ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Θέμα: «ΚΑΤΑΜΕΡΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΤΑΞΥ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΩΝ ΠΗΓΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ» Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης.

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Βιολάντη Θησέα Ραφαήλ του Αλεξάνδρου Α.Μ: Θέμα: «ΚΑΤΑΜΕΡΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΤΑΞΥ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΩΝ ΠΗΓΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ» Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΚΑΤΑΜΕΡΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΤΑΞΥ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΩΝ ΠΗΓΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Βιολάντη Θησέα Ραφαήλ του Αλεξάνδρου Α.Μ: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 13/02/2018 Ο Επιβλέπων: Ο Διευθύντρια του τομέα: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Ελευθερία Πυργιώτη Αναπλ. Καθηγήτρια

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: «ΚΑΤΑΜΕΡΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕΤΑΞΥ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΩΝ ΠΗΓΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ». Φοιτητής: ΘΗΣΕΑΣ-ΡΑΦΑΗΛ ΒΙΟΛΑΝΤΗΣ Επιβλέπων: ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ

6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Δύο από τα κυριότερα προβλήματα του πλανήτη που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ρύπανση του περιβάλλοντος και η συνεχής μείωση των διαθέσιμων ορυκτών πόρων. Έτσι τις τελευταίες δεκαετίες γίνεται στροφή προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας οι οποίες είναι ανεξάντλητες και φιλικές προς το περιβάλλον. Η συνεχόμενη εξέλιξη των τεχνολογιών στον κλάδο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε συνδυασμό με την εμφάνιση της κατανεμημένης παραγωγής έχουν οδηγήσει σε αλλαγή της δομής των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τα σύγχρονα συστήματα, είτε είναι απομονωμένα είτε όχι, χρησιμοποιούν μονάδες κατανεμημένης και πράσινης ενέργειας που βρίσκονται σε μικρές αποστάσεις από τα φορτία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αναλύεται το μοντέλο ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο μπορεί να λειτουργεί αυτόνομα. Αποτελείται από δύο φωτοβολταϊκά πάνελ, δύο μπαταρίες και μετατροπείς για την κάλυψη ενός ωμικούεπαγωγικού φορτίου. Πιο αναλυτικά: Στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται μία συνοπτική αναφορά στα είδη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, τους λόγους που οδήγησαν στην ανάπτυξή τους, καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση τους. Ακόμη, εισάγεται η έννοια της κατανεμημένης παραγωγής, και αναφέρονται οι μονάδες οι οποίες χρησιμοποιούνται σε τέτοια συστήματα ενέργειας. Στο 2ο κεφάλαιο αναλύεται η λειτουργία όλων των δομικών στοιχείων του συστήματος. Ειδικότερα, παρατίθενται η δομή και τα βασικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των συσσωρευτών. Το 3ο κεφάλαιο έχει ως θέμα τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Στην αρχή, παρουσιάζονται όλες οι κατηγορίες μετατροπέων που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο της εργασίας καθώς και τα βασικά στοιχεία λειτουργίας τους. Εκτός αυτών όμως, γίνεται αναφορά στην τεχνική παλμοδότησης των μετατροπέων και στον μετασχηματισμό Park, που αποτελεί το βασικό εργαλείο για την κυκλωματική ανάλυση του συστήματος.

8 Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται η μοντελοποίηση και ο έλεγχος του αυτόνομου συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται όλες οι εξισώσεις που διέπουν την αυτόνομη λειτουργία του συστήματος και γίνεται εισαγωγή στην έννοια του ελέγχου που εφαρμόστηκε. Επίσης, υπολογίζονται οι λόγοι κατάτμησης των μετατροπέων και τα κέρδη των ελεγκτών. Τέλος, στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τελικά αποτελέσματα της προσομοίωσης τόσο του αυτονόμου, όσο και του διασυνδεδεμένου συστήματος, όπως αυτά προέκυψαν με τη χρήση του προγράμματος MATLAB/Simulink. Επιπλέον, γίνεται μια σύνοψη της διπλωματικής εργασίας και αναφέρονται πιθανές μελλοντικές χρήσεις του συγκεκριμένου μοντέλου για τη βελτίωση των συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

9 Abstract Two of the main problems that the planet is facing and are related to the electricity production, are the environmental pollution and the depletion of fossil resources. These problems formed the basis in order the power systems to turn round to new sources which are inexhaustible and environmentally friendly, renewable energy sources. The continuous development of technologies for renewable energy sources combined with the emergence of distributed generation are changing the power systems structure. Innovative power systems, isolated or not, use many units of distributed green energy which are installed close to loads. The thesis analyzes the model of a Power System which is in isolated mode. This system includes two photovoltaic, two batteries, power converters to control the system and one ohmic - inductive load More detail: Chapter 1 gives a brief reference to the types of renewable energy sources, the reasons that led to their development, as well as the positives and negatives that are resulted from their use. Still, it introduces the meaning of distributed generation and refers to the units that are commonly used in similar Power Systems. Chapter 2 analyzes the operation of all the system s components. Especially, this chapter includes the structure and the main characteristics photovoltaic panels and batteries. Chapter 3 deals with electronic power converters. In the beginning, there are presented all the categories of the converters that were used in the model of the thesis, as well as their key operating characteristics. Apart from these, however, there is made a reference to the pulsing technique of the converters and to the Park transformation, which is a main των μετατροπέων και στον μετασχηματισμό Park, which is a key tool for the circuit analysis of the model. In Chapter 4, it takes place the modeling and the control of the autonomous system. More specifically, there are listed all the equations governing the autonomous operation of the system and there is an introduction into the concept of the applied control. Also, the segmentation ratios of inverters and controllers profits are calculated.

10 Finally, the 5th Chapter presents the final results of the simulation of both the autonomous and the interconnected system, as they emerged with the use of the MATLAB / Simulink software program. In addition, a summary of the thesis is made and indicates possible future uses of this model to improve the power generation systems.

11 ΕΥΧΑΡΙΣΤΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή, κύριο Αντώνιο Αλεξανδρίδη που με εμπιστεύτηκε και μου ανέθεσε την συγκεκριμένη εργασία αλλά και για την καθοδήγησή του. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως την διδακτορική φοιτήτρια του τμήματός μας Δέσποινα Μακρυγιώργου για όλο το χρόνο που μου αφιέρωσε και την κρίσιμη βοήθειά της. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω φίλους και συγγενείς που με στηρίζουν όλα αυτά τα χρόνια της φοιτητικής μου πορείας και ιδιαίτερα τους γονείς μου Αλέξανδρο και Στέλλα για την βοήθεια και την αγάπη που μου δείχνουν σε όλη την πορεία της ζωής μου μέχρι και σήμερα.

12 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΠΛΑΝΗΤΗ ΚΑΙ ΟΙ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΤΗ ΧΩΡΑ ΜΑΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Α.Π.Ε.) ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΠΕ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ ΟΡΙΣΜΟΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [8] ΒΑΣΙΚΗ ΜΟΡΦΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΑΚΡΙΣΗ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΟΜΙΚΑ ΜΕΡΗ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΚΑΜΠΥΛΕΣ Ι-V ΚΑΙ P-V ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ... 29

13 2.3 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ [7] ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Μετατροπείς συνεχούς σε συνεχές (DC-DC Μετατροπείς) DC/AC Inverter (Αντιστροφέας) ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΕΥΡΟΥΣ Η ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΠΑΛΜΩΝ (Pulse Width Modulation PWM) ΤΟ D-Q ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Droop Control ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕ Φ/Β, ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Υπολογισμός μέσης ισχύος και ελεγκτές droop PLL (Phase Locked Loop) Ελεγκτές τάσης Ελεγκτές ρεύματος και λόγοι κατάτμησης αντιστροφέα Μετασχηματισμός πλαισίου αναφοράς Εξισώσεις κατάστασης φίλτρου και φορτίου ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΑΙ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ Μοντελοποίηση στις μπαταρίες

14 4.2.2 Μοντελοποίηση στα φωτοβολταϊκά και τάση εξόδου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΕ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΤΑ ΡΕΥΜΑΤΑ ΤΩΝ PV ΚΑΙ ΣΤΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΒΙΒΙΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 85

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η έννοια της ενέργειας είναι αναπόσπαστο κομμάτι από την καθημερινότητα του ανθρώπου. Ιστορικά φαίνεται ότι βελτίωση του βιοτικού επιπέδου είναι συνυφασμένη με την καλύτερη αξιοποίηση των ενεργειακών πόρων του πλανήτη. Πιο συγκεκριμένα, οι πηγές από τις οποίες ο άνθρωπος αντλεί ενέργεια είναι τα ορυκτά καύσιμα, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και η πυρηνική ενέργεια. Σήμερα, το 80% της παγκόσμιας συνολικής ενέργειας παράγεται από πετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακα και το υπόλοιπο 20% από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο, θα αναλυθούν οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια. Θα δοθούν ακριβής ορισμοί καθώς και θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Γίνεται εισαγωγή στην έννοια της κατανεμημένης παραγωγής και των μικροδικτύων που αποτελούν έννοιες άρρηκτα συνδεδεμένες με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης θα αναλυθούν οι μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούνται στα μικροδίκτυα. 1

16 1.2 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΠΛΑΝΗΤΗ ΚΑΙ ΟΙ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΣΤΗ ΧΩΡΑ ΜΑΣ. Το «ενεργειακό ζήτημα» ορίζεται και ταυτόχρονα προκύπτει από τις εξής παραμέτρους: Η αύξηση του πληθυσμού στη Γη, σε συνδυασμό με την τεχνολογική ανάπτυξη, αύξησε και τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας. Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό, αν αναλογιστούμε τον αριθμό των ηλεκτρικών συσκευών που χρησιμοποιούμε, το πλήθος των αυτοκινήτων και των μέσων μεταφοράς, τα ενεργοβόρα σύγχρονα κτίρια με τους κλιματισμούς, τους υπολογιστές και άλλους ηλεκτρικούς εξοπλισμούς. Οι παραπάνω ενεργειακές απαιτήσεις καλύπτονται κατά 85% από τον ορυκτό πλούτο της Γης, που, όμως, κάποτε μπορεί να εξαντληθεί. Αυτός ο ορυκτός πλούτος δεν είναι ελεύθερα διαθέσιμος σε κάθε χώρα, αλλά σε μια μειοψηφία χωρών, ενώ οι υπόλοιπες πρέπει να κάνουν εισαγωγή. Αυτό με τη σειρά του δημιουργεί έντονες διακυμάνσεις στις τιμές των ορυκτών καυσίμων και οδηγεί στην οικονομική και πολιτική εξάρτηση από τις προμηθεύτριες χώρες των χωρών που εισάγουν καύσιμα. Τέλος, η χρήση των ορυκτών καυσίμων δημιουργεί πολλά περιβαλλοντικά προβλήματα με δυσμενέστατες συνέπειες στα οικοσυστήματα, στην υγεία και γενικότερα στη διαβίωση του ανθρώπου. Το ενεργειακό πρόβλημα στην Ελλάδα είναι έντονο κι αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες επηρεασμού της οικονομίας. Αυτό συμβαίνει λόγω της εξάρτησης της χώρας από την εισαγόμενη ή μη ανανεώσιμη ενέργεια και της χαμηλής απόδοσης του ενεργειακού τομέα(=υψηλό κόστος για κάθε παραγόμενο προϊόν και άσκοπη κατανάλωση ενέργειας). Επιπλέον, η υψηλή εξάρτηση από τα συμβατικά καύσιμα(πετρέλαιο, λιγνίτη), που αποτελούν και τα πλέον ρυπογόνα, καθιστούν την ενεργειακή πολιτική της Ελλάδας μη φιλική προς το περιβάλλον. Στη βιομηχανία, το 50 % των ενεργειακών αναγκών καλύπτεται από πετρέλαιο. Στον οικιακό και τριτογενή τομέα, η ηλεκτρική ενέργεια καλύπτει το 37% των καταναλωτικών 2

17 αναγκών, τα προϊόντα πετρελαίου το 51% και η βιομάζα το 12%. Στις μεταφορές το 97,7% του συνόλου της ενέργειας καλύπτεται από προϊόντα πετρελαίου και το υπόλοιπο καλύπτεται με ηλεκτρική ενέργεια κι ένα πολύ μικρό ποσοστό από υγραέριο για την κίνηση ενός πολύ μικρού αριθμού ταξί. Τα τελευταία χρόνια εξαπλώνεται η χρήση του φυσικού αερίου στη βιομηχανία και σε πολλούς τομείς της καθημερινότητας. Βασική πλουτοπαραγωγική πηγή της χώρας μας είναι ο λιγνίτης. Τα κυριότερα εκμεταλλεύσιμα κοιτάσματα λιγνίτη βρίσκονται στην περιοχή της Πτολεμαΐδας, της Φλώρινας και του Αμύνταιου, της Δράμας, της Ελασσόνας και στην Πελοπόννησο(περιοχή Μεγαλόπολης). Υπάρχει, επίσης, μεγάλο κοίτασμα τύρφης στους Φιλίππους(Ανατολική Μακεδονία). Τα παραπάνω κοιτάσματα, με βάση τα υπάρχοντα αποθέματα και τις αυξανόμενες καταναλωτικές ανάγκες μας θα επαρκέσουν για άλλα 60 ως 100 χρόνια περίπου. Εκμεταλλεύσιμα πετρελαϊκά κοιτάσματα υπάρχουν στη Θάσο(περιοχή Πρίνου), που, όμως, καλύπτουν ένα πολύ μικρό ποσοστό των ενεργειακών αναγκών μας. Το μεγαλύτερο μέρος των κοιτασμάτων αργού πετρελαίου στον Πρίνο, καθώς και το ανάλογο κοίτασμα φυσικού αερίου νότια της Καβάλας θεωρείται ότι έχουν αντληθεί. Τέλος, η χώρα μας διαθέτει βεβαιωμένα αποθέματα ουρανίου στο Παρανέστι Δράμας. Συγκεντρώσεις ουρανίου υπάρχουν, επίσης, σε λιγνίτες, αργίλους και φωσφορικά κοιτάσματα. Όμως, και στη μια και στην άλλη περίπτωση, δε θεωρούνται σήμερα τεχνικοοικονομικά απολήψιμα, μπορούν, όμως, να καταστούν στο μέλλον. [3] ΕΙΚΟΝΑ 11.1 Εξόρυξη λιγνίτη στη Μεγαλόπολη[1] 1.3 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Α.Π.Ε.) Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε.), ή ήπιες μορφές ενέργειας, ή νέες πηγές ενέργειας, ή πράσινη ενέργεια είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που προέρχονται από διάφορες φυσικές διαδικασίες, όπως ο άνεμος, η γεωθερμία, η κυκλοφορία του νερού και άλλες. Το βασικό τους χαρακτηριστικό είναι ότι είναι πρακτικά ανεξάντλητες και 3

