας τη διαδικασία αξιολόγησης του σχεδιασμού συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για πληθώρα εφαρμογών, είτε αυτά είναι συνδεδεμένα με το κεντρικό δίκτυο ηλεκτροδότησης είτε όχι. Το Homer αναπτύσσεται και εμπλουτίζεται από τον Φεβρουάριο του Αποτελεί ένα εξελιγμένο εργαλείο προσομοίωσης και έχει χρησιμοποιηθεί για τον αρχικό σχεδιασμό χιλιάδων απλών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής ανά τον κόσμο. Τα δεδομένα εισόδου του προγράμματος περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, στοιχεία των ανανεώσιμων πηγών (αναμενόμενες ταχύτητες ανέμου, ηλιακή ακτινοβολία κτλ.), δεδομένα του φορτίου ζήτησης, κόστη λειτουργίας και συντήρησης του συστήματος, αρχικό κόστος της επένδυσης κ.α. Το πρόγραμμα λαμβάνει υπόψη του τις οικονομικές και τεχνικές δυνατότητες του επιθυμητού συστήματος και δημιουργεί αναλυτικές εκθέσεις, οι οποίες 52

53 παρουσιάζουν πλήθος χαρακτηριστικών του εκάστοτε συστήματος (αρχικό κόστος επένδυσης, ετήσιο κόστος λειτουργίας, βαθμός εισχώρησης ανανεώσιμων πηγών κτλ.). Παράλληλα, οι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης και ανάλυσης ευαισθησίας που χρησιμοποιεί το Homer κάνουν ευκολότερη την εκτίμηση των διαθέσιμων παραμετροποιήσεων που μπορεί να γίνουν στο σύστημα, ώστε να είναι αποδοτικότερο. Παρακάτω περιγράφονται αναλυτικότερα τα στάδια λειτουργίας του προγράμματος. Το Homer μοντελοποιεί την εκάστοτε διαμόρφωση του συστήματος, εκτελώντας προσομοίωση της λειτουργίας του για τη διάρκεια ενός έτους. Συνηθίζεται η προσομοίωση με ωριαίο βήμα, αν και το πρόγραμμα παρέχει τη δυνατότητα ορισμού βήματος ανά όσα λεπτά επιθυμεί ο ερευνητής. Διατρέχει δηλαδή όλο το έτος με το βήμα που του έχει οριστεί, υπολογίζοντας τη διαθεσιμότητα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συγκρίνοντάς την με το φορτίο ζήτησης και αποφασίζοντας πώς θα διαχειριστεί το πλεόνασμα της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ή πώς θα παράγει (ή θα αγοράσει από το δίκτυο) ενέργεια, ώστε να καλύψει το φορτίο σε περιόδους ελλείμματος. Όταν ολοκληρωθούν αυτοί οι υπολογισμοί για όλο το έτος, το Homer προσδιορίζει εάν το σύστημα ικανοποιεί τους περιορισμούς που έχει ορίσει ο χρήστης. Οι περιορισμοί αυτοί μπορεί να αφορούν το ποσοστό του εξυπηρετούμενου φορτίου, το ποσοστό διείσδυσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, τις εκπομπές ρύπων κτλ. Το HOMER πραγματοποιεί τρεις κύριες λειτουργίες: προσομοίωση, βελτιστοποίηση και ανάλυση ευαισθησίας. Κατά τη διαδικασία προσομοίωσης, το HOMER μοντελοποιεί την απόδοση ενός συγκεκριμένου συστήματος μικρής ισχύος κάθε ώρα του έτους για τον καθορισμό της τεχνικής σκοπιμότητας και του κόστους κύκλου ζωής του. Κατά τη διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER προσομοιώνει το σύστημα με κάθε παράμετρό του να έχει ως είσοδο ένα εύρος τιμών σε αναζήτηση αυτού του συστήματος που πληροί τους τεχνικούς περιορισμούς με το χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής. Κατά τη διαδικασία ανάλυσης ευαισθησίας, το HOMER εκτελεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις κάτω από μια σειρά από παραδοχές για την εκτίμηση των επιπτώσεων της αβεβαιότητας ή αλλαγές στις εισόδους του μοντέλου. Η βελτιστοποίηση καθορίζει τη βέλτιστη τιμή των μεταβλητών, κατά την οποία ο σχεδιαστής του συστήματος έχει έλεγχο, όπως ο συνδυασμός των στοιχείων που συνθέτουν το σύστημα και το μέγεθος ή την ποσότητα του κάθε ενός. Η ανάλυση ευαισθησίας βοηθά να αξιολογήσει τις επιπτώσεις της αβεβαιότητας ή αλλαγές στις μεταβλητές, στις οποίες ο σχεδιαστής δεν έχει 53

54 κανέναν έλεγχο, όπως είναι η μέση ταχύτητα του ανέμου ή η μελλοντική εξέλιξη των τιμών των καυσίμων. Το σχήμα δείχνει τη σχέση μεταξύ προσομοίωσης, βελτιστοποίησης και ανάλυσης ευαισθησίας. Η έλλειψη της βελτιστοποίησης περικλείει την έλλειψη της προσομοίωσης για να δείξει το γεγονός ότι μια βελτιστοποίηση αποτελείται από πολλαπλές προσομοιώσεις. Ομοίως, η έλλειψη της ανάλυσης ευαισθησίας περιλαμβάνει την έλλειψη βελτιστοποίησης, διότι μια ανάλυση ευαισθησίας αποτελείται από πολλές βελτιστοποιήσεις. Σχήμα Σχέση μεταξύ προσομοίωσης, βελτιστοποίησης και ανάλυσης ευαισθησίας [33] Προκειμένου να περιοριστεί η πολυπλοκότητα των δεδομένων εισαγωγής, αλλά και για να γίνονται οι υπολογισμοί αρκετά γρήγορα, ώστε η βελτιστοποίηση και η ανάλυση ευαισθησίας να είναι πρακτικά εφικτή, η λογική του HOMER είναι λιγότερο λεπτομερής από άλλα μοντέλα προσομοίωσης για συστήματα μικρής ισχύος όπως το Hybrid2, το PV-DesignPro, και το PV*SOL. Από την άλλη πλευρά, το HOMER είναι πιο λεπτομερές από στατιστικά μοντέλα, όπως το RETScreen, τα οποία δεν εκτελούν προσομοιώσεις χρονοσειρών. Από όλα αυτά τα μοντέλα, το HOMER είναι το πιο ευέλικτο όσον αφορά την ποικιλία των συστημάτων που μπορεί να προσομοιώσει. [33] 54

55 4.2 Προσομοίωση (Sumulation) Η θεμελιώδης ικανότητα του HOMER είναι προσομοίωση μιας μακροχρόνιας λειτουργίας ενός συστήματος μικρής ισχύος. Οι λειτουργίες της βελτιστοποίησης και της ανάλυσης ευαισθησίας βασίζονται σε αυτή τη δυνατότητα προσομοίωσης. Η διαδικασία προσομοίωσης καθορίζει πώς μια συγκεκριμένη ρύθμιση του συστήματος, ένας συγκεκριμένος συνδυασμός στοιχείων του συστήματος με συγκεκριμένα μεγέθη, καθώς και μια στρατηγική λειτουργίας που ορίζει τον τρόπο που τα στοιχεία αυτά λειτουργούν μαζί, θα συμπεριφέρονταν σε ένα δεδομένο περιβάλλον για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα. Το HOMER μπορεί να προσομοιώσει μια ευρεία ποικιλία ρυθμίσεων για συστήματα μικρής ισχύος, συμπεριλαμβάνοντας οποιοδήποτε συνδυασμό από συστοιχία φωτοβολταϊκών, μία ή περισσότερες ανεμογεννήτριες, υδροστρόβιλο ελεύθερης ροής, και έως τρεις γεννήτριες, μπαταρίες, ένα AC- DC μετατροπέα κ.α. Το σύστημα μπορεί να είναι συνδεδεμένο στο δίκτυο ή αυτόνομο και μπορεί να εξυπηρετεί AC και DC φορτία και ένα θερμικό φορτίο. Στα παρακάτω σχηματικά διαγράμματα φαίνονται μερικά παραδείγματα των τύπων των συστημάτων που μπορεί το HOMER να προσομοιώσει. Τα συστήματα που περιέχουν μπαταρίες και μία ή περισσότερες γεννήτριες απαιτούν ειδικές ρυθμίσεις για τον τρόπο με τον οποίο φορτίζονται οι μπαταρίες. Το HOMER έχει δύο μοντέλα: α) load-following και β) cyclecharging. Σύμφωνα με το πρώτο, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας φορτίζουν τις μπαταρίες, ενώ οι γεννήτριες όχι. Με το δεύτερο μοντέλο, κάθε φορά που λειτουργούν οι γεννήτριες, παράγουν περισσότερη ενέργεια από ό,τι απαιτείται για την εξυπηρέτηση του φορτίου και το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας φορτίζει τις μπαταρίες. 55

56 Σχήμα Παράδειγμα διαφόρων συστημάτων που το Homer μπορεί να προσομοιώσει εκτός δικτύου [33] 56

57 Σχήμα Παράδειγμα διαφόρων συστημάτων που το Homer μπορεί να προσομοιώσει εντός δικτύου [33] Η διαδικασία προσομοίωσης εξυπηρετεί δύο σκοπούς: Πρώτον, αποδεικνύεται αν το σύστημα είναι πραγματοποιήσιμο. Το HOMER θεωρεί ότι το σύστημα είναι εφικτό, εάν μπορεί να εξυπηρετήσει επαρκώς τα ηλεκτρικά και θερμικά φορτία και να ικανοποιήσει οποιονδήποτε άλλον περιορισμό, που επιβάλλεται από τον χρήστη. Δεύτερον, εκτιμά το κόστος του κύκλου ζωής του συστήματος, το οποίο είναι το συνολικό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας του συστήματος κατά τη διάρκεια ζωής του. Το κόστος κύκλου ζωής είναι ένα βολικό μέσο σύγκρισης των συστημάτων από οικονομικής απόψεως. Οι συγκρίσεις αυτές αποτελούν τη βάση της διαδικασίας βελτιστοποίησης του HOMER, που περιγράφεται σε επόμενη ενότητα. Το HOMER προσομοιώνει μια συγκεκριμένη ρύθμιση ενός συστήματος, εκτελώντας ωριαίες προσομοιώσεις χρονοσειρών για ένα έτος. Το HOMER τρέχει με βήματα μίας ώρας καθ όλη τη διάρκεια του έτους, υπολογίζοντας τις διαθέσιμες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, συγκρίνοντάς τες με το 57

