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: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Δ. ΨΑΡΑ Α.Μ.: 6892 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΙΛΟΤΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Επιβλέπων: Δρ. Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο 383 Πάτρα, Οκτώβριος 2014 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ Τηλ: Fax: ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: e.c.tatakis@ece.upatras.gr Τηλ:

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Δ. ΨΑΡΑ Α.Μ.: 6892 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΙΛΟΤΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Επιβλέπων: Δρ. Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Ν ο /2014 Πάτρα, Οκτώβριος 2014

4

5 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΙΛΟΤΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Δ. ΨΑΡΑ Αριθμός Μητρώου: 6892 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 20/10/2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2014 Τίτλος: ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΙΛΟΤΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Φοιτητής: Επιβλέπων: Ψαράς Βασίλειος του Δημητρίου Δρ. Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, ανάλυση και προσομοίωση ενός τυπικού μικροδικτύου με δυνατότητα σύνδεσης στο δίκτυο χαμηλής τάσης το οποίο είναι εγκατεστημένο στο Κτήριο Βαρέων Ηλεκτρολόγων του Πανεπιστημίου Πατρών. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή ενός εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μονοκατοικίας, με απώτερο στόχο την εξαγωγή συμπερασμάτων από την σύνδεση του με το εν λόγω μικροδίκτυο. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη ενός μικροδικτύου, το οποίο συγκροτείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ονομαστικής ισχύος 1920W, τρεις αντιστροφείς συνδεδεμένου συστήματος, που πραγματοποιούν την αντιστροφή της παραγόμενης από τα φωτοβολταϊκά συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, ένα μετατροπέα αυτόνομου συστήματος, ο οποίος αναλαμβάνει την δημιουργία και τον συνεχή έλεγχο του αυτόνομου συστήματος και τους συσσωρευτές οι οποίοι αξιοποιούνται για την αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας από τις πηγές παραγωγής ενέργειας του συστήματος. Ακόμα, σκοπός της εργασίας αποτελεί η κατασκευή ενός εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μιας μέσης κατοικίας, ώστε μελλοντικά, με πειράματα πάνω σε αυτή τη διάταξη, να διαστασιολογηθεί ένα μικροδίκτυο το οποίο θα επαρκεί για τη σταθερή, συνεχόμενη και αξιόπιστη κάλυψη της απαιτούμενης ενέργειας μιας μέσης κατοικίας. Αρχικά, παρατίθενται τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι συμβατικές πηγές ενέργειας, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα καθώς και οι λύσεις που μπορούν να προσφέρουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σχετικά με το ενεργειακό πρόβλημα που έχει παρουσιαστεί τις τελευταίες δεκαετίες. Κατόπιν δίνεται ο ορισμός των μικροδικτύων, αναλύονται τα δομικά μέρη από τα οποία αποτελούνται και μελετούνται οι αρχές λειτουργίας τους. Εξετάστηκαν οι μονάδες παραγωγής ενέργειας, με έμφαση στα φωτοβολταϊκά, τις μονάδες αποθήκευσης ενέργειας καθώς και τις μονάδες που έχουν πολύ σημαντικό ρόλο σε ένα μικροδίκτυο: τους μετατροπείς ισχύος. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται όλες οι εμπλεκόμενες μονάδες του μικροδικτύου που είναι εγκατεστημένο στο εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενεργείας, καθώς και μια σειρά πειραμάτων που διεξήχθησαν. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση τόσο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, όσο και της μεθόδου μέγιστης απομάστευσης ισχύος που χρησιμοποιήθηκε καθώς και του συνολικού συστήματος. Τέλος, αναλύεται η διαδικασία υλοποίησης του εξομοιωτή φορτίου, ο οποίος εξομοιώνει ποικίλες οικιακές συσκευές που ελέγχονται από έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή και παρατίθενται παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον.

8

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Πρόλογος Η διπλωματική αυτή εργασία εκπονήθηκε στο κτήριο των Βαρέων Ηλεκτρολόγων του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της αποτέλεσε η μελέτη και ανάλυση του υπάρχοντος μικροδικτύου στο εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας, με απώτερο στόχο την κατασκευή ενός πλήρους μικροδικτύου που θα περιλαμβάνει, επιπρόσθετα, μια ανεμογεννήτρια και μια ντιζελογεννήτρια. Επίσης, μεγάλη βαρύτητα δόθηκε στην κατασκευή ενός εξομοιωτή φορτίου. Η παρούσα εργασία έχει εκπονηθεί σε συνεργασία με τους συνάδελφους Μπιλιανό Σωτήριο και Παρασκευά Παύλο. Συγκεκριμένα η διάταξη που κατασκευάστηκε προσομοιώνει τις συνήθεις καταναλώσεις των σημαντικότερων συσκευών που συναντώνται σε μια μέση κατοικία και κατ επέκταση προσομοιώνει την συνολική κατανάλωση αυτής. Για την προσομοίωση των συσκευών χρησιμοποιήθηκαν R-L στοιχεία, τα οποία τοποθετήθηκαν σε μια ενιαία διάταξη αποτελούμενη από ράβδους ντέξιον. Αυτή η διάταξη περιλαμβάνει το πλαίσιο στήριξης, τα R-L στοιχεία, έναν ηλεκτρολογικό πίνακα όμοιο με αυτόν μιας κατοικίας με τριφασική παροχή και τέλος ένα βιομηχανικό πίνακα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην επιλογή και τον προγραμματισμό ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή, που αποτελεί την καρδιά του βιομηχανικού πίνακα, στόχος του οποίου είναι η ρύθμιση της διάρκειας καθώς και της αυτόματης λειτουργίας των συσκευών. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια αναφορά στις περισσότερες και πιο σημαντικές συμβατικές πηγές ενέργειας, στο ενεργειακό ζήτημα, στην προσχώρηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο, στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ΑΠΕ και τέλος πραγματοποιείται μια μικρή ανάλυση στις σπουδαιότερες ήπιες μορφές ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2 δίνεται ο ορισμός και τα βασικά χαρακτηριστικά ενός μικροδικτύου, εξετάζονται οι βασικές μονάδες του μικροδικτύου που αφορούν την παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας, ενώ αναλύονται και οι μετατροπείς ισχύος που συναντώνται σε αυτά τα δίκτυα. Μεγάλη βαρύτητα δίνεται στα φωτοβολταϊκά ως πηγή παραγωγής ενέργειας και γίνεται μια θεωρητική ανάλυση αυτών, ενώ παρουσιάζονται κατηγορίες και εφαρμογές των Φ/Β συστημάτων. Στο κεφάλαιο 3 αναλύονται εκτενώς οι βασικές μονάδες που απαρτίζουν το μικροδίκτυο του εργαστηρίου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα ηλεκτρολογικά σχέδια του συστήματος τόσο κατά τη διασυνδεμένη, όσο και κατά την αυτόνομη λειτουργία και τέλος μελετάται η συμπεριφορά του κατά την αυτόνομη λειτουργία μέσω πειραμάτων. Στο κεφάλαιο 4 παρατίθενται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν για τη φωτοβολταϊκή συστοιχία του συστήματος. Στη συνέχεια δίνονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της σύνδεσης των φωτοβολταϊκών στο δίκτυο μέσω μετατροπέων ισχύος, με χρήση της μεθόδου

10 μέγιστης απομάστευση ισχύος που αποσκοπεί στη βέλτιστη απόδοση της Φ/Β συστοιχίας. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του συνολικού αυτόνομου συστήματος. Στο κεφάλαιο 5 αναλύεται λεπτομερώς ο σχεδιασμός και η διαδικασία κατασκευής του εξομοιωτή ηλεκτρικής κατανάλωσης φορτίου μιας μέσης κατοικίας. Αρχικά παρουσιάζεται η πορεία συλλογισμού για τον καθορισμό μιας τυπικής οικιακής κατανάλωσης και το αντίστοιχο εβδομαδιαίο προφίλ της. Στην συνέχεια εξηγείται πως προσομοιώθηκαν οι ηλεκτρικές συσκευές με παθητικά στοιχεία και πως πραγματοποιήθηκε η αυτόματη λειτουργία τους, με χρήση κάποιων ρελέ, μέσω του προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή, παραθέτοντας κομμάτια κώδικα του προγράμματος με το οποίο προγραμματίστηκε. Τέλος παρουσιάζεται η βάση στήριξης της διάταξης, ο ηλεκτρολογικός πίνακας που τοποθετήθηκε για λόγους ασφάλειας και ο υπόλοιπος εξοπλισμός της κατασκευής. Στο κεφάλαιο 6 παρατίθενται και αναλύονται οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν μέσω της σύνδεσης της διάταξης που κατασκευάστηκε, με το δημόσιο δίκτυο χαμηλής τάσης. Ακόμα, εξάγονται κάποια συμπεράσματα με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των χρησιμοποιηθέντων στοιχείων, οι λίστες παραμέτρων του γραφικού περιβάλλοντος επικοινωνίας του μετατροπέα με τον χρήστη, τα εβδομαδιαία προφίλ κατανάλωσης με βάση τα οποία έγινε ο προγραμματισμός του προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή και τέλος το συνολικό πρόγραμμα αυτού. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον επιβλέποντα Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας, Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκη, για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση που μου προσέφερε καθ όλη την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ιωάννη Περπινιά, την υποψήφια διδάκτορα Χαρούλα Ζωγογιάννη, καθώς και όλους τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας για την πολύτιμη βοήθεια τους. Θερμές ευχαριστίες αρμόζουν στον κ. Κωνσταντίνο Πέτρου, ο οποίος συνέβαλε τα μέγιστα κατά την διάρκεια αυτής της εργασίας με τις πολύτιμες γνώσεις και συμβουλές του. Επιπρόσθετα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Θ. Ζαχαρία και τον Καθηγητή κ. Ν. Βοβό που μας παρείχαν την δυνατότητα χρήσης του υπάρχοντος συστήματος στο εργαστήριο Π.Μ.Δ.Η.Ε. Θερμές ευχαριστίες οφείλω στους Γιάννη, Εβίτα, Χάρη και Aγγελική, καθώς και την οικογένεια μου για την απεριόριστη βοήθεια και στήριξη τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συνάδελφους Παύλο Παρασκευά και Σωτήρη Μπιλιανό για την εξαιρετικά άψογη και ευχάριστη συνεργασία που είχαμε σε όλη την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας.

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΟΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΗΓΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Συμβατικές πηγές ενέργειας Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΕΛΛΗΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΕΝΤΡΙΚΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΕΝΤΡΩΜΕΝΗ (ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ) ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΒΑΣΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΩΝ Φωτοβολταϊκά Εισαγωγή Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα φωτοβολταϊκών Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκού στοιχείου Χαρακτηριστική φωτοβολταϊκού κυττάρου και σημαντικά μεγέθη Σύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων Φωτοβολταϊκά συστήματα Ανεμογεννήτριες Γεννήτριες καυσίμων Κύτταρα καυσίμου ή κυψέλες καυσίμου (Fuel Cell)... 53

12 2.6 ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Διακοπτικοί μετατροπείς ισχύος Αντιστροφείς DC/AC διακοπτικού τύπου ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ Συσσωρευτές Σφόνδυλοι - Flywheel Υπεραγώγιμα πηνία Πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας Super Capacitors Πεπιεσμένος αέρας Αντλίες - Υδρογόνο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΥΠΑΡΧΟΝΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3.1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΠΑΡΧΟΝΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΤΟ ΕΗΕ Φωτοβολταϊκά πλαίσια Ανεμογεννήτρια Μετατροπείς Αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών Μετατροπέας των συσσωρευτών Συσσωρευτές ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Ηλεκτρολογικό σχέδιο εγκατάστασης Μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Σύνδεση μετατροπέα συσσωρευτών στο δίκτυο Μονοφασική αυτόνομη λειτουργία Διαδικασία εκκίνησης και παύσης του συστήματος ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Αποτελέσματα μοντέλου προσομοίωσης ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Φ/Β ΜΕ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ Προσομοίωση φωτοβολταϊκής συστοιχίας με μετατροπέα και PI έλεγχο Προσομοίωση ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος στα Φ/Β Προσομοίωση σύνδεσης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο δίκτυο Φ/Β συστοιχία με μεταβλητή ακτινοβολία συνδεδεμένη στο δικτυο με φορτίο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΜΟΝΟΚΑΤΟΙΚΙΑΣ 5.1 ΤΥΠΙΚΗ ΟΙΚΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΞΟΙΜΟΙΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΜΕ RL ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΕΩΝ Εισαγωγή (PLC) Είσοδοι έξοδοι και επιλογή κατάλληλου PLC Προγραμματισμός του PLC ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ Ταμπλό ελέγχου φορτίου Ηλεκτρολογικός πίνακας

14 5.4.3 Βιομηχανικός πίνακας Στήριξη της κατασκευής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΤΟΥ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ ΠΑΡΑΤΗΜΑ Β ΛΙΣΤΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥ SUNNY REMOTE CONTROL ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΕΒΔΟΜΑΔΙΑΙΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΚΑΙ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ PLC

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1.1 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια στροφή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), οι οποίες αρχίζουν να διαδραματίζουν όλο και μεγαλύτερο ρόλο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό οφείλεται τόσο στο πεπερασμένο δυναμικό των γνωστών ως συμβατικών πηγών ενέργειας όσο και στην ανάγκη περιορισμού των δυσμενών επιπτώσεων από τη χρήση τους στο περιβάλλον. Τα ορυκτά καύσιμα αρχίζουν να εξαντλούνται σε μια χρονική περίοδο που η ζήτηση ενέργειας μόνο αυξάνεται. Με αφορμή τις πετρελαϊκές κρίσεις της δεκαετίας του 70, άρχισε να γίνεται διεθνώς συνείδηση, η ανάγκη για καλύτερη αξιοποίηση της ενέργειας ώστε να αξιοποιούνται καλύτερα οι διατιθέμενοι ενεργειακοί πόροι και για να επιμηκυνθεί ο χρόνος εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων. Επίσης, οι συμβατικές πηγές ενέργειας προκαλούν μεγάλο πρόβλημα στο περιβάλλον. Εξαιτίας της κατανάλωσης καυσίμων, παράγονται ετησίως περίπου 30 δις τόνοι διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), με αποτέλεσμα να διαταράσσεται το ενεργειακό ισοζύγιο, προκαλώντας έτσι άνοδο της θερμοκρασίας, λιώσιμο των πάγων, άνοδο της στάθμης των υδάτων και κατ επέκταση ριζική αλλαγή στο φυσικό μας περιβάλλον. Επίσης το ενεργειακό σύστημα του πλανήτη μας που στηρίζεται σε μεγαλύτερο βαθμό στα ορυκτά καύσιμα, συμβάλλει καθοριστικά στην έξαρση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Όπως διαπιστώνουμε οι κλιματικές αλλαγές είναι τόσο βλαβερές, που δεν θα ήταν υπερβολή να πούμε ότι τίθεται ακόμα και θέμα επιβίωσης του πλανήτη μας. Σύμφωνα με επίσημα κείμενα της WWF πάνω από το 33% των οικοσυστημάτων παγκοσμίως βρίσκεται σήμερα σε κίνδυνο και πολλά είδη πανίδας και χλωρίδας απειλούνται με εξαφάνιση [1]. Έχουν γίνει προσπάθειες σε διεθνές επίπεδο με αρχή το πρωτόκολλο του Κιότο, που αφορούσε τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, που με τη σειρά του αποτελεί το βασικότερο αέριο του φαινομένου του θερμοκηπίου [2]. Η διάσκεψη αυτή στο Κιότο, επανέφερε τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στο προσκήνιο. Ο επόμενος σταθμός στην ιστορία ήταν η παγκόσμια διάσκεψη της Κοπεγχάγης για τις κλιματικές αλλαγές και έδειξε πόσο επίκαιρες είναι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και το σημαντικό ρόλο που πρόκειται να διαδραματίσουν στο μέλλον για την επίτευξη των στόχων που τέθηκαν 1

16 [3]. Αν και κάποιες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παρουσιάζουν μεγάλη ανάπτυξη (σχήμα 1.1), το ποσοστό που κατέχουν στην παγκόσμια παραγωγή παραμένει αρκετά χαμηλό (σχήμα 1.2). Πολλές χώρες έχουν αρνηθεί να δεσμευτούν για τις μειώσεις των εκπομπών, και το κλίμα παγκοσμίως δεν φαίνεται να αλλάζει, πράγμα που καθιστά το μέλλον δυσοίωνο. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πάντως αποτελούν τον κύριο εκφραστή της όποιας προσπάθειας γίνεται. Σχήμα 1.1: Αύξηση παραγόμενης ισχύος και η πρόβλεψη μέχρι το 2028 για την αιολική(wind) και ηλιακή(solar) ενέργεια [4]. Σχήμα 1.2: Πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως [5]. 2

17 1.2 Πηγές παραγωγής ενέργειας Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται παγκοσμίως προέρχεται κυρίως από γαιάνθρακες, φυσικό αέριο, πυρηνική ενέργεια και μεγάλα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Η συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι αρκετά μικρότερη. Η τάση πάντως χρησιμοποίησής τους δίνει ενθαρρυντικά μηνύματα για το μέλλον Συμβατικές πηγές ενέργειας Ονομάζονται επίσης μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Αποκαλούνται έτσι γιατί είναι αδύνατον να ανανεώσουν, σε εύλογο για τον άνθρωπο χρονικό διάστημα, την αποθηκευμένη ενέργεια τους. Η διαδικασία σχηματισμού τους διήρκησε εκατομμύρια χρόνια και έτσι εξαντλούνται με πιο γρήγορο ρυθμό από αυτόν με τον οποίο σχηματίζονται. Οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνουν: - Ορυκτά καύσιμα Τα ορυκτά καύσιμα (fossil fuels) είναι ένας γενικός ορισμός που αποδίδεται σε καύσιμα που σχηματίζονται στη γη από υπολείμματα φυτικών ή ζωικών οργανισμών. Για την ακρίβεια τα ορυκτά καύσιμα σχηματίζονται από την αναερόβια αποσύνθεση των οργανισμών που απομένουν στο υπέδαφος της γης, συμπεριλαμβανομένου και του ζωοπλαγκτόν ή φυτοπλαγκτόν που εναποτίθεται στον βυθό της θάλασσας ή λιμνών [6]. Τα κυριότερα ορυκτά καύσιμα είναι υδρογονάνθρακες με κυριότερους εκπροσώπους το κάρβουνο, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Τα ορυκτά καύσιμα είναι πολύ καλή ενεργειακή ύλη γιατί με την καύση τους παράγουν μεγάλο ποσό ενέργειας. Η χρήση τους ως καύσιμο ξεκινάει από τα πρώιμα χρόνια της ανθρώπινης ιστορίας. Όλες οι παγκόσμιες οικονομίες εξαρτώνται άμεσα ή έμμεσα ενεργειακά από τα ορυκτά καύσιμα. Εκτός από το μειονέκτημα της πεπερασμένης πρώτης ύλης τα ορυκτά καύσιμα ευθύνονται κατά πολύ για τη ρύπανση του πλανήτη και για διάφορα περιβαλλοντικά προβλήματα. Η εκτίμηση για τη χρονική στιγμή εξάντλησης των αποθεμάτων με τα μέχρι τώρα εκτιμώμενα αποθέματα και την τρέχουσα κατανάλωση είναι [7]: Κάρβουνο 148 χρόνια Πετρέλαιο 43 χρόνια 3

18 Φυσικό αέριο 61 χρόνια Καταλαβαίνουμε ότι λόγο του μικρού χρόνου εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων, γίνεται σημαντική η αξιοποίηση άλλων πηγών ενέργειας. Σχήμα 1.3: Εργοστάσιο της Μεγαλόπολης που χρησιμοποιεί ως καύσιμο έναν τύπο γαιάνθρακα, τον λιγνίτη. - Πυρηνική ενέργεια Άλλη πολύ σημαντική πηγή ενέργειας είναι η πυρηνική. Παρόλα αυτά και η πυρηνική ενέργεια σχετίζεται με ορυκτό καύσιμο μιας και το ουράνιο που χρησιμοποιείται είναι ορυκτό και μάλιστα δυσεύρετο. Μέχρι σήμερα η πυρηνική ενέργεια παράγεται από πυρηνική σχάση, αλλά το πρόβλημα θα λυθεί οριστικά, όταν γίνει κατορθωτή η παραγωγή από την πυρηνική σύντηξη η οποία εκλύει πολύ μεγαλύτερα ποσά ενέργειας. Η πυρηνική ενέργεια είναι μια ιδιαίτερα αμφιλεγόμενη μορφή ενέργειας γιατί παρά το αρκετά χαμηλό κόστος λειτουργίας, σε περίπτωση ατυχήματος τα αποτελέσματα θα είναι δραματικά. Έχουν θεσπιστεί πολλαπλά μέτρα ασφαλείας αλλά έχουν καταγραφεί περί τα 150 πολύ σοβαρά ατυχήματα, από τα οποία το πιο γνωστό είναι το Chernobyl στην πρώην ΕΣΣΔ [8]. Ένα ακόμα πρόβλημα είναι ότι τα απόβλητα μιας τέτοιας παραγωγικής διαδικασίας είναι ιδιαίτερα ραδιενεργά με αποτέλεσμα να απαιτούνται ειδικές εγκαταστάσεις για την επ' αόριστων αποθήκευση των αποβλήτων ώστε να αποφευχθούν οι σοβαροί περιβαλλοντικοί κίνδυνοι. Πάντως το σημαντικότερο πλεονέκτημα τους είναι ότι οι πυρηνικοί σταθμοί δεν μολύνουν τον 4

19 ατμοσφαιρικό αέρα όπως οι θερμικοί σταθμοί που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη τα ορυκτά καύσιμα. Σχήμα 1.4: Πυρηνικό εργοστάσιο Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) ή ήπιες μορφές ενέργειας ονομάζονται αυτές που από τη φύση τους ανανεώνονται και είναι διαρκώς και ασταμάτητα διαθέσιμες σε άφθονη ποσότητα, δηλαδή είναι ανεξάντλητες. Θα διαρκέσουν όσο θα υπάρχει και ο πλανήτης σε μορφή που να μπορούσε να ζει άνθρωπος. Ο ήλιος για παράδειγμα, δεν θα πάψει ποτέ (τουλάχιστον για αρκετά εκατομμύρια χρόνια) να λάμπει στον ουρανό και να μας προσφέρει τη φωτεινή και θερμική του ενέργεια. Ακόμη σε αυτή την κατηγορία συγκαταλέγονται η Αιολική ενέργεια, η Γεωθερμική ενέργεια, η ενέργεια Θαλασσίων Κυμάτων, η κυκλοφορία του νερού κ.α. [9]. Ο όρος «ήπιες» αναφέρεται σε δυο βασικά χαρακτηριστικά τους. Καταρχάς, για την εκμετάλλευσή τους δεν απαιτείται κάποια ενεργητική παρέμβαση, όπως εξόρυξη, άντληση ή καύση, όπως με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες πηγές ενέργειας, αλλά απλώς η εκμετάλλευση της ήδη υπάρχουσας ροής ενέργειας στη φύση [10]. Δεύτερον, πρόκειται για καθαρές μορφές ενέργειας, πολύ φιλικές στο περιβάλλον, που δεν αποδεσμεύουν υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα ή τοξικά και ραδιενεργά απόβλητα, όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα. Γι αυτό οι ΑΠΕ θεωρούνται από πολλούς μία αφετηρία για την επίλυση των οικολογικών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η Γη. 5

20 Τα κύρια πλεονεκτήματα των ΑΠΕ [9] είναι τα εξής: Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας και συμβάλλουν στη μείωση της εξάρτησης από τους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους οι οποίοι με το πέρασμα του χρόνου εξαντλούνται. Είναι εγχώριες πηγές ενέργειας και συνεισφέρουν στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Είναι γεωγραφικά διεσπαρμένες και οδηγούν στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα να καλύπτονται οι ενεργειακές ανάγκες σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, ανακουφίζοντας τα συστήματα υποδομής ενώ παράλληλα μειώνονται οι απώλειες μεταφοράς ενέργειας. Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάλληλης μορφής ενέργειας που είναι προσαρμοσμένη στις ανάγκες του χρήστη (π.χ. ηλιακή ενέργεια για θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών έως αιολική ενέργεια για ηλεκτροπαραγωγή), επιτυγχάνοντας πιο ορθολογική χρησιμοποίηση των ενεργειακών πόρων. Έχουν συνήθως χαμηλό λειτουργικό κόστος, το οποίο επιπλέον δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και ειδικότερα των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Οι επενδύσεις των ΑΠΕ είναι εντάσεως εργασίας, δημιουργώντας πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. Για τις περισσότερες ΑΠΕ δεν υπάρχει κόστος πρώτης ύλης, ενώ και το κόστος συντήρησης είναι περιορισμένο. Μπορούν να αποτελέσουν σε πολλές περιπτώσεις πυρήνα για την αναζωογόνηση υποβαθμισμένων, οικονομικά και κοινωνικά, περιοχών και πόλο για την τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση επενδύσεων που στηρίζονται στη συμβολή των ΑΠΕ (π.χ. καλλιέργειες θερμοκηπίου με γεωθερμική ενέργεια). Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο και η αξιοποίησή τους είναι γενικά αποδεκτή από το κοινό. Εκτός από τα παραπάνω πλεονεκτήματα οι ΑΠΕ παρουσιάζουν και ορισμένα χαρακτηριστικά που δυσχεραίνουν την αξιοποίηση και ταχεία ανάπτυξή τους: 6

21 Το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος ώστε να μεταφερθεί και να αποθηκευθεί. Έχουν χαμηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας και συνεπώς για μεγάλη παραγωγή απαιτούνται συχνά εκτεταμένες εγκαταστάσεις. Παρουσιάζουν συχνά διακυμάνσεις στη διαθεσιμότητά τους που μπορεί να είναι μεγάλης διάρκειας απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή γενικά δαπανηρές μεθόδους αποθήκευσης. Η χαμηλή διαθεσιμότητά τους συνήθως οδηγεί σε χαμηλό συντελεστή χρησιμοποίησης των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσής τους. Το κόστος επένδυσης ανά μονάδα εγκατεστημένης ισχύος σε σύγκριση με τις σημερινές τιμές των συμβατικών καυσίμων παραμένει ακόμη υψηλό. Οι κυριότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι: - Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια δημιουργείται έμμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, γιατί η ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της γης προκαλεί τη μετακίνηση μεγάλων μαζών αέρα από τη μια περιοχή στην άλλη, δημιουργώντας με τον τρόπο αυτό τους ανέμους. Είναι μια ήπια μορφή ενέργειας, φιλική προς το περιβάλλον, πρακτικά ανεξάντλητη. Αν υπήρχε η δυνατότητα, με τη σημερινή τεχνολογία, να καταστεί εκμεταλλεύσιμο το συνολικό αιολικό δυναμικό της γης, εκτιμάται ότι η παραγόμενη σε ένα χρόνο ηλεκτρική ενέργεια θα ήταν υπερδιπλάσια από τις ανάγκες της ανθρωπότητας στο ίδιο διάστημα (Αιολική ενέργεια, ΚΑΠΕ 1998).Υπολογίζεται ότι στο 25 % της επιφάνειας της γης επικρατούν άνεμοι μέσης ετήσιας ταχύτητας πάνω από 5,1 m/s, σε ύψος 10 m πάνω από το έδαφος [11]. Όταν οι άνεμοι πνέουν με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή την τιμή, τότε το αιολικό δυναμικό του τόπου θεωρείται εκμεταλλεύσιμο και οι απαιτούμενες εγκαταστάσεις μπορούν να καταστούν οικονομικά βιώσιμες, σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα. Άλλωστε το κόστος κατασκευής των ανεμογεννητριών έχει μειωθεί σημαντικά και μπορεί να θεωρηθεί ότι η αιολική ενέργεια διανύει την "πρώτη" περίοδο ωριμότητας, καθώς είναι πλέον ανταγωνιστική των συμβατικών μορφών ενέργειας. Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό και η αιολική ενέργεια μπορεί να γίνει σημαντικός μοχλός ανάπτυξής της. Από το 1982, οπότε εγκαταστάθηκε από τη ΔΕΗ το πρώτο αιολικό πάρκο στην Κύθνο, μέχρι και 7

22 σήμερα έχουν κατασκευασθεί στην Άνδρο, Εύβοια, Λήμνο, Λέσβο, Χίο, Σάμο και Κρήτη εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο συνολικής ισχύος πάνω από 30 MW. Μεγάλο ενδιαφέρον επίσης εκδηλώνει και ο ιδιωτικός τομέας για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας, ιδιαίτερα στην Κρήτη, όπου το Υπουργείο Ανάπτυξης έχει εκδώσει άδειες εγκατάστασης για νέα αιολικά πάρκα συνολικής ισχύος δεκάδων MW [12]. Σήμερα η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας γίνεται σχεδόν αποκλειστικά με μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Σχήμα 1.5: Αιολικό πάρκο στην Κοζάνη. - Ηλιακή ενέργεια Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα ή θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Η ηλιακή ενέργεια στο σύνολό της είναι πρακτικά ανεξάντλητη, αφού προέρχεται από τον ήλιο, και ως εκ τούτου δεν υπάρχουν περιορισμοί χώρου και χρόνου για την εκμετάλλευσή της. Όσον αφορά την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας θα μπορούσαμε να πούμε ότι χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα και τα φωτοβολταϊκά συστήματα (σχήμα 1.6). Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του 8

23 φωτοβολταϊκού φαινομένου [6]. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα θα αναλυθούν εκτενέστερα στο κεφάλαιο 2. Σχήμα 1.6: Κατηγορίες ηλιακών συστημάτων. Σχήμα 1.7: Φ/Β πάρκο ισχύος 2ΜW στην Καρδίτσα - Υδραυλική ενέργεια Υδραυλική και εν μέρει υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η ενέργεια που αποταμιεύεται ως δυναμική ενέργεια μέσα σε βαρυτικό πεδίο με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνέχιση της ροής του ελεύθερου νερού, και αποδίδεται ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης [9]. Η κινητική ενέργεια, στη συνέχεια, μπορεί είτε να χρησιμοποιείται αυτούσια επιτόπου (π.χ. νερόμυλοι), είτε να μετατρέπεται σε ηλεκτρική ή άλλες, που την αποθηκεύουν, ώστε τελικά να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις. Στον γήινο κύκλο του νερού η ενέργεια προέρχεται κυρίως από τον ήλιο που εξατμίζει, σηκώνει ψηλά δηλαδή (στην ατμόσφαιρα), μεγάλες ποσότητες νερού. Η εκμετάλλευση της ενέργειας στον κύκλο 9

24 αυτό, γίνεται με τη χρήση υδροηλεκτρικών έργων (υδατοταμιευτήρες, φράγματα, κλειστοί αγωγοί πτώσεως, υδροστρόβιλοι, ηλεκτρογεννήτριες, διώρυγες φυγής). Η μετατροπή της ενέργειας των υδατοπτώσεων με τη χρήση υδραυλικών τουρμπίνων παράγει την υδροηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή ταξινομείται σε υδροηλεκτρική ενέργεια μεγάλης και μικρής κλίμακας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια μικρής κλίμακας διαφέρει σημαντικά από αυτή της μεγάλης σε ότι αφορά τις επιπτώσεις της στο περιβάλλον. Οι υδροηλεκτρικές μονάδες μεγάλης κλίμακας απαιτούν τη δημιουργία φραγμάτων και τεράστιων δεξαμενών με σημαντικές επιπτώσεις στο οικοσύστημα και γενικότερα στο άμεσο περιβάλλον. Σχήμα 1.8: Υδροηλεκτρικό Φράγμα. - Γεωθερμική ενέργεια Ως γεωθερμική ενέργεια χαρακτηρίζεται η ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης, μεταφέρεται στην επιφάνεια με αγωγή θερμότητας και με την είσοδο στο φλοιό της γης λειωμένου μάγματος από τα βαθύτερα στρώματά της, και γίνεται αντιληπτή με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού [9]. Ένας δεύτερος τρόπος που πραγματοποιείται η μετάδοση της θερμότητας είναι με ρεύματα μεταφοράς, που περιορίζονται όμως στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, λόγω ηφαιστειακών και υδροθερμικών φαινομένων. Το γεωθερμικό δυναμικό κάθε περιοχής σχετίζεται με τις γεωλογικές και γεωτεκτονικές συνθήκες της. Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί ήπια μορφή ενέργειας, σε σύγκριση με τις συμβατικές μορφές ενέργειας, χωρίς βέβαια οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την 10

25 εκμετάλλευσή της να είναι συχνά αμελητέες, που με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικές ενεργειακές ανάγκες. Η κύρια κατάταξη των γεωθερμικών πεδίων γίνεται με βάση τη θερμοκρασία τους. Πεδία χαμηλής ή μέσης θερμοκρασίας ( C) αξιοποιούνται στη μεταφορά θερμότητας σε οικισμούς, θερμοκήπια, αλλά και μικρές βιομηχανικές μονάδες. Πεδία υψηλής θερμοκρασίας (άνω των 150 C) είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Οι γεωθερμικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος είναι ιδιαίτερα οικονομικές και η λειτουργία τους έχει μικρή περιβαλλοντική επίδραση. Παράγουν μόνο το 1/6 του CO2 από ότι θα παρήγαγε μια μονάδα ίσης δυναμικότητας που λειτουργεί με φυσικό αέριο, ενώ το κόστος της παραγόμενης ενέργειας κυμαίνεται περίπου μεταξύ $0.015/kW και $0.35/kW. Σε παγκόσμια κλίμακα η συνολική δυναμικότητα των γεωθερμικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής ξεπερνά τα 8000 MWe και η αντίστοιχη θερμική τα 4000 MWt [9]. - Βιομάζα Με τον όρο βιομάζα χαρακτηρίζουμε οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς (όπως είναι το ξύλο και άλλα προϊόντα του δάσους, υπολείμματα καλλιεργειών, κτηνοτροφικά απόβλητα, απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων κ.λπ.) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Η ενέργεια που είναι δεσμευμένη στις φυτικές ουσίες προέρχεται από τον ήλιο. Με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα. Οι ζωικοί οργανισμοί προσλαμβάνουν αυτή την ενέργεια με την τροφή τους και αποθηκεύουν ένα μέρος της. Αυτή την ενέργεια αποδίδει τελικά η βιομάζα μετά την επεξεργασία και τη χρήση της, ενώ αποτελεί ανανεώσιμη πηγή ενέργειας γιατί στην πραγματικότητα είναι αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια που δεσμεύτηκε από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση [7]. Η βιομάζα είναι η πιο παλιά και διαδεδομένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Όλα τα παραπάνω υλικά, που άμεσα ή έμμεσα προέρχονται από το φυτικό κόσμο αλλά και τα υγρά απόβλητα και το μεγαλύτερο μέρος από τα αστικά απορρίμματα (υπολείμματα τροφών, χαρτί κ.ά.) των πόλεων και των βιομηχανιών μπορούν να μετατραπούν σε ενέργεια. Η ενέργεια της βιομάζας (βιοενέργεια ή πράσινη ενέργεια) είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια μετασχηματίζεται από τα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης. Οι βασικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται είναι το νερό και ο 11

26 άνθρακας τα οποία βρίσκονται άφθονα στη φύση. Όπως έχει αναφερθεί η βιομάζα είναι ανανεώσιμη καθώς απαιτείται μία σύντομη περίοδος για να αναπληρωθεί ότι χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Για τις διάφορες τελικές χρήσεις της βιομάζας υιοθετούνται διαφορετικοί όροι, όπως "βιοισχύς" ο οποίος περιγράφει τα συστήματα που χρησιμοποιούν πρώτες ύλες βιομάζας αντί των ορυκτών καυσίμων (φυσικό αέριο, άνθρακα) για ηλεκτροπαραγωγή, ή όπως "βιοκαύσιμα" ο οποίος αναφέρεται κυρίως στα υγρά καύσιμα μεταφορών που υποκαθιστούν πετρελαϊκά προϊόντα όπως βενζίνη ή ντίζελ. Βασικό πλεονέκτημα της βιομάζας είναι ότι είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και ότι παρέχει ενέργεια αποθηκευμένη με χημική μορφή. Η αξιοποίηση της μπορεί να γίνει με μετατροπή της σε μεγάλη ποικιλία προϊόντων με διάφορες μεθόδους και τη χρήση σχετικά απλής τεχνολογίας. Σαν πλεονέκτημά της καταγράφεται και το ότι κατά την παραγωγή και τη μετατροπή της, δεν δημιουργούνται οικολογικά και περιβαλλοντολογικά προβλήματα. Από την άλλη, σαν μορφή ενέργειας η βιομάζα χαρακτηρίζεται από πολυμορφία, χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο, σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, λόγω χαμηλής πυκνότητας και υψηλής περιεκτικότητας σε νερό, εποχικότητα, μεγάλη διασπορά, κλπ. Τα χαρακτηριστικά αυτά συνεπάγονται πρόσθετες, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, δυσκολίες στη συλλογή, μεταφορά και αποθήκευσή της. Σαν συνέπεια το κόστος μετατροπής της σε πιο εύχρηστες μορφές ενέργειας παραμένει υψηλό. - Ενέργεια θαλασσίων κυμάτων-παλιρροιών Οι ωκεανοί, οι οποίοι καλύπτουν το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη, αποτελούν μια τεράστια αποθήκη ενέργειας. Υπάρχουν τρεις τρόποι για να εκμεταλλευτούμε την ενέργεια των ωκεανών [9] οι οποίοι παρουσιάζονται στη συνέχεια. Ενέργεια Κυμάτων Τα κύματα περικλείουν τεράστια ποσά ενέργειας τα οποία προς το παρόν παραμένουν ανεκμετάλλευτα. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα για την πρακτική αξιοποίηση της ενέργειας αυτής είναι ο ακανόνιστος και τυχαίος χαρακτήρας τους. Στη Χαβάη πάντως (οι ακτές της οποίας χαρακτηρίζονται από ένα σχετικά σταθερό κυματισμό), λειτουργεί ήδη ο πρώτος σταθμός ισχύος 20 MW. 12

27 Παλιρροϊκή ενέργεια Τα εισερχόμενα νερά της παλίρροιας στην ακτή κατά την πλημμυρίδα μπορούν να παγιδευτούν σε φράγματα, οπότε κατά την άμπωτη τα αποθηκευμένα νερά ελευθερώνονται και κινούν έναν υδροστρόβιλο κατά τον ίδιο τρόπο που συμβαίνει και στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Ο πρώτος παλιρροϊκός σταθμός κατασκευάστηκε στην πόλη La Rance της Γαλλίας με μέση ετήσια ισχύ 500 MW. Θερμική Ενέργεια Ωκεανών Η θερμοκρασία της θάλασσας μεταβάλλεται σε σχέση με το βάθος. Για παράδειγμα η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ επιφάνειας και βάθους ως 600 m μπορεί να φτάσει και τους 20 βαθμούς Κελσίου. Η διαφορά αυτή θερμοκρασίας μπορεί να αποτελέσει μια εκμεταλλεύσιμη μορφή ενέργειας. 13

28 14

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 2.1 Εισαγωγή Η κλασσική δομή των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) περιλαμβάνει μεγάλους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που τροφοδοτούν την ισχύ τους σε απομακρυσμένα κέντρα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των ηλεκτρικών δικτύων. Για πολλούς λόγους όμως, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια βαθμιαία αλλαγή αυτής της δομής. Η εγκατάσταση κατανεμημένων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέχρι μερικών δεκάδων ΜW στο δίκτυο μέσης τάσης έχει γίνει πια μια αποδεκτή πραγματικότητα. Η νέα επιδίωξη αφορά την εγκατάσταση όλο και μικρότερων μονάδων παραγωγής, όσο το δυνατόν πλησιέστερα στα φορτία στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, με βάση τις διαθέσιμες τοπικές πηγές πρωτογενούς ενέργειας. Αυτή η διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης επιδιώκεται και αναμένεται να αυξηθεί δραματικά την επόμενη δεκαετία για διάφορους λόγους με πιο σημαντικούς: Την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με μεθόδους φιλικές στο περιβάλλον ώστε να μειωθεί η εκπομπή του διοξειδίου του άνθρακα, που εκπέμπουν οι παραδοσιακές μονάδες που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα, όπως ο λιγνίτης ή το πετρέλαιο. Τη διεύρυνση της ποικιλίας των χρησιμοποιούμενων πρώτων υλών στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που είναι απαραίτητη για οικονομικούς λόγους (περιορισμός των εισαγόμενων καυσίμων) αλλά και λόγω του περιορισμένου χρόνου που αναμένεται να υπάρχει επάρκεια των συμβατικών καυσίμων. Την αλματώδη ανάπτυξη νέων τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως οι ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, καθώς και των μονάδων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας και των κυψελών καυσίμου. Την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας που επιτρέπει στους ανεξάρτητους παραγωγούς να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο και δίνει κίνητρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. 15

30 Τη συνεχή αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας που δημιουργεί την ανάγκη κατασκευής νέων γραμμών μεταφοράς, που πέρα από το μεγάλο οικονομικό κόστος είναι αβέβαιη η κατασκευή τους λόγω των κοινωνικών αντιδράσεων, με αποτέλεσμα να περιορίζεται η ευστάθεια των ΣΗΕ και να καθίσταται επισφαλής η τροφοδότηση των φορτίων. Τα σύγχρονα φορτία (συστήματα ελέγχου, υπολογιστές, επικοινωνίες) απαιτούν αδιάλειπτη παροχή ισχύος και τάση απαλλαγμένη από οποιαδήποτε ανωμαλία. Τα σημερινά ΣΗΕ αδυνατούν να ανταποκριθούν σε αυτές τις απαιτήσεις λόγω των μεγάλων αποστάσεων μεταξύ παραγωγής και φορτίου. 2.2 Δομή του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Κύριο χαρακτηριστικό του Ελληνικού συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι η συγκέντρωση της πλειονότητας των σταθμών παραγωγής στο βόρειο τμήμα της χώρας, σε αντίθεση με το κύριο κέντρο κατανάλωσης που βρίσκεται στο νότιο γεωγραφικό τμήμα της. Τη σπονδυλική στήλη του Διασυνδεδεμένου Συστήματος Μεταφοράς αποτελούν οι τρεις γραμμές διπλού κυκλώματος των 400 kv, που μεταφέρουν ηλεκτρισμό, κυρίως από το σπουδαιότερο για την χώρα μας ενεργειακό κέντρο παραγωγής της Δυτικής Μακεδονίας. Στην περιοχή αυτή, παράγεται περίπου το 70% της συνολικής ηλεκτροπαραγωγής της χώρας και στη συνέχεια μεταφέρεται στα μεγάλα κέντρα κατανάλωσης της Κεντρικής και Νότιας Ελλάδας, που καταναλώνεται περίπου το 65% της ηλεκτρικής ενέργειας. Το Διασυνδεδεμένο Σύστημα Μεταφοράς διαθέτει επιπλέον γραμμές των 400 kv καθώς επίσης εναέριες, υπόγειες γραμμές και υποβρύχια καλώδια των 150 kv που συνδέουν την Άνδρο και τα νησιά της Δυτικής Ελλάδας, Κέρκυρα, Λευκάδα, Κεφαλονιά και Ζάκυνθο με το διασυνδεδεμένο σύστημα μεταφοράς, καθώς και μία υποβρύχια διασύνδεση της Κέρκυρας με την Ηγουμενίτσα στα 66 kv. Την 31η Δεκεμβρίου 2013 το Διασυνδεδεμένο Σύστημα Μεταφοράς αποτελούνταν από χλμ. γραμμών μεταφοράς [13]. Το γεγονός αυτό οδηγεί στην ανάγκη μεταφοράς μεγάλων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας κατά το γεωγραφικό άξονα βορρά- νότου, με άμεση συνέπεια την εμφάνιση δυσκολιών στη διατήρηση ικανοποιητικών επιπέδων τάσεως στο Νότιο Σύστημα, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις μειωμένης διαθεσιμότητας παραγωγής στο Νότο ή μεγάλων διαταραχών τις ώρες υψηλού φορτίου. 16

31 Για την αντιμετώπιση αυτής της εγγενούς αδυναμίας του Ελληνικού Ενεργειακού Συστήματος, απαιτείται η ενίσχυση των δικτύων μεταφοράς και διανομής καθώς και η διάθεση κεφαλαίων για τη δημιουργία νέων κεντρικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το Ελληνικό Ηλεκτρικό Σύστημα στηρίζεται κατά κύριο λόγο στην εκμετάλλευση των εγχώριων πηγών ενέργειας, η ηλεκτρική ζήτηση στο διασυνδεδεμένο σύστημα της ηπειρωτικής χώρας εξυπηρετείται κυρίως από λιγνιτικούς σταθμούς, ενώ στα συστήματα των νησιών από αυτόνομες πετρελαϊκές μονάδες, λόγω του υψηλού κόστους της διασύνδεσής τους με το ηπειρωτικό ηλεκτρικό δίκτυο. Από την άλλη πλευρά, η σταδιακή εξάντληση των διαθέσιμων κοιτασμάτων καυσίμων σε συνδυασμό με την επιβάρυνση του φυσικού περιβάλλοντος από τα παραπροϊόντα της καύσης αυτών, αναδεικνύει την ένταξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στον τομέα της ηλεκτροπαραγωγής, ως μια ιδιαίτερα ελκυστική λύση για την ενίσχυση των παραδοσιακά δομημένων ηλεκτρικών συστημάτων, όπως αυτό της Ελλάδας. Στη συνέχεια, θα διερευνηθούν οι τρόποι με τους οποίους οι ΑΠΕ δύνανται να συμβάλουν στην ενίσχυση των παραδοσιακών συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας [14]. 2.3 Κεντρικοποιημένη και Αποκεντρωμένη (Κατανεμημένη) Παραγωγή Οι όροι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη δομή ενός ηλεκτρικού συστήματος είναι η κεντρικοποιημένη και η αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι όροι αυτοί προσδιορίζουν πρώτα από όλα τη γεωγραφική θέση των ηλεκτροπαραγωγών μονάδων σε σχέση με τα σημεία ζήτησης-κατανάλωσης, αλλά επίσης είναι και ενδεικτικοί του μεγέθους των μονάδων. Συγκεκριμένα, ο όρος κεντρικοποιημένη παραγωγή (Centralized Power Generation) περιγράφει τις περιπτώσεις μεγάλων κεντρικών ηλεκτροπαραγωγών σταθμών (με εγκατεστημένη ισχύ μεγαλύτερη των 50MW συνήθως), οι οποίοι συνήθως εγκαθίστανται μακριά από τις αστικές περιοχές για περιβαλλοντικούς κυρίως λόγους. Σε αυτές τις περιπτώσεις η μεταφορά της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στα σημεία κατανάλωσης πραγματοποιείται μέσω του δικτύου μεταφοράς (400kV και 150kV). Αντίθετα, στην αποκεντρωμένη παραγωγή (Decentralized - Distributed Power Generation), οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονται πλησίον των θέσεων ζήτησης και αποσκοπούν στην τοπική εξυπηρέτηση των φορτίων. Οι μονάδες αυτές είναι συνήθως μικρότερες του 1MW και συνδέονται σε δίκτυα μέσης τάσης ή ακόμα και χαμηλής τάσης αν η ισχύς τους είναι μικρότερη των 100kW. Τέλος, οι 17

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

33 ιδιαίτερα σε χώρες όπου οι γεωγραφικές και κλιματολογικές συνθήκες το ευνοούν. Σημειώνεται ότι, σε ορισμένες περιπτώσεις, η δυνατότητα τοπικής κάλυψης του φορτίου ή ενός μέρους αυτού από αποκεντρωμένες μονάδες παραγωγής, με τη χρησιμοποίηση ΑΠΕ, επιτρέπει στις επιχειρήσεις διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να αντιμετωπίσουν τις αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις με μικρό κόστος. Αυτός ο τρόπος εξυπηρέτησης τοπικών φορτίων αποτελεί και τη βασική φιλοσοφία πάνω στην οποία έχουν δομηθεί νεοεμφανιζόμενα ηλεκτρικά συστήματα, τα οποία ονομάζονται μικροδίκτυα (Micro-Grids). Τα μικροδίκτυα είναι συστήματα διανομής μέσης ή χαμηλής τάσης στα οποία είναι διασυνδεδεμένες μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, φορτία, καθώς επίσης και διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας. Χαρακτηριστική ιδιότητα των μικροδικτύων αποτελεί η ικανότητά τους να λειτουργούν τόσο σε συνδυασμό με πιθανόν προϋπάρχον δίκτυο μέσης ή χαμηλής τάσης όσο και αυτόνομα. Στο σχήμα 2.1 παρουσιάζονται οι προαναφερθέντες τρόποι ενίσχυσης ενός παραδοσιακά δομημένου ηλεκτρικού συστήματος, με τη διασύνδεση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τόσο με κεντρικοποιημένη όσο και με αποκεντρωμένη μορφή [14]. Σχήμα 2.1: Τρόποι διασύνδεσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε ένα παραδοσιακά δομημένο ηλεκτρικό σύστημα. 19

34 2.4 Ορισμός και βασικά χαρακτηριστικά μικροδικτύου Η παροχή βοηθητικών υπηρεσιών (ancillary services) στο δίκτυο μπορεί να επιτευχθεί μέσω του ελέγχου των ηλεκτρονικών μετατροπέων με τους οποίους συνδέεται η πλειοψηφία των κατανεμημένων παραγωγών στο δίκτυο. Αυτές οι ελεγχόμενες κατανεμημένες μικρές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας (<100kW) που συνδέονται σε κλάδους του δικτύου χαμηλής τάσης με σκοπό την τροφοδοσία του τοπικού φορτίου, μαζί με συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και ελεγχόμενα φορτία διαμορφώνουν μια νέα δομή συστήματος, το μικροδίκτυο. Το μικροδίκτυο είναι ουσιαστικά μια μικρογραφία ενός μεγάλου διασυνδεδεμένου δικτύου και αντιμετωπίζεται σα μια μονάδα που αποδίδει ισχύ όταν απαιτείται, αλλά μπορεί και να μεταβαίνει σε αυτόνομη λειτουργία όταν χρειαστεί. Αξίζει να σημειωθεί πως εκτός από την αυξημένη αξιοπιστία και ποιότητα ισχύος, η αυτόνομη λειτουργία συνεπάγεται και αύξηση της διάρκειας παραγωγής των μονάδων οι οποίες σε διαφορετική περίπτωση θα έπρεπε να αποσυνδεθούν. Επιπλέον, η ανάπτυξη δομών μικροδικτύου είναι προϋπόθεση για να γίνει δυνατή η διείσδυση μεγάλου ποσοστού ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη διανομή [15]. Η συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας το 1997 στην Ευρωπαϊκή 'Ένωση των 15 χωρών (ΕΕ 15) ήταν 13.9% και από αυτήν το 90% ήταν υδροηλεκτρική ενέργεια. Με την Ευρωπαϊκή οδηγία του 2001 ετέθη ως στόχος το ποσοστό αυτό να φτάσει το 21% το 2010 στην ΕΕ27. Όμως το 2005 η συνολική παραχθείσα ενέργεια από ΑΠΕ έφτασε μόλις το 15%, παρά τα μέτρα ανάπτυξης των ΑΠΕ, που αύξησαν την εγκατεστημένη ισχύ των ανεμογεννητριών κατά 150% και της βιομάζας κατά 23%. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των ΑΠΕ περιλαμβάνει μεγάλες μονάδες εγκατεστημένες στην υψηλή και μέση τάση, ενώ για να υπάρξει μια νέα δυναμική ανάπτυξη των ΑΠΕ και να προσεγγιστεί έστω ο στόχος που ετέθη, πρέπει να υπάρξει ευρεία ανάπτυξή τους και με μικρές μονάδες σε κλίμακα οικίας, συνδεδεμένες στη χαμηλή τάση της διανομής. Όπως αναφέρθηκε, αυτή η μεγάλη διείσδυση επιβάλλεται και από άλλους λόγους, όπως: Η απαίτηση των σύγχρονων φορτίων για αδιάλειπτη παροχή ισχύος και τάση απαλλαγμένη από οποιαδήποτε ανωμαλία. Ο περιορισμός της κατασκευής νέων γραμμών μεταφοράς και η μείωση των απωλειών δικτύου 20

35 Η μείωση των κατασκευών νέων συμβατικών μονάδων παραγωγής και η οικονομική λειτουργία του συστήματος, αφού με την τοπική κάλυψη της μεταβαλλόμενης πραγματικής και άεργου ισχύος των φορτίων αποφεύγεται η ένταξη δαπανηρών κεντρικών μονάδων στο σύστημα [15]. Οι πηγές που αναμένεται να συνδεθούν στο δίκτυο Χ.Τ. είναι: Μικρές ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά ή άλλες ανανεώσιμες πηγές ανάλογα με τις κατά τόπους διαθέσιμες πρωτογενείς πηγές ενέργειας (γεωθερμία, βιομάζα κα). Μικροτουρμπίνες. Κυψέλες καυσίμου. Η απομονωμένη λειτουργία του μικροδικτύου προϋποθέτει την ύπαρξη στο σύστημα πηγών με ελεγχόμενη παραγωγή. Φυσικά, η παροχή ισχύος από τις ανανεώσιμες πηγές δεν μπορεί να είναι συνεχώς διαθέσιμη και μάλιστα εδώ δεν υφίσταται εξομάλυνση στη διαθεσιμότητα λόγω γεωγραφικής διασποράς, αφού όλες οι πηγές εντοπίζονται στην ίδια περιοχή της γραμμής Χ.Τ. όπου συνδέονται. Αναμένονται λοιπόν απότομες μεταβολές στην ισχύ που παρέχεται από τις μονάδες αυτές. Οι υπόλοιπες πηγές, από τις οποίες μπορεί να εξασφαλιστεί μια συνέχεια στην παραγωγή, έχουν αργή αντίδραση σε μεταβολές του συστήματος π.χ. κύτταρα καυσίμου. Συνεπώς αν πρόκειται το μικροδίκτυο να λειτουργεί σε απομονωμένη λειτουργία με τα οφέλη που προσφέρει, θα συμμετέχουν απαραίτητα και πηγές συσσώρευσης ενέργειας. Οι πηγές αυτές παρέχουν ισχύ σε περιπτώσεις διαταραχών υποστηρίζοντας το σύστημα και διατηρώντας έτσι, την ποιότητα ισχύος στα απαιτούμενα επίπεδα. Πηγές συσσώρευσης ενέργειας που χρησιμοποιούνται μπορεί να είναι: μπαταρίες, σφόνδυλοι με υπεραγώγιμη δράση, υπερπυκνωτές και υπεραγώγιμα πηνία (SMES) [15]. Όπως ήδη γνωρίζουμε, οι μικροπηγές συνδέονται στο δίκτυο Χ.Τ. μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Αυτό είναι απαραίτητο για να υπάρχει μεγαλύτερη ευελιξία στον έλεγχό τους, αφού η παρεμβολή του μετατροπέα αποσυμπλέκει τον έλεγχο της πρωτογενούς πηγής ισχύος από αυτόν του δικτύου. Όμως, τις περισσότερες φορές η σύνδεση μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων είναι επιβεβλημένη, καθώς είναι αδύνατη η απευθείας σύνδεση των πηγών με το δίκτυο. Για παράδειγμα, οι μπαταρίες, τα φωτοβολταϊκά και οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ισχύ σε Σ.Ρ. (DC), ενώ οι μικροτουρμπίνες και οι σφόνδυλοι σε Ε.Ρ. (AC) με πολύ 21