18 επηρεάζονται μόνο από τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Αποτελούν καθαρές μορφές ενέργειας, φιλικές με το περιβάλλον, που δεν παράγουν ρύπους και τοξικά απόβλητα όπως οι υπόλοιπες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται ευρέως. Η Ελλάδα διαθέτει αξιόλογο δυναμικό σε Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας(ΑΠΕ), αλλά δυστυχώς μένει ανεκμετάλλευτο. Η συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στη συνολική κατανάλωση ενέργειας περιορίζεται περίπου στο 6% ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΠΕ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ [1][2] Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Τέτοιες είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Ο ήλιος εκπέμπει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Η ηλιακή ακτινοβολία αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού με δύο τρόπους: με θερμικές και φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η πρώτη είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας με στόχο την παραγωγή θερμότητας (χρησιμοποιείται κυρίως για τη θέρμανση του νερού και τη μετατροπή του σε ατμό για την κίνηση τουρμπινών), ενώ στη δεύτερη εφαρμογή τα φωτοβολταϊκά συστήματα ΕΙΚΟΝΑ 1. 2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ[1] μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρισμό με τη χρήση φωτοβολταϊκών κυψελών ή συστοιχιών. Αυτή η τεχνολογία που εμφανίστηκε στις αρχές του 1970 στα διαστημικά προγράμματα των ΗΠΑ έχει μειώσει το κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού με αυτόν τον τρόπο από $300 σε $4 το Watt. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως σε αγροτικές και απομακρυσμένες περιοχές όπου η σύνδεση με το δίκτυο είναι πολύ ακριβή. Αν και όλη η γη δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία, η ποσότητά της εξαρτάται κυρίως από τη γεωγραφική θέση, την ημέρα, την εποχή και τη νεφοκάλυψη. Για παράδειγμα, η έρημος δέχεται περίπου το διπλάσιο ποσό ηλιακής ενέργειας από άλλες περιοχές. Στο μεγαλύτερο τμήμα της χώρα μας η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερες από 2700 ώρες το χρόνο. Στη Δυτική Μακεδονία και την Ήπειρο εμφανίζει τις μικρότερες τιμές 4

19 κυμαινόμενη από 2200 ως 2300 ώρες, ενώ στη Ρόδο και τη νότια Κρήτη ξεπερνά τις 3100 ώρες ετησίως. ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ [1][2] 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. Υπολογίζεται ότι στο 25% της επιφάνειας της γης επικρατούν άνεμοι μέσης ετήσιας ταχύτητας πάνω από 5,1 m/sec, σε ύψος 10 m πάνω από το έδαφος. 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 σήμερα έχουν κατασκευασθεί στην Άνδρο, στην Εύβοια, στη Λήμνο, Λέσβο, Χίο, Σάμο και στην Κρήτη εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο συνολικής ισχύος πάνω από 30 Μεγαβάτ. 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. ΕΙΚΟΝΑ 1.3 ΑΙΟΛΙΚΟ ΠΑΡΚΟ [2] 5

20 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ [2] Γεωθερμία ή γεωθερμική ενέργεια ονομάζουμε τη φυσική θερμική ενέργεια της Γης που διαρρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια. Η μετάδοση θερμότητας πραγματοποιείται με δύο τρόπους: α) Με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια με ρυθμό 0,04-0,06 W/m² [1] β) Με ρεύματα μεταφοράς, που περιορίζονται όμως στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, λόγω ηφαιστειακών και υδροθερμικών φαινομένων. Μεγάλη σημασία για τον άνθρωπο έχει η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για την κάλυψη αναγκών του, καθώς είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Ανάλογα με το θερμοκρασιακό της επίπεδο μπορεί να έχει διάφορες χρήσεις. H υψηλής ενθαλπίας (>150 C) χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισχύς τέτοιων εγκαταστάσεων το 1979 ήταν ΜW με παραγόμενη ενέργεια kwh/yr. ΕΙΚΟΝΑ 1.4 Γεωθερμικές πηγές [2] Η μέσης ενθαλπίας (80 έως 150 C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση ή και ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων καθώς και μερικές φορές και για την παραγωγή ηλεκτρισμού (π.χ. με κλειστό κύκλωμα φρέον που έχει χαμηλό σημείο ζέσεως). Η χαμηλής ενθαλπίας (25 έως 80 C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση χώρων, για θέρμανση θερμοκηπίων, για ιχθυοκαλλιέργειες, για παραγωγή γλυκού νερού. ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ [3] Είναι η ενέργεια η οποία αποταμιεύεται ως δυναμική με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνέχιση της ροής του ελεύθερου νερού και αποδίδεται ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης. Η αξιοποίηση αυτής της μορφής ενέργειας γίνεται με τις υδροηλεκτρικές μονάδες που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια σε μηχανική και εν συνεχεία σε ηλεκτρική. Για τη λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων απαιτείται η κατασκευή μιας δεξαμενής μέσω ενός φράγματος που θα συγκρατεί την 6

21 απαιτούμενη ποσότητα νερού. Λόγω της υψομετρικής διαφοράς μεταξύ του στροβίλου και της δεξαμενής το νερό αποκτά κινητική ενέργεια. Κατά τη διέλευση του, κινείται ο υδροστρόβιλος και τίθεται σε λειτουργία η γεννήτρια. ΕΙΚΟΝΑ 1.5 ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΡΑΓΜΑ [3] ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ [1] 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 ΕΙΚΟΝΑ 1.6 ΠΕΛΛΕΤ [1] 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. 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 7

22 βιομηχανιών μπορούν να μετατραπούν σε ενέργεια. Αλλά και μέχρι σήμερα, κυρίως οι αγροτικοί πληθυσμοί, για να ζεσταθούν, να μαγειρέψουν και να φωτιστούν χρησιμοποιούν ξύλα, φυτικά υπολείμματα (άχυρα, πριονίδια, άχρηστους καρπούς ή κουκούτσια κ.ά.) και ζωικά απόβλητα (κοπριά, λίπος ζώων, άχρηστα αλιεύματα κ.ά.). 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, μπορούμε να τα μετατρέψουμε σε ενέργεια. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΥΜΑΤΩΝ [1] Οι ωκεανοί μπορούν να μας προσφέρουν τεράστια ποσά ενέργειας. Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για να εκμεταλλευτούμε την ενέργεια της θάλασσας: ΑΠΟ ΤΑ ΚΥΜΑΤΑ Η κινητική ενέργεια των κυμάτων μπορεί να περιστρέψει την τουρμπίνα. Η ανυψωτική κίνηση του κύματος πιέζει τον αέρα προς τα πάνω, μέσα στο θάλαμο και θέτει σε περιστροφική κίνηση την τουρμπίνα έτσι ώστε η γεννήτρια να παράγει ρεύμα. Αυτός είναι ένας μόνο τύπος εκμετάλλευσης της ενέργειας των κυμάτων. ΑΠΟ ΤΙΣ ΠΑΛΙΡΡΟΙΕΣ (ΜΙΚΡΕΣ ΚΑΙ ΜΕΓΑΛΕΣ) 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 υδροστρόβιλο, όπως στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Τα πλέον κατάλληλα μέρη για την κατασκευή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής είναι οι στενές εκβολές ποταμών. ΑΠΟ ΤΙΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΕΣ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Η θερμική ενέργεια των ωκεανών μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί με την εκμετάλλευση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ του θερμότερου επιφανειακού νερού και του ψυχρότερου νερού του πυθμένα. Η διαφορά αυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον 3,5 C. 8

23 ΕΙΚΟΝΑ 1.7 Σχηματική διάταξη παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από τον κυματισμό της θάλασσας ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 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. 9

24 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 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Το διεσπαρμένο δυναμικό τους είναι δύσκολο να συγκεντρωθεί σε μεγάλα μεγέθη ισχύος ώστε να μεταφερθεί και να αποθηκευτεί. 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. 1.4 ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ Τα τελευταία χρόνια η σημασία και η ζήτηση της ηλεκτρικής ενέργειας έχει αυξηθεί δραματικά, κάτι που επιβάλλει την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση της παραγόμενης ενέργειας. Μέχρι και σήμερα, στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, μεγάλες μονάδες παραγωγής ισχύος βρίσκονται σε συγκεκριμένες τοποθεσίες με σκοπό να παράγουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερα ποσά ισχύος. Στη συνέχεια, η παραγόμενη ισχύς μέσω των γραμμών μεταφοράς και διανομής καταλήγει στα μεγάλα κέντρα κατανάλωσης. Στην περίπτωση αυτή, 10

25 τα κέντρα ελέγχου είναι υπεύθυνα ώστε να ελέγχουν την ποιότητα και την αξιοπιστία της ηλεκτρικής ενέργειας που μεταφέρεται. [6] Η κατανεμημένη παραγωγή αποτελεί μια νέα ιδέα στην οικονομική βιβλιογραφία της αγοράς του ηλεκτρισμού, αλλά στην πραγματικότητα ως ιδέα είναι κάθε άλλο παρά καινούργια. Όταν η ηλεκτρική παραγωγή βρισκόταν σε εμβρυακό στάδιο, η κατανεμημένη παραγωγή ήταν ο κανόνας και όχι η εξαίρεση. Τα πρώτα εργοστάσια παραγωγής ισχύος παρείχαν ηλεκτρισμό σε φορτία-πελάτες που βρίσκονταν σε μικρή ακτίνα από αυτούς ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΙΚΟΝΑ 1.8 ΜΙΚΟΔΙΚΤΥΟ [23] Ορίζεται πηγή κατανεμημένης παραγωγής, η πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος που συνδέεται απ ευθείας στο δίκτυο διανομής ή στην πλευρά του μετρητή του πελάτη.[5] Οι βασικοί λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη της Κατανεμημένης Παραγωγής σχετίζονται κυρίως με τη συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και με τις δυσκολίες που υπάρχουν στη δημιουργία και επέκταση νέων συστημάτων μεταφοράς και μονάδων παραγωγής. Επιπλέον, περιβαλλοντικοί λόγοι αλλά και ζητήματα σχετικά με την ποιότητα της παραγόμενης ενέργειας, έκαναν ακόμη πιο σημαντική τη δημιουργία μονάδων παραγωγής κοντά στα σημεία κατανάλωσης. Στην περίπτωση αυτή, ως πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται συμβατικές αλλά και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως είναι τα φωτοβολταϊκά κύτταρα, η αιολική ενέργεια, το φυσικό αέριο κ.α.. Οι συγκεκριμένες πηγές ονομάζονται κατανεμημένοι ενεργειακοί πόροι. Εκτός όμως από τις μονάδες παραγωγής, ιδιαίτερα σημαντικές για ένα σύστημα Κατανεμημένης Παραγωγής είναι και οι μονάδες αποθήκευσης 11

26 ενέργειας όπως είναι οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές, οι σφόνδυλοι, τα υπεραγώγιμα πηνία και οι πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα της Κατανεμημένης Παραγωγής είναι η αύξηση της απόδοσης ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και η εξοικονόμηση ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, με αυτό τον τρόπο παραγωγής μειώνονται οι απώλειες που οφείλονται στις γραμμές μεταφοράς και επιτυγχάνεται στοχευόμενη κάλυψη των φορτιών με μικρότερο κόστος. Παράλληλα, χρησιμοποιώντας ανανεώσιμες πηγές, επιτυγχάνεται μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα αλλά και άλλων τοξικών ρύπων, με προφανή περιβαλλοντικά οφέλη. Επιπλέον, περιορίζονται οι δαπάνες συντήρησης των συστημάτων μεταφοράς και διανομής, αποφεύγεται η ανάγκη δημιουργίας νέων τρόπων μεταφοράς και επιβαρύνεται λιγότερο το υπάρχον δίκτυο. Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα του συγκεκριμένου τρόπου παραγωγής, είναι η παραγωγή ενέργειας υψηλής αξιοπιστίας και ποιότητας που μπορεί να καλύψει τις ανάγκες ευαίσθητων φορτίων. Τέλος, δίνεται η δυνατότητα εξυπηρέτησης φορτίων που είναι απομακρυσμένα από το δίκτυο μεταφοράς και για τα όποια ήταν οικονομικά ασύμφορη η διασύνδεση τους με το υπόλοιπο σύστημα. [6] ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Η Κατανεμημένη Παραγωγή εκτός από τα πλεονεκτήματα εμφανίζει και ορισμένα μειονεκτήματα, κυρίως οικονομικά και λειτουργικά. Ειδικότερα, για να επιτευχθεί η παραγωγή ενέργειας υψηλής αξιοπιστίας απαιτείται σχετικά υψηλό κόστος επένδυσης ενώ παράλληλα οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας είναι και αυτές δαπανηρές. Στην περίπτωση που χρησιμοποιηθούν συμβατικά καύσιμα, προκύπτει επιβάρυνση του περιβάλλοντος από την εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα και άλλων ρύπων. Επιπροσθέτως, ανακύπτουν και ορισμένα τεχνικά ζητήματα που σχετίζονται με την εμφάνιση αρμονικών ταλαντώσεων και την ευστάθεια της παραγόμενης τάσης. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών και την σωστή λειτουργία του συστήματος, γίνεται απαραίτητη η εγκατάσταση ειδικού εξοπλισμού για τον έλεγχο της Κατανεμημένης Παράγωγης, κάτι που ασφαλώς αυξάνει το λειτουργικό κόστος και περιπλέκει τη δομή του συστήματος. [6] ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 12

27 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Η λειτουργία την φωτοβολταϊκών ηλιακών συστημάτων στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δηλαδή την άμεση μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ΕΙΚΟΝΑ 1.9 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΠΑΝΕΛ [24] ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Μερικά υλικά, όπως το πυρίτιο με πρόσμιξη άλλων στοιχείων, γίνονται ημιαγωγοί (άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα προς μια μόνο διεύθυνση), έχουν δηλαδή τη δυνατότητα να δημιουργούν διαφορά δυναμικού όταν φωτίζονται και κατά συνέπεια να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Συνδέοντας μεταξύ τους πολλά μικρά κομμάτια τέτοιων υλικών (φωτοβολταϊκές κυψέλες ή στοιχεία), τοποθετώντας τα σε μία επίπεδη επιφάνεια (φωτοβολταϊκό σύστημα) και στρέφοντάς τα προς τον ήλιο, γίνετε δυνατή η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος το οποίο μπορεί να καλύψει ανάγκες όπως: λειτουργία επιστημονικών συσκευών (δορυφόρων), κίνηση ελαφρών αυτοκινήτων (ηλιακά αυτοκίνητα), λειτουργία φάρων, ή την κάλυψη έστω και μέρους των ενεργειακών αναγκών μικρών κατοικιών όπως φωτισμός, τηλεπικοινωνίες, ψύξη κτλ. Η μέγιστη απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων (Φ/Β), ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους κυμαίνεται από 7% (ηλιακά στοιχεία άμορφου πυριτίου) έως 12-15% (ηλιακά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου). Το σημαντικό είναι ότι η ενέργεια που παράγεται με αυτό τον τρόπο, μπορεί να αποθηκευτεί σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές (μπαταρίες) με αποτέλεσμα να υπάρχει ανεξάντλητη, ανανεώσιμη, φθηνή και κυρίως "καθαρή" ενέργεια. [1] ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Σήμερα η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας γίνεται σχεδόν αποκλειστικά με μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. Κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τις ανεμογεννήτριες με οριζόντιο άξονα, όπου ο δρομέας είναι τύπου έλικας και ο άξονας μπορεί να περιστρέφεται συνεχώς παράλληλα προς τον άνεμο και τις ανεμογεννήτριες με κατακόρυφο άξονα που παραμένει σταθερός. 13