58 ηλεκτρικό φορτίο, και αποφασίζοντας τί θα κάνει την επιπλέον ενέργεια σε περίπτωση περίσσειας ή πώς θα παράγει παραπάνω (ή θα αγοράσει από το δίκτυο) σε περίπτωση έλλειψης. Όταν ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί ενός έτους, αποφασίζεται αν το σύστημα ικανοποιεί τους περιορισμούς του χρήστη, όσον αφορά το φορτίο που καλύφθηκε και τις εκπομπές συγκεκριμένων ρύπων. Το HOMER υπολογίζει και τις ποσότητες που απαιτούνται για τον υπολογισμό του κόστους κύκλου ζωής του συστήματος, όπως την ετήσια κατανάλωση καυσίμου, τις ετήσιες ώρες λειτουργίας της γεννήτριας, την αναμενόμενη διάρκεια ζωής της μπαταρίας ή την ποσότητα ενέργειας που αγοράζεται κάθε χρόνο από το δίκτυο. Η ποσότητα, που χρησιμοποιεί το HOMER για να υπολογιστεί το κόστος του κύκλου ζωής του συστήματος, είναι το συνολικό καθαρό παρόν κόστος (NPC). Αυτή η ενιαία αξία περιλαμβάνει όλες τις δαπάνες και τα έσοδα που λαμβάνουν χώρα εντός της διάρκειας ζωής του σχεδίου, με τις μελλοντικές ταμειακές ροές να ανάγονται σε παρούσες. Το συνολικό καθαρό παρόν κόστος περιλαμβάνει το αρχικό κόστος του κεφαλαίου από τις συνιστώσες του συστήματος, το κόστος των τυχόν αντικαταστάσεων συστατικών που συμβαίνουν κατά την διάρκεια ζωής του έργου, το κόστος συντήρησης και καυσίμων, καθώς και το κόστος της αγοραστικής δύναμης από το δίκτυο. Τα ενδεχόμενα έσοδα από την πώληση ενέργειας στο δίκτυο μειώνει το συνολικό NPC. Για πολλούς τύπους συστημάτων μικρής ισχύος, ιδιαίτερα αυτών που περιέχουν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, χρονικό βήμα μιας ώρας είναι απαραίτητο για να περιγραφεί η συμπεριφορά του συστήματος με αποδεκτή ακρίβεια. Για παράδειγμα, σε ένα σύστημα που περιλαμβάνει ανεμογεννήτρια, ντηζελογεννήτρια και μπαταρίες, η γνώση του μηνιαίου ή ακόμη ημερήσιου μέσου όρου της αιολικής ισχύος δεν επαρκεί, δεδομένου ότι ο χρόνος και η μεταβλητότητα της ισχύος αυτής είναι τόσο σημαντική, όσο και η μέση τιμή. Για να προβλεφθούν με ακρίβεια η κατανάλωση καυσίμου ντίζελ, οι ώρες λειτουργίας των γεννητριών, η φόρτιση των μπαταριών και το ποσό του πλεονάσματος ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε πόσο στενά η απόδοση της αιολικής ενέργειας σχετίζεται με το ηλεκτρικό φορτίο. Το ωριαίο βήμα του HOMER είναι χρόνος αρκετά μικρός για να συλλάβει τις πιο σημαντικές στατιστικές πτυχές του φορτίου και την αβεβαιότητα που εμφανίζουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αλλά όχι τόσο μικρός, ώστε να επιβραδύνει τις διαδικασίες της βελτιστοποίησης και την ανάλυση ευαισθησίας κάνοντάς τες μη εφικτές. 58

59 Το σχήμα δείχνει ένα μέρος των ωριαίων αποτελεσμάτων της προσομοίωσης του HOMER που εξάγονται κατά τη μοντελοποίηση ενός συστήματος με φωτοβολταϊκά και μπαταρίες. Σε ένα τέτοιο σύστημα, οι μπαταρίες φορτίζονται όταν η ισχύς των φωτοβολταϊκών υπερβαίνει το φορτίο, και εκφορτίζονται όταν το φορτίο υπερβαίνει την ισχύ των φωτοβολταϊκών. Το γράφημα δείχνει πώς η αποθηκευμένη ενέργεια των μπαταριών πέφτει κατά τρεις συνεχόμενες ημέρες χαμηλής ηλιοφάνειας, Οκτώβριος Η εξάντληση της μπαταρίας δείχνει ότι τις ημέρες 26 και 27 δεν θα καλυπτόταν το φορτίο. Το HOMER καταγράφει τις εν λόγω ελλείψεις ενέργειας και στο τέλος της προσομοίωσης καθορίζει αν το σύστημα εξυπηρέτησε επαρκώς το φορτίο, ώστε να θεωρηθεί πραγματοποιήσιμο, σύμφωνα με τους περιορισμούς που καθορίζει ο χρήστης. Το HOMER χρησιμοποιεί επίσης τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τον υπολογισμό της απόδοσης της μπαταρίας (το ποσό της ενέργειας που εναλλάσσεται μέσα από την μπαταρία στη διάρκεια του έτους), το οποίο χρησιμοποιεί για να υπολογίσει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας επηρεάζει το συνολικό καθαρό παρόν κόστος του συστήματος. [33] [34] Σχήμα Παράδειγμα προσομοίωσης με καταγραφή ποσοστού φόρτισης/εκφόρτισης μπαταριών [33] 59

60 4.3 Βελτιστοποίηση (optimization) Ενώ η διαδικασία της προσομοίωσης μοντελοποιεί μία συγκεκριμένη ρύθμιση του συστήματος, η διαδικασία της βελτιστοποίησης καθορίζει την καλύτερη δυνατή διαμόρφωση του συστήματος. Στο HOMER, η καλύτερη δυνατή, ή βέλτιστη, διαμόρφωση του συστήματος είναι αυτή που ικανοποιεί τους περιορισμούς που ορίζει ο χρήστης με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Η εύρεση της βέλτιστης διαμόρφωσης του συστήματος μπορεί να περιλαμβάνει τα συστατικά τα οποία θα εμπεριέχονται στο σύστημα, το μέγεθος ή την ποσότητα του κάθε στοιχείου, καθώς και του μοντέλου που θα χρησιμοποιηθεί, όπως αναφέρθηκαν στη διαδικασία της προσομοίωσης. Κατά τη διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER προσομοιώνει πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις του συστήματος, απορρίπτει τις μη πραγματοποιήσιμες (αυτές που δεν πληρούν τους περιορισμούς του χρήστη), κατατάσσει τις πραγματοποιήσιμες σύμφωνα με το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, και παρουσιάζει το πραγματοποιήσιμο, με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος, ως την βέλτιστη διαμόρφωση του συστήματος. Ο στόχος της διαδικασίας της βελτιστοποίησης είναι να καθοριστεί η βέλτιστη τιμή της κάθε μεταβλητής απόφασης που ενδιαφέρει τον χρήστη. Μια μεταβλητή απόφασης είναι μια μεταβλητή για την οποία ο σχεδιαστής του συστήματος έχει τον έλεγχο και για την οποία το HOMER μπορεί να εξετάσει πολλαπλές πιθανές τιμές στη διαδικασία βελτιστοποίησης. Πιθανές μεταβλητές απόφασης στο HOMER είναι οι εξής: Το μέγεθος των φωτοβολταϊκών στοιχείων Ο αριθμός των ανεμογεννητριών Το μέγεθος της κάθε γεννήτριας Ο αριθμός μπαταριών Το μέγεθος του AC-DC μετατροπέα Η διαδικασία της βελτιστοποίησης μπορεί να βοηθήσει τον χρήστη να βρει την βέλτιστη διαμόρφωση του συστήματος από πολλές δυνατότητες. Για παράδειγμα, για την μετασκευή ενός υπάρχοντος συστήματος ανεμογεννητριών, ντιζελογεννητριών και μπαταριών ακολουθείται η εξής διαδικασία: Αρχικά είναι γνωστή η διάταξη του συστήματος, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 4.3.1, αλλά δεν είναι γνωστός ο αριθμός των ανεμογεννητριών, ο αριθμός των μπαταριών, καθώς και το μέγεθος του μετατροπέα για ελαχιστοποίηση του κόστους κύκλου ζωής. Οι τρεις αυτές 60

61 μεταβλητές θα ήταν επομένως μεταβλητές απόφασης στην παρούσα ανάλυση. Σχήμα Σύστημα με ανεμογεννήτρια και γεννήτρια [33] Το HOMER επιτρέπει στοn χρήστη να εισάγει πολλαπλές τιμές για κάθε μεταβλητή απόφασης. Χρησιμοποιώντας έναν πίνακα, όπως αυτός που φαίνεται στο παρακάτω, ο χρήστης εισάγει οποιονδήποτε αριθμό τιμών για κάθε μεταβλητή απόφασης. Η κάθε τιμή δεν χρειάζεται να διαφέρει από την προηγούμενη με σταθερό βήμα. Σε αυτό το παράδειγμα, ο σχεδιαστής επέλεξε για την προσομοίωση πέντε ποσότητες ανεμογεννητριών που κυμαίνονται από 0 έως 4, την ήδη υπάρχουσα γεννήτρια, επτά ποσότητες μπαταριών οι οποίες κυμαίνονται από 0 έως 128, και τέσσερα μεγέθη μετατροπέων που κυμαίνονται από 0 έως 120 kw. Ο πίνακας αυτός δείχνει τον χώρο αναζήτησης, ο οποίος είναι το σύνολο όλων των δυνατών διαμορφώσεων του συστήματος από το οποίο μπορεί το HOMER να αναζητήσει τη βέλτιστη διαμόρφωση του συστήματος. Αυτός ο χώρος αναζήτησης συμπεριλαμβάνει 140 ξεχωριστές διαμορφώσεις του συστήματος, διότι οι πιθανές τιμές των μεταβλητών απόφασης δημιουργούν 140 διαφορετικούς συνδυασμούς: πέντε ποσότητες ανεμογεννητριών πολλαπλασιάζονται επί επτά ποσότητες μπαταριών και στη συνέχεια επί τέσσερα μεγέθη μετατροπέων. 61

