-ΡΑΜΗΑΤΕΑ ~~Νοι\ο(Ί Η\+ι( 1 - _:, " ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΉ ΑΞ ΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ. ιι ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ

Transcript

1 ΡΑΜΗΑΤΕΑ Νι\(Ί Η\+ι( ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 6+3 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓ ΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣ Ι ΑΣ ΠΕΡ Ι ΒΑΛΛΟΝΤΟΣ '., '... _:,.. t r: ι,. Π ΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓ ΑΣ ΙΑ: ' ' '.... J ι ι. '. *,Ι '.".Jι r. ι, ι i ι..,jι':ι # J:. " ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΉ ΑΞ ΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ. ιι ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ.. {tz Υι" ΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤJΙΜΑ ΤΩΝ"... """'. ι.' J..,.(. (.,,, ,., ΕΠ ΙΒΛΕ Π ΩΝ ΚΑΘΗ ΓΗΤΗΣ : Κ.Α. ΚΑ ΒΒΑΔ Ι ΑΣ.

2 ΓΡΑι\ΗΑίΈfΑ Νλrι Η \+ι( ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ 6f3 ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓ ΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓ ΑΣΙΑ: "ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΉ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ'',......,.... ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΣΠΟΥ ΔΑΣΤΗ : ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Κ. ΑΡΒΑΝΙΤΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Κ.Α. ΚΑΒΒΑΔΙΑΣ... ΑΘΗΝΑ ΙΟΥΝΙΟΣ 202 _,...

3 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σ ελίδα 2

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αρχικά θέλω να ευχαριστήσω θερμά όλυς τυς διδάσκντες καθηγητές μυ, τυ Τμήματς Μηχανλγίας της Σχλής Τεχνλγικών Εφαρ μγών τυ Τεχνλγικύ Εκπαιδευτικύ Ιδρύματς Πειραιά για τις γνώσ ε ις πυ μυ παρείχαν κατά τη διάρκεια των σπυδών μυ. Ακλύθως, ιδιαίτερες ευχαριστίες φείλω στν επ ιβλέπντα καθηγητή κ. Κσμά Κ. Καββαδία καθώς και στν κ. Δημήτρι Ζαφειράκη για την άριστη συνεργασία και για τη βήθεια και καθδγηση πυ μυ παρε ίχαν σε όλη τη διάρκεια της παρύσας πτυχιακίς εργασίας. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 3

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αρχικά θέλω να ευχαριστήσω θερμά όλυ ς τυς διδάσκντες καθηγητές μυ, τυ Τμήματς Μηχανλγίας τη ς Σχ λή ς Τεχνλγικώ ν Εφαρμγών τυ Τεχνλγικύ Εκπαιδ ευτικύ Ιδρύματ ς Π ε ιραιά για τις γνώσεις πυ μυ παρ είχαν κατά τη διάρκε ια των σπυδών μυ. Ακλύθως, ιδιαίτερες ευχαριστίες φ ε ίλω στν επιβλέπντα καθηγητή κ. Κσμά Κ. Καββαδία καθώς και στν κ. Δημήτρι Ζαφ ε ιράκη για την άριστη συνε ργασία και για τη βήθεια και καθδήγηση πυ μυ παρ ε ίχαν σε όλη τη διάρκεια της παρύσας πτυχιακής εργασίας. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 3

6 ΠΕJ>ΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΙ ΣΤΑ Α ΥΤΟΝΟΜΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΑ 7 ΚΕ<Ι>ΑΛΑΙΟ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΩΝ 9 2..HOMER 2... Εξμίωση ( Simulation ) Ι Ι Βελτιστπίηση ( Optίmization ) Ι Ανάλυση Ευαισθησίας ( Sensitivity Analysis) HOGA Γενετικί Αλγόριθμι α. Λειτυργία β. Εκδχές Αλγρίθμυ 2 Ι 2.2..γ. Χαρακτηριστικά δ. Διάγραμμα ρής για τ πρόγραμμα HOGA Βελτιστπίηση Συστήματς WT PV Διάγραμμα ρ)ς για τ πρόγραμμα WT _PV 27 ΚΕ<Ι>ΑΛΑΙΟ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Α ΥΤΟΝΟΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΙΙΜΑ ΤΟΣ 3.. Συνδυασμί Συστημάτων για WT_Pv/HOMER/HOGA 3.2. Εισαγωγή Δεδμένων 3.2.α. Μεταβλητές Φυσικής Διαμόρφωσης 3.2.β. Πόρι Συστήματς 3.2.γ. Συστατικά Εγκατάστασης Συστήματς ι) Φωτβλταϊκή Συστιχία ιι) Ανεμγεννήτρια ιιι) Συσσωρευτές ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 4

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΉ ΣΤΑ Α ΥΤΟΝΟΜΑ ΥΒΡΙΔΙΚΆ ΣΥΣΤΉΜΑΤΑ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΧΝΙΚΆ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΆ ΛΟΓΙΣΜΙΚΩΝ 9 2..HOMER 2... Εξμίωση ( Sirnulation) Βελτιστπίηση ( Optirnization) Ανάλυση Ευαισθησίας ( Sensitiνity Analysis) HOGA Γενετικί Αλγόριθμι α. Λειτυργία β. Εκδχές Αλγρίθμυ γ. Χαρακτηριστικά δ. Διάγραμμα ρής για τ πρόγραμμα HOGA WT PV Βελτιστπίηση Συστήματς ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Α ΥΤΟΝΟΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3.. Συνδυασμί Συστημάτων για WT _Pν/HOMER/HOGA 3.2. Εισαγωγή Δεδμένων 3. 2.α. Μεταβλητές Φυσικής Διαμόρφωσης 3.2.β. Πόρι Συστήματς γ. Συστατικά Εγκατάστασης Συστήματς ι) Φωτβλταϊκή Συστιχία ιι) Ανεμγεννήτρια ιιι) Συσσωρ ευτές Διάγραμμα ρής για τ πρόγραμμα WT _PV ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 4

8 ιν) Λιπά Εξαρτήματα 3.2. δ. Στρατηγική Διαχείρισης Φρτίυ 3.3. Απτελέσματα Λγισμικό HOMER.. Α/Γ Φ/Β πλαίσια Συσσωρευτές, β=60.2. Α/Γ Συσσωρευτές.3. Φ/Β πλαίσια Συσσωρευτές, β=60.4. Α/Γ Φ / πλαίσια Συσσωρευτές β =3 5.5.Φ /Β πλαίσια Συσσωρευτές, β= Λγισμικό HOGA.. Α/Γ Φ /Β πλαίσια Συσσωρευτές, β=60.2. Α/Γ Συσσωρευτές.3. Φ/Β πλαίσια Συσσωρ ευτές, β= Α/Γ Φ/Β πλαίσια Συσσωρευτές, β=35.5. Φ/Β πλαίσια Συσσωρευτές, β= Λγισμικό WT_PV:.. Α/Γ Φ /Β πλαίσια Συσσωρευτές, β=60.2. Α/Γ Συσσωρευτές.3. Φ /Β πλαίσια Συσσωρευτές, β = Α/Γ Φ /Β πλαίσια Συσσωρευτές, β =;::: Φ / Β πλαίσια Συσσωρευτ ές, β=35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙV ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΣΧΟΛΙΑ 4.. Λγισμικό HOGA 4.2. Λγισμικό HOMER 4.3. Λγισμικό WT_PV 4.4. Επιμέρυς Διαφρές των Λγισμικών Βιβλιγραφία Γ ΒιΒΛΙΟΘ! ΙΚti ΕΙ ΙΊΕΙΡΑIΑ ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 5

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκπός της παρύσας Πτυχιακής Εργασίας, είναι η συγκριτική αξιλόγηση διαφρετικών υπλγιστικών μεθόδων διαστασιλόγησης Αυτόνμων Υβριδικών Συστημάτων με σκπό την ανάδειξη των διαφρών τυς. Για την επίτευξη αυτής, μελετήθηκε η δμή των παρακάτω υπλγιστικών πργραμμάτων : HOMER ν / ν. 2.8 (The Micropower Optimization Model) HOGA ν..96 (Hybrid Optimization by Genetic Algorithms) WT_PV (software of S.E.A. & ENVl.PRO. Lab.) Τ κριτήρι για τη σύγκριση και την αξιλόγηση όλων των παραπάνω λγισμικών, είναι η δμή, τρόπς λειτυργίας καθώς και η περίσσεια ενέργειας πυ απρρέει από τυς συνδυασμύς των μνάδων παραγωγής πυ πρκύπτυν από αυτά τα λγισμικά. ABSTRACT The aim of this project is to compare different calculation methods of sizing Autonomous Hybrid Systems in order to determine the differences between tlem. The softwaγe used for the coιηparison was: HOMER ν / ν. 2.8 ( The MicropoweΓ Optimization Model) HOGA ν..96 ( Hybrid Optimization by Genetic AlgoΓithωs) WT_PV (software ofs.e.a. & ENV.PRO. Lab.) Ιη ΓdeΓ to achieve this, we examined diffeγent combinations of HybΓid installations and compare the stωcture and the operation mode for eacl of theη. The majoγ paraιηeteγ tor this coιηparison was the energy surplus of eacl installation, calculated by each software. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 6