28 Στην παγκόσμια αγορά έχουν επικρατήσει οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα σε ποσοστό 90 %. Η ισχύς τους μπορεί να ξεπερνά τα 500 Kw και μπορούν να συνδεθούν κατευθείαν στο ηλεκτρικό δίκτυο της χώρας. Έτσι μια συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, που ονομάζεται αιολικό πάρκο, μπορεί να λειτουργήσει σαν μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. ΕΙΚΟΝΑ 1.10 ΑΙΟΛΙΚΟ ΠΑΡΚΟ [25] ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ [2] Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήματος το οποίο χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο. Είναι αυτές οι οποίες αναλαμβάνουν τη μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Η έννοια της κατάλυσης παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη λειτουργία μιας κυψέλης καυσίμου, όπως θα δούμε παρακάτω και η έρευνα για τη βελτίωση των αποδόσεων γίνεται κυρίως σε αυτόν τον τομέα, τομέας εξ ορισμού μελετημένος στην κλίμακα του νανομέτρου. Η κυψέλη καυσίμου αποτελεί ένα μηχανισμό για την ηλεκτροχημική μετατροπή της ενέργειας μετατρέποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα με τη διαδικασία αυτή, ηλεκτρισμό και θερμότητα. Ο ηλεκτρισμός παράγεται με τη μορφή συνεχούς ρεύματος. Η πρώτη κυψέλη φτιάχτηκε από τον Sir William Grove, το Ωστόσο η συστηματική έρευνα πάνω σε αυτές άρχισε μόλις τη δεκαετία του '60, όταν η NASA χρησιμοποίησε κυψέλες καυσίμου στα διαστημικά σκάφη των προγραμμάτων Τζέμινι και Απόλλων ως φθηνότερη λύση από την ηλιακή ενέργεια. 14 ΕΙΚΟΝΑ 1.11 ΚΥΨΕΛΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ [2]

29 ΜΙΚΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ (MICROTURBINES). [7] Οι μικροστρόβιλοι είναι μικρού μεγέθους μηχανές καύσης που εμφανίζουν μεγάλη ποικιλία καυσίμων (κατά βάση φυσικό αέριο) και χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αποτελούνται από ένα συμπιεστή, έναν καυστήρα, ένα στρόβιλο και μία γεννήτρια τα οποία βρίσκονται στον ίδιο άξονα. Κατά τη λειτουργία τους, μέσω μιας βοηθητικής μηχανής, εισάγεται αέρας ο οποίος συμπιέζεται και αναμειγνύεται με το καύσιμο. Στη συνέχεια το μείγμα που προκύπτει μεταφέρεται στο θάλαμο καύσης. Τα θερμά αέρια που παράγονται, επιταχύνουν τον άξονα με αποτέλεσμα τη λειτουργία της γεννήτριας και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η κύρια χρήση των μικροστροβίλων είναι σε εφαρμογές συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ/CHP), όπου ο συντελεστής απόδοσης τους είναι πολύ μεγαλύτερος. ΕΙΚΟΝΑ 1.12 Parallon 75 micro turbine generator power system [7] ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [8] Μέχρι σήμερα δεν έχει βρεθεί οικονομικός τρόπος για αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. 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. Η αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας θα αντιμετώπιζε με οικονομικό τρόπο το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό φορτίο, αλλά και την αξιόπιστη τροφοδοσία ευαίσθητων φορτίων. 15

30 Μπαταρίες: Η αύξηση της σημασίας τους την τελευταία δεκαετία οφείλεται κυρίως στην επιβολή του ηλεκτρικού αυτοκινήτου για περιβαλλοντικούς λόγους, αλλά και την εξομάλυνση της τροφοδοσίας ισχύος από αιολικές και ηλιακές πηγές ενέργειας. Οι διαδεδομένες μπαταρίες μόλυβδου-οξέος, αν και έχουν λογικό κόστος, έχουν μικρή πυκνότητα ενέργειας(15 Wh/Kg), ενώ στην εξελιγμένη τους μορφή έχουν πυκνότητα ενέργειας35-40 Wh/Kg. Υπεραγώγιμα πηνία: Μαγνητική ενέργεια αποθηκευμένη σε υπεραγώγιμα πηνία (Superconducting Magnetic Energy Storage(SMES)) χρησιμοποιείται όταν χρειαζόμαστε μεγάλη ισχύ (τηςτ άξης 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. Η φόρτιση και η εκφόρτιση του υπεραγώγιμου πηνίου επιτυγχάνεται με ελεγχόμενους μετατροπείς ισχύος. Σφόνδυλοι: 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. Στην απλούστερη τους μορφή η υπεραγώγιμη έδραση αποτελείται από έναν μόνιμο μαγνήτη, αιωρούμενο σε μια σταθερή θέση πάνω από ένα υπεραγωγό. Η επιλογή του κατάλληλου τρόπου αποθήκευσης ενέργειας καθορίζεται από την περιοχή της εγκατάστασης και από τα χαρακτηριστικά του εκάστοτε συστήματος. 14 Από τις συγκεκριμένες τεχνολογίες, οι μπαταρίες, οι υπερ-πυκνωτές και οι σφόνδυλοι είναι πιο διαδεδομένοι και αξιοποιούνται περισσότερο στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. [7] ΕΙΚΟΝΑ 1.13 ΜΠΑΤΑΡΙΑ ΜΟΛΥΒΔΟΥ-ΟΞΕΟΣ [26] 16

31 1.4.4 ΒΑΣΙΚΗ ΜΟΡΦΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ Τα τελευταία χρόνια, η ανάπτυξη των συστημάτων Κατανεμημένης Παραγωγής και ειδικά των μικροδικτύων (microgrids), έχει αυξηθεί σε σημαντικό βαθμό. Κάθε μικροδίκτυο, αποτελείται από τις μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης της ενέργειας που αναλύθηκαν παραπάνω, και αντιμετωπίζεται σαν ένα ενιαίο σύνολο. Επιπλέον, σε ένα μικροδίκτυο, οι πηγές ενέργειας μπορεί να είναι διαφορετικών ειδών (ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά, κυψέλες καυσίμου κ.λ.π.), κάτι που το καθιστά υβριδικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας.[15][16] Η λειτουργία του μικροδικτύου διακρίνεται σε : Διασυνδεδεμένη με το κεντρικό δίκτυο Μέσης Τάσης και Αυτόνομη λειτουργία (ή νησιδοποίηση). Κατά την πρώτη περίπτωση, το μικροδίκτυο είναι παραλληλισμένο με το κεντρικό δίκτυο με αποτέλεσμα η τάση και η συχνότητα του να καθορίζονται από τους κανόνες του δικτύου. Για το λόγο αυτό, πριν γίνει η διασύνδεση του μικροδικτύου με το κεντρικό δίκτυο, πρέπει να έχει επιτευχθεί ο συγχρονισμός των δύο δικτύων.[15] Όσον αφορά την αυτόνομη λειτουργία, το μικροδίκτυο συνεχίζει να τροφοδοτεί τα φορτία του, που πλέον είναι απομονωμένα από το κεντρικό δίκτυο. Η νησιδοποίηση του μικροδικτύου μπορεί να είναι είτε σκόπιμη είτε ακούσια. Σε κάθε περίπτωση όμως, η εξασφάλιση της ομαλής μετάβασης του συστήματος από τη μόνιμη κατάσταση στην αυτόνομη, αποτελεί σημαντικό ζητούμενο για την διατήρηση της ευστάθειας του συστήματος και της αδιάλειπτης τροφοδοσίας των φορτίων.[15] 15 Ένας σημαντικός παράγοντας της ανάπτυξης των μικροδικτύων είναι η υψηλή αξιοπιστία τους. Αυτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των ηλεκτρονικών ισχύος με τα οποία είναι εφοδιασμένα αυτά τα συστήματα και ελέγχουν τη συχνότητα και την τάση λειτουργίας τους. Επιπλέον, η ύπαρξη μηχανισμών προστασίας αλλά και μηχανισμών ελέγχου και επικοινωνίας, εξασφαλίζει την διαρκή και εύρυθμη λειτουργία τους.[15] 17

32 Οδηγούμαστε επομένως στο συμπέρασμα, ότι η Κατανεμημένη Παραγωγή, αλλά και ειδικότερα τα μικροδίκτυα, αποτελούν μια δοκιμασμένη και αρκετά αξιόπιστη λύση για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στη σημερινή εποχή. 18

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το υπό μελέτη σύστημα της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελείται από δύο όμοιους κλάδους που λειτουργούν παράλληλα ώστε να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες ενός ωμικού-επαγωγικού φορτίου. Το σύστημα βρίσκεται στην αυτόνομη λειτουργία, δεν υπάρχει δηλαδή διασύνδεση με το δίκτυο. Ο κάθε κλάδος αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή διάταξη, μπαταρία και μετατροπείς DC/DC, DC/AC όπως φαίνεται στο σχήμα. PV dc dc i l1 Battery dc dc C DC AC R f L f V 0 Battery dc dc C DC AC R f L f C f R load i l2 L load PV dc dc ΣΧΗΜΑ 2.1 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Παρακάτω αναλύονται η δομή και τα βασικά χαρακτηριστικά των στοιχείων που αποτελούν την παραπάνω διάταξη. 19

34 2.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Τα φωτοβολταϊκά (ή Φ/Β) συστήματα αποτελούν μια από τις εφαρμογές των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, με τεράστιο ενδιαφέρον για την Ελλάδα. Εκμεταλλευόμενο το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το φωτοβολταϊκό σύστημα παράγει ηλεκτρική ενέργεια από την ηλιακή ενέργεια ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από ένα ή περισσότερα πάνελ (ή πλαίσια, ή όπως λέγονται συχνά στο εμπόριο, «κρύσταλλα») φωτοβολταϊκών στοιχείων (ή «κυψελών», ή «κυττάρων»), μαζί με τις απαραίτητες συσκευές και διατάξεις για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στην επιθυμητή μορφή. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι συνήθως τετράγωνο, με πλευρά mm. Δυο τύποι πυριτίου χρησιμοποιούνται για την δημιουργία φωτοβολταϊκών στοιχείων: το άμορφο και το κρυσταλλικό πυρίτιο, ενώ το κρυσταλλικό πυρίτιο διακρίνεται σε μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό. Το άμορφο και το κρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματα, όσο και μειονεκτήματα, και κατά τη μελέτη του φωτοβολταϊκού συστήματος γίνεται η αξιολόγηση των ειδικών συνθηκών της εφαρμογής (κατεύθυνση και διάρκεια της ηλιοφάνειας, τυχόν σκιάσεις κλπ.) ώστε να επιλεγεί η κατάλληλη τεχνολογία. Στο εμπόριο διατίθενται φωτοβολταϊκά πάνελ τα οποία δεν είναι παρά πολλά ΕΙΚΟΝΑ 2. 1 Φωτοβολταϊκή συστοιχία [25] φωτοβολταϊκά στοιχεία συνδεδεμένα μεταξύ τους, επικαλυμμένα με ειδικές μεμβράνες και εγκιβωτισμένα σε γυαλί με πλαίσιο από αλουμίνιο σε διάφορες τιμές ονομαστικής ισχύος, ανάλογα με την τεχνολογία και τον αριθμό των φωτοβολταϊκών κυψελών που τα αποτελούν. 20

35 Έτσι, ένα πάνελ 36 κυψελών μπορεί να έχει ονομαστική ισχύ W, ενώ μεγαλύτερα πάνελ μπορεί να φτάσουν και τα 200 W ή και παραπάνω. Η κατασκευή μιας γεννήτριας κρυσταλλικού πυριτίου μπορεί να γίνει και από ερασιτέχνες, μετά από την προμήθεια των στοιχείων. Το κόστος είναι άπίθανο να είναι χαμηλότερο από την αγορά έτοιμης γεννήτριας, καθώς η προμήθεια ποιοτικών στοιχείων είναι πολύ δύσκολη. Εκτός από το πυρίτιο χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων, όπως το Κάδμιο - Τελλούριο (CdTe) και ο ινδοδισεληνιούχος χαλκός. Σε αυτές τις κατασκευές, η μορφή του στοιχείου διαφέρει σημαντικά από αυτή του κρυσταλλικού πυριτίου, και έχει συνήθως τη μορφή λωρίδας πλάτους μερικών χιλιοστών και μήκους αρκετών εκατοστών. Τα πάνελ συνδέονται μεταξύ τους και δημιουργούν τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει από 2 έως και αρκετές εκατοντάδες φωτοβολταϊκές γεννήτριες. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από μια Φ/Β συστοιχία είναι συνεχούς ρεύματος (DC), και για το λόγο αυτό οι πρώτες χρήσεις των φωτοβολταϊκών αφορούσαν εφαρμογές DC τάσης: κλασικά παραδείγματα είναι ο υπολογιστής τσέπης («κομπιουτεράκι») και οι δορυφόροι. Με την προοδευτική αύξηση όμως του βαθμού απόδοσης, δημιουργήθηκαν ειδικές συσκευές οι αναστροφείς (inverters) - που σκοπό έχουν να μετατρέψουν την έξοδο συνεχούς τάσης της Φ/Β συστοιχίας σε εναλλασσόμενη τάση. Με τον τρόπο αυτό, το Φ/Β σύστημα είναι σε θέση να τροφοδοτήσει μια σύγχρονη εγκατάσταση (κατοικία, θερμοκήπιο, μονάδα παραγωγής κλπ.) που χρησιμοποιεί κατά κανόνα συσκευές εναλλασσόμενου ρεύματος(ac) ΔΙΑΚΡΙΣΗ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Υπάρχουν δυο κύριες κατηγορίες συστημάτων, το διασυνδεδεμένο με το δίκτυο και το αυτόνομο. Η απλούστερη μορφή του δεύτερου εκ των δυο αποτελείται απλώς από μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, η οποία μόνη της τροφοδοτεί με συνεχές ρεύμα ένα φορτίο οποτεδήποτε υπάρχει επαρκής φωτεινότητα. Αυτού του τύπου το σύστημα είναι κοινό σε 21

36 εφαρμογές άντλησης. Σε άλλες περιπτώσεις το σύστημα περιέχει συνήθως μια φροντίδα για αποθήκευση ενέργειας από τις μπαταρίες. Συχνά συμπεριλαμβάνεται κάποια μορφή ρύθμισης της ισχύος, όπως στην περίπτωση που απαιτείται εναλλασσόμενο ρεύμα να εξέρχεται από το σύστημα. Σε μερικές περιπτώσεις το σύστημα περιέχει μια εφεδρική γεννήτρια. Τα συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα μπορούν να υποδιαιρεθούν σ εκείνα στα οποία το δίκτυο ενεργεί απλώς ως μια βοηθητική τροφοδοσία (εφεδρικό δίκτυο) και εκείνα τα οποία ίσως λάβουν επίσης πρόσθετη ισχύ από τη Φ.Β. γεννήτρια (αλληλοεπιδρώμενο δίκτυο). Μέσα στους Φ.Β. σταθμούς όλη η παραγόμενη ισχύς τροφοδοτείται στο δίκτυο. Στη παρούσα εργασία ερευνήθηκε η αυτόνομη λειτουργία του μικροδυκτίου με δυνατότητα αποθήκευσης της ενέργειας σε μπαταρίες. Σε αυτή την υποενότητα γίνεται αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, παρότι οι αναλυτικές λεπτομέρειες του συστήματος που μελετήθηκε, θα αναφερθούν σε επόμενο κεφάλαιο ΔΟΜΙΚΑ ΜΕΡΗ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Τα κυριότερα μέρη ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι η φωτοβολταϊκή γεννήτρια (που αποτελείται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και κύτταρα), ένας ελεγκτής που εξασφαλίζει τη λειτουργία με μέγιστο συντελεστή απόδοσης (Maximum Power Point Tracking MPPT) και ένας μετατροπέας (DC/AC), για να μπορέσει να συνδεθεί στο δίκτυο, όταν αυτό υπάρχει. ΕΙΚΟΝΑ 2. 2 Διάγραμμα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. 22