36 υψηλή και μεταβλητή συχνότητα αντίστοιχα. Ουσιαστικά ο έλεγχος των αντιστροφέων καθορίζει την παροχή ενεργού και άεργου ισχύος από τις μικροπηγές στο σύστημα. Αναλαμβάνει να προσαρμόσει τα χαρακτηριστικά παραγωγής ισχύος της κάθε μικροπηγής στις ανάγκες του συστήματος και ταυτόχρονα τη ρύθμιση της τάσης στο μικροδίκτυο. Αποκτά λοιπόν, πρωτεύουσα σημασία για την σύνδεση των μικροπηγών στο δίκτυο και το σχηματισμό του μικροδικτύου [15]. Η χρήση των αντιστροφέων για σύνδεση των μονάδων στο δίκτυο, διαφοροποιεί την αυτόνομη λειτουργία του μικροδικτύου σε σχέση με ένα διασυνδεδεμένο σύστημα ή με ένα απομονωμένο σύστημα ισχύος στο οποίο συμμετέχουν μονάδες όπως γεννήτριες ντίζελ, υδροστρόβιλοι και ανεμογεννήτριες. Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας βασίζουν την ευσταθή λειτουργία τους στις στρεφόμενες μάζες των μηχανών που συνδέονται απευθείας στο δίκτυο. Στην περίπτωση του μικροδικτύου, όλες σχεδόν οι πηγές συνδέονται μέσω αντιστροφέων και έτσι το σύστημα δε διαθέτει την απαραίτητη αδράνεια που εξασφαλίζουν οι στρεφόμενες μηχανές μέσω της αποθηκευμένης κινητικής ενέργειας. Ακόμα και αν οι μικροπηγές βασίζουν τη λειτουργία τους στην ηλεκτρομηχανική μετατροπή, η στρεφόμενη μηχανή είναι απομονωμένη από το δίκτυο με την παρεμβολή του αντιστροφέα (π.χ. ανεμογεννήτρια με γεννήτρια διπλής τροφοδότησης). Εναπόκειται στον έλεγχο των αντιστροφέων που συνδέουν στο δίκτυο διατάξεις συσσώρευσης ενέργειας και πηγές με ελεγχόμενη παραγωγή ισχύος, να υποκαταστήσει την ευσταθή απόκριση που έχει ένα διασυνδεδεμένο σύστημα με στρεφόμενες μηχανές. Εκτός από τον έλεγχο των αντιστροφέων των μικροπηγών, ελεγκτές μπορεί να τοποθετηθούν και σε μέρος των φορτίων του μικροδικτύου. Οι ελεγκτές αυτοί μπορεί να πραγματοποιούν απόρριψη και εισαγωγή φορτίων ανάλογα με την κρισιμότητά τους, ώστε να διατηρείται η επιθυμητή ισορροπία παραγωγής - κατανάλωσης στο σύστημα [15]. Προκειμένου να επιτευχθούν τα προσδοκώμενα αποτελέσματα εξοικονόμησης ενέργειας, προβλέπονται δύο ακόμα επίπεδα ελέγχου του μικροδικτύου πέρα από τον τοπικό έλεγχο των μικροπηγών (MC- Microgeneration Control) και των φορτίων (LC-Load Control). Σε αμέσως επόμενο επίπεδο ενεργεί ο κεντρικός ελεγκτής του μικροδικτύου (MGCC- Microgrid central controller). Ο κεντρικός αυτός ελεγκτής θα έχει τη γενική εποπτεία του μικροδικτύου και θα μπορεί να εντολοδοτεί τους τοπικούς ελεγκτές των μικροπηγών σχετικά με την παραγωγή τους αλλά και να λαμβάνει από αυτούς πληροφορίες σχετικά με την τρέχουσα κατάσταση παραγωγής τους, με στόχο τη βελτιστοποίηση και το σχεδιασμό της παραγωγής. Κατά την 22

37 απομονωμένη λειτουργία, ο έλεγχος του κεντρικού ελεγκτή του μικροδικτύου αποκτά το χαρακτήρα της βελτιστοποίησης και του σχεδιασμού της παραγωγής που επιτελείται σε ένα διασυνδεδεμένο σύστημα. Τέλος, κατά τη συνδεδεμένη λειτουργία με το υπερκείμενο δίκτυο Μ.Τ., ο έλεγχος από τον κεντρικό ελεγκτή θα γίνεται σε συντονισμό με το σύστημα διαχείρισης του δικτύου διανομής (DMS- Distribution Management system) που θα αποτελεί το τελευταίο επίπεδο ελέγχου και η οποιαδήποτε βελτιστοποίηση της παραγωγής στο μικροδίκτυο θα εξαρτάται από τις εκάστοτε συνθήκες στο δίκτυο διανομής [15]. 2.5 Βασικές μονάδες παραγωγής μικροδικτύων Η τροφοδοτούμενη ενέργεια από τον ήλιο είναι πράγματι τεράστια. Κατά μέσο όρο, δεδομένου ότι η επιφάνεια της γης λαμβάνει περίπου τα 1,2 x W από την ισχύ του ήλιου. Αυτό σημαίνει ότι σε λιγότερο από μια ώρα αρκετή ενέργεια τροφοδοτείται προς τη γη για να ικανοποιήσει την ολική ενέργεια που απαιτείται από τον ανθρώπινο πληθυσμό κατά τη διάρκεια όλου του έτους. Πράγματι η ενέργεια αυτή των ηλιακών ακτινών αφομοιώνεται από τους βιολογικούς οργανισμούς εδώ και εκατομμύρια χρόνια έχοντας καταστήσει δυνατή τη βιομηχανική ανάπτυξη, όπως τη βλέπουμε σήμερα. Οι περισσότερες από τις άλλες ανανεώσιμες πηγές ισχύος εξαρτώνται επίσης από τον ήλιο, που αποτελεί γι' αυτές πρωταρχική πηγή. Ο υδροηλεκτρισμός, η ισχύς του αέρα και των κυμάτων, όλα έχουν την ίδια προέλευση (σχήμα 2.2) [16]. Σχήμα 2.2: Ενεργειακό ισοζύγιο της Γης. 23

38 2.5.1 Φωτοβολταϊκά Εισαγωγή Τα φωτοβολταϊκά αποτελούν ένα από τα πιο γνωστά μέσα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Τα κύρια συστατικά των φωτοβολταϊκών γεννητριών και η καρδιά κάθε φωτοβολταϊκού συστήματος μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια, είναι τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ή ηλιακά κύτταρα ή κυψελίδες. Το φαινόμενο στο οποίο στηρίζεται η λειτουργία τους ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Το φαινόμενο αυτό περιληπτικά αφορά την απορρόφηση της ενεργείας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του Φ/Β στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος [6]. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο πεδίο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο. Αναλυτικά, τα ηλιακά κύτταρα είναι δίοδοι ημιαγωγών σε μορφή δίσκου, που καθώς δέχονται στην επιφάνεια τους την ηλιακή ακτινοβολία εκδηλώνουν μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην εμπρός και την πίσω όψη τους. Ο ρόλος που παίζει η ηλιακή ακτινοβολία στην λειτουργία του φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι φανερός. Επίσης μεγάλο ρόλο, αφενός στην λειτουργία και αφετέρου στην απόδοση του κυττάρου, παίζει το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο το ίδιο το κύτταρο. Ορίζουμε ως απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου το λόγο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το στοιχείο, προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται στην επιφάνεια του. Τα Φ/Β στοιχεία από τεχνολογικής άποψης μπορούν να χωριστούν σε δύο βασικές κατηγορίες [7]: Α. Κρυσταλλικού πυριτίου Μονοκρυσταλλικού πυριτίου με ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21%. Πολυκρυσταλλικού πυριτίου με ονομαστικές αποδόσεις από 13% έως 14,5%. 24

39 Β. Λεπτών μεμβρανών Άμορφου πυριτίου, ονομαστικής απόδοσης 7%. Χαλκοπυριτών CIS / CIGS ονομαστικής απόδοσης από 7% έως και 11%. Οι κρύσταλλοι και η μορφή λεπτής μεμβράνης(thin film) διαφέρουν μεταξύ τους όσον αφορά την απόδοση απορρόφησης του φωτός, την απόδοση μετατροπής της μιας μορφής ενέργειας στην άλλη, την τεχνολογία κατασκευής και το κόστος τους. Όσον αφορά τις μορφές του κρυσταλλικού πυριτίου, το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζει μεγαλύτερη απόδοση ενώ το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο διατίθεται σε μικρότερο κόστος. Κατά βάση στην παγκόσμια παραγωγή φωτοβολταϊκών χρησιμοποιείται το πυρίτιο, του οποίου το ποσοστό χρήσης ανέρχεται στο 90%. Η υπεροχή του έναντι των υπόλοιπων υλικών οφείλεται αρχικά στην τεράστια παγκόσμια τεχνική και επιστημονική υποδομή για το υλικό αυτό, στα χαρακτηριστικά του, καθώς και στην αφθονία με την οποία συναντάται αυτό το υλικό στη γη. Η συνεχής αύξηση της παραγωγής ημιαγωγικών υλικών και η βελτίωση της τεχνολογίας του πυριτίου οδηγεί στην αύξηση της απόδοσης των Φ/Β στοιχείων, που πλησιάζει τη μέγιστη θεωρητική τιμή ενώ παράλληλα έχουμε τη μείωση στο κόστος τους. Παρακάτω παρατίθεται ένα πινακάκι με τους τύπους των Φ/Β στοιχείων και τις αποδόσεις τους. Οι αποδόσεις που δίνονται δεν απευθύνονται στα ηλιακά κύτταρα, αλλά στα Φ/Β πάνελ των οποίων η έννοια θα οριστεί στη συνέχεια. Πίνακας 2.1: Τύποι Φ/Β πάνελ και οι αποδόσεις τους [7]. 25

40 Ένα σύνολο φωτοβολταϊκών στοιχείων που είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα μεταξύ τους, χαρακτηρίζεται με τον όρο φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Το Φ/Β πλαίσιο(photovoltaic module) αποτελεί τη βασική δομική μονάδα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Ένα η περισσότερα πλαίσια που έχουν προκατασκευαστεί και συναρμολογηθεί σε ενιαία κατασκευή έτοιμα για να εγκατασταθούν ονομάζονται φωτοβολταϊκό πάνελ. Φ/Β συστοιχία(pv array) ονομάζεται μια ομάδα από φωτοβολταϊκά πλαίσια ή πάνελ με ηλεκτρική αλληλοσύνδεση που βρίσκονται συνήθως τοποθετημένα σε κοινή κατασκευή στήριξης. Με τον όρο Φ/Β γεννήτρια(pv generator) χαρακτηρίζουμε το τμήμα μια εγκατάστασης που περιέχει Φ/Β στοιχεία και παράγει συνεχές ρεύμα. Το επιθυμητό ρεύμα και η επιθυμητή τάση μπορούν να επιτευχθούν με τη κατάλληλη σύνδεση των Φ/Β πλαισίων σε σειρά και παράλληλα και σε συνδυασμούς αυτών. Σχήμα 2.3 Δομή Φ/Β στοιχείων [21]. Η χρήση των φωτοβολταϊκών γίνεται όλο και πιο διαδεδομένη σε όλο τον κόσμο και καταλαμβάνουν όλο και μεγαλύτερο μερίδιο στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το κύριο μειονέκτημα μέχρι και πριν μερικά χρόνια ήταν το σχετικά υψηλό κόστος αγοράς και η έλλειψη επιδοτήσεων. Το κλίμα αυτό όμως τώρα αλλάζει ριζικά. Πάρα πολλές χώρες έχουν ξεκινήσει τα τελευταία χρόνια σημαντικά προγράμματα ενίσχυσης των Φ/Β, με υψηλές επιδοτήσεις της αγοράς και εγκατάστασης Φ/Β αλλά και της παραγόμενης ηλιακής KWh. Στο σχήμα 2.4 βλέπουμε την πρόβλεψη του Ευρωπαϊκού συνδέσμου βιομηχανίας Φωτοβολταϊκών(EPIA) για την παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύ Φωτοβολταϊκών τα επόμενα χρόνια. 26

41 Σχήμα 2.4: Πρόβλεψη παγκόσμιας εγκατεστημένης ισχύος μέχρι το 2018 από τον EPIA [17]. Παρατηρούμε ότι η εγκατεστημένη ισχύς το 2013 είναι σχεδόν εξαπλάσια αυτής του 2009, και σύμφωνα με την πρόβλεψη αναμένεται σχεδόν να τετραπλασιαστεί στα 420GW μέχρι το Γίνεται λοιπόν κατανοητό ότι τα φωτοβολταϊκά παίζουν όλο και πιο σημαντικό ρόλο στην παραγωγή ενέργειας παγκοσμίως και ότι παρουσιάζουν σχεδόν εκθετικό ρυθμό ανάπτυξης. Και στην Ελλάδα έχουν πραγματοποιηθεί σημαντικά βήματα υπέρ της ενίσχυσης της παραγωγής από τα Φωτοβολταϊκά. Κυριότερος εκφραστής αυτής της προσπάθειας είναι το «πρόγραμμα φωτοβολταϊκά σε στέγες», που χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση, και είχε στόχο την αξιοποίηση της άφθονης ηλιακής ενέργειας της Ελλάδας. Με το πρόγραμμα αυτό δινόταν η δυνατότητα στους καταναλωτές να τοποθετούν φωτοβολταϊκά στο ακίνητο τους και να πωλούν την παραγόμενη ενέργεια στην ΔΕΗ, ενώ ταυτόχρονα δεν χρειάζεται να πληρώνουν το ρεύμα που καταναλώνουν. Η τοποθέτηση των Φ/Β είναι μια επένδυση για το μέλλον γιατί εξασφαλίζει κέρδη στον κάτοχο του φωτοβολταϊκού συστήματος για χρόνια, τα οποία εξαρτώνται από το μέγεθος της εγκατάστασης. Παρακάτω στο πίνακα 2.2 δίνονται οι τιμές στις οποίες η ΔΕΗ, από το 2012 μέχρι και το 2018, αγοράζει την παραγόμενη από τα Φωτοβολταϊκά κιλοβατώρα [18]. 27

42 Έτος/μήνας Τιμή κιλοβατώρας (ευρώ) 2012 Αύγουστος Φεβρουάριος Αύγουστος Φεβρουάριος Αύγουστος Φεβρουάριος Αύγουστος Φεβρουάριος Αύγουστος Φεβρουάριος Αύγουστος Φεβρουάριος Αύγουστος Πίνακας 2.2: Τιμές αγοράς της κιλοβατώρας από την ΔΕΗ μέχρι το 2019 [18]. Παρ όλες τις προσαρμογές που πρόκειται να γίνουν στην τιμή της παραγόμενης από τα φωτοβολταϊκά κιλοβατώρας, η τιμή παραμένει αρκετά μεγαλύτερη σε σχέση με την τιμή της κιλοβατώρας που χρεώνει η ΔΕΗ. Αυτό ευνοεί τους απλούς καταναλωτές να συμμετάσχουν στο πρόγραμμα και συμβάλλει στην ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής παραγωγής στην χώρα μας. 28

43 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα φωτοβολταϊκών Όπως διαπιστώσαμε τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό τα φωτοβολταϊκά κατέχουν εξέχοντα ρόλο στην παραγωγή ενέργειας και αυτό οφείλεται στο ότι τα πλεονεκτήματα των Φωτοβολταϊκών είναι πολλά και σημαντικά. Παρακάτω αναφέρονται μερικά από αυτά [6],[19]. Δεν μολύνουν το περιβάλλον, καθώς κατασκευάζονται από ανακυκλώσιμα υλικά (γυαλί, αλουμίνιο, πυρίτιο) και για αυτό είναι περιβαλλοντικά καθαρά. Δεν απαιτούν καύσιμα κατά τη λειτουργία τους και δεν παράγουν βλαβερούς για το περιβάλλον ρύπους. Έχουν μηδενικό κόστος λειτουργίας. Δεν καταναλώνουν πρώτες ύλες, καθώς χρειάζονται μόνο την ακτινοβολία του ηλίου για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Είναι ευέλικτα συστήματα καθώς τοποθετούνται σύμφωνα με τις απαιτήσεις σε ενέργεια. Σε περίπτωση που υπάρξει μεγαλύτερη ζήτηση ενέργειας, μπορούν εύκολα να προστεθούν επιπλέον Φ/Β πάνελ ώστε να αναπροσαρμοστεί το Φ/Β σύστημα σύμφωνα με τις νέες ανάγκες. Παρέχουν ενεργειακή αυτονομία καθώς μπορούν να εγκατασταθούν οπουδήποτε χωρίς να έχουν την ανάγκη της ΔΕΗ ή κάποιας άλλης εταιρίας παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Λειτουργούν χωρίς κινητά μέρη (στις περισσότερες των περιπτώσεων) και με ελάχιστη συντήρηση. Λειτουργούν και με νεφελώδη ουρανό. Διακρίνονται για την υψηλή τους αξιοπιστία και τη μεγάλη διάρκεια ζωής τους, η οποία ανέρχεται περίπου στα χρόνια. Δεν χρησιμοποιούν υγρά ή αέρια σε αντίθεση με τα θερμικά συστήματα. Κατασκευάζονται από πυρίτιο, ένα από τα πλέον εν αφθονία στοιχεία στη γη. Έχουν γρήγορη απόκριση σε μεταβολές της ακτινοβολίας Σε περίπτωση βλάβης κάποιου φωτοβολταϊκού πάνελ, το σύστημα μπορεί να λειτουργήσει κανονικά μέχρι να επιδιορθωθεί η βλάβη. Είναι πιο αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Είναι απολύτως αθόρυβα. 29

44 Τα λίγα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν τα φωτοβολταϊκά είναι τα εξής: Έχουν χαμηλή απόδοση όπως αναλύθηκε και νωρίτερα για κάθε υλικό, αν και γίνονται σημαντικές προσπάθειες για να επιτευχθούν οι καλύτερες δυνατές αποδόσεις. Το κόστος του συστήματος είναι σχετικά μεγάλο αλλά σε βάθος χρόνου είναι προσοδοφόρο. Επίσης όπως προαναφέρθηκε πλέον υπάρχουν γενναίες επιχορηγήσεις που προσφέρουν ανάσες στους καταναλωτές. Τα φωτοβολταϊκά παράγουν ενέργεια μόνο υπό το φώς του ηλίου και όχι όλο το εικοσιτετράωρο. Τέλος παρουσιάζεται η ανάγκη αποθήκευσης της αχρησιμοποίητης παραγόμενης ενέργειας λόγω ενδεχόμενου ετεροχρονισμού φορτίου και παραγωγής. Με τη χρήση συσσωρευτών προσφέρεται η δυνατότητα εκμετάλλευσης αυτής της περίσσειας ενέργειας και περιορίζεται μόνο από τη συνολική χωρητικότητα των συσσωρευτών Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά φωτοβολταϊκού στοιχείου Με όσα έχουμε δει νωρίτερα, μπορεί εύκολα να γίνει κατανοητό ότι η αποδοτική λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται στην πρακτική εκμετάλλευση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Το ηλιακό κύτταρο, αποτελεί μια δίοδο ημιαγωγού με τη μορφή δίσκου, του οποίου η ένωση p-n εκτείνεται σε όλο το πλάτος του δίσκου, που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία. Η προκαλούμενη διαφορά δυναμικού που παρουσιάζεται σύμφωνα με το φαινόμενο, στην πράξη αποτελεί μια πηγή ρεύματος που διαρκεί όσο προσπίπτει ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του ηλιακού κυττάρου. Η εκδήλωση αυτής της διαφοράς δυναμικού στις δύο όψεις του κυττάρου αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση όπως παρατηρείται σε μια δίοδο. Για να πραγματοποιηθεί μια προσέγγιση της λειτουργίας και εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μπορεί να θεωρηθεί ότι αυτό αποτελεί μια πηγή ρεύματος που ελέγχεται από μια δίοδο και περιγράφεται από το πολύ απλοποιημένο κύκλωμα που δίνεται στο σχήμα

45 Όπου Σχήμα 2.5: Ιδανικό ισοδύναμο κύκλωμα ηλιακού κυττάρου [20]. Η βασική εξίσωση του ηλιακού κυττάρου είναι η εξής: I = το ρεύμα του κυττάρου V = η τάση του κυττάρου I L = το φωτόρευμα Ι 0 = το ρεύμα κόρου της διόδου q = φορτίο του ηλεκτρονίου k = σταθερά boltzman Τα = απόλυτη θερμοκρασία qv I kt ( e 1) I L (2.1) Ωστόσο στην πράξη κανένα ηλιακό κύτταρο δεν είναι ιδανικό για αυτό τοποθετείται το μη ιδανικό τμήμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου, το οποίο περιλαμβάνει αφενός μεν την αντίσταση απωλειών της διαρροής του ρεύματος μεταξύ των άκρων του φωτοβολταϊκού στοιχείου, που είναι παράλληλα συνδεδεμένη 31

46 στα άκρα της διόδου και συμβολίζεται με R sh, αφετέρου δε την αντίσταση απωλειών στον δρόμο ροής του ρεύματος της διόδου, που αντιπροσωπεύεται με αντίσταση εν σειρά με την δίοδο και συμβολίζεται ως R s. Το νέο κύκλωμα πλέον γίνεται όπως δείχνει το σχήμα 2.6. Σχήμα 2.6: Το νέο ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου, που περιλαμβάνει τις αντιστάσεις R s και R sh [20]. Η χαρακτηριστική εξίσωση για το παραπάνω κύκλωμα είναι η εξής: q( V IRs) V IR I I L I0{exp[ ] 1} AKT R sh s (2.2) Η αντίσταση R s παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό (συνήθως τύπου-n), στην οποία προσπίπτει ο ήλιος και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγούωμικής επαφής και την ωμική επαφή. Τυπικές τιμές της R s, για καλής ποιότητας φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι 0,1 έως 0,3 Ω. Η αντίσταση R sh σχετίζεται με την διαδρομή του ρεύματος στο εσωτερικό της p-n επαφής, μεταξύ σημείων που βρίσκονται σε διαφορά δυναμικού ίση με την τάση στα άκρα της διόδου. Η τιμής της R sh, πάλι για καλής ποιότητας φωτοβολταϊκών είναι μεγαλύτερη της τάξης των KΩ. 32

47 Χαρακτηριστική φωτοβολταϊκού κυττάρου και σημαντικά μεγέθη Κάθε φωτοβολταϊκό στοιχείο αντικατοπτρίζεται με μια βασική καμπύλη τάσηςρεύματος, ή όπως ονομάζεται I-V χαρακτηριστική, που είναι η γραφική παράσταση μεταξύ ρεύματος και τάσης καθώς αυτά μεταβάλλονται. Η γραφική αυτή δίνεται στο σχήμα 2.7. Στην ίδια γραφική φαίνεται και η δεύτερη σε σημασία χαρακτηριστική ενός κυττάρου, η χαρακτηριστική P-V (ισχύος-τάσης). Σχήμα 2.7: Χαρακτηριστικές ρεύματος-τάσης και ισχύος τάσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σταθερές συνθήκες περιβάλλοντος. Σημειώνεται ότι οι παραπάνω γραφικές δίνονται σε σταθερές συνθήκες περιβάλλοντος (ακτινοβολία και θερμοκρασία), των οποίων η επίδραση θα αναλυθεί αργότερα. Επίσης ίδιας μορφής γραφική παρουσιάζει και ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, σε μεγαλύτερη κλίμακα και ανάλογα με τις χαρακτηριστικές του τιμές. Ως τελευταία σημείωση παραθέτουμε ότι οι χαρακτηριστικές του ηλιακού κυττάρου έχουν επικρατήσει να παριστάνονται στο πρώτο τεταρτημόριο. Παρατηρούμε ότι ως πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας το φωτοβολταϊκό κύτταρο παρουσιάζει μια ασυνήθιστη συμπεριφορά. Δηλαδή σε αντίθεση με τις περισσότερες κοινές πήγες οι οποίες διατηρούν σχεδόν σταθερή την τάση στην περιοχή κανονικής λειτουργίας, η τάση των φωτοβολταϊκών στοιχείων μεταβάλλεται ριζικά και μη γραμμικά συναρτήσει της έντασης του ρεύματος που δίνουν στο κύκλωμα έστω και αν η ακτινοβολία παραμένει σταθερή. 33

48 Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας και για μεταβαλλόμενες τιμές στην αντίσταση του κυκλώματος που τροφοδοτεί το ηλιακό κύτταρο, η τάση και η ένταση του ρεύματος του κυττάρου παίρνουν ενδιάμεσες τιμές ανάμεσα στις ακραίες που αντιστοιχούν σε μηδενική αντίσταση (βραχυκυκλωμένη κατάσταση με μέγιστη τιμή ρεύματος η οποία συμβολίζεται με Isc) και άπειρη αντίσταση (ανοιχτοκυκλωμένη κατάσταση μηδενικό ρεύμα και μέγιστη τάση που συμβολίζεται ως Voc). Συνεπώς ορίζουμε τα εξής βασικά μεγέθη ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου: Το ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc Είναι το ρεύμα για μηδενική τάση και αν θεωρήσουμε την αντίσταση R s πολύ μικρή, είναι ίσο με το φωτόρευμα I L. Το ρεύμα βραχυκύκλωσης πρακτικά μεταβάλλεται ανάλογα με την ηλιακή ακτινοβολία. Μεταβολές της θερμοκρασίες προκαλούν μικρές αλλαγές στο ρεύμα βραχυκύκλωσης και στην πράξη όσο μειώνεται η θερμοκρασία μειώνεται και το ρεύμα βραχυκύκλωσης [19]. Η εξάρτηση αυτή γίνεται ορατή στο σχήμα 2.6. Η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc Είναι η τάση για μηδενικό ρεύμα και αν θεωρήσουμε την R sh πολύ μεγάλη, η τιμή της δίνεται σύμφωνα με την εξίσωση (2.2) από τον τύπο [19]: V oc AKT I L ln( 1) q I (2.3) 0 Η τάση ανοικτού κυκλώματος καθορίζεται, αφενός από τα χαρακτηριστικά της επαφής p-n, όπως το βασικό υλικό, τη συγκέντρωση των προσμίξεων και τη θερμοκρασία και αφετέρου από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η V oc μεταβάλλεται λιγότερο από όσο το I sc με την αλλαγή της ακτινοβολίας. Όσον αφορά τη θερμοκρασία, όταν αυτή αυξάνεται, η τάση V oc μειώνεται και αυτό οφείλεται σε μεταβολή των χαρακτηριστικών αγωγής της διόδου. Η εξάρτηση αυτή παρατηρείται επίσης στο σχήμα

49 Σχήμα 2.8: Τυπικές I-V καμπύλες για διαφορετικές τιμές της έντασης της ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας [21]. Σημείο μέγιστης ισχύος P mp Στο σημείο αυτό αντιστοιχεί ρεύμα Ι mp και τάση V mp και είναι το σημείο στο οποίο το φωτοβολταϊκό στοιχείο αποδίδει μέγιστη ισχύ. Το σημείο μέγιστης ισχύος δίνεται από τον κατασκευαστή σε συγκεκριμένη ακτινοβολία και συγκεκριμένη θερμοκρασία. Στις ίδιες τιμές δίνονται επίσης τόσο το ρεύμα βραχυκύκλωσης όσο και η τάση ανοικτοκυκλώματος. Συνήθεις τιμές είναι 1000W/m 2 για την ηλιακή ακτινοβολία και 25 ο για την θερμοκρασία. Το P mp αλλάζει σε περίπτωση που μεταβληθούν είτε η ακτινοβολία είτε η θερμοκρασία. Στο σημείο μέγιστης ισχύος αντιστοιχεί το μεγαλύτερο ορθογώνιο (με την μεγαλύτερη επιφάνεια) που μπορούμε να κατασκευάσουμε μέσα στην I-V χαρακτηριστική. Εδώ είναι απαραίτητο να αναφερθούμε σε ένα σημαντικό μέγεθος ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου το οποίο είναι ο συντελεστής πληρώσεως FF(fill factor). Ο συντελεστής πληρώσεως ή ποιότητας όπως αλλιώς ονομάζεται, είναι ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος P mp =V mp *I mp ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου ή Φ/Β πλαισίου γενικότερα, προς το γινόμενο της τάσεως ανοικτού κυκλώματος επί το ρεύμα βραχυκύκλωσης, για τη δεδομένη πυκνότητα ισχύος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και για τη δεδομένη θερμοκρασία [19]. Αποτελεί ένα μέτρο του πόσο τετράγωνη είναι η I-V καμπύλη. Δίνεται δηλαδή από τον εξής τύπο: 35

50 FF V mp mp (2.4) oc I V I sc Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό ο FF κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 0-1 και η τιμή του εξαρτάται από το υλικό του φωτοβολταϊκού στοιχείου και τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Τυπικές τιμές του είναι μεταξύ 0,7 και 0,85. Όσο πιο κοντά στην μονάδα είναι οι τιμές του Fill factor τόσο περισσότερο πλησιάζει η λειτουργία του Φ/Β κύτταρου την ιδανική συμπεριφορά της σταθερής πηγής ρεύματος στην περιοχή τάσεων 0-V oc. Επίσης δίνεται και ο τύπος της απόδοσης στην εξίσωση 2.5 όπως έχει αυτή οριστεί νωρίτερα στην ενότητα: V I V I V I FF mp mp mp mp oc sc (2.5) Pin Pin A Pin Όπου P in είναι η ολική ισχύς της προσπίπτουσας στο ηλιακό κύτταρο ακτινοβολία. Αν αυτή δίνεται σε W/m 2 τότε πολλαπλασιάζεται με την επιφάνεια Α που είναι το εμβαδόν του κυττάρου. Ο θεωρητικά μέγιστος δυνατός βαθμός απόδοσης εξαρτάται από τις μέγιστες τιμές των I sc και V oc και FF, κυρίως όμως από τα δύο πρώτα γιατί η μέγιστη τιμή του FF εξαρτάται από το V oc όπως φαίνεται και από την εξίσωση 2.4. Οι τιμές της απόδοσης στην πράξη έως τώρα κυμαίνονται μεταξύ 12-17%. Αναφορικά, οι λόγοι που συντελούν στον περιορισμό της απόδοσης του στοιχείου σε τόσο μικρή τιμή είναι οι παρακάτω: Ανάκλαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Σκίαση από τις επαφές. Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων. Το φαινόμενο της επανασύνδεσης. Οι τιμές των αντιστάσεων R s και R sh. Θερμοκρασία (οι αρκετά χαμηλές αλλά και οι αρκετά υψηλές). 36

51 Σύνδεση φωτοβολταϊκών πλαισίων Η σύνδεση των φωτοβολταϊκών πλαισίων θα μας απασχολήσει στη συνέχεια τόσο στην ανάλυση της σύνδεσης της υπάρχουσας φωτοβολταϊκή συστοιχίας στο εργαστήριο, όσο και στην μελέτη της προσομοίωσης. Μπορούμε να διακρίνουμε τους εξής δύο τρόπους σύνδεσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων: - Σύνδεση σε σειρά των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε τρία πλαίσια ίδιου τύπου από τον ίδιο κατασκευή, με άλλα λόγια έχουν τα ίδια σημαντικά μεγέθη. Σε αυτή την περίπτωση η συνδυαστική χαρακτηριστική των τριών πλαισίων θα παρουσιάσει ίδια τιμή του ρεύματος βραχυκύκλωσης, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος θα τριπλασιαστεί. Η ισχύς που αντιστοιχεί στο σημείο μέγιστης ισχύος θα τριπλασιαστεί. - Παράλληλη σύνδεση των πλαισίων. Με την ίδια υπόθεση με πριν, σε αυτή την περίπτωση η συνολική χαρακτηριστική θα μεταβληθεί μόνο ως προς το ρεύμα βραχυκύκλωσης, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος θα παραμείνει η ίδια. Για την ακρίβεια το ρεύμα I sc θα τριπλασιαστεί. Η φωτοβολταϊκή ισχύς και σε αυτή την περίπτωση θα τριπλασιαστεί. Παρακάτω στο σχήμα 2.9 φαίνονται οι χαρακτηριστικές ενός μονού(single) πλαισίου, δύο πλαισίων σε σειρά(series) και δύο παράλληλων πλαισίων (parallel). Σχήμα 2.9: Χαρακτηριστικές φωτοβολταϊκών πλαισίων για σύνδεση σε σειρά και παράλληλα. 37

52 Απώλεια ισχύος φαινόμενο hot spot Οι αιτίες της μη προσαρμογής των χαρακτηριστικών των κυττάρων μιας συστοιχίας είτε ενυπάρχουν και οφείλονται σε κατασκευαστικούς λόγους κατά τη μαζική παραγωγή τους, είτε προκύπτουν κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Από τις τελευταίες, πρωτεύουσα θέση κατέχει η μερική ή ολική σκίαση ενός ή περισσοτέρων κυττάρων και μπορεί να οφείλεται σε σύννεφα, παρακείμενα δένδρα, κτίρια, πουλιά κλπ [19]. Άλλη αιτία είναι η θραύση ενός ή περισσοτέρων κυττάρων και μπορεί να οφείλεται σε διαφορετική διαστολή μεταξύ του κυττάρου και του υλικού πάνω στο οποίο στηρίζεται, σε χαλάζι, σε ελαττωμένη αντοχή που προέκυψε κατά τη διάρκεια της κατασκευής του ή της ενσωμάτωσής του στο πλαίσιο. Ας σημειωθεί ότι η ολική θραύση ενός κυττάρου σημαίνει από ηλεκτρική άποψη, ανοιχτό κύκλωμα. Τέλος, μια άλλη αιτία μπορεί να είναι ανοιχτοκυκλωμένες ηλεκτρικές συνδέσεις που οφείλονται σε διαφορετική θερμική διαστολή κλπ. Το φαινόμενο της σκίασης θα μας απασχολήσει στη παρούσα εργασία, γι αυτό και θα αναλυθεί στη συνέχεια και θα αποτελέσει κομμάτι της προσομοίωσης στο τέταρτο κεφάλαιο. Επίσης, είναι γνωστό ότι οι τάσεις σε σειρά προστίθενται, ενώ παράλληλα είναι ισοδύναμες με την τιμή της μικρότερης τάσης. Επιπλέον, ρεύματα παράλληλα προστίθενται, ενώ σε σειρά είναι ισοδύναμα με την τιμή του μικρότερου ρεύματος (σχήμα 2.10). Έτσι, αν δύο κύτταρα με ανόμοια χαρακτηριστικά συνδεθούν σε σειρά η συμπεριφορά τους (που απαιτεί να διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα), περιγράφεται αν αθροίσουμε τις τάσεις των δύο κυττάρων για τις διάφορες τιμές του ρεύματος. Σχήμα 2.10: Βασικός συνδυασμός, σε σειρά και παράλληλα, πηγών τάσεως και ρεύματος με διαφορετικά χαρακτηριστικά [19]. 38

53 Ισχυρές αποκλίσεις από την προσαρμογή των χαρακτηριστικών των κυττάρων μιας συστοιχίας είναι δυνατόν να προκαλέσουν απώλεια της ικανότητας παραγωγής ισχύος από τα «καλύτερα», από άποψη χαρακτηριστικών κύτταρα. Με άλλα λόγια, η μη προσαρμογή των χαρακτηριστικών των κυττάρων μιας συστοιχίας συνεπάγεται ότι η συνολική ισχύς εξόδου θα είναι μικρότερη από το άθροισμα των ισχύων των επί μέρους κυττάρων. Η απώλεια αυτή ισχύος καλείται απώλεια προσαρμογής (missmatch loss) και αποτελεί ένα φαινόμενο με μεγάλο ενδιαφέρον, ιδιαίτερα για κύτταρα συνδεδεμένα σε σειρά. Η μη προσαρμογή των χαρακτηριστικών των κυττάρων μιας συστοιχίας, εκτός από μείωση της ισχύος εξόδου, είναι δυνατόν να προκαλέσει κι ένα άλλο φαινόμενο, ιδιαίτερα σημαντικό, που καλείται φαινόμενο hot-spot. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται σε ανάστροφη πόλωση ενός ή περισσοτέρων κυττάρων και συνεπάγεται υπερθέρμανσή τους, που πολλές φορές μπορεί να είναι καταστροφική. Πιο συγκεκριμένα, το φαινόμενο hot-spot συμβαίνει όταν υπάρχει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, συνδεδεμένο σε σειρά με κάποια άλλα, που δίνει χαμηλό ρεύμα σε σχέση με τα υπόλοιπα. Δηλαδή, αν μια αλυσίδα από κύτταρα βραχυκυκλωθεί (σχήμα 2.11) τότε η ισχύς που παράγουν τα μη σκιαζόμενα στοιχεία καταναλώνεται δια μέσω του σκιαζόμενου φωτοβολταϊκού στοιχείου. Το σκιαζόμενο στοιχείο μειώνει το ρεύμα δια μέσω των μη σκιαζόμενων στοιχείων, προκαλώντας τα «καλά» στοιχεία να παράγουν υψηλότερη τάση η οποία μπορεί να προκαλέσει ανάστροφη πόλωση του σκιαζόμενου φωτοβολταϊκού στοιχείου. Έτσι, η ενέργεια που χάνεται στο σκιαζόμενο στοιχείο μετατρέπεται σε θερμότητα (υπερβολική τοπική αύξηση της θερμοκρασίας) με πιθανό αποτέλεσμα την θραύση ή ακόμη και την πλήρη καταστροφή του πλαισίου. Σχήμα 2.11: Διάταξη φωτοβολταϊκών στοιχείων σειρά με ένα σκιαζόμενο [19]. 39

54 Δίοδοι παράκαμψης ως μέθοδος θεραπείας. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που θα αναλυθούν σε αυτή την διπλωματική για να ξεπεράσουν τα προβλήματα που προκαλεί η σκίαση χρησιμοποιούν σαν μέθοδο θεραπείας μια δίοδο παράκαμψης [19]. Μια δίοδος συνδέεται παράλληλα με μια σειρά φωτοβολταϊκών στοιχείων, την οποία θέλουμε να προστατέψουμε, αλλά με αντίθετη πόλωση. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, κάθε στοιχείο είναι ορθά πολωμένο και η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, επομένως αποτελεί ένα κομμάτι ανοιχτού ουσιαστικά κυκλώματος με αποτέλεσμα το ρεύμα να μην επιλέγει τον δρόμο αυτό. Όμως, όταν ένα στοιχείο πολωθεί ανάστροφα και εμφανιστεί μια διαφορά του ρεύματος βραχυκυκλώσεως μεταξύ των φωτοβολταϊκών στοιχείων της σειράς, τότε η δίοδος άγει και προστατεύει το «προβληματικό» στοιχείο. Πρακτικά, θα έπρεπε να είχαμε μια δίοδο για κάθε στοιχείο. Αυτό όμως είναι ανέφικτο λόγω του υψηλού κόστους κι έτσι χρησιμοποιείται μια δίοδος κατά μήκος μιας ομάδας στοιχείων. Ο μέγιστος αριθμός φωτοβολταϊκών στοιχείων που μπορεί να καλύπτει μια δίοδος είναι περίπου 15 (στοιχεία/δίοδο). Οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν δύο τρόπους τοποθέτησης διόδων κατά τους οποίους είτε παρουσιάζεται αλληλοεπικάλυψη στοιχείων, είτε και όχι (σχήμα 2.12). (α) (β) Σχήμα 2.12: (α) στοιχεία που επικαλύπτονται και (β) στοιχεία που δεν επικαλύπτονται [19]. 40

55 Φωτοβολταϊκά συστήματα Τα ΦΒ συστήματα (σχήμα 2.13) χαρακτηρίζονται από μεγάλο εύρος εφαρμογών µε κριτήριο την απαίτηση ισχύος. Το εύρος αυτό αναφέρεται στην κάλυψη ηλεκτρικής ισχύος καταναλωτικών προϊόντων χαμηλής ισχύος, όπως αριθμομηχανές και ωρολόγια, έως συστήματα μεγάλης ισχύος όπως της τροφοδοσίας απομακρυσμένων ή όχι από κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα κτιριακών συγκροτημάτων ή ακόμη και νησιών. Σύμφωνα µε τα παραπάνω υπάρχει διάκριση των ΦΒ συστημάτων σε δύο βασικές κατηγορίες οι οποίες είναι: 1. Απομονωμένα ή εκτός δικτύου φωτοβολταϊκά συστήματα (stand alone offgrid). 2. Συστήματα συνδεδεμένα σε δίκτυο. Σχήμα 2.13: Κατηγορίες φωτοβολταϊκών συστημάτων [22]. Τα απομονωμένα συστήματα δεν είναι συνδεδεμένα σε κάποιο εθνικό ή τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας γι αυτό ονομάζονται επίσης και Φ/Β συστήματα εκτός δικτύου (off-grid). Χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις που χρειάζεται ηλεκτρική ισχύς σε κάποιο σημείο όπου είναι αδύνατη η μεταφορά ενέργειας ή αν υπάρχει η επιθυμία πλήρους αυτονομίας ηλεκτρικής ενέργειας από κάποιο δίκτυο και έχουν τυπικές τιμές ισχύος 100 Wp έως 200 kwp. Διακρίνονται σε δύο επιμέρους κατηγορίες: 1. Αυτόνομα Φ/Β συστήματα. 2. Υβριδικά Φ/Β συστήματα. 41

56 Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα Στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα η αναγκαία ηλεκτρική ενέργεια παράγεται αποκλειστικά από Φ/Β συστοιχίες. Η παροχή της ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να είναι άμεση στους καταναλωτές ή μέσω συσσωρευτών. Επίσης, η αποδιδόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι συνεχούς (DC) ή εναλλασσόμενης τάσης (AC). Σύμφωνα με τα παραπάνω υπάρχει διάκριση των αυτόνομων συστημάτων ως εξής: Άμεσης τροφοδοσίας του φορτίου (Direct-coupled): Στα συγκεκριμένα συστήματα η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποδίδεται απευθείας στο φορτίο και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές στις οποίες δεν απαιτείται τακτική λειτουργία του συστήματος καθώς και σε φορτία συνεχούς ρεύματος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα συστήματα άντλησης νερού. Με αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας: Τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν συσσωρευτές για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας. Σχεδιάζονται σύμφωνα με τις επιθυμητές μέρες αυτονομίας πράγμα το οποίο καθορίζει το μέγεθος των συσσωρευτών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν τα Φ/Β συστήματα τροφοδοσίας φωτισμού οδών, διατάξεων πυρανίχνευσης δασικών εκτάσεων, τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού σε δύσβατες περιοχές, τροχόσπιτων και φάρων σε θαλάσσιες περιοχές. Τα βασικά μέρη ενός αυτόνομου ΦΒ συστήματος είναι: Οι φωτοβολταϊκοί συλλέκτες. Οι αντιστροφείς. Οι μετατροπείς τάσης DC/DC. Οι ελεγκτές φόρτισης μπαταριών. Οι μπαταρίες βαθιάς εκφόρτισης. Στο σχήμα 2.14 δίνεται το διάγραμμα του συστήματος άμεσης τροφοδοσίας φορτιού αλλά και του Φ/Β συστήματος με αποθήκευση της ενέργειας. 42

57 Σχήμα 2.14 α) σύστημα άμεσης τροφοδοσίας του φορτίου και β) σύστημα με αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας [22]. Υβριδικά Φ/Β Συστήματα Όταν η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια δεν καλύπτεται από τη Φ/Β συστοιχία σε αυτόνομα Φ/Β συστήματα τότε χρησιμοποιείται ο συνδυασμός της με κάποια άλλη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι πηγές μπορεί να είναι συμβατικών καυσίμων ή από Α.Π.Ε. Κυρίως χρησιμοποιούνται ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος ή ανεμογεννήτριες αντίστοιχα. Στα συστήματα αυτά προβλέπεται αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας. Χαρακτηριστική εφαρμογή αποτελεί η ενσωμάτωση Φ/Β συστημάτων σε κατοικίες. Η μελέτη ενός τέτοιου συστήματος αποτελεί το αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Σχήμα 2.15: Υβριδικό Φ/Β σύστημα [22]. Στο σχήμα 2.15 δίνεται το διάγραμμα ενός υβριδικού συστήματος. 43

58 Φωτοβολταϊκά συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο Φ/Β συστήματα παράγουν το μεγαλύτερο ποσοστό ισχύος των εγκατεστημένων Φ/Β συστημάτων. Τα συγκεκριμένα συστήματα είναι συνδεδεμένα σε κάποιο δίκτυο ηλεκτρικής παροχής αντλώντας από αυτό την ηλεκτρική ισχύ την οποία δε μπορούν να καλύψουν καθιστώντας μη απαραίτητη την αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης μπορεί να συνιστούν μεγάλης ισχύος κεντρικούς Φ/Β σταθμούς με ισχύ μεγαλύτερη των 50 kwp, η οποία διοχετεύεται στο κεντρικό δίκτυο (Centralized systems). Σχήμα 2.16 διασυνδεδεμένο Φ/Β σύστημα [22] Ανεμογεννήτριες Η αιολική ενέργεια περιλαμβάνει συστήματα που εκμεταλλεύονται την κινητική ενέργεια τον ανέμου. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας γίνεται με ανεμογεννήτριες από τις οποίες παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Μικρά και μεσαία συστήματα KW, χρησιμοποιούμενα αυτόνομα ή σε συνδυασμό με μπαταρίες, φωτοβολταϊκά, ή ακόμη και μικρές ντηζελογεννήτριες (υβριδικά συστήματα), έχουν μεγάλο εύρος εφαρμογών. Μεγαλύτερα αυτόνομα ή υβριδικά συστήματα χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση απομονωμένων οικισμών ή μικρών περιοχών [23]. Οι άνεμοι αποτελούν κίνηση αέριας μάζας στην ατμόσφαιρα που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία. Ειδικότερα είναι αποτέλεσμα των θερμοκρασιακών διαφορών που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα είτε λόγω γεωγραφικού πλάτους είτε λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Οι διαφορετικές 44

59 γεωγραφικές θερμοκρασίες οφείλονται σε δύο κυρίως παράγοντες: α) την υψομετρική διαφορά μεταξύ δύο σημείων και β) την διαφορετική φύση της επιφάνειας (έδαφος ή νερό). Οι άνεμοι που δημιουργούνται λόγω διαφορετικού γεωγραφικού πλάτους είναι φαινόμενα σχεδόν σταθερά ή μεταβλητά με μεγάλη περίοδο μεταβολής (εποχικά) καθώς επηρεάζονται από την περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της. Οι άνεμοι που οφείλονται στον δεύτερο παράγοντα χαρακτηρίζονται από μικρή χρονική διάρκεια (ωριαία ή ημερήσια) και παρατηρούνται είτε κοντά σε ορεινούς όγκους είτε σε περιοχές κοντά σε θάλασσα όπου υπάρχει διαφορετικός βαθμός θέρμανσης ή ψύξης τον εδάφους και τον υδάτινου όγκου [24]. Η αιολική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας η οποία δεν μολύνει το περιβάλλον. Οι ανεμογεννήτριες δεν παράγουν ούτε CO 2, ούτε οξείδια του αζώτου, αλλά ούτε και οξείδια του θείου, ενώ παράλληλα δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για την συνολική κατασκευή και λειτουργία τη δική τους και των πάρκων. Είναι γεγονός πως σε ένα μέσο αιολικό πάρκο, μια ανεμογεννήτρια θα έχει αποσβέσει όλη την ενέργεια που έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή, εγκατάσταση και λειτουργία της σε διάστημα μικρότερο των 3 μηνών. Με ένα μέσο χρόνο ζωής γύρω στα 20 χρόνια, αυτό μας δίνει μια απόδοση κοντά στο 8000%, οπότε προφανώς αποδίδει περίπου 80 φορές την ενέργεια η οποία δαπανήθηκε για αυτή. Φυσικά για υπεράκτια πάρκα τα αποτελέσματα είναι ακόμα καλύτερα μιας και οι ανεμογεννήτριες έχουν μεγαλύτερο προσδοκώμενο χρόνο ζωής. Ο χρόνος ζωής αυτών των ανεμογεννητριών υπολογίζεται στα χρόνια [24]. 'Ένα είναι το κύριο μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας, η αβεβαιότητα στην εμφάνιση του ανέμου. Στα μεγάλα ηλεκτρικά δίκτυα, οι απαιτήσεις των καταναλωτών ποικίλουν και για το λόγο αυτό πρέπει να υπάρχουν μεγάλες εφεδρείες ενέργειας για κάποια περίπτωση που θα υπάρξουν μεγάλες αιχμές ζήτησης ή κάποια μεγάλη μονάδα τεθεί εκτός λειτουργίας. Οπότε, το πρόβλημα που εισάγουν οι ανεμογεννήτριες είναι ότι δεν μπορούμε να αναμένουμε σταθερή παραγωγή ενέργειας από αυτές. 'Ένα δεύτερο μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι οι ανεμογεννήτριες εισάγουν διακυμάνσεις στο δίκτυο. Βέβαια όσο περισσότερες ανεμογεννήτριες έχουμε στο δίκτυο, τόσο μικρότερες είναι αυτές οι διακυμάνσεις και τόσο πιο σταθερή είναι η αναμενόμενη παραγωγή ενέργειας [24]. Στις περισσότερες θέσεις αιολικών πάρκων στον κόσμο, η ταχύτητα του αέρα έχει μεγάλες μεταβολές. Για την ακρίβεια, μεγάλες ταχύτητες δεν εμφανίζονται τόσο συχνά, ενώ τον περισσότερο καιρό υπάρχουν χαμηλές τιμές ταχυτήτων. Επιπρόσθετα, 45

60 στην Ευρώπη παραδείγματος χάρη, αλλά και σε μερικά άλλα μέρη του κόσμου, η ταχύτητα και ποσότητα του ανέμου έχει βρεθεί ότι βρίσκεται σε καλό συγχρονισμό με την μέγιστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ισχυρότερος και διαρκέστερος άνεμος εμφανίζεται στη διάρκεια της μέρας σε σχέση με τη νύχτα, το ίδιο ισχύει το χειμώνα σε σχέση με το καλοκαίρι, αυξάνοντας την συνεισφορά του ανέμου στο δίκτυο κατά 40-60% για τις αντίστοιχες περιόδους [24]. Οι ανεμογεννήτριες κατασκευάστηκαν με σκοπό την εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας του ανέμου με σκοπό την παραγωγή ενέργειας. Η αιολική ενέργεια μετατρέπεται στην ανεμογεννήτρια στην αρχή σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τεχνολογία των ανεμογεννητριών είναι συνεχώς εξελισσόμενη με αποτέλεσμα τη δημιουργία συνεχώς μεγαλύτερων ανεμογεννητριών όσον αφορά στην ισχύ αλλά και το μέγεθος. Για παράδειγμα, η μέση ισχύς των μηχανών που εγκαταστάθηκαν στην Γερμανία το 1989 ήταν 143 KW, η οποία αυξήθηκε σε 1278 ΚW το Η ισχύς μιας ανεμογεννήτριας μπορεί να ξεπεράσει τα 2-3 MW. Εξαιτίας των απαραίτητων υποδομών που απαιτούνται για τη μεταφορά και εγκατάσταση μεγάλου μεγέθους μηχανών, οι μεγάλης ισχύος ανεμογεννήτριες συνήθως δεν χρησιμοποιούνται εκτός της Γερμανίας και της Δανίας. Στην Ευρωπαϊκή αγορά κυριαρχούν οι μηχανές KW [23]. Η μορφή των ανεμογεννητριών έχει περάσει από πολλά στάδια στην πάροδο των χρόνων. Πριν φτάσουμε στη κλασική μορφή των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιείται σήμερα. Σχεδόν σε όλες τις ανεμογεννήτριες έχουν δοκιμαστεί πολλές διαφορετικές λύσεις και όσον αφορά στον αριθμό των πτερυγίων αλλά και τον προσανατολισμό του άξονα. Οι δύο βασικές κατηγορίες ανεμογεννητριών διακρίνονται ανάλογα προς τον προσανατολισμό του άξονα τους σε σχέση με την ροή του ανέμου σε ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα [24]. Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο ως προς τη ροή τον ανέμου. Πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι, ότι η μηχανή δεν χρειάζεται να προσανατολίζεται προς τον άνεμο για να είναι αποτελεσματική, δηλαδή μπορεί να περιστρέφεται από άνεμο που έρχεται από κάθε κατεύθυνση κάθε στιγμή, οπότε δεν απαιτείται μηχανισμός προσανατολισμού. Το γεγονός αυτό δίνει πλεονέκτημα σε μέρη που υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση τον ανέμου. Η ηλεκτρική γεννήτρια σε αυτές τις μηχανές μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, κάτι που συνεπάγεται μια απλή και οικονομική σχεδίαση για τον πύργο. Επίσης είναι εύκολα προσβάσιμα συστήματα 46

61 και πολλές φορές δεν χρειάζεται πυλώνας στήριξης. Σημαντικό επίσης γεγονός είναι ότι σε αυτές τις μηχανές ο έλεγχος βήματος πτερυγίου δεν είναι απαραίτητος όταν χρησιμοποιούνται με σύγχρονη γεννήτρια. Υπάρχουν όμως και κάποια σοβαρά μειονεκτήματα που δεν κάνουν τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα τόσο λειτουργικές. Το κυριότερο πρόβλημα είναι ότι πολλές φορές δεν είναι δυνατόν να ξεκινήσουν να περιστρέφονται χωρίς εξωτερική παρέμβαση, μιας και η ροπή εκκίνησης τους είναι πάρα πολύ υψηλή. Στη περίπτωση αυτή υποχρεωτικά πρέπει να λειτουργήσουν στην αρχή σαν κινητήρες τραβώντας ρεύμα από το δίκτυο. Επίσης σημαντικό είναι το γεγονός πως έχουν μικρή σχετικά απόδοση μιας και η ταχύτητα του ανέμου σε αυτά τα ύψη είναι σχετικά χαμηλή και επίσης κατά την περιστροφή τους, υπάρχουν σημεία στα οποία η συνεισφορά του ανέμου είναι σχεδόν μηδενική. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Αυτή τη στιγμή παγκόσμια οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα κατέχουν το συντριπτικό μερίδιο της αγοράς. Πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα, που κάνουν τόσο δημοφιλή αυτού του τύπου τις ανεμογεννήτριες, είναι ότι δεν χρειάζονται πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, όποτε και με πολύ μικρές ταχύτητες ανέμου μπορούμε να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. 'Ένα ακόμα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι εμφανίζουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή, ενώ είναι εύκολη η συναρμολόγηση τους. Το μεγάλο μειονέκτημα των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα είναι ότι η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να τοποθετηθούν πάνω στο πύργο, γεγονός που κάνει την κατασκευή τους ακριβή και πιο δύσκολη. Επίσης σε σχέση προς τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα, εδώ χρειάζεται ενεργός μηχανισμός περιστροφής ή συνηθέστερα ένα ουριαίο πτερύγιο για τον προσανατολισμό στην κατεύθυνση του ανέμου [24]. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα χαρακτηρίζονται και κατηγοριοποιούνται με βάση των αριθμό των πτερυγίων τους. Οι ανεμογεννήτριες με ένα πτερύγιο ονομάζονται μονοπτέρυγες, με δύο διπτέρυγες, με τρία τριπτέρυγες και όλες οι άλλες με περισσότερα πτερύγια από τρία ονομάζονται πολυπτέρυγες. Οι μονοπτέρυγες αν και είναι φθηνότερες όλων, δεν απόκτησαν ποτέ μεγάλη δημοφιλία, είτε για αισθητικούς λόγους, είτε λόγω προβλημάτων στη εξισορρόπηση δυνάμεων της όλης κατασκευής κατά την περιστροφή τους, γεγονός που κάνει απαραίτητη την τοποθέτηση αντίβαρου στην πλήμνη. Παρόμοια προβλήματα εμφανίζουν και οι διπτέρυγες ανεμογεννήτριες αν και εκεί τα πράγματα είναι σαφώς καλύτερα. Σήμερα 47