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ο όρς «Υβριδικά Συστήματα Ενέ ργε ιας» αναφ έ ρ εται στα συστήματα όπυ χρησιμπιύνται πλλαπλές διατάξεις ενεργειακής μετατρπή ς, ή περισσότερα τυ ενός καυσίμυ για την ίδια διάταξη, με σκπό την παραγωγή ενέργειας. Ένα υβριδικό σύστημα μπρεί να περιλαμβάνει μια συμβατική μνάδα παραγωγή ς ηλεκτρικής εν έ ργειας σε συνδυασμό με μία τυλάχιστν μρφή ανανεώσιμης πηγής εν έ ργεια ς, διατάξεις απθήκευση ς, συστήματα εππτείας και ελέγχυ, καθώς και σύστημα διαχείρισης φρτίυ. Με αυτήν την έννια, τα υβριδικά συστήματα απτελύν μία εναλλακτική επιλγή αντί των συμβατικών συστημάτων, τα πία τυπικά βασίζνται στην παραγωγή ενέ ργ ε ιας από ρυκτά καύσιμα. Εφαρμγές των Υβριδικών Συστημάτων Ενέργειας, απτελύν τα αυτόνμα υβριδικά συστήματα (Α ΥΣ) τα πία χρησιμπιύνται για την ηλεκτρδότηση απμνωμένων ή νησιωτικών περιχών πυ δεν είναι συνδεδε μένες με τ κεντρικό ηλε κτρικό δίκτυ, πότε δ εν υπάρχει σύστημα μεταφράς παρά μόν σύστημα διανμής. Η μετατρπή ενός συμβατικύ αυτόνμυ σταθμύ σε υβριδικό, απσκπε ί κατά κύρι λόγ στην ελάττωση της κατανάλωσης καυσίμυ και των ωρών λε ιτυργίας των συμβατικών γεννητριών. Η σημαντικότε ρη διαφρά τυ αυτόνμυ σε σχέση με ένα διασυνδ ε δ ε μέν υβριδικό σύστημα ε ίναι ότι πρ έπει να μπρεί να παρ έχε ι όλη την ενέ ργ ε ια πυ ζητε ίται πιαδήπτε χρνt0 στιγμή ή να κάνε ι απκπ φρτίυ όταν αυτό δεν είναι εφικτό. Επιπλέν, πρ έπε ι να έχε ι την ικανότητα ρύθμιση ς συχνότητας και παραγωγής άεργυ ισχύς ώστε να ρυθμίζε ι την τάση τυ δικτύυ. Όταν η ηλε κτρική παραγωγή από τις μν άδ ες Αναν εώσιμων Πηγών Ενέ ργ ε ιας τυ συστήματ ς ξεπε ρνά τ φρτί, η πε ρίσσεια ενέργε ιας πρ έπε ι να απθηκευτε ί ή και να απρριφθ ε ί με κάπιν τρόπ ώστε να μην πρκαλέσε ι αστάθ ε ια στ σύστημα. Ένα ς β ελτιστπιημένς σχεδιασμός για τν έλεγχ των υβριδικών συστημάτων συχνά μπρ ε ί να μειώσε ι τ κόστς παραγωγής ανά k Wh, σ ε σχέση με τη δημιυργία εγκαταστάσε ων στις πίες χρησιμπιείται μόν μία πηγ εν έ ργ ε ιας. Επίση ς, ασυνήθιστες αιχμές κατανάλωσης ή χαμηλά επίπεδα ηλιακή ς ακτινβλίας και ταχυτήτων τυ αν έ μυ καθιστύν τις αιλικές και φωτβλταϊκές εγκαταστάσε ις ανεπαρκε ίς. Για τυς παραπάνω λόγυς πρόσθετα βηθητικά συστήματα παραγωγής ενέ ργ ειας χρησιμπιύνται για την κάλυψη τυ απαιτύμενυ φρτίυ. Τα η λε κτρπαραγωγά ζεύγη χρησιμπιύνται συχνά για να εξασφαλίζυν την αδ ιάλε ιπτη παρχή εν έ ργ ε ιας (γνωστέ ς ως "γ εννήτριες εναλλασσόμενυ ρεύματ ς " στα υπλγιστικά πργράμματα), και συνήθως λε ιτυργύν με μνά δ α πετρ ελαίυ. Αυτά τα συγκρτήματα παραγωγής είναι η πι διαδεδμένη εναλλακτικί λύση για τα βηθητικά συστήματα, ω ς μέ θδ για την παρχή πρόσθ ετυ εν ε ργ ε ιακύ ε φδιασμύ για ρισμένα υψηλής ισχύς επίπε δα κατανάλωσης. Οι συμβατικές μέ θδι παραγωγής ηλε κτρικής ενέργειας, εντύτις, έχυν ως σημαντικό με ινέ κτημα την εκπμπή τξικών αερίων συμβάλλντας στην επιδείνωση τυ φαινόμενυ τυ θ ε ρμκηπίυ. ΑΤΕΙ Π Ε ΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σ ε λίδα 7

11 Από όλα τα παραπάνω συμπεραίνυμε ότι ι υπλγισμί διαστασιλόγησης ενός αυτόνμυ υβριδικύ συστήματς είναι εξαιρετικά δύσκλι, λόγω τυ μεταβαλλόμενυ βαθμύ διαθεσιμότητας των φυσικών πόρων ( ηλιακής ακτινβλία, αιλικύ δυναμικύ κ.α.) καθώς και της ζητύμενης από τν καταναλωτή ενέργειας. Για αυτόν ακριβώς τν λόγ, έχυν αναπτυχθεί πλλά υπλγιστικά πργράμματα πυ έχυν ως στόχ την απλύστευση της διαμόρφωσης τέτιων συστημάτων. Πλλά από τα λγισμικά αυτά, πυ βρίσκνται ελεύθερα στ διαδίκτυ, όπως αυτά πυ χρησιμπιύνται στην παρύσα πτυχιακή εργασία, έχυν δυνατότητα διαμόρφωσης και βελτιστπίησης πλλών διαφρετικών συνδυασμών, για πιδήπτε δεδμέν υβριδικό σύστημα (φωτβλταϊκά, ανεμγεννήτριες, υδρστρόβιλι, Συσσωρευτές, γ εννήτριες εναλλασσόμενυ ρεύματς, κυψέλες καυσίμυ, μνάδα ηλεκτρόλυσης, αναστρφείς και μεταβλητές για τη στρατηγική ελέγχυ). ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 8

12 ΚΕΦΑΛΑIΟ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΩΝ 2. Λγισμικό HOMER (The Micropower Optimization Model) Τ υπλγιστικό πακέτ βελτιστπίησης (The Micropower Optimization Model) HOMER, είναι ένα μντέλ τ πί αναπτύχθηκε από τ Αμερικανικό Εθνικό Εργαστήρι Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, (U.S. National Renewable Energy Laboratory NREL) ώστε. να παρέχει βήθεια στ σχεδιασμό συστημάτων παραγωγής ενέργειας και να διευκλύνει τη σύγκριση των τεχνλγιών η λεκτρ ική ς παραγωγής μέσω διάφρων εφαρμγών. Τ πρόγραμμα βασίζεται στην πρσμίωση της φυσικής συμπεριφράς ενός ηλεκτρικύ συστήματς [ ] καθώς και στ κόστς κύκλυ ζωής τυ, τ πί διαμρφώνεται από τ συνλικό κόστς εγκατάστασης και λειτυργ ίας πέραν τυ κύκλυ ζωή ς τυ. Ουσιαστικά, πρόκειται για βελτιστπίηση μέσω όλων των εφικτών συνδυασμών. Επίσης, επ ιτρ έπε ι στ χρήστη τη σύγκριση πλλών διαφρετικών συνδυασμών θέτντας τεχνικά ή ικνμικά κριτήρια. Τέλς, βηθά στην κατανόηση καθώς και στην πστικπίηση των μεταβλητών αβεβαιότητας και ευαισθησίας. Τ HOMER, μπρεί να διαμρφώσει συστήματα πυ εξυπηρ ετύν τ απαιτύμεν φρτί μ ε πιδήπτε εφικτό συνδυασμό μια ς ή και περισσότερων από τις παρακάτω τεχνλγίες όπως: φωτβλταϊκά πλαίσια, ανεμγεννήτριες, υδρστρβίλυς, ενέργεια από βιμάζα, κυψέλες καυσίμυ, Συσσωρευτές και τεχνλγίες απθήκευση ς υδργόνυ. Τ πρόγραμμα, αναπτύχθηκε πάνω σε τρείς βασικές διαδικασίες: την Εξμίωση, τη Βελτιστπίηση και την Ανάλυση Ευαισθησίας. Κατά τη δ ιαδικασία της Εξμίωσης, τ πρόγραμμα, μντελπιεί την απόδση ενός συστήματς παραγωγής ενέργε ιας σε ωριαία βάση. Έπε ιτα, κατά τη διαδικασία Βελτιστπίησης, αναζητά τη διαμόρφωση εκείνυ τυ συστήματς πυ ικανπιεί τυς τεχνικύς περιρισμύς για τ χαμηλότερ κόστς κύκλυ ζωής. Τέλς, κατά τη διαδικασία της Ανάλυσης Ευαισθησίας κάτω από μία σειρά υπθετικών δεδμένων, εκτελύνται πλλαπλές βελτιστπιήσεις ώστε να πστικπιηθεί βαθμός αβεβαιότητας. Η Βελτιστπίηση, καθρίζει την καταλληλότερη (ελάχιστη) τιμή των μ εταβλητών, π έ ραν των πίων, χρήστης μπρ εί να ε ισάγει, για τη σύνθεση των εξαρτημάτων τυ συστήματς, τ μέγεθς ή την πσότητα αυτών. i Ως σύστημα, ν ε ίται κάθε συνδυασμό ς πυ επιτρέπει την παραγωγή ηλεκτρ ι κής ενέργειας καθώς και θ ερ μότητα ς, γ ι α την κάλυψ η ενός φ?ρτίυ. Τέτ.ια συστήματ?, μπρ ε ί ν συντίθενται.από πιδήπτ ε συνδυασμό η λεκτρικών τεχνλ γ ιων παραγωγη ς και απθηκευση ς ενεργειας. να ειναι συνδεδεμενα στ δ ίκτυ i αυτόνμα. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 9

13 Η ανάλυση ευαισθησίας βηθά στην αξιλόγηση των απτελεσμάτων αβεβαιότητας καθώς και των αλλαγών στις τιμές των μεταβλητών, στις πίες χρήστης δεν μπρεί να επέ μβ ει, όπως για παράδειγμα η μέση ταχύτητα τυ αέρα ή η μελλνtική τιμή τυ κόστυς των καυσίμων. Στ σχήμα [], παριστάνεται και γραφικά η σχέση των τριών βασικών διαδικασιών πάνω στις πίες αναπτύχθηκε τ πρόγραμμα. Γίνετα ι εύκλα αντιληπτό τ γεγνός ότι: η διαδικασία Βελτιστπίησης, εξαρτάται από τη διαδικασία Εξμίωσης και η διαδικασία Ανάλυσης Ευαισθησίας με τη σειρά της από τις άλλες δύ. Σχήμ α : Εννιλγικιj Σχέση μεταξύ Εξμίωσης, Βελτιστπίηση ς και Ανάλυσης Ευαισθι σίας ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 0