37 Για κάθε φ/β σύστημα πρέπει να τηρούνται ορισμένες προϋποθέσεις. Αρχικά, ως προς τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, πρέπει να γίνει η κατάλληλη επιλογή του υλικού κατασκευής των ηλιακών κυττάρων. Το υλικό που θα επιλεγεί, πρέπει να εμφανίζει υψηλή απόδοση, να συμβάλει στην λήψη ικανοποιητικής τάσης στην έξοδο και να έχει μεγάλη διάρκεια ζωής. Ως προς τον τρόπο σύνδεσης των κυττάρων, αυτά μπορούν να βρίσκονται είτε εν σειρά είτε παράλληλα. Ο τρόπος που θα επιλεγεί για τη σύνδεση τους καθορίζει την τιμή της τάσης και του ρεύματος που μπορεί να παράγει στην έξοδο το φ/β πλαίσιο. Επιπλέον, ο μετατροπέας που θα χρησιμοποιηθεί στην εγκατάσταση, θα πρέπει να εμφανίζει υψηλό βαθμό απόδοσης, να είναι οικονομικός και αρκετά αξιόπιστος ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ Όταν ένα ηλιακό κύτταρο δε φωτίζεται, τότε το ρεύμα που παίρνουμε από το κύτταρο δίνεται από την παρακάτω εξίσωση, η οποία αποτελεί τη βασική εξίσωση μιας διόδου επαφής p-n: Ι = Ι 0 (e qv kt 1) όπου Ι: το ρεύμα του κυττάρου, Ιο: το ρεύμα κόρου της διόδου και V: η τάση του κυττάρου. Όταν το ηλιακό κύτταρο φωτίζεται, τότε το ρεύμα του κυττάρου θα δίνεται από την παρακάτω σχέση: Ι = Ι 0 (e qv kt 1) I L όπου IL είναι το φωτόρευμα, δηλαδή το ρεύμα που παράγεται εξαιτίας της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο κύτταρο. Οι δύο παραπάνω εξισώσεις μπορούν να περιγραφούν γραφικά στο σχήμα 2.3, στο οποίο βλέπουμε ότι η χαρακτηριστική καμπύλη του κυττάρου στην περίπτωση που το κύτταρο φωτίζεται, είναι ίδια με τη χαρακτηριστική καμπύλη όταν αυτό δε φωτίζεται, μετατοπισμένη προς τα κάτω κατά IL. 23

38 ΕΙΚΟΝΑ 2. 3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΗΛ. ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΚΑΙ ΔΙΟΔΟΥ ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ Με βάση την εξίσωση του ηλιακού κυττάρου, όταν αυτό φωτίζεται, συμπεραίνουμε ότι θα μπορούσαμε να το μοντελοποιήσουμε με μία πηγή ρεύματος, παράλληλα συνδεδεμένη με μία δίοδο. Όμως αυτό ισχύει μόνο για ένα ιδανικό ηλιακό κύτταρο, το οποίο στην πράξη δεν υπάρχει και δεν αντικατοπτρίζει, με ακρίβεια, την πραγματική Ι-V χαρακτηριστική καμπύλη ενός κυττάρου σε πρακτικούς σκοπούς. Γι αυτό το λόγο, έχει καθιερωθεί, μετά από πειραματικές διαδικασίες, η χρήση δύο επιπλέον παραμέτρων Rsh και Rs. Η Rsh (shunt resistance) ονομάζεται αντίσταση διαρροής και αφορά διαδρομές ρεύματος διαρροής στο εσωτερικό της επαφής p-n, μεταξύ των σημείων που βρίσκονται σε διαφορά δυναμικού ίση με την τάση στα άκρα της διόδου. Η Rs ονομάζεται σειριακή αντίσταση (series resistance) και αφορά την αντίσταση που παρουσιάζει η επαφή κατά τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από τη δίοδο και μέσα από τα ηλεκτρόδια της επαφής και τους μεταλλικούς κλάδους αυτών. Σο πλήρες ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός κυττάρου παρουσιάζεται στο σχήμα

39 ΕΙΚΟΝΑ 2. 4 ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΚΑΜΠΥΛΕΣ Ι-V ΚΑΙ P-V ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥΣ. Η γραφική παράσταση μεταξύ του ρεύματος (Ι) και της τάσης (V) στην έξοδο του ηλιακού κυττάρου ονομάζεται Ι-V χαρακτηριστική του κυττάρου και απεικονίζεται (στο πρώτο τεταρτημόριο) στο σχήμα 2.5. ΕΙΚΟΝΑ 2. 5 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ I-V Αντίστοιχα, η γραφική παράσταση μεταξύ της ισχύος (P) και της τάσης (V) στην έξοδο του ηλιακού κυττάρου ονομάζεται P-V χαρακτηριστική του κυττάρου και απεικονίζεται στο σχήμα

40 ΕΙΚΟΝΑ 2. 6 P-V ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΉ ΗΛΙΑΚΟΎ ΚΥΤΤΆΡΟΥ Στα παραπάνω σχήματα παρουσιάζονται κάποιες παράμετροι, οι οποίες χαρακτηρίζουν και παίζουν κυρίαρχο ρόλο στην αξιολόγηση της συμπεριφοράς και λειτουργίας του ηλιακού κυττάρου. Οι παράμετροι αυτές θα αναλυθούν στη συνέχεια: Ρεύμα Βραχυκυκλώσεως ISC: είναι το ρεύμα για τάση εξόδου V=0. Αν θεωρήσουμε την RS πάρα πολύ μικρή, τότε το ΙSC ισούται με το φωτόρευμα ΙL. Τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC: είναι η τάση για Ι=0, που αν θεωρήσουμε την RSH πολύ μεγάλη, ισούται με: V oc = 1 Λ ln (I L I 0 + 1) Σημείο μέγιστης εξόδου Pmp: είναι το σημείο το οποίο αντιστοιχεί σε ρεύμα Imp και τάση Vmp, και στο οποίο παίρνουμε την μέγιστη ισχύ. Γενικά, ένα ηλιακό κύτταρο μπορεί να λειτουργεί σε ένα ευρύ φάσμα τάσεως και ρεύματος. Σ αυτό το σημείο όμως, στο οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε το ορθογώνιο με την μεγαλύτερη επιφάνεια μέσα στη I-V χαρακτηριστική, το ηλιακό κύτταρο αποδίδει την μέγιστη ισχύ, για συγκεκριμένο επίπεδο ακτινοβολίας. Όπως είναι φυσικό, αυτό είναι το σημείο στο οποίο επιδιώκουμε να λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, και επειδή αυτό δεν είναι δυνατό να συμβαίνει αυτόματα, χρησιμοποιούμε ανιχνευτή του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT: Maximum Power Point Tracker). Συντελεστής πλήρωσης FF (Fill Factor): Σο διαγραμμισμένο παραλληλόγραμμο, μέσα στην καμπύλη I-V, με πλευρές Ιmp και Vmp, έχει εμβαδόν ίσο με τη μέγιστη ισχύ (Pmp) 26

41 που αποδίδει το κύτταρο. Σο πηλίκο αυτού του εμβαδού, προς το εμβαδόν του παραλληλογράμμου με πλευρές ISC και VOC, που περιγράφει την ιδανική συμπεριφορά ενός ηλιακού κυττάρου, δείχνει το πόσο η λειτουργία του κυττάρου πλησιάζει αυτή την ιδανική συμπεριφορά. Σο πηλίκο αυτό ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF και έχει τιμή μεταξύ του 0 και του 1, ανάλογα με το υλικό και τις συνθήκες. Τυπικές τιμές από 0,7 έως 0,85 χαρακτηρίζουν φωτοβολταϊκά στοιχεία με αποδεκτή έως πολύ καλή ενεργειακή απόδοση. ΕΙΚΟΝΑ 2. 7 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΠΛΗΡΩΣΗΣ FF Οι παραπάνω χαρακτηριστικές ισχύουν για συγκεκριμένη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και σταθερή θερμοκρασία. Όταν αυτές οι δύο παράμετροι μεταβάλλονται, τότε επηρεάζουν τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Πιο συγκεκριμένα: Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας: Όταν μεταβάλλεται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, μεταβάλλεται και η I-V χαρακτηριστική του κυττάρου. Σε μείωση της ακτινοβολίας, η μείωση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος VOC είναι πολύ μικρή, ενώ το ρεύμα 27

42 βραχυκύκλωσης ISC μειώνεται κατά πολύ, αναλογικά σχεδόν με την μεταβολή της έντασης ακτινοβολίας. Στο σχήμα 2.8 παρουσιάζονται οι μεταβολές αυτές. ΕΙΚΟΝΑ 2. 8 ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΤΗΣ I-V ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Θερμοκρασία: Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία λειτουργίας του κυττάρου, η τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC μειώνεται γραμμικά, με ρυθμό περίπου 0.5%/ o C. Παράλληλα, το ρεύμα βραχυκύκλωσης ISC αυξάνεται ελάχιστα, καθώς προκαλείται αύξηση της ενδογενούς συγκέντρωσης των φορέων του ημιαγωγού, κάτι που έχει σαν αποτέλεσμα να πραγματοποιούνται περισσότερες επανασυνδέσεις φορέων. Οι μεταβολές που συντελούνται παρουσιάζονται στο σχήμα

43 ΕΙΚΟΝΑ 2. 9 ΜΕΤΑΒΟΛΗ Ι-V ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ Ορίζουμε βαθμό απόδοσης ηc του ηλιακού κυττάρου το πηλίκο της ηλεκτρικής ισχύος Pmp, που αποδίδεται από το ηλιακό κύτταρο όταν αυτό λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος, προς την προσπίπτουσα ισχύ ακτινοβολίας Pin. η c = P mp P in = I mp V mp P in = I sc V oc FF P in 29

44 Η προσπίπτουσα ισχύς ακτινοβολίας Pin δίνεται από τη σχέση P in = E S, όπου Ε η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας και S το εμβαδόν της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Ο βαθμός απόδοσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό του ημιαγωγού το οποίο χρησιμοποιείται. Ο μέγιστος θεωρητικός βαθμός είναι περίπου 24%, στην πράξη όμως φτάνει, ανάλογα με το υλικό, περίπου στο 18%. Αυτό σημαίνει ότι ένα μικρό μόνο ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται τελικά παραγόμενη ενέργεια, λόγω πολλών απωλειών που υπάρχουν. Οι κύριοι παράγοντες που ευθύνονται για τη σχετικά χαμηλή τιμή του βαθμού απόδοσης είναι οι παρακάτω: Σκίαση των επαφών: Στην επιφάνεια του κυττάρου υπάρχει ένα μεταλλικό πλέγμα επαφών που εκτίθεται στο ηλιακό φως, κάτι που έχει σαν αποτέλεσμα ένα ποσοστό 5-15% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας να εκτρέπεται. Ανάκλαση: Αν η επιφάνεια του ηλιακού κυττάρου δε διαθέτει αντιανακλαστικό επίστρωμα, τότε ανακλάται ένα ποσοστό ηλιακής ακτινοβολίας της τάξης του 30%. Η χρήση αντιανακλαστικών υλικών για επίστρωση μπορεί να περιορίσει αυτό το ποσοστό στο 3%. Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων: Στον κρύσταλλο προσπίπτουν φωτόνια με διαφορετικά μήκη κύματος, κάτι που έχει ως συνέπεια να μην μπορούν όλα να δημιουργήσουν ζεύγη ηλεκτρονίων- οπών, περιορίζοντας έτσι τη μέγιστη απόδοση του κυττάρου στο 44%. Αντίσταση: Μη ικανοποιητικές τιμές της παράλληλης αντίστασης RSH και της εν σειρά αντίστασης RS, τείνουν να ελαττώσουν τον συντελεστή FF, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα την τελική μείωση της απόδοσης. Επανασύνδεση: Σε ορισμένες περιπτώσεις, το ελεύθερο ηλεκτρόνιο που δημιουργείται από την πρόσπτωση του φωτονίου, επανασυνδέεται με κάποια από τις οπές που υπάρχουν στο υλικό τύπου p πριν φτάσει στην περιοχή επαφής, αποδίδοντας έτσι την ενέργεια του υπό μορφή θερμότητας. Θερμοκρασία: Πολύ υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες έχουν σαν αποτέλεσμα να μειώνεται ο βαθμός απόδοσης. [11] 30

45 2.3 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Η μπαταρία ή ηλεκτρικός συσσωρευτής (ενίοτε και απλά συσσωρευτής) είναι η συσκευή η οποία αποθηκεύει χημική ενέργεια και την αποδεσμεύει με τη μορφή ηλεκτρισμού. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται ηλεκτροχημικές διατάξεις όπως η γαλβανική στήλη. Η ανάπτυξη των μπαταριών άρχισε με την κατασκευή της Βολταϊκής στήλης από τον Αλεσάντρο Βόλτα. Εικάζεται όμως ότι κάποια αντικείμενα, που χρονολογούνται γύρω στο έτος 600 και είναι γνωστά ως μπαταρίες της Βαγδάτης, είχαν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μικρής ποσότητας ηλεκτρισμού. [2] ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ [7] Μια βασική διάκριση των συσσωρευτών, είναι η διάκριση τους σε πρωτογενείς και δευτερογενείς. Οι πρωτογενείς συσσωρευτές (ή μη επαναφορτιζόμενοι) είναι αυτοί οι συσσωρευτές που δεν είναι δυνατό να επαναφορτισθούν και που απορρίπτονται μετά την εκφόρτιση τους. Αποτελούν μια αρκετά απλή και οικονομική λύση και αξιοποιούνται συνήθως σε φορητές ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές. Τα κυριότερα είδη πρωτογενών συσσωρευτών είναι : Ψευδαργύρου/Άνθρακα (Zn/C) Μαγνησίου Αλκαλικοί μαγγανίου Αργύρου Καδμίου-Υδραργύρου Υδραργύρου Ψευδαργύρου/Αέρα Λιθίου Από την άλλη μεριά, οι δευτερογενείς συσσωρευτές ( ή επαναφορτιζόμενοι) είναι εκείνοι που μπορούν να επαναφορτιστούν και να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση, μετά από την εκφόρτιση τους. Οι βασικότερες κατηγορίες δευτερογενών συσσωρευτών είναι οι εξής: Επαναφορτιζόμενο σύστημα νικελίου - καδμίου (Ni-Cd). 31