62 η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται στην αγορά είναι οι τριπτέρυγες. Το βασικό τους πλεονέκτημα είναι ότι είναι πιο σταθερές μιας και το αεροδυναμικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα ενώ και το μηχανικό εξισορροπείται. Εφαρμογές με μεγαλύτερο αριθμό πτερύγων (6,8,12 κ.α.) έχουν υλοποιηθεί κατά καιρούς. Ο λόγος μεταξύ του συνολικού εμβαδού των πτερύγων προς την επιφάνεια σάρωσης ονομάζεται στιβαρότητα. Οι μηχανές με μεγάλο αριθμό πτερύγων προτιμώνται σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης, γιατί έχουν την ιδιότητα να μπορούν να ξεκινούν να περιστρέφονται ευκολότερα (μεγαλύτερη επιφάνεια αλληλεπιδρά με τον άνεμο αρχικά). Παρόλα αυτά η ισχύς που παράγουν είναι μάλλον μικρότερη συγκρινόμενη με μια ανεμογεννήτρια λιγότερων πτερύγων που σαρώνει την ίδια επιφάνεια, λόγω αυξημένων αεροδυναμικών απωλειών. 'Έχει αποδειχθεί ότι οι τριπτέρυγοι ρότορες έχουν μεγαλύτερο αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος από τους πολυπτέρυγους, έτσι οι τελευταίοι χρησιμοποιούνται περιορισμένα μόνο σε κάποιες εφαρμογές όπως η άντληση υδάτων, όπου η απαιτούμενη ροπή εκκίνησης είναι μεγάλη [24]. Η συνηθισμένη ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιείται σήμερα αποτελείται από μια γεννήτρια, 3 πτερύγια και έναν πύργο, που βρίσκεται πίσω από τα πτερύγια έτσι ώστε ο άνεμος να έρχεται από το εμπρόσθιο μέρος. Στο σχήμα 2.17 φαίνονται τα βασικά στοιχεία που αποτελούν μια ανεμογεννήτρια. Ο άνεμος δεσμεύεται στα πτερύγια και μέσω ενός άξονα μεταφέρεται η κίνηση στο κιβώτιο ταχυτήτων. Από εκεί ένας άλλος άξονας μεταφέρει την κίνηση στην γεννήτρια. Δουλειά του κιβωτίου ταχύτητας είναι να πολλαπλασιάζει την τιμή της ταχύτητας του ανέμου που φτάνει σε αυτό από τα πτερύγια. Στη συνέχεια η γεννήτρια με τη σειρά της είναι συνδεδεμένη με έναν μετασχηματιστή προκειμένου να δίνεται σε τελικό στάδιο η επιθυμητή τάση στο σημείο σύνδεσης με το εκάστοτε τοπικό δίκτυο [24]. 48

63 Σχήμα 2.17: Τομή ατράκτου ανεμογεννήτριας. Στο σχήμα 2.18 φαίνεται πιο αναλυτικά η τυπική μορφή της εσωτερικής δομής μιας κλασικής ανεμογεννήτριας. Κάνοντας μία τομή στην ανεμογεννήτρια βλέπουμε την εσωτερική διάταξη των υποσυστημάτων της που βρίσκονται κυρίως στην άτρακτο. Στο παραπάνω σχήμα διακρίνουμε : α) τον άξονα χαμηλών και υψηλών στροφών, β) το κιβώτιο ταχυτήτων, γ) τη γεννήτρια, δ) το φρένο, ε) τον μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου, στ) το μηχανισμό ελέγχου βήματος των πτερυγίων, ζ) το ανεμόμετρο, η) τον ανεμοδείκτη και θ) τον ηλεκτρονικό ελεγκτή [24]. Σχήμα 2.18: Δομή ανεμογεννήτριας. 49

64 Για μια πιο αναλυτική περιγραφή ξεκινάμε από την πλήμνη. Η πλήμνη είναι μηχανικό εξάρτημα στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Η πλήμνη συνδέεται με τον άξονα χαμηλών στροφών. Ο άξονας χαμηλών στροφών, είναι ο άξονας πού συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων και είναι ο άξονας του ρότορα του ανεμοκινητήρα. Στη συνέχεια από το κιβώτιο ταχυτήτων ξεκινάει ένας ακόμα άξονας ο οποίος καταλήγει στη γεννήτρια. Ο άξονας αυτός ονομάζεται άξονας υψηλών ταχυτήτων και ουσιαστικά αποτελεί το δρομέα της γεννήτριας. Τέλος η γεννήτρια συνδέεται με έναν μετασχηματιστή έτσι ώστε να υπάρχει η κατάλληλη προσαρμογή της τάσης στο εκάστοτε δίκτυο. Από εκεί και πέρα υπάρχουν το ανεμόμετρο και ο ανεμοδείκτης, τα οποία είναι όργανα που μετράνε την ταχύτητα και προσδιορίζουν την κατεύθυνση του ανέμου αντίστοιχα [24]. Σε όλα τα συστήματα, εκτός από τα πολύ μικρά, απαιτείται κάποια μέθοδος μεταφοράς της μηχανικής ενέργειας, που θα προσαρμόσει τις στροφές του ρότορα με τις απαιτήσεις της ηλεκτρογεννήτριας. Χρειάζονται συστήματα για λόγους μετατροπής των στροφών, που κυμαίνονται από 1:1 μέχρι 45:1. Τα συστήματα αυτά ποικίλουν σε κόστος και πολυπλοκότητα και είναι συνήθως ιμάντες, οδοντωτοί τροχοί, υδραυλικά και πνευματικά συστήματα, χωρίς κάποιο από αυτά να υπερέχει αισθητά. Η εκλογή του σε κάποια εφαρμογή πρέπει να είναι αποτέλεσμα τεχνικοοικονομικής μελέτης. Τα προβλήματά τους συνίστανται σε ευθυγράμμιση, τριβές, καταπόνηση, διάρκεια ζωής, συντονισμό, συντήρηση κλπ [25]. Εκτός από άντληση, άλεσμα, παραγωγή θερμότητας, η κύρια χρήση των αιολικών συστημάτων είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στην περίπτωση αυτή η συσκευή μετατροπής (της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική) είναι μια γεννήτρια. Στην περίπτωση αυτόνομων (STAND ΑLΟΝΕ) εφαρμογών, χρησιμοποιείται κυρίως DC γεννήτρια (με ένα συσσωρευτή για αποθήκευση) ή AC γεννήτρια, που δεν είναι αναγκαίο να διατηρεί σταθερή συχνότητα 50 Hz. Στην περίπτωση εφαρμογών διασυνδεδεμένων στο δίκτυο η γεννήτρια ή συμπληρώνει το φορτίο (που βρίσκεται στη μέση) ή είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο ή είναι συνδεδεμένη σε άλλο αυτόνομο σύστημα (π.χ. ντιζελογεννήτρια). Χρησιμοποιούνται δυο κατηγορίες συστημάτων. Τα σταθερής ταχύτητας, σταθερής συχνότητας (CSCF) που χρειάζονται πολύπλοκα συστήματα ελέγχου για να διατηρήσουν σταθερή ταχύτητα και τα μεταβλητής ταχύτητας, σταθερής συχνότητας (VSCF) που χρησιμοποιούνται σε μεγάλα συστήματα και σε περιοχές με σχετικά σταθερή ταχύτητα ανέμου. Οι αντίστοιχες γεννήτριες που χρησιμοποιούνται είναι: 1) Σύγχρονες γεννήτριες που είναι 50

65 περισσότερο αποδεκτές από τις επιχειρήσεις Ηλεκτρισμού, αλλά μπορεί να παρουσιάσουν πρόβλημα ευστάθειας στις γρήγορες μεταβολές των ροπών. 2) Ασύγχρονες γεννήτριες που δεν έχουν πρόβλημα ευστάθειας, είναι απλούστερης κατασκευής αλλά χρειάζονται διόρθωση του συντελεστού ισχύος και 3) D.C. γεννήτριες με αντιστροφέα (INVERTER), που μπορούν να διατηρήσουν σταθερό το λόγο λ (ΤΙΡ-SΡΕΕD RATIO), στις διάφορες ταχύτητες του ανέμου, για μέγιστη παραγωγή ενέργειας, έχουν όμως μεγαλύτερο κόστος [25]. Τα συστήματα ελέγχου των αιολικών συστημάτων χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: 1. Σύστημα ελέγχου ταχύτητας: Χρησιμεύει ή για να διατηρήσει την απαιτούμενη ταχύτητα περιστροφής ή για να προστατεύσει το σύστημα από υπερβολικές ταχύτητες. Οι συνήθεις ανεμογεννήτριες σχεδιάζονται για να λειτουργούν συνήθως στην περιοχή m.p.h, ενώ για ανέμους στην περιοχή m.p.h. περιορίζουν την έξοδό τους στην ονομαστική τιμή. Για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες από την ταχύτητα αποσύζευξης (>40m.p.h) σταματάει η λειτουργία της ανεμογεννήτριας. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο αυτό συνίστανται ή στη χρησιμοποίηση της φυγοκεντρικής δυνάμεως που με την βοήθεια μηχανικής σύζευξης (ελατήριο) ελέγχεται η γωνία προσβολής των πτερυγίων ή σε κάποιο είδους φρένο ή στην εκτροπή του άξονα του ρότορα ή στη χρησιμοποίηση μικρού βοηθητικού ανεμόμυλου. 2. Σύστημα προσανατολισμού της έλικας: Χρησιμεύει για να προσανατολίζει την έλικα όταν αλλάζει η διεύθυνση του ανέμου. Τούτο επιτυγχάνεται ή με την χρήση ενός ουραίου πτερυγίου ή με την βοήθεια της δυναμικής αντίστασης (DRAG) των πτερυγίων ή με ένα μικρό βοηθητικό ανεμόμυλο ή με κάποιο άλλο αυτοτροφοδοτούμενο μηχανικό σύστημα που χρησιμοποιεί σαν αισθητήριο κάποιο ανεμοδείκτη. 3. Σύστημα ελέγχου εξόδου/φορτίου: Μπορεί ή να ενσωματωθεί στο πρώτο ή να είναι αυτοδύναμο. Ελλείψει φορτίου ή με φορτίο μικρότερο από την παρεχόμενη ισχύ, η πρόσθετη ισχύς με την βοήθεια του συστήματος πηγαίνει σε κάποιο ψευδοφορτίο. Αντίστροφα, με φορτίο μεγαλύτερο από την παρεχόμενη ισχύ, το πρόσθετο φορτίο πρέπει να απορριφθεί, διαφορετικά θα σταματήσει η λειτουργία της ανεμογεννήτριας [25]. 51

66 Το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μειώθηκε από 0,30 Ευρώ/kWh στις αρχές της δεκαετίας του 1980 σε μια μέση τιμή 0,08 Ευρώ/kWh. Για μεσαίου και μικρού μεγέθους ανεμογεννήτριες (<100 kw) το κόστος μπορεί να μειωθεί στα 0,10-0,15 Ευρώ/kWh. Για τις μεγάλου μεγέθους ανεμογεννήτριες (650 kw - 2 MW) το κόστος μπορεί να μειωθεί στα 0,03 Ευρώ/kWh. Το κόστος αγοράς και εγκατάστασης μικρού μεγέθους μηχανών κυμαίνεται μεταξύ Ευρώ/kW, ενώ για μεγάλου μεγέθους μηχανές το κόστος είναι μικρότερο από 1000 Ευρώ/kW [23] Γεννήτριες καυσίμων Σε πολλά συστήματα μικροδικτύων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούμε και μηχανές εσωτερικής καύσης. Οι γεννήτριες αυτές συνήθως λειτουργούν ως υποστηρικτικές μονάδες μικροδικτύων μικρής ισχύος ή ως βασικές μονάδες παραγωγής για μικροδίκτυα μεγάλης ισχύος. Στις γεννήτριες αυτές χρησιμοποιούνται συμβατικά καύσιμα με αποτέλεσμα να χάνεται η φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία του μικροδικτύου. Με την ανάπτυξη και χρήση των βιοκαυσίμων όπως το βιοντίζελ και βιοαέριο, μπορεί να λυθεί το πρόβλημα της φιλικής προς το περιβάλλον χρήσης των μηχανών εσωτερικής καύσης. Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε μία γεννήτρια, η τάση και η συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος δηλαδή, εξαρτώνται αφενός από κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας και αφετέρου από τον αριθμό στροφών στον οποίο αυτή λειτουργεί. Η χρήση, επομένως, ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους, δηλαδή γεννήτριας που κινείται από μηχανή εσωτερικής καύσης, για την τροφοδοσία ενός μικροδικτύου ουσιαστικά συνεπάγεται την απαίτηση η μηχανή εσωτερικής καύσης να λειτουργεί συνεχώς σε συγκεκριμένο αριθμό στροφών, ανεξάρτητα από το ηλεκτρικό φορτίο του δικτύου [14]. Στην περίπτωση ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους δηλαδή, από το συνολικό πεδίο λειτουργίας της μηχανής εσωτερικής καύσης αξιοποιείται μόνο το εύρος ροπής που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο αριθμό στροφών. Ανάλογα με τη μηχανή εσωτερικής καύσης, οι στροφές λειτουργίας της μπορεί να ταυτίζονται με αυτές της γεννήτριας ή να παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο μηχανών μία σταθερή σχέση μετάδοσης, που συνήθως υποβιβάζει τις στροφές της μηχανής εσωτερικής καύσης. Με βάση τα παραπάνω, η επιλογή μηχανής εσωτερικής καύσης για την κίνηση ηλεκτρογεννήτριας είναι μία σχετικά απλή διαδικασία, καθώς η μόνη απαίτηση που θα πρέπει να 52

67 ικανοποιείται είναι ο κινητήρας να είναι σε θέση να δώσει ροπή τουλάχιστον ίση με τη μέγιστη απαιτούμενη από τη γεννήτρια, στις κατάλληλες στροφές [14]. Το ζητούμενο κατά τη δημιουργία ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους είναι η κάλυψη της αναμενόμενης από το μικροδίκτυο ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας με το ελάχιστο δυνατό κόστος λειτουργίας. Στην περίπτωση σχετικά μεγάλων εγκαταστάσεων, η αναμενόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι συνάρτηση του χρόνου, και προφανώς η γεννήτρια θα πρέπει να είναι σε θέση να καλύψει τουλάχιστον το μέγιστο αυτής της συνάρτησης. Συνήθως, προκειμένου να μπορούν να καλυφθούν και κάποιες απρόβλεπτες αιχμές φορτίου, η επιλογή γίνεται λαμβάνοντας υπόψη και ένα συντελεστή ασφάλειας της τάξης του 20-25%. Με βάση επομένως το μέγιστο της αναμενόμενης καμπύλης ζήτησης φορτίου, τον επιθυμητό συντελεστή ασφάλειας και τα σχετικά οικονομικά κριτήρια (κόστος απόκτησης, κόστος συντήρησης, κλπ.) επιλέγεται η κατάλληλη γεννήτρια [14]. Για τη γεννήτρια που επιλέχθηκε είναι γνωστά: Οι στροφές λειτουργίας της, έτσι ώστε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια να έχει τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά (τάση και συχνότητα). Ο βαθμός απόδοσης της γεννήτριας, σταθερός ή συνάρτηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος, που είναι και το συνηθέστερο [14] Κύτταρα καυσίμου ή κυψέλες καυσίμου (Fuel Cell) Η εμπορική τους ανάπτυξη άρχισε πρόσφατα με στόχο την αντικατάσταση των μηχανών εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων και την επικράτηση του ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Δεν είναι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, αλλά συσκευές ηλεκτροχημικής μετατροπής, που παράγουν ηλεκτρισμό απευθείας με οξείδωση υδρογόνου και απόδοση 40-60%. Κατάλληλα για εφαρμογή σε αυτοκίνητα είναι αυτά που χρησιμοποιούν μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (ΜΑΠ) και έχουν θερμοκρασία λειτουργίας 80 C. Αποτελούνται (Σχ. 2.19) από δύο πορώδη ηλεκτρόδια, που διαχωρίζονται από μια πολυμερή ΜΑΠ. Η μεμβράνη επιτρέπει τη δίοδο πρωτονίων υδρογόνου (Η + ), αλλά εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων και αερίων. Το καύσιμο (υδρογόνο) ρέει κατά μήκος της επιφάνειας του ηλεκτροδίου ανόδου, ενώ το οξυγόνο ή ο αέρας ρέουν κατά μήκος του ηλεκτροδίου καθόδου, όπου παράγεται νερό και θερμότητα. Ο καταλύτης βοηθάει τη διάσπαση υδρογόνου σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια [8]. 53

68 Οι κυψέλες καυσίμου μέσω ηλεκτροχημικής αντίδρασης επιτυγχάνουν παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, με μόνο υποπροϊόν το νερό. Η λειτουργία της είναι αντίστροφη από αυτή μιας ηλεκτρολυτικής μονάδας και προσομοιάζει τη λειτουργία μιας μπαταρίας, με την διαφορά ότι δεν έχει τον περιορισμό της εξάντλησης του καυσίμου μιας και το καύσιμο (υδρογόνο) και το οξειδωτικό (αέρας ή οξυγόνο) εισάγονται συνεχώς στην άνοδο και την κάθοδο και τα προϊόντα (ηλεκτρική ενέργεια και νερό) απομακρύνονται [26]. Σχήμα 2.19: Αρχή λειτουργίας κυττάρου καυσίμου με ΜΑΠ. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνοντας υδρογόνο σαν καύσιμο το οποίο οξειδώνεται ηλεκτροχημικά με οξυγόνο, με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και νερού. Η κυψέλη καυσίμου λειτουργεί σαν ένας χημικός αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας, ο οποίος παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο τροφοδοτείται με H 2 και O 2. Οι κυψέλες καυσίμου δεν ανήκουν στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αλλά είναι μια μέθοδος μετατροπής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη με τη μορφή καυσίμου (υδρογόνο, μεθάνιο, φυσικό αέριο κ.ά.) σε ηλεκτρισμό και θερμότητα. Αυτό γίνεται με υψηλή απόδοση 54

69 (40-80% ανάλογα με τον τύπο της κυψέλης) και με μοναδική εκπομπή το καθαρό νερό (όταν το καύσιμο είναι αποκλειστικά υδρογόνο). Στην περίπτωση που το καύσιμο περιέχει άνθρακα, εκπέμπονται και αέρια βλαβερά για το περιβάλλον (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα) αλλά σε πολύ μικρότερη ποσότητα από ότι με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχης ισχύος [26]. Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια (την άνοδο και την κάθοδο) που διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα ειδικευμένο πολυμερές ή άλλο υλικό, που επιτρέπει την διέλευση ιόντων αλλά δεν είναι περατό από ηλεκτρόνια. Το καύσιμο πού περιέχει υδρογόνο, εισάγεται στην άνοδο, όπου τα ηλεκτρόνια τον υδρογόνου απελευθερώνονται και κινούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωμα παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην κάθοδο, όπου ενώνονται με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο, δημιουργώντας νερό, που αποτελεί το προϊόν της αντίδρασης. Προκειμένου να επιταχυνθεί η διαδικασία του ιονισμού του υδρογόνου χρησιμοποιείται καταλύτης υψηλής αγωγιμότητας στα ηλεκτρόδια, τα οποία είναι συνήθως από πλατίνα. Με χρήση καθαρού υδρογόνου ως καυσίμου, τα μόνα παράγωγα της διαδικασίας αυτής είναι ηλεκτρικό ρεύμα, καθαρό νερό και θερμότητα. Το συνολικό πάχος μιας κυψέλης καυσίμου είναι περίπου 2.5 mm ενώ ο ηλεκτρολύτης έχει πάχος της τάξεως μερικών μm. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή ισχύς, οι κυψέλες καυσίμων μπορούν να στοιβαχτούν η μια δίπλα στην άλλη, με την παρεμβολή πορώδους υλικού, που τις συνδέει ηλεκτρικά σε σειρά, ενώ επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση στα ηλεκτρόδια από το υδρογόνο και το οξυγόνο [26]. Το υδρογόνο θεωρείται ως το ιδανικό καύσιμο, διότι έχει υψηλή θερμαντική ικανότητα και το προϊόν της καύσης του είναι καθαρό νερό. Το υδρογόνο συνήθως παράγεται από το φυσικό αέριο με την επίδραση υδρατμών, αλλά η παραγωγή του από ηλεκτρόλυση του νερού και ιδιαίτερα σε συνδυασμό με κάποια ΑΠΕ, είναι περιβαλλοντικά η πιο αποδεκτή διαδικασία. Η κυψέλη καυσίμου χρησιμοποιεί υδρογόνο και οξυγόνο τα οποία αντιδρούν με την παρουσία ηλεκτρολύτη και παράγουν νερό, ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται ένα ηλεκτροχημικό δυναμικό που προκαλεί ροή ηλεκτρικού ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα. Η χημική αντίδραση είναι εξώθερμη και συνεπώς η παραγόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει άλλες ανάγκες. Ορισμένοι τύποι κυψελών μπορούν να λειτουργήσουν επίσης με διοξείδιο τον άνθρακα ή υδρογονάνθρακες. Ενδεικτικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής (25KW - 11MW) έχουν κατασκευασθεί σε διάφορες Ευρωπαϊκές 55

70 χώρες, στις ΗΠΑ και την Ιαπωνία. Η θερμοκρασία λειτουργίας τους (περίπου 200 C) περιορίζει τη θερμοκρασία της ανακτώμενης θερμότητας. Υπάρχουν σήμερα τυποποιημένες μονάδες συμπαραγωγής με θερμότητα που είναι διαθέσιμη σε θερμοκρασία C. Οι κυψέλες καυσίμου είναι κατάλληλες για συμπαραγωγή στο βιομηχανικό και εμπορικό - κτιριακό τομέα (ιδιαίτερα σε συνδυασμό με το φυσικό αέριο), αλλά το υψηλό κόστος κατασκευής και η χαμηλή διάρκεια ζωής τους περιορίζουν προς το παρόν τη χρήση τους [23]. 2.6 Μονάδες μετατροπής ισχύος Μονάδες μετατροπής ισχύος είναι οι μονάδες εκείνες που αναλαμβάνουν την προσαρμογή μεταξύ συστοιχίας, συσσωρευτή, φορτίων και εφεδρικής πηγής ενέργειας (αν υπάρχει) μετατρέποντας την ακατέργαστη DC ισχύ εξόδου από τη φωτοβολταϊκή (Φ/Β) συστοιχία σε ισχύ κατάλληλης ποιότητας και σύμφωνης με τις απαιτήσεις του φορτίου. Μια Φ/Β συστοιχία παράγει DC ισχύ με μεταβολές της τάσης της τάξης του 30%. Αν οι ανάγκες του φορτίου περιορίζονται σε DC ρεύμα (π.χ. φωτισμός, DC κινητήρας, άλλα ωμικά φορτία) τότε ο πιο απλός συνδυασμός είναι η απ ευθείας σύνδεση της συστοιχίας με ένα συσσωρευτή, μέσω διόδου αντεπιστροφής και στη συνέχεια με το φορτίο. Ο συνδυασμός αυτός συνιστάται μόνο όταν το μέγιστο ρεύμα της συστοιχίας είναι μικρότερο από το 5% της χωρητικότητας των συσσωρευτών [19]. Σε πολλά DC συστήματα, οι μεταβολές της τάσης που οφείλονται σε μεταβολή των καιρικών συνθηκών και χειροτέρευση των χαρακτηριστικών των κυττάρων λόγω γήρανσης, αντισταθμίζονται με έλεγχο της τάσης της συστοιχίας με τη βοήθεια ρυθμιστών τάσης. Έτσι, παρέχεται ισχύς σε σταθερή τάση με σκοπό να προστατεύουμε το συσσωρευτή και το φορτίο από ακραίες τιμές της τάσης με όλες τις γνωστές συνέπειες [19]. Η διαχείριση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τη ΦΒ συστοιχία, απαιτεί την παρεμβολή κατάλληλων ηλεκτρονικών συσκευών, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της μεταφοράς της ενέργειας κατά τον οικονομικότερο τρόπο καθώς και την προστασία του συσσωρευτή από υπερφόρτιση ή από υπερεκφόρτιση. Από λειτουργικής πλευράς, δύο είναι οι βασικές ηλεκτρονικές διατάξεις: Ο ελεγκτής ή επιτηρητής της διαδικασίας φόρτισης - εκφόρτισης (charge controller) και οι μετατροπείς τάσεως. Ο ελεγκτής φόρτισης τοποθετείται συνήθως σε χωριστή μονάδα 56

71 σε σχέση με τις υπόλοιπες διατάξεις, μπορεί όμως να βρίσκεται ενσωματωμένος με τον αντιστροφέα (inverter), σε μια ολοκληρωμένη μονάδα [22]. Η φόρτιση των ηλεκτρικών συσσωρευτών, μέσω μιας πηγής ηλεκτρικής ενέργειας π.χ. ΦΒ συστοιχίας, ανεμογεννήτριας ΑΓ, ή ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους (Η/Ζ), απαιτεί συνεχή έλεγχο της κατάστασης φόρτισής τους, ώστε, όταν αυτοί φτάσουν στην κατάσταση μέγιστης φόρτισης, να διακόπτεται η διαδικασία. 'Έτσι, αποφεύγεται η υπέρταση του συσσωρευτή, η οποία θα είχε ως συνέπεια την έκλυση μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου, λόγω ηλεκτρόλυσης και συνακόλουθα μείωση της στάθμης του διαλύματος. Αντίστοιχα, απαιτείται έλεγχος του συσσωρευτή όσο αυτός τροφοδοτεί την κατανάλωση, ώστε να προληφθεί η καταστροφική για τον συσσωρευτή, κατάσταση υπερεκφόρτισης (ελεγκτής εκφόρτισης). Γενικά, ο ελεγκτής φόρτισης - εκφόρτισης, στην πιο περιορισμένη του μορφή, εποπτεύει τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης ώστε να απομονώνει το σύστημα αποθήκευσης, αφενός από το σύστημα παραγωγής της ενέργειας, στην περίπτωση της υπερφόρτισης, και αφετέρου από το σύστημα κατανάλωσης, στην περίπτωση της υπερεκφόρτισης. Και στις δύο περιπτώσεις, η διακοπή αυτή προκαλείται όταν η τάση στα άκρα του συσσωρευτή ξεπεράσει, προς τα άνω και αντίστοιχα προς τα κάτω, ορισμένα όρια τάσης (setpoints), όπου ενεργοποιούνται οι ηλεκτρικοί διακόπτες [22]. Η αστάθεια της ισχύος εξόδου από την ΦΒ γεννήτρια ή την ανεμογεννήτρια συνεπάγεται ότι χωρίς τη λήψη ειδικών μέτρων η γεννήτρια θα λειτουργεί συχνά εκτός του μεγίστου σημείου ισχύος. Οι σχετιζόμενες απώλειες μπορούν να αποφευχθούν με τη χρήση ενός παρακολουθητή μεγίστου σημείου ισχύος (ΜΡΡ), ο οποίος εξασφαλίζει ότι υπάρχει πάντοτε μια μέγιστη μεταφορά ενέργειας από τη γεννήτρια προς την μπαταρία. Οι βασικές αρχές του παρακολουθητή ΜΡΡ παρουσιάζονται στο σχήμα (2.20) για την περίπτωση που η ΦΒ γεννήτρια τροφοδοτεί με ισχύ ένα φορτίο αντίστασης R. Παρουσιάζονται επίσης οι χαρακτηριστικές Ι-V της γεννήτριας και του φορτίου μαζί με τις σταθερές καμπύλες ισχύος Ρ = IV = σταθερά. Απ' αυτό φαίνεται ότι στο λειτουργικό σημείο 1 (το οποίο αντιστοιχεί σε μια άμεση σύνδεση μεταξύ της γεννήτριας και του φορτίου) η μεταφερόμενη ισχύς είναι σημαντικά κάτω από την Ρmax, τη μέγιστη ισχύ της ΦΒ γεννήτριας. Ένας μετατροπέας DC/DC θα μετασχηματίσει την τάση στο φορτίο σε μια τιμή εξασφαλίζοντας έτσι μια μέγιστη μεταφορά ισχύος. Η χρήση του παρακολουθητή 57

72 ΜΡΡ είναι συνήθως δικαιολογημένη στα συστήματα με ισχύ κορυφής μεγαλύτερη από 1 kwp [16]. Σχήμα 2.20: Η λειτουργία του παρακολουθητή MPP. Αν οι ανάγκες του φορτίου απαιτούν AC ισχύ, που είναι και η πιο συνηθισμένη περίπτωση, χρησιμοποιείται και ένας αντιστροφέας (Inverter) ώστε να μετατρέπει την DC σε AC ισχύ. Η ισχύς εισόδου είναι η DC ισχύς από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια ή μπαταρία ή ανεμογεννήτρια και η έξοδος είναι AC ισχύς, που χρησιμοποιείται για να τρέξουν οι AC εφαρμογές ή για να τροφοδοτηθεί μέσα στο δίκτυο κατανάλωσης. Η απόδοση των αντιστροφέων συνήθως εξαρτάται από το ρεύμα στο φορτίο που είναι μέγιστο στην ονομαστική ισχύ εξόδου. Μπορεί να φτάνει το 95% αλλά είναι μικρότερη (75-80%), εάν ο αντιστροφέας λειτουργεί υπό μερικό φορτίο [16]. Η πλειονότητα των αντιστροφέων για ΦΒ εφαρμογές μπορούν να ταξινομηθούν μέσα σε τρεις κύριες κατηγορίες (σχήμα 2.21). Aντιστροφείς μεταβλητής συχνότητας χρησιμοποιούνται για αυτόνομες εφαρμογές ισχύος, σχεδόν αποκλειστικώς στα συστήματα ΦΒ άντλησης. Οι υπόλοιπες δυο κύριες κατηγορίες αντιστροφέων 58

73 ταιριάζουν στη σύνδεση δικτύου ΦΒ ισχύος για βιομηχανικά συγκροτήματα. Αυτομεταγώμενοι αντιστροφείς σταθερής συχνότητας, οι οποίοι είναι ικανοί να τροφοδοτήσουν ένα απομονωμένο δίκτυο διανομής και εάν εξοπλισθούν με ειδικό παραλληλισμένο έλεγχο, ένα δίκτυο τροφοδοτούμενο και από άλλες παράλληλες πηγές ισχύος. Οι αντιστροφείς γραμμής μεταγωγής σταθερής συχνότητας είναι ικανοί να τροφοδοτήσουν το δίκτυο μόνο όταν η συχνότητα δικτύου ορίζεται από άλλη πηγή ισχύος συνδεδεμένη παράλληλα. Ο αντιστροφέας δε θα λειτουργήσει, εάν μια τέτοια εξωτερική συχνότητα αναφοράς λείπει (π.χ. κατά τη διάρκεια γενικής διακοπής του δικτύου). Σχήμα 2.21: Αντιστροφείς ποικίλων μορφών. 59

74 Στις παραπάνω μονάδες μετατροπής της ισχύος (Power Condtitioning Units, PCU) θα μπορούσαμε να κατατάξουμε και τις μονάδες ελέγχου του όλου συστήματος που μπορεί να περιλαμβάνουν: αυτόματη εκκίνηση και θέση εκτός λειτουργίας, εκτίμηση του SOC των συσσωρευτών, θέση σε λειτουργία της εφεδρικής πηγής ενέργειας, κατανομή του φορτίου, εντόπιση σφαλμάτων/αυτόματη διόρθωση, διακόπτες, γείωση, άλλα συστήματα προστασίας, συστήματα παρακολούθησης και καταγραφής των δεδομένων κλπ [19] Διακοπτικοί μετατροπείς DC-DC Στους μετατροπείς dc-dc η μέση dc τάση εξόδου πρέπει να ελέγχεται, ώστε να είναι σε ένα επιθυμητό επίπεδο, ανεξάρτητα από το γεγονός ότι η τάση εισόδου και το φορτίο μπορούν να αυξομειώνονται. Οι μετατροπείς dc-dc διακοπτικού τύπου χρησιμοποιούν έναν ή περισσότερους διακόπτες για το μετασχηματισμό της dc τάσης από ένα επίπεδο σε ένα άλλο. Σ' ένα dc-dc μετατροπέα με δεδομένη τάση εισόδου, η μέση τάση εξόδου ρυθμίζεται ελέγχοντας τους χρόνους έναυσης και σβέσης (t on και t off ) των διακοπτών. Για να καταστεί φανερή η αρχή της μετατροπής διακοπτικού τύπου, ας θεωρηθεί ένας βασικός dc-dc μετατροπέας, όπως αυτός του Σχ.2-22α. Η μέση τιμή V o της τάσης εξόδου υ ο, στο Σχ.2-22β, εξαρτάται από τους χρόνους t on και t off. Μια από τις μεθόδους ελέγχου της μέσης τάσης εξόδου χρησιμοποιεί σταθερή συχνότητα μετάβασης (και συνεπώς σταθερή περίοδο μετάβασης Τ s = t on + t off ) και ρύθμιση της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός. Σ' αυτήν τη μέθοδο, που ονομάζεται μετάβαση με Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (Pulse-Width Modulation, PWM), μεταβάλλεται η σχετική διάρκεια αγωγής (duty ratio) D = t on /τ, που ορίζεται ως ο λόγος της διάρκειας κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός προς την περίοδο μετάβασης. Η άλλη μέθοδος ελέγχου είναι γενικότερη. Σύμφωνα με αυτήν μεταβάλλονται, τόσο η συχνότητα μετάβασης (και η περίοδος), όσο και η διάρκεια κατά την οποία ο διακόπτης είναι κλειστός. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται μόνο σε μετατροπείς dc-dc που χρησιμοποιούν thyristors με εξαναγκασμένη μετάβαση. Οι μεταβολές της συχνότητας μετάβασης καθιστούν δύσκολο το φιλτράρισμα της κυμάτωσης των κυματομορφών της εισόδου και της εξόδου [27]. 60

75 Σχήμα 2.22: Διακοπτική dc-dc μετατροπή. Στη διαμόρφωση με PWM με σταθερή συχνότητα μετάβασης, το σήμα ελέγχου του διακόπτη, το οποίο ελέγχει την κατάστασή του (κλειστός ή ανοιχτός), παράγεται με τη σύγκριση του επιπέδου τάσης του σήματος ελέγχου υ control με μια περιοδική κυματομορφή σταθερού πλάτους, όπως φαίνεται στα Σχ.2-23α και 2-23β. Γενικά, το σήμα της τάσης ελέγχου λαμβάνεται ενισχύοντας το σφάλμα ή τη διαφορά μεταξύ της πραγματικής τάσης εξόδου και της επιθυμητής της τιμής. Η συχνότητα της περιοδικής κυματομορφής (συνήθως είναι πριονωτή), καθορίζει τη συχνότητα μετάβασης. Στον έλεγχο με PWM η συχνότητα αυτή διατηρείται σταθερή και επιλέγεται σε μια περιοχή από μερικά khz μέχρι μερικές εκατοντάδες khz. Όταν το ενισχυμένο σήμα σφάλματος, που μεταβάλλεται πολύ αργά με το χρόνο σε σχέση με τη συχνότητα μετάβασης, είναι μεγαλύτερο από την πριονωτή κυματομορφή, το σήμα ελέγχου του διακόπτη γίνεται high, προκαλώντας το κλείσιμο του διακόπτη. Διαφορετικά, ο διακόπτης είναι ανοιχτός. Σύμφωνα με το Σχ.2-12, η σχετική διάρκεια αγωγής μπορεί να εκφραστεί, ως συνάρτηση της υ control και του πλάτους της πριονωτής κυματομορφής V st, με τη σχέση Οι μετατροπείς dc-dc μπορούν να λειτουργούν με δύο διαφορετικούς τρόπους: (1) με αγωγή συνεχούς ρεύματος και (2) με αγωγή ασυνεχούς ρεύματος. Στην πράξη, ένας μετατροπέας μπορεί να λειτουργεί και με τους δύο τρόπους, οι οποίοι έχουν έντονα διαφορετικά χαρακτηριστικά. Για τον λόγο αυτό, ένας μετατροπέας και ο έλεγχός του πρέπει να σχεδιάζονται με βάση και τους δύο τρόπους λειτουργίας [27]. 61

76 Σχήμα 2.23: Διαμόρφωση Πλάτους Παλμού (PWM): (α) λειτουργικό διάγραμμα, (β) σήμα συγριτή. Στο Σχ.2-24 δίνεται ένας dc-dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης (step-up ή boost converter). Η κύρια εφαρμογή του είναι στα dc διακοπτικά τροφοδοτικά και στην πέδηση dc κινητήρων με ανάκτηση ισχύος. Όπως υποδηλώνει το όνομά του, η τάση εξόδου είναι πάντα μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, απομονώνοντας έτσι τη βαθμίδα εξόδου. Η είσοδος παρέχει ενέργεια στο πηνίο. Όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, η βαθμίδα εξόδου απορροφά ενέργεια από το πηνίο και από την είσοδο. Στη μόνιμη κατάσταση ισορροπίας ο πυκνωτής εξομάλυνσης θεωρείται πολύ μεγάλος, ώστε να εξασφαλίζει μια σταθερή τάση εξόδου 62

77 Σχήμα 2.24: DC-DC μετατροπέας ανύψωσης τάσης Αντιστροφείς dc-ac διακοπτικού τύπου Οι αντιστροφείς dc-ac διακοπτικού τύπου χρησιμοποιούνται σε ac κινητήρια συστήματα και σε ac τροφοδοτικά αδιάλειπτης λειτουργίας, όπου ο αντικειμενικός σκοπός είναι η παραγωγή μιας ημιτονοειδούς ac τάσης εξόδου, με ελεγχόμενα τόσο το πλάτος της όσο και τη συχνότητά της. Ο αντιστροφέας αυτός δέχεται dc τάση ως είσοδο και παράγει την επιθυμητή ac τάση εξόδου. Ως είσοδος των αντιστροφέων διακοπτικού τύπου θα υποτεθεί μια πηγή dc τάσης. Τέτοιοι αντιστροφείς αναφέρονται ως αντιστροφείς πηγής τάσης (voltage-source inverters, VSI). Στους αντιστροφείς με Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM) η dc τάση εισόδου έχει ουσιαστικά σταθερό πλάτος. Επομένως, ο αντιστροφέας πρέπει να ελέγχει το πλάτος και τη συχνότητα των ac τάσεων εξόδου. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διαμόρφωση του εύρους των παλμών των διακοπτών του αντιστροφέα και έτσι τέτοιοι αντιστροφείς ονομάζονται αντιστροφείς με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM). Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι διαμόρφωσης PWM των διακοπτών του αντιστροφέα με σκοπό την επίτευξη ac τάσεων εξόδου που να πλησιάζουν την ημιτονοειδή κυματομορφή. Από τις διάφορες αυτές μεθόδους διαμόρφωσης PWM, θα εξεταστεί η ημιτονοειδής διαμόρφωση PWM [27]. Στο Σχ.2-25α βλέπουμε ένα μονοφασικό αντιστροφέα, ο οποίος δίνεται με μορφή λειτουργικού διαγράμματος. Η τάση εξόδου του αντιστροφέα εξομαλύνεται, έτσι ώστε η υ ο να μπορεί να θεωρηθεί ημιτονοειδής. Αν ο αντιστροφέας τροφοδοτεί ένα 63

78 επαγωγικό φορτίο, για παράδειγμα έναν ac κινητήρα, το i o θα καθυστερεί σε σχέση με υ o, όπως φαίνεται στο Σχ.2-25β. Στις κυματομορφές της εξόδου του Σχ.2-25β φαίνεται ότι κατά το χρονικό διάστημα 1, οι τιμές των υ o και i o είναι και οι δύο θετικές, ενώ κατά το χρονικό διάστημα 3, οι τιμές των υ o και i o είναι και οι δύο αρνητικές. Επομένως, κατά τα χρονικά διαστήματα 1 και 3, η στιγμιαία ροή ισχύος po(=υ o i o ) είναι από τη dc πλευρά προς την ac πλευρά, αντιστοιχώντας σε λειτουργία αντιστροφέα. Αντίθετα, οι τιμές των υ o και i o είναι ετερόσημες κατά τα χρονικά διαστήματα 2 και 4 και επομένως η p o ρέει από την ac πλευρά προς τη dc πλευρά του αντιστροφέα, αντιστοιχώντας σε λειτουργία ανορθωτή. Για το λόγο αυτό, κατά τη διάρκεια κάθε περιόδου της ac εξόδου, ο αντιστροφέας διακοπτικού τύπου του Σχ.2-25α, πρέπει να μπορεί να λειτουργεί και στα τέσσερα τεταρτημόρια του επιπέδου i o -υ o, όπως φαίνεται στο Σχ.2-25γ [27]. Σχήμα 2.25: Μονοφασικός αντιστροφέας διακοπτικού τύπου. 64

79 Ένας αντιστροφέας με πλήρη γέφυρα φαίνεται στο Σχ Με την ίδια dc τάση εισόδου, η μέγιστη τάση εξόδου του αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα είναι διπλάσια εκείνης του αντιστροφέα με μισή γέφυρα. Αυτό σημαίνει ότι για την ίδια ισχύ, το ρεύμα εξόδου και τα ρεύματα των διακοπτών είναι το μισό εκείνων του αντιστροφέα με μισή γέφυρα. Σε υψηλά επίπεδα ισχύος, αυτό είναι ιδιαίτερο πλεονέκτημα, εφόσον απαιτεί λιγότερους παραλληλισμούς ημιαγωγικών στοιχείων. Τα ζεύγη των διακοπτών (Τ Α+, Τ Β_ ) και (Τ Α_, Τ Β+ ) από τα δύο σκέλη του Σχ.2-26 αλλάζουν κατάσταση ως ζεύγη διακοπτών 1 και 2 αντίστοιχα. Με το είδος αυτό της μετάβασης με διαμόρφωση PWM, η κυματομορφή της τάσης εξόδου του σκέλους Α καθορίζεται με σύγκριση του υ control και της υ tri στο Σχ.2-27α. Η έξοδος του σκέλους Β του αντιστροφέα είναι αντίθετη της εξόδου του σκέλους Α. Στο Σχ.2-27β, παρατηρείται ότι η τάση εξόδου υ ο μεταβαίνει μεταξύ των επιπέδων τάσης -V d και V d. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτή η μορφή μετάβασης ονομάζεται διαμόρφωση ΡWΜ με διπολική τάση εξόδου [27]. Η συχνότητα f s της τριγωνικής κυματομορφής u tri του Σχ.2.16α καθορίζει τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα και λέγετε συχνότητα μετάβασης (switching frequency). Το σήμα ελέγχου u control χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της σχετικής διάρκειας αγωγής και έχει μια συχνότητα f 1, η οποία είναι η επιθυμητή θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα (η f 1 ονομάζεται και συχνότητα διαμόρφωσης, modulating frequency). Ο συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους (amplitude modulation ratio) m a ορίζεται ως [27]: m a u u control tri όπου u control είναι το πλάτος του σήματος ελέγχου. Το πλάτος u tri του τριγωνικού σήματος διατηρείται γενικά σταθερό. Ο συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας (frequency modulation ratio) m f ορίζεται ως [27]: m f f f s 1 65

80 Σχήμα 2.26: Μονοφασικός αντιστροφέας με πλήρη γέφυρα [28]. Σχήμα 2.27: Διαμόρφωση PWM με διπολική τάση εξόδου [28]. Στη διαμόρφωση PWM με μονοπολική τάση εξόδου οι διακόπτες στα δύο σκέλη του αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα του σχήματος 2.26 δεν αλλάζουν κατάσταση ταυτόχρονα, όπως στην προηγούμενη διάταξη με διπολική διαμόρφωση PWM. Εδώ 66

81 τα σκέλη Α και Β του αντιστροφέα με πλήρη γέφυρα ελέγχονται ξεχωριστά με σύγκριση της u tri με τα u control και - u control αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στο σχήμα 2.28α, η σύγκριση του u control με την τριγωνική κυματομορφή έχει ως αποτέλεσμα τα ακόλουθα σήματα για τον έλεγχο των διακοπτών του σκέλους Α: u u : T on u V control tri A AN d u u : T on u 0 control tri A AN Η τάση εξόδου του σκέλους Α του αντιστροφέα σε σχέση με τον αγωγό Ν που φέρει την αρνητική dc τάση φαίνεται στο σχήμα 2.28β. Για τον έλεγχο των διακοπτών του σκέλους Β το (- u control ) συγκρίνεται με την ίδια τριγωνική κυματομορφή, δίνοντας τα ακόλουθα: ( u ) u : T on u V control tri B BN d ( u ) u : T on u 0 control tri B BN Εξαιτίας των διόδων ανατροφοδότησης που συνδέονται αντιπαράλληλα προς τους διακόπτες, οι τάσεις που δίνονται από τις παραπάνω εξισώσεις είναι ανεξάρτητες από τη φορά του ρεύματος εξόδου i o [27]. Σ' αυτήν τη διάταξη διαμόρφωσης PWM, όταν συμβαίνει μια μετάβαση, η τάση εξόδου αλλάζει μεταξύ των επιπέδων τάσης 0 και +V d ή μεταξύ των 0 και - V d. Για τον λόγο αυτό, αυτή η μορφή διαμόρφωσης PWM ονομάζεται διαμόρφωση εύρους παλμού με μονοπολική τάση εξόδου, σε αντίθεση με τη διάταξη PWM με διπολική τάση εξόδου (μεταξύ + V d και - V d ) που περιγράφηκε παραπάνω. Η διάταξη αυτή έχει το πλεονέκτημα του διπλασιασμού της συχνότητας μετάβασης όσον αφορά τις αρμονικές εξόδου, σε σύγκριση με τη διάταξη διπολικής μετάβασης τάσης. Επίσης, τα άλματα της τάσης εξόδου σε κάθε μετάβαση μειώνονται σε V d από 2 V d στην προηγούμενη διάταξη [27]. 67

82 Σχήμα 2.28:Διαμόρφωση PWM με μονοπολική τάση εξόδου. Το πλεονέκτημα του διπλασιασμού της συχνότητας μετάβασης εμφανίζεται στο φάσμα της τάσης εξόδου, όπου οι χαμηλότερες αρμονικές εμφανίζονται ως πλευρικές ζώνες σε συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους. Αυτό είναι εύκολο να γίνει κατανοητό σ' ένα μονοφασικό αντιστροφέα, αν επιλεγεί άρτιος συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας m f (ο m f πρέπει να είναι περιττός στη διαμόρφωση PWM 68

83 με διπολική τάση εξόδου). Οι κυματομορφές της τάσης U AN και U BN μετατοπίζονται κατά 180 από τη θεμελιώδη συχνότητα f 1, η μία σε σχέση με την άλλη. Επομένως, οι αρμονικοί όροι στη συχνότητα μετάβασης στις U AN και U BN έχουν την ίδια φάση (φ ΑΝ - φ ΒΝ = 180 m f = 0, εφόσον οι κυματομορφές είναι κατά 180 μετατοπισμένες και ο m f θεωρείται άρτιος). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απαλοιφή του αρμονικού όρου στη συχνότητα μετάβασης στην τάση εξόδου u o = U AN U BN. Επίσης, εξαλείφονται οι πλευρικές ζώνες των αρμονικών της συχνότητας μετάβασης. Κατά παρόμοιο τρόπο, εξαλείφεται η άλλη κύρια αρμονική με συχνότητα διπλάσια της θεμελιώδους, ενώ οι πλευρικές ζώνες της παραμένουν.[27] 2.7 Μονάδες αποθήκευσης Μέχρι σήμερα δεν έχει βρεθεί οικονομικός τρόπος για αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό φορτίο, προκαλεί σημαντική οικονομική επιβάρυνση στη λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων. Οι υδροαντλητικοί σταθμοί είναι ο πλέον διαδεδομένος τρόπος αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας κατά τις νυχτερινές ώρες χαμηλού φορτίου και η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια τις ώρες μεγίστου φορτίου. Άλλες μέθοδοι αποθήκευσης ενέργειας, όπως η αποθήκευση συμπιεσμένου αέρα σε υπόγεια σπήλαια ή η θέρμανση νερού και η αξιοποίηση της τις ώρες μεγίστου φορτίου, έχουν περιορισμένη εφαρμογή. Η σημερινή όμως μορφή των ηλεκτρικών φορτίων, που περιλαμβάνει αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής ή εργαλεία μηχανών, ρομπότ, ηλεκτρονικά ισχύος, προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές και τροφοδοσίες υπολογιστών, απαιτεί αξιόπιστη και υψηλής ποιότητας παροχή ηλεκτρικής ισχύος. Οι απαιτήσεις αυτές, περιορισμένες κατά το παρελθόν λόγω των χρησιμοποιούμενων ηλεκτρομηχανικών συσκευών και της μικρότερης αυτοματοποίησης της παραγωγής και χρήσης των συστημάτων πληροφορικής, σήμερα εμφανίζονται εντονότερες, λόγω και της εξελισσόμενης απελευθέρωσης της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μονάδες αποθήκευσης έχουν πολύ σημαντικό ρόλο στα μικροδίκτυα, ειδικά στην αυτόνομη λειτουργία τους αφού υποκαθιστούν τις μονάδες παραγωγής [8]. 69

84 2.7.1 Συσσωρευτές Παρ' όλο που μια ποικιλία μεθόδων αποθήκευσης της ενέργειας είναι υπό μελέτη (πίνακας 2.3) η πλειονότητα των αυτόνομων συστημάτων σήμερα χρησιμοποιεί ως μέσον αποθήκευσης τη μπαταρία. Σημαντική εξαίρεση αποτελούν τα συστήματα άντλησης νερού, στα οποία η αποθήκευση του αντλούμενου νερού είναι η προτιμότερη διέξοδος. Οι μπαταρίες στην κοινή τους χρήση τους είναι ως επί το πλείστον μπαταρίες μολύβδου-οξέος, λόγω της ευκολίας απόκτησης τους και της σχέσης κόστους-απόδοσης. Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου χρησιμοποιούνται κυρίως σε μικρότερες εφαρμογές, λόγω της αντοχής τους, μηχανικής και ηλεκτρικής και λόγω του υψηλού τους κόστους ανά ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας. Γι' αυτό το λόγο έχει σταματήσει η ευρύτερη χρήση τους στα φωτοβολταϊκά συστήματα [16]. Πίνακας 2.3: Μερικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Οι μπαταρίες στα ΦΒ συστήματα λειτουργούν κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, οι οποίες πρέπει να έχουν προβλεφθεί κατά τη σχεδίαση του συστήματος, καθώς αυτές επηρεάζουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και την αποτελεσματικότητα της λειτουργίας της. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό τους είναι η κυκλική τους λειτουργία με διαφορετική κανονικότητα (σχήμα 2.29). Κατά τον ημερήσιο κύκλο, η μπαταρία φορτίζεται κατά τη διάρκεια της ημέρας και εκφορτίζεται στη διάρκεια της νύκτας. Το βάθος της εκφόρτισης κατά τον ημερήσιο κύκλο για τα συστήματα χωρίς εφεδρική πηγή είναι πάντοτε σχετικά μικρό. Επάνω στον ημερήσιο κύκλο υπερτίθεται ο κλιματολογικός κύκλος ανάλογα με τις μεταβαλλόμενες καιρικές συνθήκες. Αυτός ο κύκλος συμβαίνει οποτεδήποτε το ημερήσιο φορτίο ξεπερνά τη μέση παροχή ενέργειας από τη ΦΒ γεννήτρια [16]. 70

85 Σχήμα 2.29: Κυκλική λειτουργία της μπαταρίας στα ΦΒ συστήματα. Σε συστήματα, στα οποία η αξιοπιστία δεν είναι η υπέρτατη σπουδαιότητα, η μπαταρία ίσως να ενεργεί ως ένας εποχιακός αποθηκευτής. Σ' αυτή την περίπτωση ο κύκλος κλίματος εκτείνεται πάνω σ' ένα σημαντικό τμήμα της εποχής (σχήμα 2.30). Οι λεπτομέρειες της κυκλικής λειτουργίας εξαρτώνται από την επιθυμητή αξιοπιστία του συστήματος και από τη σχέση μεταξύ της ικανότητας αποθήκευσης και του μεγέθους της ΦΒ γεννήτριας. Σχήμα 2.30: Ο εποχιακός κύκλος. Η μπαταρία μολύβδου-οξέος περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόδια μολύβδου και διοξειδίου του μολύβδου και τον ηλεκτρολύτη του θειϊκού οξέος διαλυμένο με νερό. Στις πρακτικές κατασκευές τα ηλεκτρόδια σχηματίζονται από πλέγμα μολύβδου (μερικές φορές σε μορφή κράματος με ασβέστιο ή αντιμόνιο), όπου το ενεργό υλικό 71

86 φέρεται με τη μορφή μιας πορώδους δομής, η οποία προσφέρει μια μεγάλη περιοχή επιφάνειας για χημικές αντιδράσεις με τον ηλεκτρολύτη. Οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μπαταρίας παρουσιάζονται στο (σχήμα 2.31). Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, το οξείδιο του μολύβδου σχηματίζεται στην κάθοδο και το θεϊκό οξύ ελευθερώνεται μέσα στον ηλεκτρολύτη. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, σχηματίζεται ο θειϊκός μόλυβδος και στα δύο ηλεκτρόδια και το θειϊκό οξύ απομακρύνεται από τον ηλεκτρολύτη [16]. Μια τυπική συμπεριφορά της τάσης κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης μιας μπαταρίας μολύβδου-οξέος παρουσιάζεται στο σχήμα (2.32). Φαίνεται ότι η χωρητικότητα της μπαταρίας ελαττώνεται εμφανώς, όταν εκφορτίζεται με έντονο ρυθμό. Για παράδειγμα, μια μπαταρία με μια ονομαστική χωρητικότητα που έχει προσδιοριστεί με εκφόρτιση στις 10 ώρες, μπορεί να αυξήσει εμφανώς τη χωρητικότητα της όταν η εκφόρτιση διαρκέσει 100 ώρες, μια διάρκεια η οποία χρησιμοποιείται σε πολλές φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Αυτό το χαρακτηριστικό πρέπει να ληφθεί υπόψη, όταν σχεδιάζεται η αποθήκευση ενέργειας ενός Φ.Β. συστήματος, γιατί πολλά λειτουργούν κάτω από διαφορετικές συνθήκες από αυτές που καθορίζουν οι κατασκευαστές της μπαταρίας [16]. Σχήμα 2.31: Λειτουργία μπαταρίας μολύβδου-οξέος. 72

87 Σχήμα 2.33: Χαρακτηριστικά εκφόρτισης μπαταρίας κάτω από διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισης. Η συμπεριφορά της τάσης κατά τη διάρκεια φόρτισης παρουσιάζεται στο σχήμα Μετά από μια σχετικά αργή αύξηση έως τα 2.35 V περίπου ανά στοιχείο υπάρχει μια απότομη αύξηση τάσης που συνοδεύεται από έκλυση αερίου - γένεση υδρογόνου και οξυγόνου στα ηλεκτρόδια. Αυτές οι χημικές αντιδράσεις συνεπάγονται ποικίλες διαδικασίες (δηλητηρίαση), οι οποίες συνοδεύουν τη λειτουργία της μπαταρίας και μειώνουν τη διάρκεια ζωής της ή αυξάνουν τις απαιτήσεις συντήρησης. Η έκλυση αερίου αυξάνει την ανάγκη για συντήρηση και ίσως παρουσιάζει κίνδυνο ασφαλείας. Σε μέτρια επίπεδα, αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πλεονέκτημα γιατί ελαττώνει τη στρωμάτωση του ηλεκτρολύτη. Η επαναλαμβανόμενη ανάπτυξη και διάλυση του μολύβδου, του οξειδίου του μολύβδου και του θειϊκού άλατος με διαφορετικούς ειδικούς όγκους συνοδεύεται από μηχανικές τάσεις στα ηλεκτρόδια. Αυτές οι τάσεις, στη συνέχεια, έχουν αποτέλεσμα την απόρριψη ενεργού υλικού από τα ηλεκτρόδια. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να συμβεί και κάποια άλλη στιγμή κατά τη διάρκεια της έντονης έκλυσης αερίου [16]. 73