62 Σχήμα Διάστημα αναζήτησης που περιλαμβάνει 140 διαμορφώσεις συστήματος [33] Κατά τη διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER προσομοιώνει κάθε διαμόρφωση του συστήματος από τον χώρο αναζήτησης και εμφανίζει κάθε πραγματοποιήσιμο σύστημα σε έναν πίνακα, ταξινομώντας τα σύμφωνα με το συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Το σχήμα δείχνει τα αποτελέσματα της διαδικασίας βελτιστοποίησης του προαναφερθέντος παραδείγματος. Κάθε σειρά του πίνακα αντιπροσωπεύει μια εφικτή διαμόρφωση του συστήματος. Οι τέσσερις πρώτες στήλες περιέχουν τα εικονίδια των στοιχείων που διαμορφώνουν το σύστημα, οι επόμενες τέσσερις αναφέρονται στον αριθμό ή το μέγεθος του κάθε στοιχείου, ενώ οι επόμενες πέντε στήλες περιέχουν μερικά από τα βασικά αποτελέσματα της προσομοίωσης: Δηλαδή, το συνολικό κόστος κεφαλαίου του συστήματος, το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, το κόστος ενέργειας ανά κιλοβατώρα, την ετήσια κατανάλωση καυσίμου και τον αριθμό των ωρών της γεννήτριας που λειτουργεί ανά έτος. Ο χρήστης στη συνέχεια έχει πρόσβαση σε λεπτομερή αποτελέσματα για κάθε πραγματοποιήσιμη διαμόρφωση του συστήματος. Ο πίνακας αυτός αποτελεί μία περίληψη και μόνο της όλης διαδικασίας. Η πρώτη γραμμή του σχήματος είναι η βέλτιστη διαμόρφωση του συστήματος, που σημαίνει ότι έχει το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Στην περίπτωση αυτή, η βέλτιστη διαμόρφωση περιέχει μία ανεμογεννήτρια, μία 135kW γεννήτρια, 64 μπαταρίες και έναν 30kW μετατροπέα. Το δεύτερο ταξινομημένο σύστημα είναι το ίδιο με το πρώτο, εκτός από το ότι περιέχει δύο ανεμογεννήτριες αντί για μία. Το τρίτο σύστημα είναι το ίδιο με το πρώτο, εκτός από το ότι περιέχει λιγότερες μπαταρίες. Το όγδοο και δέκατο σύστημα δεν περιέχουν ανεμογεννήτριες. 62

63 Σχήμα Βελτιστοποιημένος πίνακας, ο οποίος παρουσιάζει τις διαμορφώσεις συστημάτων που ταξινομούνται κατά το συνολικό καθαρό κόστος [33] Το HOMER μπορεί να δείξει, επίσης, ένα υποσύνολο από αυτά τα συνολικά αποτελέσματα της βελτιστοποίησης, διαλέγοντας εκείνα που έχουν το χαμηλότερο κόστος από κάθε κατηγορία. Στo σχήμα που αναλύθηκε, φαίνεται η ολοκληρωμένη λίστα συστημάτων. Η πρώτη γραμμή είναι η καλύτερη λύση στην κατηγορία που όλα τα στοιχεία περιλαμβάνονται στο σύστημα. Η όγδοη σειρά, όμως, αντιπροσωπεύει το καλύτερο σύστημα, το οποίο δεν περιλαμβάνει ανεμογεννήτρια. Η λίστα κατηγοριών που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα διευκολύνει τον χρήστη να δει ποια διαμόρφωση συστήματος έχει το χαμηλότερο κόστος σε κάθε κατηγορία, χωρίς να χρειάζεται να μελετήσει μία λίστα με πολλές πληροφορίες. [33] [34] Σχήμα Πίνακας ταξινομημένης βελτιστοποίησης [33] 63

64 4.4 Ανάλυση ευαισθησίας (Sensitivity analysis) Στην παραπάνω ενότητα περιγράψαμε τη διαδικασία βελτιστοποίησης, με την οποία το HOMER βρίσκει το ιδανικό σύστημα, βάσει ενός συνόλου δεδομένων εισόδου. Στην ενότητα αυτή περιγράφεται η διαδικασία ανάλυσης ευαισθησίας, στην οποία το HOMER πραγματοποιεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις, η κάθε μία με ένα διαφορετικό σύνολο τιμών εισόδου. Η ανάλυση ευαισθησίας δείχνει πόσο ευαίσθητη είναι η έξοδος σε μεταβολές στην είσοδο. Σε μια ανάλυση ευαισθησίας, ο χρήστης του λογισμικού HOMER εισάγει ένα εύρος τιμών για μία μεταβλητή εισόδου. Μια μεταβλητή, για την οποία ο χρήστης έχει εισάγει πολλές τιμές, ονομάζεται μεταβλητή ευαισθησίας. Σχεδόν κάθε αριθμητική μεταβλητή εισόδου στο HOMER μπορεί να είναι μεταβλητή ευαισθησίας. Για παράδειγμα, η τιμή των καυσίμων, το επιτόκιο ή η διάρκεια ζωής του φωτοβολταϊκού. Ωστόσο, το μέγεθος ενός συνόλου ωριαίων στοιχείων, όπως το φορτίο, η ηλιακή ακτινοβολία ή ο άνεμος, μπορούν επίσης να είναι μια μεταβλητή ευαισθησίας. Ο χρήστης του λογισμικού HOMER μπορεί να εκτελέσει μια ανάλυση ευαισθησίας με οποιονδήποτε αριθμό μεταβλητών ευαισθησίας. Κάθε συνδυασμός των τιμών μεταβλητών ευαισθησίας καθορίζει μια ξεχωριστή περίπτωση ανάλυσης ευαισθησίας. Για παράδειγμα, αν ο χρήστης καθορίσει έξι τιμές για το κόστος καυσίμων και τέσσερις τιμές για το επιτόκιο, ορίζονται 24 διαφορετικές περιπτώσεις ευαισθησίας. Το HOMER εκτελεί μια ξεχωριστή διαδικασία βελτιστοποίησης για κάθε περίπτωση ανάλυσης ευαισθησίας και παρουσιάζει τα αποτελέσματα σε διάφορους πίνακες και γραφήματα. Μια από τις βασικές λειτουργίες της ανάλυσης ευαισθησίας είναι η αντιμετώπιση της αβεβαιότητας. Εάν ο σχεδιαστής του συστήματος δεν είναι σίγουρος για την αξία μιας συγκεκριμένης μεταβλητής, μπορεί να εισάγει αρκετές τιμές που καλύπτουν το πιθανό εύρος και να δει πώς τα αποτελέσματα διαφέρουν μεταξύ τους. Αλλά η ανάλυση ευαισθησίας έχει εφαρμογές πέρα από την αντιμετώπιση της αβεβαιότητας. Ένας σχεδιαστής του συστήματος μπορεί να χρησιμοποιήσει ανάλυση ευαισθησίας για να απαντήσει σε ερωτήματα όπως: Πόσο πρόσθετες επενδύσεις κεφαλαίων απαιτούνται για την επίτευξη του 50% ή 100% της παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας; Ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός μπορεί να καθορίσει ποιες 64

65 τεχνολογίες ή συνδυασμούς των τεχνολογιών είναι οι καλύτερες δυνατές, κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Ένας αναλυτής αγοράς μπορεί να καθορίσει σε ποια τιμή ή υπό ποιες προϋποθέσεις, ένα προϊόν (π.χ. μια κυψέλη καυσίμου ή μια ανεμογεννήτρια) ανταγωνίζεται με τις εναλλακτικές λύσεις. [33] [34] 65

66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 o ΠΕΡΙΟΧΗ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ 5.1 Τοποθεσία Εφαρμογής Για την προσομοίωση επιλέχθηκε η νήσος των Αντικυθήρων, η οποία βρίσκεται νότια των Κυθήρων, έχει έκταση 21 τετραγωνικά χιλιόμετρα, αριθμεί περίπου 45 μόνιμους κατοίκους και ανήκει στο σύμπλεγμα των Επτανήσων. Το αρχαίο όνομα του ήταν Αίγιλα ή Αιγιαλία. Το νησί έγινε γνωστό από το ναυάγιο, με τον περίφημο μηχανισμό και τον έφηβο των Αντικυθήρων. Έχει εγκατεστημένη ισχύ της τάξεως των 140 kw ως μη διασυνδεδεμένη νήσος. Οι ενεργειακές ανάγκες της περιοχής αυξάνονται σημαντικά τους καλοκαιρινούς μήνες, καθώς τα Αντικύθηρα δέχονται μεγάλη τουριστική επισκεψιμότητα. [14] Γεωγραφικό μήκος (Longitude): N ( ) Γεωγραφικό πλάτος (Latitude): E ( ) 66

67 5.2 Φορτίο Στο σχήμα βλέπουμε την κατανομή του φορτίου για τις μέρες του Ιουλίου, όπου η κατανάλωση ενέργειας βρίσκεται σε υψηλά επίπεδα και στο σχήμα βλέπουμε την ετήσια κατανομή φορτίου. Σχήμα κατανομή φορτίου στις μέρες Ιουλίου 67

68 Σχήμα Ετήσια κατανομή φορτίου Όπως παρατηρούμε από τα γραφήματα, το φορτίο παρουσιάζει κατ' αναλογίαν υψηλό φορτίο και κατά τη διάρκεια της νύχτας (απογευματινές και βραδινές ώρες). Η ετήσια μέση ημερήσια κατανάλωση ενέργειας είναι οι 271kWh/d ( ή kw) και η ετήσια μέγιστη τιμή ισχύος είναι τα kw. Ο παράγοντας φορτίου (load factor) υπολογίζεται, αν διαιρέσουμε τον μέσο όρο του ηλεκτρικού φορτίου με την καθημερινή αιχμή, δηλαδή στην περίπτωσή μας kw / kw = Ηλιακά και Αιολικά Δεδομένα Τα δεδομένα, όσον αφορά την ηλιακή ακτινοβολία στο νησί των Αντικυθήρων και συγκεκριμένα ο δείκτης αιθριότητας και η ημερήσια ακτινοβολία φαίνονται στο σχήμα Οι μετρήσεις της ωριαίας ηλιακής ακτινοβολίας για την χρονική περίοδο ενός έτους, προκειμένου να υπολογιστούν οι μηνιαίες μέσες τιμές του δείκτη αιθριότητας και της καθημερινής ακτινοβολίας, εισήχθησαν αυτόματα στο πρόγραμμα προσομοίωσης HOMER, εφόσον το πρόγραμμα έχει πρόσβαση στα καιρικά στοιχεία της NASA, με την προϋπόθεση του ορισμού από τον εκάστοτε χρήστη του γεωμετρικού πλάτους και γεωμετρικού μήκους της περιοχής, την οποία ενδιαφέρεται να μελετήσει. 68