14 2... Πρσμίωση (Simulation) Η θεμελιώδη ς ικανότητα τυ πργράμματς ε ίναι η Εξμ ίωση τη ς μακρπρόθεσμη ς λειτυργίας ενό ς συστήματ ς. Οι διαδικασίες Β ελτιστπίηση ς και Ανάλυση ς Ευαισθησία ς, απτελύν τα σημαντικότε ρα χαρα κτηριστικά τυ πργpιiμματ ς και στηρίζνται στην διαδικασία τη ς Εξμίωση ς. Ειδικότερα, μέσω τη ς εξμίωσης, καθρίζεται πώ ς μια σύνθ εση συστήματ ς (συνδυασμί εξαρτημάτων δ εδ μένων) και μια στρατηγική λε ιτυργίας (πώ ς αυτά συνε ργάζνται μεταξύ τυς), θα συμπεριφερόνταν σε μια δ εδμένη ρύθiιιση κατά τη διάρκεια μιας μακράς πε ριόδυ. Για συνδυασμύς συστημάτων, τα πία πε ριέχυν Συσσωρ ευτές ή ηλε κτργ εννήτριες καυσίμυ, απαιτε ίται μία στρατηγική διαχε ίριση ς κατά την πία τ πρόγραμμα απ φασίζε ι γ ια κάθ ε ώρ α, τν τρ όπ λε ιτυργίας των ηλε κτργεννητριών καθώς και τ χρνικό σημεί φόρτιση ς και ε κφόρτιση ς των μπαταριών. Τ HOMER μπρ ε ί να μντελπιήσε ι δύ διαφρ ετικές στρ ατηγικές της ακλυθίας φρτίυ και τη ς κυκλικής φόρτισης. Κατά τη στρ ατηγική διαχείριση ς " ακλυθία ς φρτίυ ", ι Συσσωρ ευτές μπρύν να φρτιστύν μόν μέσω τη ς παρ αγόμενη ς από ΑΠ Ε και ό χι από την ηλε κτρ γ εννήτρια. Κατά την ε φαρμγή τη ς στρατηγ ικής " κυκλική ς φ ό ρτιση ς", πτεδ ήπτε και αν δυλεύ ε ι η η λεκτργ εννήτρια, παρ άγ ε ι πε ρισσότ ε ρη εν έ ργε ια από όση χρ ε ιάζεται γ ια να καλυφθ ε ί τ φ ρτί και η πε ρίσσε ια αυτή ς, χρησιμπιε ίται για τη φόρτιση των μπαταριών. Τ πρ όγρ α μμα, ε κτελε ί τη δ ιαδ ικασία τη ς Εξ μίω ση ς για κάθ ε σί:ίστημα πυ έχε ι δ ιαμρφώσε ι χρήστη ς, με σκπό τν καθρισμό τύ κατά πό σ η ε κάσττε διαμό ρφωση ε ίναι εφικτιί (ικανότητα κάλυψη ς τυ φρτίυ) και εκτίμηση ς τυ κό στυ ς [ 2 ] εγ κατά σταση ς και λε ιτυργίας για όλη τη δ ιάρκε ια ζωή ς τυ έ ργυ. Η σύνθ εση ενός συστήματ ς, μντελπι ε ίται μέσω τη ς εξμίωση ς τη ς λειτυργ ίας ενό ς συστήματς, με ωριαίυς υπλγισμύς τυ ενε ργ ε ιακύ ισ ζυγίυ για τ σύν λ ενό ς έτυ ς. Ουσιαστικά, υπλγίζε ι" τ αν η παραγόμενη από ΑΠΕ εν έ ργ ε ια, σε σύγ κριση με τ απαιτύμεν η λε κτρικό θ ε ρμικό φρτί, αρκε ί. Ε πίση ς, απφασίζε ι γ ια τη διά θ εση της εν έ ργε ιας σε περιόδυ ς πε ρίσσ εια ς, την ρή αυτή ς από και πρς καθ ένα από τα ε ξαρτήματα τυ συστήματ ς καθώς και της εύρ εσης επιπλέ ν απαιτύμενη ς ενέργ ε ιας σε περιόδυ ς ελλε ίμματ ς. Επίση ς, τ πρόγραμμα για τν υπ λγισμό τυ κόστυς κύκλυ ζωή ς ενός συστήματ ς, υπλγ ίζε ι και άλλες παρ α μέτρυ ς όπως η ετήσια καταν άλωση καυσίμυ, τ χρ όνς ζωή ς των συσσωρ ευτώ ν, τις ώ ρ ες λε ιτυργία ς τη ς η λε κτργεννίτριας κ. α.. 2 Ο ι υπλγ ισμ ί τ υ κόσ τ υ ς, αφ ρύ ν κό στ η όπω ς: αρχι κό κόστς εγκα τάστασ η ς, κόστς αντι κατάστασ η ς, κόστ η λε ηυ ρ γ ία ς κα ι σ υ ντ ήρηση ς, καυσίμ ω ν κ αι τό κ ω ν. ΑΤ Ε Ι ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγία ς Σ ε λίδα

15 Για τν υπλγισμό τυ κόστυς κύκλυ ζωής τυ συστήματς, τ HOMER χρησιμπιεί τη συνλική καθαρά παρύσα αξία (NPV) η πία πε ριλαμβάνε ι όλες τι ς δαπάν ες και τα έσδα καθώς και τις αναγόμενες στ παρόν μελλντικές ταμιακές χρηματρές πυ πρκύπτυν κατά τη διάρκεια ζωής αυτύ. Τέλς, τό HOMER μετά την ετήσια πρσμίωση πυ πραγματπιεί για ένα σύστημα, χρησιμπιεί Ί:α απτελέ σματα αυτής και για τα υπόλιπα έτη λειτυργίας χωρίς να λαμβάνε ι υπόψη τυ αλλαγές με την πάρδ τυ χρόνυ, όπως για παράδειγμα την αύξηση των φρτίων ή τη μείωση της απόδσης των συσσωρευτών. Παρόλα αυτά, χρήστης μπρ ε ί να αναλύσει τέτιες αλλαγές με τη χρήση της Ανάλυσης Ευαισθησίας. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σ ε λίδα 2

16 2..2. Βελτιστπίηση ( Optimization) Η διαδικασία της Βελτιστπίησης, έχει ως στόχ τν καθρισμό τυ βέλτιστυ συνδυασμύ πυ διαμρφώθηκε κατά τη διαδικασία της Εξμίωσης. Για τ Horner, η καλύτερη σύνθεση είναι αυτή πυ ικανπιεί όλυς τυς περιρισμύς τυ χρήστη, σε συνδυασμό με τη χαμηλότερη συνλική καθαρά παρύσα αξία. Για την εύρεση αυτής, απαιτείται η πρσμίωση πλλών και διαφρετικών συνθέσεων καθώς και στρατηγικών διαχείρισης. Κατά τη φάση αυτή, ι μη εφικτί 3 συνδυασμί απρρίπτνται και ι εφικτί συνδυασμί ταξινμύνται με βάση τη συνλική καθαρά παρύσα αξία. Τέλς, ι συνθέσεις των συνδυασμών πυ δίνυν ικανπιητικές λύσεις, παρυσιάζνται ως πρς τη χαμηλότερη συνλική καθαρά παρύσα αξία ως βέλτιστες. Στόχς της διαδικασίας Βελτιστπίησης, είναι καθρισμός της βέλτιστης τιμής για κάθε μια από τις μεταβλητές απόφασης 4 πυ εισάγει χρήστης. Ω ς μεταβλητές απόφασης ή μεταβλητές βελτιστπίησης, αναφέρνται όλα τα παρακάτω: )...> τ μέγε θς της Φωτβλταϊκής συστιχίας ).> αριθμός των Ανεμγεννητριών/ Μπαταριών ). η επιλγή παρυσίας η όχι Υδρστρβίλυ );. τ μέγε θ ς της κάθε Ηλεκτργεννήτριας ). τ μ έγεθς τυ Μ ετατρπέα :... τ μέγε θς τυ Ηλε κτρλύτη )... τ μέγε θ ς της συσκευής απθήκευσης Υδργόνυ r η στρατηγική διαχείρισης )..> η μέγιστη ζήτηση τυ Δικτύυ Τ HOMER δίνει στ χρήστη τη δυνατότητα εισαγωγής πλλαπλών τιμών για κάθε μια από τις μεταβλητές απόφασης μέσω τυ σχήματς [2]. ' Κάθ ε συνδυασ μό ς πυ δεν ι κανπι ε ί τι ς πρδιαγραφές πυ ρίζει χρήστη ς ' Μ ετ αβλψ ές απόφαση ς: Κάθε μ ε ταβλητι] πυ ε ισάγ ε ται από τ χρήστη π.χ. αριθμό ς των μπαταρι<ί)v ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 3