88 Σχήμα 2.33: Χαρακτηριστική φόρτισης μπαταρίας. Η θείωση είναι ένας σχηματισμός μεγάλων κρυστάλλων θειϊκού μολύβδου στις πλάκες, οι οποίες εμποδίζουν τις αμφίδρομες χημικές αντιδράσεις. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει κυρίως όταν η μπαταρία παραμένει σε μια κατάσταση χαμηλής φόρτισης για εκτεταμένες χρονικές περιόδους. Η λειτουργία της μπαταρίας τείνει να υποβοηθά μια μη ομοιόμορφη κατανομή του ηλεκτρολύτη, στην οποία ο ηλεκτρολύτης με την υψηλότερη πυκνότητα συγκεντρώνεται στο κάτω μέρος του δοχείου της μπαταρίας. Αυτή η στρωματοποίηση του ηλεκτρολύτη ενισχύει την οξείδωση και τη θείωση του κάτω μέρους του αρνητικού ηλεκτροδίου, μπορεί ωστόσο να αποφευχθεί με μια κανονική εβδομαδιαία υπερφόρτιση στη διάρκεια της οποίας η έκλυση αερίου χρησιμοποιείται για την ανάδευση του ηλεκτρολύτη. Μια καλή πρακτική είναι να δίνεται στις μπαταρίες μια αντισταθμιστική φόρτιση στο τέλος μιας περιόδου, όταν η μπαταρία θα έχει λειτουργήσει σε κατάσταση χαμηλού φορτίου (κανονικά στο τέλος του χειμώνα). Αυτό το πρόσθετο φορτίο, το οποίο για λίγο υπερφορτίζει τη μπαταρία εξασφαλίζει ότι όλα τα στοιχεία είναι πλήρως επαναφορτισμένα [16]. Διάβρωση ηλεκτροδίου συμβαίνει ιδιαίτερα με την ανάπτυξη του θετικού μολύβδινου πλέγματος και επιταχύνεται με υψηλές θερμοκρασίες. Η σχεδίαση της αποθηκευτικής ικανότητας της μπαταρίας πρέπει επίσης να εξασφαλίζει ότι ο ηλεκτρολύτης δε θα παγώνει κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της σε τοποθεσίες, που η θερμοκρασία μπορεί να πέσει σε χαμηλά επίπεδα. Αυτό μπορεί να αποφευχθεί με τη διατήρηση μιας σχετικά υψηλής πυκνότητας του ηλεκτρολύτη είτε με μια 74

89 υψηλή κατάσταση φόρτισης ή ακόμη και με την αύξηση της πυκνότητας του ηλεκτρολύτη πάνω από το συνηθισμένο μέτρο. Μολονότι ειδικές Φ.Β. μπαταρίες είναι τώρα διαθέσιμες στην αγορά, οι περισσότερες μπαταρίες, οι οποίες συνήθως εγκαθίστανται στα Φ.Β. συστήματα, είναι αυτές που αρχικά προορίζονται για συμβατικές εφαρμογές ή προσαρμοσμένες για να ταιριάζουν στη συγκεκριμένη μέθοδο λειτουργίας του Φ.Β. συστήματος. Οι τρείς βασικές τάξεις των μπαταριών μολύβδου οξέος καταγράφονται στον πίνακα 2.4. Πίνακας 2.4: Μερικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας [16] Σφόνδυλοι - Flywheel Ταχέως περιστρεφόμενοι δίσκοι ή κύλινδροι χρησιμοποιούνται ευρέως για την αποθήκευση κινητικής ενέργειας, που μετατρέπεται εύκολα σε ηλεκτρική με τη σύζευξή τους σε μια γεννήτρια. Ο περιοριστικός παράγοντας για την αποθήκευση της ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν οι απώλειες στα έδρανα στήριξης του σφονδύλου. Πρόσφατα όμως, η ανάπτυξη της υπεραγώγιμης έδρασης, υπόσχεται να ελαττώσει την τριβή κατά δύο τάξεις μεγέθους, για αποθήκευση ενέργειας στη περιοχή των 10 KWh [8]. Στην απλούστερή της μορφή η υπεραγώγιμη έδραση αποτελείται από ένα μόνιμο μαγνήτη, αιωρούμενο σε μια σταθερή θέση πάνω από ένα υπεραγωγό. Οι υπεραγωγοί έχουν την ιδιότητα να αποκλείουν τη δίοδο της μαγνητικής ροής από το εσωτερικό τους, δρώντας ως διαμαγνητικά υλικά. Αυτή η ιδιότητα έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση βορείου πόλου όταν σε αυτόν πλησιάζουμε το βόρειο πόλο ενός μόνιμου μαγνήτη, γιατί στον υπεραγωγό εμφανίζονται ρεύματα με τέτοια φορά ώστε να αποκλείουν τη δίοδο της μαγνητικής ροής από το εσωτερικό τους. 'Έτσι, 75

90 αναπτύσσεται μια απωθητική δύναμη μεταξύ του μόνιμου μαγνήτη και του υπεραγωγού, που αυξάνει όσο μικραίνει η απόστασή τούς. Αυτό δημιουργεί μια ευσταθή κατάσταση αιώρησης κατά τον κατακόρυφο άξονα, αν η διεύθυνση μαγνήτισης του μόνιμου μαγνήτη είναι κατακόρυφη. Για να επιτύχουμε και οριζόντια ευστάθεια, ο υπεραγωγός δημιουργεί κοιλότητα μέσα στην οποία εισέρχεται ο μόνιμος μαγνήτης, ώστε να περιβάλλεται από κατακόρυφα υπεραγώγιμα τοιχώματα. Κρυσταλλικές ανωμαλίες στον υπεραγωγό, δημιουργούν περιοχές που δεν έχουν την υπεραγώγιμη ιδιότητα και στις οποίες παγιδεύονται μαγνητικές γραμμές. Αυτή την ιδιότητα την εκμεταλλευόμαστε για την ανάπτυξη δυνάμεων συγκράτησης του μόνιμου μαγνήτη και του υπεραγωγού, γιατί οι μαγνητικές γραμμές δρουν σαν ελατήρια σύνδεσης μεταξύ τους. 'Όσο η κατανομή της μαγνητικής ροής δεν αλλάζει στον υπεραγωγό, η περιστροφή του μόνιμου μαγνήτη δε συναντά αντίσταση. Όμως, κατακόρυφες ή οριζόντιες μετακινήσεις του μαγνήτη προκαλούν ανακατανομή των μαγνητικών γραμμών και την εμφάνιση του φαινομένου της υστέρησης, που είναι υπεύθυνο για τις μικρές απώλειες της υπεραγώγιμης έδρασης [8] Υπεραγώγιμα πηνία Μαγνητική ενέργεια αποθηκευμένη σε υπεραγώγιμα πηνία (Superconducting Μagnetic Energy Storage (SMES)) χρησιμοποιείται όταν χρειαζόμαστε μεγάλη ισχύ (της τάξης των MW) για μικρό χρονικό διάστημα της τάξης μερικών δευτερολέπτων (30 MJ υπεραγώγιμα πηνία διατίθενται στο εμπόριο). Η ενέργεια αποθηκεύεται σε ένα ηλεκτρομαγνήτη, που δημιουργείται από τη ροή συνεχούς ρεύματος σε ένα πηνίο από υπεραγώγιμα υλικά. Για να διατηρηθεί σε υπεραγώγιμη κατάσταση το πηνίο εμβαπτίζεται σε υγρό ήλιο σε θερμοκρασία 4.2 Κ, που περιέχεται σε ένα κρυογενητικό δοχείο με μόνωση κενού (για συσκευές 30 MJ η επαγωγή του πηνίου είναι 2.6Η, το ονομαστικό ρεύμα 5ΚΑ και το μέγιστο μαγνητικό πεδίο 3Τ). Η φόρτιση και η εκφόρτιση του υπεραγώγιμου πηνίου επιτυγχάνεται με ελεγχόμενούς μετατροπείς ισχύος [8]. 76

91 2.7.4 Πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας Super Capacitors Είναι μεγάλης χωρητικότητας ηλεκτροχημικές συσκευές οι οποίες αποθηκεύουν ενέργεια με ηλεκτροστατικό τρόπο. Αποτελούνται από δυο ηλεκτρόδια που τοποθετούνται πολύ κοντά. Η αποθηκευμένη ενέργεια εξαρτάται από τις διαστάσεις της επιφάνειάς τους. Η αποθηκευμένη ενέργεια εμφανίζεται σαν ένα συνεχές πεδίο και απαιτείται ένας μετατροπέας για τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης. Έχουν μεγάλο βάθος εκφόρτισης και μπορούν να ανταπεξέλθουν πολύ γρήγορα όταν υπάρχει εναλλαγή φορτίου σε ένα μικροδίκτυο, γιατί μπορούν να αποδώσουν σημαντική ποσότητα ενέργειας σε μικρό χρόνο. Οι τιμές χωρητικότητάς τους είναι των εκατοντάδων Farad, αρκετές φορές μεγαλύτερες από τις συμβατικές μπαταρίες. Η απόδοσή τους είναι της τάξης του 85% με 98% σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και υγρασίας. Υπάρχουν στο εμπόριο συσκευές της τάξης των 2MVA και με δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας της τάξης των 400kJ [28] Πεπιεσμένος Αέρας Αντλίες Υδρογόνο Η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί στη μορφή πεπιεσμένου αέρα, αποθήκευσης νερού μέσω αντλιών ή παραγωγής υδρογόνου για τη χρήση σε κυψέλες καυσίμου. Ο πεπιεσμένος αέρας αποθηκεύεται και μετά χρησιμοποιείται μέσω ενός στροβίλου για παραγωγή ενέργειας με ηλεκτρομηχανική μετατροπή. Με παρόμοιο έμμεσο τρόπο, μπορεί να αποθηκεύεται νερό στην περίσσεια ενέργεια και μετά να χρησιμοποιείται σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Το νερό αντλείται σε ταμιευτήρες υψηλότερης στάθμης και όταν χρειάζεται ενέργεια, οι αντλητικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες, παρέχοντας ισχύ στο μικροδίκτυο. Τέλος, η ενέργεια μπορεί να είναι αποθηκευμένη στη μορφή καυσίμου για χρήση σε κυψέλες καυσίμου [29]. 77

92 78

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΥΠΑΧΟΝΤΟΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 3.1 Ανάλυση υπάρχοντος μικροδικτύου στο ΕΗΕ Εν έτει 2008 ξεκίνησε μια πετυχημένη προσπάθεια από προπτυχιακούς φοιτητές να σχεδιαστεί στο εργαστήριο ηλεκτρική ενέργειας του τμήματος ΗΜΤΥ του πανεπιστημίου Πατρών, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα με δυνατότητα τόσο της αυτόνομης λειτουργίας όσο και της διασυνδεδεμένης λειτουργίας στο δίκτυο της ΔΕΗ [30]. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής, που ως στόχο έχει την ανάλυση και κατασκευή ενός μικροδικτύου καθώς και την παρατήρηση της συμπεριφοράς αυτού κατά τη λειτουργία του, κρίθηκε σκόπιμο να χρησιμοποιηθεί ο υπάρχων εξοπλισμός και να εμπλουτιστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να μετατραπεί σε μικροδίκτυο. Το καινούριο σύστημα, ωστόσο, θα διατηρεί την δυνατότητα σύνδεσης με το δίκτυο της ΔΕΗ. Οι δυνατότητες λειτουργίας του συστήματος και οι αντίστοιχες συνδεσμολογίες των επιμέρους τμημάτων θα αναλυθούν εκτενώς σε επόμενη ενότητα. Οι συνιστώσες του νέου συστήματος, είναι οι παρακάτω: Φωτοβολταϊκά πλαίσια. Ανεμογεννήτρια Συσσωρευτές Μετατροπείς Το εργαστήριο ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας πρόκειται να προσθέσει στο μέλλον μια ανεμογεννήτρια και μια ντιζελογεννήτρια και ότι άλλο χρειαστεί για την αναβάθμιση του υπάρχοντος συστήματος. Η ανεμογεννήτρια αναμένεται να συνδεθεί σύντομα στο μικροδίκτυο και αποτελεί αντικείμενο άλλης διπλωματικής. Σημειώνεται ότι κατά τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής πραγματοποιήθηκε συμπληρωματικά μια μελέτη για την εισαγωγή μια ντιζελογεννήτριας στο σύστημα, η οποία αναμένεται να προστεθεί από το εργαστήριο στο εγγύς μέλλον. Στο σχήμα 3.1 παρουσιάζεται το επεξηγηματικό σχέδιο του μικροδικτύου που έχει κατασκευαστεί συμπεριλαμβανομένων των προσθηκών που πρόκειται να γίνουν. 79

94 Σχήμα 3.1: Επεξηγηματικό σχέδιο της εγκατάστασης. Στο παραπάνω σχέδιο βλέπουμε ότι οι πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι τρεις φωτοβολταϊκές συστοιχίες και μια ανεμογεννήτρια, ενώ σα βοηθητική πηγή χρησιμοποιείται μια ντιζελογεννήτρια. Κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία συνδέεται μέσω ενός μετατροπέα σε ένα AC ζυγό (AC bus) και από εκεί μπορεί να τροφοδοτήσει όποιο φορτίο συνδέσουμε. Η Φ/Β συστοιχία μπορεί επίσης, να συνδεθεί στο δίκτυο μέσω του μετατροπέα και να παρέχει σε αυτό ισχύ, αντί σε κάποιο τοπικό φορτίο. Το AC bus στην παρούσα εγκατάσταση μπορεί να είναι είτε τριφασικό είτε μονοφασικό. Η ανεμογεννήτρια έχει την δυνατότητα να συνδεθεί τόσο στο AC bus(περίπτωση 1 στο σχήμα) και να παρέχει και αυτή με τη σειρά της ισχύ στο φορτίο ή να συνδεθεί στο DC ζυγό ή DC bus (περίπτωση 2) μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Η μελέτη της ανεμογεννήτριας στην παρούσα διπλωματική εργασία βασίζεται στην περίπτωση 1, που είναι και ο επιθυμητός τρόπος αξιοποίησης της στο μικροδίκτυο. Στο DC ζυγό είναι συνδεδεμένοι οι συσσωρευτές και ο μετατροπέας των συσσωρευτών. Αυτός ο μετατροπέας μπορεί να αναλάβει είτε την φόρτιση των συσσωρευτών, είτε την αξιοποίηση της αποθηκευμένης ενέργειας τους. Αποτελεί δηλαδή, έναν δικατευθυντήριο μετατροπέα ισχύος, ο οποίος επιτελεί μετατροπή DC/AC ή AC/DC. Για την ακρίβεια όταν οι πηγές ενέργειας καλύπτουν το φορτίο και υπάρχει περίσσεια ισχύος, τότε ο μετατροπέας στέλνει την υπόλοιπη ισχύ στους συσσωρευτές και τους φορτίζει. Αντίθετα όταν η παρεχόμενη από τις πηγές ενέργειας 80

95 ισχύς δεν καλύπτει το φορτίο, ο μετατροπέας φροντίζει να καλύπτεται το έλλειμμα ισχύος εκφορτίζοντας τους συσσωρευτές. Σε περίπτωση της απομονωμένης λειτουργίας, όταν το άθροισμα της ισχύος των πηγών ενέργειας και των συσσωρευτών δεν επαρκεί για την κάλυψη του φορτίου, συνδέεται η ντιζελογεννήτρια, η οποία παρέχει την υπολειπόμενη ισχύ. Τη σύνδεση της ντιζελογεννήτριας στο σύστημα, όταν αυτή είναι επιθυμητή, την πραγματοποιεί ο μετατροπέας των συσσωρευτών. Ο μετατροπέας επίσης διαθέτει τη δυνατότητα σύνδεσης με το δίκτυο, παρέχοντας έτσι έναν επιπλέον τρόπο φόρτισης των συσσωρευτών Φωτοβολταϊκά πλαίσια Τα Πλαίσια που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα SQ-80p της εταιρίας Shell [31]. Είναι κατασκευασμένα από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο και φέρουν προεγκατεστημένη δίοδο Bypass. Ο αριθμός 80 στην ονομασία του πλαισίου υποδηλώνει την ισχύ του. Στο αρχικό σύστημα (έτος 2010) ήταν εγκατεστημένα 36 φωτοβολταϊκά πλαίσια συνολικής ισχύος 2880W. Τα πλαίσια είναι εγκατεστημένα στην ταράτσα του εργαστηρίου και για να μην καταστραφεί η μόνωσή τους, έχουν στηριχθεί στο στηθαίο. Οι βάσεις είναι ενός άξονα κίνησης, δηλαδή μπορούσε να επιλεχθεί μόνο η κλίση και για αυτό το λόγο έχουν τοποθετηθεί με προσανατολισμό προς το νότο. Με την πάροδο του χρόνου και λόγω της απουσίας της συντήρησης και της ελάχιστης επιτήρησής τους, πραγματοποιήθηκαν φθορές (λογικά οφείλονται σε καιρικά φαινόμενα, όπως ο αέρας), ανάμεσα στις οποίες ήταν πολλές κατεστραμμένες καλωδιώσεις και αρκετά φθαρμένα πλαίσια. Εντοπίσαμε τα πλαίσια που λειτουργούσαν ορθά και τα επανασυνδέσαμε με ασφαλέστερο τρόπο ώστε να είναι πιο ανθεκτικά σε ανέμους, ενώ επίσης, πραγματοποιήσαμε συντήρηση στις βάσεις στήριξης. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να έχουμε στην κατοχή μας πλέον 24 πλαίσια συνολικής ισχύος 1920W. Σημειώνεται ότι έχει δρομολογηθεί από το εργαστήριο η επέκταση τους στα 2880W,δηλαδή να αντικατασταθούν τα υπόλοιπα δώδεκα πλαίσια που είχαν φθαρεί. Για λόγους που θα αναλυθούν αργότερα, αυτή περίπου η ισχύς είναι και η μέγιστη που μπορεί να συνδεθεί στους μετατροπείς που υπάρχουν στο εργαστήριο. 81

96 Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του φωτοβολταϊκού πλαισίου φαίνονται στον πίνακα 2.1. Isc 5,35A Voc 21,8V Imp 4,53A Vmp 16,9V Pmp 80W Πίνακας 2.1: Χαρακτηριστικά Φ/Β πλαισίου. Στο σχήμα 3.2 φαίνεται το χρησιμοποιούμενο Φ/Β πλαίσιο. Σχήμα 3.2: Άποψη ενός πλαισίου SQ-80P [31]. Το φυλλάδιο με αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του Φ/Β πλαισίου, δίνεται στο παράρτημα Α. 82

97 3.1.2 Ανεμογεννήτρια Στον ίδιο χώρο που βρίσκονται τα φωτοβολταϊκά, είναι εγκατεστημένη από το 2008 μια ανεμογεννήτρια [32]. Ο στόχος που τέθηκε στην παρούσα μελέτη ήταν αυτή η ανεμογεννήτρια να αποτελέσει κομμάτι του μικροδικτύου. Πρόκειται για την ανεμογεννήτρια Whisper 200 της εταιρίας Southwest Windpower [33]. Το συγκεκριμένο μοντέλο ανεμογεννήτριας είναι σχεδιασμένο ώστε να παράγει ισχύ 1000 W (ονομαστική ισχύς) για ταχύτητα ανέμου 11,6 m/s (ονομαστική ταχύτητα), ενώ η παραγωγή ισχύος ξεκινά για ταχύτητα ανέμου 3,1m/sec (cutinspeed). Ο περιορισμός της ισχύος στην ονομαστική της τιμή για υψηλές ταχύτητες του ανέμου γίνεται μέσω της εκμετάλλευσης του φαινομένου απώλειας αεροδυναμικής στήριξης (stall controlled Α/Γ), ενώ η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αντέξει είναι τα 55m/sec (cut-out speed). Δε χρησιμοποιεί σύστημα μετάδοσης της κίνησης με κιβώτιο ταχυτήτων (gear box), ούτε έλεγχο πτερυγίων (Pitch control), ενώ στο ΕΗΜΕ βρίσκεται ένας διακόπτης βραχυκύκλωσης των τριών φάσεων της εξόδου της σύγχρονης γεννήτριας, με χρήση του οποίου ο δρομέας ακινητοποιείται. Όταν βραχυκυκλώνεται ο στάτης η μηχανή σταματά, γιατί παράγεται ένα ρεύμα βραχυκύκλωσης, που σε συνδυασμό με τους μόνιμους μαγνήτες της Α/Γ, δημιουργεί μια ηλεκτρομαγνητική ροπή που συνεχώς αντισταθμίζει τη μηχανική ροπή του ανέμου (νόμος δράσης αντίδρασης). Αυτό σημαίνει ότι, όσο μεγαλώνει ο άνεμος τόσο τείνει να μεγαλώσει και η γωνιακή ταχύτητά της, επομένως άλλο τόσο τείνει να αυξηθεί και η τάση λόγω επαγωγής στα τυλίγματα του στάτη. Αυτό συνεπάγεται και ταυτόχρονη αύξηση του παραγόμενου ρεύματος αφού στο βραχυκύκλωμα έχουμε πολύ μικρή αντίσταση (ίση με την εσωτερική αντίσταση της γεννήτριας) και συνεπώς πολύ μεγάλο ρεύμα. Στον πίνακα 3.2 φαίνονται συνοπτικά τα χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας ενώ στο σχήμα 3.3 παρουσιάζεται η χαρακτηριστική της καμπύλη της Α/Γ. Το φυλλάδιο με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μοντέλου παρατίθεται στο Παράρτημα Α. Ονομαστική ισχύς εξόδου 1000W Εύρος τάσεων ανορθωτή V Ελάχιστη ταχύτητα ανέμου 3,1m/s Mέγιστη ταχύτητα ανέμου 55m/s Ονομαστική ταχύτητα ανέμου 11,6m/s Πίνακας 3.2: Χαρακτηριστικά της ανεμογεννήτριας. 83

98 Σχήμα 3.3: Χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος-ταχύτητας ανέμου της ανεμογεννήτριας Whisper 200 [33] Μετατροπείς Αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών Στο μικροδίκτυο είναι τοποθετημένοι τρείς φωτοβολταϊκοί μετατροπείς της εταιρίας SMA, οι sunny boy 1100 [34]. Ο ρόλος τους είναι να μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα που παράγει η συνδεδεμένη σε αυτούς φωτοβολταϊκή συστοιχία, σε εναλλασσόμενο. Η παραγόμενη ισχύς των αντιστροφέων είτε αποστέλλεται απευθείας στο δίκτυο, είτε χρησιμοποιείται ως πηγή ισχύος του μικροδικτύου. Στο αυτόνομο σύστημά μας, τη διαχείριση της ισχύος την αναλαμβάνει ο μετατροπέας των συσσωρευτών, όπως θα αναλυθεί στην επόμενη υποενότητα. Σε δύο από τους sunny boy έχουν συνδεθεί 12 φωτοβολταϊκά πλαίσια εν σειρά, επομένως η κάθε συστοιχία παρέχει 960W, ενώ αναμένεται να συνδεθεί μια συστοιχία και στο τρίτο μετατροπέα. Αυτός είναι και ο λόγος που έχει εγκατασταθεί ο συγκεκριμένος μετατροπέας καθώς το νούμερο 1100 στο μοντέλο του δηλώνει την μέγιστη ισχύ εξόδου του. Θα μπορούσε να έχει επιλεχθεί και ένας μόνο αντιστροφέας με συνολική ισχύ 3000W, αλλά για να μπορέσουμε να επιτύχουμε και μονοφασική και τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία (πέρα από τη λειτουργία του μικροδικτύου) είναι υποχρεωτική η εγκατάσταση τριών μετατροπέων με ισομοιρασμένη την ισχύ. 84

99 Ο μετατροπέας διαθέτει MPPT λειτουργία, δηλαδή τα φωτοβολταϊκά λειτουργούν στο σημείο μέγιστης ισχύος και επομένως με τον πιο αποδοτικό τρόπο. Στο σχήμα 3.4 φαίνεται ο αντιστροφέας sunny boy ενώ στους πίνακες 3.3 και 3.4 δίνονται τα DC και AC τεχνικά χαρακτηριστικά του αντίστοιχα. Σχήμα 3.4: Ο μετατροπέας sunny boy. Στοιχεία σύνδεσης της φωτοβολταϊκής γεννήτριας Σύμβολο SB 1100 Μέγιστη τάση εισόδου U DC max 400V Τάση εισόδου, περιοχή σημείου μέγιστης ισχύος (MPP) U PV 139V 320V Μέγιστο ρεύμα εισόδου 10A Μέγιστη ισχύς εισόδου P DC 1210W Συνιστώμενη συνολική ισχύς γεννήτριας 1350Wp (για την κεντρική Ευρώπη) Διακύμανση τάσης U ss <10% της τάσης εισόδου Ιδία κατανάλωση κατά τη λειτουργία <4 W (stand by) Πίνακας 3.3: Τεχνικά χαρακτηριστικά του sunny boy (στοιχεία DC) [34]. 85

100 Σύνδεση δεδομένων δικτύου Σύμβολο SB 1100 Ονομαστική ισχύς εξόδου P ac nom 1000W Μέγιστη ισχύς εξόδου P AC max 1100W Ονομαστικό ρεύμα εξόδου I AC nom 4,4A Μέγιστο ρεύμα εξόδου Μέγιστη ασφάλεια Συντελεστής θορύβου ρεύματος εξόδου Αντοχή σε βραχυκύκλωμα I AC max 5,6A 16A K IAC < 3% Από πλευράς δικτύου με ρύθμιση ρεύματος Ονομαστική τάση λειτουργίας U AC nom 220V / 230V / 240V Εύρος τιμών τάσης (διευρυμένο εύρος λειτουργίας) Ονομαστική συχνότητα λειτουργίας Εύρος συχνότητας (διευρυμένο εύρος λειτουργίας) f AC nom f AC U AC 180V 260V 50 Hz / 60 Hz 50Hz: 45.5 Hz 54.5 Hz 60Hz: 55.5 Hz 64.5 Hz Συντελεστής ισχύος cosφ 1 Κατηγορία υπέρτασης Ιδία κατανάλωση κατά τη νυχτερινή λειτουργία III 0.1W Πίνακας 3.4: Τεχνικά χαρακτηριστικά του sunny boy 1100 ( AC στοιχεία) [34]. 86

101 Από τον πίνακα 3.3 προκύπτουν κάποιοι περιορισμοί ως προς τα χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών που μπορούν να συνδεθούν. Για παράδειγμα, το μέγιστο ρεύμα εισόδου είναι 10A, άρα δεν θα μπορούσαν να συνδεθούν τα 12 υπάρχοντα πλαίσια ανά συστοιχία, παράλληλα, διότι θα είχαμε ρεύμα λειτουργίας πάνω από 10Α. Περιορισμός προκύπτει επίσης και για την τάση λειτουργίας, αφού η περιοχή σημείου μέγιστης ισχύος MPP βρίσκεται μεταξύ V, οπότε υπάρχει ένας περιορισμένος αριθμός πλαισίων που μπορούμε να συνδέσουμε σε σειρά για να μην ξεπεράσουμε τα 320V. Αυτός ο περιορισμός βέβαια καλύπτεται και από τον αντίστοιχο περιορισμό της ισχύος, καθώς όσο αυξάνει ο αριθμός πλαισίων πρώτα ξεπερνιέται το όριο ισχύος εισόδου του μετατροπέα και έπειτα το όριο της τάσης εισόδου. Για τα πλαίσια που έχουμε στο εργαστήριο, τα 139V αντιστοιχούν για ακτινοβολία 180W/m 2 (σε θερμοκρασία 25 ο C) και παρέχουν ισχύ 170W. Αυτή είναι και πρακτικά η μικρότερη ισχύς στην οποία δουλεύει με MPPT ο μετατροπέας. Τέλος, υπάρχει και ο περιορισμός ότι στη διασυνδεδεμένη λειτουργία η ισχύς των εγκατεστημένων φωτοβολταϊκών δεν πρέπει να ξεπερνάει τη μέγιστη ισχύ εξόδου του sunny boy, δηλαδή τα 1100Wp (αντί για 1350Wp όπως φαίνεται στον πίνακα 3.3) Μετατροπέας των συσσωρευτών Ο μετατροπέας των συσσωρευτών που χρησιμοποιείται στο μικροδίκτυο είναι ο sunny island 2224 της SMA [35]. Το 22 στο όνομα του μοντέλου αναφέρεται στην ονομαστική ισχύ του αντιστροφέα, δηλαδή 2200W, και το 24 στο τέλος αναφέρεται στην τάση των συσσωρευτών υπό την οποία λειτουργεί ο μετατροπέας. Στο σχήμα 3.5 φαίνεται ο sunny island. O sunny island αποτελεί την καρδιά του συστήματος του μικροδικτύου. Η κύρια λειτουργία του είναι η δημιουργία του αυτόνομου συστήματος, στο οποίο θα συγχρονιστούν οι αντιστροφείς sunny boy και θα πραγματοποιηθεί η διαχείρισή τους. Επιτηρεί το φορτίο που θέλουμε να τροφοδοτήσουμε με το αυτόνομο δίκτυο. Οι αντιστροφείς sunny boy είναι αυτοί που τροφοδοτούν το φορτίο και με την περίσσεια ισχύος φορτίζουν τις μπαταρίες υπό την πλήρη εποπτεία του sunny island. Με τη φόρτιση των μπαταριών πετυχαίνουμε την τροφοδότηση του φορτίου σε περιπτώσεις μη ηλιοφάνειας και χωρίς άνεμο (εφόσον προστεθεί και η ανεμογεννήτρια). Σε περίπτωση εκφόρτισης των συσσωρευτών ή μεγάλης ζήτησης ενέργειας, ο sunny 87

102 island μπορεί κατά περίπτωση να θέσει σε λειτουργία μια γεννήτρια diesel ή να αποσυνδέσει όλα ή κάποια από τα φορτία κατανάλωσης. Σχήμα 3.5: Ο μετατροπέας sunny island. Στους πίνακες 3.5, 3.6 και 3.7 δίνονται τα μεγέθη εισόδου, εξόδου και τα στοιχεία των συσσωρευτών για τον μετατροπέα sunny island. Μεγέθη εισόδου Σύμβολο Τιμές Ονομαστική τάση AC U AC 230V ( V) Συχνότητα δικτύου f AC 50Hz/60hz (45-Hz -65 Hz) Συνεχόμενη απόδοση AC στους 25 ο C / 45 ο C Συνεχόμενη απόδοσηac στους 25 ο C για 30/15/1 min 2200W/ 1600W 2900W/3800W/3800W Ονομαστικό ρεύμα AC I AC nom 9.6A Μέγιστο ρεύμα AC I AC max 25A (eff 3s) Συντελεστής ισχύος cosφ -1 έως 1 Πίνακας 3.5: Μεγέθη εισόδου του sunny island [35]. 88

103 Μεγέθη εξόδου Σύμβολο Τιμές Τάση εξόδου V εξ 230V ( V) Συχνότητα εξόδου F εξ 50Hz (40 70Hz) Μέγιστο ρεύμα εξόδου I AC(max) 25A Μέγιστη ισχύς εξόδου P εξ(max) 5.75KW Πίνακας 3.6: Στοιχεία εξόδου του μετατροπέα [35]. Η συνεχόμενη απόδοση AC που αναφέρεται στον πίνακα 3.5 αφορά την ισχύ που μπορεί να τραβήξει ο sunny island από τους συσσωρευτές και ανέρχεται στα 2200W υπό ονομαστική λειτουργία. Δεν πρέπει να συγχέουμε την ισχύ αυτή με τη μέγιστη ισχύ εξόδου του μετατροπέα (πίνακας 3.6). Η ισχύς που αποστέλλεται από τα Φ/Β και τους sunny boy στο φορτίο είναι ανεξάρτητη από την ισχύ που μπορεί να στείλει ο sunny island στο φορτίο μέσω της εκφόρτισης των μπαταριών. Για αυτόνομη λειτουργία, σύμφωνα με την SMA, η ισχύς των sunny boy δεν πρέπει να υπερβαίνει το διπλάσιο της ονομαστικής ισχύος του sunny island. Επομένως η μέγιστη ισχύς δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 2x2200 = 4400W. Ο sunny island είναι μονοφασικός μετατροπέας, οπότε και το αυτόνομο σύστημα μας είναι μονοφασικό. Για να πετύχουμε την τριφασική λειτουργία, θα χρειαζόμασταν έναν τριφασικό μετατροπέα ή άλλους δύο sunny island. Σε αυτή την περίπτωση μπορεί να δηλωθεί ο ένας sunny island ως master και θα αναλαμβάνει να συγχρονίσει τους άλλους δύο sunny island (δηλωμένοι ως slave 1 και slave 2 αντίστοιχα), ώστε να δημιουργήσει το τριφασικό σύστημα. Οι συσσωρευτές μπορεί να είναι συνδεδεμένοι στον master sunny island ή και σε όλους τους μετατροπείς για να μπορεί να αυξηθεί το μέγεθος της χωρητικότητας τους. O μετατροπέας επιτηρεί ανά πάσα στιγμή τα δεδομένα του συστήματος. Ενημερώνεται διαρκώς για την κατάσταση των συσσωρευτών, την ισχύ που παρέχουν οι πηγές ενέργειας και το μέγεθος του φορτίου για να είναι σε θέση να προβεί στις ανάλογες ενέργειες που απαιτούνται. Επίσης, διαθέτει την δυνατότητα σύνδεσης με μια ντιζελογεννήτρια ή με το δίκτυο. Οι δυνατότητες και οι λειτουργίες του sunny island περιγράφονται σχηματικά στο σχήμα

104 Σχήμα 3.6: Σχηματικό διάγραμμα με τις λειτουργίες και τις συνδέσεις του sunny island [35]. 90

105 Μαζί με το μετατροπέα διατίθεται και μια συσκευή η οποία επιτρέπει την επικοινωνία του χρήστη με το μετατροπέα. Η συσκευή αυτή είναι το sunny remote control (σχήμα 3.7). Σχήμα 3.7: Άποψη του sunny remote control. Τo sunny remote control διαθέτει ένα πλήρες μενού με μια πληθώρα επιλογών με τις οποίες μπορεί να ρυθμιστεί το αυτόνομο σύστημα. Οι εντολές αυτές αφορούν την λειτουργία των συσσωρευτών, τη ρύθμιση της ντιζελογεννήτριας, ρύθμιση παραμέτρων για τη σύνδεση με το δίκτυο κ.α. Οι εντολές που θα χρησιμοποιηθούν, θα παρουσιαστούν συνολικά στο παράρτημα Β. Η βασική οθόνη(home screen) του sunny remote control φαίνεται, με ένα τυχαίο παράδειγμα ενδείξεων, στο σχήμα 3.8. Σχήμα 3.8: Βασική οθόνη του sunny remote control [35]. 91

106 Στην πρώτη γραμμή του home screen, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.8, δίνεται η πραγματική ώρα. Στη δεύτερη γραμμή στα αριστερά φαίνεται η παραγόμενη ισχύς της εξωτερικής πηγής ενέργειας (δίκτυο ή ντιζελογεννήτρια) και στα δεξιά φαίνεται το φορτίο που βλέπει ο sunny island. Στην τρίτη γραμμή στα αριστερά δίνεται το σύμβολο της εξωτερικής πηγής ενέργειας, εφόσον υπάρχει, και στα δεξιά φαίνεται με το βέλος η κατεύθυνση της ροής ενέργειας μεταξύ γεννήτριας και φορτίου. Στην τέταρτη γραμμή στα αριστερά δίνεται η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών, στο κέντρο το βέλος δείχνει αν οι μπαταρίες εκφορτίζονται ή φορτίζονται ενώ στα δεξιά φαίνεται η παραγόμενη ισχύς του μετατροπέα σε kw. Σημειώνεται ότι αρνητικό πρόσημο στην ισχύ του μετατροπέα σημαίνει ότι ο συσσωρευτής φορτίζεται, ενώ θετικό πρόσημο σημαίνει ότι οι μπαταρίες εκφορτίζονται και άρα ο μετατροπέας παρέχει ισχύ στο φορτίο. Στο παράδειγμα του σχήματος, δεν υπάρχει συνδεδεμένη εξωτερική πηγή, το φορτίο είναι 1,1kW και το καλύπτει εξ ολοκλήρου ο sunny island μέσω των συσσωρευτών που βρίσκονται σε στάθμη φόρτισης 45%. Πέρα από τη βασική οθόνη υπάρχει και το κύριο μενού το οποίο παρουσιάζεται στο σχήμα 3.9α) ενώ στο 3.9β) εμφανίζεται ένα υπομενού. α) β) Σχήμα 3.9: α) κύριο μενού του sunny remote control και β) υπομενού του 100# Meters Από το κύριου μενού μπορούμε να μεταβούμε στις τιμές ένδειξης των εξαρτημάτων όπως την εξωτερική γεννήτρια, τους αντιστροφείς και τους συσσωρευτές του αυτόνομου δικτύου (100# Meters), στις ρυθμίσεις των παραμέτρων του συστήματος (200# Settings), στα δεδομένα του sunny island, του συσσωρευτή και της γεννήτριας (300# Diagnosis) και τέλος στις διάφορες λίστες σφαλμάτων και γεγονότων(400# Failure/Event). Όλα τα υπομενού παρουσιάζονται στο παράρτημα Β. Ρυθμίσεις παραμέτρων για τους συσσωρευτές Μέσω του μενού του sunny remote control πραγματοποιήσαμε τις απαραίτητες ρυθμίσεις για τους συσσωρευτές. Αναλυτικά, δηλώσαμε τα στοιχεία του συσσωρευτή 92

107 όπως τον τύπο του συσσωρευτή, την τάση και την ονομαστική χωρητικότητα του και τον επιθυμητό τρόπο με τον οποίο θα φορτίζει ο sunny island τις μπαταρίες μέσω του υπομενού 220# Set Battery. Επίσης ο μετατροπέας διαθέτει έναν αισθητήρα θερμοκρασίας που τοποθετείται στους συσσωρευτές. Με τα παραπάνω ο μετατροπέας κατορθώνει να αναγνωρίσει τις μπαταρίες με τις οποίες λειτουργεί και έτσι δίνεται η δυνατότητα να τις χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά και αποδοτικά. Στον πίνακα 3.7 παρουσιάζονται τα στοιχεία που πρέπει να πληρούν οι συσσωρευτές για να συνδεθούν με τον sunny island. Στοιχεία συσσωρευτών Σύμβολο Τιμές Τάση συσσωρευτών V σ 24V (16,8 31,5V) Μέγιστο ρεύμα φόρτισης Χωρητικότητα Συσσωρευτών Ι φορ, max Ah 90A Ah Πίνακας 3.7: Στοιχεία συσσωρευτή που συνδέονται στον sunny island [35]. Στο σχήμα 3.10 φαίνονται μερικές ενδεικτικά τιμές που υπολογίζει ο sunny island για τους συσσωρευτές και είναι προσβάσιμα μέσω του Meter Compact (150#) Σχήμα 3.10: Τιμές συσσωρευτών μέσω του Meter Compact. Ρυθμίσεις παραμέτρων και σύνδεση της ντιζελογεννήτριας Επειδή στόχος στο Ε.Η.Μ.Ε είναι να προστεθεί στο μικροδίκτυο και μια ντιζελογεννήτρια σαν εξωτερική πηγή, πραγματοποιήσαμε μια μελέτη για τη ντιζελογεννήτρια. Ο ρόλος της ντιζελογεννήτριας είναι να λειτουργεί σαν εφεδρική πηγή ενέργειας όταν η παρεχόμενη από τα φωτοβολταϊκά και τους συσσωρευτές 93

108 ισχύς δεν επαρκεί για τις ανάγκες του φορτίου. Ο sunny island παρέχει την δυνατότητα όταν η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών πέσει κάτω από ένα καθορισμένο όριο, να ενεργοποιεί τη ντιζελογεννήτρια ώστε να καλύπτει το φορτίο και ταυτόχρονα να φορτίζει και τους συσσωρευτές. Όταν η στάθμη φόρτισης ξεπεράσει ένα καθορισμένο από τον χρήστη ποσοστό, τότε η ντιζελογεννήτρια απενεργοποιείται. O sunny island υποστηρίζει τις ακόλουθες επιλογές για την εκκίνηση γεννήτριας: Χειροκίνητο τρόπο εκκίνησης: Η ντιζελογεννήτρια συνδέεται και αποσυνδέεται από τον ίδιο τον χρήστη. Η επιλογή αυτή είναι για ντιζελογεννήτριες οι οποίες δε διαθέτουν ηλεκτρική επιλογή τηλεχειρισμού ενεργοποίησης, οι οποίες δηλαδή εκκινούνται με τράβηγμα, μανιβέλα κλπ. Σύστημα autostart: Με αυτή τη λειτουργία μπορούν να συνδεθούν οι επονομαζόμενες γεννήτριες autostart. Οι γεννήτριες αυτές διαθέτουν δικό τους σύστημα ελέγχου το οποίο ρυθμίζει τη διαδικασία εκκίνησης. Σύστημα GenMan: Αν υπάρχει σύστημα GenMan (generator manager) τότε αυτό αναλαμβάνει τον άμεσο χειρισμό της γεννήτριας. Γίνεται σύνδεση ανάμεσα στο sunny island και τη γεννήτρια. Το σύστημα διαχείρισης GenMan αναλαμβάνει τον έλεγχο της γεννήτριας (χρόνοι προθέρμανσης και ψύξης καθώς και αυτόματες εκκινήσεις). Στόχος είναι να έχουμε λειτουργία αυτόνομου δικτύου με την ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση, αφού είναι δύσκολο να το ελέγχει κάποιος συνεχώς. Γι αυτό, είναι προτιμότερο το σύστημα Autostart ή GenMan με το πρώτο να είναι πιο οικονομικό. Σχήμα 3.11: Συνδεσμολογία της γεννήτριας με λειτουργία αυτόματης εκκίνησης [35]. 94

109 Όπως φαίνεται στο σχήμα 3.11, όταν ο sunny island δώσει σήμα στη γεννήτρια, δηλαδή όταν η στάθμη φόρτισης των μπαταριών πέσει κάτω από το επιτρεπτό όριο, ενεργοποιείται το ρελέ 1 και εκκινεί η γεννήτρια. Το AC1 στο σχήμα, ουσιαστικά αποτελεί το AC bus (ζυγός) στο οποίο συνδέονται οι sunny boy και τα φορτία. Στο AC2 συνδέεται η ντιζελογεννήτρια και όταν δοθεί εντολή από το sunny island, κλείνει ένα ρελέ εσωτερικά του sunny island και συνδέεται το AC1 με το AC2. Έτσι πλέον, η ντιζελογεννήτρια συνδέεται στο σύστημα και μπορεί να στέλνει ισχύ στο φορτίο και επιπρόσθετα να αναλάβει τη φόρτιση των συσσωρευτών, εφόσον η ισχύς της επαρκεί. Σημειώνεται ότι αν χρησιμοποιούσαμε ως εξωτερική πηγή ενέργειας το δίκτυο, αντί για ντιζελογεννήτρια, θα το συνδέαμε και αυτό στο AC2. Σύμφωνα με την SMA (πίνακας 3.6), το μέγιστο ρεύμα εξόδου στην πλευρά AC, δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 25Α. Οπότε η ισχύς της ντιζελογεννήτριας δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 25Αx230V = 5750VA. Εμείς έχουμε ρυθμίσει το μέγιστο ρεύμα της γεννήτριας στα 16Α (μέσω του μενού 230# Set External), επειδή θα χρησιμοποιήσουμε προσωρινά ως εξωτερική πηγή το δίκτυο. Μέσω του sunny remote control δίνεται η δυνατότητα ρύθμισης κάποιων παραμέτρων της ντιζελογεννήτριας, ώστε να μπορέσει ο μετατροπέας να αναγνωρίσει τη λειτουργία του συγκεκριμένου μοντέλου. Έτσι μπορεί να καθοριστεί το ονομαστικό ρεύμα της γεννήτριας, η ελάχιστη και μέγιστη τάση, ένα εύρος συχνοτήτων λειτουργίας της ντιζελογεννήτριας, ο ελάχιστος χρόνος λειτουργίας και τερματισμού της κ.α. (μενού 230# Set External). Στα αυτόνομα συστήματα η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών συνηθίζεται να μην πέφτει ποτέ κάτω από ένα ποσοστό (γύρω στο 65-75%), για να μην εκφορτίζεται πολύ ο συσσωρευτής και μειωθεί ο προσδόκιμος χρόνος ζωής του. Στον sunny island θέσαμε αυτό το όριο στο 70%, που είναι και το σημείο που θα εκκινεί η γεννήτρια, όταν ενσωματωθεί στο σύστημα. Υπάρχει η δυνατότητα να οριστεί και το ποσοστό στο οποίο θα σβήνει η γεννήτρια, που έχει οριστεί αντίστοιχα στο 85%. Μέσω του μενού υπάρχει τέλος η δυνατότητα όταν όλες οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας, δηλαδή τα φωτοβολταϊκά, η ανεμογεννήτρια και οι συσσωρευτές, δεν επαρκούν για να καλύψουν το φορτίο, να συνδεθεί η ντιζελογεννήτρια ώστε να καλύψει το έλλειμμα ισχύος. 95

110 Ρύθμιση άλλων σημαντικών παραμέτρων Ο sunny island προσφέρει δύο λειτουργίες τροφοδοσίας δικτύου, τη λειτουργία gridfeed και τη λειτουργία gridcharge (μενού 232# Grid Control). Με τη λειτουργία gridfeed ο μετατροπέας λειτουργεί on grid, και το δίκτυο καλύπτει το φορτίο, ενώ η ισχύς των sunny boy και των μπαταριών εγχέεται στο δίκτυο. Με τη λειτουργία gridcharge το δίκτυο χρησιμοποιείται για τη φόρτιση των μπαταριών και την κάλυψη του φορτίου. Στο εργαστήριο, έχουμε επιλέξει την λειτουργία gridcharge. Αναλυτικά, σε αυτή τη λειτουργία οι πηγές παραγωγής ενέργειας (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτρια) παρέχουν όλη την παραγόμενη ισχύ στο φορτίο, και το δίκτυο αναλαμβάνει να καλύψει την υπολειπόμενη ισχύ του φορτίου και τη φόρτιση των συσσωρευτών ταυτοχρόνως. Αν το δίκτυο δεν είναι απαραίτητο για την κάλυψη των αναγκών, τότε ο sunny island το αποσυνδέει. Ο sunny island παρέχει επίσης τη δυνατότητα, όταν η στάθμη φόρτισης του συσσωρευτή πέσει κάτω από ένα όριο, να απορρίψει κάποια ή όλα τα φορτία (μενού 242# Set Relay). Για την ακρίβεια δύναται ο ορισμός δύο ορίων (στάθμες φόρτισης) μέσα στη διάρκεια της ημέρας, πράγμα βολικό γιατί για παράδειγμα τις βραδινές ώρες που απουσιάζει η παραγωγή ενέργειας από τα Φ/Β είναι προτιμότερο να εκφορτιστεί λίγο παραπάνω ο συσσωρευτής από το να δουλεύει η ντιζελογεννήτρια αρκετές ώρες που έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος λειτουργίας. Οπότε κατά την διάρκεια της ημέρας που το ποσό παραγόμενης ισχύος αυξάνεται λόγω ηλιοφάνειας, μπορεί το όριο φόρτισης να είναι σχετικά μικρότερο Συσσωρευτές Οι συσσωρευτές που είναι εγκατεστημένοι στο μικροδίκτυο είναι οξέως-μολύβδου (Vented Lead Acid VLA) της εταιρίας BAE [36]. Είναι συσσωρευτές ανοικτού τύπου, χαμηλού αντιμονίου (1,6%) και φέρουν τάση 2Volt στα άκρα τους. Παρέχουν 670Ah με ρυθμό αυτοεκφόρτισης 10 ωρών (C 10 ). Έχουν προσδόκιμο χρόνο ζωής χρόνια. Ο συνολικός αριθμός κύκλων λειτουργίας τους είναι άρρηκτα συνδεδεμένος με το βάθος εκφόρτισης (DOD) σε κάθε κύκλο (πίνακας 3.8), και για DOD ίσο με 30% (τιμή που έχει επιλεχθεί στο σύστημα μας) ο αναμενόμενος αριθμός ανέρχεται σε 4500 κύκλους. Σημειώνεται ότι εκφόρτιση πάνω από 80% μπορεί να προκαλέσει μόνιμη βλάβη ή και καταστροφή του συσσωρευτή. Απαιτούν μια απλή συντήρηση κάθε έξι μήνες για απλό έλεγχο της τάσης και της θερμοκρασίας τους, 96

111 ενώ κάθε τρία χρόνια χρειάζονται τη συμπλήρωση του απιονισμένου νερού στο εσωτερικό τους. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του μοντέλου παρατίθενται στο παράρτημα Α. Depth of discharge (DOD) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Cycles PVS-cell Cycles PVS block Πίνακας 3.8: Κύκλοι φόρτισης σε σχέση με το ποσοστό αποφόρτισης (DOD) [36]. Στο εργαστήριο είναι προεγκατεστημένα 12 στοιχεία εν σειρά, δίνοντας συνολική τάση 24V που είναι και η απαιτούμενη τάση λειτουργίας από τον μετατροπέα sunny island. Η σύνδεση αυτή φαίνεται στο σχήμα 3.12, όπως αυτά είναι τοποθετημένα στο χώρο του εργαστήριου. Σχήμα 3.12: Οι συσσωρευτές του μικροδικτύου. Αν αυξηθούν οι απαιτήσεις σε χωρητικότητα μπορούμε να προσθέσουμε επιπλέον ομάδες των 12 μπαταριών σε παράλληλη σύνδεση. Για να γίνει αυτό θα έπρεπε οι 97

112 συσσωρευτές να έχουν ίδια ονομαστικά στοιχεία. Αυτό όμως είναι καλύτερο να αποφεύγεται γιατί είναι δύσκολο να βρίσκονται όλοι οι συσσωρευτές ταυτόχρονα σε ισορροπία, οπότε τα στοιχεία που έχουν διαφορετικές προδιαγραφές σε σχέση με τα υπόλοιπα δημιουργούν πρόβλημα στα γειτονικά τους. Φόρτιση συσσωρευτών Ο τρόπος φόρτισης των μπαταριών που προτείνεται από τον κατασκευαστή είναι με σταθερή τάση και περίπου ίση με 2,3-2,4V ανά στοιχείο [36]. Το συνιστώμενο ρεύμα φόρτισης είναι σταθερό και ίσο με Ι 10 = C 10 / 10 = 670Ah / 10h = 67A. Δηλαδή η φόρτιση αφόρτιστων συσσωρευτών με αυτό το ρεύμα θα έπρεπε να διαρκέσει 10 ώρες, λόγω όμως απωλειών των συσσωρευτών, χρειάζεται πρακτικά ώρες για την πλήρη φόρτισή τους. Το έργο της φόρτισης των συσσωρευτών στο σύστημά μας το αναλαμβάνει ο sunny island. Η μέθοδος φόρτισης που ρυθμίσαμε μέσω του μενού 222# Bat Chargemode για τις μπαταρίες είναι μια διαδικασία φόρτισης τριών βαθμίδων (σχήμα 3.13), με όνομα IU o U. Οι τρείς βαθμίδες είναι η φάση φόρτισης με σταθερή ένταση (bulk phase), η φάση ρύθμισης σταθερής τάσης ή φάση απορρόφησης και τέλος η φάση φόρτισης συντήρησης (float phase). Προαιρετικά, κατά τη λειτουργία με το δίκτυο υπάρχει και μια τέταρτη βαθμίδα, η φάση ηρεμίας (silent mode). Σχήμα 3.13: Στάδια φόρτισης συσσωρευτών από τον sunny island. 98

113 Η πρώτη βαθμίδα είναι η φάση σταθερού ρεύματος. Σε αυτό το επίπεδο, η φόρτιση περιορίζεται από το μέγιστο καθορισμένο ρεύμα συσσωρευτή, το ονομαστικό ρεύμα δικτύου ή το μέγιστο ρεύμα φόρτισης AC. Ο περιορισμός γίνεται πάντοτε στην τιμή που φτάνει πρώτη στα όρια. Ρυθμίσαμε το μέγιστο ρεύμα συσσωρευτή στα 67A που είναι και το ονομαστικό ρεύμα φόρτισης σύμφωνα με τον κατασκευαστή. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, αυξάνεται η τάση του συσσωρευτή όσο αυξάνεται η κατάσταση φόρτισής του. Όταν η τάση φτάσει σε μια καθορισμένη τιμή, αρχίζει η φάση ρύθμιση σταθερής τάσης (φάση απορρόφησης). Στη βαθμίδα αυτή, ρυθμίζεται η τάση συσσωρευτή σε μία σταθερή τιμή, κάτι που διαφαίνεται στο συνεχώς μειούμενο ρεύμα συσσωρευτή (σχήμα 3.13). Στην κατάσταση αυτή, παραμένει ο μετατροπέας sunny island μέχρι να ολοκληρωθεί ο χρόνος που ορίζεται για τη βαθμίδα αυτή. Για αυτήν τη φάση φόρτισης, ο sunny island διαλέγει αυτόματα μια από τις τρείς επιλογές φόρτισης, την ταχεία φόρτιση (boost charge), την πλήρη φόρτιση (full charge) και τη φόρτιση απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης. Η ταχεία φόρτιση αποτελεί τη συχνότερη διαδικασία φόρτισης που χρησιμοποιείται από τον sunny island. Κατά την διαδικασία αυτή, εξασφαλίζεται μέσω της υψηλής τάσης φόρτισης και της σύντομης διάρκειας, η μεγάλη ενεργειακή κάλυψη της γεννήτριας. Στους συσσωρευτές υγρού ηλεκτρολύτη FLA, όπως οι συσσωρευτές του συστήματός μας, θα πρέπει η διαδικασία αυτή να χρησιμοποιείται για την αερίωση και συνεπώς την ομογενοποίηση του ηλεκτρολύτη. Με τη διαδικασία αυτή μπορεί ο συσσωρευτής να φορτιστεί ως το 85% ή 90%. Εμείς το ρυθμίσαμε στο 90% μέσω του μενού. Ο μετατροπέας sunny island ξεκινά αυτομάτως κάθε 14 ημέρες ή ανά οκτώ διελεύσεις ονομαστικού φορτίου, μία πλήρη φόρτιση (full charge). Στόχος είναι η φόρτιση σε στάθμη τουλάχιστον 95 % και αποκατάσταση πιθανών φαινομένων λόγω προβληματικής φόρτισης. Η τακτική πλήρης φόρτιση κάθε 2 έως 4 εβδομάδες μπορεί να επιφέρει διπλασιασμό της διάρκειας ζωής του συσσωρευτή. Ένα συγκρότημα συσσωρευτών, όπως αυτό του υπό μελέτη συστήματος, αποτελείται από μεμονωμένους συσσωρευτές συνδεδεμένους σε σειρά, οι οποίοι είναι λογικό να παρουσιάζουν μεταξύ τους ελαφρώς διαφορετική συμπεριφορά. Με τον τρόπο αυτό αρχίζουν με την πάροδο του χρόνου να διαφέρουν οι καταστάσεις 99