69 Σχήμα Μηνιαίες μέσες τιμές της ημερήσιας ακτινοβολίας και του δείκτη αιθριότητας Μήνας (Month) Δείκτης Αιθριότητας (Clearness Index) Μέση Ημερήσια Ακτινοβολία (Average Radiation) KWh/m2/day Ιανουάριος 0,504 2,490 Φεβρουάριος 0,540 3,390 Μάρτιος 0,584 4,740 Απρίλιος 0,647 6,410 Μάιος 0,655 7,380 Ιούνιος 0,724 8,360 Ιούλιος 0,737 8,320 Αύγουστος 0,732 7,550 Σεπτέμβριος 0,710 6,180 Οκτώβριος 0,658 4,480 Νοέμβριος 0,528 2,760 Δεκέμβριος 0,487 2,200 Μέση τιμή (Average)

70 Όπως είναι προφανές, η ηλιακή ακτινοβολία είναι υψηλή κυρίως μεταξύ Μαΐου και Σεπτεμβρίου. Γι αυτήν την τοποθεσία, ο μέσος ετήσιος δείκτης αιθριότητας είναι 0,625 και η μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία είναι 5,355 kwh/ m2. Οι ίδιες πηγές και τα δεδομένα, όσον αφορά το φορτίο, χρησιμοποιήθηκαν, επίσης, στη διαδικασία βελτιστοποίησης και την τεχνοοικονομική ανάλυση των υπόλοιπων υβριδικών συστημάτων. Αιολικά Δεδομένα Τα δεδομένα για την εύρεση της ταχύτητας ανέμου της περιοχής, επίσης, ελήφθησαν από το πρόγραμμα Homer, με πηγή προέλευσης τα καιρικά στοιχεία της NASA. Σχήμα Μέση μηνιαία ταχύτητα ανέμου στα Αντικύθηρα Μήνας Ταχύτητα Ανέμου (Month) (Wind Speed) m/s Ιανουάριος 7,170 Φεβρουάριος 7,510 Μάρτιος 6,750 Απρίλιος 5,980 70

71 Μάιος 5,270 Ιούνιος 5,130 Ιούλιος 5,670 Αύγουστος 5,500 Σεπτέμβριος 5,250 Οκτώβριος 5,560 Νοέμβριος 6,400 Δεκέμβριος 6,990 Μέση τιμή 6,1 (Average) Από τα δεδομένα του παραπάνω πίνακα παρατηρούμε πως η περιοχή έχει καλό αιολικό δυναμικό, με τους χειμερινούς μήνες να έχουν τις μεγαλύτερες ταχύτητες. 5.4 Στοιχεία συστήματος προσομοίωσης Φωτοβολταϊκά Τα φωτοβολταϊκά που θα χρησιμοποιήσουμε στα μοντέλα προσομοίωσης είναι μονοκρυσταλικού τύπου πάνελ (Ν-type), της εταιρίας LG Solar ονομαστικής ισχύος 320 watts (LG320N1K-A5) και μέγιστο βαθμό απόδοσης 18,68%. Έχουν 12 χρόνια εγγύηση και η διάρκεια ζωής τους ανέρχεται στα 25 χρόνια. Στον ακόλουθο Πίνακα παρουσιάζονται αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά των ΦΒ πλαισίων. Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Maximum Power 320W Open Circuit Voltage (VOC) 40.8V Open Circuit Current (ISC) 10.19A MPP Voltage (Vmpp) 33.3 MPP Current (Impp) 9.62 Module Efficiency 18.7% Maximum System Voltage 1000V Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά Φ/Β πλαισίων 71

72 Το Homer κατά τη διαδικασία ανεύρεσης του βέλτιστου υβριδικού συστήματος ενέργειας λαμβάνει υπόψη διάφορες κλίσεις φωτοβολταϊκών που εισάγαμε εμείς (20, 25, 30, 35, ). Τα βέλτιστα αποτελέσματα τα έχουμε στις 30 κλίση. Λοιπά στοιχεία εισαγωγής στο Homer: Derating Factor 85% Ground Reflectance 20% Azimuth (degrees W of S) 0 Slope 30 Lifetime 25yrs Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζονται τα επιμέρους κόστη του Φ/Β πλαισίου. Μέγεθος (kw) Αρχικό Κόστος ( ) Κόστος Αντικατάστασης ( ) Κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης ( /yr) Πίνακας Κόστη Φ/Β πλαισίων Συσσωρευτές O τύπος μπαταρίας που χρησιμοποιήθηκε είναι ο Surrette 4KS27P της Rolls. Στον Πίνακα παρουσιάζονται αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά συσσωρευτών που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διερεύνηση του υβριδικού συστήματος. Η ονομαστική τάση της μπαταρίας είναι 4V. Χρησιμοποιήθηκαν 12 μπαταρίες ανά συστοιχία για να έχουμε ονομαστική τάση συστοιχίας τα 48V. Surrette 4 KS 27P Nominal Capacity (C20) 1460Ah Nominal Voltage 4V Roundtrip Efficiency 80% 72

73 Min. State of Charge 40% Max Discharge Current 496A Lifetime throughput kWh Float life 15yrs Πινακας Τεχνικά χαρακτηριστικά συσσωρευτών Οι συγκεκριμένες μπαταρίες έχουν κατασκευαστεί για εφαρμογές σε υβριδικά συστήματα. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος έχουν υψηλό βαθμό απόδοσης, κατασκευαστικά παρουσιάζουν μικρό βαθμό αστοχίας και μικρό ποσοστό ρυθμού αυτοεκφόρτισης. Στον πίνακα φαίνεται το κόστος των μπαταριών Ποσότητα Αρχικό Κόστος ( ) Κόστος Αντικατάστασης ( ) Κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης ( /yr) Πίνακας Κόστη Συσσωρευτών Ανεμογεννήτρια Στις διάφορες προσομοιώσεις των υβριδικών συστημάτων επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών της Eocycle ΕΟ25 Class III 25kW. Στον πίνακα φαίνονται τα τεχνικά της χαρακτηριστηκά Eocycle EO25 Class III Rated Power 25kW Cut-In Speed m/s Cut-Out Speed 20 m/s Extreme Wind Speed 52.5 m/s Hub Height 26m Lifetime throughput kWh Float life 20yr Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά Α/Γ To εξέχoν πλεονέκτημα της συγκεκριμένης Α/Γ είναι ότι, στην ταχύτητα ~6 m/s που είναι και η μέση ταχύτητα του αιολικού δυναμικού του νησιού, 73

74 παρουσιάζει την μεγαλύτερη παραγωγή σε σχέση με ομοειδείς Α/Γ της αγοράς (10-12kW). Άλλα πλεονέκτηματα της γεννήτριας μόνιμων μαγνητών είναι ο απλός και δυναμικός σχεδιασμός τους, ενώ παράλληλα δεν απαιτείται ενέργεια διέγερσης, δακτύλιοι ή συστήματα ελέγχου διέγερσης και αποφεύγονται οι απώλειες τριβής του συστήματος μετάδοσης. Η Α/Γ λειτουργεί σε χαμηλά επίπεδα θορύβου λόγω απουσίας κιβωτίου ταχυτήτων και διαθέτει ενεργό σύστημα διεύθυνσης (active yaw system) με υπέρυχο αισθητήρα για βέλτιστο προσανατολισμό του δρομέα στη διεύθυνση τοu ανέμου. Η καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα Σχήμα Καμπύλη ισχύος Α/Γ 50kW Ποσότητα Αρχικό Κόστος ( ) Κόστος Αντικατάστασης ( ) Κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης ( /yr) 1 (25kW) Πίνακας κόστος ανεμογεννήτριας 74

75 Γεννήτρια Diesel Η ντηζελογεννήτρια (AC) χρησιμοποιείται κυρίως επικουρικά, όπως θα δούμε και παρακάτω, για την κάλυψη της ζήτησης του φορτίου σε περιπτώσεις που αυτή δεν καθίσταται δυνατή μόνο από ΑΠΕ. Αυτό παρατηρείται τόσο σε περιόδους νηνεμίας, όσο και σε περιόδους μη ηλιοφάνειας (όπως κατά τη διάρκεια της νύχτας) που η παραγωγή ενέργειας από ΑΠΕ θεωρείται περιορισμένη. Η γεννήτρια είναι τριφασική σύγχρονη μηχανή. Generac 30kW Protector Rated Power 30kW Rated frequency 50Hz Rated Voltage 230V Rated Current 93A Fuel Curve Intercept 1.15 L/hr Fuel Curve Slope L /hr/kw Fuel Price 1.5 /L Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά Ντηζελογεννήτριας Στον ακόλουθο Πίνακα παρουσιάζονται τα επιμέρους κόστη της ντηζελογεννήτριας, ενώ στο Σχήμα απεικονίζεται η χαρακτηριστική καμπύλη απόδοσης της ντηζελογεννήτριας. Ποσότητα Αρχικό Κόστος ( ) Κόστος Αντικατάστασης ( ) Κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης ( /yr) 1 (30kW) ,90 Πίνακας Κόστη Ντηζελογεννήτριας 75

76 Σχήμα Καμπύλη απόδοσης Ντηζελογεννήτριας Μετατροπέας Για τις προσομοιώσεις στο πρόγραμμα Homer χρησιμοποιήθηκαν συστοιχίες αντιστροφέων DC-AC με διάφορες ισχύς τις εταιρίας SMA. Καθώς και ανορθωτές τάσης AC-DC. O βαθμός απόδοσης του αντιστροφέα είναι 95% ενώ του ανορθωτή 90% και ο χρόνος ζωής τους τα 15 χρόνια. Μέγεθος kw Αρχικό Κόστος ( ) Κόστος Αντικατάστασης ( ) Κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης ( /yr) Πίνακας Κόστη Μετατροπέα 76

77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 o Τεχνοοικονομική προσομοίωση υβριδικών συστημάτων 6.1 PV - Wind - Diesel υβριδικό σύστημα Το προς μελέτη σύστημα αποτελείται από φωτοβολταϊκές συστοιχίες, μια ανεμογεννήτρια, μια ντηζελογεννήτρια, μπαταρίες και μετατροπέα ισχύος. Ο συνδυασμός των συστημάτων αυτών συμβάλλει για ένα πιο οικονομικό, πιο αξιόπιστο, με σωστή διαστασιολόγιση και φιλικό προς το περιβάλλον σύστημα. Η λειτουργία του υβριδικού συστήματος λειτουργεί ως εξής: Αν η παραγωγή ενέργειας από τα φ/β και την α/γ είναι μεγαλύτερη από τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας του φορτίου, τότε το πλεόνασμα αποθηκεύεται στις μπαταρίες μέσω του ανορθωτή και του ρυθμιστή φόρτισης. Αν όμως το φορτίο δεν καλύπτεται ούτε από τα φ/β ούτε από την α/γ, τότε, μέσω του μετατροπέα ισχύος, αντλείται ενέργεια από τις μπαταρίες. Στην περίπτωση που η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας δεν μπορεί να καλυφθεί από α/γ, φ/β και μπαταρίες, τότε εκκινείται η ντιζελογεννήτρια για την ευστάθεια του δικτύου Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Στο Σχήμα απεικονίζονται γραφικά τα επιμέρους στοιχεία του υβριδικού συστήματος, ενώ αναλυτικότερα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του παρουσιάζονται στο Πίνακα