17 Σχι?μα [2} : Πίνακας Μεταβλητές Βελτιστπ ίησης Search Space This ιable displays ιhe values of each opιimizaιion vanable. HOMER builds ιhe search space. or s eι of all possible system con f ig u r a ιion s. from this ι able and then simulates the configurations and sorts them by net present cost. ( ou can add and remove values in this ιable or in the Sizes to Consider ι a ble in ιhe appropriate inp u ι νν ίnd νν., Η old the pointer over an element name or click Η elp for more information. Pl/ Array AIR Η000 Converter r r + (kw) (Qu anιιty) (S trings) (kw) Ο παραπάνω πίνακας περιλαμβάνει 800 συνθέσεις συστημάτων ( 0*6* 0*3) Κατά τη βελτιστπίηση, όλι ι εφικτί συνδυασμί κάθε συστήματς, παρυσιάζνται σε ένα πίνακα (Πίνακας 2) ταξινμημένι με βάση τη χαμηλότερη συνλική καθαρά παρύσα αξία. Σχήμα [3]: Πίνακας 2 Εφικτί Συνδυασμί Double c lick on a system below for simulation resus. PV G Η 000 Conν. lnitial ()ρer>rt ing Total COE Ren. k N) W) Capital Cost (S/yr) N PC (SlkWh)J Frac. )... ΙΞD ΙΖΙ s s )... ΙΞΙJ ΙΖΙ 9: s $ J...3 ΙΖΙ s $ ' J... ΙΞΙJ ΙΖΙ s 72.' $ )..._ ΙΞΙJ ΙΖΙ $ $ ),.._ 3 ΙΖ! 9.' s $ )..._ 3 ΙΖ! s $ )..._ 3 ΙΖ! s $ 02, )... ΙΞD ΙΖΙ s $ ).., ΙΞΙJ ΙΖΙ s $ 0 5, )... ΙΞΙJ ΙΖΙ $ s )... ΙΞD ΙΖΙ $ $ ,..ί,. ΙΞΙJ ΙΖΙ s $ ).., 3 ΙΖ! s $ 0 5, )... ΙΞΙJ ΙΖΙ s s 0 5.' )... ι::ιιιζ! eo 5.5 s s 0 6, ).., 3 ΙΖ! SO 5.5 $ $ )..._ 3 ΙΖ! 9.9'9S $ s )... ΙΞΙJ ΙΖΙ $ 80, s )... ιξd ΙΖΙ s s ).., ΙΞD ΙΖΙ 8.' () 5.5 $ 78, $ )... ι::ιιιζι $ S )..._ ΙΞDΙΖ! s s ).., ΙΞΙJ ΙΖΙ SO 5.5 s s 0 7, ).., ι::ιι ΙΖΙ s s ,,,.ί, 3 ΙΖΙ ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 4

18 Οι πρώτες τέσσερις στήλες, με τα αντίστιχα εικνίδια, αναφέρνται στις πηγές ε νέ ργε ια ς πυ απαρτίζυν τ σύστημα ( από δεξιά πρς τα αριστερά ε μφανίζνταί : φωτβλταϊκά πλαίσια, ανεμγεννήτριες, Συσσωρ ευτές και μετατρπέ ας ACDC ). Οι επόμενε ς τέσσερις στήλες αντίστιχα, περιέχυν τ μέγ ε θς και την πσότητα αυτών. Τέλς, ι υπόλιπες στήλες αναφέρνται σε μερικά από τα βασικότε ρα απτ ελέ σματα τη ς Πρσμίωση ς όπω ς : η συνλικίί καθαρά παρύσα αξία, τ κόστς της ενέργειας, τ αρχικό κόστς της εγκατάστασης, τ κόστς λειτυργίας, τ κόστς της ενέ ργειας ανά kwh και τ συντελεστή [ 5 ] fren ανανεώσιμη ς ενέ ργειας. Επιπρσθ έτω ς, υπάρχε ι η δυνατότητα πρβλής όλων των μεταβλητών πυ συνιστύν ένα ε φικτό σύστημα, με τη μρφή τυ παρακάτω πίνακα 6 Σχι/μα [4}: Πίνακας 3 Μεταβλητές Βελτιστπίηση ς # Tot. Tot. Tot. AC Total Ann. Ann. Total Total Total Opera PV Wind Electrical Primary Ren. Batte Conve Capital Total Cap. Repl. Ο&Μ Fuel Ann. ting Produc Produc Producti Load Fract PV Gl ries rter Cost NPC Cost Cost Cost Cost Cost Cost COE tion tion on Served ion kw kw $ $ $/yr $/yr $/yr $/yr $/yr $/yr $/kwί kwh/yr kwh/yr kwh/yr ,5 98,002 6, ,842 8,544 2, ,305 7,346 8, ,654 98,59 6, ,844 8,558 2, ,363 7,346 8, ,796 98,37 6, ,845 8,572 2, ,422 7,346 8, ,939 98,474 6, ,846 8,585 2, ,480 7,346 8, ,3 0, 725 6, ,922 8,869 2,390.6,305,09 22, ,454 0,882 6,49 468,924 8,883 2,39.63,363,09 22, ,596 02,040 6, ,925 8,896 2,393.65,422,09 22,440 8 ΊΟ ,739 02,97 6,56 468,926 8,90 2,394.67,480,09 22,499 kwh/yr 5,506 5,507 5,508 5,509 5,507 5,507 5,508 5,509 5 Ω ς συντ ε λεστ ανανεώσιμη ς ενέργειας /,.,.,,, ρίζε ται τ πσστό της συνλικιί ς παραγόμ ενη ς ε ν έ ργε ιας από ΑΠΕ δ ιαιρ ε μ έν μ ε τη συνλική παραγόμ ενη ενέργεια : Ε + Η f, = rdn ηιn "" Ειι + Η ι ι όπυ Eren : παραγωγή ηλε κτρική ς ενέργειας από ΑΠΕ Ε, 0 : συνλική παραγωγή ηλεκτρική ς ενέργ ε ια ς H,c : παρα γωγ ή θερμικιί ς ενέ ργ ε ιας από ΑΠΕ Η ι, : συνλ ική παραγωγή θ ε ρμική ς εν έργ ε ιας 6 J πριi>τη σ ε ιρά τυ πίνα κα, αναφ έ ρ ε ται στη βέλ τιστη π ε ρίπτωση μ ε βάση πάντα τ χαμηλότ ερ NPC. Σελίδα 5

19 Σχι]μα [5}: Πίνακας 3 Μεταβλητές Βελτιστπίηση ς # !cap.,Shortage kwh/yr Cap. Unmet shortage : Unmet : ισad Frac. Load Frac kw/yr.co2 co. I UHC, ΡΜ..so2, Ν.χ. j Excess, Emι ss Emι ss, Emι ss Emι ss Emι ss, Em ι ss Battery Battery Battery j EΙ ectri c ity ions ions ' ;ons ions ions :ions Autonomy Throughput Ίife!"kWh/ yr ' kg/yr kg/yr\g/yr kg/yr kg/yr kg/yr hr kwh/yr Ύr 5. όϊ 2,349. " , o:l2,406 02,463 0Ί2,52 0;6,054 Ο Ο Ο Ο. Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο , , , , , 06.8, : 6, , , , ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 6

20 2..3. Ανάλυση Ευαισθησίας (Sensitivity Analysis) Κατά την Ανάλυση Ευαισθησίας τ HOMER, ε κτελε ί πλλαπλές βελτιστπ ιή σε ις χρη σ ιμπιώντας για κάθ ε μια από αυτές, δ ιαφρ ετ ικές υπθ ετ ικές μεταβλητές εισόδυ. Ο χρήστης, εισάγει μια σειρά τιμών για κάθε μεταβλητή πυ ελέγχει. Αυτές ι μεταβλητές, αναφέ ρνται ως μεταβλητές ευαισθησίας (J, μπρεί να ε ίναι πιαδήπτε μεταβλητή πυ δεν αναφέρεται ως μεταβλητή απόφασης και έχυν ως σκπό, τν καθρισμό μιας ευδιάκριτης περίπτωσης ευαισθησίας. Η ανάλυση Ευ α ισ θησίας, μπ ρ εί να εκτελεστε ί για πλλαπλές τιμές των παραπάνω μεταβλη τών. Για παράδειγμα, χρήστης μπρεί να εισάγει δύ ή τρείς τιμές για τ επιτόκι και τρείς ή τέσσερις τιμές για την γωνία κλίσης των φωτβλταϊκών πάνελ. Συνεπώς, τ πρόγραμμα θα εκτελέσει χωριστές διαδικασίες βελτιστπίησης για κάθε πε ρίπτωση ευαισθησίας ήτι 6 περιπτώσεις για τυς πρώτυς συνδυασμύς και 2 για τυ ς υπόλιπυς αντίστιχα, τυς πίυς, θα εμφανίσει υπό μρφή πίνακα. Η Ανάλυση Ευαισθησία ς, χρησιμπιείται κυρίως, για τη μείωση τυ βαθμύ αβεβαιότητας (uncertainty). Συνεπώς, χρήστης μπρεί να εισάγει ένα εύρς τιμών για τις μεταβλητές ευαισθησίας πυ δεν είναι απλύτως βέβαις ως πρς την νμαστική τυς αξία και να πάρει να αντίστιχα απτελέσματα. Αυτά, μπρεί να τα αξιλγήσει και να επιλέξει τ βέλτιστ συνδυασμό. Σχήμ α [6] : Πίνακας 4 Α πτελέσματα Ευαισθησίας για βέλτιστη διαμόρφωση συστημάτω ν, με Sensn i νity Se n sniνity ν aήab l es PV S lope ( deg) J 35 αλλαγή της κλ ίσης των φωτβλταϊκών. Resuks Optimization Resuks J _:j' Double click on 'Ν for simulation resuks. 60 Ρ Conν. lnnial Operating Total COE Ren. {kw) 0ς Ν) Capna/ Cost (S/yr) NPC {SιkWh ) Frac. ΙΞΙΙ $ $ ΙΞΙΙ $ $ ΙΞΙΙ 5.30 GO 5.5 S 8: s 4, ΙΞΙΙ $ 94,'9{] $ ΙΞΙΙ $ ,502 s : ΙΞΙΙ $ $ ΙΞΙΙ ΙΖΙ s $ ΙΞΙΙ ΙΖ! s $ ΙΞΙΙ s 0, $ ΙΞΙΙ s s Μεταβλητές Ευαισθησίας αναφ έρν;αι ω ς τέτιες μεταητές όπω : τ επιτόκι, η τιμή των καυσίμων, τ μέγ εθς τυ φρτίυ, η κλιση των φωτβλταικών πλαισιων κ. α.. ΑΤΕΙ Π Ε ΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 7

21 Στ σχήμα [6], φαίνεται η δυνατότητα επιλγής των βέλτιστων συνθ έσεων ενός συστήματς, για διαφρετικό εύρς (35 60 ) γωνίας τπθ έτησης των φωτβλταϊκών πάνελ. Συμπερασματικά, η διαδικασία Ανάλυσης Ευαισθησίας, απτελεί ένα από τα σημαντικότερα πλενεκτήματα τυ πργράμματς καθώς δίνει στ χρήστη τη δυνατότητα να λάβει απτελέσματα για ένα εύρς τιμών των μεταβλητών εισόδυ τ πί έχει ως απτέλεσμα τη μείωση τυ κινδύνυ σχεδιασμύ ενός μη απτελεσματικύ συστήματς. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 8