114 φόρτισης των επιμέρους κυψελών. Αυτό μπορεί να οδηγήσει αρχικά σε απώλεια μεμονωμένων κυψελών και τελικά στην απώλεια ολόκληρου του συγκροτήματος. Ο μετατροπέας sunny island μπορεί αυτομάτως κάθε 180 ημέρες ή ανά 30 διελεύσεις ονομαστικού φορτίου να εκτελεί μία φόρτιση απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης (ή αλλιώς φόρτιση αντιστάθμισης). Κατά τη φόρτιση απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης, φορτίζει πλήρως και τις πιο αδύναμες κυψέλες, μέσω στοχευμένης υπερφόρτισης της κάθε μονάδας. Η φόρτιση εξισορρόπησης έχει ως αποτέλεσμα την επιμήκυνση της διάρκειας ζωής του συσσωρευτή κατά 50 %. Η αυτόματη εκτέλεση της φόρτισης απόσβεσης διακυμάνσεων τάσης μπορεί να απενεργοποιηθεί ή να ενεργοποιηθεί χειροκίνητα Μετά την ολοκλήρωση αυτής της φάσης συνεχούς τάσης, ο sunny island μεταβαίνει στην επονομαζόμενη φόρτιση συντήρησης (Float Charge), η οποία εκτελείται επίσης ως φόρτιση σταθερής τάσης, αλλά με σημαντικά μειωμένη τάση φόρτισης. Η φόρτιση συντήρησης (ή αλλιώς διατήρησης) έχει ως στόχο να διατηρεί το συσσωρευτή σε πλήρως φορτισμένη κατάσταση, χωρίς να προκαλείται πρόωρη γήρανση από υπερφόρτιση. Ο sunny island παραμένει σε αυτήν τη φάση έως ότου, είτε η ονομαστική χωρητικότητα μειωθεί κατά περισσότερο από 30 % (αθροίζονται όλες οι αποφορτίσεις), είτε η κατάσταση φόρτισης πέσει κάτω από το 70 %. Από τη φόρτιση συντήρησης μπορεί ο sunny island, όταν βρίσκεται σε δημόσιο δίκτυο, να γυρίσει σε λειτουργία silent mode. Η λειτουργία silent mode χρησιμεύει κυρίως σε συστήματα εφεδρικών δικτύων, στα οποία ο μετατροπέας sunny island τον περισσότερο χρόνο λειτουργεί στην κατάσταση φόρτισης διατήρησης, για την εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη μεταγωγή σε λειτουργία από την κατάσταση standby. Οι λειτουργίες float charge και silent mode, όσο η κατάσταση φόρτισης δεν αλλάζει δραματικά, εναλλάσσονται μεταξύ τους. Επειδή οι μπαταρίες ήταν αφόρτιστες πολύ καιρό, αφού πραγματοποιήσαμε την φόρτισή τους από τον sunny island, με την διαδικασία που περιγράψαμε, στη συνέχεια συμπληρώσαμε την απαραίτητη ποσότητα απιονισμένου νερού σε κάθε συσσωρευτή, όπως συνιστάται από τον κατασκευαστή. Λόγω της μακράς χρονικής περιόδου που οι μπαταρίες ήταν ουσιαστικά αφόρτιστες, ενδέχεται οι συσσωρευτές να μη λειτουργούν τόσο αποδοτικά όσο στην αρχή. 100

115 3.2 Λειτουργία του μικροδικτύου Ηλεκτρολογικό σχέδιο εγκατάστασης Έχοντας αναλύσει μέχρι τώρα όλες τις συνιστώσες του συστήματος, μπορούμε πλέον να αναλύσουμε την ηλεκτρολογική εγκατάσταση που έχει πραγματοποιηθεί (από το 2010) για το σύστημα στο εργαστήριο ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρολογική εγκατάσταση, περιλαμβάνει έναν DC ηλεκτρολογικό πίνακα (σχήμα 3.14) και έναν AC ηλεκτρολογικό πίνακα (σχήμα 3.15). Ο DC ηλεκτρολογικός πίνακας παρεμβάλλεται μεταξύ των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των sunny boy. Μετά τους sunny boy, όπου πραγματοποιείται η μετατροπή του ρεύματος των φωτοβολταϊκών από συνεχές σε εναλλασσόμενο, έχει τοποθετηθεί ο AC πίνακας. Από τον AC πίνακα πραγματοποιείται η έναρξη και η παύση της λειτουργίας του συστήματός μας. Σχήμα 3.14: Ο DC ηλεκτρολογικός πίνακας του εργαστηρίου. 101

116 Στον DC πίνακα έχουν τοποθετηθεί 6 ασφαλειοδιακόπτες DC, δύο για κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία, που περιέχουν μονοπολικές ασφάλειες τήξεως NEOZED των 6A. Η τιμή αυτή είχε επιλεγεί με τη λογική ότι οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες δουλεύουν με περίπου μέγιστο ρεύμα 4,8Α, οπότε με μια ανοχή 25% τοποθετήθηκαν ασφάλειες των 6A. Επίσης, έχουν τοποθετηθεί 3 απαγωγείς υπερτάσεων, οι οποίοι βρίσκονται ανάμεσα σε κάθε ζευγάρι ασφαλειοδιακοπτών στο σχήμα Ο απαγωγέας υπερτάσεων χρησιμεύει για να οδηγεί τις κρουστικές υπερτάσεις που εισέρχονται από την πλευρά των φωτοβολταϊκών στο κύκλωμα (συνήθως μέσω έμμεσου κεραυνικού πλήγματος) στη γη. Σχήμα 3.15: AC ηλεκτρολογικός πίνακας του εργαστηρίου. 102

117 Στον AC ηλεκτρολογικό πίνακα περιλαμβάνονται: Τρείς διακόπτες προστασίας των 6Α και 3 ενδεικτικές λυχνίες αντίστοιχα. Είναι οι τρεις διακόπτες στην πάνω ράγα του πίνακα του σχήματος 3.15 και αντιστοιχεί ένας διακόπτης για κάθε αντιστροφέα sunny boy. Έχουν τοποθετηθεί για να τους προστατεύουν από σφάλματα του δικτύου και επιπλέον χρησιμοποιούνται ως διακόπτες για τον κάθε αντιστροφέα ξεχωριστά. Ένας τετραπολικός διακόπτης 40Α (μεσαία ράγα στον πίνακα στα αριστερά). Ο διακόπτης αυτός αποτελεί το γενικό διακόπτη του πίνακα AC και πραγματοποιεί την ζεύξη ή την απόζευξη με το δίκτυο. Ένας τριπολικός διακόπτης προστασίας των 20A και τρεις ενδεικτικές λυχνίες (μεσαία ράγα δεξιά στο σχήμα). Ο τριπολικός διακόπτης επιτρέπει τη ροή ενέργειας προς το δίκτυο της ΔΕΗ και προστατεύει το κύκλωμα από βραχυκυκλώματα και υπερφορτίσεις. Ένας ασφαλειοδιακόπτης των 16A σε συνδυασμό με έναν διακόπτη διαφυγής ρεύματος των 40Α και Ι ΔΝ = 0.03Α και είναι τοποθετημένοι στα δεξιά της τρίτης ράγας του πίνακα. Ο ασφαλειοδιακόπτης έχει προστεθεί για ασφάλεια στους δύο ρευματοδότες που έχουν προστεθεί στο χώρο, για την τροφοδοσία διάφορων συσκευών. Ο διακόπτης αυτός συνδέεται κατευθείαν στον διακόπτη διαφυγής εντάσεως για προστασία από ρεύματα διαφυγής, δηλαδή οι ρευματοδότες είναι συνδεδεμένοι με το γενικό μέσω του διακόπτη διαφυγής ρεύματος, όπως ακριβώς σε μια οικιακή ηλεκτρολογική εγκατάσταση. Ένας διπολικός διακόπτης φορτίου των 25Α (στα αριστερά της τρίτης ράγας). Πρόκειται για το διακόπτη ο οποίος προστατεύει το φορτίο στο αυτόνομο δίκτυο. Ένας διπολικός διακόπτης των 16Α ο οποίος βρίσκεται αμέσως δεξιά του διακόπτη φορτίου. Ο ρόλος αυτού του διακόπτη είναι να επιτρέπει τη σύνδεση του sunny island απευθείας με το δίκτυο, ώστε να είναι δυνατή η φόρτιση των συσσωρευτών ανά πάσα στιγμή χωρίς τη συμμετοχή των πηγών παραγωγής του αυτόνομου συστήματος. Τέλος, είναι εγκατεστημένος ένας DC ασφαλειοαποζεύκτης ανάμεσα στις μπαταρίες και το sunny island. Όπως ορίζεται από τον κατασκευαστή, οι ασφάλειες είναι μαχαιρωτές των 125A. Ο ασφαλειοαποζεύκτης φαίνεται στο σχήμα

118 Σχήμα 3.16: α) η ασφάλεια και β) ο DC ασφαλειοαποζεύκτης. Στην πόρτα του AC πίνακα είναι τοποθετημένοι δύο μεταγωγικοί διακόπτες (σχήμα 3.17), ένας διπολικός περιστροφικός διακόπτης μέγιστου ρεύματος 20A και ένας τετραπολικός περιστροφικός διακόπτης μέγιστου ρεύματος 32Α. Ο διπολικός διακόπτης χρησιμεύει στην επιλογή μεταξύ της μονοφασικής διασυνδεδεμένης λειτουργίας με το δίκτυο (επιλογή 1) και της μονοφασικής σύνδεσης με το αυτόνομο δίκτυο (επιλογή 2). Μέσω του τετραπολικού διακόπτη επιλέγουμε ανάμεσα σε τριφασική λειτουργία (επιλογή 1) ή σε μονοφασική λειτουργία (επιλογή 2). α) β) Σχήμα 3.17: Οι μεταγωγικοί διακόπτες όπως φαίνονται α) εξωτερικά και β) εσωτερικά της πόρτας του πίνακα. 104

119 Σχήμα 3.18: Ηλεκτρολογικό σχέδιο της όλης εγκατάστασης. 105

120 Στο σχήμα 3.18 δίνεται το ολοκληρωμένο ηλεκτρολογικό σχέδιο που περιλαμβάνει το DC πίνακα, τον AC πίνακα, τους αντιστροφείς, τα φωτοβολταϊκά και τους συσσωρευτές. Η ονομασία των διακοπτών στο σχέδιο της εγκατάστασης διευκρινίζεται στον πίνακα 3.9. Σύμβολο διακόπτη Φ1, Φ2, Φ3 Δ1, Δ2, Δ3 Π1 Π2 Τ1 Τ2 Τ3 ΡΔ Μ1 Μ2 ΑΑ Προσδιορισμός και λειτουργία διακόπτη Οι DC ασφαλειοδιακόπτες που είναι τοποθετημένοι στον DC πίνακα. Κάθε σύμβολο αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος διακοπτών. Οι διπολικοί διακόπτες που είναι τοποθετημένοι στον AC πίνακα για προστασία των sunny boy καθώς και για τη ζεύξη-απόζευξη τους. Ο τετραπολικός περιστροφικός διακόπτης που είναι υπεύθυνος για την επιλογή ανάμεσα σε μονοφασική και τριφασική λειτουργία. Ο διπολικός περιστροφικός διακόπτης που είναι υπεύθυνος για την επιλογή ανάμεσα σε αυτόνομη ή διασυνδεδεμένη λειτουργία. Ένας τριπολικός διακόπτης που είναι τοποθετημένος στο γενικό πίνακα του εργαστηρίου, και όχι στον AC πίνακα που βρίσκεται στον χώρο του εργαστηρίου, και δίνει παροχή στον AC πίνακα. Ο τετραπολικός γενικός διακόπτης που πίνακα AC. Ο τριπολικός διακόπτης που επιτρέπει τη ροή ενέργειας προς το δίκτυο της ΔΕΗ. Το ρελέ διαφυγής έντασης που είναι τοποθετημένο για τους ρευματοδότες της εγκατάστασης. Ο μονοπολικός διακόπτης που παρέχει ενέργεια στους ρευματοδότες. Ο μονοπολικός διακόπτης που συνδέει και αποσυνδέει το φορτίο. Ο DC ασφαλειοαποζεύκτης που παρεμβάλλεται μεταξύ συσσωρευτών και του μετατροπέα των συσσωρευτών 106

121 Δ4 Ο διπολικός διακόπτης που επιτρέπει τη σύνδεση του sunny island με το δίκτυο με σκοπό τη φόρτιση των συσσωρευτών. Πίνακας 3.9: Ονοματολογία και προσδιορισμός των διακοπτών της εγκατάστασης. Σχόλια για τον ηλεκτρολογικό πίνακα Η σύνδεση του φορτίου πραγματοποιείται σε τρείς μπόρνες (φάση ουδέτερος, γείωση) οι οποίες φαίνονται στο εξωτερικό μέρος της πόρτας του AC πίνακα (σχήμα 3.17). Η σύνδεση αυτή πραγματοποιείται μέσω του διακόπτη Μ2 απευθείας στον AC ζυγό του sunny island. Όπως είναι φανερό, είναι δυνατή η σύνδεση μόνο μονοφασικού φορτίου, μιας και το σύστημα δε διαθέτει αυτόνομη τριφασική λειτουργία. Οι ρευματοδότες δεν παίρνουν ρεύμα από το αυτόνομο δίκτυο αλλά απευθείας από τη ΔΕΗ. Για αυτό, χρειάζεται το κλείσιμο μόνο των διακοπτών Τ1 και Τ2 (και φυσικά του Μ1) για την παροχή ρεύματος. Στο χώρο της εγκατάστασης έχουν τοποθετηθεί μετρητές διπλής ενέργειας, οι οποίοι καταγράφουν την παραγόμενη ενέργεια και αφαιρούν το ποσό της καταναλισκόμενης από αυτή. Αυτό συμβαίνει, γιατί σε μια εγκατάσταση φωτοβολταϊκών, εκτός από παραγωγή ενέργειας έχουμε και κατανάλωση, όπως για ανάγκες φωτισμού, trackers σε κινητές βάσεις, νυχτερινή κατανάλωση των αντιστροφέων κ.α. Αυτοί οι μετρητές χρησιμοποιούνται σε όλες τις εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών Μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Το υπό μελέτη σύστημά μας έχει τη δυνατότητα να πραγματοποιήσει μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία. Σε αυτή την περίπτωση, οι sunny boy παραλληλίζονται και η παραγόμενη ισχύς από τις τρεις φωτοβολταϊκές συστοιχίες αθροίζεται και εγχέεται όλη σε μια φάση στο δίκτυο. Για να πετύχουμε αυτή τη λειτουργία, χρειάζεται να γυρίσουμε τον τετραπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π1 στην επιλογή 2 (μονοφασική σύνδεση) και το διπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π2 στην επιλογή 1 (μονοφασική διασύνδεση με το δίκτυο). Ο sunny island δεν έχει καμία συμμετοχή σε αυτό το κύκλωμα. Το νέο ηλεκτρολογικό σχέδιο μετασχηματίζεται στο κύκλωμα της εικόνας Οι χρησιμοποιούμενοι διακόπτες στο σχήμα φαίνονται κλειστοί. 107

122 Σχήμα 3.19: Το νέο ηλεκτρολογικό σχέδιο στην μονοφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία Σε αυτή τη λειτουργία κάθε μετατροπέας sunny boy συνδέεται σε μια φάση του δικτύου και συγχρονίζεται από αυτό. Η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά κάθε συστοιχίας μεταφέρεται μέσω του sunny boy στην αντίστοιχη φάση που είναι συνδεδεμένος. Για να πραγματοποιήσουμε αυτή τη λειτουργία, γυρίζουμε τον τετραπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π1 στην επιλογή 1 (τριφασική σύνδεση) και αφήνουμε το διπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π2 στη θέση 0. Το κύκλωμα σε τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία δίνεται στο σχήμα Σχήμα 3.20: Το κύκλωμα για την τριφασική διασυνδεδεμένη λειτουργία. 108

123 3.2.4 Σύνδεση μετατροπέα συσσωρευτών στο δίκτυο Ο διακόπτης Μ2 του AC πίνακα καθιστά δυνατή τη σύνδεση του sunny island με το δίκτυο. Ο μοναδικός επιπλέον διακόπτης του πίνακα AC που χρειάζεται να κλείσει για να γίνει εφικτή η σύνδεση είναι ο γενικός διακόπτης Τ1. Η σύνδεση του αντιστροφέα με το δίκτυο προσφέρει τα εξής δύο πλεονεκτήματα: Μπορεί να φορτίζει τους συσσωρευτές χωρίς την ύπαρξη πηγών παραγωγής ενέργειας, δηλαδή π.χ. χωρίς ηλιοφάνεια. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εξωτερική πηγή το δίκτυο για να εξαχθούν συμπεράσματα, μέχρι να προστεθεί στο μικροδίκτυο η ντιζελογεννήτρια. Το κύκλωμα σύνδεσης του sunny island με το δίκτυο δίνεται στο σχήμα Σχήμα 3.21: Σύνδεση sunny island με το δίκτυο Μονοφασική αυτόνομη λειτουργία Αυτή είναι η λειτουργία που μας ενδιαφέρει περισσότερο. Σε αυτή τη λειτουργία. ο sunny island αναλαμβάνει να δημιουργήσει το αυτόνομο δίκτυο. Οι αντιστροφείς των φωτοβολταϊκών συνδέονται στον AC ζυγό (AC 1), που δημιουργεί ο sunny island, και μπορούν να συνεισφέρουν στο αυτόνομο δίκτυο καλύπτοντας τις ανάγκες 109

124 του φορτίου ή των συσσωρευτών, αν αυτοί χρειάζονται φόρτιση. Ο sunny island επικοινωνεί με τους sunny boy μέσω καλωδίων τύπου RS485 από τα οποία πραγματοποιείται η σειριακή μετάδοση δεδομένων. Έτσι, ο sunny island είναι ενημερωμένος για τα χαρακτηριστικά των sunny boy, όπως την ισχύ που παράγουν οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες και αναλαμβάνει να διοχετεύσει την ισχύ αυτή, όπου χρειάζεται. Οι μπαταρίες συνδέονται στο μετατροπέα μέσω του DC ασφαλειοαποζεύκτη (διακόπτης ΑΑ). Όπως αναφέραμε, ο sunny island γνωρίζει την κατάσταση φόρτισης των συσσωρευτών. Αν οι συσσωρευτές έχουν στάθμη φόρτισης πάνω από ένα όριο (η τιμή ρυθμίζεται από το μενού του sunny remote control), ο sunny island μπορεί να χρησιμοποιήσει όσο ποσό της αποθηκευμένης ενέργειας του συσσωρευτή χρειάζεται για την κάλυψη του φορτίου. Αν η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών είναι κάτω από αυτό το όριο, ο μετατροπέας χρησιμοποιεί τη διαφορά παραγόμενης ισχύος από τα φωτοβολταϊκά και ισχύος φορτίου, για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Αν το φορτίο ζητάει περισσότερη ισχύ από αυτή που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά, τότε ο sunny island μπορεί ή να απορρίψει το φορτίο ή να εκφορτίσει κι άλλο τους συσσωρευτές (η επιλογή αφήνεται στο χρήστη). Απόρριψη φορτίου πραγματοποιείται επίσης αν η ισχύς του συνδεδεμένου φορτίου ξεπεράσει τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να δώσει το σύστημά μας, δηλαδή το άθροισμα της παραγόμενης ισχύος από τα φωτοβολταϊκά και τα 2,2kW που παρέχουν οι μπαταρίες μέσω του μετατροπέα σε ονομαστική λειτουργία. Για την ακρίβεια, υπάρχει η δυνατότητα ο sunny island να δώσει ισχύ από τους συσσωρευτές μέχρι 3,8kW για 15 λεπτά (πίνακας 3.5), μετά επέρχεται η απόρριψη φορτίου. Το μονοφασικό φορτίο συνδέεται στον AC ζυγό του sunny island μέσω του διακόπτη Δ4. Όταν προστεθεί στο σύστημα και η ντιζελογεννήτρια, θα συνδεθεί και αυτή στον ίδιο AC ζυγό. Σε αυτή την περίπτωση, όταν η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών πέσει κάτω από το 70% (αυτό το όριο έχει επιλέγει στο μενού 235# Gen start), και η ισχύς των φωτοβολταϊκών δεν επαρκεί για την κάλυψη του φορτίου, τότε ο sunny island θα ενεργοποιεί τη γεννήτρια με τον τρόπο που αναφέραμε στην υποενότητα Αν η στάθμη φόρτισης ξεπεράσει το 85% (επιλεγμένη τιμή από το μενού) τότε η ντιζελογεννήτρια θα αποσυνδεθεί. Εναλλακτικά, ως εξωτερική πηγή ενέργειας μπορεί να συνδεθεί το δίκτυο και να αναλάβει το ρόλο της γεννήτριας. Για να το πετύχουμε αυτό χρειάζεται να κλείσουμε το διακόπτη Μ2 και το γενικό τετραπολικό διακόπτη Τ2 του AC πίνακα. 110

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

126 5. Κλείνουμε προσεκτικά τους διακόπτες DC (Φ1,Φ2 και Φ3) στον πίνακα DC του συστήματος. 6. Κλείνουμε τους διπολικούς διακόπτες (Δ1,Δ2 και Δ3) των sunny boy. 7. Κλείνουμε τον τριπολικό διακόπτη Τ3. 8. Επιλέγουμε λειτουργία με τη χρήση των μεταγωγικών διακοπτών Π1, Π2 στο εξωτερικό μέρος του πίνακα AC. i. Για μονοφασική λειτουργία γυρίζουμε τους μεταγωγικούς διακόπτες Π1 και Π2 στη θέση 2 και θέση 1 αντίστοιχα. ii. Για τριφασική λειτουργία αφήνουμε το διακόπτη Π2 στην θέση 0 και γυρίζουμε το διακόπτη Π1 στην επιλογή 1. Για την εκκίνηση του αυτόνομου δικτύου πραγματοποιούμε τα εξής βήματα: 1. Ελέγχουμε ότι οι περιστροφικοί διακόπτες Π1 και Π2 βρίσκονται αμφότεροι στις θέσεις Κλείνουμε προσεκτικά τους διακόπτες Φ1,Φ2 και Φ3 στον DC πίνακα. 3. Κλείνουμε τους διπολικούς διακόπτες (Δ1,Δ2 και Δ3) των sunny boy. 4. Γυρνάμε τον τετραπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π1 στην θέση Γυρνάμε τον διπολικό μεταγωγικό διακόπτη Π2 στην θέση Κλείνουμε τον DC ασφαλειοαποζεύκτη (διακόπτης ΑΑ). 7. Εκκινούμε τον sunny island. 8. Ελέγχουμε ότι ο διακόπτης φορτίου (Δ4) είναι ανοικτός, και αφού συνδέσουμε το φορτίο, κλείνουμε τον διακόπτη. 9. Αν επιθυμούμε τη σύνδεση κάποιων συσκευών στους ρευματοδότες κλείνουμε με τη σειρά τους διακόπτες Τ1, Τ2, ΡΔ και τέλος το διακόπτη των ρευματοδοτών Μ1. 112

127 Για την παύση του συστήματος πραγματοποιούμε τα παρακάτω βήματα παραλείποντας όσα δε χρειάζονται: 1. Γυρίζουμε τους δύο μεταγωγικούς διακόπτες Π1 και Π2 στη θέση 0. i. Για το διασυνδεδεμένο σύστημα ελέγχουμε ότι οι sunny boy είναι σε mode disturbance (φαίνεται στη μικρή οθόνη του μετατροπέα). ii. Για το αυτόνομο σύστημα, ανοίγουμε πρώτα τον διακόπτη φορτίου Δ4, μετά αποσυνδέουμε το φορτίο, έπειτα σβήνουμε τον sunny island και τέλος ανοίγουμε τον ασφαλειοαποζεύκτη ΑΑ. 2. Ανοίγουμε τους διπολικούς διακόπτες (Δ1, Δ2 και Δ3) των sunny boy. 3. Ανοίγουμε προσεκτικά τους διακόπτες DC (Φ1, Φ2 και Φ3) στον DC πίνακα. 4. Ανοίγουμε το διακόπτη διαφυγής έντασης (διακόπτης ΡΔ στο σχήμα) και το μικροαυτόματο Μ1 των ρευματοδοτών. 5. Ανοίγουμε τον τριπολικό διακόπτη Τ3. 6. Ανοίγουμε τον τετραπολικό γενικό διακόπτη Τ2 του πίνακα AC. 7. Ανοίγουμε τον τριπολικό διακόπτη Τ1 του πίνακα του εργαστηρίου. 3.3 Καταγραφή λειτουργίας του αυτόνομου συστήματος Για να κατανοήσουμε καλύτερα το σύστημά μας και για να διαπιστώσουμε ότι δουλεύει όπως περιμένουμε, πραγματοποιήσαμε ένα σύνολο μετρήσεων στο αυτόνομο σύστημα. Στην αρχή, πραγματοποιήσαμε μετρήσεις με μικρά φορτία (λαμπτήρες ισχύος W) και στη συνέχεια με μεγαλύτερα φορτία μέχρι της τάξης των 2KW. Από τα πειράματα αυτά, θα καταφέρουμε να εξάγουμε συμπεράσματα για τους συσσωρευτές, τους αντιστροφείς αλλά και τη συμπεριφορά μιας εξωτερικής πηγής, όταν αυτή συνδέεται στο σύστημα. Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων, χρησιμοποιήσαμε έναν πολυλειτουργικό καταγραφέα δεδομένων, το sunny webbox (σχήμα 3.23) [37]. Το sunny webbox συλλέγει συνεχώς όλα τα δεδομένα των μετατροπέων και μας ενημερώνει ανά πάσα στιγμή για την κατάσταση του συστήματος. Παρέχει μια πληθώρα επιλογών για την προβολή, την αρχειοθέτηση και την περαιτέρω επεξεργασία των δεδομένων ακόμα και σε δίκτυα με υψηλές απαιτήσεις ασφαλείας. Το sunny webbox συλλέγει συνεχώς πληροφορίες μέσω του remote control, στο οποίο είναι συνδεδεμένος και ο sunny island, ο οποίος επικοινωνεί με τους sunny boy. Έτσι, το webbox είναι σε θέση να παρέχει πλήρη εποπτεία του συστήματος. 113

128 Σχήμα 3.23: Άποψη του sunny webbox[37]. Οι λειτουργίες του είναι: Ο συνεχής έλεγχος της ηλιακής εγκατάστασης Η έγκαιρη αναγνώριση σφαλμάτων λειτουργίας Η καταγραφή των ενεργειακών αποδόσεων Η ασφαλής αποθήκευση δεδομένων και αξιολόγηση με MS excel Η διάγνωση και διαμόρφωση εγκατάστασης Η αυτόματη μετάδοση δεδομένων σε ρυθμιζόμενα χρονικά διαστήματα Η επεξεργασία δεδομένων και γραφική απεικόνιση στο διαδίκτυο μέσω του Sunny Portal Το sunny portal αποτελεί το γραφικό περιβάλλον επικοινωνίας του χρήστη με τα δεδομένα του sunny webbox. Έχουμε ρυθμίσει το webbox να αποθηκεύει κάθε πέντε λεπτά (ο μικρότερος χρόνος που είναι διαθέσιμος) τις τιμές που συλλέγει, οι οποίες είναι προσβάσιμες μέσω του MS excel. Διαθέτει εσωτερική μνήμη και μπορεί να αποθηκεύει τιμές πολλών ημερών. Οι τιμές που εμφανίζει είναι οι μέσες τιμές των μετρούμενων μεγεθών. Για παράδειγμα για τα AC στοιχεία του sunny island, υπολογίζει έναν μέσο όρο των ενεργών τιμών κάθε μεγέθους που μετράει, και αποθηκεύει την τιμή αυτή. 114

129 Μέτρηση της ισχύος σε κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία Το σύστημα λειτουργεί μόνο με τους δύο sunny boy λόγω έλλειψης της τρίτης συστοιχίας φωτοβολταϊκών. Θυμίζουμε ότι κάθε φωτοβολταϊκή συστοιχία έχει ισχύ 960Wp. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις 14 Σεπτεμβρίου. Στο γράφημα του σχήματος 3.24 δίνεται η παραγόμενη φωτοβολταϊκή ισχύς από τις δύο ενεργές συστοιχίες μεταξύ των ωρών 0:00 και 14: Ισχύς (W) Φωτοβολταϊκή συστοιχία 1 Φωτοβολταϊκή συστοιχία 2 0 0:00 1:55 3:50 5:45 7:40 9:36 11:31 13:26 15:21 17:16 Ώρα Σχήμα 3.24: Παραγόμενη ισχύς από τις δύο φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Παρατηρούμε ότι η παραγόμενης ισχύς είναι απολύτως ίδια και στις δύο φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Αυτό είναι απόλυτα λογικό, καθώς οι συστοιχίες είναι με τον ίδιο τρόπο τοποθετημένες ως προς τον προσανατολισμό και την κλίση τους, ενώ δεν υπάρχει κανένα φυσικό ή τεχνητό εμπόδιο στην κατεύθυνση του ηλίου, καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Για την ακρίβεια, η διαφορά είναι της τάξης των 2-5 Watt. Αυτή η διαφορά είναι πιο πιθανό να οφείλεται στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών, παρά σε σφάλμα των αντιστροφέων, αφού τα τελευταία χρόνια δεν είχαν πραγματοποιηθεί τακτικές συντηρήσεις στα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Η μέγιστη παραγόμενη ισχύς ανά συστοιχία έφτασε ως τα 660W, τιμή ικανοποιητική για μια μέτρια σε ηλιοφάνεια ημέρα Σεπτεμβρίου. Η σταδιακή μείωση της ισχύος από τις 11:30 και μετά οφείλεται σε σταδιακή νέφωση, ενώ στις 14:15 η ηλιοφάνεια ήταν πλέον πάρα πολύ μικρή λόγω υψηλής νέφωσης. Σημειώνεται ότι κατά τη διάρκεια του πειράματος, η παραγόμενη ισχύς διοχετευόταν στο δίκτυο (αυτόνομη λειτουργία με εξωτερική πηγή το δίκτυο). 115

130 Στάθμη φόρτισης σε % Μετρήσεις με φορτίο 100W Το πρώτο φορτίο που τοποθετήσαμε στο αυτόνομο σύστημα ήταν ένας λαμπτήρας ισχύος 100W. Αυτό το μικρό φορτίο θα μας επιτρέψει να βγάλουμε τα πρώτα συμπεράσματα για τους συσσωρευτές. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν επίσης στις 14 Σεπτεμβρίου του Το σχήμα 3.25 δείχνει πώς μεταβλήθηκε η κατάσταση των συσσωρευτών με αρχική φόρτιση 95,53%. Οι τιμές ξεκινούν στις 12 το βράδυ, οπότε ελλείψει ηλιοφάνειας, οι συσσωρευτές καλύπτουν το φορτίο με την αποθηκευμένη ενέργειά τους. 100 Στάθμη φόρτισης συσσωρευτών :00 1:26 2:52 4:19 5:45 7:12 8:38 10:04 11:31 12:57 14:24 15:50 Ώρα Σχήμα 3.25: Στάθμη φόρτισης συσσωρευτών κατά την διάρκεια της ημέρας. Όπως αναμέναμε, κατά τη διάρκεια της νύχτας, η στάθμη φόρτισης (state of charge - SOC) διαρκώς μειώνεται καθώς δεν υπάρχει άλλη πηγή ενέργειας να φορτίσει τους συσσωρευτές και να καλύψει το φορτίο. Η μείωση είναι γραμμική και διαρκεί μέχρις ότου έχουμε ικανοποιητική ηλιοφάνεια, ώστε να ξεκινήσουν τα Φ/Β να παράγουν ενέργεια, δηλαδή στις 07:30 το πρωί. Από εκείνη την ώρα και μετά, τα φωτοβολταϊκά καλύπτουν το φορτίο και αρχίζουν να φορτίζουν τους συσσωρευτές με μικρό ρεύμα. Μέχρι τις 11:30, οι συσσωρευτές έχουν φορτιστεί πλήρως. Μια μικρή μεταβολή στις 04:00 που διακόπτει τη μέχρι τότε γραμμική μείωση του SOC, οφείλεται σε λάθος εκτίμηση του sunny island για τη στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών. Ο sunny island διορθώνει την εκτίμηση του για το SOC, από 92,81% 116

131 Ισχύς (W) σε 93,16%, και η γραμμική εκφόρτιση των συσσωρευτών συνεχίζεται. Σημειώνεται ότι ο sunny island δείχνει πάντα το SOC των συσσωρευτών μαζί με ένα περιθώριο λάθους της εκτίμησης του. Οι συσσωρευτές έχουν χωρητικότητα 670Αh και συνολική τάση 24V. Άρα η ισχύς τους σε Wh είναι: P = V I = 670Ah 24V = 16080Wh Η στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών στις 4:30 ήταν 93% και στις 07:30 ήταν 90,5%, η οποία είναι και η χαμηλότερη στάθμη που έφτασαν οι συσσωρευτές. Άρα. σε τρεις ώρες είχαμε κατανάλωση 300W και μείωση του SOC κατά 2,5% και επειδή έχουμε σταθερό φορτίο, η μείωση του SOC είναι γραμμική και αντιστοιχεί σε 0,83% εκφόρτιση την ώρα. Η μείωση του SOC κατά 0,83% θεωρητικά αντιστοιχεί σε: Wh 0,83% = 133,46Wh Αυτή η τιμή είναι μεγαλύτερη από την κατανάλωση που είχε το σύστημα, δηλαδή τα 100W την ώρα. Η απόκλιση όμως είναι μικρή και μπορεί να οφείλεται είτε σε λάθος εκτίμηση του sunny island είτε σε όχι ιδανική κατάσταση των συσσωρευτών. Θυμίζουμε ότι οι συσσωρευτές είχαν εκφορτιστεί σε πολύ μεγάλο ποσοστό πριν την επαναλειτουργία του συστήματος και ενδέχεται να έχουν υποστεί κάποια βλάβη. Μετρήσεις με φορτίο 230W Τo νέο φορτίο αυξήθηκε στα 230W, (ένας λαμπτήρας 100W και ένας λαμπτήρας 130W). Στο σχήμα 3.26, δίνεται η παραγόμενη φωτοβολταϊκή ισχύς μιας συστοιχίας για μια ολόκληρη ημέρα. 800 Ισχύς φωτοβολταϊκής συστοιχίας :00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 Ώρα Σχήμα 3.26: Ισχύς φωτοβολταϊκής συστοιχίας στην διάρκεια της ημέρας. 117

132 στάθμη φόρτισης σε % Οι τιμές του παραπάνω σχήματος είναι οι τιμές ισχύος μιας συστοιχίας, στις 15 Σεπτεμβρίου του Αυτή τη μέρα δεν υπήρχε ιδιαίτερη νέφωση, για αυτό και οι μεταβολές της ισχύος είναι πιο ομαλές. Παρουσιάζεται παραγωγή ισχύος από τις 07:30 το πρωί μέχρι τις 19:10 το απόγευμα, με την μέγιστη τιμή να παρουσιάζεται στις 13:15 και να ανέρχεται στα 720W. Η μέση τιμή της παραγόμενης ισχύος για τη διάρκεια της ημέρας με ηλιοφάνεια βρίσκεται στα 420W και η συνολική παραγωγή της ημέρας φτάνει τα 4900Wh ανά φωτοβολταϊκή συστοιχία. Στο παρακάτω σχήμα δίνεται το διάγραμμα της στάθμης φόρτισης των συσσωρευτών κατά την διάρκεια αυτής της ημέρας με το φορτίο των 230W. Στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών 102,00 100,00 98,00 96,00 94,00 92,00 90,00 88,00 86,00 84,00 82,00 80,00 78,00 76,00 74,00 72,00 70,00 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 Ώρα Σχήμα 3.27: Στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών κατά την διάρκεια της ημέρας. Η αρχική στάθμη φόρτισης των συσσωρευτών είναι 90,41%. Όπως αναμενόταν, λόγω της νύκτας, η στάθμη φόρτισης μειώνεται μέχρι το 76,66%. Από τις 07:30, ξεκινά η παραγωγή ισχύος και τα φωτοβολταϊκά καλύπτουν την ισχύ του φορτίου και ταυτόχρονα φορτίζουν τις μπαταρίες. Μέχρι τις 12:00, οι μπαταρίες έχουν φορτιστεί στο 100% και παραμένουν φορτισμένες μέχρι τις 19:00, που πλέον η ισχύς των φωτοβολταϊκών δεν επαρκεί για το φορτίο. Δηλαδή, η παραγωγή τους έχει πέσει κάτω από τα 230W και έτσι οι συσσωρευτές αρχίζουν πάλι να εκφορτίζονται, αφού καλύπτουν αυτοί πλέον το φορτίο. 118

133 Οι μπαταρίες εκφορτίζονται με ρυθμό 1,59% την ώρα. Αυτό αντιστοιχεί σε 16080Wh 1,59% = 255,67Wh, ενώ το φορτίο μας είναι 230W. Αυτή η απόκλιση είναι λίγο μικρότερη σε σχέση με πριν και μπορεί να οφείλεται είτε σε λάθος εκτίμηση του sunny island, είτε σε απώλειες των μπαταριών. Μετρήσεις με μεταβλητό φορτίο Στη συνέχεια παρουσιάζουμε κάποια αποτελέσματα πειραμάτων που πραγματοποιήσαμε με μεταβλητό φορτίο, αυξάνοντάς το σταδιακά, χρησιμοποιώντας για τη καταγραφή τους τις ενδείξεις της οθόνης του sunny remote control. Σημειώνουμε ότι οι ενδείξεις του δίνονται όσο αφορά την ισχύ σε kw με ένα δεκαδικό ψηφίο και ενδέχεται να παρουσιάζει τις τιμές με σφάλμα ενός δεκαδικού ψηφίου, δηλαδή με σφάλμα 100W. Φορτίο 100W Στην αρχή τοποθετήσαμε ένα μικρό φορτίο με συνδεδεμένο το δίκτυο ως εξωτερική πηγή. Οι ενδείξεις του sunny remote control φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 3:28: Ενδείξεις του sunny remote control για φορτίο 100W. Το δίκτυο παρέχει περίπου 0,2KW (η ισχύς του δικτύου φαίνεται πάντα πάνω αριστερά στην οθόνη), 100W για το φορτίο και οι μπαταρίες φορτίζονται με την υπόλοιπη ισχύ. Φορτίο 400W Έπειτα αυξήσαμε το φορτίο στα 400W και βάλαμε το σύστημα να δουλέψει με και χωρίς δίκτυο. Τα αποτελέσματα δίνονται στα σχήματα 3.29 και 3.30 Σχήμα 3.29: Οθόνη sunny remote control για φορτίο 400W και συνδεδεμένο το δίκτυο. 119

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

135 Σχήμα 3.32: Μόνιτορ sunny remote control για φορτίο 800W με συνδεδεμένα μόνο τα φωτοβολταϊκά. Τώρα το δίκτυο έχει αποσυνδεθεί και τα φωτοβολταϊκά έχουν αναλάβει το φορτίο. Με τον ίδιο τρόπο με πριν, ο sunny island βλέπει σα φορτίο τα 200W που παρέχουν τα Φ/Β για να φορτίσουν τους συσσωρευτές. Φορτίο 1200W Κατά την διάρκεια αυτού του πειράματος, η παραγωγή των φωτοβολταϊκών μειώθηκε στα 300W λόγω νέφωσης. Στο σχήμα 3.33 δίνονται τα αποτελέσματα στην αυτόνομη λειτουργία. Σχήμα 3.33: Αποτελέσματα για φορτίο 1200W σε αυτόνομη λειτουργία. Τα φωτοβολταϊκά τώρα παρέχουν μόνο τα 300W από τα 1200W και την υπόλοιπη ισχύ την δίνουν οι συσσωρευτές. Τώρα σαν φορτίο ο sunny island βλέπει την υπόλοιπη ισχύ που καλούνται να καλύψουν οι μπαταρίες. Στη συνέχεια συνδέουμε το δίκτυο ενώ τα φωτοβολταϊκά παρέχουν ακόμα ισχύ. Σχήμα 3.34: Οθόνη sunny remote control για φορτίο 1200 σε αυτόνομη λειτουργία Το δίκτυο παρέχει τα 1,2kW στο φορτίο και τα φωτοβολταϊκά μόνο τα υπόλοιπα 200W, αφού η παραγόμενη ισχύς μειώθηκε κι άλλο. Το δίκτυο φορτίζει επίσης τις μπαταρίες, δίνοντας έτσι συνολική ισχύ 1,4kW. Αυτός ακριβώς είναι και ο τρόπος με τον οποίο θα λειτουργούσε μια ντιζελογεννήτρια αν συνδεόταν στο αυτόνομο σύστημα αντί για το δίκτυο. 121

136 Φορτίο 1400W Στη συνέχεια, η ισχύς των φωτοβολταϊκών επανέρχεται στα 1600W και αυξάνουμε το φορτίο σε μια τιμή κοντά στην ισχύ τους, τα 1400W. Επειδή το δίκτυο πλέον δε χρειάζεται, αφού η ισχύς των φωτοβολταϊκών είναι μεγαλύτερη από το φορτίο, ο sunny island αποσυνδέει την εξωτερική πηγή, δηλαδή το δίκτυο. Τελικά έχουμε τα αποτελέσματα του σχήματος Σχήμα 3.35: Οθόνη sunny remote control για αυτόνομη λειτουργία και φορτίο 1400W. Τα φωτοβολταϊκά τώρα ικανοποιούν το φορτίο και προσφέρουν την υπόλοιπη ισχύ τους στη φόρτιση των συσσωρευτών. Ο sunny island βλέπει πάλι σα φορτίο μόνο το ποσό ισχύος που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση των μπαταριών. Φορτίο 1800W Σαν τελευταία μέτρηση, συνδέουμε ένα μεγαλύτερο φορτίο από την ισχύ των φωτοβολταϊκών και συνδέουμε το δίκτυο (σχήμα 3.36). Σχήμα 3.36: Οθόνη sunny remote control για φορτίο 1800W. Το δίκτυο δίνει πλέον 400W. Τα 300W τα στέλνει στο φορτίο (η ισχύς των φωτοβολταϊκών μειώθηκε στα 1500W) και με τα υπόλοιπα 100W φορτίζει τους συσσωρευτές. Σημειώνεται ότι το δίκτυο το συνδέσαμε καθαρά για σκοπούς παρατήρησης, γιατί στο συγκεκριμένο πείραμα δε χρειάζεται η σύνδεσή του, αφού την υπολειπόμενη ισχύ του φορτίου θα μπορούσαν να την καλύψουν οι συσσωρευτές. 122

137 3.4. Συμπεράσματα Από τις μετρήσεις που πραγματοποιήσαμε, συμπεραίνουμε ότι το μικροδίκτυο, κατά την αυτόνομη λειτουργία, λειτουργεί σωστά. Υπάρχει ορθή και επαρκής επιτήρηση του συστήματος από το μετατροπέα των συσσωρευτών, καθώς και σωστή διαχείριση της ισχύος. Οι sunny boy, οι συσσωρευτές και το δίκτυο, που στο παρόν σύστημα προσομοιώνει τη ντιζελογεννήτρια, πραγματοποίησαν τις ενέργειες που αναμέναμε. Σε αυτό το κεφάλαιο, παρουσιάσαμε τόσο τις συνιστώσες του παρόντος συστήματος, όσο και τις προσθήκες που αναμένεται να γίνουν. Το φορτίο που κατασκευάσαμε, το οποίο θα παρουσιαστεί στο κεφάλαιο 5, είναι τριφασικό και προσομοιώνει την οικιακή κατανάλωση ενός μέσου νοικοκυριού. Για να μπορέσουμε να εξάγουμε ασφαλέστερα συμπεράσματα για το αν το μικροδίκτυο επαρκεί για την κάλυψη αυτού του φορτίου, θα πρέπει να πραγματοποιηθεί η μετατροπή του συστήματος από μονοφασικό σε τριφασικό. Όπως αναφέρθηκε, αυτό μπορεί να γίνει είτε με την προσθήκη δύο ακόμα sunny island, είτε με την αντικατάσταση του υπάρχοντος μετατροπέα με έναν τριφασικό. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει και στην προσθήκη περισσότερων συσσωρευτών και άρα στην αύξηση της συνολικής χωρητικότητας. Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό και αναγκαίο βήμα, καθώς η τωρινή χωρητικότητα των συσσωρευτών θεωρείται μικρή και δεν επαρκεί για τη κάλυψη ενός απαιτητικού φορτίου, όπως αυτό ενός σπιτιού, σε καθημερινή βάση. 123

138 124

139 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4.1 Εισαγωγή Ο σκοπός του παρόντος κεφαλαίου, είναι να γίνει μια πρώτη απόπειρα να προσομοιωθεί το μικροδίκτυο του εργαστηρίου Ηλεκτρικής Ενέργειας., ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τις λειτουργίες του μικροδικτύου και την ορθότητα των θεωρητικών υπολογισμών. Οι προσομοιώσεις αποτελούν ένα πολύτιμο εργαλείο που είναι χρήσιμο τόσο σε ακαδημαϊκό επίπεδο όσο και σε επίπεδο μελέτης. Η προσομοίωση αποτελεί τον οδηγό για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας των υπό μελέτη συστημάτων και επιτρέπει την πρόβλεψη καταστάσεων και τον καλύτερο σχεδιασμό τους. Από τα διαθέσιμα εργαλεία προσομοιώσεων επιλέχθηκε το λογισμικό πακέτο Simulink του matlab R2011b. Το Simulink προσφέρει μεγάλες υπολογιστικές ικανότητες, έναν εντυπωσιακό αριθμό συναρτήσεων και κυκλωματικών συμβόλων και σχετικά εύχρηστο περιβάλλον για τον χρήστη. Η επαναληπτική αριθμητική μέθοδος που χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς των μεγεθών είναι η ode 23tb. Το κεφάλαιο αυτό, εστιάζεται στην προσομοίωση των φωτοβολταϊκών πλαισίων, την προσομοίωση των μετατροπέων sunny island και sunny boy, που είναι και οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται στο εργαστήριο και τέλος την τελική συνολική προσομοίωση του μικροδικτύου. Οι μετατροπείς που θα χρησιμοποιηθούν έχουν σχεδιαστεί από τον συνάδελφο Σωτήριο Μπιλιανό [38]. Η προσομοίωση του συνολικού συστήματος έχει πραγματοποιηθεί σε συνεργασία με τον προαναφερθέντα συνάδελφο και τον συνάδελφο Παύλο Παρασκευά [39]. 4.2 Το μαθηματικό μοντέλο Για να μπορέσουμε να προχωρήσουμε στην προσομοίωση των φωτοβολταϊκών πλαισίων, πρέπει να επιλεχθεί το κατάλληλο μαθηματικό μοντέλο. Το υπολογιστικό μοντέλο που θα δημιουργηθεί θα πρέπει να είναι ακριβές αλλά σχετικά απλό, ώστε να αποφευχθούν οι μεγάλης διάρκειας προσομοιώσεις και η πολυπλοκότητα του μοντέλου. Ακόμη σημαντικό είναι οι παράμετροι που θα χρησιμοποιηθούν να είναι 125

140 όσο το δυνατόν λιγότεροι, όσο αυτό δεν βλάπτει την ακρίβεια του μοντέλου, αλλά και να μπορούν να εξαχθούν εύκολα από τα φυλλάδια των κατασκευαστών χωρίς να είναι απαραίτητη η πειραματική προσέγγιση κάποιων παραμέτρων. Στο matlab έχουν αναπτυχθεί μοντέλα φωτοβολταϊκών [40],[41],[42] τα οποία βασίζονται σε κάποιο κώδικα γραμμένο στον συντάκτη του matlab, τα οποία όμως δεν πληρούν τα παραπάνω κριτήρια. Επίσης έχουν διατυπωθεί δύο μαθηματικά μοντέλα, το Παραμετρικό μοντέλο[43] και το Μοντέλο της παρεμβολής [44],[45],[29]. Το μοντέλο που τελικά χρησιμοποιήθηκε είναι το μοντέλο της παρεμβολής. Επιλέχθηκε αυτό το μοντέλο, επειδή μας καλύπτει όσον αφορά στην ταχύτητα προσομοίωσης και επίσης στηρίζεται στην γνώση μόνο τριών στοιχείων της χαρακτηριστικής καμπύλης του πλαισίου. Τα τρία αυτά σημεία είναι: το σημείο μέγιστης ισχύος (Vmp, Imp), το σημείο ανοικτού κυκλώματος (Voc, 0) και το σημείο βραχυκύκλωσης (0, Isc). Οι τιμές αυτών των σημείων είναι πάντοτε γνωστές καθώς παρέχονται στα τεχνικά φυλλάδια του κατασκευαστή συνήθως για θερμοκρασία 25 ο C και ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2. Ορίζουμε τους ακόλουθους δύο συντελεστές: C 1 Imp Vmp (1 )exp( ) (4.1) I C V sc 2 oc Vmp Imp C2 ( 1) / ln[1 ) (4.2) V I oc sc Επίσης αναφέρονται ακόμα δύο παράμετροι οι οποίες εισάγουν την εξάρτηση από την θερμοκρασία και την ακτινοβολία. G G9 D1 CT 1 ( T T ) I ( 1) (4.3) REF sc V V C ( T T ) R D (4.4) R TV REF s 1 126

141 Όπου: C TI ο συντελεστής θερμοκρασίας για το ρεύμα βραχυκύκλωσης του πλαισίου (% / ο C) C TV ο συντελεστής θερμοκρασίας για την τάση ανοικτού κυκλώματος του πλαισίου (mv/ o C) Οι παραπάνω σταθερές επίσης δίνονται από τον κατασκευαστή στη πλειονότητα των περιπτώσεων. G είναι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε W/m 2 T είναι η θερμοκρασία λειτουργίας του πλαισίου Τ REF είναι η θερμοκρασία αναφοράς του πλαισίου (συνήθως 25 ο C) Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτουν οι ακόλουθες εξισώσεις, που δίνουν την τάση και το ρεύμα εξόδου για οποιαδήποτε θερμοκρασία και ακτινοβολία: V I I [1 C [exp( ) 1]] D (4.5) sc R 1 1 C2 Voc I D1 1 I V C V ln( 1) C ( T T ) R D (4.6) sc 2 oc TV REF s 1 C1 Ένας επιπλέον λόγος που επιλέχθηκε το μοντέλο της παρεμβολής, είναι ότι προσεγγίζει με μεγάλη ακρίβεια την χαρακτηριστική καμπύλη του πλαισίου. 4.3 Μοντέλο προσομοίωσης φωτοβολταϊκών Το ισοδύναμο κύκλωμα της εξίσωσης 4.5 του ρεύματος, μπορεί να αναπαρασταθεί από μια ελεγχόμενη πηγή ρεύματος η οποία συνδέεται με ένα φορτίο. Ο έλεγχος αυτής της πηγής πραγματοποιείται με βάση τις προηγούμενες εξισώσεις υπολογισμού των παραμέτρων και των συντελεστών που αναφέρθηκαν. Με την μέτρηση της τάσης στην έξοδο ρυθμίζεται η πηγή ρεύματος ώστε το ρεύμα και η τάση εξόδου να αποτελούν σημεία της χαρακτηριστικής καμπύλης του εξεταζόμενου φωτοβολταϊκού πλαισίου. 127

142 Το φωτοβολταϊκά πλαίσια με τα οποία είναι εφοδιασμένο το εργαστήριο, είναι τα Shell PowerMax TM Ultra 80-P της shell solar.τα κατασκευαστικά στοιχεία του πλαισίου που είναι και αυτά που χρησιμοποιήσαμε στο μοντέλο του matlab είναι τα εξής: ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Shell PowerMax Ultra 80-P Ονομαστική ισχύς Pmpp 80 Wp Τάση μέγιστης ισχύος Vmpp 16.9 V Ρεύμα μέγιστης ισχύος Ιmpp 4.76 A Ρεύμα βραχυκύκλωσης Ιsc 5.35 A Τάση ανοικτού κυκλώματος Voc 21.8 V Θερμοκρασιακός συντελεστής τάσης mv/ o C ανοικτού κυκλώματος Voc Θερμοκρασιακός συντελεστής 0.8 ma/ o C ρεύματος βραχυκύκλωσης Ιsc Πίνακας 4.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά του Φ/Β Πλαισίου [31]. Το τελικό μοντέλο όπως αυτό σχεδιάστηκε δίνεται παρακάτω. Σχήμα 4.1: Μοντέλο φωτοβολταϊκού πλαισίου στο matlab. 128

143 Όπως φαίνεται από το σχήμα 4.1, οι παράμετροι που χρησιμοποιούνται είναι τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τα οποία δίνονται και επιπρόσθετα η ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία και η θερμοκρασία αναφοράς Η ελεγχόμενη πηγή με σήμα ράμπας στην έξοδο του φωτοβολταϊκού προσομοιώνει ένα γραμμικά μεταβαλλόμενο φορτίο. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν συνεχή τάση και ρεύμα στα άκρα τους, έτσι η προσομοίωση γίνεται με χρήση «ωμικού φορτίου»-πηγή συνεχούς τάσης. Αυτό γίνεται για να μπορέσουμε να σχηματίσουμε την χαρακτηριστική καμπύλη του πλαισίου, διαφορετικά θα παίρναμε ένα μόνο σημείο, ένα μόνο ζεύγος δηλαδή τάσης και ρεύματος. Σχήμα 4.2: Υποσύστημα του μοντέλου. Το υποσύστημα παρουσιάζεται στο σχήμα 4.2. Οι δύο ελεγχόμενες πηγές στο υποσύστημα του μοντέλου έχουν προστεθεί για τον καλύτερο έλεγχο των αποτελεσμάτων, ενώ οι εξισώσεις οδήγησης της πηγής ρεύματος εξακολουθούν να είναι ίδιες. Οι εξισώσεις οδήγησης ακολουθούν στο παρακάτω σχήμα: 129

144 Σχήμα 4.3: Προσομοίωση εξισώσεων του μαθηματικού μοντέλου της παρεμβολής. Το υποσύστημα με τις εξισώσεις που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.3 εκτελεί με τη σειρά, από πάνω προς τα κάτω όπως φαίνεται στο σχήμα, τις εξισώσεις 4.2, 4.1, 4.3 και τέλος

145 Ισχύς (W) Ρεύμα (Α) Αποτελέσματα μοντέλου προσομοίωσης Στο μοντέλο γίνανε μια σειρά από προσομοιώσεις για να εξαχθούν τόσο οι χαρακτηριστικές καμπύλες τάσης ρεύματος και τάσης ισχύος, όσο και η εξάρτηση του πλαισίου από την θερμοκρασία και την ακτινοβολία. Ακολουθούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες του πλαισίου Τάση (V) Σχήμα 4.4: Χαρακτηριστική καμπύλη Τάσης-ρεύματος πλαισίου Τάση (V) Σχήμα 4.5: Χαρακτηριστική καμπύλη Τάσης-ισχύος πλαισίου. Οι καμπύλες σχηματίστηκαν για ακτινοβολία 1000 W/m 2 και θερμοκρασία 25 ο C. Παρατηρούμε ότι το μοντέλο ανταποκρίνεται ορθά στη λειτουργία του πλαισίου. 131

146 Ρεύμα Στη συνέχεια πραγματοποιηθήκαν προσομοιώσεις για διάφορες ακτινοβολίες και θερμοκρασίες και τα αποτελέσματα παρατίθενται στα παρακάτω σχήματα: 6 Χαρακτηριστικές Ι-V για διάφορες τιμές της ακτινοβολίας 100 W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m Τάση Σχήμα 4.6: Χαρακτηριστικές τάσης-ρεύματος του φωτοβολταϊκού πλαισίου για διάφορες ακτινοβολίες και θερμοκρασία 25 0 C. 132