78 Σχήμα Γραφική απεικόνιση υβριδικού συστήματος Αφού εισαχθούν τα παραπάνω δεδομένα, το ΗΟΜΕR αρχίζει τη διαδικασία προσομοίωσης, χρησιμοποιώντας όλους τους ενεργειακούς υπολογισμούς για κάθε μια από τις ώρες του έτους. Με τη βοήθεια αυτών των ενεργειακών υπολογισμών επιχειρείται να δημιουργηθούν όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί συστημάτων ενέργειας. Στη συνέχεια το ΗΟΜΕR, κατά τη διάρκεια της βελτιστοποίησης, παραθέτει έναν κατάλογο όλων των αποδεκτών συστημάτων ταξινομημένων σύμφωνα με το καθαρό παρόν κόστος. Το υβριδικό σύστημα με το μικρότερο καθαρό παρόν κόστος είναι το βέλτιστο. Μέρη Συτήματος Ποσότητα Ισχύς Φωτοβολταϊκά (LG320N1T-A5) 43.1kW Ανεμογεννήτρια (EO25 Class III) 1 25kW Μπαταρία (Surrette 4KS27P) kWh Ντηζελογεννήτρια (Generac) 1 30kW Μετατροπέας 1 40kW Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά υβριδικού συστήματος 78

79 6.1.2 Ενεργειακά χαρακτηριστικά Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας kwh, με kwh να προέρχεται από την ανεμογεννήτρια, kwh από τα φωτοβολταϊκά και 2342 kwh από την ντηζελογεννήτρια. Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες και το γράφημα. Πίνακας Μέση ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος Παραγωγή 1% Wind PV Gen 46% 53% Σχήμα Ποσοστό συμμετοχής κάθε μονάδας παραγωγής του Υβριδικού Συστήματος Πίνακας Μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας 79

80 Πίνακας Σχέση της μέσης παραγόμενης ενέργειας με τη μέση κατανάλωση Πίνακας Κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας Σχήμα Μηνιαία μέση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το WIND-PV-DIESEL σύστημα Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες, το σύστημα καλύπτει πλήρως τις ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας. Οι ηλεκτρικές ανάγκες ικανοποιούνται σε ποσοστό 45,5% από τα φωτοβολταϊκά και 53,1% από τις ανεμογεννήτριες. Η γεννήτρια diesel συμμετέχει με το μικρό ποσοστό της τάξεως του 1,43%. Επίσης υψηλό είναι το ποσοστό ανεκμετάλλευτης ενέργειας (33,2%), το οποίο όμως καθίσταται απόλυτα λογικό, λόγω της έλλειψης σταθερότητας των φυσικών φαινομένων, επηρεάζοντας τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και οδηγώντας στην υπερδιαστασιολόγησή τους για την ασφαλέστερη κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Σε αυτό συμβάλλει, επίσης, το γεγονός ότι δεν έχουμε σταθερό φορτίο για όλους τους μήνες του έτους. Κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών, η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται, με αποτέλεσμα να υπάρχει πλεόνασμα ενέργειας, κυρίως κατά τους χειμερινούς μήνες. Υπέρ του δέοντος ικανοποιητικό είναι το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας στο 97,6%. 80

81 Η γεννήτρια πετρελαίου, όπως παρατηρούμε στο σχήμα , χρειάζεται περισσότερο τους καλοκαιρινούς μήνες αιχμής του φορτίου. Από τους πίνακες βλέπουμε ότι η γεννήτρια λειτουργεί 269 hr/yr και έχει κατανάλωση καυσίμου 1006 L/yr. Πίνακας Λειτουργικά στοιχεία γεννήτριας Η γεννήτρια, όπως βλέπουμε στο σχήμα , λειτουργεί μόνο όταν έχουμε έλλειψη στην κάλυψη του φορτίου από τις ανεμογεννήτριες, τα φωτοβολταϊκά πάνελ και τις μπαταρίες. Όπως παρατηρούμε, τους τρεις πρώτους μήνες του έτους, η χρήση της είναι σχεδόν μηδενική (η παραγωγή από την α/γ καλύπτει σε μεγάλο ποσοστό το φορτίο), ενώ τους καλοκαιρινούς μήνες η χρήση της απαιτείται κυρίως κατά τη διάρκεια της νύχτας. Ο μήνας Αύγουστος είναι αυτός με την περισσότερη ζήτηση ενέργειας από τη γεννήτρια. Σχήμα Ώρες λειτουργίας και παραγωγή ενέργειας της γεννήτριας 81

82 Σχήμα Λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για τον μήνα Ιούλιο Οι δύο συγκεκριμένες επιλογές ημερών για την σύγκριση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του συστήματος έγιναν με βάση την μέγιστη και την ελάχιστη ισχύ του φορτίου. Στις 23 Ιουλίου έχουμε την υψηλότερη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας (57,56kW peak) ενώ στις 7 Ιανουαρίου έχουμε μια πολύ μικρή κατανάλωση με το μέγιστο φορτίο της ημέρας να μην υπερβαίνει τα 14kW. Όπως παρατηρούμε, η περίσσεια ενέργεια είναι σε υψηλά επίπεδα (σχήμα ). Επίσης, αυτό συμπεραίνεται και από το ποσοστό φόρτωσης των μπαταριών, το οποίο δεν πέφτει κάτω από το 90% την συγκεκριμένη ημέρα, ενώ κατά τη διάρκεια του χειμώνα το μέγιστο ποσοστό εκφόρτισης των μπαταριών είναι στο 59%. Η παραγωγή ενέργειας από τα Φ/Β είναι σαφώς υψηλότερη κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών, αλλά η παραγόμενη ενέργεια από την ανεμογεννήτρια είναι σε υψηλότερα επίπεδα κατά τους χειμερινούς μήνες και ειδικά τις μεσημβρινές ώρες, λόγω των δυνατών ανέμων της περιοχής, όπου και το πλεόνασμα ενέργειας είναι αυξημένο. 82

83 Σχήμα Λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για τον μήνα Ιανουάριο Οικονομική ανάλυση Στον Πίνακα παρουσιάζεται το βέλτιστο υβριδικό σύστημα ενέργειας, το οποίο αποτελεί αποτέλεσμα βελτιστοποίησης της σχεδίασης στο ΗΟΜΕR. Από τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης, ως καλύτερο κρίνεται ένα σύστημα που περιέχει μία ΑΓ 25 kw, ΦΒ 43 kw, ντηζελογεννήτρια 30 kw, 48 μπαταρίες και ένα μετατροπέα 40 kw. Στοιχεία υβριδικού συστήματ ος Αρχικό Κόστος ( ) Ετήσιο Κόστο ς Λειτου ργίας ( /yr) Καθαρό Παρόν Κόστος ( ) Κόστος Ενέργει ας ( /kwh) Κατανάλω ση Καυσίμου (L) Ώρες λειτουργί ας ντηζελογε ν. 83

84 ΑΓ 25 kw, ΦΒ 43 kw, Ντηζελογε ν 30kW, 48 Μπατ, Μετ 40 kw , Πίνακας Οικονομικά χαρακτηριστικά βέλτιστου Υβριδικού Συστήματος Όσον αφορά τα κόστη: Tο αρχικό κόστος εγκατάστασης είναι , το ετήσιο κόστος λειτουργίας είναι 3.506, το καθαρό παρόν κόστος και το κόστος ενέργειας είναι 0,186 /kwh. Επίσης, η κατανάλωση της ντηζελογεννήτριας είναι 1006 L ετησίως, ενώ λειτουργεί μόλις 269 ώρες ανά έτος. Ο μικρός χρόνος χρήσης της ντηζελογεννήτριας οφείλεται κυρίως στο μεγάλο κόστος του καυσίμου της (πετρελαίου diesel) συγκριτικά με το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τις μονάδες που χρησιμοποιούν ΑΠΕ. Στοn συγκεντρωτικό Πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα οικονομικά χαρακτηριστικά του βέλτιστου υβριδικού συστήματος και αναλυτικότερα πώς προκύπτει το Καθαρό Παρόν Κόστος, που αποτελεί βασικό κριτήριο κατάταξης των υβριδικών συστημάτων στο HOMER. Πίνακας Οικονομικά χαρακτηριστικά βέλτιστου υβριδικού συστήματος Η τιμή απομείωσης - Salvage είναι η τιμή που απομένει σε ένα στοιχείο του συστήματος ισχύος στο τέλος της διάρκειας ζωής του έργου. Το HOMER αναλαμβάνει τη γραμμική απόσβεση των στοιχείων, πράγμα που σημαίνει ότι η αξία διάσωσης ενός εξαρτήματος είναι άμεσα ανάλογη με την υπόλοιπη ζωή του. Θεωρεί, επίσης, ότι η αξία διάσωσης εξαρτάται από το κόστος αντικατάστασης και όχι από το αρχικό κόστος κεφαλαίου. 84

85 Σχήμα Χρηματοροή συνολικού κόστους του συστήματος για τα 20 χρόνια Πίνακας Ετήσιο κόστος συστήματος Σχήμα Χρηματοροή ετήσιου κόστους ανά σύστημα Παρατηρούμε ότι, ενώ το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας είναι πολύ μεγάλο (0.97), το κόστος της γεννήτριας παραμένει μεγάλο, παρά την μικρή της συμμέτοχη, αφού ενεργοποιείται μόνο όταν έχουμε αδυναμία κάλυψης του φορτίου. Αυτό συμβαίνει, επειδή η γεννήτριά μας, λόγω της μεγάλης ισχύος της, έχει μεγάλη κατανάλωση καυσίμου. Το τελικό κόστος παραγωγής μίας 85