46 Επαναφορτιζόμενο σύστημα μόλυβδου (Pb). Σύστημα νικελίου ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ Κάθε συσσωρευτής χαρακτηρίζεται από διάφορα βασικά μεγέθη που αποτελούν τα χαρακτηριστικά του και συμβάλλουν μεταξύ άλλων στη δυνατότητα της σύγκρισης των διαφόρων τύπων συσσωρευτών και στην διαδικασία της επιλογής του κατάλληλου συσσωρευτή για κάθε εφαρμογή. Παρακάτω, αναλύονται κάποια από τα βασικά χαρακτηριστικά μεγέθη των συσσωρευτών και η σημασία τους. Τάση: Η διαφορά δυναμικού που παρατηρείται μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου ονομάζεται τάση του ηλεκτροχημικού στοιχείου ή του συσσωρευτή. Η μονάδα μέτρησης της τάσης είναι τα Volts (V). Η τιμή της τάσης εξαρτάται από τη χημική σύνθεση των ηλεκτροδίων, τη συγκέντρωση των υλικών των ηλεκτροδίων και τη θερμοκρασία. [12] Χωρητικότητα: Οι συσσωρευτές χαρακτηρίζονται από την χωρητικότητά τους, δηλαδή την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που μπορούν να αποθηκεύσουν. Ως χωρητικότητα μιας μπαταρίας θεωρείται η ποσότητα των ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων που παράγονται από το ενεργό υλικό του αρνητικού ηλεκτροδίου και καταναλώνονται από το ενεργό υλικό του θετικού ηλεκτροδίου. Η μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας είναι το Coulomb (C), επειδή όμως το 1 Coulomb είναι μικρή μονάδα, χρησιμοποιούνται τα Αμπερώρια (1 Ah=3600C). Για παράδειγμα, αν η χωρητικότητα ενός συσσωρευτή είναι 10Αh, αυτό σημαίνει ότι ο συσσωρευτής μπορεί να παρέχει ρεύμα έντασης 1Α για 10 ώρες ή 2Α για 5 ώρες κ.ο.κ. Η χωρητικότητα εξαρτάται από την ποσότητα των ενεργών υλικών του συσσωρευτή. Ένα πολύ μικρό ηλεκτροχημικό στοιχείο έχει μικρότερη χωρητικότητα από ένα μεγαλύτερο στοιχείο ίδιας χημικής σύστασης. Επίσης, η χωρητικότητα επηρεάζεται από τις συνθήκες εκφόρτισης όπως είναι ο ρυθμός εκφόρτισης (μεγάλος ρυθμός εκφόρτισης συνεπάγεται μικρή χωρητικότητα συσσωρευτή), το ρεύμα εκφόρτισης, η τάση και η θερμοκρασία. [12] Ειδική ενέργεια / ενεργειακή πυκνότητα: Ως ειδική ενέργεια ενός συσσωρευτή ορίζεται η ενεργειακή χωρητικότητα ανά μονάδα βάρους του συσσωρευτή (Wh/kg). Η 32

47 θεωρητική ειδική ενέργεια είναι η μέγιστη ενέργεια που μπορεί να παραχθεί ανά μονάδα βάρους του ενεργού υλικού του συσσωρευτή. Οι πρακτικές τιμές της ειδικής ενέργειας είναι αρκετά χαμηλότερες από τις θεωρητικές. Για παράδειγμα, στο συσσωρευτή μόλυβδου-οξέος που χρησιμοποιείται σε κάποιο όχημα αποδεικνύεται ότι μόνο το 26% του συνολικού του βάρους συμμετέχει στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ως ενεργειακή πυκνότητα ορίζεται η ενέργεια που παρέχεται ανά μονάδα όγκου του συσσωρευτή (Wh/L ή Wh/cm3 ) [6], [7]. [12] Ειδική ισχύς: Η ειδική ισχύς ενός συσσωρευτή ορίζεται ως η μέγιστη ισχύς ανά μονάδα βάρους που μπορεί να παραχθεί σε ένα μικρό χρονικό διάστημα. Είναι χαρακτηριστικό της χημικής σύστασης του συσσωρευτή και εξαρτάται κυρίως από την εσωτερική του αντίσταση. Έχει μονάδα μέτρησης το W/kg και καθορίζει το βάρος του συσσωρευτή που απαιτείται για να επιτευχθεί η απαιτούμενη απόδοση. [12] Εσωτερική αντίσταση ή εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας: συνήθως διαφέρει στη φόρτιση και την εκφόρτιση (χαμηλότερη στην εκφόρτιση και υψηλότερη στη φόρτιση). Εξαρτάται από τη χημική σύσταση της μπαταρίας και επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, το μέγεθος της μπαταρίας, την ηλικία της και το ρεύμα εκφόρτισης. Είναι απαραίτητο η εσωτερική αντίσταση κάθε συσσωρευτή να είναι σημαντικά μικρότερη της αντίστασης του φορτίου. Διαφορετικά, καθώς αυξάνεται η εσωτερική αντίσταση του συσσωρευτή, η απόδοση του συσσωρευτή μειώνεται ενώ και η θερμική του ευστάθεια ελαττώνεται, διότι η ενέργεια που παρέχει η μπαταρία μετατρέπεται σε θερμότητα. [12] Βαθμός απόδοσης: Οι απώλειες ενέργειας και ισχύος κατά την εκφόρτιση ή τη φόρτιση εμφανίζονται με τη μορφή απώλειας τάσης. Έτσι, η απόδοση του συσσωρευτή κατά την εκφόρτιση ή τη φόρτιση μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της τάσης λειτουργίας του συσσωρευτή προς τη θερμοδυναμική του τάση. Η θερμοδυναμική τάση ορίζεται ως η τάση ανοιχτού κυκλώματος του συσσωρευτή σε θερμοκρασία 25 C και πίεση 1atm. [12] 33

48 34

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ηλεκτρονικά Συστήματα Ισχύος ορίζονται ως οι εφαρμογές ηλεκτρονικών στερεάς κατάστασης, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία, τον έλεγχο και τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανάγκη για έλεγχο και επεξεργασία της ηλεκτρικής ροής ήταν ο σκοπός και η αιτία για την οποία πολλοί επιστήμονες και ερευνητές δραστηριοποιήθηκαν και οδηγήθηκαν στην εφεύρεση των Ηλεκτρονικών Ισχύος, με την πρώτη τεχνική εφαρμογή να χρονολογείται το Τα ηλεκτρονικά ισχύος συνδυάζουν ηλεκτρονικά, ισχύ και έλεγχο. Με τον όρο «ηλεκτρονικά» εννοούμε τα ηλεκτρονικά δομικά στοιχεία και τις συσκευές που στηρίζονται στις ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών, τα οποία, από την άποψη των δυνατοτήτων δημιουργίας ηλεκτρικού ρεύματος, βρίσκονται μεταξύ των μεταλλικών αγωγών και των μονωτικών υλικών. Η ισχύς αφορά στις στατικές και περιστρεφόμενες συσκευές που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, την μεταφορά και την διανομή της ηλεκτρικής ισχύος. Τέλος, ο έλεγχος έχει να κάνει με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα και τους μικροεπεξεργαστές που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των ημιαγωγικών στοιχείων ώστε να επιτευχθεί ο έλεγχος και η διαμόρφωση της ηλεκτρικής ροής. Στόχος των ηλεκτρονικών ισχύος είναι ο μετασχηματισμός των κυματομορφών των ηλεκτρικών μεγεθών, όπως είναι η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή ή και αντίστροφα η μετατροπή συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη, μεταβάλλοντας τη συχνότητα και την ενεργό τιμή αυτής. Η ανάγκη για την επεξεργασία της ηλεκτρικής ενέργειας προκύπτει από το γεγονός ότι η ηλεκτρική ισχύς παρέχεται από το δίκτυο με σταθερά χαρακτηριστικά. Όταν οι απαιτήσεις του φορτίου δεν είναι συμβατές με τα χαρακτηριστικά αυτά τότε είναι αναγκαία η χρήση ενός μετατροπέα ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή μιας διάταξης ηλεκτρονικών ισχύος. Μέσω αυτών των μετατροπέων επιτυγχάνεται η τροφοδοσία των διαφόρων ηλεκτρικών φορτίων π.χ. μηχανών συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος όπου σημασία έχει ο έλεγχος της ποσότητας ισχύος σε κάθε χρονική στιγμή ικανοποιώντας τις απαιτήσεις του χρήστη. Επιπλέον, οι διαδικασίες μετατροπής των ηλεκτρικών μεγεθών με ταυτόχρονη μετατροπή της ενέργειας, π.χ. από ηλεκτρική σε μηχανική, πρέπει να διεκπεραιώνεται γρήγορα, 35

50 αξιόπιστα, με υψηλές τιμές του βαθμού απόδοσης και του συντελεστή ισχύος, καθώς και με μικρό κόστος. Στις εφαρμογές τα συστήματα με ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος εκτείνονται από την περιοχή των μικρών μεγεθών ισχύος (mw) μέχρι πολύ μεγάλες τιμές (τάξεως εκατοντάδων MW). Η διακοπτική ικανότητα και η δυνατότητα των ημιαγωγικών στοιχείων για ελεγξιμότητα της ροής με μεγάλη ταχύτητα και ακρίβεια είναι τα κλειδιά της μεγάλης ανάπτυξης που παρουσιάζουν τα ηλεκτρονικά ισχύος τις τελευταίες δεκαετίες. Επίσης, η ανάπτυξη της τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών και συνολικά της μικροηλεκτρονικής έχει συμβάλλει αρκετά στην πρόοδο του κλάδου αυτού. Όλες οι έρευνες και οι δοκιμές σ αυτόν τον τομέα αποσκοπούν στην ελαχιστοποίηση των απωλειών ενέργειας, στους υψηλούς βαθμούς απόδοσης και στην παροχή με ακρίβεια και αξιοπιστία της επιθυμητής ποσότητας ενέργειας. [13] Όσον αφορά τα θετικά και τα αρνητικά της χρήσης των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος, θα μπορούσαμε να εστιάσουμε στην δυνατότητα που παρέχουν για ακριβή έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα τη βέλτιστη ενεργειακή λειτουργία μέσω της ρύθμισης της ενεργούς ισχύος αλλά και της βελτίωσης του συντελεστή ισχύος μέσω της ρύθμισης της άεργου. Ακόμη, λόγω αυτής της ικανότητας εμφανίζονται μειωμένα φορτία στο κιβώτιο ταχυτήτων των ανεμογεννητριών και σε πολλές περιπτώσεις αποφεύγεται η χρήση του κιβωτίου αυτού, ενώ στις χαμηλές ταχύτητες εμφανίζονται χαμηλά επίπεδα θορύβου. Το δεύτερο μεγάλο πλεονέκτημα τους είναι ότι καθιστούν τα αιολικά συστήματα ενεργά στοιχεία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό, το αιολικό πάρκο μπορεί να συμβάλει στην γενική ευστάθεια του δικτύου και μέσω των μετατροπέων να βελτιωθεί η εγχεόμενη ισχύς σε αυτό. Στον αντίποδα, οι απώλειες ενέργειας που εμφανίζουν, οι υψηλές αρμονικές του ρεύματος που δημιουργούν και το υψηλό τους κόστος είναι τα βασικά τους μειονεκτήματα τα οποία όμως τείνουν να εξαλειφθούν με τη διαρκή εξέλιξη που εμφανίζει ο τομέας των ηλεκτρονικών ισχύος. [7] Εδώ θα πρέπει να γίνει και μια αναφορά στα απαιτούμενα φίλτρα. Ένα βασικό μειονέκτημα είναι οι ανώτερες αρμονικές. Για την απομάκρυνσή τους και γενικά για την καλύτερη λειτουργία των μετατροπέων ισχύος χρησιμοποιούνται φίλτρα παθητικά και 36

51 ενεργητικά τα οποία συνδέονται στη είσοδο ή στην έξοδό τους. Με τον όρο παθητικά φίλτρα περιγράφονται οι κυκλωματικές διατάξεις (πηνία και πυκνωτές) με συγκεκριμένη συνδεσμολογία ώστε να προκύπτει μεγάλη αντίσταση σε ορισμένες συχνότητες και συνεπώς η αποκοπή τους. Με τον όρο ενεργητικά φίλτρα περιγράφονται οι διατάξεις που έχουν την ιδιότητα να μηδενίζουν τις διαταραχές που δημιουργούνται από την λειτουργία των μετατροπέων ισχύος εισάγοντας άλλες ίσες και αντίθετες από τις υπάρχουσες. [13] 3.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ Ως ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος ορίζονται οι διατάξεις που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μία άλλη μορφή και χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος για τον έλεγχο της. Περιλαμβάνουν συσκευές όπως ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι εκκινητές (softstarters) και συστοιχίες πυκνωτών, ανορθωτές, αντιστροφείς και μετατροπείς συχνότητας. Ως προς τα δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελούνται τα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος, ταξινομούμε τους διαθέσιμους ημιαγωγούς ισχύος που αξιοποιούνται ως εξής:[3][34][35][36] Δίοδοι (μη ελεγχόμενες βαλβίδες): Επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος μόνο προς τη κατεύθυνση, ενώ μπλοκάρουν τη ροή του προς την αντίθετη. Οι καταστάσεις αγωγιμότητας και αποκοπής ελέγχονται από το κύκλωμα ισχύος. Ηλεκτρονικοί διακόπτες (ελεγχόμενες βαλβίδες): Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται τα θυρίστορ και τρανζίστορ. Επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος από τη δίοδο όποτε χρειάζεται. Ανοίγουν και κλείνουν από σήματα ελέγχου. Πιο αναλυτικά, ένα συμβατικό θυρίστορ έχει την δυνατότητα να διεγείρεται και να αρχίσει να άγει από την πύλη, μέχρις ότου το ρεύμα να περάσει το μηδέν και να μπλοκάρει. Επιπλέον, διαθέτει τη δυνατότητα ελέγχου της ενεργού ισχύος. Από την άλλη μεριά, τα ελεγχόμενα θυρίστορ και τρανζίστορ χρησιμοποιούν την πύλη είτε για αγωγή είτε διακοπή της διέλευσης του ρεύματος όποτε είναι αναγκαίο και είναι σε θέση να ελέγχουν την ενεργό και την άεργο ισχύ. Στα αιολικά συστήματα χρησιμοποιούνται κυρίως θυρίστορ ελεγχόμενης σβέσης από την πύλη (GTO) ή διπολικά τρανζίστορ ισχύος μεμονωμένης πύλης (IGBT).[3][34] 37