22 2.2 Λγισμικό HOGA ( Hybrid Optimization by Genetic Algorithms ) Τ υπλγιστικό πρόγραμμα Hoga (Hybiid Optimization by Genetic Algoiithms), είναι ένα πρόγραμμα πυ αναπτύχθηκε στη γλώσσα πργραμματισμύ C++ και έχει ως στόχ την Εξμίωση αλλά και Βελτιστπίηση των Υβριδικών συστημάτων πάρaγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και Υδργόνυ με τη χρήση ΑΠΕ. Η διαδικασία της Βελτιστπίησης επιτυγχάνεται με δύ τρόπυς, τη Βελτιστπίηση με ένα κριτήρι (monoobjective), ή με πλλαπλά κριτήρια (mιιlti objective). Ο χρήστης έχε ι τη δυνατότητα να επιλέξει έναν από τυς δύ τρόπυς. Κατά τη Βελτιστπίηση με ένα κριτήρι (monoobjective), τ πρόγραμμα βρίσκει τη β έλτιστη σύνθ εση τυ συστήματς μέσω της ελαχιστπίησης τυ συνλικύ κόστυς (Net Piesent Cost NPC). Με Βελτιστπίηση πλλαπλών κριτηρίων τ πρόγραμμα ελαχιστπιε ί:. τ συνλικό κόστς τυ συστήματς (NPC), ΙΙ. τις εκλυόμενες από τ σύστημα πσότητες C0 2 ΙΙΙ. τ μη εξυπηρετύμεν φρτί. Τ HOGA μπρ ε ί να διαμρφώσε ισυνθ έσει συστήματα πυ ε ξυπηρ ετύν τ απαιτύμεν φρτί με πιδίπτε εφικτό συνδυασμό μιας ή και πε ρισστέρων από τις παρακάτω τεχνλγίες: φωτβλταϊκά, αν ε μγ εννίτριες, υδρστρόβιλυ ς, κυψ έλες καυσίμυ, Συσσωρευτές, τεχνλγίες απθήκευσης υδργόνυ. Επίση ς, κρίνεται αναγκαία η διαστασιλόγηση καθρισμό ς όλων των απαραίτητων ω ς πρ ς την λε ιτυργία των παραπάνω τεχνλγιών, " συστατικών τη ς εγκατάσταση ς" όπως : φρτιστές μπαταριών, μετατρπέα DC/AC, αντιστρφ έα ACIDC και ηλε κτρλύτες. Όλα τα στιχεία μπρύν να ε ίναι παρόντα ταυτόχρνα και χρήστης μπρεί να απφασίσε ι να πε ριλαμβάνει μόν μερικά από αυτά, στ πλαίσι τυ επιθυμητύ υβριδικύ συστήματς. Τ πρόγραμμα HOGA, κάν ε ι χρήση των Γενετικών αλγρίθμων για τη μελέ τη τυ κόστυς και των ε κπμπών ρύπων πρκε ιμένυ να καθρίσει τη β έλτιστη ανα λγίά για τν αριθμό και τ είδ ς των τεχνλγιών και τή συνλικll στρατηγική ελέγχυ για τ σύστημα. Οι Γενετικί αλγόριθμι, μπρύν να παράγυν επαρκή λύσε ις για εξαιρ ετικά πλύπλκα πρβλήματα σε πλύ μικρό χρνικό διάστημα. Επίση ς, δίνεται στ χρήστη η δυνατότητα να εκτελέσει ταυτόχρνα τη διαδικασία της Βελτιστπίησης με αξ ιλόγηση των " συστατικών της εγκατάστασης " και της σψατηγικής πυ θα χρησιμπιηθύν με τη Μέθδ Απαρίθμησης και όχι με τη χρήση των Γεν ετικών Αλγρίθμων. ΑΤ Ε Ι ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σ ε λίδα 9

23 2.2.. Γενετικί Αλγόριθμι Οι Γενετικί αλγόριμι ανήκυν στ κλάδ της επιστήμης υπλγιστών και απτελύν μια μέθδ αναζήτησης βέλτιστων λύσεων σε συστήματα πυ μπρύν να περιγραφύν ως μαθηματικό πρόβλημα. Είναι χρήσιμι σε πρβλήματα πυ περιέχυν πλλές παραμέτρυς/διαστάσεις και δεν υπάρχει αναλυτική μέθδς πυ να μπρεί να βρει τ βέλτιστ συνδυασμό τιμών για τις μεταβλητές αυτές. Ο τρόπς λειτυργίας των Γενετικών Αλγρίθμων είναι εμπνευσμένς από την βιλγία. Χρησιμπιεί την ιδέα της εξέλιξης μέσω γενετικής μετάλλαξης, φυσικής επιλγής και. διασταύρωσης. Οι Γενετικί Αλγόριθμι είναι αρκετά απλί στην υλπίησή τυς. Οι τιμές για τις παραμέτρυς τυ συστήματς πρέπει να κωδικπιύνται με τρόπ ώστε να αναπαρασταθύν από μια μεταβλητή πυ περιέχε ι σειρά χαρακτήρων ή δυαδικών ψηφίων. Αυτή η μεταβλητή μιμείται τ γενετικό κώδικα πυ υπάρχει στυς ζωντανύς ργανισμύς. Αρχικά, Γενετικός Αλγόριθμς παράγει πλλαπλά αντίγραφα της μετα βλητής/γεννητικύ κώδικα, συνήθως με τυχαίες τιμές, δη μιυργώντα ς ένα πληθυσμό λύσεων. Οι λύσεις πυ βρίσκνται πι κντά στην επιθυ μητή, αναπαράγνται στην επόμενη γενιά λύσεων και λαμβάνυν μια τυχαία μετάλλαξη. Επαναλα μβάνντα ς αυτή τη διαδικασία για αρκετές γενιές, ι τυχαίες μεταλλάξεις σε συνδυασμό με την επιβίωση και αναπαραγωγή των γνιδίων/λύσεων πυ πλησιάζυν καλύτερα τ επιθυ μητό απτέλεσμα θα παράγυν ένα γνίδι/λύση πυ θα περιέχει τις τιμές για τις παραμέτρυς πυ βρίσκνται πι κντά στη βέλτιστη λύση. Υπάρχυν διάφρες εκδχές της παραπάνω διαδικασίας για τυς Γ.Α από τις πίες κάπιες περιλαμβάνυν και τη διασταύρωση (ζευγάρωμα) γνιδίων/λύσεων ώστε αλγόριθμς να φτάσει στ απτέλεσμα πι γρήγρα. Καθώς υπάρχει τ στχαστικό (τυχαί) συστατικό της μετάλλαξη ς και ζευγαρώματς, κάθε εκτέλεση τυ Γ.Α μπρεί να συγκλίνει σε διαφρετική λύση και σε διαφρετικό χρόν. Η απόδση τυ Γ.Α εξαρτάται επί τ πλείστν από τη συνάρτηση ικανότητας και συγκεκριμένα από τ κατά πόσ τ μέτρ της περιγράφει τη βέλτιστη λύση. Οι γενετικί αλγόριθμι είνα ι ένα πεπερασμέν σύνλ δηγιών για την εκπλήρωση ενός έργυ, τ πί δεδ μένης μιας αρχικής κατάστασης θα δηγήσει σε μια αναγνωρίσιμη τελική κατάσταση και τ πί πρσπαθεί να μιμηθεί την δ ιαδικασία της βιλγικής εξέλιξης. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 20

24 2.2..α Λειτυργία Ο τρόπς λειτυργίας των Γενετικών Αλγρίθμων είναι εμπνευσμένς από τη βιλγία. Χρησιμπιεί την ιδέα της εξέλιξης μέσω γενετικής μετάλλαξης, φυσικής επιλγής και.διασταύρωσης. Στην πράξη αλγόριθμς ξεκινά μ' ένα σύνλ λύσεων νμάζνται γνιδιώματα, δανειζόμενες τ όνμά τυς από τη βιλγία ι πίες συνιστύν τν "πληθυσμό". Κατόπιν ζητείται από τν υπλγιστή να δημιυργήσει μια σειρά τυχαίων συνδυασμών και μεταλλάξεων των "γνιδιωμάτων". Οι πι ικανές λύσεις για ένα συγκεκριμέν πρόβλημα συνεχίζυν να εξελίσσνται και συνδυάζνται τυχαία, μέχρις ότυ "επιβιώσυν" ι καλύτερες. Συνήθως, όσ περισσότερες γενιές περνύν τόσ καλύτερες λύσεις βρίσκνται, μπρεί όμως αλγόριθμς να βρεθεί σε σημεί τυ πεδίυ των λύσεων από όπυ και δεν μπρεί να πρχωρήσει λόγ τυ ότι βρίσκεται σε τπικό μέγιστ. Για τ λόγ αυτό υπάρχυν διαφρετικές εκδχές τυ αλγόριθμυ ανάλγα με τη μρφή τυ πρβλήματς β. Εκδχές Αλγρίθμων Υπάρχυν διάφρες εκδχές της παραπάνω διαδικασίας για τυς Γ.Α από τις πίες κάπιες περιλαμβάνυν και τη διασταύρωση (ζευγάρωμα) γνιδίων/λύσεων ώστε αλγόριθμς να φτάσει στ απτέλεσμα ταχύτερα. Καθώς υπάρχει τ στχαστικό (τυχαί) συστατικό της μετάλλαξης και ζευγαρώματς, κάθε εκτέλεση τυ Γ.Α μπρεί να συγκλίνει σε διαφρετική λύση και σε διαφρετικό χρόν γ. Χαρακτηριστικά Οι γενετικί αλγόριθμι δεν επιλύυν τ πρόβλημα με αναλυτικό/ μαθηματικό τρόπ αλλά με βιλγικό. Συνεπώς έχυν μεγαλύτερη ενδγενή ευελιξία και ελευθερία να επιλέγυν μια επιθυμητή βέλτιστη λύση σύμφωνα με τις πρδιαγραφές τυ πρβλήματς. Ουσιαστικά ι γενετικί αλγόριθμι είναι αλγόριθμι αναζίτησης πυ πρσπαθύν να αναζητήσυν τη λύση τυ πρβλήματς πυ τυς αναθέτυμε δ. Διάγραμμα ρής για τ πρόγραμμα HOGA ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 2