147 Σχήμα 4.7: Χαρακτηριστικές καμπύλες Τάσης-Ισχύος για διάφορες ακτινοβολίες και θερμοκρασία 25 ο C. Σχήμα 4.8: Χαρακτηριστικές καμπύλες Τάσης ρεύματος για διάφορες θερμοκρασίες και σταθερή ακτινοβολία 1000 W/m

148 4.4 Προσομοίωση φωτοβολταϊκής συστοιχίας Στο μικροδίκτυο του εργαστηρίου Ηλεκτρικής Ενέργειας έχουν εγκατασταθεί τρεις φωτοβολταϊκές συστοιχίες, που η καθεμία αποτελείται από δώδεκα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Οπότε ο στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα μοντέλο που θα αποτελείται από δώδεκα πλαίσια σε σειρά, με σκοπό να ενσωματωθεί στη συνέχεια στην προσομοίωση του συνολικού συστήματος. Για αρχή σχεδιάστηκε ένα απλούστερο μοντέλο, με μόνο τρία πλαίσια για να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία. Εδώ θα αναφερθούμε στο φαινόμενο της σκίασης όπως αυτό παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 2, και θα υποθέσουμε διαφορετική τιμή ακτινοβολίας σε κάθε πλαίσιο. Το μοντέλο παρουσιάζεται στο σχήμα 4.9 Σχήμα 4.9: Μοντέλο προσομοίωσης για τρία φωτοβολταϊκά πλαίσια σε σειρά με διαφορετικές τιμές ακτινοβολίας. Εδώ τα τρία πλαίσια διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα ενώ η τάση τους στην έξοδο είναι το άθροισμα των τάσεων τους. Οι προσπίπτουσες ακτινοβολίες σε κάθε πλαίσιο είναι 1000W/m 2, 700 W/m 2 και 300W/m 2 αντίστοιχα. Ως θερμοκρασία θεωρούμε ότι έχουμε 25 ο C. Όπως αναμένουμε από την θεωρία, η τάση της εξόδου της συστοιχίας 134

149 θα κυμανθεί κοντά στα 65.4V, ενώ το ρεύμα εξόδου θα είναι ίσο με το ρεύμα του πλαισίου με την χαμηλότερη ακτινοβολία, κοντά στο 1,7Α. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσιάζονται στο σχήμα Σχήμα 4.10: Χαρακτηριστικές καμπύλες τάσης ρεύματος και τάσης ισχύος για τα τρία πλαίσια. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την θεωρία οπότε το μοντέλο ανταποκρίνεται αποτελεσματικά και στο φαινόμενο της σκίασης. Όπως φαίνεται η σκίαση προκαλεί απώλεια ισχύος. Για την ακρίβεια το σημείο μέγιστης ισχύος βρίσκεται κοντά στα 85Watt αντί για 240Watt που θα ήταν η ισχύς αν δεν είχε παρουσιαστεί η σκίαση στα δύο από τα τρία πλαίσια. Γι αυτό το λόγο οι κατασκευαστές τοποθετούν στο πίσω μέρος των πλαισίων, στο κουτί διασύνδεσης διόδους παράκαμψης. Στο υπό μελέτη Φ/Β πλαίσιο υπάρχει τοποθετημένη μια δίοδος αντεπιστροφής. Παρακάτω παρατίθεται το υποσύστημα του μοντέλου με την πρόσθετη δίοδο καθώς και οι νέες χαρακτηριστικές καμπύλες των τριών πλαισίων. 135

150 + s - s Vmp Vmp 4.76 Imp 21.8 Voc 5.35 Voc Imp Isc I2 i + - Current Measurement ICSI ICSI Display2 Isc Ct1 Ct1 1 G G 1 Vout+ 2 T T Rsh Diode 2 Vout- Display1 -C- Ctv 25 Tref 0.2 Rs Tref Ctv Rs I1 ICSII i + - Current Measurement ICSII V Display4 eksiswseis v + - Voltage PV Measurement (before Diode) Σχήμα 4.11: Το νέο υποσύστημα του Φ/Β πλαισίου μαζί με την πρόσθετη δίοδο. Σχήμα 4.12: Χαρακτηριστικές Τάσης-ρεύματος και Τάσης-ισχύος για το νέο μοντέλο. Παρατηρούμε ότι με την προσθήκη των διόδων σε κάθε πλαίσιο, πετύχαμε την μείωση της απώλεια ισχύος. Επίσης, η παρουσία των διόδων επιτρέπει στα πλαίσια που δεν σκιάζονται να άγουν το μέγιστο ρεύμα που δύναται να τα διαρρέει. Αυτό γίνεται διότι οι δίοδοι στα πλαίσια με την χαμηλότερη ακτινοβολία άγουν και διαρρέονται από ρεύμα. Αφού είδαμε τα αποτελέσματα για τα τρία πλαίσια εν σειρά και διαπιστώθηκε η ορθή λειτουργία τους, μπορούμε πλέον να εισάγουμε το τελικό 136

151 μοντέλο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η οποία αποτελείται από 12 πλαίσια. Το μοντέλο παρατίθεται στο Σχήμα Σχήμα 4.13: Το τελικό μοντέλο της Φ/Β συστοιχίας. 137

152 Σχήμα 4.14: Χαρακτηριστικές καμπύλες τάσης-ρεύματος και τάσης ισχύος για τα δώδεκα εν σειρά Φ/Β πλαίσια. Παρατηρούμε από το Σχήμα 4.14, όπως αναμέναμε από τη θεωρία, ότι το ρεύμα βραχυκύκλωσης για τα δώδεκα πλαίσια είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσης του ενός πλαισίου, δηλαδή τα 5,35Α. Επίσης η τάση βραχυκύκλωσης είναι κοντά στα 262V και το σημείο μέγιστης ισχύος της δωδεκάδας είναι στα 956Wp. Έχουμε επιλέξει στο μοντέλο να μπορούμε να ρυθμίζουμε την προσπίπτουσα ακτινοβολία ανά τέσσερα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Η επιλογή αυτή έγινε γιατί τα Φ/Β πλαίσια του εργαστηρίου ηλεκτρικής ενέργειας είναι τοποθετημένα σε πάνελ των τεσσάρων φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στα σχήματα 4.15 και 4.16 δίνονται ενδεικτικά οι χαρακτηριστικές καμπύλες για διαφορετικές τιμές ακτινοβολίας. Σχήμα 4.15: Χαρακτηριστικές καμπύλες για την Φωτοβολταϊκή συστοιχία με προσπίπτουσες ακτινοβολίες 950W/m 2, 650W/m 2 και 100W/m 2 για κάθε τετράδα πλαισίων αντίστοιχα. 138

153 Σχήμα 4.16: Χαρακτηριστικές καμπύλες για την Φωτοβολταϊκή συστοιχία με προσπίπτουσες ακτινοβολίες 800W/m 2, 600W/m 2 και 400W/m 2 για κάθε τετράδα πλαισίων αντίστοιχα. 4.5 Προσομοίωση Φ/Β με μετατροπείς Το επόμενο βήμα είναι να προσομοιωθεί η λειτουργία της Φ/Β συστοιχίας σε συνδυασμό με έναν μετατροπέα. Για τους sunny boy, με τους οποίους είναι εφοδιασμένο το εργαστήριο, δεν γνωρίζουμε την εσωτερική τους λειτουργία. Έγινε μια απόπειρα από τον συνάδελφο Σωτήριο Μπιλιανό να δημιουργηθούν κάποια μοντέλα τα οποία θα προσεγγίζουν την λειτουργία του μετατροπέα [38]. Η λογική είναι ο μετατροπέας να αποτελείται εσωτερικά από έναν μετατροπέα DC to DC boost,του οποίου ο ρόλος είναι να ανυψώνει την τάση που παράγουν τα φωτοβολταϊκά και μέσω ενός πυκνωτή διασύνδεσης να δίνεται ως είσοδος αυτή η τάση σε έναν αντιστροφέα, ώστε να παραχθεί στην έξοδο η επιθυμητή εναλλασσόμενη ημιτονοειδής τάση των 230V. Για την ακρίβεια, και ξεκινώντας με αντίστροφη λογική, ο αντιστροφέας θέλουμε να παρέχει στην έξοδο του 230V. Για τον αντιστροφέα ισχύει η σχέση [28]: m a = Vopeak Vd (4.7) m a : συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους V o peak : πλάτος τάσης εξόδου V d : Τάση εισόδου, δηλαδή η τάση εξόδου του boost 139

154 Ο συντελεστής διαμόρφωσης m a έχει πρακτικά ως μέγιστη τιμή συνήθως γύρω στο 0,8-0,9. Με μια ανοχή στην τάση 10% και θεωρώντας το m a ίσο με 0,8 υπολογίζουμε V ο peak = ,1=357,8V και κατ επέκταση: V d = 357,8 0,8 = 447,25V Επίσης η έξοδος της φωτοβολταϊκής συστοιχίας παρέχει τάση στην έξοδο της μέχρι 202,8V σε περίπτωση ιδανικής ακτινοβολίας 1000W/m 2. Αυτή η τιμή θα έδινε συντελεστή διαμόρφωσης: m a = 357,8 202,8 = 1.76 Αυτός ο συντελεστής διαμόρφωσης είναι αδύνατον εξ ορισμού να υπάρξει. Οπότε από τις τελευταίες δύο σχέσεις προκύπτει, ότι η τάση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας δεν μπορεί να συνδεθεί απευθείας στον αντιστροφέα. Οπότε είναι αναγκαία η παρουσία του boost και μάλιστα η τάση εξόδου του δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 447,25V. Είναι γνωστό ότι ο sunny boy έχει λειτουργία μέγιστης απομάστευσης ισχύος (mppt), του οποίου το μοντέλο θα αναλυθεί αργότερα. Κρίθηκε όμως σκόπιμο να δημιουργηθεί αρχικά μοντέλο με PI ελεγκτή, ώστε να αξιολογηθεί η λειτουργία του και να γίνει μια σύγκριση, μεταξύ του PI ελέγχου και του ελέγχου με MPPT. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και οι δύο έλεγχοι Προσομοίωση φωτοβολταϊκής συστοιχίας με μετατροπέα και PI έλεγχο Στον μετατροπέα ανύψωσης τάσης-boost, η τάση εξόδου του επιθυμούμε να διατηρείται σταθερή. Αν στον boost μεταβληθεί είτε η τάση εισόδου, είτε η αντίσταση φορτίου, η τάση εξόδου του μετατροπέα θα μεταβληθεί, γεγονός που αντιτίθεται στην επιθυμητή λειτουργία του κυκλώματος, αφού επιθυμούμε η τάση στην είσοδο του αντιστροφέα να παραμένει σταθερή. Για να διατηρείται σταθερή η τάση, θα πρέπει με κάποιο τρόπο να μεταβάλλεται ο λόγος κατάτμησης δ, το διάστημα αγωγής δηλαδή του διακοπτικού στοιχείου (συνήθως ένα ημιαγωγικό στοιχείο mosfet) προς την περίοδο. Το ρόλο αυτό μπορεί να αναλάβει ο PI ελεγκτής, ένα σύστημα κλειστού βρόχου, ο οποίος λαμβάνει ως είσοδο την τιμή της εκάστοτε τάσης εξόδου και παράγει ως έξοδο τους κατάλληλους παλμούς έναυσης του ημιαγωγικού στοιχείου. Ο λόγος που επιλέγεται η διατήρηση της τάσης εξόδου με 140

155 εφαρμογή του ελέγχου του λόγου κατάτμησης, αντί του ελέγχου μέσω του ρεύματος, είναι το χαμηλότερο κόστος και η πιο εύκολη υλοποίηση του. Η τάση εξόδου αφού μετρηθεί, στη συνέχεια συγκρίνεται με μια τάση αναφοράς δημιουργώντας ένα σήμα σφάλματος, το οποίο και αποτελεί την είσοδο του αντισταθμιστή (ελεγκτή). Η έξοδος του ελεγκτή είναι το σήμα ελέγχου και αποτελεί την είσοδο της γεννήτριας παλμών, η οποία βγάζει στην έξοδο παλμούς που οδηγούν το ημιαγωγικό στοιχείο. Η συνάρτηση μεταφοράς του ελεγκτή PI δίνεται από τη σχέση 5.8 [46]: C(s) = K p + K I s (4.8) Όπου Κ p είναι το αναλογικό κέρδος και Κ I είναι το ολοκληρωτικό κέρδος. Η υλοποίηση του κλειστού βρόχου του μετατροπέα boost βασίζεται στη διαδικασία που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.17 Σχήμα 4.17: Λειτουργικό διάγραμμα κλειστού βρόχου. Για αρχή δοκιμάζουμε ένα μοντέλο αποτελούμενο από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία και τον boost με PI έλεγχο. Σχήμα 4.18: Το μοντέλο Φ/Β συστοιχία με μετατροπέα ανύψωσης τάσης. 141

156 Σχήμα 4.19: Το εσωτερικό του μετατροπέα boost με τον PI έλεγχο. Πραγματοποιήσαμε προσομοιώσεις για την ελάχιστη και την μέγιστη ισχύ που μπορεί να παρουσιαστεί στα Φ/Β για να δούμε αν μπορεί να ανταπεξέλθει ο PI έλεγχος. Βρέθηκε ισχύς ίση με 72W για ελάχιστη, και τα 888W για την μέγιστη ισχύ. Η προσομοίωση λειτουργούσε μόνο σε αυτό το εύρος τιμών. Σημειώνεται ότι η απόδοση του sunny boy ανέρχεται σε 91-92%, ανάλογα με την ισχύ του φορτίου. Στην πράξη, ο sunny boy είναι προγραμματισμένος να απενεργοποιείται όταν η ισχύς πέσει κάτω από τα 100W. Πάντως εφ όσον λειτουργήσει σωστά ο έλεγχος για 72W και 888W, είναι λογικό να λειτουργεί σωστά και στις ενδιάμεσες τιμές. Την τάση εξόδου του boost την διατηρούμε σταθερή μέσω του PI ελέγχου στα 400V. Την επιθυμητή ισχύ στην έξοδο την πετυχαίνουμε με την ρύθμιση της αντίστασης στην έξοδο του boost. Έτσι την θέτουμε 2222Ωμ για να πετύχουμε ισχύ 72W, και 180Ωμ για ισχύ 888W. Τέλος, ρυθμίζουμε την ηλιακή ακτινοβολία στα ανάλογα επίπεδα. Παρακάτω παρουσιάζονται οι κυματομορφές που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις, αρχικά για φορτίο R=180Ω. 142

157 Σχήμα 4.20: Ισχύς εξόδου για αντίσταση 180Ω. Σχήμα 4.21: Μεγεθυμένη ισχύς εξόδου. 143

158 Σχήμα 4.22: Κυματομορφή ολοκληρωτικού όρου Κ Ι του PI ελεγκτή. Σχήμα 4.23: Κυματομορφή αναλογικού όρου K p του PI ελεγκτή. 144

159 Σχήμα 4.24: Ρεύμα στην έξοδο του boost. Σχήμα 4.25: Τάση στην έξοδο του boost. Οι κυματομορφές του ολοκληρωτικού και αναλογικού κέρδους στα σχήματα 4.22 και 4.23 αντίστοιχα επαληθεύουν αυτά που περιμέναμε από την θεωρία. Το Κ Ι συγκλίνει σε μια τιμή, ενώ το Κ p πρακτικά μηδενίζεται. Τα σχήματα 4.24 και

160 δείχνουν ότι το ρεύμα και η τάση αντίστοιχα έχουν σταθεροποιηθεί πλήρως, άρα και η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο. Η ισχύς σταθεροποιείται στα 874W, λίγο παρακάτω από τα 888W που περιμέναμε, το οποίο οφείλεται στο σφάλμα μόνιμης κατάστασης το οποίο εισάγει ο PI ελεγκτής. Σχήμα 4.26: Μεγεθυμένη τάση εξόδου του boost. Σχήμα 4.27: Τάση Φ/Β συστοιχίας, δηλαδή η τάση εισόδου του Boost. 146

161 Η τάση της Φ/Β συστοιχίας όπως δείχνει το σχήμα 4.27, συγκλίνει, με αρκετά πιο αργό ρυθμό σε σχέση με την τάση εξόδου, στην τιμή των 200V, που είναι και η προβλεπόμενη τιμή για την ισχύ εισόδου των φωτοβολταϊκών. Αυτή η πιο αργή σύγκλιση της τάσης εισόδου, οφείλεται στην μεγαλύτερη αδράνεια που παρουσιάζει το μοντέλο της Φ/Β συστοιχίας, όπως αυτή έχει σχεδιαστεί στο περιβάλλον του matlab. Συμπερασματικά, ο PI ελεγκτής δούλεψε σωστά, διατήρησε την τάση σταθερή στην έξοδο όπως θέλαμε, μεταφερόταν η ισχύς από την είσοδο στη έξοδο, οπότε θεωρητικά θα μπορούσε στη συνέχεια να συνδεθεί και ο αντιστροφέας. Στην συνέχεια παρουσιάζουμε τα αντίστοιχα αποτελέσματα του PI ελέγχου για αντίσταση φορτίου R=2222Ω, το οποίο σε τάση 400V στην έξοδο ισοδυναμεί σε μια ισχύ φορτίου των 72W. Σχήμα 4.28: Ισχύς εξόδου του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Στο σχήμα 4.28 παρατηρούμε ότι η ισχύς εξόδου προσεγγίζει τα 72W, το οποίο σημαίνει ότι το σφάλμα μόνιμης κατάστασης είναι ακόμα μικρότερο στην περίπτωση που έχουμε μικρότερο φορτίο. 147

162 Σχήμα 4.29(α): Κυματομορφή ολοκληρωτικού όρου του PI ελεγκτή. Σχήμα 4.29(β): Κυματομορφή αναλογικού όρου του PI ελεγκτή. Και σε αυτή την προσομοίωση τα κέρδη του ελεγκτή λειτουργούν σωστά. 148

163 Σχήμα 4.30: Ρεύμα στην έξοδο του boost Σχήμα 4.31: Τάση εξόδου στον boost Από το σχήμα 4.31 παρατηρούμε ότι η τάση στην έξοδο του μετατροπέα προσεγγίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια τα 400V, σε σχέση με την προσομοίωση σε μεγαλύτερο φορτίο. Τόσο η τάση, όσο και το ρεύμα έχουν σταθεροποιηθεί. 149

164 Σχήμα 4.32 Τάση στην είσοδο του μετατροπέα. Παρατηρούμε ότι όπως και πριν, η τάση στην φωτοβολταϊκή συστοιχία αργεί να σταθεροποιηθεί. Από τις προσομοιώσεις προκύπτει το συμπέρασμα ότι ο PI ελεγκτής λειτουργεί σωστά μεν, αλλά όπως θα αναλυθεί αργότερα δεν λειτουργεί η Φ/Β συστοιχία όσο αποδοτικά δύναται να λειτουργήσει. Έχοντας διαπιστώσει την ορθή λειτουργία του PI ελέγχου, μπορούμε τώρα να προσθέσουμε στο σύστημα τον αντιστροφέα με ένα ωμικό φορτίο. Το νέο μοντέλο φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.33: Το σύστημα Φ/Β συστοιχία-boost-αντιστροφέας-ωμικό φορτίο. 150

165 Στα σχήματα 4.34 βλέπουμε ότι το Κ I σταθεροποιείται και πάλι σε μια τιμή. Ενώ στο σχήμα 4.35 βλέπουμε ότι το K p πραγματοποιεί μια ταλάντωση γύρω από το μηδέν. Σχήμα 4.34: Κυματομορφή του ολοκληρωτικού όρου στο νέο σύστημα. Σχήμα 4.35: Ο αναλογικός όρος του PI ελέγχου του νέου συστήματος. 151

166 Σχήμα 4.36: Τάση εξόδου του αντιστροφέα. Σχήμα 4.37: Ρεύμα εξόδου του αντιστροφέα. Παρατηρούμε ότι το σύστημα Φ/Β-boost με PI έλεγχο-αντιστροφέας παρέχει την επιθυμητή ημιτονοειδή τάση στην έξοδο, ενεργού τιμής 230V. Όμως με την είσοδο του αντιστροφέα οι συνολικές απώλειες του συστήματος έχουν αυξηθεί αισθητά. Στην προσομοίωση που προηγήθηκε, ενώ η μέγιστη ισχύς που μπορούσαν να 152

167 παρέχουν τα φωτοβολταϊκά είναι 960W(σε ακτινοβολία ηλίου 1000W/m 2 και θερμοκρασία 25 o C ), στην πράξη η μέγιστη ισχύς φορτίου που επιτρεπόταν για το σύστημα ήταν 780W. Αυτό μας δίνει έναν συντελεστή απόδοσης 0,81, ο οποίος είναι αρκετά κάτω από τα επίπεδα τιμών του υπό μελέτη μετατροπέα. Ο συντελεστής απόδοσης ελαττώνεται ακόμα περισσότερο μάλιστα, όσο η μέγιστη ισχύς των Φ/Β μειώνεται. Γι αυτό αναζητούμε έναν άλλον τρόπο ελέγχου, ο οποίος εκτός από την παροχή σταθερής τάσης 400V στην έξοδο του boost, θα προσφέρει και την αντίστοιχη ενεργειακή εκμετάλλευση της ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Σημειώνεται ότι οι ίδιες προσπάθειες για την μέγιστη αξιοποίηση της ενέργειας που προσφέρεται, γίνεται και στα συστήματα αιολικής ενέργειας Προσομοίωση ελέγχου μέγιστης απομάστευσης ισχύος στα φωτοβολταϊκά Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2, υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι για τον έλεγχο μέγιστης απομάστευσης ισχύος-mppt, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση του μέγιστου σημείου ισχύος. Στα πλαίσια αυτής της προσομοίωσης, σχεδιάστηκε ένας έλεγχος ο οποίος στηρίζεται στην μέθοδο incremental conductance (αυξητικής αγωγιμότητας) [47],[48]. Το κριτήριο για την εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος(mpp), στη μέθοδο incremental conductance, βασίζεται στην εύρεση της κλίσης της καμπύλης P-V και ότι στο σημείο μέγιστης ισχύος θα ισχύει ΔP/ΔV = 0. Η συνθήκη αυτή για το MPP μετασχηματίζεται στη συνθήκη ΔΙ/ΔV= Ι/V. Έτσι ο έλεγχος μεταφέρεται στις χαρακτηριστικές Ι-V της συστοιχίας αντί για τις P-V. ΔP/ΔV = Δ(V*I)/ΔV = 0 => Ι+V*ΔΙ/ΔV = 0 => ΔΙ/ΔV= Ι/V (4.9) Από την εξίσωση 4.9 μπορούμε να καταλήξουμε στις ακόλουθες τρείς περιπτώσεις: ΔΙ/ΔV = I/V => ΔP/ΔV = 0 άρα το σύστημα βρίσκεται στο MPP. ΔΙ/-ΔV > I/V => ΔP/ΔV > 0 άρα βρίσκεται αριστερά του. ΔΙ/ΔV < I/V => ΔP/ΔV < 0 άρα βρίσκεται στα δεξιά του. 153

168 Σχήμα 4.38: Διάγραμμα ροής της μεθόδου incremental conductance. Στο σχήμα 4.38 βλέπουμε το διάγραμμα ροής, την πορεία συλλογισμού δηλαδή, της μεθόδου incremental conductance. Αυτός ο αλγόριθμος δέχεται στην είσοδο του μια τιμή του ρεύματος και της τάσης της συστοιχίας και στη συνέχεια υλοποιεί τις εξισώσεις που περιγράψαμε παραπάνω. Αν σταθεί πάνω στο σημείο MPP σταματάει τον έλεγχο, μέχρι να υπάρξει μεταβολή στην είσοδο του. Για παράδειγμα μεταβολή στην ακτινοβολία σημαίνει διαφορετική ισχύ, άρα και διαφορετικό MPP, οπότε ο αλγόριθμος επαναϋπολογίζει την παραγόμενη ισχύ και καθορίζει την τιμή της τάσης. Αν δεν σταθεί πάνω στο MPP θα προσθέσει ή θα αφαιρέσει κάποιο βήμα στην τάση, ανάλογα με το αν το εξεταζόμενο σημείο βρίσκεται αριστερά η δεξιά του MPP αντίστοιχα. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι έχοντας γνώση της παραγώγου του ρεύματος προς την τάση, δεν χάνεται ο προσανατολισμός κατά τη διάρκεια γρήγορων μεταβολών. Η μέθοδος θα αναλυθεί καλύτερα αργότερα, μετά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. 154

169 Στο σχήμα 4.39 δίνεται η δομή του νέου μετατροπέα boost και στο σχήμα 4.40 το μοντέλο της μεθόδου incremental conductance. Σχήμα 4.39: Το νέο μοντέλο του μετατροπέα boost με έλεγχο MPPT. Σχήμα 4.40: Το μοντέλο του MPPT controller. Από το σχήμα 4.40 φαίνεται ότι η τάση και το ρεύμα των φωτοβολταϊκών δειγματοληπτούνται από το μπλοκ Zero Order Hold. Αυτό είναι το μπλοκ που καθορίζει την συχνότητα δειγματοληψίας και επηρεάζει άμεσα τον χρόνο προσομοίωσης του μοντέλου, αλλά παράλληλα βοηθάει στην αποφυγή αστοχίας του 155

170 μοντέλου λόγω κυματώσεων της τάσης και του ρεύματος. Στην συνέχεια υλοποιεί την εξίσωση 4.9 με μπλοκς. Όσο δεν βρίσκει το σημείο μέγιστης ισχύος, ρυθμίζει με ένα καθορισμένο βήμα το λόγο κατάτμησης και ξανά «τρέχει» την εξίσωση μέχρι να βρεθεί το σημείο μέγιστης ισχύος. Στην συνέχεια πραγματοποιήσαμε την προσομοίωση με είσοδο στην Φ/Β συστοιχία τα 1000W/m 2. Η συστοιχία δηλαδή, υπό αυτά τα δεδομένα, έχει σαν μέγιστη τιμή ισχύος τα 956Wp. Η αντίστοιχη τάση στο MPP είναι 203V. Σημειώνεται ότι σε όλες τις προσομοιώσεις από εδώ και πέρα, η θερμοκρασία των πλαισίων θα θεωρείται γνωστή και ίση με 25 βαθμούς κελσίου. Επίσης, στην είσοδο του μετατροπέα boost έχει προστεθεί ένας πυκνωτής για να σταθεροποιεί την τάση εισόδου του. Για τον μετατροπέα boost ισχύει η εξής σχέση [28]: V out = [1 / (1 - δ)]*vin (4.10) Για την επιθυμητή τάση εξόδου V out = 400V και τάση εισόδου V in = V mp = 203V, προκύπτει λόγος κατάτμησης δ = 0, Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δίνονται παρακάτω. Σχήμα 4.41: Λόγος κατάτμησης ως συνάρτηση του χρόνου. 156

171 Σχήμα 4.42: Ισχύς των φωτοβολταϊκών στην είσοδο του μετατροπέα. Σχήμα 4.43: Μεγεθυμένη ισχύς εισόδου. 157

172 Από το σχήμα 4.41, φαίνεται ότι λόγος κατάτμησης πραγματοποιεί μια ταλάντωση γύρω από την αναμενόμενη τιμή και έχει βήμα ίσο με Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα και μια ταλάντωση στην κυματομορφή της ισχύος (σχήμα 4.42 και 4.43), η οποία όμως, στο μεγαλύτερο διάστημα είναι ίση με 956W, ενώ δεν πέφτει ποτέ κάτω από τα 947W. Αυτή η ταλάντωση θα μπορούσε να περιοριστεί αν επιλέγαμε ένα μικρότερο βήμα. Κάτι τέτοιο όμως, θα αύξανε σημαντικά τον χρόνο προσομοίωσης του μοντέλου. Την αντίστοιχη ταλάντωση αναμένουμε και στην τάση εισόδου και αυτό επιβεβαιώνεται στο σχήμα Σχήμα 4.44: Κυματομορφή τάσης εισόδου του μετατροπέα. Η ταλάντωση της τάσης πραγματοποιείται μεταξύ των 199V και 211V, δηλαδή μια ταλάντωση γύρω από την προβλεπόμενη τιμή των 203V. Στην συνέχεια πραγματοποιήσαμε μια προσομοίωση και σε μια δεύτερη ακτινοβολία προκειμένου να εξάγουμε συμπεράσματα ασφαλέστερα. Η νέα τιμή της ακτινοβολίας είναι 250W/m 2. Το σημείο MPP είναι σε τάση 178V και αντιστοιχεί σε ισχύ P mp =204W. Ο νέος λόγος κατάτμησης σύμφωνα με την εξίσωση 4.10, υπολογίζεται στη τιμή δ=0,

173 Σχήμα 4.45: Ο λόγος κατάτμησης για ακτινοβολία 250W/m 2. Σχήμα 4.46: Ισχύς φωτοβολταϊκών με έλεγχο MPPT και ακτινοβολία 250W/m

174 Παρατηρούμε ότι το δ, ο λόγος κατάτμησης πραγματοποιεί μικρότερη ταλάντωση ενώ από το σχήμα 4.46 βλέπουμε ότι η ισχύς παραμένει σχεδόν σταθερή στα 204W, όπως αναμένεται από την θεωρία. Σχήμα 4.47: Τάση εισόδου φωτοβολταϊκών. Σχήμα 4.48: Μεγεθυμένη τάση εισόδου. Από το σχήμα 4.48 παρατηρούμε ότι η τάση κυμαίνεται μεταξύ 175 και 179V, δηλαδή γύρω από το 178 που είναι η θεωρητική τιμή. 160

175 Γενικά από τις παραπάνω προσομοιώσεις, προκύπτει ότι ο MPPT controller προσεγγίζει ικανοποιητικά το σημείο μέγιστης ισχύος και στις δύο περιπτώσεις. Όσο χαμηλότερη είναι η παραγόμενη από τα φωτοβολταϊκά ισχύς, τόσο αποτελεσματικότερα προσεγγίζει ο MPPT το σημείο ισχύος. Συνεπώς, μπορούμε να εξάγουμε το συμπέρασμα, ότι ο MPPT controller σε σχέση με το PI έλεγχο αξιοποιεί με καλύτερο τρόπο τις ενεργειακές δυνατότητες του συστήματος. H ταχύτητα και η ακρίβεια με την οποία η μέθοδος incremental conductance συγκλίνει στην τελική τιμή εξαρτάται από τρείς παράγοντες, από τη συχνότητα δειγματοληψίας με την οποία λειτουργεί η μέθοδος, το βήμα με το οποίο μεταβάλλεται ο λόγος κατάτμησης και την αρχική τιμή του λόγου κατάτμησης. Ένας τρόπος να αποφύγουμε τις ταλαντώσεις που κάνει ο λόγος κατάτμησης, είναι να μειώσουμε το βήμα του, με κόστος όμως τον χρόνο απόκρισης του συστήματος. Επίσης όσο μεγαλύτερη επιλεγεί η συχνότητα δειγματοληψίας, τόσο πιο γρήγορη είναι η απόκριση του συστήματος αλλά τόσο πιο πιθανή γίνεται και η εμφάνιση σφαλμάτων της μεθόδου incremental conductance. Επίσης στο συγκεκριμένο σύστημα, λόγω μεγάλης αδράνειας, δεν θα ήταν δυνατή η αύξηση της συχνότητας χωρίς την αντίστοιχη μείωση του βήματος, διότι θα είναι αδύνατη η παρατήρηση μεταβολών. Οπότε, σχετικά μικρή συχνότητα με σχετικά μεγάλο βήμα άρα και ταλαντώσεις, είναι ένα τίμημα που πρέπει να πληρώσουμε για να έχουμε πιο γρήγορη απόκριση. Για να είναι το σύστημα μας πιο γρήγορο στην προσομοίωση αλλά και να μπορούμε να ρυθμίζουμε πιο εύκολα τις παραμέτρους του MPPT ελέγχου, σχεδιάστηκε ένα νέο μοντέλο boost, πιο ελαφρύ, και προσομοιώνεται πλέον με εξισώσεις και όχι με το ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο του[49]. Οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για να δημιουργηθεί αυτό το average model του boost είναι οι εξής: Vin = (1 δ) Vout (4.11) Και Pin = Pout => Iin Vin = Vout Iout => Iout = Vout/(Iin Vin) (4.12) 161

176 Το αντίστοιχο μοντέλο του boost δείχνεται στο σχήμα Σχήμα 4.49: Το average model του boost μαζί με τον mppt controller. Στη συνέχεια, πραγματοποιήσαμε προσομοίωση για ακτινοβολία 1000W/m 2 Σχήμα 4.50: Λόγος κατάτμησης για το average μοντέλο του boost σε ακτινοβολία 1000W/m

177 Σχήμα 4.51: Ισχύς των φωτοβολταϊκών στο νέο μοντέλο για ακτινοβολία 1000W/m 2. Σχήμα 4.52: Μεγεθυμένη ισχύς φωτοβολταϊκών. Η αναμενόμενη τιμή του λόγου κατάτμησης είναι και πάλι 0,4925 όπως και στο προηγούμενο μοντέλο για ακτινοβολία 1000W/m 2. Στο σχήμα 4.49 βλέπουμε ότι ο λόγος κατάτμησης πραγματοποιεί μικρότερη ταλάντωση, σε σχέση με την προηγούμενη προσομοίωση, γύρω από την τιμή 0,4925. Η ταχύτητα απόκρισης και στις δύο περιπτώσεις, είναι η ίδια και ανέρχεται σε 2 δευτερόλεπτα χρόνου matlab. Ο 163

178 χρόνος προσομοίωσης όμως έχει βελτιωθεί θεαματικά. Επίσης στα σχήματα 4.52 και 4.53 παρατηρούμε ότι η ισχύς των φωτοβολταϊκών παραμένει σχεδόν σταθερή στα 956W. Σχήμα 4.53: Τάση εισόδου του μετατροπέα boost. Σχήμα 4.54: Μεγεθυμένη τάση εισόδου του boost. Η τάση εισόδου του μετατροπέα, δηλαδή η τάση που παράγει η Φ/Β συστοιχία, όπως φαίνεται από το σχήμα 4.54, πραγματοποιεί μια μικρή ταλάντωση γύρω από την αναμενόμενη τιμή των 203V. 164

179 Στη συνέχεια πραγματοποιήσαμε άλλη μια προσομοίωση για μια μικρότερη ακτινοβολία. Επιλέχθηκε ακτινοβολία ίση με 700W/m 2. Από θεωρία αναμένουμε το σημείο μέγιστης ισχύος να βρίσκεται στα 198V και να αντιστοιχεί σε μια P mp = 649Wp. Ο νέος λόγος κατάτμησης υπολογίζεται από την εξίσωση 5.10 στην τιμή δ = 0, Σχήμα 4.55: Παραγόμενη Φ/Β ισχύς για ακτινοβολία 700W/m 2. Παρατηρείται από το παραπάνω σχήμα, ότι η παραγόμενη ισχύς της ανανεώσιμης πηγής ενέργειας, διατηρείται σταθερή στα 649W. Σχήμα 4.56: Τάση στην είσοδο του μετατροπέα για ακτινοβολία 700W/m

180 Σχήμα 4.57: Μεγεθυμένη τάση εισόδου του μετατροπέα. Η τάση εισόδου (σχήμα 4.57) πραγματοποιεί μια λίγο μεγαλύτερη ταλάντωση σε σχέση με την τάση στην προηγούμενη προσομοίωση. Όμως αυτή η ταλάντωση πραγματοποιείται γύρω από την τιμή 198V όπως περιμέναμε. Σχήμα 4.58: Ο λόγος κατάτμησης ως συνάρτηση του χρόνου. Στο σχήμα 4.58 βλέπουμε ότι ο λόγος κατάτμηση κυμαίνεται γύρω από την προβλεπόμενη τιμή, πραγματοποιώντας λίγο μεγαλύτερη ταλάντωση. 166

181 Από τις τελευταίες δύο προσομοιώσεις συμπεραίνουμε, ότι όσο μικρότερη ακτινοβολία έχουμε στην είσοδο του συστήματος, τόσο πιο γρήγορη γίνεται η απόκριση του. Από την άλλη, είδαμε ότι σε μικρότερες ακτινοβολίες ο λόγος κατάτμησης γίνεται λίγο πιο ασταθής, καθώς ταλαντώνει γύρω από την προβλεπόμενη τιμή. Η παραγόμενη ισχύς των φωτοβολταϊκών όμως, που είναι και το ζητούμενο του MPPT controller, όταν μειώνεται η ακτινοβολία γίνεται πιο σταθερή. Οι κυματώσεις στην τάση εισόδου θεωρούνται γενικά σχεδόν αμελητέες, ενώ σημειώνεται, ότι σε όλες τις προσομοιώσεις η τάση εξόδου παραμένει απόλυτα σταθερή στα 400V λόγω της πηγής τάσης στην έξοδο. Οπότε σαν τελικό συμπέρασμα προκύπτει ότι με τον MPPT έλεγχο πετύχαμε τον στόχο μας. Δηλαδή, με σταθερή την τάση εξόδου στα 400V, ώστε αυτή να δοθεί μετά σαν είσοδος στον αντιστροφέα, πετύχαμε την πλήρη ενεργειακή εκμετάλλευση του συστήματος, καθώς η μέθοδος incremental conductance συγκλίνει σχεδόν απόλυτα στο σημείο μέγιστης ισχύος Προσομοίωση σύνδεσης της φωτοβολταϊκής συστοιχίας στο δίκτυο Επόμενος στόχος της προσομοίωσης είναι το σύστημα που έχουμε σχεδιάσει μέχρι τώρα (Φ/Β συστοιχία-boost μετατροπέας με MPPT έλεγχο), να το συνδέσουμε στον αντιστροφέα. Το συνολικό σύστημα boost-αντιστροφέας και οι αντίστοιχοι έλεγχοι που αυτοί πραγματοποιούν, θα αποτελέσουν την προσομοίωση των sunny boy που εξοπλίζουν το εργαστήριο. Στο κεφάλαιο 4.5.1, κατορθώσαμε να διατηρήσουμε σταθερή την τάση στην έξοδο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, με χρήση του PI ελέγχου, που είχε ως μοναδικό στόχο την σταθεροποίηση αυτής της τάσης. Η μέθοδος μέγιστης απομάστευσης ισχύος όμως, δεν εξασφαλίζει την σταθερότητα της τάσης αυτής. Για αυτό είναι αναγκαία η τοποθέτηση ενός πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας μεταξύ του boost, και του αντιστροφέα. Για την ορθή λειτουργία του κυκλώματος είναι αναγκαίο η τάση μεταξύ των δύο μετατροπέων να παραμένει σταθερή και μάλιστα με μικρή κυμάτωση. Προκειμένου να διατηρήσουμε αυτή την μικρή κυμάτωση στον πυκνωτή, πρέπει να επιλέγει πυκνωτής με μεγάλη τιμή χωρητικότητας. Στην προσομοίωση μας επιλέχτηκε πυκνωτής χωρητικότητας 5mF. Για αυτόν τον πυκνωτή διασύνδεσης, ισχύει πως αν η ισχύς που μεταφέρεται από τη Φ/Β συστοιχία διαμέσου του μετατροπέα boost, είναι μεγαλύτερη από την ισχύ που μεταφέρεται από τον 167

182 αντιστροφέα στο φορτίο, τότε η τάση του τείνει να αυξηθεί. Αυτό το συμπεραίνουμε εύκολα αν σκεφτούμε ότι ισχύει η παρακάτω σχέση: 1 2 EC C VC 2 dec dvc C (4.13) dt dt dvc Pin Pout dt c C Όπου Ε c η αποθηκευμένη στον πυκνωτή ενέργεια, V c η τάση στα άκρα του πυκνωτή, C η χωρητικότητα του πυκνωτή, Pin η ισχύς που μεταφέρεται από τον boost προς τον πυκνωτή και Pout η ισχύς που μεταφέρεται από τον πυκνωτή προς το φορτίο. Οπότε για να λειτουργήσει το σύστημα, θα πρέπει να συνδεθούν μπαταρίες (με τον αντίστοιχο AC σε DC μετατροπέα, όπως ο δικατευθυντήριος sunny island) ώστε να απορροφάνε αυτές το περίσσευμα ισχύος, είτε να προσφέρουν την υπολειπόμενη ισχύ, όταν δεν επαρκεί η ισχύς της Φ/Β συστοιχίας για την κάλυψη του φορτίου. Εναλλακτικά μπορεί να συνδεθεί το σύστημα στο δίκτυο, ώστε να αναλάβει αυτό τον παραπάνω ρόλο. Στο παρόν κεφάλαιο, θα πραγματοποιήσουμε την σύνδεση του συστήματος με το δίκτυο. Επομένως, θα πρέπει να υπάρξει ένας έλεγχος έτσι ώστε όταν παρατηρηθεί αύξηση στα άκρα του πυκνωτή από μια προκαθορισμένη τιμή (στην περίπτωση μας τα 400V), να δοθεί εντολή να αυξηθεί η ενεργός ισχύς που στέλνει ο αντιστροφέας στο δίκτυο, έως ότου η τάση σταθεροποιηθεί ξανά στην προκαθορισμένη τιμή. Αντίστοιχα μόλις παρατηρηθεί μείωση της τάσης του πυκνωτή στα άκρα του, να δοθεί σήμα να μειωθεί η ενεργός ισχύς που αποστέλλει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. Αν τα παραπάνω υλοποιηθούν αρκετά γρήγορα και αποτελεσματικά, η τάση του πυκνωτή θα είναι σχεδόν συνεχώς σταθεροποιημένη στην προκαθορισμένη τιμή. Μια απλή λύση που προσφέρει την αντίστοιχη ταχύτητα που επιθυμούμε, είναι ένας PI βρόχος. Ο PI βρόχος που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 4.59: PI βρόχος για την σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή 168

183 Η θετική είσοδος του PI ελεγκτή είναι τα 400V που επιθυμούμε να είναι η τάση του, ενώ ως αρνητική τιμή παίρνουμε την μετρούμενη τιμή της τάσης στα άκρα του πυκνωτή. Η έξοδος του PI ελεγκτή είναι η αναφορά ισχύος που πρέπει να στείλει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. Συμπεραίνουμε λοιπόν από τα παραπάνω πως η σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή απαιτεί έλεγχο της ενεργού ισχύος που στέλνει ο αντιστροφέας στο δίκτυο. Για την ακρίβεια, από την μέτρηση της τάσης του πυκνωτή θα προκύπτει η αναφορά ενεργού ισχύος του αντιστροφέα κάθε στιγμή. Παράλληλα η διατήρηση του μοναδιαίου συντελεστή ισχύος, απαιτεί μηδενική μεταφορά άεργου ισχύος, γεγονός που με τη σειρά του οδηγεί και στην ανάγκη για έλεγχο του αντιστροφέα και στην άεργο ισχύ. Για τον έλεγχο ενεργού και άεργου ισχύος επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ο proportional resonant ή PR ελεγκτής, η αλλιώς ελεγκτής αναλογικός συντονισμού [50],[51]. Εν συντομία, η βασική λειτουργία του ελεγκτή PR έγκειται στην εισαγωγή άπειρου κέρδους στην επιλεγμένη συχνότητα συντονισμού, εξαλείφοντας το μόνιμο σφάλμα σε αυτή την συχνότητα και είναι συνεπώς παρόμοιος με έναν ελεγκτή του οποίου το άπειρο κέρδος μηδενίζει το DC σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Στην ουσία ο PR ελεγκτής αποτελεί εναλλακτική λύση στον PI ελεγκτή όταν τα σήματα είναι ημιτονοειδή. Ο ελεγκτής αυτός έχει ως συνάρτηση μεταφοράς την παρακάτω σχέση [52]: PR () s K K s p I s s C C (4.14) Ο έλεγχος της ενεργού και άεργου ισχύος με χρήση του PR ελεγκτή φαίνεται από το σχήμα 4.60 Σχήμα 4.60: Δημιουργία της παλμοδότησης του αντιστροφέα για έλεγχο ενεργού-άεργου ισχύος με PR ελεγκτή. 169

184 Ισχύει επίσης η παρακάτω σχέση: Άρα έχουμε: P active = V grid,rms I out,rms cosφ Ι out,rms = P active V grid cosφ Και επειδή έχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος θεωρούμε cosφ = 1. Επιπλέον, αφού έχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος θα πρέπει το ρεύμα να είναι ημιτονοειδές και συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου. Αυτό μας οδηγεί στην παρακάτω σχέση: P i ( t) I 2 cos( t ) 2 cos( t ) active OUT OUT, RMS grid grid grid grid VGRID, RMS Η αναφορά ενεργού ισχύος που μας δίνει ο εξωτερικός PI ελεγκτής για την σταθεροποίηση της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης, διαιρείται με την ενεργό τιμή της τάσης του δικτύου στο οποίο θέλουμε να συνδέσουμε τον αντιστροφέα. Στην συνέχεια το σήμα που προκύπτει από την διαίρεση πολλαπλασιάζεται με 2 και με ένα μοναδιαίο ημιτονοειδές σήμα συγχρονισμένο με την τάση του δικτύου. Το ημιτονοειδές σήμα που παράγεται, είναι το ρεύμα αναφοράς το οποίο θα αποτελέσει τη θετική είσοδο του PR controller, ενώ το μετρούμενο ρεύμα εξόδου αποτελεί την αρνητική είσοδο του. Το σήμα που παράγεται στην έξοδο του PR ελεγκτή, αποτελεί την τάση ελέγχου της SPWM παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα. Στο σχήμα 4.61 που ακολουθεί παρουσιάζεται το μοντέλο του αντιστροφέα και ο έλεγχος του που συνδέεται στη συνέχεια του συστήματος Φ/Β συστοιχίας-boost. Ανάμεσα τους έχει τοποθετηθεί ο πυκνωτής διασύνδεσης. Το μοντέλο που χρησιμοποιείται για τον αντιστροφέα είναι το average model του, που παρέχει το ίδιο το matlab και η SPWM τροφοδότηση των στοιχείων του πραγματοποιείται μέσω του PR ελεγκτή όπως αναλύθηκε. Στο σχήμα 4.62, φαίνεται ένα ακόμα υποσύστημα που έχει σχεδιαστεί, ονομάζεται συγχρονισμός και θα αναλυθεί αργότερα. Επίσης, υπάρχει και ένα LC φίλτρο στην έξοδο του αντιστροφέα για την εξομάλυνση της τάσης. 170

185 Σχήμα 4.61: Το μοντέλο του αντιστροφέα μαζί με τον έλεγχο ενεργού-άεργου ισχύος. Πριν την σύνδεση του δικτύου στο σύστημα, πραγματοποιείται ο συντονισμός της τάσης δικτύου και της τάσης φορτίου και μετά από κάποιο καθορισμένο χρόνο πραγματοποιείται η σύνδεση του. Μόλις λήξει ο συγχρονισμός, τότε ξεκινάει ο έλεγχος ενεργού-άεργου ισχύος. Στο σχήμα 4.62 δίνεται το αντίστοιχο μοντέλο που υλοποιεί τον συγχρονισμό. Σχήμα 4.62: Το υποσύστημα του συγχρονισμού των τάσεων. Στα πρώτα 0.8s οι δύο μετατροπείς δεν είναι συνδεδεμένοι ακόμα μεταξύ τους και ο αντιστροφέας τροφοδοτείται από μια πηγή συνεχούς τάσης 400V. Στην αρχή, για 0.08s λαμβάνει χώρα ο συγχρονισμός και δεν έχει ξεκινήσει ακόμα ο έλεγχος ενεργού-άεργου ισχύος (P-Q control). Μετά τα 0.08s ξεκινάει ο έλεγχος και την κάλυψη του φορτίου την έχει αναλάβει αποκλειστικά η πηγή τάσης. Επιλέξαμε την ισχύ αναφοράς στα 529W, όση και η κατανάλωση που ζητάει το ωμικό φορτίο (υπό τάση 230V) στην έξοδο του συστήματος και είναι ορισμένο στα 100Ω. Η πηγή τάσης στο 0.8s αποσυνδέεται και τότε πραγματοποιείται η σύνδεση των δύο μετατροπέων. 171

186 Πλέον την ισχύ στο φορτίο την παρέχει η Φ/Β συστοιχία. Αν υπάρχει περίσσευμα ισχύος, η τάση του πυκνωτή θα αρχίσει να αυξάνει και θα ενεργοποιηθεί ο έλεγχος ώστε να επαναφέρει την τάση στα 400V. Η υπόλοιπη ισχύς που περισσεύει θα μεταφερθεί στο δίκτυο. Αντίστοιχα, αν υπάρχει έλλειμμα ισχύος τότε η τάση στον πυκνωτή θα μειωθεί, θα ενεργοποιηθεί ο έλεγχος για να επαναφέρει την τιμή στο προκαθορισμένο μέγεθος και την υπολειπόμενη ισχύ θα την καλύψει το δίκτυο. Το μοντέλο της ενεργού-άεργου ισχύος δίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.63: Μοντέλο ελέγχου ενεργού-άεργου ισχύος. Οι είσοδοι του υποσυστήματος αυτού είναι όπως φαίνεται στο σχήμα 4.63 το ρεύμα που διαρρέει στην έξοδο του μετατροπέα, η τάση δικτύου και η ισχύς αναφοράς. Η ισχύς αναφοράς στο διάστημα μέχρι 0.8s είναι αυτή που ορίσαμε εμείς, στην συνέχεια είναι η έξοδος του PI ελεγκτή της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης. Όπως αναλύσαμε προηγουμένως, δημιουργείται το ρεύμα αναφοράς (σχήμα 4.60) και αφαιρείται από αυτό το μετρούμενο ρεύμα εξόδου του μετατροπέα. Η διαφορά οδηγείται στον PR ελεγκτή, ο οποίος παρουσιάζεται στο σχήμα 4.64 και υλοποιεί την εξίσωση της σχέσης Σχήμα 4.64: Το μοντέλο του PR ελεγκτή. 172

187 Το συνολικό σύστημα που σχεδιάστηκε και περιλαμβάνει τη Φ/Β συστοιχία, τον boost, τον πυκνωτή διασύνδεσης, τον αντιστροφέα, το φορτίο και τέλος το δίκτυο παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 4.65: Τελικό μοντέλο για την κάλυψη φορτίου από την Φ/Β συστοιχία και σύνδεση με το δίκτυο. Στη συνέχεια προσομοιώσαμε το μοντέλο του σχήματος 4.65 με ακτινοβολία 1000W/m 2, φορτίο 100Ω στην έξοδο και την ισχύ αναφοράς στον έλεγχο ισχύος στα 529W. Οι χρόνοι σύζευξης των δύο μετατροπέων και συγχρονισμού είναι αυτοί που αναφέραμε νωρίτερα. Το σύστημα αναμένουμε να δουλέψει στο σημείο μέγιστης ισχύος για την φωτοβολταϊκή συστοιχία και να παρέχει 960W υπό τάση εισόδου 203V. Όπως αναφέραμε και στην προηγούμενη παράγραφο, ο αναμενόμενος λόγος κατάτμησης είναι Στο σχήμα 4.66 βλέπουμε ότι ο λόγος κατάτμησης πραγματοποιεί μια μικρή ταλάντωση γύρω από αυτή την τιμή. 173

188 Σχήμα 4.66: Λόγος κατάτμησης ως συνάρτηση του χρόνου στον μετατροπέα boost. Σχήμα 4.67: Ισχύς φωτοβολταϊκών για ακτινοβολία 1000W/m 2 Στο σχήμα 4.67 και ακόμα καλύτερα στο σχήμα 4.68 διακρίνεται ότι ο έλεγχος MPPT δουλεύει αποτελεσματικά στο νέο σύστημα και προσεγγίζει με αρκετά μεγάλη ακρίβεια το σημείο μέγιστης ισχύος, καθώς η συστοιχία προσφέρει με μικρές αυξομειώσεις W. 174

189 Σχήμα 4.68: Μεγεθυμένη ισχύς φωτοβολταϊκών. Σχήμα 4.69: Τάση εισόδου Φ/Β συστοιχίας. Η τάση όπως είναι φανερό από το σχήμα 4.69 μεταβάλλεται μόνο 1V πάνω κάτω από τα 203V που περιμέναμε. Ακολουθούν τα διαγράμματα ενεργού και άεργου ισχύος σε σχέση με τον χρόνο. 175

190 Σχήμα 4.70: Ενεργός ισχύς εξόδου αντιστροφέα σε συνάρτηση με τον χρόνο. Σχήμα 4.71: Μεγεθυμένη ενεργός ισχύς εξόδου. 176

191 Σχήμα 4.72 Άεργος ισχύς εξόδου. Σχήμα 4.73: Τάση πάνω στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης, δηλαδή στην τάση εισόδου του boost. Από την κυματομορφή της ενεργού ισχύος (4.70 και 4.71) βλέπουμε ότι η ισχύς πραγματοποιεί μια μικρή ταλάντωση ανάμεσα στις τιμές W, πράγμα το οποίο εξηγείται από την μικρή ταλάντωση που κάνει με την σειρά του ο πυκνωτής. Αυτή 177

192 όμως η ταλάντωση που κάνει ο πυκνωτής, όπως φανερώνει το σχήμα 4.73, είναι πάρα πολύ μικρή, της τάξεως του 0,1V, οπότε πρακτικά θεωρείται σταθερή. Η άεργος ισχύς είναι περίπου σταθερή στα 5Var, μια πάρα πολύ μικρή τιμή, άρα έχουμε πετύχει πρακτικά σχεδόν μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Η ενεργός ισχύς είναι κατά μέσο όρο στα 951W, γεγονός το οποίο σημαίνει ότι έχουμε πετύχει ένα συντελεστή απόδοσης αρκετά κοντά στην μονάδα. Αυτό είναι λογικό αν συνυπολογίσουμε το γεγονός ότι τόσο ο μετατροπέας boost, όσο και ο αντιστροφέας, έχουν υλοποιηθεί με average μοντέλα. Δηλαδή δεν εμπεριέχουν ημιαγωγικά στοιχεία τα οποία εισάγουν απώλειες αλλά λειτουργούν με εξισώσεις, άρα πρακτικά θεωρούνται ιδανικοί Φ/Β συστοιχία με μεταβλητή ακτινοβολία συνδεδεμένη στο δίκτυο με φορτίο Κατά την διαδικασία αυτής της προσομοίωσης, αρχικά εφαρμόζεται σαν είσοδος στα φωτοβολταϊκά ακτινοβολία 1000W/m 2 και μετά αυτή πέφτει στα 500W/m 2. Στη ακτινοβολία των 500W/m 2, το σημείο μέγιστης ισχύος είναι στη τάση V mp = 192V και η Φ/Β συστοιχία θα παρέχει ισχύ 447.5W, ενώ το φορτίο είναι επιλεγμένο όπως πριν στα 529W. Είναι προφανές ότι αυτή η ισχύς δεν φτάνει για καλυφθεί το φορτίο, οπότε θα μας επιτρέψει να εξετάσουμε την συμπεριφορά του συστήματος, να δούμε πως συμπεριφέρεται το δίκτυο, να παρατηρήσουμε τον πυκνωτή και γενικά να δούμε πως ανταποκρίνεται το σύστημα στις μεταβολές αλλά και την ταχύτητα προσαρμογής. Στα σχήματα 4.74 και 4.75 που ακολουθούν, βλέπουμε την παραγόμενη ισχύ της Φ/Β συστοιχίας και την αντίστοιχη τάση της. Στο χρόνο t=4s γίνεται η μεταβολή της ακτινοβολίας από 1000 σε 500W/m 2. Μια τέτοια μεταβολή θα μπορούσε να εξηγηθεί για παράδειγμα από φαινόμενα σκίασης. Στο σχήμα 4.74 βλέπουμε ότι η ισχύς από τα 950W που δούλευε και στην προηγούμενη προσομοίωση μειώνεται άμεσα στα 446W. Αρχικά, παρατηρούμε ότι σε μικρότερες ακτινοβολίες επιτυγχάνουμε ακόμα καλύτερη συνολική απόδοση του συστήματος, αν και πρακτικά η βελτίωση είναι ελάχιστη. Στο σχήμα 4.75 η τάση για ακτινοβολία 1000W/m 2 ακολουθεί την συμπεριφορά που είχε και στην προηγούμενη προσομοίωση ενώ για χρόνο t = 4s ξεκίνα η σταδιακή μείωση της προς την αναμενόμενη θεωρητική τιμή (192V) και πραγματοποιεί μια ταλάντωση γύρω από αυτήν την τιμή. 178