52 Οι μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος, διακρίνονται με βάση τον τρόπο μετάβασης των στοιχείων τους και τη μορφή τους στην είσοδο και την έξοδο του μετατροπέα. Έτσι, στα αιολικά συστήματα, ως προς τον τρόπο μετάβασης διακρίνονται στις εξής κατηγορίες:[7] Μετατροπείς με φυσική μετάβαση(commutation): Σε αυτούς το ρεύμα μεταβαίνει από τον έναν κλάδο στον άλλο λόγω της τάσης του φορτίου ή του δικτύου. Αποτελούνται συνήθως από θυρίστορ και είναι οικονομικές και αξιόπιστες συσκευές. Καταναλώνουν ενεργό ισχύ και δεν έχουν την ικανότητα ελέγχου άεργου ισχύος ενώ παράλληλα παράγουν αρμονικές ρεύματος που φιλτράρονται με δυσκολία. Βρίσκουν εφαρμογή σε διατάξεις μεγάλης ισχύος και τάσης. Μετατροπείς με εξαναγκασμένη μετάβαση(self-commutation): Στην κατηγορία αυτή το ρεύμα αλλάζει κλάδο λόγω της τάσης των εσωτερικών πυκνωτών (πυκνωτές σβέσης/μετάβασης) που υπάρχουν στον μετατροπέα αυτό. Περιλαμβάνουν κυρίως ημιαγωγικά στοιχεία μεγάλης διακοπτικής συχνότητας, όπως τα GTO και IGBT. Αυτοί οι μετατροπείς παλμοδοτούνται με την τεχνική της διαμόρφωσης PWM, που θα αναλυθεί παρακάτω, και έχουν τη δυνατότητα μεταφοράς ενεργού και άεργου ισχύος και προς τις δύο κατευθύνσεις (AC-DC και DC-AC). Λόγω της μεγάλης διακοπτικής συχνότητας τους είναι δυνατή η παραγωγή αρμονικών της τάξεως των khz φιλτράρονται εύκολα κάτι που οδηγεί σε χαμηλού επιπέδoυ διαταραχές. Ο μετατροπέας εξαναγκασμένης μετάβασης με IGBT που χρησιμοποιείται κατά κόρον στις ανεμογεννήτριες, διακρίνεται σε μετατροπέα πηγής τάσης (VSC) και μετατροπέα πηγής ρεύματος (CSC). Στη πρώτη κατηγορία η τάση στη διασύνδεση συνεχούς ρεύματος μέσω ενός πυκνωτή διατηρείται σταθερή. Στην δεύτερη κατηγορία αντίστοιχα, το ρεύμα της διασύνδεσης παραμένει σταθερό από ένα μεγάλο πηνίο. Παρά τη διαφορά αυτή και οι δύο μετατροπείς έχουν την ικανότητα ελέγχου της συχνότητας και της τάσης και μπορούν να παρέχουν ικανοποιητικές κυματομορφές στα σημεία που συνδέεται η γεννήτρια με το δίκτυο.[7] Με βάση την εξωτερική τους λειτουργία, οι μετατροπείς διακρίνονται σε:[3][35] 38

53 Μετατροπείς AC-DC: Μετατρέπουν μια εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή. Τις περισσότερες φορές που χρησιμοποιείται εφαρμόζεται τριφασική τάση στην AC πλευρά και ένας πυκνωτής στην DC. Μετατροπείς DC-AC: Μετατρέπουν μια συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη καθορισμένης συχνότητας και πλάτους. Η συνεχής τάση που εφαρμόζεται στην DC πλευρά του αντιστροφέα προκύπτει είτε από μία πηγή συνεχούς τάσης είτε από μια ανορθωτική διάταξη, όπως ο μετατροπέας AC-DC. H εναλλασσόμενη τάση στην έξοδο είναι τριφασική ημιτονοειδούς μορφής. Μετατροπείς DC-DC: Μετατρέπουν τη συνεχή τάση στην είσοδο σε μια συνεχή τάση με τιμή είτε μεγαλύτερη (boost converters), είτε μικρότερη (buck converters) ή και τα δύο (buck-boost converters). Μετατροπείς AC-AC: Μετατρέπουν μια εναλλασσόμενη τάση συγκεκριμένης τιμής και συχνότητας σε εναλλασσόμενη τάση με διαφορετική τιμή και διαφορετική συχνότητα. Στη συνέχεια ακολουθεί μια εκτενέστερη ανάλυση των μετατροπέων DC-DC και DC- AC, μιας και είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο της διπλωματικής εργασίας που ανaφερόμαστε.[7] Μετατροπείς συνεχούς σε συνεχές (DC-DC Μετατροπείς) Ενας μετατροπέας συνεχούς (DC-DC converter) είναι μια ηλεκτρονική διάταξη η οποία μετασχηματίζει το συνεχές ρεύμα σε συνεχές διαφορετικού πλάτους. Μπορεί δηλαδή να λειτουργήσει κατά τρόπο παρόμοιο με το μετασχηματιστή εναλλασσόμενου ρεύματος, με τη διαφορά ότι α) μετασχηματίζει μια συνεχή τάση σε συνεχή και όχι εναλλασσόμενη σε εναλλασσόμενη όπως ο μετασχηματιστής και β) ότι η λειτουργία του δεν βασίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής αλλά στους νόμους που διέπουν την λειτουργία των ημιαγωγών. Ετσι ένας μετατροπέας συνεχούς μπορεί να λειτουργήσει με τρείς διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με την τοπολογία των ηλεκτρονικών διακοπτών που τον απαρτίζουν: 39

54 Ως μετατροπέας υποβιβασμού συνεχούς τάσης (Step down Converter ή Buck Converter) Ως μετατροπέας ανύψωσης συνεχούς τάσης (Step up Converter ή Boost Converter) Και τέλος ως μετατροπέας ανύψωσης -υποβιβασμού τάσης (Buck-Boost Converter) ανάλογα με το βαθμό χρησιμοποίησης D. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα οι dc/dc μετατροπείς είναι ιδιαίτερα σημαντικοί καθώς παρέχουν τη δυνατότητα μετατροπής της τάσης και του ρεύματος σε επιθυμητές τιμές. Λόγω του μικρού τους μεγέθους, της υψηλής ποιότητας ισχύος στην έξοδο τους και της σχετικά υψηλής τους απόδοσης, προτιμώνται στον τομέα των ηλεκτρονικών. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα η τάση εξόδου θέλουμε να είναι όσο δυνατόν υψηλότερη, ώστε το ρεύμα που διαρρέει τη γραμμή μεταφοράς να είναι χαμηλό αρα και οι απώλειες χαμηλότερες. Επίσης, ο συγκεκριμένος μετατροπέας θα πρέπει να παρέχει συνεχή και αξιόπιστη τάση στην έξοδο ανεξαρτήτως των μεταβολών που παρατηρούνται στην είσοδο. Στα κυκλώματα αυτά χρησιμοποιούνται ημιαγωγικά στοιχεία, τα οποία θα πρέπει είτε να άγουν συνεχώς είτε να βρίσκονται σε κατάσταση αποκοπής, ώστε η μέση τιμή της τάσης εξόδου να διαφέρει από την τιμή της τάσης εισόδου. Οι διακόπτες που χρησιμοποιούνται θα πρέπει να ελέγχονται ώστε να λειτουργούν περιοδικά. [7] Παρακάτω αναλύεται ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης ο οποίος χρησιμοποιείται και στην παρούσα εργασία. ΕΙΚΟΝΑ 3. 1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΤΑΣΗΣ [14] 40

55 Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης μετασχηματίζει μια συνεχή τάση εισόδου σε μια άλλη τάση εξόδου που έχει μεγαλύτερο πλάτος. Η σχέση ανάμεσα στην τάση εξόδου και την τάση εισόδου του μετατροπέα δίνεται από την εξίσωση V out = V in 1 D όπου D o βαθμός χρησιμοποίησης του μετατροπέα δηλαδή ο λόγος του χρόνου αγωγής του διακόπτη προς την περίοδο λειτουργίας του κυκλώματος. [14] DC/AC Inverter (Αντιστροφέας) Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα διασυνδεδεμένο με το δίκτυο για να μπορεί να διοχετεύει την ισχύ του σε αυτό, είναι απαραίτητο να μπορεί να μετατρέπει την συνεχή τάση εξόδου του σε εναλλασσόμενη με χαρακτηριστικά ίδια με αυτά του δικτύου, ώστε να μη δημιουργεί πρόβλημα στη λειτουργία του δικτύου και στη ποιότητα ισχύος που αυτό παρέχει. Την μετατροπή αυτή επιτυγχάνουμε μέσω του αντιστροφέα (Inverter) ή DC-AC Converter. Το μειονέκτημα των περισσότερων αντιστροφέων είναι ότι έχουν πολύ μικρή απόδοση ή δεν λειτουργούν καθόλου όταν η ισχύς εισόδου τους είναι πολύ μικρότερη της ονομαστικής ισχύος τους (της τάξης του 10%). Για ισχύεις πάνω από 5KW συνηθίζεται η χρήση τριφασικών αντιστροφέων. Τα χαρακτηριστικά που θέλουμε να επιτύχουμε στην έξοδο του αντιστροφέα είναι ημιτονοειδής ισχύς εξόδου σταθερού πλάτους, σταθερής συχνότητας και χωρίς απώλειες. Συνήθως για τη μετατροπή αυτή χρησιμοποιούμε ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος σαν διακόπτες όπως τρανζίστορ ή θυρίστορ. Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούμε έχουν την ιδιότητα να άγουν ή όχι ανάλογα με το αν τους δίνεται παλμός έναυσης από κάποιο ανεξάρτητο λογικό κύκλωμα ενώ η σβέση τους μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με παλμούς (τρανζίστορ) είτε κάτω από ειδικές συνθήκες όπου το ρεύμα που διαρρέει το διακόπτη μηδενίζεται για κάποιο χρονικό διάστημα (θυρίστορ). Τα στοιχεία αυτά ανοιγοκλείνουν ανά ομάδες και για χρόνο μιας ημιπεριόδου, με μια συχνότητα ίση με την διπλάσια της συχνότητας του δικτύου (f=50ηz) ή περίοδο Τ=1/2f=

56 sec. ΕΙΚΟΝΑ 3. 2 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΓΕΦΥΡΑΣ[17] Όπως βλέπουμε ο αντιστροφέας αυτός αποτελείται από έξι ημιαγωγικά στοιχεία S1 έως S6 (μπορεί να ανήκουν σε έναν από τους τύπους που αναφέρθηκαν στην εισαγωγή) και έξι διόδους ελεύθερης διέλευσης D1 έως D6 που συνδέονται αντιπαράλληλα με αυτά. Η είσοδός του τροφοδοτείται από μια συνεχή τάση που μπορεί να προέρχεται είτε από μια πηγή συνεχούς τάσης Vdc (π.χ. φωτοβολταϊκές συστοιχίες, μπαταρίες κτλ.) είτε από κάποια ανορθωτική διάταξη. Παράλληλα με την πηγή συνεχούς τάσης στην είσοδο παρατηρούμε ότι υπάρχει ένας χωρητικό στοιχείο (πυκνωτής). Σε πολλές περιπτώσεις και έτσι όπως είναι πιο συνηθισμένο υπάρχει ένας χωρητικός καταμεριστής που αποτελείται από δύο όμοιους πυκνωτές και στα άκρα του καθενός υπάρχει τάση ίση με το μισό της τάσης εισόδου(vdc /2) ενώ στην δική μας περίπτωση ο αντιστροφέας έχει στα άκρα του πυκνωτή Vdc. Στόχος του χωρητικού καταμεριστή είναι η δημιουργία ενός κόμβου αναφοράς που είναι χρήσιμο για τη μέτρηση των τάσεων εξόδου του αντιστροφέα (σημειώνεται πως η ύπαρξη του κόμβου αυτή δεν είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του αντιστροφέα και έτσι ο καταμεριστής μπορεί να παραλειφθεί όπως στο σχήμα παραπάνω). Ουσιαστικά το κύκλωμα του αντιστροφέα αποτελείται από τρείς κλάδους (ημιγέφυρες) με δύο ημιαγωγικά στοιχεία ο καθένας και μέσω του κατάλληλου χειρισμού αυτών (αγωγή και σβέση των ημιαγωγικών διακοπτών) επιτυγχάνουμε την επιθυμητή τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδό του. Υπάρχουν διάφορες τοπολογίες που μπορεί να υλοποιηθεί ένας αντιστροφέας. Η απλή 42

57 τοπολογία παρουσιάζει υψηλό βαθμό απόδοσης αλλά η κυματομορφή και η σταθεροποίηση της τάσης εξόδου δεν είναι αποδεκτή για τις περισσότερες εφαρμογές. Τα μειονεκτήματα αυτά μπορούν να εξαλειφθούν εν μέρει με τη βοήθεια φίλτρων τα οποία όμως έχουν μεγάλο όγκο και κόστος. Ένας αντιστροφέας πρέπει να εκτελεί τρεις λειτουργίες που είναι α) αντιστροφή, β) ρύθμιση της τάσης και γ) διαμόρφωση της κυματομορφής. Εδώ έχουμε τρία ημίτονα αναφοράς ένα για κάθε φάση μετατοπισμένα κατά 120 μοίρες μεταξύ τους, όπως στο παρακάτω σχήμα, όπου επίσης φαίνεται το τριγωνικό σήμα, οι φασικές τάσεις και η πολική τάση Vab που προκύπτουν με την ημιτονοειδή PWM μέθοδο. [17] ΕΙΚΟΝΑ 3. 3 (α) Ημίτονα αναφοράς και τριγωνικά σήματα, (β) φασικές και πολική τάση [17] 43

58 3.2.3 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΕΥΡΟΥΣ Η ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΠΑΛΜΩΝ (Pulse Width Modulation PWM) Η μέθοδος διαμόρφωσης εύρους ή διάρκειας παλμών (Pulse Width Modulation PWM) μας προσφέρει την δυνατότητα της μεταφοράς πληροφορίας μέσω μιας σειράς από παλμούς. Η πληροφορία η οποία μεταφέρεται βρίσκεται «κρυμμένη» στο πλάτος αυτών των παλμών και καθορίζει ουσιαστικά την ποσότητα της ισχύος που φθάνει σε ένα φορτίο. Με άλλα λόγια, PWM είναι μια τεχνική διαμόρφωσης η οποία παράγει παλμούς μεταβλητού πλάτους ώστε να αναπαρασταθεί το πλάτος ενός σήματος ή κύματος. Οι πιο διαδεδομένες χρήσεις της συγκεκριμένης τεχνικής εδράζονται στην μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος, σε ρυθμιστές τάσης (voltage regulators) καθώς και σε εφαρμογές ενίσχυσης ήχου. Η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών χρησιμοποιείται για να αυξομειώσουμε την συνολική ισχύ που προσφέρουμε σε ένα φορτίο χωρίς να χρησιμοποιήσουμε ωμικές αντιστάσεις. Αποφεύγουμε δηλαδή με αυτή την μέθοδο τις ωμικές απώλειες που συνεπάγεται η χρήση ωμικών αντιστάσεων. Ο κανόνας που διέπει την όλη διαδικασία είναι πως η συνολική ισχύς που μεταφέρεται στο φορτίο είναι ευθέως ανάλογη του βαθμού εργασίας (duty cycle) της παλμοσειράς. Ως βαθμό εργασίας ορίζουμε τον λόγο της χρονικής διάρκειας όπου ο παλμός έχει τιμή λογικού 1,t, προς την περίοδο της παλμοσειράς, T. Δηλαδή (για να δοθεί ως ποσοστό επί τοις εκατό, κάτι που είναι ευρέως διαδεδομένο) : D = t T 100 Συστήματα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ηλεκτρικής ισχύος (όπως αντιστροφείς για παράδειγμα) που λειτουργούν με PWM υψηλής συχνότητας υλοποιούνται με την χρήση ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων (πχ. IGBT, GΤO). Υπάρχουν δύο διακριτές καταστάσεις την παλμοσειράς (ON (λογικό 1) και OFF (λογικό 0)). Με αυτό τον τρόπο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το άνοιγμα και το κλείσιμο των διακοπτικών ηλεκτρονικών στοιχείων (ουσιαστικά πραγματοποιούν έλεγχο των διακοπτών) και κατά συνέπεια για τον έλεγχο της τάσης στο φορτίο. Το σημαντικό συγκριτικό πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων είναι η μηδενική πτώση τάσης (ιδανικά) κατά την 44