25 Σχιjμα [7}: Διάγραμμα ριj ς πρ γρ άμμ ατ ς HOGA Random nernti on of Nm ''ector.; from ιh e main algorithn Ν.cn_:.ruin = ι Εν aluation of the conιrol s ιraιe gy Ι'r e<eh ot' ι he fνί0 'ecιo of ιhe n:iin ajgorithrn. The sccondar)' algorithm is eι"cukd ι'ύ'πι ιίηίcs. i=i.... Nm ί= Random gcooration of /ς : ν(.'c t ors of the sccondary algorithm from ιhc νccιor ; of the main algorilhm. Eνal uati o n of ιhc ιvsj : νcctors oi thc sccondal)' algorilhm (Eq u aιion 22) Calculaιion ί C\σ r for each of ιtιe Ν,,. ''eclors and cν aluati on of ιtιe Nm i. solutioos obtaincd (Eq u a ιi o n 20). Repπxl ucιioo. crossing and nuιaιi on ι the ni:ύn algorilhm, ectors. J'ν r,.:n mun= ',:.n mi.iπ+i YES R eprod uct i oιι. crossίng and mutatίon of thc SL'<.'O ndaη a lgorίthm ''L'<:tors. N n... c = Nn ;;o.oe+ Calculaιe C,,, ior lhe Ν=, ectors. Th best :;o luι i o n ίs th a ι rcpre scnted b}' ιhe ector ν. ί ιh Ιν. esι ν ;ijue fν s ι :ι :. i= i+ f YES Calculatc C'ror for thc Νιn \'c: ι ors. Tre hes ι solutjon is ιhc lo"' esl ν alue of' c τ(). [ 'Ν ί ) Οπως φαίν εται και από τ σχήμα (7), τ πρόγραμμα HOGA, εφαρμό ζε ι την παρακάτω στρατηγική : ι. Αρχικά, λαμβάννται τυχαία στν αριθμό " Nm" δεδμένα, από τν κύρι γ εν ετικό αλγόριθμ. Καθένα από αυτά, (αριθμός φωτβλταϊκών πάνελ, τύπς φωτβλταϊκών πάνελ, τύπς και αριθμός συσσωρευτών συνδεδεμένων εν παραλλήλω), αντιπρσωπεύ ε ι μία πιθανή σύνθεση διαμόρφωσης τυ συστήματ ς. 2. Για κάθε ένα από τα δεδμένα " Nm" πυ λαμβάννται από τν κύρι γενετικό αλγόριθμ, εκτελε ίται δ ευτ ε ρεύων γενετικός αλγόριθμ ς, διασφαλίζντας πάντα την β έλτιστη στρατηγική διαχείρισης για καθ ένα αυτά. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 22

26 a. Λαμβάννται τυχαία " Nsec" δεδμένα (ανάλγα με την στρατηγική διαχείρισης), επιλέγνται δεδμένα για: ί. ακλυθία φρτίυ,. κυκλική φόρτιση. τιμές για τν βαθμό φόρτισης των συσσωρευτών από τν δ ευτερ εύν γενετικό αλγόριθμ, τα πία αντιπρσωπεύυν μία εφικτή στρατηγική διαχείρισης τυ φρτίυ. b. Καθένα από τα "Nsec" δεδμένα, πυ ελήφθησαν, αξιλγύνται με βάση την ικανότητα τυς. c. Τα καλύτερα δεδμένα πυ ελήφθησαν, (αυτά πυ ταιριάζυν καλύτε ρα στη διαμόρφωση ενός συστήματς), έχυν μεγαλύτερη πιθανότητα να αναπαραχθύν ξανά (γενετικά) μ έσω διασταύρωση ς με άλλα. Σε κάθε διασταύρωση δύ δεδμέ νων, δύ νέα δημιυργύνται (απόγνι). Οι νέι συνδυασμί αξιλγύνται, και καλύτε ρς από αυτύς, αντικαθιστά τν χειρότερ πρκάτχό τυ. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται. d. Για την εύρ εση της βέλτιστης λύσης, μερικές λύσεις αλλάζυν τυχαία κάπια από τα εξ αρτήματα πυ συνθέτυν τ σύστημα (παραλλαγή δ ε δμένων). Μ ε την παραλλαγή των δεδμένων, μπρ ε ί να επηρ ε αστε ί όμως η στρατηγική διαχείρισης τυ φρτίυ αλλά και καθρισμ έν ς βαθμός φόρτισης των συσσωρ ευτών. e. Τα δεδμένα πυ πλέν έχυν δημιυργηθ ε ί, από τη διασταύρωση και την παραλλαγή των αρχικών, α ξ ιλγύνται και συνθέτυν τη νέα γ ενιά δ εδμ ένων. [ Η διαδικασία επαναλαμβάν εται μέχρις ότυ αξ ι λγηθ ε ί καθρισμ ένς από τ χρήστη "Ngen _ sec _ιηaχ" αριθμός δημιυργίας δεδμένων. 3. Οι λύσεις 'Nm" πυ λαμβάννται, (συνδυασμός δεδμένων από τν κύρι και δ ευτερ εύων αλγόριθμ ), αξ ιλγύνται. 4. Η αναπαραγωγή, διασταύρωση και παραλλαγή των δεδμένων, γίνεται στις βέλτιστες λύσ ε ις πυ επιτυγχάννται, με σκπό τη δημιυργία τη ς επόμενης γενιάς λύσεων. 5. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρις ότυ καθρισμένς από τ χρήστη αριθμός δημιυργίας δεδμένων "Ngen_main_max " αξιλγηθεί. Ως βέλτιστη λύση, θ ε ωρίται, συνδυασμό πυ ε,τυγχάνει τη μικρότερη τιμή για τη συνλική παρυσα αξια τυ συστηματς CτΓ. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 23

27 Βελτιστπίηση συστήματς Για τη Βελτιστπίηση τυ συστήματς τ πρόγραμμα, κάνει χρήση δύ γενετικών. αλγρίθμων όπως αυτί αναφέρνται στην ενότητα Ο κύρις γενετικός αλγόριθμς, παρέχει τη βέλτιστη διαμόρφωση. τυ συστήματς αναφρικά με τν τύπ και αριθμό των φωτβλταϊκών πάνελ πυ θα χρησιμπιηθύν, τν τύπ και τν αριθμό των ανεμγεννητριών πυ θα συνδεθύν στ σύστημα, τυς συσσωρευτές, την ηλεκτργεννήτρια, τις κυψέλες υδργόνυ, τν ηλεκτρλύτη, τν υδρστρόβιλ και τν άνρθωτή ' έχντας πάντα ως στόχ την επίτευξη διαμόρφωσης ενός συστήματς με τ ελάχιστ κόστς. Τ κόστς αυτό, υπλγίζεται για την συνλική διάρκεια ζωής τυ συστήματς και εκφράζεται με τη καθαρά παρύσα αξία NPV. Ο δευτερεύων γενετικός αλγόριθμς, υιθετεί την καταλληλότερη στρατηγική δ ιαχείρ ιση ς τυ φρτίυ, για καθένα από τα δεδμένα πυ επιλέγνται από τν κύρι αλγόριθμ αλλά και για την ελαχιστπίηση τυ κόστυς. Τ συνλικό κόστς πυ πρκύπτει για κάθε εφικτό συνδυασμό πυ λαμβάνεται από τυς δύ αλγόριθμυς, αναλύεται όπως παρακάτω: Αρχικό κόστς συστιματς Κόστη καυσίμων για χρήση Ηλεκτρπαραγωγύ ζεύγυς Κόστη καυσίμων για τις Κυψ έλες Υδργόνυ Κόστς λειτυργίας και συντήρησης Κόστς αντικατάστασης των εξαρτημάτων των πίων η δ ιάρκε ια ζωής είναι μικρότερη από εκείνη όλυ τυ συστήματς. Έσδα από την πώληση περίσσειας υδργόνυ καθώς και ηλεκτρικής ενέργειας στ δίκτυ Έσδα από την πώληση των εξαρτημάτων των πίων η διάρκε ια ζωίς είνα ι μεγαλύτερη από αυτή της λειτυργίας τυ συστήματς ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 24

28 2.3. Λγισμικό WT_PV Τ υπλγιστικό πρόγραμμα WT_PV, είναι ένα λγισμικό πυ αναπτύχθηκε από τ Εργαστήρι Ήπιων Μρφών Ενέργειας και Πρστασίας Περιβάλλντς τυ τμήματς Μηχανλγίας τυ Τ.Ε.Ι. Πειραιά, με σκπό τη εύρεση βέλτιστων λύσεων σχεδιασμύ και υλπίησης, Αυτόνμων Υβριδικών Συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Τ πρόγραμμα, αναπτύχθηκε σε γλώσσα πργραμματισμύ Fortran ν.4, και πτελείτι από έναν υπλγιστικό αλγόριθμ πυ έχει ως σκπό τη διεξαγωγή όλων των παραμετρικών αναλύσεων με βάση την ωριαία παραγωγή και ζήτηση ενέργειας από και πρς τ σύστημα. Κάθε εφικτός συνδυασμός δεδμένων πυ απτελείται από:. z αριθμό φωτβλταϊκών πάνελ,. Ν 0, νμαστική ισχύς ανεμγεννήτριας. Qnι:ιχ, μέγιστ αριθμό μπαταριών, αναλύεται για μία συγκεκριμένη χρνικ) περίδ (στην παρύσα πτυχιακή για ένα έτς). Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην επίτευξη εφικτών συνδυασμών συστημάτων, με μηδ εν ικές απρρίψεις φρτίων καθ' όλη τη διάρκεια λε ιτυργίας τυ. Αν αυτό δεν επιτευχθεί κατά την αρχική ανάλυση, τ πρόγραμμα λειτυργεί ως εξ)ς : a. Αρχικά, αυξάνει τν αριθμό των συσσωρευτών πυ απτελύν τ σύστημα, και ι υπλγισμί επαναλαμβάννται μέχρις ότυ έχυμε μηδενικές απρρίψεις. b. Έπειτα, αυξάνει τν αριθμό των φωτβλταϊκών πάνελ πυ χρησιμπιύνται από τ σύστημα και ι υπλγισμί γίννται εκ νέυ. Με την λκλήρωση της ανάλυσης των παραμέτρων πυ αναφέραμε, δημιυργείται η πρβλεπόμενη από τ σύστημα καμπύλη ( zq ) για μια δσμένη τιμή ισχύ ς της ανεμγεννήτριας υπό την πρϋπόθ εση βέβαια μηδ ενικύ απρριπτόμενυ φρτίυ. Τέλς, αν υπάρχυν και πάλι απρριπτόμενα φρτία, c. Αυξάνεται και η νμαστική ισχύς της ανεμγεννήτριας πυ θα χρησιμπιηθεί και επαναλαμβάννται ι υπλγισμί. Τ πρόγραμμα, κατά την έναρξη της λειτυργίας τυ, επεξεργάζεται τα ε ισηγμένα από τ χρήστη κλιματλγικά δεδμένα, για την υπό μ ελέτη περιχ) καθώς και τ πρφίλ τυ καταναλωτή (ζήτηση ενέργε ια ς). Στη συνέχεια, " διαβάζει " τα δεδμένα πυ αφρύν την ηλιακή ακτινβλία καθώς και τις τιμές για τη θερμκρασία πυ επ ικρατ εί, κάνει τις απαραίτητες διρθώσεις και με τη βήθεια της χαρακτηριστικής καμπύλης τυ φωτβλταϊκύ πλαισίυ, υπλγίζει την παραγόμενη από τα φωτβλταϊκά πλαίσια ενέργεια. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 25