86 κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται 0,186, το οποίο είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η., που ξεκινάει από 0,0069 /kwh και φτάνει το μέγιστο στα 0,085 /kwh Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά Οι παραγόμενοι ρύποι του συστήματος φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Οι ρύποι βρίσκονται σε αποδεκτά επίπεδα, λόγω της ελάχιστης λειτουργίας της γεννήτριας. Προσεγγιστικά, οι παραγόμενοι ρύποι διοξειδίου του άνθρακα, που εκπέμπονται από την ντιζελογεννήτρια καθ όλη τη διάρκεια του έτους, ισοδυναμούν με ένα αμάξι που οδηγείται συνεχόμενα για 5 ημέρες. Πίνακας Παραγόμενοι ρύποι συστήματος από την Ντιζελογεννήτρια 6.2 PV - Wind - Υβριδικό σύστημα Το συγκεκριμένο υβριδικό σύστημα παράγει ενέργεια μόνο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αφού αποτελείται από φωτοβολταϊκά πάνελ και μια ανεμογεννήτρια με την υποστήριξη μπαταριών. Η αποδοτικότητα αυτού του συστήματος εξαρτάται από το ηλιακό και αιολικό δυναμικό της περιοχής. Η δυναμική της μιας πηγής μπορεί να υπερκαλύψει την αδυναμία της άλλης σε μια ορισμένη χρονική περίοδο. Με το σύστημα αυτό εξαλείφονται τελείως οι ρύποι, καθώς έχουμε 100% διείσδυση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του αυτόνομου υβριδικού συστήματος μπορούμε να έχουμε τις εξής καταστάσεις: Αν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι μικρότερη από την παραγόμενη ενέργεια από την ανεμογεννήτρια, το πλεόνασμα ενέργειας που παράγει μαζί με την ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά 86

87 αποθηκεύεται, μέσω των μετατροπέων ισχύος και του ρυθμιστή φόρτισης, στις μπαταρίες που διαθέτει το σύστημα. Αν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που παράγει η ανεμογεννήτρια, τότε το πλεόνασμα ενέργειας καλύπτεται από τα φωτοβολταϊκά, μέσω του μετατροπέα ισχύος. Αν, παρ όλα αυτά, το φορτίο δεν καλύπτεται ούτε από τα φωτοβολταικά, τότε εισέρχεται στο σύστημα και η ενέργεια των μπαταριών, εάν και εφόσον είναι φορτισμένες περισσότερο από το κατώτερο επιτρεπτό επίπεδο φόρτισής τους, πάλι μέσω του μετατροπέα ισχύος Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Στο Σχήμα απεικονίζονται γραφικά τα επιμέρους στοιχεία του υβριδικού συστήματος, ενώ αναλυτικότερα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του παρουσιάζονται στο Πίνακα Σχήμα Γραφική απεικόνιση υβριδικού συστήματος 87

88 Μέρη Συτήματος Ποσότητα Ισχύς Φωτοβολταϊκά (LG320N1T-A5) 65kW Ανεμογεννήτρια (EO25 Class III) 1 25kW Μπαταρία (Surrette 4KS27P) kWh Μετατροπέας 1 51kW Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά υβριδικού συστήματος Ενεργειακά χαρακτηριστικά Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας kwh, με kwh να προέρχεται από την ανεμογεννήτρια και kwh από τα φωτοβολταϊκά. Τα αποτελέσματα, που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα, συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες και το γράφημα. Πίνακας Μέση ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος Παραγωγή Wind PV 44% 56% 88

89 Σχήμα Ποσοστό συμμετοχής κάθε μονάδας παραγωγής του Υβριδικού Συστήματος Πίνακας Μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Πίνακας Σχέση της μέσης παραγόμενης ενέργειας με την μέση κατανάλωση Πίνακας Κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας Σχήμα Μηνιαία μέση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το WIND-PV σύστημα Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες, το σύστημα καλύπτει πλήρως τις ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας σε ποσοστό 99,96%, το οποίο είναι αποδεκτό, γιατί ικανοποιεί τη συνθήκη της μη ικανοποίησης φορτίου που έχουμε θέσει στο 0,1%. Οι ηλεκτρικές ανάγκες ικανοποιούνται σε ποσοστό 56,4% από τα φωτοβολταϊκά και 43,6% από τις ανεμογεννήτριες. Σε 89

90 σχέση με αντίστοιχο σύστημα με ντιζελογεννήτρια, το Homer προσομοίωσε ως πιο οικονομική λύση την χρήση περισσότερων φωτοβολταϊκών πάνελ σε συνδυασμό με μπαταρίες, καθώς είναι πολύ πιο οικονομικά και αποδοτικά σε περιοχές με υψηλούς δείκτες ηλιοφάνειας. Είναι σημαντικό να τονίσουμε το υψηλό ποσοστό ανεκμετάλλευτης ενέργειας (45,1%), το οποίο όμως καθίσταται απόλυτα λογικό, λόγω της υπερδιαστασιολόγισης του συστήματός μας, όσον αφορά τα Φ/Β και τις μπαταρίες, για να μπορούμε να ικανοποιούμε συνεχώς τις ανάγκες του φορτίου. Σχήμα Λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για τον μήνα Ιούλιο Συγκεκριμένα, στο σχήμα έχουμε τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος μιας καλοκαιρινής μέρας με τις υψηλότερες ενεργειακές ανάγκες, όπου παρουσιάζονται το AC φορτίο που πρέπει να καλυφθεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες, το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών, καθώς και η πλεονάζουσα ενέργεια. Τις ώρες της ημέρας συνεισφέρουν τα φωτοβολταϊκά για την κάλυψη του φορτίου και η ανεμογεννήτρια λειτουργεί 90

91 επικουρικά. Κατά την διάρκεια της νύχτας βλέπουμε πως χρειαζόμαστε την ενέργεια των μπαταριών για την εξυπηρέτηση του φορτίου, λόγω της πτώσης της ισχύος των ανέμων και της έλλειψης παραγωγής των φωτοβολταϊκών τις νυχτερινές ώρες. Βέβαια, λόγω του υψηλού ηλιακού δυναμικού τους καλοκαιρινούς μήνες, η ενεργεία που παράγουν τα φωτοβολταϊκά είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή της ανεμογεννήτριας. Η παραγωγή ενέργειας από την α/γ είναι περιορισμένη, λόγω του χαμηλού αιολικού δυναμικού της περιοχής. Η φόρτιση των μπαταριών ξεκινάει όταν υπάρχει περίσσεια ενέργεια κατά τη διάρκεια της ημέρας από τα φωτοβολταϊκά. Οι ενεργειακές ανάγκες αυξάνονται δραματικά τις ώρες που τα Φ/Β δεν παράγουν ενέργεια (τις ώρες ) με αποτέλεσμα οι μπαταρίες να είναι η κύρια πηγή τροφοδοσίας. Το ελάχιστο ποσοστό εκφόρτισης των μπαταριών δεν ξεπερνά ποτέ το 40%. Σχήμα Λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για τον μήνα Ιανουάριο Στο παραπάνω σχήμα φαίνονται τα λειτουργικά χαρακτηριστικά ενός χειμερινού μήνα με χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Παρατηρούμε ότι ο Ιανουάριος είναι ένας μήνας με υψηλό δυναμικό και χαμηλό ηλιακό. Η παραγόμενη ισχύς από την ανεμογεννήτρια είναι εμφανώς μεγαλύτερη και είναι ικανή να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες κατά ένα μεγάλο βαθμό. Παρατηρούμε πως τις νυχτερινές ώρες δεν αντλείται καθόλου ισχύς από τις 91

92 μπαταρίες, παρά μόνο όταν η παραγόμενη ενέργεια της ανεμογεννήτριας είναι περιορισμένη, λόγω χαμηλής ταχύτητας ανέμου. Παρατηρούμε ότι, εξαιτίας του υψηλού αιολικού δυναμικού τον Ιανουάριο, η ενεργεία που παράγουν οι ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά είναι μεγαλύτερη και από αυτή που μπορούν να αποθηκεύσουν οι μπαταρίες, με αποτέλεσμα να έχουμε ένα μεγάλο ποσοστό πλεονάζουσας ενέργειας, το οποίο δεν μπορούμε να εκμεταλλευτούμε, αφού το σύστημά μας είναι αυτόνομο και δεν υπάρχει η δυνατότητα πώλησης της επιπλέον ενέργειας στο δίκτυο Οικονομική ανάλυση Στον Πίνακα παρουσιάζεται το βέλτιστο υβριδικό σύστημα ενέργειας, το οποίο είναι αποτέλεσμα βελτιστοποίησης της σχεδίασης στο ΗΟΜΕR. Από τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης, ως καλύτερο κρίνεται ένα σύστημα, που περιέχει μία ΑΓ 25 kw, ΦΒ 65 kw, 72 μπαταρίες και έναν μετατροπέα 50 kw. Στοιχεία υβριδικού συστήματος Αρχικό Κόστος ( ) Ετήσιο Κόστος Λειτουργίας ( /yr) Καθαρό Παρόν Κόστος ( ) Κόστος Ενέργειας ( /kwh) ΑΓ 25 kw, ΦΒ 65 kw, 72 Μπατ, Μετ 50 kw ,196 Πίνακας Οικονομικά χαρακτηριστικά βέλτιστου Υβριδικού Συστήματος Όσον αφορά τα κόστη: Tο αρχικό κόστος εγκατάστασης είναι , το ετήσιο κόστος λειτουργίας είναι 1.999, το καθαρό παρόν κόστος και το κόστος ενέργειας είναι 0,196 /kwh. Στη συγκεκριμένη ανάλυση, δεν χρησιμοποιήθηκε ντιζελογεννήτρια. Eπομένως, δεν έχουμε δαπάνες σε καύσιμα και τα έξοδα περιορίζονται στα κεφαλαιουχικά. Στοn συγκεντρωτικό Πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα οικονομικά χαρακτηριστικά του βέλτιστου υβριδικού συστήματος και αναλυτικότερα πώς προκύπτει το Καθαρό Παρόν Κόστος, που αποτελεί βασικό κριτήριο κατάταξης των υβριδικών συστημάτων στο HOMER. 92

93 Πίνακας Οικονομικά χαρακτηριστικά βέλτιστου υβριδικού συστήματος Σχήμα Χρηματοροή συνολικού κόστους του συστήματος για τα 20 χρόνια Πίνακας Ετήσιο κόστος συστήματος Σχήμα Χρηματοροή ετήσιου κόστους ανά σύστημα 93