193 Σχήμα 4.74: Ισχύς Φ/Β συστοιχίας. Σχήμα 4.75: Τάση της συστοιχίας. 179

194 Σχήμα 4.76: Ο λόγος κατάτμησης που παράγει ο MPPT controller. Σχήμα 4.77: Η τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης. Στο σχήμα 4.76, παρατηρούμε ότι ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα boost πραγματοποιεί μεγαλύτερη ταλάντωση όταν λειτουργεί σε χαμηλότερες ακτινοβολίες η Φ/Β συστοιχία. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το σχήμα 4.77 που δείχνει την τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης. Στα πρώτα 0.8s που δεν έχει γίνει ακόμα η σύνδεση των μετατροπέων, η τάση του παραμένει σταθερή στα 400V, όσα παρέχει και η πηγή τάσης. Στην συνέχεια πραγματοποιείται η σύνδεση μεταξύ boost και 180

195 αντιστροφέα, οπότε 956W μεταφέρονται μέσω του συστήματος Φ/Β-μετατροπέας boost, στον αντιστροφέα. Η ισχύς αναφοράς στον έλεγχο του αντιστροφέα είναι 529W όσα και το φορτίο. Οπότε με τον τρόπο που περιγράψαμε νωρίτερα η τάση του πυκνωτή αυξάνει έως ότου ο έλεγχος του αντιστροφέα τον επαναφέρει στα 400V. Στη συνέχεια για χρόνο 4s, η παραγόμενη ισχύς των φωτοβολταϊκών μεταβάλλεται στα 446W. Τώρα αντίστοιχα, επειδή ο πυκνωτής παρέχει περισσότερη ισχύ μέσω του αντιστροφέα από αυτή που του παρέχεται μέσω του boost η τάση στα άκρα του αρχίζει να μειώνεται. Και πάλι εδώ ο PI ελεγκτής αναλαμβάνει να επαναφέρει την τάση του στα 400V και το καταφέρνει αφού υπάρχει μια αρκετά μικρή διακύμανση της τάσης του πυκνωτή γύρω στα 400V(±0,3V), όπως επιβεβαιώνεται και από το σχήμα. Σχήμα 4.78: Ενεργός ισχύς εξόδου του αντιστροφέα. Στο σχήμα 4.78 φαίνεται ότι για τα πρώτα 0.8s η ισχύς του μετατροπέα είναι 529W, ισχύ την οποία παρέχει η σταθερή πηγή τάσης 400V. Στη συνέχεια για χρόνο t = 0.8s στον αντιστροφέα μεταφέρεται η ισχύς εισόδου των Φ/Β, η οποία ανέρχεται στα 950W. Από αυτή την ισχύ, τα 529W τα καταναλώνει το ωμικό φορτίο και η υπόλοιπη ισχύς εγχέεται στο δίκτυο. Και για χρόνο t = 4s η ισχύς μειώνεται σταδιακά και φτάνει κατά μέσο όρο στην τιμή 420W. Την υπόλοιπη ισχύ πλέον που ζητάει το φορτίο, την παρέχει το δίκτυο. 181

196 Σχήμα 4.79: Άεργος ισχύς του αντιστροφέα Η άεργος ισχύς (σχήμα 4.79) είναι σχεδόν μηδενική εκτός των χρονικών στιγμών που έχουμε μεταβατικά φαινόμενα (σύνδεση με το δίκτυο, σύζευξη μετατροπέων και μεταβολή στην ακτινοβολία). Όταν το σύστημα σταθεροποιείται πριν την μεταβολή παρατηρούμε μια άεργο ισχύ περίπου ίση με 10Var και μετά την μεταβολή, περίπου ίση με 5Var. Και στις δύο περιπτώσεις επιτυγχάνουμε συντελεστή ισχύος πολύ κοντά στη μονάδα. 4.6 Συνολικό σύστημα Η προσομοίωση του συνολικού συστήματος έγινε μετά από ενοποίηση του συστήματος που περιγράφεται στην παρούσα διπλωματική, καθώς επίσης και συστημάτων που αναλύονται στις διπλωματικές των συναδέλφων φοιτητών Παρασκευά Παύλου και Μπιλιανού Σωτήριου [38],[39]. Λόγω του όγκου της προσομοίωσης, έγινε τελικά μια κοινή προσομοίωση του συνολικού συστήματος και εξήχθησαν κοινά συμπεράσματα. Στο σχήμα 3.80 φαίνεται το συνολικό σύστημα που πρόκειται να προσομοιωθεί. Κατά παρόμοιο τρόπο με τα Φ/Β πλαίσια, συνδέεται και η ανεμογεννήτρια μέσω των μετατροπέων τους στο δυκατευθυντήριο μετατροπέα. 182

197 Σχήμα 4.80: Συνολικό σύστημα με μπαταρίες. Η προσομοίωση θα γίνει με σταθερό φορτίο, ενώ σε διάφορες χρονικές στιγμές θα μεταβάλλονται η ακτινοβολία και η ταχύτητα ανέμου. Συγκεκριμένα τις κάτωθι χρονικές στιγμές συμβαίνουν τα εξής γεγονότα: Χρονική στιγμή (sec) Γεγονός Επίτευξη συγχρονισμού και σύνδεση των 0.2 δύο αντιστροφέων με τον δικατευθυντήριο αντιστροφέα 2.2 Αποσύνδεση DC πηγών Παροχή ισχύος από Α/Γ και Φ/Β στο φορτίο Μείωση ακτινοβολίας 5 Μείωση ταχύτητας ανέμου 8 Τέλος προσομοίωσης Πίνακας 4.2: Σημαντικές χρονικές κατά την προσομοίωση Η αρχική ακτινοβολία και ταχύτητα ανέμου ορίστηκαν στα ονομαστικά μεγέθη, ώστε να έχουμε παραγωγή 2000W. Το φορτίο όπως προείπαμε παραμένει σταθερό κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης και είναι ωμικό της τάξης των 1000W, δηλαδή 52,9 Ω. Αφού επιτευχθεί ο συγχρονισμός, συνδέονται οι μετατροπείς μεταξύ τους στα 0.2 s. Όπως είδαμε και σε προηγούμενη ενότητα στην αρχή χρησιμοποιείται μια DC 183

198 πηγή τάσης στους δύο μετατροπείς, ώστε να παραμείνει σταθερή η τάση στη διασύνδεση. Οι DC πηγές μέσω του ελέγχου των δύο αντιστροφέων προσφέρουν αρχικά (κατ επιλογή μας) τα 1000 W που απαιτούνται από το φορτίο (500 W ο αντιστροφέας των Φ/Β και 500 W ο αντιστροφέας της Α/Γ αντίστοιχα). Οι δύο πηγές αποσυνδέονται στα 2.2 sec. Ο χρόνος αυτός επιλέχθηκε έτσι ώστε ο έλεγχος mppt των δύο μετατροπέων να έχει σχεδόν ολοκληρωθεί. Από το χρόνο αυτό και μετά, το φορτίο τροφοδοτείται αποκλειστικά από την ισχύ των Φ/Β, της Α/Γ ή των συσσωρευτών. Τα παραπάνω μπορούμε να τα δούμε και στα παρακάτω παλμογραφήματα. Σχήμα 4.81: Ενεργός ισχύς προς το δικατευθυντήριο μετατροπέα. Σχήμα 4.82: Ενεργός ισχύς από το μετατροπέα Φ/Β. 184

199 Σχήμα 4.83: Ενεργός ισχύς από το μετατροπέα Α/Γ. Αρχικά, από τα παραπάνω παλμογραφήματα μπορούμε να δούμε πως μέχρι τη χρονική στιγμή 2.2sec, η ισχύς που παρέχουν οι DC πηγές τροφοδοτεί εξολοκλήρου το φορτίο. Έτσι, έχουμε μηδενική ροή ισχύος προς τους συσσωρευτές. Αφού περάσουν τα μεταβατικά φαινόμενα από το άνοιγμα των διακοπτών (αποσύνδεση των DC πηγών σύνδεση μετατροπέων Α/Γ και Φ/Β στο ΑC bus), βλέπουμε στα σχήματα 4.82 και 4.83 ότι η ενεργός ισχύς που παρέχουν τα Φ/Β και η Α/Γ είναι όπως αναμενόταν κοντά στις ονομαστικές τιμές των 1000W. Για την ακρίβεια η ενεργός ισχύς είναι λίγο παραπάνω από τις ονομαστικές τιμές των πηγών παραγωγής ενέργειας, λόγω της αύξησης της τάσης του πυκνωτή διασύνδεσης, όπως θα φανεί σε επόμενα σχήματα. Συνεπώς, υπάρχει περίσσια ισχύος η οποία οδηγείται μέσω του δυκατευθυντήριου αντιστροφέα στους συσσωρευτές, όπως φαίνεται και από το Σχήμα Αυτό συμβαίνει μέχρι τη χρονική στιγμή 3s, όταν και η ακτινοβολία μεταβάλλεται σε 500 W/m 2. Συνέπεια του γεγονότος αυτού, είναι η μείωση της συνολικής ισχύος που μπορούν να παράσχουν τα Φ/Β πλαίσια. Πλέον τα πλαίσια παρέχουν κοντά στα 500W (Σχήμα 4.84), άρα και πάλι υπάρχει περίσσεια ισχύος με την οποία μέσω του δικατευθυντήριου μετατροπέα φορτίζονται οι συσσωρευτές. Στο σχήμα 4.82 και 4.83 μπορούμε να διακρίνουμε τα μεταβατικά φαινόμενα κατά τις αλλαγές της μεταφερόμενης ισχύος, ενώ στο σχήμα 4.84 διαπιστώνουμε ότι έχουμε πιο έντονα μεταβατικά φαινόμενα κατά την διάρκεια του συγχρονισμού και σύνδεσης με το δίκτυο, καθώς και κατά την διάρκεια της σύζευξης των μετατροπέων. 185

200 Παρόμοια φαινόμενα θα συναντήσουμε και στις επόμενες κυματομορφές της προσομοίωσης. Σχήμα 4.84: Ισχύς που παρέχεται από τα Φ/Β κάθε στιγμή. Τη χρονική στιγμή 5s η ταχύτητα ανέμου μειώνεται από την ονομαστική στα 7m/s. Η ανεμογεννήτρια πλέον μπορεί να δώσει μέχρι 200 W(Σχήμα 4.85), και έτσι δημιουργείται έλλειμμα ισχύος. Σχήμα 4.85: Ισχύς που παρέχεται από την Α/Γ κάθε στιγμή. Η ισχύς που ζητά το φορτίο εξακολουθεί να είναι 1000 W, η ισχύς που παρέχουν τα Φ/Β είναι περίπου 500W, ενώ 200W παράγονται από την Α/Γ. Τα υπόλοιπα 300W 186

201 που ζητά το φορτίο καλύπτονται πλέον από τις μπαταρίες, όπως βλέπουμε και από το Σχήμα Πέρα από την ενεργό ισχύ μας ενδιαφέρει και η άεργος. Σύμφωνα με τον έλεγχο που έχει γίνει στους δύο μετατροπείς, η μεταφορά άεργου ισχύος πρέπει να είναι μηδενική. Αυτό επιβεβαιώνεται από τα δύο επόμενα σχήματα. Σχήμα 4.86: Άεργος ισχύς από τον αντιστροφέα των Φ/Β. Σχήμα 4.87: Άεργος ισχύς από τον αντιστροφέα της Α/Γ. Ο δικατευθυντήριος μετατροπέας όμως, χρησιμοποιεί μια άεργο ισχύ περίπου 300Var, όπως φαίνεται στο Σχήμα Η άεργος ισχύς αυτή οφείλεται στα 2 LC 187

202 φίλτρα που χρησιμοποιεί ο μετατροπέας αυτός, καθώς επίσης και στη διακοπτική συχνότητα των ημιαγωγικών του στοιχείων. Σχήμα 4.88: Άεργος ισχύς στον δικατευθυντήριο αντιστροφέα. Τέλος σημαντικά συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν και από την παρατήρηση των τάσεων στη συνεχή διασύνδεση των μετατροπέων των Φ/Β και της Α/Γ. Τα παλμογραφήματα των τάσεων αυτών φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα 4.89: Τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης του αντιστροφέα της Α/Γ. 188

203 Σχήμα 4.90: Τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης του αντιστροφέα των Φ/Β. Τα πρώτα 2.2sec, η τάση στη διασύνδεση διατηρείται σταθερή εξαιτίας των DC πηγών που είναι συνδεδεμένες. Αφού οι πηγές αποσυνδεθούν, η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης και στα δύο κυκλώματα αρχίζει να αυξάνει αφού υπάρχει περίσσια ισχύος, η οποία οδηγείται στους συσσωρευτές. Ο έλεγχος ενεργού-άεργου ισχύος λαμβάνει χώρα και οδηγεί την περίσσια ισχύος μέσω του δυκατευθυντήριου μετατροπέα στους συσσωρευτές. Συνεπώς, η τάση τείνει να σταθεροποιηθεί πάλι στα 400V. Αυτό είναι πιο ξεκάθαρο στο Σχήμα 4.89 που απεικονίζει την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης στο μετατροπέα της Α/Γ, καθώς στην περίπτωση των Φ/Β μεταβάλλεται η ακτινοβολία πριν η τάση προλάβει να σταθεροποιηθεί στα 400V. Το αντίστροφο συμβαίνει, όταν μειωθεί ξαφνικά η ισχύς που παρέχεται από την Α/Γ ή τα Φ/Β. Η τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης μειώνεται καθώς η απαιτούμενη στιγμιαία ισχύς αφού δεν μπορεί να αποδοθεί από τα Φ/Β ή την Α/Γ αποδίδεται στιγμιαία από τον πυκνωτή διασύνδεσης με αποτέλεσμα την εκφόρτισή του. Τότε ενεργεί ο έλεγχος, ο οποίος καλύπτει πλέον τις ανάγκες του φορτίου τραβώντας την απαιτούμενη ισχύ από τις μπαταρίες και έτσι η τάση τείνει να ισορροπήσει πάλι στα 400V. Τέλος, παρατίθενται και τα παλμογραφήματα των λόγων κατάτμησης των δύο μετατροπέων ανύψωσης τάσης στα σχήματα 4.91 και

204 Σχήμα 4.91: Λόγος κατάτμησης του μετατροπέα ανύψωσης της Α/Γ. Σχήμα 4.92: Λόγος κατάτμησης του μετατροπέα ανύψωσης των Φ/Β. Μελετώντας τα μπορούμε να δούμε, πως τη χρονική στιγμή 2.2sec οι δύο μετατροπείς έχουν μόλις φτάσει στο σημείο απομάστευσης μέγιστης ισχύος, καθώς επίσης και πότε φτάνουν πάλι τον κατάλληλο λόγο κατάτμησης μετά τη μεταβολή της ταχύτητας ανέμου και της ακτινοβολίας. 190

205 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΜΟΝΟΚΑΤΟΙΚΙΑΣ 5.1 Τυπική οικιακή κατανάλωση Σημαντικό βήμα για την εξομοίωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης του φορτίου μιας μονοκατοικίας, είναι ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι, αν το φορτίο είναι μονοφασικό ή τριφασικό, το μέγεθός του σε ισχύ, καθώς επίσης και το αν πρόκειται για ωμικό ή ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας, έχουν γίνει στατιστικές έρευνες στη χώρα μας για τον προσδιορισμό της μέσης ετήσιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας μιας κατοικίας. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κατοικία σε έρευνα που έγινε από το ΚΑΠΕ σε δείγμα 100 κατοικιών. [53] Σχήμα 5.1: Μέση ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κατοικία. Παρόμοιες έρευνες έχουν γίνει και από άλλους φορείς όπως η ΕΛ.ΣΤΑΤ. [54] με μικρές αποκλίσεις στη μέση τιμή. Μια μέση ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση αυτής της τάξης σημαίνει περίπου 13kWh μέση ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κατοικία. Επειδή ο εν λόγω εξομοιωτής φορτίου θα χρησιμοποιηθεί για την 191

206 εξαγωγή κάποιων συμπερασμάτων και τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενός μικροδικτύου, επιλέχθηκε, η μέση ημερήσια κατανάλωση να είναι περίπου 20kWh, εξομοιώνοντας με αυτόν τον τρόπο την ηλεκτρική κατανάλωση μιας πιο απαιτητικής οικίας. Μια τέτοια μονοκατοικία, για παράδειγμα, μπορεί να αποτελείται από δύο ορόφους και ένα υπόγειο. Ένας ενδεικτικός χωρισμός των χώρων κάθε ορόφου γίνεται σε επόμενη ενότητα. Η τροφοδότηση μικρών σχετικά καταναλωτών (π.χ. καταναλωτές για οικιακή, αγροτική, εμπορική χρήση κ.α.) γίνεται από το δίκτυο χαμηλής τάσης (Χ.Τ.). Οι καταναλωτές χαμηλής τάσης είναι, είτε μονοφασικοί (μέχρι 8kVA), είτε τριφασικοί. Στην περίπτωσή μας, λόγω της ισχύος των επιμέρους φορτίων, επιλέχθηκε η τριφασική παροχή [55]. Στις μέρες μας οι περισσότερες συσκευές που χρησιμοποιούνται στα νοικοκυριά έχουν κυρίως ωμικό-επαγωγικό χαρακτήρα. Για παράδειγμα, τέτοιες συσκευές μπορεί να είναι η τηλεόραση, το κλιματιστικό, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, το ψυγείο, ενώ απεναντίας λίγες έχουν μόνο ωμικό χαρακτήρα (ηλεκτρικό μαγειρείο, ηλεκτρικός θερμοσίφωνας, ηλεκτρικό σίδερο κ.α.). Η ΔΕΗ δεν επιβαρύνει τους οικιακούς καταναλωτές για τη χρήση φορτίων επαγωγικού χαρακτήρα, παρά μόνο για την ενεργό ισχύ που καταναλώνουν. Παρόλα αυτά, επιλέχθηκε το φορτίο να έχει ωμικόεπαγωγικό χαρακτήρα, προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά αξιοπιστία του μικροδικτύου και κατά τα μεταβατικά φαινόμενα. Τέλος, η ΔΕΗ παρέχει για τις συσκευές, που μπορεί να υπάρχουν σε μια κατοικία, την τυπική ισχύ τους καθώς και τον τυπικό συνήθη χρόνο λειτουργίας τους. Με βάση αυτά τα δεδομένα αλλά και με στοιχεία που προστέθηκαν από την προσωπική εμπειρία, παρατίθεται ο ακόλουθος πίνακας (Πίνακας 5.1), ο οποίος συνθέτει την ηλεκτρική κατανάλωση του φορτίου που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο. Συσκευή Ισχύς (W) Χρόνος λειτουργίας επιμέρους φορτίων εξομοιωτή Συνήθης χρόνος λειτουργίας[23,56,57] Ψυγείο min/h 6h Ψυγείο min/h 6h 192

207 Απορροφητήρας min/3 φορές την εβδομάδα + 90min/1 φορά την εβδομάδα Ηλεκτρικό σίδερο Ηλεκτρική Σκούπα min/ εβδομάδα 15min min/ εβδομάδα 15min Πιστολάκι min/4 φορές την εβδομάδα 15min ΤV h 4h TV h 4h H/Y h 2h H/Y h 2h Τοστιέρα min 15min Βραστήρας min 15min Σκάνερ 200 1h 2h Φούρνος Μικροκυμάτων min 10min Θερμοσίφωνας min (χειμερινό) Πλυντήριο ρούχων h/ 2φορές την εβδομάδα 1h Φούρνος h/ 3 φορές την εβδομάδα 45min Μεγάλο Μάτι min/ εβδομάδα Μεσαίο Μάτι min/ εβδομάδα 193

208 Μεσαίο Μάτι h/ εβδομάδα Μικρό Μάτι min Κλιματιστικό h (μόνο 2 μήνες) 2h Πίνακας 5.1: Συνήθης και χρησιμοποιούμενος χρόνος λειτουργίας τυπική ισχύς οικιακών συσκευών. Εκτός από τις παραπάνω συσκευές, μια κατοικία πρέπει να ικανοποιεί όλη τη διάρκεια του χρόνου τις ανάγκες φωτισμού της. Ο χρόνος λειτουργίας και η ποσότητα λαμπτήρων επιλέχθηκαν κατά τρόπο τέτοιο, ώστε η συνολική ημερήσια κατανάλωση να είναι περίπου 20kWh. Η χρονική στιγμή ενεργοποίησης των συσκευών και των λαμπτήρων επιλέχθηκε έτσι, ώστε η ζήτηση ενέργειας από το φορτίο να γίνεται μεγαλύτερη κατά τις απογευματινές και βραδινές ώρες τις εργάσιμες ημέρες. Αυτή η επιλογή έγινε γιατί το τυπικό ηλεκτρικό φορτίο μιας κατοικίας συμπεριφέρεται κατ αυτόν τον τρόπο, όπως φαίνεται και από το Σχήμα 5.2. Σχήμα 5.2: Εβδομαδιαία ζήτηση ισχύος για μια μέση κατοικία. Το παραπάνω σχήμα (Σχήμα 5.2) προέρχεται από μια έρευνα του ΚΑΠΕ σε ένα δείγμα 30 κατοικιών [58] και απεικονίζει τη συμπεριφορά του μέσου ηλεκτρικού φορτίου τους στη διάρκεια μιας εβδομάδας. Το δείγμα προέκυψε από έρευνα κατά τους φθινοπωρινούς μήνες, συνεπώς ενδέχεται να υπάρχει διαφοροποίηση στα 194

209 αποτελέσματα κατά τους θερινούς μήνες λόγω της μειωμένης χρήσης των λαμπτήρων ή της ενδεχόμενης χρήσης κλιματισμού. Όπως βλέπουμε, το μέσο φορτίο τις εργάσιμες μέρες (Δευτέρα- Παρασκευή) μεγιστοποιείται τις απογευματινές και βραδινές ώρες, ενώ παρατηρούμε πως υπάρχει ένα σταθερό φορτίο περίπου 250W τις ώρες της νύχτας κατά τις οποίες δεν υπάρχει ανθρώπινη δραστηριότητα. Αυτό μπορεί να οφείλεται στη λειτουργία του ψυγείου, στην κατανάλωση ενέργειας από συσκευές, που βρίσκονται σε κατάσταση standby αλλά και σε ενδεχόμενο βραδινό φωτισμό. Στην περίπτωσή μας κατά τους χειμερινούς μήνες το εβδομαδιαίο προφίλ της κατανάλωσης φαίνεται στο Σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3: Εβδομαδιαία ζήτηση ισχύος κατά τους χειμερινούς μήνες της κατασκευασθείσας κατανάλωσης. Το σενάριο ενεργοποίησης των συσκευών στην περίπτωσή μας αποφασίστηκε να είναι εβδομαδιαίο, δηλαδή να επαναλαμβάνεται κάθε εβδομάδα. Υπάρχει αλλαγή από χειμερινό σε θερινό σενάριο τους αντίστοιχους μήνες που η ΔΕΗ αλλάζει το νυχτερινό της τιμολόγιο, από χειμερινό σε θερινό. Το αναλυτικό πρόγραμμα ενεργοποίησης και λειτουργίας κάθε συσκευής παρατίθεται (για λόγους οικονομίας χώρου) στο παράρτημα Γ. 5.2 Εξομοίωση ηλεκτρικών συσκευών με RL στοιχεία Οι ηλεκτρικές καταναλώσεις των παραπάνω ηλεκτρικών οικιακών συσκευών θα πρέπει να εξομοιωθούν με κάποιον τρόπο, για λόγους οικονομίας, εποπτικούς αλλά κυρίως και για λόγους οικονομίας χώρου, αφού η μελέτη του εξομοιωτή θα γίνει στο χώρο του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. Αποφασίστηκε, οι συσκευές να εξομοιωθούν με αντιστάσεις και πηνία, όπου αυτά κρίνονται 195

210 απαραίτητα, και να χρησιμοποιηθούν λαμπτήρες, οι οποίοι θα εξομοιώνουν την ηλεκτρική ισχύ των φωτιστικών σημείων της κατοικίας (οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτήν την υλοποίηση αναφέρονται αναλυτικά στην επόμενη ενότητα). Από τις συσκευές του παραπάνω πίνακα, θεωρήθηκαν ότι έχουν και επαγωγικό χαρακτήρα οι δύο τηλεοράσεις, οι δύο Η/Υ, το πλυντήριο ρούχων, τα δύο ψυγεία, ο απορροφητήρας, η ηλεκτρική σκούπα, το πιστολάκι και το κλιματιστικό. Ο συντελεστής ισχύος (cosφ) των συσκευών αυτών δεν είναι σταθερός κατά τη λειτουργία τους. Συγκεκριμένα, στον επαγωγικό κινητήρα, ο συντελεστής ισχύος έχει άμεση εξάρτηση με το φορτίο του κινητήρα. Αυτό δείχνει και το σχήμα 5.4 [59]. Σχήμα 5.4: Μεταβολή συντελεστή ισχύος για κοινό επαγωγικό κινητήρα σε σχέση με το φορτίο. Το ίδιο συμβαίνει και με το συντελεστή ισχύος σε τηλεοράσεις και ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Έχει άμεση σχέση με το φορτίο της συσκευής την εκάστοτε στιγμή. Για παράδειγμα, διαφορετικό συντελεστή ισχύος μπορεί να παρουσιάζει μια τηλεόραση για διαφορετικές τιμές της φωτεινότητάς της. Επειδή πιθανές εναλλαγές του φορτίου και ταυτόχρονα του συντελεστή ισχύος, θα αύξαναν την πολυπλοκότητα του συστήματος, όπως επίσης και το κόστος, αποφασίστηκε η επιλογή ενός σταθερού συντελεστή ισχύος cosφ κατά τη λειτουργία της εκάστοτε συσκευής. Επειδή δεν υπάρχει σαφής προσδιορισμός των συντελεστών ισχύος οικιακών συσκευών στα τεχνικά φυλλάδιά τους ή σε βιβλιογραφία, η τελική επιλογή έγινε σε κάποιες περιπτώσεις από μετρήσεις σε οικιακές συσκευές κατά τη λειτουργία τους με κατάλληλο όργανο, είτε σε άλλες περιπτώσεις με τις πιο συνήθεις τιμές που αναφέρονταν στο διαδίκτυο από χρήστες [60],[61],[62]. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 5.2), φαίνονται οι τιμές του cosφ που επιλέχθηκαν. 196

211 Συσκευή Συντελεστής Ισχύος cosφ Ψυγείο 0,8 ΤV1/ TV2 0,92 H/Y 1 / H/Y 2 0,6 Πλυντήριο ρούχων 0,8 Ηλεκτρική σκούπα 0,8 Πιστολάκι 0,8 Air Condition 0,8 Απορροφητήρας 0,8 Πίνακας 5.2: Επιλεχθείσες τιμές συντελεστών ισχύος. Έχοντας επιλέξει για κάθε συσκευή τους συντελεστές ισχύος (πίνακας 5.2) καθώς και τα Watt που καταναλώνουν κατά τη λειτουργία τους (πίνακας 5.1), μπορούμε να υπολογίσουμε τις τιμές της επαγωγής των πηνίων που θα χρειαστούν. - Υπολογισμός επαγωγής πηνίων τηλεοράσεων: P = 100W, cosφ = 0.92 S = P cosφ S = 111 W S = V I I = S 111 W I = = 0,48 Α V 230 V Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης της συσκευής από τον τύπο: 197

212 Οπότε προκύπτει ότι: Z = V I 230 V = = 479 Ω 0,48 A R = Z cosφ = 431 Ω (5.1) X L = Z sinφ = 211 Ω (5.2) Άρα η επαγωγή του πηνίου της συσκευής θα είναι: L = X L = 211 = 0,67Η (5.3) 100π 100π - Υπολογισμός επαγωγής πηνίων για τις συσκευές: Πλυντήριο ρούχων, πιστολάκι, ηλεκτρική σκούπα: P = 2000W, cosφ = 0.8 S = P cosφ S = 2500 W S = V I I = S 2500 W I = = 10,87 Α V 230 V Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης των συσκευών από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: Z = V I 230 V = = 21,2 Ω 10,87 A R = Z cosφ = 17 Ω (5.4) X L = Z sinφ = 12,72 Ω (5.5) Άρα η επαγωγή των πηνίων των συσκευών θα είναι: L = X L = 12,72 = 0,04 Η (5.6) 100π 100π - Υπολογισμός επαγωγής πηνίων ηλεκτρονικών υπολογιστών: P = 400W, cosφ =

213 S = P cosφ S = 667 W S = V I I = S 667 W I = = 2,9 Α V 230 V Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης των συσκευών από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: Z = V I = 230 V 2.9 A = 79,3 Ω R = Z cosφ = 47,6 Ω (5.7) X L = Z sinφ = 63,45 Ω (5.8) Άρα η επαγωγή των πηνίων των συσκευών θα είναι: L = X L = 63,45 = 0,2Η (5.9) 100π 100π - Υπολογισμός πηνίων των δύο ψυγείων και απορροφητήρα: (Εδώ για λόγους οικονομίας θεωρήθηκε πως τα δύο ψυγεία λειτουργούνε τον ίδιο ακριβώς χρόνο μέσα στη μέρα, καταναλώνοντας τις ίδιες Wh, και ενοποιήθηκαν σε μία συσκευή η οποία όταν λειτουργεί καταναλώνει 200W.) P = 200W, cosφ = 0.8 S = P cosφ S = 250 W S = V I I = S 250 W I = = 1,087 Α V 230 V Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης των συσκευών από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: Z = V I 230 V = = 211,6 Ω 1,087 A R = Z cosφ = 170 Ω (5.10) X L = Z sinφ = 126,96 Ω (5.11) 199

214 Άρα η επαγωγή των πηνίων των συσκευών θα είναι: L = X L = 126,96 = 0,4 Η (5.12) 100π 100π - Υπολογισμός του πηνίου του κλιματιστικού: P = 2600W, cosφ = 0.8 S = P cosφ S = 3250 W S = V I I = S 3250 W I = = 14,14 Α V 230 V Άρα μπορούμε να βρούμε το μέτρο της σύνθετης αντίστασης της συσκευής από τον τύπο: Οπότε προκύπτει ότι: Z = V I = 230 V = 16,27 Ω 14,14 A R = Z cosφ = 13 Ω (5.13) X L = Z sinφ = 9,76 Ω (5.14) Άρα η επαγωγή του πηνίου της συσκευής θα είναι: L = X L = 211 = 0,032Η (5.15) 100π 100π Εκτός από τα πηνία θα πρέπει να επιλέξουμε τις κατάλληλες αντιστάσεις για να πετύχουμε την επιθυμητή κατανάλωση. Οι αντιστάσεις επιλέγονται με βάση την ισχύ τους και την ωμική αντίσταση. Για τους καθαρά ωμικούς καταναλωτές έχοντας την κατανάλωσή τους, μπορούμε να υπολογίσουμε την ωμική αντίσταση που απαιτείται από τον τύπο: R = V2 P (5.16) Όπου P η κατανάλωση της συσκευής και V τα 230 V του δικτύου. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 5.3) παρατίθενται οι τελικές τιμές των επιλεχθέντων αντιστάσεων, καθώς επίσης και οι τελικές τιμές των επαγωγών των 200

215 πηνίων. Σημειώνεται, πως η διαφοροποίηση μεταξύ αρχικών και τελικών τιμών των πηνίων των φορτίων θα εξηγηθεί παρακάτω. Ισχύς επιλεγμένης Ωμική Κατανάλωση αντίστασης αντίσταση Συσκευή συσκευής (W) Επαγωγή (Η) (W) (Ω) Ψυγείο 200 0, Απορροφητήρας 200 0, Ηλεκτρικό σίδερο Ηλεκτρική σκούπα , , Πιστολάκι , ΤV , TV , PC , ,6 PC , ,6 Τοστιέρα ,3 Βραστήρας ,3 Σκάνερ ,5 Φούρνος Μικροκυμάτων ,8 Θερμοσίφωνας ,23 201

216 Πλυντήριο ρούχων , Φούρνος ,16 Μεγάλο Μάτι ,45 Μεσαίο Μάτι ,3 Μεσαίο Μάτι ,3 Μικρό Μάτι ,8 Κλιματιστικό , Πίνακας 5.3: Πίνακας με απαιτούμενα παθητικά στοιχεία RL. Είναι αυτονόητο πως οι τιμές των αντιστάσεων που διατίθενται στο εμπόριο βγαίνουν σε κάποια συγκεκριμένα μεγέθη, τόσο όσον αφορά τα ohm όσο επίσης και τα watt. Έτσι επιλέχθηκε να αγοραστεί ένα πλήθος κατάλληλων αντιστάσεων, οι οποίες να συνθέτουν με την κατάλληλη σύνδεσή τους κάθε φορά, τον απαιτούμενο αριθμό ohm (Ω) και κατά συνέπεια τα watt. Από το σύνολο των διαθέσιμων αντιστάσεων στο εμπόριο επιλέχθηκαν δύο μοντέλα, τα οποία φαίνονται στα δύο παρακάτω σχήματα (Σχήματα 5.5 και 5.6). Σχήμα 5.5: Αντίσταση σύρματος (wire wound) 500W, 100Ω που αγοράστηκε από το εργαστήριο. 202

217 Σχήμα 5.6: Αντίσταση σύρματος (wire wound) 200W, 470Ω που αγοράστηκε από το εργαστήριο. Η πρώτη (Σχήμα 5.5) είναι μια αντίσταση 100 Ω, 500W ενώ η δεύτερη (Σχήμα 5.6) είναι αντίστασης 470 Ω και ισχύος 200W. Είναι αντιστάσεις σύρματος, με ειδική μόνωση από κεραμικά υλικά, κατάλληλη για να χρησιμοποιηθεί σε συνθήκες εργαστηρίου [63]. Ο συγκεκριμένος τύπος αντιστάσεων επιλέχθηκε, καθώς κρίθηκε καταλληλότερος από άλλου τύπου αντιστάσεις, όπως οι <<κουκουνάρες>>, οι οποίες ακτινοβολούν πολύ περισσότερο με συνέπεια την έκλυση πολύ μεγαλύτερων ποσών θερμότητας. Η χρησιμοποίηση αντιστάσεων όπως οι <<κουκουνάρες>> ή οι αντιστάσεις σόμπας θα ήταν μια οικονομικά πιο συμφέρουσα λύση, αλλά φέρει μαζί της μια πλειάδα μειονεκτημάτων. Λόγω των μεγάλων ποσών θερμότητας, θα απαιτούταν ένα αποδοτικό σύστημα ψύξης της όλης διάταξης. Επίσης, επειδή ο εξομοιωτής θα βρίσκεται στο χώρο του εργαστηρίου και στόχος είναι να λειτουργήσει για αρκετό χρονικό διάστημα και μάλιστα αρκετές ώρες χωρίς κάποια εποπτεία, θεωρήθηκε επικίνδυνο να χρησιμοποιηθούν τέτοιου τύπου αντιστάσεις. Τέλος, υπήρχε η πρόταση να χρησιμοποιηθούν έτοιμες συσκευές ηλεκτρικών σομπών αντί αντιστάσεων, η οποία είναι μεν οικονομικότερη λύση, αλλά οι διατάξεις αυτές καταλαμβάνουν πολύ χώρο. Συνεπώς, οδηγηθήκαμε στη λύση του παραπάνω τύπου αντιστάσεων, οι οποίες είναι πρακτικές και παρέχουν κάποιο σεβαστό βαθμό ασφάλειας για τη λειτουργία τους σε συνθήκες εργαστηρίου. Τα τεχνικά φυλλάδια των αντιστάσεων παρατίθενται στο παράρτημα A. Όπως είναι λογικό, κατά την εξομοίωση θα υπάρχει μια μικρή διαφορά από τη θεωρητικά υπολογισμένη τιμή της συσκευής, που αναγράφεται στον πίνακα 5.3. Κάτι τέτοιο δε μας ενοχλεί, αφού δεν θα παίζει σημαντικό ρόλο στη συνολική κατανάλωση, η οποία είναι και το ζητούμενο. Βέβαια, οι μικροδιαφορές, που θα 203

218 υπήρχαν στη συνολική ισχύ κάθε συσκευής μας οδήγησαν να αλλάξουμε δύο από τις τιμές των επαγωγών των πηνίων, πριν την τελική παραγγελία, ώστε τα cosφ να συμβαδίζουν, όσο γίνεται με τις επιθυμητές τιμές του πίνακα 5.2. Συγκεκριμένα τροποποιήθηκε η τιμή της επαγωγής των πηνίων που θα χρησιμοποιηθούν στην εξομοίωση των δύο τηλεοράσεων καθώς και της επαγωγής των πηνίων που θα χρησιμοποιηθούν στην εξομοίωση του ψυγείου και του απορροφητήρα. Παρακάτω, αναλύεται ο λόγος που οδήγησε στην αλλαγή. Στην εξομοίωση της τηλεόρασης θα χρησιμοποιηθεί μια αντίσταση 470Ω, αντί για τη θεωρητική τιμή των 431Ω που υπολογίστηκε στη σχέση (5.1) σε σειρά με το κατάλληλο πηνίο. Ακολουθώντας μια αντίστροφη πορεία, μπορούμε να βρούμε ποια είναι η τιμή της επαγωγής ώστε ο συντελεστής ισχύος να παραμείνει στην επιθυμητή τιμή. Ζ = R cosφ = 470 Ω = 505Ω 0.93 X L = Z sinφ = 505 0,368 = 186Ω L = Χ L = 0.595H (5.18) 100π Να σημειωθεί, πως μεταβάλλαμε ελαφρώς το συντελεστή ισχύος, ώστε να μειώσουμε την επαγωγή του πηνίου, καθώς στην πράξη μια επαγωγή αυτής της τάξης είναι αρκετά μεγάλη. Αντίστοιχα, υπολογίζονται τα πηνία, που αφορούν το ψυγείο και τον απορροφητήρα. Η εξομοίωση των συσκευών αυτών θα γίνει με τρεις αντιστάσεις των 470Ω παράλληλα και εν σειρά σε αυτές το πηνίο. Άρα η αντίσταση R θα είναι τώρα 156Ω, αντί των 170Ω στον πίνακα 5.3. Συνεπώς: Ζ = R cosφ = 156 Ω = 195Ω 0.8 X L = Z sinφ = 195 0,6 = 117Ω L = Χ L = H (5.19) 100π Η επιλογή των πηνίων, έγινε με βάση την επαγωγή και το ρεύμα που θα τα διαρρέει. Προτιμήθηκαν τοροειδείς πυρήνες για λόγους οικονομίας. Παρακάτω (Σχήμα 5.7) φαίνονται τα πηνία που αγοράστηκαν από το εργαστήριο. 204

219 Σχήμα 5.7: Πηνία που χρησιμοποιήθηκαν για την εξομοίωση της κατανάλωσης. Παραπάνω (Σχήμα 5.7) μπορούμε να δούμε 6 από τα 8 πηνία. Στην πάνω σειρά διακρίνουμε από αριστερά προς τα δεξιά το πηνίο της τηλεόρασης, του απορροφητήρα και του πλυντηρίου, ενώ στην κάτω τα πηνία των 2 Η/Υ και του κλιματιστικού. Τα πηνία αυτά συνδέθηκαν με τις βάσεις στήριξής τους στην τελική κατασκευή. Μια εικόνα της τελικής τους σύνδεσης μας δίνει το σχήμα 5.8. Σχήμα 5.8: Τοποθέτηση των πηνίων πάνω στην κατασκευή με τις βάσεις τους. 205

220 5.3 Υλοποίηση και έλεγχος του εξομοιωτή ηλεκτρικών καταναλώσεων Για την υλοποίηση του ελέγχου, δηλαδή του κυκλώματος αυτοματισμού του εξομοιωτή, προτιμήθηκε η χρησιμοποίηση ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (Programmable Logic Controller- PLC). Συνεπώς, κρίνεται απαραίτητο να γίνει μια συνοπτική περιγραφή και ανάλυση των βασικών τμημάτων του PLC, προτού αναφερθούμε στον τρόπο υλοποίησης και τη στρατηγική ελέγχου του εξομοιωτή. [64] Εισαγωγή (PLC) Στον κόσμο των αυτοματισμών, ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής έχει γίνει το πρότυπο για τον έλεγχο. Όχι μόνο αντικαθιστά πλέον τις παλαιότερες μονάδες ελέγχου με ηλεκτρονόμους, αλλά έχει αναλάβει τις επιπλέον λειτουργίες ελέγχου. Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής είναι ένας υπολογιστής που έχει σχεδιαστεί για να χρησιμοποιηθεί σε μηχανήματα. Αντίθετα με ότι συμβαίνει με τον υπολογιστή, έχει σχεδιαστεί να λειτουργεί σε βιομηχανικό περιβάλλον. Κάθε PLC είναι εφοδιασμένο με ειδικές εισόδους/εξόδους και με γλώσσα προγραμματισμού ελέγχων. Το PLC, επειδή η δομή του βασίζεται στην ίδια αρχή λειτουργίας με τις αρχές που χρησιμοποιούνται στην αρχιτεκτονική υπολογιστών, έχει την ικανότητα να εκτελεί όχι μόνο εργασίες μεταγωγής ηλεκτρονόμων αλλά και πολλές εφαρμογές, όπως η καταμέτρηση, οι υπολογισμοί, οι συγκρίσεις και η επεξεργασία αναλογικών σημάτων. Ο προγραμματιζόμενος ελεγκτής έχει εξαφανίσει τις περισσότερες από τις καλωδιώσεις που πραγματοποιούνταν με το χέρι και είχαν σχέση με τα συμβατικά κυκλώματα ελέγχου ηλεκτρονόμων. Οι προγραμματιζόμενοι ελεγκτές προσφέρουν ηλεκτρονική αξιοπιστία, λιγότερη κατανάλωση ενέργειας και ευκολία στην επέκτασή τους. Ένας συνηθισμένος προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής μπορεί να διαιρεθεί σε τρία τμήματα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.9). 206

221 Σχήμα 5.9: Κύρια τμήματα ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή. Αυτά τα τρία συστατικά είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας ή CPU, το τμήμα εισόδων/εξόδων (input/output section ή Ι/Ο) και η συσκευή προγραμματισμού. Η CPU είναι η καρδιά του συστήματος του PLC. Αυτή δέχεται τις πληροφορίες εισόδου, από διάφορες συσκευές ανίχνευσης, εκτελεί το αποθηκευμένο πρόγραμμα του χρήστη από τη μνήμη και στέλνει τις κατάλληλες εντολές εξόδου για τον έλεγχο των συσκευών. Οι περισσότερες CPU διαθέτουν εφεδρικές μπαταρίες που διατηρούν στη μνήμη το λειτουργικό πρόγραμμα για την περίπτωση διακοπής τροφοδοσίας. Ο συνηθισμένος χρόνος συγκράτησης είναι από ένα μήνα μέχρι ένα έτος. Μνήμη (Memory) είναι το μέρος όπου διατηρείται ή είναι αποθηκευμένο στη μονάδα ελέγχου το σχέδιο ελέγχου ή πρόγραμμα. Οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη δείχνουν τον τρόπο με τον οποίο θα γίνεται η επεξεργασία των πληροφοριών εισόδου και εξόδου. Η πολυπλοκότητα του προγράμματος καθορίζει την ποσότητα μνήμης που χρειάζεται. Τα στοιχεία της μνήμης αποθηκεύουν διακριτά κομμάτια πληροφοριών (bit). Η μονάδα επεξεργασίας κάνει σαρώσεις ανίχνευσης πληροφοριών από τις μονάδες εισόδου/εξόδου και αποθηκεύει την κατάστασή τους στη μνήμη. Στη συνέχεια, σαρώνεται το πρόγραμμα χρήστη που είναι αποθηκευμένο στη μνήμη και λαμβάνονται αποφάσεις που προκαλούν τη μεταβολή των εξόδων. Η μνήμη είναι δύο κατηγοριών: πτητική και μη πτητική. Η πτητική μνήμη (volatile memory) χάνει τις αποθηκευμένες σε αυτήν πληροφορίες αν χαθεί ή διακοπεί η τροφοδοσία λειτουργίας. Η μη πτητική μνήμη (non-volatile memory) διατηρεί τις αποθηκευμένες πληροφορίες όταν η τροφοδοσία διακόπτεται τυχαία ή εκούσια. Στα PLC χρησιμοποιούνται πολλά διαφορετικά είδη πτητικής και μη πτητικής μνήμης, όπως η RAM, ROM, EPROM, EEPROM. 207

222 Το τμήμα Ι/Ο ενός PLC αποτελείται από μονάδες εισόδου και από μονάδες εξόδου. Το σύστημα Ι/Ο σχηματίζει τη μονάδα προσαρμογής (interface) με την οποία οι συσκευές εργασίας συνδέονται με τη μονάδα ελέγχου. Σκοπός της μονάδας προσαρμογής είναι η προετοιμασία των διαφόρων σημάτων που γίνονται δεκτά από ή στέλνονται στις εξωτερικές συσκευές εργασίας. Ο όρος συσκευές εργασίας χρησιμοποιείται για να γίνει διαχωρισμός μεταξύ των υπαρχουσών πραγματικών εξωτερικών συσκευών (μπουτόν, διακόπτες, λυχνίες, φορτία κτλ), που πρέπει να συνδέονται με καλώδια και του εσωτερικού προγράμματος χρήστη, που μιμείται τη λειτουργία των ηλεκτρονόμων, των χρονοκυκλωμάτων και των μετρητών. Μερικοί προγραμματιζόμενοι ελεγκτές έχουν ξεχωριστές μονάδες εισόδων- εξόδων, ενώ άλλοι έχουν τις μονάδες αυτές συνδεδεμένες σαν ενιαίο τμήμα της μονάδας ελέγχου. Υπάρχουν πολλά είδη εισόδων και εξόδων που μπορούν να συνδεθούν σε προγραμματιζόμενο ελεγκτή και όλες διαιρούνται σε δύο ομάδες: τις ψηφιακές και τις αναλογικές εισόδους. Οι μονάδες εισόδου εκτελούν τέσσερις εργασίες στο σύστημα ελέγχου του PLC: Ανιχνεύουν πότε φτάνει στο μηχάνημα σήμα από αισθητήρα Μετατρέπουν το σήμα εισόδου στη σωστή τιμή τάσης για το συγκεκριμένο PLC Απομονώνουν το PLC από διακυμάνσεις της τάσης ή του ρεύματος του σήματος εισόδου Στέλνουν στο PLC ένα σήμα που δείχνει τον αισθητήρα προέλευσης του σήματος Η μονάδα προσαρμογής εξόδου του PLC λειτουργεί σαν διακόπτης που τροφοδοτεί την έξοδο από την τροφοδοσία χρήστη. Η έξοδος κάτω από τον έλεγχο του προγράμματος οδηγείται από τον επεξεργαστή σε ένα λογικό κύκλωμα, το οποίο δέχεται και αποθηκεύει την εντολή του επεξεργαστή που χρειάζεται για να ενεργοποιήσει μια έξοδο. Οι συσκευές μεταγωγής εξόδου που χρησιμοποιούνται συχνότερα για να προσφέρουν τροφοδοσία στα φορτία είναι: Ηλεκτρονόμοι για φορτία ΑC ή DC Triac μόνο για AC φορτία Τρανζίστορ μόνο για φορτία DC 208

223 Οι μονάδες προσαρμογής εξόδου είναι κανονικά σχεδιασμένες να χειρίζονται ρεύματα στην περιοχή 2 μέχρι 3 Α. Για προστασία των κυκλωμάτων εξόδου της μονάδας, δεν πρέπει να υπερβαίνονται οι καθορισμένες βαθμονομήσεις ρεύματος. Για έλεγχο μεγαλύτερων φορτίων συνδέεται ένας συνηθισμένος ηλεκτρονόμος ελέγχου. Όταν χρησιμοποιείται με τον τρόπο αυτό, ο ηλεκτρονόμος ονομάζεται ηλεκτρονόμος παρεμβολής (interposing relay). Οι μονάδες προσαρμογής εισόδου και εξόδου συνήθως φέρουν ενδεικτικές λυχνίες LED οι οποίες δείχνουν την κατάσταση κάθε εισόδου και εξόδου αντίστοιχα. Κάθε θύρα ή ακροδέκτης στις μονάδες εισόδου και εξόδου λαμβάνει ένα μοναδικό αριθμό διεύθυνσης. Η διεύθυνση αυτή χρησιμοποιείται από τον επεξεργαστή για αναγνώριση της θέσης της συσκευής, ώστε να την εποπτεύει ή να την ελέγχει. Το είδος της μονάδας και η πραγματική φυσική θέση του ακροδέκτη καθορίζουν τη διεύθυνση προγραμματισμού. Το σύστημα του PLC χρειάζεται δύο τροφοδοσίες. Η μία παρέχει την ενέργεια που χρειάζεται για τη λειτουργία των συσκευών εργασίας και των φορτίων εξόδου και δίνεται από το χρήστη του PLC. Η δεύτερη τροφοδοσία προσφέρεται εσωτερικά σα μονάδα που αποτελεί τμήμα του συστήματος του PLC. Αυτή παρέχει εσωτερικό συνεχές ρεύμα για τη λειτουργία των λογικών κυκλωμάτων του επεξεργαστή και των κατασκευών Ι/Ο. Η τάση που προσφέρεται θα εξαρτάται από το είδος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που υπάρχουν μέσα στο σύστημα. Η συσκευή προγραμματισμού προσφέρει το κύριο μέσο με το οποίο ο χρήστης επικοινωνεί με τα κυκλώματα του PLC. Επιτρέπει στο χρήστη να εισάγει, να διορθώνει και να εποπτεύει προγράμματα με σύνδεση στη μονάδα επεξεργαστή, επιτρέποντας πρόσβαση στη μνήμη χρήστη. Η μονάδα προγραμματισμού μπορεί να είναι ένα τερματικό χειρός με οθόνη απεικόνισης LCD, είτε μια μονάδα απεικόνισης μιας γραμμής με LED, είτε ένα πληκτρολόγιο και μονάδα απεικόνισης βίντεο. Η απεικόνιση βίντεο προσφέρει το πλεονέκτημα πως μπορεί να δείχνει σε οθόνη μεγάλες ποσότητες λογικής, πράγμα που απλοποιεί την ερμηνεία του προγράμματος. Ένας υπολογιστής με το κατάλληλο λογισμικό μπορεί επίσης να λειτουργήσει σαν τερματικό προγραμματισμού, δίνοντας τη δυνατότητα συνέχισης του προγραμματισμού μακριά από τη φυσική θέση του προγραμματιζόμενου ελεγκτή. Όταν το πρόγραμμα συμπληρωθεί, αποθηκεύεται σε κάποια μορφή μνήμης και όταν χρειαστεί, μεταφέρεται στο PLC. Γενικά, η μονάδα προγραμματισμού επικοινωνεί με τον επεξεργαστή μέσω σειριακής ή παράλληλης ζεύξης επικοινωνίας πληροφοριών. 209

224 Όταν η μονάδα προγραμματισμού δε χρησιμοποιείται, μπορεί να απομακρυνθεί, χωρίς να επηρεαστεί η λειτουργία του προγράμματος χρήστη. Όταν πρωτοεμφανίστηκαν τα PLC, σα θεμελιώδης μορφή προγραμματισμού επιλέχθηκε το διάγραμμα κλίμακας (ladder diagram) επειδή ήταν πολύ γνωστό στην ηλεκτρική και ηλεκτρονική βιομηχανία. Ένα παράδειγμα αυτής της μορφής προγραμματισμού μπορεί να φανεί στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 5.10). Σχήμα 5.10: Προγραμματισμός με διάγραμμα κλίμακας (ladder diagram). Όπως παρατηρούμε αυτός ο τρόπος προγραμματισμού φέρει αρκετές ομοιότητες με την κλασσική σχεδίαση κυκλωμάτων αυτοματισμού με ηλεκτρονόμους. Τα ξεχωριστά σύμβολα παριστάνουν διάφορες εντολές. Για παράδειγμα το σύμβολο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ΝΟ επαφή, ενώ το σύμβολο ( ) μπορεί να θεωρηθεί ότι παριστάνει πηνίο, που όταν ενεργοποιηθεί, κλείνει μια ομάδα επαφών. Οι αριθμοί και τα γράμματα παριστάνουν διευθύνσεις εντολών. Όταν γίνεται ο προγραμματισμός, οι εντολές εισάγονται μια μια στη μνήμη του επεξεργαστή από το τερματικό πληκτρολόγιο του χειριστή και αποθηκεύονται στο τμήμα προγράμματος χρήστη της μνήμης. Για να λειτουργήσει το πρόγραμμα, η μονάδα ελέγχου μπαίνει σε λειτουργία RUN, ή σε κύκλο λειτουργίας. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου λειτουργίας, η μονάδα ελέγχου εξετάζει την κατάσταση των συσκευών εισόδου, εκτελεί το πρόγραμμα χρήστη και μεταβάλλει αντίστοιχα τις εξόδους. Η λειτουργία RUN μπορεί να περιγραφεί με την παρακάτω ακολουθία γεγονότων. Πρώτον, εξετάζονται οι είσοδοι και καταγράφεται η κατάστασή τους στη μνήμη της μονάδας ελέγχου. Έπειτα γίνεται 210

225 αποτίμηση του διαγράμματος κλίμακας, όπου κάθε εσωτερική επαφή παίρνει μια κατάσταση ΑΝΟΙΚΤΗ ή ΚΛΕΙΣΤΗ σύμφωνα με την καταγραφή. Αν οι επαφές αυτές δίνουν διαδρομή ρεύματος από τα αριστερά της τα δεξιά του διαγράμματος, η θέση μνήμης του πηνίου εξόδου παίρνει λογική τιμή 1 και οι επαφές της μονάδας προσαρμογής της εξόδου θα κλείσουν. Ειδάλλως, η θέση μνήμης παίρνει λογική τιμή 0 και οι επαφές της μονάδας προσαρμογής της εξόδου θα είναι ανοικτές. Η συμπλήρωση ενός κύκλου αυτής της ακολουθίας ονομάζεται σάρωση (scan). Ο χρόνος σάρωσης, δηλαδή το χρονικό διάστημα που χρειάζεται για ένα πλήρη κύκλο, δίνει ένα μέτρο της ταχύτητας απόκρισης του PLC. Τέλος, είναι φανερό πως ο χρόνος σάρωσης εξαρτάται και από το μέγεθος και τα στοιχεία του προγράμματος. [64] Είσοδοι έξοδοι και επιλογή του κατάλληλου PLC Για να γίνει η επιλογή του PLC, πρέπει πρώτα, να καθοριστεί με σαφήνεια ο αριθμός και το είδος των εισόδων και εξόδων, που θα χρειαστούν για την εφαρμογή. Έτσι σε αυτήν την ενότητα, αφού αναλυθεί ο τρόπος υλοποίησης της εξομοίωσης της κατανάλωσης, θα παρουσιαστεί το PLC, που τελικά επιλέχθηκε. Αρχικά, προτάθηκαν δύο τρόποι για την εξομοίωση της οικιακής κατανάλωσης. Ο πρώτος ήταν να εξομοιωθεί η στιγμιαία κατανάλωση ενεργού και άεργου ισχύος, χρησιμοποιώντας αντιστάσεις για την κατανάλωση της πραγματικής ισχύος και πηνία για την κατανάλωση άεργου ισχύος. Ο δεύτερος τρόπος θα εξομοίωνε την κάθε χρησιμοποιούμενη οικιακή συσκευή χωριστά, με αντίσταση, εάν η συμπεριφορά της ήταν καθαρά ωμική, με αντίσταση σε σειρά με πηνίο αν η συσκευή εμφάνιζε ωμικόεπαγωγική συμπεριφορά. Στον δεύτερο τρόπο, οι καταναλώσεις που θα οφείλονταν σε φωτισμό θα εξομοιώνονταν με λαμπτήρες κατάλληλης ισχύος. Και οι δύο τρόποι φέρουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Συγκεκριμένα, όπως γίνεται σαφές, ο πρώτος τρόπος είναι αρκετά πιο οικονομικός, αφού για να τον υλοποιήσουμε χρειάζεται να ξέρουμε το μέγιστο φορτίο ανά φάση του εβδομαδιαίου σεναρίου, το οποίο όπως είναι λογικό θα είναι αρκετά μικρότερο από τη συνολική ισχύ των οικιακών συσκευών, η οποία στο δεύτερο τρόπο πρέπει να εξομοιωθεί καθ ολοκληρία. Εκτός από το μειωμένο κόστος στην αγορά των αντιστάσεων, η συνολική διάταξη θα καταλάμβανε αρκετά μικρότερο χώρο. Με βάση τον πρώτο τρόπο υλοποίησης, η απαιτούμενη ισχύς προς εξομοίωση θα ήταν περίπου 15 kw, ενώ στο δεύτερο τρόπο υλοποίησης η συνολική ισχύς των αντιστάσεων που θα απαιτούνταν 211