29 Η ταχύτητα τυ αν έ μυ, η πία ε ισάγεται από τ χρήστη υπό μρφή αρχε ίυ με τιμές για ένα έτ ς, η πυκνότητα τυ αέρα (υπλγίζεται όπως και στ λγισμικό HOMER)" καθώ ς και η χαρακτηριστική καμπύλη λε ιτυργίας τη ς ανε μγ εννήτριας, χρησιμπιύνται από τ πρόγραμμα για τν υπλγισμό τη ς παραγόμενη ς ενέ ργε ιας από τις ανε μγεννήτριες. Τέλς, με την ανάγνωση της ζήτησης ενέργε ιας ( πρφίλ καταναλωτή ), καθώ ς και με τις ήδη υπλγισμένες παραγωγές εν έ ργ ε ιας από τα φωτβλταϊκά πλαίσια και τις αν ε μγεννήτριες, γίννται έλεγχι για την κάλυψη τυ φρτίυ με συσσωρευτές.... Στ πρόγραμμα WT _PV, εισάγνται επίση ς από τ χρήστη τα ακόλυθα : τ ελάχιστ βάθς εκφόρτισης μπαταρία ς, τ αρχικό βάθ ς μπαταρία ς, η μέγιστη επιτρ επόμενη ακτινβλία, βαθμό ς απόδσης τυ φωτβλταϊκύ πάνελ, η γωνία τπθ έτηση ς των φ ωτβλταϊκών πάνελ, τ γ ε ωγραφικό πλάτς και μήκ ς, η τάση των φωτβ λταϊκών, η τάση των συσσωρευτών, ι βαθμός απόδση ς τυ UPS, τυ ρυθμιστή φόρτισης και τυ μετατρπέ α. Στ σχήμα [8] φαίνεται τ διάγραμμα ρής τυ λγισμικύ WT _PV πυ χρησιμπιήθηκε στην παρύσα πτυχια κή ε ργασία. ΑΤ Ε Ι ΠΕ Ι ΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελί δ α 26

30 Σχήμα [8]: Διάγραμμα Ρής για τ λγισμικό WT PV START Ν,., Q,, Ν _.,.,, δν. δq, δν,. ΔΙ. δt, Ν o,rιv:. 0 ΙΑ>.. Ν ρ.t.\α( Ν. Ν.. δ,!.. Remote Cos ωηe r E!'ergy Denand ND(t) wπ & PV Ρννer Curνes Ν.Ν = Ν.Ν( Ι ) & Ν Ρ'; Ν.., (ι) YES YES ΝΟ Eflerg.y ί!> stored 0 tm 8attcry v ι ij Rcc.ιιcr &. Ctiarge Controιιer ΔΝ i :ι COY ered by batery \lia char9 e controller & ίnνιι rter Ν ) i:s ι..υν r t:u ΙJ y b<ιl lery via charge concιo ller & ι nverer VES ΝΟ ΝΟ END ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 27

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Α ΥΤΟΝΟΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3.. Περιπτώσεις μελέτης Για τη σύγκριση και αξ ιλόγηση των διάφρων υπλγιστικών με θόδων, μελετήθηκαν ι παρακάτω συνδυασμί : 3... Συνδυασμί συστημάτων για WT_PV / HOMER / HOGA: Για γωνίας τπθέτησης των φωτβλταϊκών πάνελ, β=6ο 0.. Α νεμγεννήτρια[ 8 ] Φ /Β πλαίσια[ 9 ] Συσσωρ ευτές[ 0 ]..2. Ανεμγεννήτρια Συσσωρ ευτές.3. Φ/Β πλαίσια Συσσωρ ευτές [ ] Για γωνίας τπθ έτησης των φωτβλταϊκών πάν ελ, β=35..ανεμγεννίτρια Φ / Β πλαίσια Συσσωρευτές.2.Ανεμγεvνήτρια Συσσωρευτές Παρατήρηση: Στ πρόγραμμα Hoga ( Hybrid Optimization by Genetic Alg0Γitlηs ), χρήστης δ εν μπρεί να επιλέξει τ βήμα με τ πί θα τρέξε ι αλγόριθμς πυ θέλει. Τ πρόγραμμα αναζητά τη βέλτιστη λύση, έχντας ως βήμα κάθε φρά, τν εκάσττε μναδιαί αριθμό φωτβλταϊκών πάνελ, αριθμό ανε μγεννητριών και μπαταριών. Λόγω της ιδιαιτερότητας αυτής και για την καλύτερη σύγκριση των απτελεσμάτων των τριών λγισμικών, όλι ι παραπάνω συνδυασμί, εκτελέστηκαν από τα πργράμματα HOMER και WT_PV θέτντας ως βήμα τη μνάδα. Συνεπώς τα 8 θ έτντα ς ω ς βήμα στν αλγόριθμ για την εύρ εση τυ βέλτιστυ αριθμύ Α/Γ τ Ι kw 9 θ έτντα ς ω ς βήμα στν αλγόριθμ για την εύρ εση τυ β έλτιστυ αριθμύ φ /β πλαισίων τα 5 Wp 0 θ έτντας ω ς βήμα στν αλγόριθμ για την εύρ ε ση τυ β έ λτιστυ αριθμύ συσσωρ ευτών τα ΙΟΟΟΑΙ Για τι ς περιπτώσ ε ι ς.2. και.3 καθώ ς και για όλες τι ς πcριπτώσ ε ι ς μ ε γωνία τπθ έτηση ς των φωτβλταϊκών πάν ελ, β = 3 5, αναφρικά μ ε τ επιλ εγ μέν βίμα τυ αλγρίθμυ, ισχύ ε ι ακρβώ ς όη και στην π ε ρίπτωση... ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 28

32 απτελέσματα των τριών λγισμικών, έχυν μεγαλύτερη ακρίβεια ως πρς τη διαστασιλόγηση τυ συστήματς Εισαγωγή δεδμένων Για την σύγκριση και αξιλόγηση των διάφρων υπλγιστικών μεθόδων μεταξύ τυς, ι τιμές των μεταβλητών εισόδυ σε καθένα από αυτά πρέπει να είναι ι ίδιες. Παρακάτω, ακλυθύν όλες ι μεταβλητές πυ χρειάστηκε να εισαχθύν σε κάθε πρόγραμμα με στόχ την εύρεση των β έλτιότων λύσεων. 3.2.α. Μεταβλητές Φυσικής Διαμόρφωσης 2 ι. Φρτί (Πρφίλ Καταναλωτή) Εισαγωγή αρχείυ (8760τιμές) για έναν τυπικό καταναλωτή. Τ φρτί πυ περιγράφεται στ συγκε κριμέν αρχεί εισήχθη και στα τρία πργράμματα εκφρασμέν στις ισδύναμες μνάδες πυ δέχνται τα πργράμματα, όπως αυτές παρατίθ ενται στη συνέχε ια. a. WT PV b. HOMER c. HOGA :W : kwh : W Για τα πργράμματα HOMER και HOGA υπάρχει η δυνατότητα ε ισαγωγής τυ υπό μελέτη φρτίυ με τη μρφή: A.HOMER: Ι. Εισαγωγής ημε ρήσιυ πρφίλ καταναλωτιί (24 τιμές υπό κλίμακα) όπυ τ πρόγραμμα επαναλαμβάνει τις παραπάνω τιμές για όλ τ χρόν 2. Εισαγωγή ετήσιων ωριαίων τιμών (8760 τιμές ζήτησης εν έ ργε ιας) Β. HOGA: r. Εισαγωγής μέσων μηνιαίων τιμών ζήτησης ενέργειας ΙΙ. Εισαγωγής πρότυπυ μηνιαίυ πρφίλ καταναλωτή ΠΙ. Εισαγωγής αρχείυ με ετήσιες ωριαίες τιμές, απαιτύμενης ενέ ργειας ι2 Μεταβλητές Φυσικής Διαμόρφωσης: Αναφ έ ρνται ως τέτι ες, μ εταβλητ ές πυ αφρύν τ απαιτύμεν η λεκτρικό φρτί. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 29

33 Για τις ανάγκες της παρύσας πτυχιακής εργασίας, επιλέχθηκε η εισαγωγή ενός αρχείυ, με ωριαίες τιμές ζήτησης ενέργειας σε W (Watt) μιας και αυτό μπρεί να εισαχθεί και στα τρία πργράμματα. Σχήμα [9}: Ετήσι ενεργειακό πρφίλ καταναλωτή Ετήσι Ενεργειακό Πρφίλ Κατανάλωσης t Γ f Γ t r Γ f Γ r f [ r Γ ΔΕΥΤΕΡΑ ΤΡΙΤΗ ΤΕΤΑΡΤΗ ΠΕΜΠΤΗ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΣΑΒΒΑΤΟ ΚΥΡΙΑΚΗ Ημέρα + ΧΕΙΜΩΝΑΣ ΑΝΟΙΞΗ.,.._ ΚΑΛΟΚΑΙΡΙ ΦΘΙΝΟΠΩΡΟ ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 30