94 Το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας είναι 1, μιας και χρησιμοποιούμε αποκλειστικά ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στο σύστημά μας. Το τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται 0,196, το οποίο είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η., που ξεκινάει από 0,0069 /kwh και φτάνει το μέγιστο στα 0,085 /kwh Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά της προσομοίωσης Λόγω της αποκλειστικής χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, το σύστημά μας παράγει μηδενικούς ρύπους. Εκτός από τα προφανή περιβαλλοντικά οφέλη αυτού, έχουμε και οικονομικά οφέλη, καθώς δεν φορολογούμαστε από την Ευρωπαϊκή Ένωση για τους ρύπους, ούτε εισάγουμε συστήματα μείωσης ρύπων. 6.3 PV Diesel Το συγκεκριμένο υβριδικό σύστημα παράγει ενέργεια από μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, αφού αποτελείται από φωτοβολταϊκά πάνελ και μια ντηζελογεννήτρια με την υποστήριξη μπαταριών. Η αποδοτικότητα αυτού του συστήματος εξαρτάται από το ηλιακό δυναμικό της περιοχής. Από τις υπάρχουσες μετρήσεις, βλέπουμε πως η περιοχή έχει καλό ηλιακό δυναμικό και για να προσκομίσουμε τα μέγιστα δυνατά οφέλη από τα φ/β συμπεριλήφθηκε ηλιακός ιχνηλάτης (solar tracker). Η λειτουργία του υβριδικού συστήματος έχει ως εξής: Τα φ/β παρέχουν την απαιτούμενη ενέργεια στο φορτίο, μέσω του μετατροπέα ισχύος. Η πρόσθετη ενέργεια από τα φ/β φορτίζει τις μπαταρίες, μέσω του ρυθμιστή φόρτισης μέχρι οι μπαταρίες να φτάσουν στο μέγιστο επίπεδο φόρτισης τους. Η ντηζελογεννήτρια μπαίνει σε λειτουργία εάν η ζήτηση του φορτίου δεν μπορεί να καλυφθεί από τα φωτοβολταϊκά, αλλά ούτε και από τις μπαταρίες. 94

95 6.3.1 Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Στο Σχήμα απεικονίζονται γραφικά τα επιμέρους στοιχεία του υβριδικού συστήματος, ενώ αναλυτικότερα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του παρουσιάζονται στον Πίνακα Σχήμα Γραφική απεικόνιση υβριδικού συστήματος Μέρη Συτήματος Ποσότητα Ισχύς Φωτοβολταϊκά (LG320N1T-A5) 67,7kW Μπαταρία (Surrette 4KS27P) kWh Μετατροπέας 1 51kW Πίνακας Τεχνικά χαρακτηριστικά υβριδικού συστήματος Ο ηλιακός ιχνηλάτης ή εντοπιστής ηλιακής ακτινοβολίας είναι μια μηχανολογική διάταξη, πάνω στην οποία τοποθετούνται τα φωτοβολταϊκά πάνελ, ώστε το σύστημα να μπορεί να περιστρέφεται μέσω των ειδικών 95

96 εξαρτημάτων και του λογισμικού που διαθέτει. Το σύστημα ακολουθεί την τροχιά του ήλιου στον ουρανό καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας, γεγονός που βελτιστοποιεί τη γωνία στην οποία τα φωτοβολταϊκά λαμβάνουν την ηλιακή ακτινοβολία. Όταν οι ηλιακοί συλλέκτες είναι εκτεθειμένοι στο ηλιακό φως, η γωνία με την οποία οι ακτίνες του ήλιου συναντούν την επιφάνεια του φωτοβολταϊκού, γνωστή ως γωνία πρόσπτωσης, καθορίζει πόσο καλά το στοιχείο μπορεί να μετατρέψει το εισερχόμενο φως σε ηλεκτρισμό. Όσο πιο στενή είναι η γωνία πρόσπτωσης, τόσο πιο πολλή ενέργεια μπορεί να παράγει ένα φωτοβολταϊκό πάνελ. Τα solar trackers βοηθούν στην ελαχιστοποίηση αυτής της γωνίας με το να εργάζονται για τον προσανατολισμό των πλαισίων, έτσι ώστε το φως να τους χτυπά κάθετα στην επιφάνειά τους. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας. Υπάρχουν δύο τύποι συστημάτων ηλιακής παρακολούθησης: μονού άξονα και διπλού άξονα. Ο ηλιακός ιχνηλάτης ενός άξονα μετακινεί τα φωτοβολταϊκά πάνελ σε έναν άξονα κίνησης, συνήθως ευθυγραμμισμένο με το βορρά και το νότο. Αυτές οι ρυθμίσεις επιτρέπουν στα πάνελ να περιστρέφονται από την ανατολή προς τη δύση και να παρακολουθούν τον ήλιο, καθώς ανατέλλει και δύει. Ο ηλιακός ιχνηλάτης διπλού άξονα επιτρέπει στα φωτοβολταϊκά πάνελ να κινούνται σε δύο άξονες, ευθυγραμμισμένους τόσο από βορρά προς νότο όσο και από ανατολή προς δύση. Αυτός ο τύπος συστήματος έχει σχεδιαστεί για να μεγιστοποιεί τη συλλογή της ηλιακής ενέργειας καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Μπορεί να παρακολουθεί τις εποχιακές διακυμάνσεις ως προς το ύψος του ήλιου εκτός από την κανονική καθημερινή κίνηση. Στη συγκεκριμένη μοντελοποιήση επιλέχτηκε εντοπιστής ηλιακής ακτινοβολίας δύο αξόνων (two axis solar tracking system) ZHRD της εταιρίας ZONHAN. Η βάση του συστήματος είναι τσιμεντένια και είναι κατασκευασμένο να δουλεύει σε ανέμους μέχρι 24 m/s και να αντέχει ανέμους μέχρι 40 m/s. 96

97 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Control mode Time + GPS control Tracking accuracy (adjustable) Motor 24V gear motor Power consumption 5kWh/set/year Azimuth angle tracking range ±60 Elevation angle adjust range Ενεργειακά χαρακτηριστικά Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας kwh, με kwh να προέρχεται από τα φωτοβολταϊκά και 4841kWh από την ντιζελογεννήτρια. Τα αποτελέσματα που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το φορτίο που καλύπτεται από το σύστημα συνοψίζονται στους παρακάτω πίνακες και το γράφημα. Πίνακας Μέση ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος 97

98 Παραγωγή 3% Diesel PV 97% Σχήμα Ποσοστό συμμετοχής κάθε μονάδας παραγωγής του Υβριδικού Συστήματος Πίνακας Μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Πίνακας Σχέση της μέσης παραγόμενης ενέργειας με τη μέση κατανάλωση Πίνακας Κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας 98

99 Σχήμα Μηνιαία μέση παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το WIND-PV σύστημα Όπως παρατηρούμε από τους παραπάνω πίνακες, το σύστημα καλύπτει πλήρως της ενεργειακές ανάγκες του φορτίου μας. Οι ηλεκτρικές ανάγκες ικανοποιούνται σε ποσοστό 97% από τα φωτοβολταϊκά με τη γεννήτρια diesel να συμμετέχει με το μικρό ποσοστό της τάξεως του 3%. Επίσης αρκετά υψηλό είναι το ποσοστό ανεκμετάλλευτης ενέργειας (30,9%), το οποίο όμως καθίσταται απόλυτα λογικό, λόγω της έλλειψης σταθερότητας των φυσικών φαινομένων, επηρεάζοντας τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και οδηγώντας στην υπερδιαστασιολόγησή τους για την ασφαλέστερη κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Επιπλέον με τη χρήση των solar trackers μεγιστοποιούμε την απόδοση των φωτοβολταϊκών με αποτέλεσμα η παραγωγή ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας να υπερκαλύπτει το φορτίο. Ικανοποιητικό είναι επίσης και το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας, το οποίο βρίσκεται στο 95,1%. Η γεννήτρια πετρελαίου, όπως παρατηρούμε στο σχήμα , χρειάζεται περισσότερο τους χειμερινούς μήνες, λόγω έλλειψης ηλιοφάνειας. Από τους πίνακες 6.3.9, βλέπουμε ότι η γεννήτρια λειτουργεί 517 hr/yr και έχει κατανάλωση καυσίμου L/yr. 99

100 Πίνακας Λειτουργικά στοιχεία γεννήτριας Η γεννήτρια, όπως βλέπουμε στο σχήμα , λειτουργεί μόνο όταν έχουμε έλλειψη στην κάλυψη του φορτίου από τα φωτοβολταϊκά και τις μπαταρίες. Όπως παρατηρούμε, η χρήση της γεννήτριας, κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών, είναι υποχρεωτική για την ευστάθεια του δικτύου. Η χρήση της παρατηρείται κυρίως τις νυχτερινές ώρες, όπου η παραγωγή ενέργειας είναι μηδενική και η μόνη πηγή ισχύος είναι οι μπαταρίες. Ο μήνας Δεκέμβριος είναι αυτός με την περισσότερη ζήτηση ενέργειας από την γεννήτρια, λόγω χαμηλού ηλιακού δυναμικού. Επίσης παρατηρούμε την γεννήτρια να χρησιμοποιείται τις ώρες μεταξύ , όπου είναι και οι ώρες αιχμής του δικτύου. Σχήμα Ώρες λειτουργίας και παραγωγή ενέργειας της γεννήτριας 100

101 Σχήμα Λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για το μήνα Ιούλιο Οι δύο συγκεκριμένες επιλογές ημερών για την σύγκριση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του συστήματος έγιναν με βάση τη μέγιστη και την ελάχιστη ισχύ του φορτίου. Στις 23 Ιουλίου έχουμε την υψηλότερη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας (57,56kW peak), ενώ στις 7 Ιανουαρίου έχουμε μια πολύ μικρή κατανάλωση με το μέγιστο φορτίο της ημέρας να μην υπερβαίνει τα 14kW. Όπως παρατηρούμε στο σχήμα , έχουμε περίσσεια ενέργεια κατά τη διάρκεια της ημέρας, η οποία διοχετεύεται στις μπαταρίες για την μετέπειτα αξιοποίηση της. Η παραγωγή ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά αρχίζει με το πρώτο φως του ηλίου, με μεγάλη απόδοση, καθώς το σύστημα προσανατολίζει τα πλαίσια, έτσι ώστε το φως να τα χτυπά κάθετα στην επιφάνειά τους. Έτσι μεγιστοποιείται η απόδοση και διατηρείται καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας μέχρι τη δύση του ηλίου. Στο σχήμα βλέπουμε τρεις τυχαίες ημέρες του μήνα Ιουλίου μαζί με την παραγόμενη ισχύ των στοιχείων και την γωνία που διαμορφώνεται ανάλογα με την ώρα της ημέρας. 101