59 διάρκεια την περίοδο αγωγής και μη αγωγής. Μπορούμε εύκολα λοιπόν να έχουμε την επιθυμητή τάση στο φορτίο μας απλά χρησιμοποιώντας PWM με κατάλληλο βαθμό εργασίας. Οι σημαντικότερες από τις πολλές διαφορετικές τεχνικές διαμόρφωσης εύρους παλμών που έχουν προταθεί, είναι: Ημιτονοειδής διαμόρφωση εύρους παλμών (SPWM-Sinusoidal Pulse Width Modulation). PWM για την εξάλειψη συγκεκριμένων αρμονικών (Selected Harmonic Elimination PWM-SHE-PWM. PWM για την ελαχιστοποίηση της κυμάτωσης που παρουσιάζει το ρεύμα (Minimum Ripple Current PWM). PWM για έλεγχο του ρεύματος σε βρόχο υστέρησης (Hysteresis Band Current Control PWM). Ημιτονοειδής PWM με στιγμιαίο έλεγχο στο ρεύμα (Sinusoidal PWM with Instantaneous Current Control). PWM με διανύσματα κατάστασης του αντιστροφέα (Space Vector PWM- SVPWM) Τυχαία PWM (Random PWM). Η μέθοδος ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (Sinusoidal Pulse Width Modulation-SPWM) είναι μια από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μείωση των αρμονικών που παράγονται από έναν αντιστροφέα πηγής τάσης. Αυτό είναι απαραίτητο επειδή όσο πιο μακριά βρίσκεται η συχνότητα της κυριαρχούσας ανώτερης αρμονικής (η αρμονική με την μεγαλύτερη τιμή) από τη συχνότητα της βασικής τόσο μικρότερο είναι και το φίλτρο εξόδου που πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Δηλαδή το μέγεθος και το κόστος του φίλτρου εξαρτώνται άμεσα από το πλάτος και τη συχνότητα της κυριαρχούσας ανώτερης αρμονικής σε σχέση με το πλάτος και τη συχνότητα της βασικής αρμονικής. Με αυτό το τρόπο η τεχνική PWM σκοπεύει στην μείωση ή και τον μηδενισμό των αρμονικών με υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο ώστε χρησιμοποιώντας μικρότερα φίλτρα εξόδου να ακυρώνονται οι υπόλοιπες. Συνεχίζουμε με τον ορισμό κάποιων θεμελιωδών όρων πριν προχωρήσουμε στην ανάλυση της διαμόρφωσης SPWM: 45

60 f c : συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής U trig, καθορίζει τη συχνότητα με την οποία αλλάζουν κατάσταση οι διακόπτες του αντιστροφέα και λέγεται διακοπτική συχνότητα (Switching Frequency) ή συχνότητα μετάβασης. f r : συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς (ημιτονικό σήμα), Ucontrol, είναι η επιθυμητή θεμελιώδης συχνότητα της τάσης εξόδου του αντιστροφέα και ονομάζεται συχνότητα διαμόρφωσης (Modulating Frequency). m a = U control : είναι ο λόγος τους πλάτους της κυματομορφής αναφοράς U trig (ημίτονο στην περίπτωση μας) προς το πλάτος της τριγωνικής κυματομορφής του φορέα και ονομάζεται συντελεστής διαμόρφωσης πλάτους (Amplitude Modulation Ratio). m f = f c f r : είναι ο λόγος της συχνότητας της τριγωνικής κυματομορφής του φορέα προς τη συχνότητα της κυματομορφής αναφοράς (ημίτονο) και ονομάζεται συντελεστής διαμόρφωσης συχνότητας (Frequency Modulation Ratio) ή κανονικοποιημένη συχνότητα φορέα. Η γενική αρχή λειτουργίας της τεχνικής αυτής φαίνεται στο Σχήμα 3.3.α, όπου ένα τριγωνικός φορέας συχνότητας fc (ισοσκελισμένος) συγκρίνεται με ένα ημιτονοειδές σήμα θεμελιώδους (βασικής) συχνότητας fr, ενώ τα σημεία που τέμνονται οι δύο κυματομορφές αποτελούν τα χρονικά σημεία αγωγής και μη των ημιαγωγικών ηλεκτρονικών διακοπτών. Για παράδειγμα, παρακάτω φαίνεται η παραγωγή της τάσης μέσω του διαδοχικού ανοίγματος και 80 κλεισίματος (αγωγή και σβέση) των διακοπτών S1 και S2 (όπως είναι φυσικό, δεν γίνεται να άγουν μαζί και οι δύο διακόπτες κάθε κλάδου του αντιστροφέα καθώς τότε θα προέκυπτε βραχυκύκλωμα). Όταν το ημιτονοειδές σήμα, Va0, είναι μεγαλύτερο από τον τριγωνικό φορέα άγει ο διακόπτης S1 (ο S2 παραμένει κλειστός) και με αυτό το τρόπο η φάση α συνδέεται με το θετικό μισό της τάσης εισόδου ώστε να ισχύει: V a0 = V dc. Στην αντίθετη 2 περίπτωση άγει ο S2 με αποτέλεσμα να έχουμε: V a0 = V dc 2. Το εύρος των παλμών της τάσης Va0 (αντιστοίχως και των υπόλοιπων τάσεων) μεταβάλλεται έτσι ώστε η συχνότητα της να παραμένει ίδια με τη θεμελιώδη συχνότητα fr, ενώ το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής της συνιστώσας να είναι ανάλογο του πλάτους του διαμορφωμένου ημιτονοειδούς σήματος. Εδώ ουσιαστικά είναι και ο πυρήνας της 46

61 δυνατότητας ελέγχου της τάσης εξόδου που μας παρέχει η συγκεκριμένη τακτική παλμοδότησης. Ο ίδιος τριγωνικός φορέας μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τις τρεις φάσεις όπως είναι λογικό. Οι κυματομορφές των πολικών και φασικών τάσεων (φορτίο απομονωμένου ουδετέρου) μπορούν να παρασταθούν γραφικά όπως στο φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί: [18][7] ΕΙΚΟΝΑ 3. 4 Κυματομορφές πολικών και φασικών τάσεων αντιστροφέα που ελέγχεται με την τεχνική SPWM [18] 3.3 ΤΟ D-Q ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΚΑΙ Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK. Το μοντέλο του συστήματός μας επιλέγουμε να το μετασχηματίσουμε σε ένα κοινό πλαίσιο αναφοράς καθέτων αξόνων d-q για τους εξής λόγους: Όλες οι μεταβλητές κατάστασης μετατρέπονται από ημιτονοειδής μεταβλητές σε dc μεταβλητές πράγμα καθοριστικό για την ανάπτυξη του ελέγχου, ο οποίος στηρίζεται στη σχεδίαση PI ελεγκτών. Στο τριφασικό a,b,c σύστημα οι επαγωγιμότητες εξαρτώνται από την θέση στάτη- δρομέα της επαγωγικής μηχανής, αυτό δεν συμβαίνει στο d-q σύστημα αναφοράς. Με την εφαρμογή του d-q συστήματος επιτυγχάνεται η απόζευξη των μεταβλητών και άρα η ευκολότερη επίλυση δύσκολων εξισώσεων με μεταβλητού χρόνου συντελεστές. Η υλοποίηση του μετασχηματισμού γίνεται 47

62 με τον γνωστό στην μελέτη συστημάτων ενέργειας Μετασχηματισμού Park Blondel ο οποίος συμβολίζεται με P(θ). Ο μετασχηματισμός Park μετασχηματίζει κάποιο σύνολο μεταβλητών από το τριφασικό σύστημα στο σύστημα d-q με τον παρακάτω τρόπο : [X dq0 ] = [P(θ)][X abc ] x d Όπου [X dq0 ] = [ x q ] x 0 x a Και [X abc ] = [ x b ] x c Ο μετασχηματισμός Park ορίζεται ως εξής : [P(θ)] = 2 3 [ cos θ cos(θ 2π 3 ) cos(θ + 2π 3 ) sin θ sin(θ 2π 3 ) sin(θ + 2π 3 ) ] Και ο αντίστροφος μετασχηματισμός ορίζεται ως εξής: [P(θ) 1 ] = cos θ sin θ 1 cos(θ 2π 3 ) sin(θ 2π 3 ) 1 [ cos(θ + 2π 3 ) sin(θ + 2π 3 ) 1 ] O μετασχηματισμόςpark είναι χρονικά μεταβαλλόμενος με γωνιακή ταχύτητα ω, όπου θεωρούμε γωνία θ = ωt+θο. Οι άξονες d-q είναι προσανατολισμένοι σύμφωνα με το Σχήμα (4.2) που ακολουθεί και παρατηρούμε ότι ο q άξονας προηγείται του d άξονα κατά π/2. 48

63 ΕΙΚΟΝΑ 3. 5 Προσανατολισμός των αξόνων d q Ο μετασχηματισμός Park χρησιμοποιείται σε βρόχους ελέγχου καθώς δίνει την δυνατότητα αποζευγμένων ελέγχων μεταξύ ενεργού και άεργου ισχύος. Όμως πρέπει να τονίσουμε ότι η ενεργός και η άεργος ισχύ δεν μπορεί να συσχετιστεί απ ευθείας με στοιχεία των αξόνων d και q. Η στιγμιαία ενεργός και άεργος ισχύ εξάγεται από τα ρεύματα και τις τάσεις στο d-q πλαίσιο αναφοράς. [19][20] 3.4 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ Η λειτουργία του αντιστροφέα σχετίζεται κυρίως με δύο είδη ελέγχου. Πιο συγκεκριμένα: PQ έλεγχος: Σε αυτό το είδος ελέγχου ορίζεται σημείο αναφοράς (set point) το οποίο πρέπει να ακολουθούν οι παρεχόμενες άεργος και ενεργός ισχύς. Δηλαδή, η κυματομορφή της τάσης του αντιστροφέα πρέπει είναι ελεγχόμενη σε πλάτος και φάση, καθώς και συγχρονισμένη με την τάση δικτύου. Έλεγχος τάσης αντιστροφέα (voltage source inverter (VSI) control): στόχος είναι να παρέχονται στο φορτίο προκαθορισμένες τιμές τάσης και συχνότητας. Επίσης ανάλογα με τη ζήτηση φορτίου, ορίζονται αυτόματα η ενεργός και η άεργος ισχύς στην έξοδο του αντιστροφέα. 49

64 Οι δύο αυτοί έλεγχοι μπορούν να φανούν χρήσιμοι σε διαφορετικές περιπτώσεις. Ο PQ έλεγχος χρησιμοποιείται κυρίως σε περιπτώσεις όπου ο αντιστροφέας ανταλλάσσει ενεργό και άεργο ισχύ με το δίκτυο π.χ. σε συστήματα αντιστάθμισης ή παραγωγής που βρίσκονται σε παράλληλη λειτουργία με το δίκτυο. Σε αντίθεση με τον έλεγχο τάσης αντιστροφέα ο οποίος είναι κατάλληλος για την τροφοδότηση τοπικού φορτίου όπως σε κινητήρια συστήματα ή απομονωμένα συστήματα, όπου ο αντιστροφέας είναι η μόνη πηγή ισχύος. Εδώ αξίζει να σημειωθεί απαιτείται τεχνική ελέγχου μετάβασης και συγχρονισμού του αντιστροφέα κατά την εναλλαγή μεταξύ παράλληλης με το δίκτυο κι απομονωμένης λειτουργίας. Το πρόβλημα γίνεται πιο σύνθετο στην περίπτωση πολλών αντιστροφέων σε παράλληλη σύνδεση μεταξύ τους αλλά και με το δίκτυο οι οποίοι επικοινωνούν διαμέσου κεντρικού ελεγκτή. Για την απομονωμένη λειτουργία τίθεται ως τάση αναφοράς, η τάση ενός αντιστροφέα Droop Control Η μέθοδος του ελέγχου στατισμού (droop control) έχει συστηθεί ως αυτόνομη και ανεξάρτητη μέθοδος, η οποία δεν απαιτεί επικοινωνία μεταξύ των μονάδων κατανεμημένης παραγωγής. Ως έννοια σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε για τον κλασσικό έλεγχο των σύγχρονων γεννητριών στα μεγάλα διασυνδεδεμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Μια ανισορροπία μεταξύ της εισόδου μηχανικής ενέργειας και της εξόδου σε ενεργό ισχύ προκαλεί μια μεταβολή στην ταχύτητα του δρομέα που μεταφράζεται με τη σειρά της σε μια αλλαγή στη συχνότητα. Ο έλεγχος της συχνότητας επιτρέπει σε κάθε γεννήτρια στο σύστημα να μοιράζεται το φορτίο ενεργού ισχύος με τις υπόλοιπες με βάση την δική της χαρακτηριστική ενεργού ισχύος συχνότητας η οποία καλείται καμπύλη στατισμού. Στην ουσία η συχνότητα με το να είναι αισθητή παντού στο σύστημα χρησιμοποιείται σαν ένα μέσο επικοινωνίας μεταξύ των μονάδων οι οποίες δεν χρειάζονται άλλου είδους επικοινωνίας μεταξύ τους παρά μόνο το ίδιο το δίκτυο. Οι απαραίτητες μετρήσεις γίνονται τοπικά για αυτό και ο έλεγχος έχει τοπικό χαρακτήρα. Οι μεταβολές της αέργου ισχύος εξόδου συνδέονται με μεταβολές στο μέτρο της τάσης. Ο δεύτερος βρόχος ελέγχου που αποτελεί και τον αυτόματο ρυθμιστή τάσης παρέχει τη δυνατότητα επιμερισμού της αέργου ισχύος που θα πρέπει να παραχθεί ύστερα από μια 50

65 μεταβολή της τάσης στην περιοχή των γεννητριών μέσου του κέρδους του. Η παραγόμενη άεργος ισχύς όμως θα είναι μεγαλύτερη για τις γεννήτριες οι οποίες είναι πιο κοντά δικτυακά στο σημείο που μεταβλήθηκε η τάση και αυτό έχει ως αποτέλεσμα μα μην επιμερίζεται η άεργος ισχύ ανάλογα με το δυναμικό της κάθε μίας. Κατά αυτόν τον τρόπο σχηματίζονται δύο βρόχοι ελέγχου γνωστοί ως βρόχος ενεργού ισχύος-συχνότητας (P-f) και αέργου ισχύοςτάσης (Q-V). Ο έλεγχος της συχνότητας επιτρέπει σε κάθε γεννήτρια στο σύστημα να μοιράζεται το φορτίο ενεργού ισχύος με τις υπόλοιπες με βάση την δική της χαρακτηριστική ενεργού ισχύος συχνότητας η οποία καλείται καμπύλη στατισμού. Στην ουσία η συχνότητα με το να είναι αισθητή παντού στο σύστημα χρησιμοποιείται σαν ένα μέσο επικοινωνίας μεταξύ των μονάδων οι οποίες δεν χρειάζονται άλλου είδους επικοινωνίας μεταξύ τους παρά μόνο το ίδιο το δίκτυο. Οι απαραίτητες μετρήσεις γίνονται τοπικά για αυτό και ο έλεγχος έχει τοπικό χαρακτήρα. [22] Η ενεργός κι άεργος ισχύς που μεταφέρεται διαμέσου μιας γραμμής μεταφοράς (όπου αμελούνται οι ωμικές απώλειες) δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: P = V 1V 2 X sin δ Q = V 2 X (V 2 V 1 cos δ) Η γωνία δ λαμβάνει μικρές τιμές οπότε θεωρούμε sin δ = δ και cos δ = 1 άρα δ~ PX V 1 V 2 (V 2 V 1 )~ QX V 2 Από τις παραπάνω σχέσεις είναι προφανής η μεγάλη αλληλεπίδραση μεταξύ ενεργού ισχύος - γωνίας ισχύος, καθώς και μεταξύ άεργου ισχύος - διαφοράς τερματικών τάσεων στα άκρα της γραμμής. Άρα ελέγχοντας την ενεργό και την άεργο ισχύ ελέγχουμε και την γωνία ισχύος όπως επίσης και την τάση. Επίσης, γνωστή από την εξίσωση ταλάντωσης για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι η σύνδεση της συχνότητας με τη γωνία ισχύος, οπότε μέσω του ελέγχου της ενεργού ισχύος επιτυγχάνεται κι ο έλεγχος της συχνότητας. Ακολουθούν οι εξισώσεις ελέγχου: f = f 0 k p (P P 0 ) V = V 0 k q (Q Q 0 ) 51