226 είναι (όπως συμπεραίνεται εύκολα από τον πίνακα 5.3) περίπου 31 kw συν όποιοι λαμπτήρες χρησιμοποιηθούν. Ήδη με μια πρώτη ματιά και αν αναλογιστεί κανείς το σχετικά μεγάλο κόστος των παθητικών στοιχείων R-L, μπορεί να καταλάβει πως ο πρώτος τρόπος είναι πιο συμφέρων. Βέβαια, ένας λόγος μας αποθάρρυνε από την υλοποίηση του εξομοιωτή με αυτόν τον τρόπο. Σε αυτόν τον τρόπο ο προγραμματισμός του PLC από τρίτους ή η αλλαγή του εβδομαδιαίου σεναρίου κατανάλωσης θα ήταν δύσκολο εγχείρημα, καθώς η κάθε έξοδος του PLC αντίθετα με το δεύτερο τρόπο, δε θα αντιστοιχίζεται με μια συσκευή, αλλά με ένα στοιχείο (αντίσταση ή πηνίο), το οποίο θα έχει το δικό του ρόλο στη συνολική κατανάλωση. Αυτό, με άλλα λόγια, θα σήμαινε την επανεγγραφή μεγάλου μέρους του κώδικα ή στη χειρότερη περίπτωση την εξ ολοκλήρου αλλαγή του. Συνεπώς, οδηγηθήκαμε σε μια τρίτη λύση, η οποία θα μείωνε το κόστος του δεύτερου τρόπου υλοποίησης, αλλά δε θα ξέφευγε από τη λογική ότι σε κάθε έξοδο του PLC αντιστοιχίζεται η εξομοίωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης μιας οικιακής συσκευής. Όπως παρατηρούμε από τον πίνακα 5.3, αρκετές από τις καταναλώσεις των οικιακών συσκευών που θα χρησιμοποιήσουμε, ομοιάζουν. Έτσι, προσπαθώντας να μειώσουμε το κόστος, αποφασίσαμε να ομαδοποιήσουμε κάποιες από αυτές τις οικιακές συσκευές και να τις εξομοιώσουμε ως μια συσκευή, η οποία όμως θα ενεργοποιείται από διαφορετική έξοδο του PLC. Η ομαδοποίηση αυτή δεν μπορεί να γίνει άφοβα, καθώς κρύβει κάποιους σοβαρούς κινδύνους, όπως η βραχυκύκλωση δύο φάσεων εάν οι συσκευές (έξοδοι του PLC) προς ομαδοποίηση δεν τροφοδοτούνται από την ίδια φάση. Επίσης, οι έξοδοι του PLC που οδηγούνται στην ίδια σειρά αντιστάσεων δεν πρέπει να ενεργοποιούνται ταυτόχρονα. Έχοντας αυτούς τους περιορισμούς κατά νου, προχωρήσαμε στην ομαδοποίηση των συσκευών, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Συσκευή Θεωρητική Επαγωγή Ισχύς Ωμική Κατανάλωση Πηνίου (Η) επιλεγμένων αντίσταση Συσκευής (W) αντιστάσεων (Ω) (W) Ψυγείο Απορροφητήρας

227 ΤV TV PC PC Ηλεκτρικό σίδερο 1000 (Το ηλεκτρικό σίδερο θα χρησιμοποιεί μόνο το ωμικό μέρος της εξομοίωσης του Η/Υ) Τοστιέρα Βραστήρας Σκάνερ Φούρνος Μικροκυμάτων Φούρνος Μικρό Μάτι Μεσαίο Μάτι Μεσαίο Μάτι Μεγάλο Μάτι

228 Πλυντήριο ρούχων Πιστολάκι Ηλεκτρική Σκούπα Θερμοσίφωνας Air condition - (ο θερμοσίφωνας και το κλιματιστικό δε θα 4000 χρησιμοποιούν επιπλέον αντιστάσεις, αλλά το ωμικό κομμάτι τους θα αποτελείται απ την παράλληλη σύνδεση των αντιστάσεων του φούρνου και του Μεσαίου ματιού) Πίνακας 5.4: Πίνακας ομαδοποίησης συσκευών και επιλογής στοιχείων RL. Έτσι, ενώ θα προγραμματίζονται και θα ενεργοποιούνται στο PLC 21 ( +1 για τη σύνδεση των αντιστάσεων κατά τη λειτουργία του air condition ή του θερμοσίφωνα) έξοδοι για τις 21 χρησιμοποιηθείσες συσκευές, θα τροφοδοτούνται 13 φορτία. Εφαρμόζοντας την παραπάνω ομαδοποίηση, μπορούμε να δούμε, πως η απαιτούμενη ισχύς των συνολικών αντιστάσεων είναι περίπου 13 kw, συν όποιοι λαμπτήρες χρειαστούν για την εξομοίωση του φωτισμού. Έχοντας πάντα κατά νου τις δεσμεύσεις και τους περιορισμούς κατά την ομαδοποίηση, καταφέραμε να φέρουμε το κόστος της υλοποίησης στα επίπεδα του πρώτου τρόπου που αναφέρθηκε, ενώ παράλληλα διατηρήσαμε το θετικό στοιχείο της εύκολης επέμβασης στο πρόγραμμα ανά πάσα στιγμή. Στο παρακάτω σχήμα 5.11 φαίνεται, πώς έχουν συνδεθεί παράλληλα οι αντιστάσεις και με ποια σειρά τοποθετήθηκαν στην κατασκευή. 214

229 Σχήμα 5.11: Αρίθμηση αντιστάσεων με βάση την τοποθέτησή τους στην κατασκευή. Στο παραπάνω σχήμα (Σχήμα 5.11) οι μεγάλοι κύκλοι (1 μέχρι 23) αντιστοιχούν σε αντιστάσεις των 100Ω, ενώ οι μικροί (1 μέχρι 11) στις αντιστάσεις 470Ω. Κατ αυτόν τον τρόπο, έχουν τοποθετηθεί και στην τελική κατασκευή. Για την εξομοίωση των φορτίων, επιλέχθηκε οι αντιστάσεις τους να είναι όσο το δυνατόν μακρύτερα η μια από την άλλη, έτσι ώστε να εμποδίσουμε τη συσσώρευση θερμότητας σε ένα σημείο και να πετυχαίνουμε καλύτερη απαγωγή της. Φυσικά, προσπαθήσαμε να πετύχουμε, φορτία, που λειτουργούν συχνότερα να βρίσκονται ψηλότερα στην κατασκευή, για καλύτερη απαγωγή της θερμότητας. Έτσι, λοιπόν στον παρακάτω πίνακα μπορούμε να δούμε ποιες αντιστάσεις αντιστοιχούν σε κάθε φορτίο. 215

230 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ Οι παρακάτω αντιστάσεις αφορούν τις αντιστάσεις των 100Ω Φούρνος 1,3,5,7,16 Μεγάλο Μάτι 6,4,21,19 Πλυντήριο/Πιστολάκι/Ηλ. Σκούπα 2,20,18,17,15,22 PC1/ Ηλ. Σίδερο 14,12 Μεσαίο Μάτι/Βραστήρας/Τοστιέρα 13,11,9 PC2 10,8 Μικρό μάτι/ Φούρνος Μικροκυμάτων 23 Οι παρακάτω αριθμοί αφορούν τις αντιστάσεις των 470Ω. Ψυγείο 8,9,10 Απορροφητήρας 2,4,6 ΤV1 1 TV2 3 Scanner 5,7 Πίνακας 5.5: Αντιστοίχιση αντιστάσεων με συσκευές. 216

231 Για να έχουμε μια εικόνα για το πώς έχουν τοποθετηθεί οι αντιστάσεις στην τελική κατασκευή παραθέτουμε το παρακάτω σχήμα (Σχήμα 5.12). Σχήμα 5.12: Τρόπος τοποθέτησης των αντιστάσεων στην τελική κατασκευή. Έχοντας υπόψη λοιπόν, πως θα χρειαστούμε σίγουρα 21 εξόδους για τις παραπάνω συσκευές, οι οποίες στην περίπτωση μας, δε χρειάζεται να είναι αναλογικές μπορούμε να επιλέξουμε το κατάλληλο PLC και τις απαιτούμενες επεκτάσεις. Οι είσοδοι που έχουμε είναι πολύ λίγες (τέσσερις συνολικά), το σύνολο των οποίων ψηφιακές. Επιλέχθηκε τελικά να αγοραστεί ένα PLC 36 ψηφιακών εισόδων και 24 ψηφιακών εξόδων καθώς και δύο επεκτάσεις 16 ψηφιακών εξόδων. Γεγονός είναι, ότι οι 217

232 ανάγκες της εφαρμογής υπερκαλύπτονται, αλλά η αγορά έγινε με σκοπό όχι μόνο την παρούσα αλλά και τη μελλοντική χρήση του PLC από το εργαστήριο πάνω σε άλλες εφαρμογές. Το PLC είναι της εταιρείας Fatek, το μοντέλο FBs-60MA, οι έξοδοι του οποίου είναι ηλεκτρονόμοι. Στο σχήμα 5.13 μπορούμε να διακρίνουμε κάποια από τα βασικά στοιχεία του PLC. [65] Σχήμα 5.13: Τυπική μορφή PLC της σειράς FBs της εταιρείας Fatek. Οι αριθμοί κατά αύξουσα σειρά αντιπροσωπεύουν: 1. Ράγα στην οποία μπορεί να τοποθετηθεί το PLC 2. Εγκοπή για τοποθέτηση σε ράγα (DIN rail tab) 3. Τρύπες για την επιτοίχια τοποθέτηση του PLC με βίδες. 4. Ακροδέκτες για τη σύνδεση τροφοδοτικού 24V DC και οι είσοδοι του PLC 5. Ακροδέκτες για τη σύνδεση τροφοδοτικού και οι έξοδοι του PLC 6. Θύρα για την επικοινωνία του PLC με τυχόν επεκτάσεις (από την αριστερή πλευρά) 7. Θύρα επικοινωνίας με συσκευή προγραμματισμού 8. Ενδεικτικές λυχνίες για την αποστολή (Τx) ή παραλαβή δεδομένων (Rx) με τη θύρα επικοινωνίας 9. Ενδεικτικές λυχνίες κατάστασης εισόδων (Χn) 10. Ενδεικτικές λυχνίες κατάστασης εξόδων (Υn) 11. Ενδεικτικές λυχνίες κατάστασης λειτουργίας (RUN, ERR, POW) 218

233 12. Θύρα για τη σύνδεση επεκτάσεων (από τη δεξιά πλευρά) Αυτή τη μορφή έχει και το PLC που υπάρχει ήδη στο εργαστήριο. Συγκεκριμένα το μοντέλο που υπάρχει πλέον στο εργαστήριο φαίνεται στο σχήμα 5.14: Σχήμα 5.14: Μοντέλο του PLC που υπάρχει πλέον στο εργαστήριο. Έχοντας πλέον, ένα τόσο μεγάλο εύρος εξόδων (σύνολο 56) μας έδωσε τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε ένα μεγάλο πλήθος εξ αυτών για την τροφοδότηση λαμπτήρων. Το γεγονός αυτό, προσέδωσε ευελιξία και μεταβλητότητα στο σενάριο της κατανάλωσης. Συνολικά, οι έξοδοι που δεσμεύονται για λαμπτήρες αποφασίστηκε να είναι 23. Άρα οι συνολικές έξοδοι του PLC που χρησιμοποιήθηκαν είναι 45 συν 7 επιπρόσθετες άρα 52. Οι 7 επιπρόσθετες έξοδοι που χρησιμοποιήθηκαν είναι για να οδηγήσουν 7 DC ενδεικτικές λυχνίες των ομαδοποιημένων φορτίων, που χρησιμοποιούν κοινά ρελέ (περισσότερες λεπτομέρειες θα δοθούν στη συνέχεια). Μπορούμε τώρα να ονοματίσουμε τις εισόδους και τις εξόδους που χρησιμοποιήθηκαν. Για μεγαλύτερη εποπτεία, οι έξοδοι του PLC που θα οδηγούν τους λαμπτήρες, μεταφέρθηκαν στις δύο επεκτάσεις. 219

234 Είσοδος Λειτουργία Σχόλια Χ0 START Εκκίνηση λειτουργίας Χ1 ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΗ Ορισμός αρχικής στιγμής εκκίνησης Η αρχικοποίηση πρέπει να ενεργοποιηθεί πριν την εκκίνηση Χ2 STOP Παύση λειτουργίας Χ4 Αρχικοποίηση δυο συγκεκριμένων μετρητών (περισσότερα θα αναφερθούν κατά την ανάλυση του προγράμματος) Ενεργοποίηση πριν την πρώτη εκκίνηση του προγράμματος Πίνακας 5.6: Είσοδοι που χρησιμοποιήθηκαν και η λειτουργία τους. Έξοδος Υ0 Υ1 Υ2 Υ3 Υ4 Υ5 Υ6 Υ7 Υ8 Υ9 Υ10 Συσκευή Βραστήρας Ψυγείο Τοστιέρα Τηλεόραση Θερμοσίφωνας Υπολογιστής Πλυντήριο ρούχων Υπολογιστής Μικρό Μάτι Μεσαίο Μάτι Μεσαίο Μάτι 220

235 Υ11 Υ12 Υ13 Υ14 Υ15 Υ16 Υ17 Υ18 Υ19 Υ20 Υ23 Μεγάλο Μάτι Φούρνος Τηλεόραση Σκάνερ Φούρνος μικροκυμάτων Κλιματιστικό Ηλεκτρικό σίδερο Ηλεκτρική σκούπα Απορροφητήρας Πιστολάκι Έξοδος που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση αντιστάσεων φούρνου μεσαίου ματιού Έξοδοι της πρώτης επέκτασης Υ24 (Υ1) Φως Μπαλκόνι 1 Υ25 (Υ2) Φως Μπαλκόνι 2 Υ26 (Υ3) Υ27 (Υ4) Φως Υπογείου Φως Αποθήκης Υ28 (Υ5) Σαλόνι Φως 1 Υ29 (Υ6) Σαλόνι Φως 2 Υ30 (Υ7) Υ31 (Υ8) Φως ενιαίου χώρου υπογείου Φώτα κήπου Υ32 (Υ9) Φως Μπάνιο 1 Υ33 (Υ10) Φως Δωμάτιο 3 Υ34 (Υ11) Υ35 (Υ12) Μικρά φώτα κουζίνας Κεντρικό φως κουζίνας Υ36 (Υ13) Φως δωμάτιο 1 221

236 Υ37 (Υ14) Φως δωμάτιο 2 Υ38 (Υ15) Τραπεζαρία φως 1 Υ39 (Υ16) Φως Μπάνιο 2 Έξοδοι της δεύτερης επέκτασης Υ40 (Υ1) Φως Χολ 1 Υ41 (Υ2) Φως Χολ 2 Υ42 (Υ3) Αμπαζούρ 1 Υ43 (Υ4) Αμπαζούρ 2 Υ44 (Υ5) Φως Εισόδου Υ45 (Υ6) Τραπεζαρία Φως 2 Υ46 (Υ7) Φώτα Νέον (Κουζίνα) Υ48 (Υ9) Ενδεικτική λυχνία DC μεσαίου ματιού (αντιστοιχία με Υ9 main unit) Υ49 (Υ10) Ενδεικτική λυχνία DC μεσαίου ματιού (αντιστοιχία με Υ10 main unit) Υ50 (Υ11) Ενδεικτική λυχνία DC Πλυντηρίου Υ51 (Υ12) Ενδεικτική λυχνία DC ηλεκτρικής σκούπας Υ52 (Υ13) Ενδεικτική λυχνία DC πιστολάκι Υ53 (Υ14) Ενδεικτική λυχνία DC βραστήρα Υ55 (Υ16) Ενδεικτική λυχνία DC τοστιέρας Πίνακας 5.7: Έξοδοι που χρησιμοποιήθηκαν και η συσκευή στην οποία αντιστοιχούν. 222

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

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

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

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

241 Ο κώδικας για την αλλαγή του μήνα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 5.19: Κώδικας για αλλαγή μήνα. 227

242 Τέλος, για να αλλάξει το έτος πρέπει να ελεγχθεί ο καταχωρητής R4, των μηνών, αν έχει ξεπεράσει την τιμή 12, δηλαδή το μήνα Δεκέμβριο. AN R4=13 TOTE R4=1 R5=R5+1 (αλλαγή χρόνου) Σχήμα 5.20: Κώδικας για αλλαγή έτους. Επιπλέον, στο υποσύστημα αυτό υπάρχει μια διαδικασία ώστε να αλλάζει η ώρα από χειμερινή σε θερινή ζώνη και αντίστροφα, ώστε να συμβαδίζει με την πραγματική ώρα. Επειδή η ώρα αλλάζει τελευταία Κυριακή Μαρτίου και Οκτωβρίου βάλαμε την τελευταία Κυριακή του Μαρτίου 2015 και την τελευταία Κυριακή Οκτωβρίου Όταν η ώρα από 4:00 γίνεται 3:00 πρέπει να αλλάξει μόνο μια φορά αλλιώς το πρόγραμμα θα μπει σε αέναη επανάληψη, για το λόγο αυτό ο μετρητής (counter C0) μετρά μια φορά. Αυτός ο Counter δεν πρέπει να γίνει clear, παρά μόνο πριν την αρχή του προγράμματος. Για το λόγο αυτό, έχει χρησιμοποιηθεί μια είσοδος Χ4 που θα καθαρίζει τα δεδομένα του μετρητή, μια φορά πριν την πρώτη εκκίνηση του προγράμματος. Όταν η ώρα από 3πμ αλλάζει σε 4πμ. επειδή μια συσκευή πρέπει να κλείσει στις 3πμ, έχει προστεθεί ο κώδικας στις γραμμές Ν028 Ν030, έτσι ώστε να απενεργοποιεί τη συσκευή αυτή. Σε αντίθετη περίπτωση, η συσκευή θα έμενε ανοιχτή μέχρι να απενεργοποιηθεί την επόμενη φορά, που η ώρα θα γίνει 3πμ. Τα παραπάνω φαίνονται στα δύο παρακάτω σχήματα. Σχήμα 5.21: Κώδικας για αλλαγή ώρας από χειμερινή σε θερινή ζώνη. 228

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

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

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

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

247 Ελέγχεται ο καταχωρητής, που το περιεχόμενό του δείχνει την ώρα (R2), αν το περιεχόμενό του είναι η ώρα που θέλουμε, τότε ελέγχονται τα λεπτά, τα οποία πρέπει να είναι ανάμεσα στο χρονικό διάστημα που επιθυμούμε. Έστω, για παράδειγμα, ότι θέλουμε να ενεργοποιηθεί μια έξοδος από 7:30 έως 7:45. Το πρόγραμμα που πρέπει να γράψουμε σε ladder φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 5.28: Κώδικας για ενεργοποίηση και απενεργοποίηση συσκευής. Η ενδεχόμενη αλλαγή της ώρας ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης της εξόδου, μπορεί να γίνει πολύ εύκολα, όπως γίνεται αντιληπτό και από το προηγούμενο σχήμα, απλά αλλάζοντας κατάλληλα τις τιμές της ώρας και των λεπτών στους αντίστοιχους συγκριτές. Όπως είναι αντιληπτό, οι ενδεχόμενες μεταβολές του χρόνου λειτουργίας μιας εξόδου που χρησιμοποιεί αυτό το μοτίβο, πρέπει να αφορούν χρόνους λειτουργίας μικρότερους της ώρας. Σε αντίθετη περίπτωση, πρέπει να χρησιμοποιηθεί το επόμενο προγραμματιστικό μοτίβο. Στη δεύτερη περίπτωση, περιλαμβάνονται χρόνοι που αφορούν διαστήματα μεγαλύτερα της μιας ώρας. Αν, για παράδειγμα, θέλουμε να λειτουργήσει μια έξοδος από τις 20:00 μέχρι τις 22:00 ο αντίστοιχος κώδικας σε ladder είναι: Σχήμα 5.29: Κώδικας για ενεργοποίηση και απενεργοποίηση συσκευής. 233

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

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

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

251 Σχήμα 5.33: Διαχωρισμός χώρων εξομοιωθείσας μονοκατοικίας. Μια άποψη του ταμπλό ελέγχου λειτουργίας των συσκευών και των λαμπτήρων του εξομοιωτή μπορεί να φανεί στο σχήμα

252 Σχήμα 5.34: Ταμπλό ελέγχου λειτουργίας συσκευών και λαμπτήρων Ηλεκτρολογικός πίνακας Επειδή εξομοιώνεται η ηλεκτρική κατανάλωση μιας κατοικίας, κρίθηκε απαραίτητο για λόγους ασφαλείας, να υπάρχει στην κατασκευή ένας ηλεκτρολογικός πίνακας, η σχεδίαση του οποίου να συμμορφώνεται πλήρως με τους κανονισμούς σχεδίασης ηλεκτρολογικών πινάκων μιας ανάλογης εγκατάστασης [55]. Η τριφασική παροχή από το μικροδίκτυο ή το δίκτυο της ΔΕΗ θα εισέρχεται στον ηλεκτρολογικό πίνακα και από εκεί μέσω ασφαλειών και ασφαλειοδιακοπτών θα διαμοιράζεται στα φορτία της εγκατάστασης. Πριν την επιλογή των κατάλληλων στοιχείων, έπρεπε να γίνει ένας διαχωρισμός για το ποια φορτία θα τροφοδοτεί κάθε φάση. Όπως είναι λογικό το φορτίο κάθε φάσης πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο ισομοιρασμένο. Επίσης, ο διαχωρισμός των λαμπτήρων σε κάθε φάση έγινε και με το σκεπτικό, πως αν για κάποιο λόγο διακοπεί η παροχή από κάποια φάση, ο κάθε όροφος της κατοικίας (Σχήμα 5.33) να έχει έναν ελάχιστο αριθμό λαμπτήρων που να λειτουργεί. Κάθε φάση λοιπόν αποφασίστηκε να έχει τα ακόλουθα κυκλώματα. 238

253 L1 L2 L3 Γραμμή Θερμοσίφωνα Γραμμή Κλιματιστικού Γραμμή Ηλεκτρικό Μαγειρείου Κύκλωμα φωτισμού 1 Κύκλωμα φωτισμού 3 Κύκλωμα φωτισμού 5 Κύκλωμα φωτισμού 2 Κύκλωμα φωτισμού 4 Κύκλωμα φωτισμού 6 Κύκλωμα ρευματοδοτών 1 Κύκλωμα ρευματοδοτών 3 Κύκλωμα ρευματοδοτών 6 Κύκλωμα ρευματοδοτών 2 Κύκλωμα ρευματοδοτών 4 Κύκλωμα ρευματοδοτών 7 Κύκλωμα ρευματοδοτών 5 Πίνακας 5.8: Κυκλώματα που υπάρχουν σε κάθε φάση. Παρακάτω αναλύονται ποιες συσκευές ή ποιους λαμπτήρες περιέχει το κάθε κύκλωμα ρευματοδοτών ή φωτισμού αντίστοιχα. Οικιακές Συσκευές Κύκλωμα ρευματοδοτών 1 TV2 PC2 Scanner Κύκλωμα ρευματοδοτών 2 Κύκλωμα ρευματοδοτών 3 Απορροφητήρας Ψυγείο TV1 Κύκλωμα ρευματοδοτών 4 PC1 Ηλεκτρικό Σίδερο 239

254 Κύκλωμα ρευματοδοτών 5 Πλυντήριο Ρούχων Ηλεκτρική Σκούπα Πιστολάκι Κύκλωμα ρευματοδοτών 6 Κύκλωμα ρευματοδοτών 7 Φούρνος Μικροκυμάτων Βραστήρας Τοστιέρα Πίνακας 5.9: Συσκευές που αντιστοιχούν σε κάθε κύκλωμα ρευματοδοτών. Είναι σημαντικό να τονιστεί πως κατά το διαχωρισμό των συσκευών ανά φάση έπρεπε να ληφθεί υπ όψιν η ομαδοποίηση που έγινε σε κάποιες από τις αντιστάσεις των φορτίων. Συσκευές που έχουν ομαδοποιηθεί οφείλουν να τροφοδοτούνται από την ίδια φάση για την αποφυγή βραχυκυκλώματος ανάμεσα σε δύο φάσεις. Λαμπτήρες Έξοδος PLC Κύκλωμα φωτισμού 1 Φως Δωματίου 1 Υ37 Φως Σαλονιού 1 Φως Σαλονιού 2 Υ28 Υ29 Κύκλωμα φωτισμού 2 Φως Χωλ 2 Υ41 Φως Μπαλκονιού 2 Φως Μπάνιου 2 Υ25 Υ39 Κύκλωμα φωτισμού 3 Φώτα Νέον Κουζίνας Υ46 Φως Τραπεζαρίας 1 Φως Εισόδου Υ45 Υ44 240

255 Φως Τραπεζαρίας 2 Κεντρικό Φως Κουζίνας Μικρό φως κουζίνας Υ38 Υ35 Υ34 Κύκλωμα φωτισμού 4 Φως Δωματίου 3 Υ33 Φως Δωματίου 1 Φως Μπαλκονιού 1 Υ36 Υ24 Κύκλωμα φωτισμού 5 Φως Δωματίου 4 Υ43 Αμπαζούρ Φως Χωλ 1 Φως Μπάνιου 1 Φως Κήπου Υ42 Υ40 Υ32 Υ31 Κύκλωμα φωτισμού 6 Φως ενιαίου χώρου υπογείου Υ30 Φως αποθήκης Φως υπογείου Υ27 Υ26 Πίνακας 5.10: Λαμπτήρες που αντιστοιχούν σε κάθε κύκλωμα φωτισμού. Σύμφωνα με τους κανονισμούς τα κυκλώματα φωτισμού απαιτούν μικροαυτόματους των 10 Α, ενώ τα κυκλώματα ρευματοδοτών μικροαυτόματους των 16 Α. [ 53] Το κλιματιστικό είναι ισχύος 2600W περίπου, έτσι ένας μικροαυτόματος των 16 Α κρίθηκε ικανοποιητικός. Για την επιλογή του μικροαυτόματου του ηλεκτρικού μαγειρείου, το οποίο είναι συνολικής ισχύος 8000W ( δηλαδή μέγιστο ρεύμα 35 Α), χρησιμοποιήθηκε ένας συντελεστής χρησιμοποιήσεως 0,7 σύμφωνα με τους κανονισμούς [55]. Επίσης, για την προστασία του ηλεκτρικού μαγειρείου απαιτείται, πλέον, η χρησιμοποίηση διπολικού διακόπτη πριν το μικροαυτόματο. Γενικά, 241

256 επιλέγεται διπολικός διακόπτης μεγαλύτερης ονομαστικής έντασης ρεύματος από το μικροαυτόματο. Έτσι επιλέχθηκε η χρησιμοποίηση ενός διπολικού διακόπτη 32 Α και ενός μικροαυτόματου των 25 Α ( = 24.3Α ). Για το κύκλωμα του θερμοσίφωνα, απαιτείται η χρησιμοποίηση ενός μικροαυτόματου και ενός διπολικού διακόπτη. Επιλέχθηκε ο μικροαυτόματος να είναι των 20 Α, ενώ ο διπολικός διακόπτης των 32 Α. Πλέον στους ηλεκτρολογικούς πίνακες εγκαταστάσεων επιβάλλεται η χρησιμοποίηση αντιηλεκτροπληξιακού ρελέ διαρροής [67]. Ο αντιηλεκτροπληξιακός διακόπτης ορίζεται πως πρέπει να είναι ονομαστικού διαφορικού ρεύματος λειτουργίας 30mA ή μικρότερου. Σκοπός του Διακόπτη Διαφυγής Έντασης (ΔΔΕ) είναι να διακόπτει τη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος όταν η ένταση του ρεύματος στον αγωγό φάσης (ή των φάσεων για τριφασικό ρεύμα) δεν είναι ίση με την ένταση του ρεύματος στον αγωγό του ουδετέρου. Με αυτόν τον τρόπο, παρέχει ένα βαθμό προστασίας έναντι ηλεκτροπληξίας. Λόγω του μεγέθους των φορτίων και με βάση τις τυπικές τιμές που χρησιμοποιούνται στην επιλογή τους, ο γενικός διακόπτης επιλέχθηκε να είναι των 45 Α, τριπολικός. Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν βιδωτές ασφάλειες των 35 Α. Για την καλωδίωση στο εσωτερικό του πίνακα χρησιμοποιήθηκαν διατομές καλωδίων που ορίζονται από τους κανονισμούς [55]. Συγκεκριμένα, για τη σύνδεση του τριπολικού γενικού διακόπτη με το διακόπτη διαφυγής έντασης και εν συνεχεία με τις ασφάλειες χρησιμοποιήθηκε καλώδιο διατομής 10mm 2. Από το σημείο εκείνο και μέχρι τον κάθε μικροαυτόματο χρησιμοποιήθηκε καλώδιο διατομής 6mm 2. Από τους μικροαυτόματους των 10 Α φεύγει καλώδιο διατομής 1,5 mm 2, από αυτούς των 16 Α καλώδιο διατομής 2,5 mm 2, ενώ από αυτούς των 25 Α καλώδιο διατομής 4 mm 2, τα οποία οδηγούνται στον βιομηχανικό πίνακα για την τροφοδότηση των φορτίων. Μια άποψη του εσωτερικού του ηλεκτρολογικού πίνακα αλλά και της εξωτερικής του εμφάνισης μπορούμε να δούμε στο σχήμα

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

258 5.4.3 Βιομηχανικός πίνακας Στο βιομηχανικό πίνακα είναι τοποθετημένα όλα εκείνα τα στοιχεία που είναι υπεύθυνα για τον έλεγχο του αυτοματισμού του εξομοιωτή. Συγκεκριμένα, έχει τοποθετηθεί το PLC μαζί με τις δυο επεκτάσεις και τους ηλεκτρονόμους. Στον πίνακα αυτό, εισέρχονται οι αγωγοί από τους μικροαυτόματους και εξέρχονται οι αγωγοί που καταλήγουν στα φορτία, τις ενδεικτικές λυχνίες και τους λαμπτήρες. Μια εικόνα της τελικής μορφής του πίνακα αυτού μπορεί να φανεί στο σχήμα Σχήμα 5.37: Εσωτερικό του βιομηχανικού πίνακα. Κρίθηκε απαραίτητο, όλα τα φορτία να μη συνδεθούν απευθείας στις εξόδους του PLC, αλλά παρεμβάλλοντας ρελέ, η λειτουργία των οποίων θα ελέγχεται από τις εξόδους του PLC. Αν και στο PLC θα μπορούσαν να συνδεθούν τα μικρότερης ισχύος φορτία, η επιλογή αυτή έγινε για την προστασία των μηχανικών μερών των εξόδων του PLC. Αν για κάποιο λόγο υπάρξει πρόβλημα σε έναν ηλεκτρονόμο η αντικατάστασή του είναι εύκολη, σε αντίθεση με το αν το ίδιο πρόβλημα παρουσιαστεί εσωτερικά του PLC. Τα τεχνικά φυλλάδια των ηλεκτρονόμων που χρησιμοποιήθηκαν παρατίθενται στο παράρτημα Α. Η επιλογή τους έγινε ανάλογα με το είδος και την ισχύ του φορτίου που πρέπει να ελέγξουν. Κάθε φορτίο AC ή DC εντάσσεται σε κάποια κατηγορία 244

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

260 Σχήμα 5.39: Ρελέ Finder Για τον έλεγχο του θερμοσίφωνα χρησιμοποιήθηκε το ρελέ της ίδιας εταιρίας, το οποίο είναι ονομαστικής έντασης 20Α [70]. Σχήμα 5.40: Ρελέ Finder Το ίδιο ρελέ χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο της τροφοδότησης του κλιματιστικού που έχει εξομοιωθεί ως ωμικό-επαγωγικό φορτίο. Το φορτίο αυτό διαρρέεται από 14 Α, συνεπώς ένα ρελέ ονομαστικής έντασης 16 Α θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Όμως, επειδή το φορτίο είναι ωμικό-επαγωγικό θα δημιουργούταν, κατά τη σβέση, τόξο ανάμεσα στις επαφές του ηλεκτρονόμου γεγονός που θα μείωνε τη διάρκεια ζωής τους. Έτσι, επιλέχθηκε ηλεκτρονόμος της επόμενης ονομαστικής έντασης. Για φορτία όπως το πλυντήριο, η ηλεκτρική σκούπα, το πιστολάκι και ο φούρνος χρησιμοποιήθηκαν τα ρελέ της Finder [71], ονομαστικής έντασης 16 Α ενώ για όλα τα υπόλοιπα φορτία χρησιμοποιήθηκαν τα

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

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

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

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

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

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

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

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

269 Σχήμα 5.49: Τοποθέτηση φύλλου βακελίτη ενδιάμεσα των αντιστάσεων και των κουτιών ηλεκτρολογικού και βιομηχανικού πίνακα. 255

270 256

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

272 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Eνέργεια (Wh) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ισχύς (W) 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3 Φάσεων) Δευτέρα 'Ωρα Σχήμα 6.1: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Δευτέρας , , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια (3 Φάσεις) Δευτέρα Ώρα Σχήμα 6.2: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Δευτέρας. 258

273 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ισχύς (W) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ρεύμα (Α) 22,5 20,0 Ρεύμα (Φάση L1) 17,5 Ρεύμα (Φάση L2) 15,0 Ρεύμα (Φάση L3) 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Ώρα Σχήμα 6.3: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Δευτέρας. 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3 φάσεις) Τρίτη / Πέμπτη Ώρα Σχήμα 6.4: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Τρίτης και της Πέμπτης. 259

274 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ρεύμα (Α) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ενέργεια (Wh) 22500, ,0 Ενέργεια (3 Φάσεις) 17500, , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Τρίτη/Πέμπτη Ώρα Σχήμα 6.5: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Τρίτης και Πέμπτης. 20,0 Ρεύμα (Φάση L1) 18,0 Ρεύμα (Φάση L2) 16,0 Ρεύμα (Φάση L3) 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Σχήμα 6.6: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Τρίτης/Πέμπτης. Ώρα 260

275 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ενέργεια (Wh) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ισχύς (W) 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3φάσεις) Τετάρτη Ώρα Σχήμα 6.7: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Τετάρτης , , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια (3 Φάσεις) Τετάρτη Ώρα Σχήμα 6.8: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Τετάρτης. 261

276 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ισχύς (W) 12:00:00 πμ 12:41:45 πμ 1:22:52 πμ 2:04:04 πμ 2:45:25 πμ 3:26:30 πμ 4:07:45 πμ 4:49:00 πμ 5:30:15 πμ 6:11:45 πμ 6:53:22 πμ 7:35:22 πμ 8:17:34 πμ 8:58:45 πμ 9:40:16 πμ 10:21:30 πμ 11:02:46 πμ 11:44:18 πμ 12:25:30 μμ 1:06:45 μμ 1:48:00 μμ 2:29:15 μμ 3:10:30 μμ 3:51:45 μμ 4:33:00 μμ 5:14:28 μμ 5:55:34 μμ 6:36:45 μμ 7:18:00 μμ 7:59:15 μμ 8:40:30 μμ 9:22:00 μμ 10:03:15 μμ 10:44:30 μμ 11:26:00 μμ Ρεύμα (Α) 22,5 Ρεύμα (Φάση L1) 20,0 Ρεύμα (Φάση L2) 17,5 Ρεύμα (Φάση L3) 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Σχήμα 6.9: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Τετάρτης. Ώρα 8000,0 7500,0 7000,0 6500,0 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς (3 φάσεις) Παρασκευή Ώρα Σχήμα 6.10: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Παρασκευής. 262

277 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ρεύμα (Α) 12:00:00 πμ 12:30:30 πμ 1:00:44 πμ 1:30:15 πμ 2:00:15 πμ 2:30:23 πμ 3:00:15 πμ 3:30:15 πμ 4:00:15 πμ 4:30:15 πμ 5:00:15 πμ 5:30:15 πμ 6:00:30 πμ 6:30:31 πμ 7:00:52 πμ 7:31:32 πμ 8:02:19 πμ 8:32:44 πμ 9:02:31 πμ 9:32:43 πμ 10:02:45 πμ 10:32:45 πμ 11:02:46 πμ 11:32:58 πμ 12:03:00 μμ 12:33:00 μμ 1:03:00 μμ 1:33:00 μμ 2:03:00 μμ 2:33:00 μμ 3:03:00 μμ 3:33:00 μμ 4:03:00 μμ 4:33:00 μμ 5:03:06 μμ 5:33:06 μμ 6:03:14 μμ 6:33:02 μμ 7:03:00 μμ 7:33:00 μμ 8:03:00 μμ 8:33:00 μμ 9:03:15 μμ 9:33:15 μμ 10:03:15 μμ 10:33:15 μμ 11:03:30 μμ 11:33:30 μμ Ισχύς (W) 32500, , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Παρασκευή Ενέργεια Ώρα Σχήμα 6.11: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Παρασκευής. 30,0 Ρεύμα (φάση L1) 27,5 ρεύμα (φάση L2) 25,0 22,5 ρεύμα (φάση L3) 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Ώρα Σχήμα 6.12: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Παρασκευής. 263

278 0:00 0:31 1:01 1:31 2:01 2:31 3:01 3:31 4:01 4:31 5:01 5:31 6:01 6:31 7:01 7:32 8:02 8:32 9:02 9:32 10:02 10:32 11:02 11:32 12:02 12:32 13:02 13:32 14:02 14:32 15:03 15:33 16:04 16:34 17:05 17:35 18:06 18:37 19:08 19:38 20:08 20:38 21:08 21:38 22:08 22:41 23:15 23:46 ΕΝΕΡΓΕΙΑ (Wh) 0:00 0:31 1:01 1:31 2:01 2:31 3:01 3:31 4:01 4:31 5:01 5:31 6:01 6:31 7:01 7:32 8:02 8:32 9:02 9:32 10:02 10:32 11:02 11:32 12:02 12:32 13:02 13:32 14:02 14:32 15:03 15:33 16:04 16:34 17:05 17:35 18:06 18:37 19:08 19:38 20:08 20:38 21:08 21:38 22:08 22:41 23:15 23:46 ΙΣΧΥΣ (W) 6000,0 5500,0 5000,0 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Ισχύς ( 3 φάσεις) Σάββατο Ώρα Σχήμα 6.13: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια του Σαββάτου ,0 Ενέργεια 22500, , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Σάββατο Ώρα Σχήμα 6.14: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια του Σαββάτου. 264

279 12:00:00 πμ 12:30:15 πμ 1:00:15 πμ 1:30:00 πμ 2:00:00 πμ 2:30:00 πμ 3:00:00 πμ 3:30:00 πμ 4:00:00 πμ 4:30:00 πμ 5:00:15 πμ 5:30:27 πμ 6:00:45 πμ 6:30:46 πμ 7:00:52 πμ 7:30:48 πμ 8:02:15 πμ 8:32:15 πμ 9:02:16 πμ 9:32:28 πμ 10:02:30 πμ 10:32:25 πμ 11:02:15 πμ 11:32:16 πμ 12:02:15 μμ 12:32:15 μμ 1:02:16 μμ 1:32:28 μμ 2:02:30 μμ 2:32:30 μμ 3:02:46 μμ 3:32:58 μμ 4:03:02 μμ 4:33:26 μμ 5:04:00 μμ 5:33:50 μμ 6:03:18 μμ 6:33:44 μμ 7:04:30 μμ 7:34:30 μμ 8:04:34 μμ 8:34:45 μμ 9:05:00 μμ 9:35:00 μμ 10:05:15 μμ 10:35:15 μμ 11:05:32 μμ 11:35:45 μμ Ισχύς (W) 0:00 0:31 1:01 1:31 2:01 2:31 3:01 3:31 4:01 4:31 5:01 5:31 6:01 6:31 7:01 7:32 8:02 8:32 9:02 9:32 10:02 10:32 11:02 11:32 12:02 12:32 13:02 13:32 14:02 14:32 15:03 15:33 16:04 16:34 17:05 17:35 18:06 18:37 19:08 19:38 20:08 20:38 21:08 21:38 22:08 22:41 23:15 23:46 Ρεύμα (Α) 22,5 20,0 17,5 ρεύμα (Φάση L1) ρεύμα (Φάση L2) ρεύμα (φάση L3) 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Ώρα Σχήμα 6.15: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια του Σαββάτου. 5500,0 5000,0 Ισχύς (3 φάσεις) 4500,0 4000,0 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 Κυριακή Ώρα Σχήμα 6.16: Συνολική ισχύς των τριών φάσεων κατά τη διάρκεια της Κυριακής. 265

280 12:00:00 πμ 12:30:15 πμ 1:00:15 πμ 1:30:00 πμ 2:00:00 πμ 2:30:00 πμ 3:00:00 πμ 3:30:00 πμ 4:00:00 πμ 4:30:00 πμ 5:00:15 πμ 5:30:27 πμ 6:00:45 πμ 6:30:46 πμ 7:00:52 πμ 7:30:48 πμ 8:02:15 πμ 8:32:15 πμ 9:02:16 πμ 9:32:28 πμ 10:02:30 πμ 10:32:25 πμ 11:02:15 πμ 11:32:16 πμ 12:02:15 μμ 12:32:15 μμ 1:02:16 μμ 1:32:28 μμ 2:02:30 μμ 2:32:30 μμ 3:02:46 μμ 3:32:58 μμ 4:03:02 μμ 4:33:26 μμ 5:04:00 μμ 5:33:50 μμ 6:03:18 μμ 6:33:44 μμ 7:04:30 μμ 7:34:30 μμ 8:04:34 μμ 8:34:45 μμ 9:05:00 μμ 9:35:00 μμ 10:05:15 μμ 10:35:15 μμ 11:05:32 μμ 11:35:45 μμ ΡΕύμα (Α) 12:00:00 πμ 12:30:15 πμ 1:00:15 πμ 1:30:00 πμ 2:00:00 πμ 2:30:00 πμ 3:00:00 πμ 3:30:00 πμ 4:00:00 πμ 4:30:00 πμ 5:00:15 πμ 5:30:27 πμ 6:00:45 πμ 6:30:46 πμ 7:00:52 πμ 7:30:48 πμ 8:02:15 πμ 8:32:15 πμ 9:02:16 πμ 9:32:28 πμ 10:02:30 πμ 10:32:25 πμ 11:02:15 πμ 11:32:16 πμ 12:02:15 μμ 12:32:15 μμ 1:02:16 μμ 1:32:28 μμ 2:02:30 μμ 2:32:30 μμ 3:02:46 μμ 3:32:58 μμ 4:03:02 μμ 4:33:26 μμ 5:04:00 μμ 5:33:50 μμ 6:03:18 μμ 6:33:44 μμ 7:04:30 μμ 7:34:30 μμ 8:04:34 μμ 8:34:45 μμ 9:05:00 μμ 9:35:00 μμ 10:05:15 μμ 10:35:15 μμ 11:05:32 μμ 11:35:45 μμ Ενέργεια (Wh) 32500, , , , , , , , , ,0 7500,0 5000,0 2500,0 0,0 Ενέργεια Κυριακή Ώρα Σχήμα 6.17: Ενέργεια καθ όλη τη διάρκεια της Κυριακής. 20,0 17,5 15,0 Ρεύμα (φάση L1) Ρεύμα (φάση L2) Ρεύμα (φάση L3) 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Ώρα Σχήμα 6.18: Ενεργές τιμές των ρευμάτων ανά φάση κατά τη διάρκεια της Κυριακής. 266

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

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

283 1:30 1:31 1:33 1:34 1:36 1:37 1:39 1:40 1:42 1:43 1:45 1:46 1:48 1:49 1:51 1:52 1:54 1:55 1:57 1:58 cosφ 15:00 15:01 15:02 15:03 15:05 15:06 15:07 15:08 15:10 15:11 15:12 15:13 15:15 15:16 15:17 15:18 15:20 15:21 15:22 15:23 15:25 15:26 15:27 15:28 cosφ 0,901 Συντελεστής Ισχύος 0,9 0,899 0,898 0,897 0,896 0,895 Ώρα 0,9034 0,9032 0,903 0,9028 0,9026 0,9024 0,9022 0,902 0,9018 0,9016 0,9014 Σχήμα 6.19: Συντελεστής ισχύος για τον Η/Υ 1 Συντελεστής Ισχύος Ώρα Σχήμα 6.20: Συντελεστής ισχύος για τον Η/Υ 2. Παρατηρούμε πως και οι δύο συσκευές έχουν πρακτικά συντελεστή ισχύος cosφ=0,9 και με βάση αυτήν την τιμή μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή των επαγωγών των πηνίων του εξομοιωτή. Στην πρώτη περίπτωση όπου, cosφ=0,9, P=790W, S=887VA, έχουμε: 269

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

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

286 272

287 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] WWF, Living Planet Report 2012 [2] United Nations. Kyoto protocol to the United Nations framework - Convention on climate change. Kyoto : United Nations, [3] [ηλεκτρονικό], [4] Global Wind Energy Council, Global wind statistics 2013, [5] en.wikipedia.org [6] Μαρία Β. Μαρκάτου Σχεδίαση αυτόνομου υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήματος, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Νοέμβριος 2011 [7] el.wikipedia.org [8] Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλος και Νικόλαος Α. Βοβός, Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, Εκδόσεις ΖΗΤΗ, 2008 [9] [10] [11] [12] Μαρία Α. Λιάμποτη, Μελέτη και διαστασιολόγηση υβριδικού συστήματος στην Κάρπαθο, Διπλωματική εργασία, Ε.Μ.Π., Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Ιούνιος 2012 [13] [14] Αναστάσιου Χ. Κυρίτση, Βέλτιστος σχεδιασμός υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών συστημάτων μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης, Διδακτορική διατριβή, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιανουάριος 2009 [15] Χριστίνα Ν. Παπαδημητρίου, Έλεγχος κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φια ένταξη της σε μικροδίκτυα, Διδακτορική διατριβή, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιούνιος

288 [16] Tomas Markvart, Ηλεκτρισμός από ηλιακή ενέργεια, Εκδόσεις ΙΩΝ, 2003 [17] European Photovoltaic Industry Association, Global Market Outlook for Photovoltaics report, 2013 [18] ΔΕΗ, φωτοβολταϊκά στις στέγες, 2012 [19] Θωμάς Ζαχαρίας, Ήπιες Μορφές Ενέργειας IΙ, εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, [20] Κ. Καγκαράκη Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία, εκδόσεις Συμμετρία, [21] Βασιλική Περράκη, Φυσική των φ/β στοιχείων, εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, [22] Ι. Φραγκιαδάκης Φωτοβολταϊκά Συστήματα, εκδόσεις Ζήτη, [23] Κωνσταντίνος Α. Μπαλάρας, Αθανάσιος Α. Αργυρίου, Φώτης Ε. Καραγίαννης, Συμβατικές & Ήπιες Μορφές Ενέργειας, Εκδόσεις ΕΚΔΟΤΙΚΗ, 2006 [24] Αντώνης Θ. Αλεξανδρίδης, Τεχνολογία Ελέγχου Στα Αιολικά Συστήματα, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, 2009 [25] Θωμάς Ζαχαρίας, Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ι, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, 2009 [26] Ελευθερία Πυργιώτη, Υψηλές τάσεις, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, 2010 [27] Ν. Mohan, Τ. Undeland, W. Robbins, Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά Ισχύος, Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ, 2010 [28] Εμμανουήλ Κ. Τατάκης, Σημειώσεις Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Ισχύος ΙΙ, Πάτρα, 2011 [29] Ελένη Δ. Κεμενέ, Ανάλυση και σχεδίαση επιδεικτικού μικροδικτύου Μελέτη συμπεριφοράς ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος», Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιούλιος 2010 [30] Παναγιώτης Α. Δρόσου και Σπυρίδων Ν. Σχοινά Μελέτη και εγκατάσταση φωτοβολταϊκού, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Ιούνιος

289 [31] Shell Solar Data Sheet for Module SQ 80-P [32] Ιάκωβος Γιακουμής, Μελέτη και κατασκευή συστήματος υβριδικού Α.Π.Ε. μικρής ισχύος αιολικής και φωτοβολταϊκής διάταξης, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Φλεβάρης 2009 [33] Whisper 100/200 Technical Specifications DOC# 0040 REV D 4-07, Southwest Windpower [34] SMA Solar Technology AG, Φωτοβολταϊκοί μετατροπείς SUNNY BOY 1100/1200/1700 Οδηγίες τοποθέτησης, SMA, 2009 [35] SMA Solar Technology AG, Μετατροπείς αυτόνομων δικτύων SUNNY ISLAND 2012/2224 Τεχνική περιγραφή, SMA, 2009 [36] Φυλλάδιο συσσωρευτή BAE, τεχνική περιγραφή, ΒΑΕ 2009 [37] SMA Solar Technology AG, Επιτήρηση εγκατάστασης SUNNY WEBBOX Τεχνική περιγραφή, SMA, 2009 [38] Μπιλιανός Θ. Σωτήριος, Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου μελέτη και προσομοίωση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2014 [39] Παρασκευάς Α. Παύλος, Ανάλυση και σχεδιασμός πιλοτικού μικροδικτύου Μελέτη και προσομοίωση αιολικού συστήματος, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Τεχνολογίας Υπολογιστών, Οκτώβριος 2014 [40] Allen, E., και συν., Interactive object-oriented simulation of interconnected power systems using SIMULINK, s.l. : IEEE Trnas. Educ., σσ Τόμος 44. [41] Patel, H. και Aharwal, V. MATLAB-Based modelling to study the effects of partial shading on PV array characteristic, s.l. : IEEE Trans. Energy Convers., March σσ Τόμος

290 [42] Sanchis, P., και συν. On the Testing, Characterization and Evaluation of PV inverters and Dynamic MPPT Performance Under Real Varying Operating Condition,. s.l. : Progress In Photovoltaics: Research and Applications, May σσ Τόμος 15. [43] Walker, G. Evaluating MPPT converter topologies usimg a MATLAB PV mode, s.l. : J. Electr. Electron. Eng., σσ Τόμος 21. [44] Khouzam, K., και συν. Simulation and real time modeling of space photovoltaic system, s.l. : Proc. 24th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., σσ [45] Khouzam, K. και Hoffman, K. Real-time simulation of photovoltaic modules, s.l.: Solar Energy, σσ Τόμος. 56. [46] Dorf C. Richard/Bishop H. Robert: Σύγχρονα συστήματα αυτόματου ελέγχου, Εκδόσεις Τζιόλα (μετάφραση στα ελληνικά), 9ε Έκδοση. [47] Saravana Selvan. D Modeling and Simulation of Incremental Conductance MPPT Algorithm for Photovoltaic Applications, s.1.: International Journal of Scientific Engineering and Technology, july 2013, σσ [48] S.Gomathy, S.Saravanan, Dr. S. Thangavel, Design and Implementation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) Algorithm for a Standalone PV System, s.1. : International Journal of Scientific Engineering and Technology, March 2012 [49] Robert W. Erickson, Introduction to Power Electronics, lectures from University of Colorado, Boulder, August 2012, lecture 3 [50] R. Teodorescu, F. Blaabjerg, M. Liserre and P.C. Loh, Proportional-resonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters, s.l. : IEEE Power Engineering Society General Meeting, September 2006 [51] Γιώργος Μ. Πυρρής, Διερεύνηση της λειτουργίας συστήματος διασύνδεσης ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης κατασκευή αντιστροφέα τάσης, Διπλωματική Εργασία, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Δεκέμβριος

291 [52] Mihai Ciobotaru, Reliable Grid Condition Detection and Control of Single- Phase Distributed Power Generation Systems, Dissertation, Aalborg University, Faculty of Engineering, January 2009 [53] Γιώργος Μαρκογιαννάκης, Residential Monitoring to Decrease Energy Use and Carbon Emissions in Europe, ΚΑΠΕ, Τμήμα Ανάλυσης Ενεργειακής Πολιτικής [54] ΕΛ.ΣΤΑΤ. Δελτίο τύπου, έρευνα κατανάλωσης ενέργειας στα νοικοκυριά, [55] Θωμάς Ζαχαρίας, Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών 2009 [56] aytonomon-kai-efedrikon-systimaton.html [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] High Power Wire Wound Resistor, Type TE Series, TE Connectivity [64] Frank D. Petruzella, Βιομηχανικά ηλεκτρονικά, εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ, 1999 [65] Hardware Chapter 1: Introduction of Fatek FBs Series PLC, Fatek [66] Winproladder User Guide, Fatek [67] Κανονισμός Εσωτερικών Ηλεκτρικών εγκαταστάσεων, ΕΛΟΤ HD 384 [68] IEC Utilization Categories (Explanation), EEC Controls [69] Finder 40 Series Miniature PCB/ Plug-in Relays A, Finder [70] Finder 22 Series Modular monostable Relays 20A, Finder 277

292 [71] Finder 46 Series Miniature Industrial Relays 8-16A, Finder [72] Hardware Chapter 7: Digital Output (DO) Circuit, Fatek 278

293 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΜΟΙ 279

294 280

295 281

296 282

297 283

298 284

299 285

300 286

301 287

302 288

303 289

304 290

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

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

307 Η παράμετρος BatChrgCurMax ρυθμίστηκε στη τιμή 67Α (C 1o ). Με τη ρύθμιση της παραμέτρου BatTyp σε τιμή FLA, άλλαξαν και οι παράμετροι του υπομενού 222#, στις τιμές που αντιστοιχούν για FLA συσσωρευτή. Γι αυτό το λόγο επαναφέραμε την τιμή της παραμέτρου ChrgVtgBoost στην τιμή 2,4V που είναι η θεωρητική τιμή τάσης κυψελών, κατά την διάρκεια της φόρτισης, σύμφωνα με τον κατασκευαστή. 293

308 Η παράμετρος ChrgVtgFlo ορίστηκε στην τιμή 2.2V. Οι παράμετροι ChrgVtgFul και ChrgVtgEqu ρυθμίστηκαν στην τιμή 2,35V. 294

309 Στο μενού 231# ρυθμίσαμε μόνο την παράμετρο ExtLkTm στα 3 λεπτά. 295

310 296

311 Οι παράμετροι GnSoCTm1Str και GnSocTmStp ρυθμίστηκαν στις τιμές 70% και 85% αντίστοιχα. 297

312 298

313 299

314 300

315 301

316 302