34 3.2.β. Πόρι Συστήματς 3. Ηλιακό Δυναμικό Εισαγωγή τιμών για ένα έτς. Τ Ηλιακό δυναμικό πυ περιγράφεται στ συγκεκριμέν αρχεί εισήχθη και στα τρία πργράμματα εκφρασμέν στις ισδύναμες μνάδες πυ δ έχνται τα πργράμματα, όπως αυτές παρατίθενται στη συνέχεια. a. WT PV b. Homer c. Hoga : cal/cm τιμές : kw/m τιμές : kw/m τιμές 4 Για τα πργράμματα HOMER και HOGA υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής τυ Ηλιακύ Δυναμικύ, με τη μρφή:. ε ισαγωγή μέσων μηνιαίων τιμών 2. εισαγωγή ετήσιων ωριαίων τιμών (k Wlι/m 2 ) Στην παρύσα εργασία, επιλέγεται η εισαγωγή αρχείυ με ωριαίες τιμές ηλιακίίς ακτινβλίας για ένα έτς, ώστε και τα τρία πργράμματα να έχυν τις ίδιες μεταβλητές εισόδυ. Στ σχήμα [Ι Ο], φαίνεται η κατανμή τυ Ηλιακύ Δυναμικύ τη ς επιλεγμένης περιχής για τη διάρκεια ενός έτυς. 3 Πόρι Συσηματς: Αναφ έ ρνται ω ς τέτιι, πιεσδήπτε εξωτερικές μεταβλητ ές πυ χρησιμπιύνται για την παραγωγή ηλεκτρικιίς ενέργειας π. χ. Αιλικό Δυναμικό, Ηλιακό Δυναμικό κ. α.. 4 Στ πρόγραμμα WT_PV, εισάγνται μόν ι 5 από τις 24 ώρες της ημέρας (από τις 5 : 00π. μ. μέχρι τι ς 7 : 00μ. μ. ), χωρίς όμω ς αυτό να επηρεάζει τα απτελέσματα γιατί τις υπόλιπε ς ώρες, η ηλιακιί ακτινβλία ισύται με Ο. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 3

35 Σχήμα [0]: Ετήσι Ηλ ιακό Δ υναμι κό ' l ' l ' Γ ί, '.,, r..,,.. <! J!! ϊt!.,, c =!,,... :.. ', ;;i "" r,, ",.., "" d... d (,ι.'ι'μ'ι) ΑΠ l "'Λ ΛV ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 32

36 . Αιλικό Δυναμικό Εισαγωγή αρχείυ τιμών για ένα έτς. Τ Αιλικό δυναμικό πυ περιγράφεται στ συγκεκριμέν αρχεί εισήχθη και στα τρία πργράμματα εκφρασμέν σε m/s. Όμια με την εισαγωγή τυ Ηλιακύ δυναμικύ, τα πργράμματα HOMER και HOGA πρσφέρυν την δυνατότητα εισαγωγής τυ Αιλικύ Δυναμικύ, τις παρακάτω μρφές: με μία από. εισαγωγή μέσων μηνιαίων τιμών 2. εισαγωγή ετήσιων ωριαίων τιμών Ομίως και σε αυτή τη μεταβλητή, επιλέχθηκε η εισαγωγή αρχείυ, με ωριαίες τιμές αιλικύ δυναμικύ. Στ σχήμα [ ], φαίνεται τ Αιλικό δυναμικύ πυ επικρατεί στην περιχ κατά τη διάρκεια ενός έτυς. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 33

37 ::i, Σχήμα []: Ετήσι Αιλικό Δυναμικό,. ίιί.:.,.,.. ι c::r::::j l ', l u ' ; ' υ Χ! "' Ι! ""'...,, ι.. {t ::: l j ι.i.. n " J. l (... ) D Π Ι"Λ.nr.ιnAγ "' ΑΤΕ Ι ΠΕ Ι ΡΑ ΙΑ Τμήμα Μ ηχαν λγίας Σελίδα 34

38 ίίί. Θερμκρασία Πίεση Υγρασία Στ πρόγραμμα WT_PV υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγή ς δεδμένων για την θερμκρασία και την πίεση πυ επικρατεί στην περιχή ( ι τιμές αφρύν τν μέσ όρ μιας ημέρας για τ σύνλ τυ έτυς). Αντίστιχα, στ πρόγραμμα HOMER, γίνεται: ιι. ι. η εισαγωγή ενός αρχείυ με δεδμένα τις τιμές (366 τιμές) θερμκρασιών πυ επικρατύν στην περιχή για ένα έτς ( όλες ι τιμές αφρύν τ μέσ όρ μιας ημέρας ) η εισαγωγή δώδεκα (2) μηνιαίων μέσων τιμών θερμκρασίας. Temperature Inputs File Edit Help Σχήμα [2] :Επιλγή τύπυ εισα γωγής τιμών θερμκρασίας Ξ ΟΞ ι ΉΟΜΕΑ uses ambient temperature data toc alculate the power produced by the Ρ\Ι array in each tίme step. For calculations, HOMER uses scaled data: baseline data scaled up or down to the scaled annual aνer age νalue. /Hold the pointer oνer an element or click Help for more information. Data source: r Enter monthly aνerage s! lmport time series data file lmport File... Baseline data [from temperatuιe. t x t) Όσν αφρά την πίεση, χρησιμπιείται για τν υπλγισμό της παραγωγής ενέργειας των ανεμγεννητριών, μιας και αυτή επηρεάζεται από τ υψόμετρ της εγκατάστασης καθώς και από την θερμκρασία πυ επικρατεί εκεί. Τ HOMER χρησιμπιεί την μεταβλητή " αναλγία τη ς πυκνότητας τυ αέρα '', η πία είναι η πραγματική πυκνότητα τυ αέρα διαιρεμένη με την πυκνότητα τυ αέρα υπό καννικές συνθήκες (στάθμη επιφανείας θάλασσας και θερμκρασία Ι 5 C) και εκφράζεται όπως παρακάτω: Όπυ: p 0 = Πίεση υπό καννικές συνθήκες [0,325 Pa] Τ= Θερμκρασία υπό καννικές συνθήκες [ Κ] ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 35

39 Επίσης, με την υπόθεση/παραδχή ότι τ υψόμετρ επηρεάζει την θερμκρασία και την πίεση καθώς και τ ότι η θερμκρασία μειώνεται γραμμικά με τ υψόμετρ, μπρεί να χρησιμπιηθεί τ παρακάτω διάγραμμα: Σχήμα [ 3 }: Σχέση αναλγίας της πυκνότητας τυ αέρα, συναρτιjσει τυ υψμέτρυ s,000...,,, : ::ι :ι: 2,ΟΟΟ Αίr Density Ratio Τέλς στ πρόγραμμα HOGA, δεν εισάγνται πυθενά ι τιμές θερμκρασίας για την υπό μελέτη περιχή. Αντίστιχα με τα άλλα δύ πργράμματα, γίνεται χρήση της πίεσης πυ επικρατεί στην περιχή, για τν υπλγισμό της παραγόμενης από τις ανεμγεννήτριες ενέργειας. Ο δε πρσδιρισμός αυτής, γίνεται μέσω της επιλγής τυ υψμέτρυ εγκατάστασης των ανεμγεννητριών πάνω από τ επίπεδ της θάλασσας. Σχήμα [ 4}: Εισαγωγή υψμέτρυ εγκατάστασης ανεμγε ννιjτριας σε '. Height above sea level Γ m Air density at that height is.225 kg/m3 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 36

40 3.2.γ. "Συστατικά εγκατάστασης" Συστήματς 5 Μία από τις σημαντικότε ρες παραμέτρυς για τη σύνθεση και λε ιτυργία ε νός Αυτόνμυ Υβριδικύ Συστήματς, μιας και αυτή απτελεί την καρδιά τυ συστήματς, είναι αδιαμφισβήτητα η επιλγή των εξαρτημάτων και των συσκευών πυ θα τ συνθέσυν. Αναμφίβλα, ι μεταβλητές Φυσικής Διαμόρφωσης καθώς και ι Πόρι τυ συστήματς απτελύν κύρια συστατικά αυτύ, αλλά τα εξαρτήματα/συσκευές είναι αυτά πυ θα καθρίυν εν τέλει την μαλή αλλά κάι απδτικότερη τυ λειτυργία. Παρακάτω, δίννται όλα τα πιτικά καθώς και τεχνικά χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων/συσκευών πυ χρησιμπιήθηκαν για τη μντελπίηση τυ συσηίματς.. Φωτβλταϊκή Συστιχία / Φωτβλταϊκό Πάνελ a. Γεν ι κά: Ως φωτβλταϊκά πάνελ ή φωτβλταϊκί συστιχία. αντίστιχα, αναφέρνται ι διατάξεις μετατρπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Τα φωτβλταϊκά στιχεία χωρίζνται σε δυ βασικές καηγρίες: Ι. Κρυσταλλικύ Πυριτίυ > Μνκρυσταλλικύ πυριτίυ, με νμαστικές απδόσεις πλαισίων 4,5% έως 2%, ).> Πλυκρυσταλλικύ πυριτίυ, με νμαστικές απδόσεις πλαισίων 3% έως 4,5%. ΙΙ. Λεπτών Μεμβρανών );> Άμρφυ Πυριτίυ, νμαστικής απόδσης 7%. );> Χαλκπυρ ιτών CIS Ι CIGS, νμαστικής απόδσης από 7% έως %. is "Συστατικά Εγκατάστασης" Συστι]ματς: ανα έρνται ως τέτια. κάθε μ έρς τυ συση)ματ ς πυ παράγει, δ ιαν έ μ ε ι, μ ετατρ έπ ε ι και απθηκευει ενε ργε ι α. ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑ Ι Α Τμήμα Μηχανλγίας Σελίδα 37