102 Σχήμα Λειτουργικά χαρακτηριστικά συστήματος για τυχαίες μέρες του Ιουλίου Η καμπύλη ισχύος των φωτοβολταϊκών με ηλιοστάτη σε σύγκριση με μια σταθερή εγκατάσταση μπορεί να οπτικοποιηθεί στο παρακάτω σχήμα Σχήμα Παραγόμενη ισχύς φωτοβολταϊκών με και χωρίς ηλιοστάτη Το ποσοστό αύξησης στην παραγωγή ενέργειας με την χρήση ηλιοστάτη μπορεί να φτάσει ακόμα και το 40% (σε εφαρμογές με dual axis). 102

103 Σχήμα Λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για τον μήνα Ιανουάριο Στο παραπάνω σχήμα παρατηρούμε το φορτίο, την παραγόμενη ισχύ από τα φ/β, τη στάθμη φόρτισης των μπαταριών και την παραγόμενη ενέργεια από την ντιζελογεννήτρια για τον μήνα Ιανουάριο. Η συγκεκριμένη ημέρα αντιπροσωπεύει το χειρότερο σενάριο που μπορούμε να έχουμε για αυτό το σύστημα. Η παραγόμενη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά δεν είναι σε θέση να καλύψει το φορτίο, πόσο μάλλον να φορτίσει και τις μπαταρίες. Η χρήση της γεννήτριας θεωρείται αναγκαία. Εδώ έγκειται και το μεγαλύτερο πρόβλημα των φωτοβολταϊκών. Σε περιόδους, κατά τις οποίες η ηλιακή ακτινοβολία είναι ασθενής, η παραγόμενη ενέργεια πέφτει δραματικά Οικονομική ανάλυση Από τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης, ως καλύτερο κρίνεται ένα σύστημα που περιέχει ΦΒ 67,7 kw, 84 μπαταρίες και ένα μετατροπέα 51 kw. Για τη σωστή μελέτη του συστήματος, η τιμή των solar trackers συγχωνεύθηκε στην τιμή των φ/β. Στο πρόγραμμα Homer δεν δίνεται η δυνατότητα επιλογής 103

104 τιμής κόστους για τους ηλιοστάτες. Η τιμή έπρεπε να συμπεριληφθεί στην προσομοίωση του συστήματος, καθώς η βελτιστοποίηση γίνεται με γνώμονα το κόστος του συστήματος. Μέγεθος (kw) με solar tracker Αρχικό Κόστος ( ) Κόστος Αντικατάστασης ( ) Κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης ( /yr) Το κόστος αντικατάστασης είναι μόνο για το φ/β πλαίσιο. Κόστη λειτουργίας και αντικατάστασης δεν συμπεριλήφθηκαν. Ο κατασκευαστής δίνει 25 χρόνια ζωής στο σύστημα. Στοιχεία υβριδικού συστήματος Αρχικό Κόστος ( ) Ετήσιο Κόστος Λειτουργίας ( /yr) Καθαρό Παρόν Κόστος ( ) Κόστος Ενέργειας ( /kwh) ΦΒ 67,7 kw, 84 Μπατ, Ντηζελογενν. 30kW, Μετ 51 kw ,208 Πίνακας Οικονομικά χαρακτηριστικά βέλτιστου Υβριδικού Συστήματος Όσον αφορά τα κόστη, το αρχικό κόστος εγκατάστασης είναι , το ετήσιο κόστος λειτουργίας είναι 4.298, το καθαρό παρόν κόστος και το κόστος ενέργειας είναι 0,208 /kwh. Στη συγκεκριμένη ανάλυση δεν χρησιμοποιήθηκε ντιζελογεννήτρια, επομένως δεν έχουμε δαπάνες σε καύσιμα και τα έξοδα περιορίζονται στα κεφαλαιουχικά. Στον συγκεντρωτικό Πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα οικονομικά χαρακτηριστικά του βέλτιστου υβριδικού συστήματος και αναλυτικότερα πώς προκύπτει το Καθαρό Παρόν Κόστος, που αποτελεί βασικό κριτήριο κατάταξης των υβριδικών συστημάτων στο HOMER. 104

105 Πίνακας Οικονομικά χαρακτηριστικά βέλτιστου υβριδικού συστήματος Σχήμα Χρηματοροή συνολικού κόστους του συστήματος για τα 20 χρόνια Πίνακας Ετήσιο κόστος συστήματος 105

106 Σχήμα Χρηματοροή ετήσιου κόστους ανά σύστημα Το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας είναι 0,95, μιας και χρησιμοποιούμε αποκλειστικά ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στο σύστημά μας. Το τελικό κόστος παραγωγής μίας κιλοβατώρας συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται 0.196, το οποίο είναι αρκετά υψηλό σε σύγκριση με την χρέωση της Δ.Ε.Η. που ξεκινάει από 0,0069 /kwh και φτάνει το μέγιστο στα 0,085 /kwh Περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά Οι παραγόμενοι ρύποι του συστήματος φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Οι ρύποι βρίσκονται σε αποδεκτά επίπεδα, λόγω της ελάχιστης λειτουργίας της γεννήτριας. Προσεγγιστικά οι παραγόμενοι ρύποι διοξειδίου του άνθρακα που εκπέμπονται από την ντιζελογεννήτρια καθ όλη τη διάρκεια του έτους ισοδυναμούν με ένα αμάξι να οδηγείται συνεχόμενα για 9 ημέρες.. Πίνακας Παραγόμενη ρύποι συστήματος από τη Ντιζελογεννήτρια 106

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 o ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ 7.1 Συμπεράσματα προσομοιώσεων και εκτιμήσεις Σύστημα Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτρια Diesel Μπαταρίες Σύστημα Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτρια Μπαταρίες Σύστημα Φωτοβολταϊκά (με ηλιοστάτες) Diesel - Μπαταρίες Υβριδικό PV WIND PV- WIND PV - DIESEL Σύστημα DIESEL Παραγωγή Ενέργειας (kwh/year) Πλεόνασμα Ενέργειας (kwh/year) Εκπομπές CO2 (kg/year) Κόστος Κιλοβατόρας 0,186 0,196 0,208 ( /kwh) Συνολικό Παρόν Κόστος ( ) Πίνακας Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των προσομοιώσεων Στον ανωτέρω πίνακα συγκεντρώνονται τα σημαντικότερα στοιχεία των εξομοιώσεων. Ακολουθεί ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων και η σύγκριση 107

108 της αποτελεσματικότητας του κάθε συστήματος με βάση τα αριθμητικά δεδομένα των προσομοιώσεων. Η οικονομικότερη λύση, όπως αυτή προκρίνεται μέσω του συνολικού παρόντος κόστους αλλά και του γραμμικά ανάλογου σε αυτό κόστους κιλοβατώρας, είναι ο συνδυασμός ανεμογεννητριών με φωτοβολταϊκά και ντηζελογεννήτριας. Ακολουθεί η λύση των φωτοβολταϊκών με ανεμογεννήτρια και τελευταίος ο συνδυασμός φωτοβολταϊκών με ντηζελογεννήτρια. Η ντιζελογεννήτρια, είναι αυτή που καθιστά τον συνδυασμό της με το αιολικό και το φωτοβολταϊκό πάρκο το πιο συμφέρον οικονομικό σύστημα. Η επικουρική χρήση της γεννήτριας, σε υψηλής ζήτησης φορτία στους καλοκαιρινούς μήνες, είναι που αποτρέπει την υπερδιαστασιολόγηση των υπολοίπων μεγεθών. Συγκρίνοντας με τον συνδυασμό χωρίς τη γεννήτρια που βρίσκεται αμέσως μετά παρατηρούμε πως εγκαθίστανται κατά 22kW μεγαλύτερης ισχύος φωτοβολταϊκά μαζί με 22 μπαταρίες επιπλέον. Έτσι αποτυπώνεται η διαφορά στο κόστος και το μεγαλύτερο πλεόνασμα ενέργειας. Ο καθαρά επικουρικός ρόλος της γεννήτριας πετρελαίου διαφαίνεται στις μόλις 269 ετήσιες ώρες λειτουργίας και στα σχεδόν 55 χρόνια της διάρκειας ζωής της. Συνολικό Παρόν Κόστος ( ) PV - Wind - Diesel PV - Wind PV - Diesel Σχήμα Συνολικό παρόν κόστος των προσομοιωμένων συστημάτων 108

109 Ως τρίτη οικονομικότερη λύση προκρίνεται ο συνδυασμός φωτοβολταϊκών πάνελ με ντιζελογεννήτρια. Οι ώρες λειτουργείας της γεννήτριας σχεδόν διπλασιάζονται, οπότε αντιστοίχως μεγαλώνει και το κόστος. Διπλασιάζεται όμως και το κόστος των φωτοβολταϊκών μας, καθώς τα solar trackers, παρά την αυξημένη απόδοση που παρέχουν στα φ/β στοιχεία, το κόστος τους βρίσκεται σε υψηλά επίπεδα. Ένα ακόμα μειονέκτημα του συστήματος είναι τα πολλά κινούμενα μηχανικά μέρη τα οποία ανεβάζουν το ποσοστό σφάλματος για το σύστημα Κόστος kwh ( ) 0,175 0,18 0,185 0,19 0,195 0,2 0,205 0,21 PV - Wind - Diesel PV - Wind PV - Diesel Σχήμα Κόστος κιλοβατώρας των συστημάτων Σημαντικό επίσης είναι να αναφερθεί ότι τα υβριδικά συστήματα των μοντελοποιήσεων παρουσιάζουν μεγάλα ποσά ανεκμετάλλευτης ενέργειας σε ποσοστό άνω του 30% της συνολικής παραγόμενης ενέργειας. Για την αξιοποίηση αυτής της «χαμένης» ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντλία νερού η οποία θα αποθηκεύει νερό και θα ενεργοποιείται όποτε υπάρχει περίσσεια ενέργεια η οποία σε άλλη περίπτωση θα απορριπτόταν. Μέσο της υδατόπτωσης και σε συνδυασμό με μια γεννήτρια υδροστροβίλου μπορεί να παραχθεί ενέργεια όποτε χρειάζεται. Μία τέτοια προσέγγιση θα χρειαστεί εκ νέου οικονομική ανάλυση με επιπλέον κόστος αλλά θα εκμεταλλεύεται όλη την παραγόμενη ενέργεια του συστήματος. Επίσης η διασύνδεση υβριδικών συστημάτων με το δίκτυο θα εκμηδενίσει το κόστος των μπαταριών και η πλεονάζουσα ενέργεια θα μπορεί να διοχετευτεί στο δίκτυο για την αξιοποίησή της. 109