66 όπου f η συχνότητα του συστήματος f0 η ονομαστική συχνότητα kp ο συντελεστής στατισμού (κλίση droop) για τη συχνότητα P η ενεργός ισχύς κάθε μονάδας P0 η ονομαστική ενεργός ισχύς κάθε μονάδας V η μετρούμενη τάση V0 η ονομαστική τάση Q η άεργος ισχύς κάθε μονάδας Q0 η ονομαστική άεργος ισχύς κάθε μονάδας kq ο συντελεστής στατισμού (κλίση droop) για την τάση Ακολουθούν οι χαρακτηριστικές των εξισώσεων: ΕΙΚΟΝΑ 3. 6 P-f χαρακτηριστική στατισμού [16] ΕΙΚΟΝΑ 3. 7 Q - V χαρακτηριστική στατισμού [16] Από την χαρακτηριστική P-f γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι για μια πτώση της συχνότητας από f0 σε f η ισχύς εξόδου της μονάδας παραγωγής επιτρέπεται να αυξηθεί από P0 σε P. Μια πτώση της συχνότητας αποτελεί ένδειξη αύξησης του φορτίου και ζήτησης μεγαλύτερου ποσού ενεργού ισχύος. Η αύξηση της ενεργού ισχύος θα έχει ως αποτέλεσμα 52

67 τη μείωση της συχνότητας και έτσι έχουμε ένα νέο σημείο μόνιμης κατάστασης. Το ίδιο συμβαίνει και στην χαρακτηριστική Q-V. 53

68 54

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕ Φ/Β, ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το μοντέλο του συστήματος που μελετάται στη παρούσα εργασία φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. PV dc dc i l1 Battery dc dc C DC AC R f L f V 0 Battery dc dc C DC AC R f L f C f R load i l2 L load PV dc dc ΕΙΚΟΝΑ 4. 1 Τοπολογία αυτόνομου συστήματος Όπως φαίνεται στο σχήμα το σύστημα αποτελείται από δύο ανεξάρτητους κλάδους οι οποίοι συνδέονται σε έναν κοινό κόμβο πάνω στον οποίο είναι συνδεδεμένο το φορτίο μας. Κάθε κλάδος έχει από ένα φωτοβολταϊκό και μια μπαταρία όπου αποθηκεύεται η περισσευούμενη ενέργεια. Βλέπουμε ότι χρησιμοποιούνται DC/DC μετατροπείς για τον έλεγχο την τάσης και του ρεύματος από τις μπαταρίες και τα φωτοβολταϊκά. Επίσης χρησιμοποιείται DC/AC μετατροπέας για την μετατροπή της DC τάσης σε AC όπου ορίζονται και τα επιθυμητά επίπεδα της τάσης στο φορτίο. 55

70 Κατά την αυτόνομη λειτουργία, λόγω της απώλειας του δικτύου, πρέπει να παράγουμε τη συχνότητα λειτουργίας του συστήματος. Αυτό, όπως θα φανεί και με τις εξισώσεις που παρατίθενται στο κεφάλαιο αυτό, επιτυγχάνεται με την παραγωγή του ω pll μέσω PI ελεγκτών. Επίσης, μιας και δεν υπάρχει διασύνδεση με το εθνικό δίκτυο, επιλέγεται η τάση στον κοινό κόμβο του συστήματος να προσεγγίζει τα 85 V rms. Οι μεταβλητές που αναφέρονται στον πάνω κλάδο του σχήματος, έχουν το δείκτη 1, ενώ οι μεταβλητές του κάτω κλάδου τον δείκτη 2. Τελικός μας στόχος είναι η κάλυψη του φορτίου από τα φωτοβολταϊκά και τις μπαταρίες με διαφορετική συνεισφορά του κάθε κλάδου ανάλογα με την παραγομένη ισχύ. Συγκεντρωτικά ορίζονται οι εξής μεταβλητές: Rf η αντίσταση του φίλτρου του dc/ac μετατροπέα. Lf η επαγωγή του φίλτρου του dc/ac μετατροπέα. Cf ο πυκνωτής που τοποθετείται στον κοινό κόμβο. C ο πυκνωτής που τοποθετείται στην dc διασύνδεση του πάνω και του κάτω κλάδου. Rload η αντίσταση του τοπικού φορτίου που συνδέεται στον κοινό κόμβο. Vο η τάση στον κοινό κόμβο. Vpv η τάση στην έξοδο του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Vdc,out η τάση του πυκνωτή διασύνδεσης του πάνω κλάδου. Il το ρεύμα από τον αντιστροφέα προς τον κοινό κόμβο. Ipv το ρεύμα εξόδου του φωτοβολταϊκού πλαισίου. m ο λόγος κατάτμησης του αντιστροφέα. mpv ο λόγος κατάτμησης του dc/dc μετατροπέα στην πλευρά του φωτοβολταϊκού. mbat ο λόγος κατάτμησης του dc/dc μετατροπέα στην πλευρά της μπαταρίας. Όπως προαναφέρθηκε τα μεγέθη αυτά έχουν δείκτη 1 όταν αναφέρονται στον επάνω κλάδο και δείκτη 2 για τον κάτω. Το μοντέλο πρόκειται να αναλυθεί με τη χρήση του μετασχηματισμού Park. Επίσης η ανάλυση θα ξεκινήσει από την AC πλευρά και θα καταλήξει στην DC. 56

71 4.2 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΝΕΜΗΜΕΝΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Στην παρούσα ενότητα θα ασχοληθούμε με την AC πλευρά. Θα δούμε πως παράγονται σήματα αναφοράς τάσης και συχνότητας μέσω droop control καθώς και τον μετασχηματισμό πλαισίου αναφοράς που χρειάστηκε για τον κάτω κλάδο. i l1 DC R f L f AC V 0 R load DC AC R f L f C f L load i l2 ΕΙΚΟΝΑ 4. 2 AC ΠΛΕΥΡΑ Υπολογισμός μέσης ισχύος και ελεγκτές droop Σε ένα συμβατικό σύστημα οι σύγχρονες γεννήτριες μοιράζονται κάθε αύξηση του φορτίου μειώνοντας τη συχνότητα σύμφωνα με τις χαρακτηριστικές στατισμού (droop). Στην αυτόνομη λειτουργία η συμπεριφορά του αντιστροφέα θυμίζει αυτή της σύγχρονης μηχανής. Και συνεπώς η γωνία ισχύος δ μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας την ενεργό ισχύ P, ενώ η τάση εξόδου ελέγχεται διαμέσου της άεργου ισχύος Q. Ο έλεγχος της συχνότητας δυναμικά ελέγχει και τη γωνία ισχύος, και βέβαια τη ροή ενεργού ισχύος. Για ευσταθή λειτουργία, απαιτείται κατάλληλος έλεγχος της πραγματικής κι άεργου ισχύος στην έξοδο του αντιστροφέα. 57

72 Ωστόσο, αξίζει να επισημάνουμε ότι η ενεργός κι η άεργος ισχύς δεν μπορούν απ ευθείας να συσχετιστούν με στοιχεία των d και q αξόνων σε αντίθεση με τη στιγμιαία ενεργό κι άεργο ισχύ που μπορούν να εξαχθούν απ ευθείας από τα ρεύματα και τις τάσεις στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Αρχικά, σύμφωνα με τις μετρούμενες τιμές τάσεις και ρεύματος υπολογίζεται η στιγμιαία ενεργός κι άεργος ισχύς για τον κάθε κλάδο ξεχωριστά σύμφωνα με τις σχέσεις: P = 3 2 (V odi ld + V oq I oq ) Q = 3 2 (V oqi ld + V od I oq ) Στην περίπτωση μας έχουμε αυτόνομο δίκτυο και ο αντιστροφέας δεν δέχεται από κάποιο εξωτερικό δίκτυο σήματα αναφοράς ώστε να παράξει το ωpll. Αυτό σημαίνει ότι ο αντιστροφέας θα πρέπει να παράγει τα δικά του σήματα αναφοράς για την τάση και τη συχνότητα σύμφωνα με τις εξισώσεις στατισμού. Για την δημιουργία αυτών των σημάτων χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις P - ω και Q V. ω = ω n mp V οq = V oq,n nq ΕΙΚΟΝΑ 4. 3 Χαρακτηριστικές καμπύλες στατισμού (droop)[16] 58

73 Ακολουθεί η υλοποίηση των παραπάνω εξισώσεων στο Simulink PLL (Phase Locked Loop) ΕΙΚΟΝΑ 4. 4 Παραγωγή σημάτων αναφοράς στο Simulink Για τη μέτρηση της πραγματικής συχνότητας ενός συστήματος απαραίτητη είναι η χρήση ενός PLL. Στην περίπτωση του αντιστροφέα επιλέγεται ένα PLL σχεδιασμένο για το πλαίσιο αναφοράς d-q. Η είσοδος του PLL είναι η d συνιστώσα της μετρούμενης τάσης στα άκρα του πυκνωτή του φίλτρου και συνεπώς η φάση "κλειδώνεται" ώστε vod =0. V od,f = ω c,pll V od ω c,pll V od,f t ω pll = 314 Κ P,pll u od + Κ I,pll ( u od )dτ 0 Ακολουθεί η υλοποίηση των παραπάνω εξισώσεων στο Simulink. 59

74 4.2.4 Ελεγκτές τάσης ΕΙΚΟΝΑ 4. 5 Παραγωγή ωpll Όπως δείξαμε παραπάνω χρησιμοποιούμε ελεγκτές στατισμού για την παραγωγή σημάτων αναφοράς της συχνότητας και της τάσης. Αυτά χρησιμοποιούνται ως σημεία ρύθμισης για τους ελεγκτές τάσης. Χρησιμοποιούμε PI ελεγκτές και εξισώσεις έχουν ως εξής: t i ld,ref = K p,d (ω pll ω N ) + K I,d (ω pll ω ) dτ 0 t i lq,ref = K p,q (u q,ref u oq ) + K I,q (u q,ref u oq )dτ 0 ΕΙΚΟΝΑ 4. 6 Παραγωγή Id* 60

75 ΕΙΚΟΝΑ 4. 7 Παραγωγή ilq* Χρησιμοποιούνται οι δείκτες 1 και 2 για τον αντίστοιχο κλάδο κάθε φορά Ελεγκτές ρεύματος και λόγοι κατάτμησης αντιστροφέα εξής μορφή. Και πάλι εδώ χρησιμοποιούμε PI ελεγκτές ως ελεγκτές ρέυματος οι οποίοι έχουν την v id v iq t = ω N L f i lq + K pc,d (I ld1,ref I ld1 ) + K Ic,d (I ld1,ref I ld1 ) dτ 0 t = ω N L f i ld + K pc,q (I lq1,ref I lq1 ) + K Ic,q (I lq1,ref I lq1 ) dτ 0 Και οι λόγοι κατάτμησης των αντιστροφέων δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: m d = v id V dc m q = v iq V dc Όπου V dc η τάση στην είσοδο του κάθε αντιστροφέα. Κάνοντας την αντικατάσταση έχουμε: m d = 1 t ( ω V N L f i lq + K p,d (I ld1,ref I ld1 ) + K I,d (I ld1,ref I ld1 ) dτ) dc m q = 1 t (ω V N L f i ld + K p,q (I lq1,ref I lq1 ) + K I,q (I lq1,ref I lq1 ) dτ) dc

76 ΕΙΚΟΝΑ 4. 8 Παραγωγή των md και mq Μετασχηματισμός πλαισίου αναφοράς Στο σύστημά μας θεωρούμε ως ολικό (global) πλαίσιο αναφοράς, αυτό του επάνω κλάδου. Κάθε αντιστροφέας λειτουργεί με το δικό του τοπικό πλαίσιο αναφοράς. Τα στοιχεία του κάθε αντιστροφέα γράφονται σε όρους τοπικού πλαισίου και απαιτείται ένας μετασχηματισμός για την αναγωγή των τιμών του κάτω κλάδου, στο πλαίσιο αναφοράς του πάνω (global). Εδώ να σημειωθεί ότι χρησιμοποιούμε κεφαλαίο γράμμα στους δείκτες των μεταβλητών κατάστασης όταν η ποσότητα είναι υπολογισμένη στο global πλαίσιο αναφοράς ενώ μικρό αν πρόκειται για τοπικό (local) πλαίσιο αναφοράς. Ο μετασχηματισμός πλαισίου αναφοράς περιγράφεται από τις ακόλουθες εξισώσεις: [ f D f Q ] global [ f d f q ] local cosθ sinθ = [ sinθ cosθ ] [f d ] f q cosθ sinθ = [ sinθ cosθ ] [f D ] f Q δ 1 = ω pll,1 ω pll,1 = 0 local global δ 2 = ω pll,1 ω pll,2 θ = δ 2 δ 1 = ω pll,1 ω pll,2 62

77 ΕΙΚΟΝΑ 4. 9 Γωνία μετασχηματισμού πλαισίου αναφοράς [15] Ο μετασχηματισμός αυτός χρειάστηκε στο σύστημά μας για δύο μεταβλητές κατάστασης, για τον υπολογισμό του i L2 και της u ο,2 : [ i LD2 i LQ2 ] global [ u οd,2 u οq,2 ] local cosθ sinθ = [ sinθ cosθ ] [i ld2 i ] lq2 cosθ sinθ = [ sinθ cosθ ] [u οd,1 ] οq,1 local global Για τον υπολογισμό του u dq,2 θεωρούμε ως global το u dq,1 και κάνουμε τον αντίστροφο μετασχηματισμό. Ακολουθεί η υλοποίηση στο Simulink: ΕΙΚΟΝΑ Υπολογισμός il2 και vo2 στο Simulink 63

78 4.2.7 Εξισώσεις κατάστασης φίλτρου και φορτίου Οι εξισώσεις προκύπτουν από τους νόμους του Kirchhoff κοιτώντας το παρακάτω σχήμα. Εδώ χρειάζεται προσοχή σε περιπτώσεις που ο μετασχηματισμός πλαισίου αναφοράς είναι απαραίτητος. i l1 DC R f L f AC V 0 R load DC AC R f L f C f L load i l2 ΕΙΚΟΝΑ Υπό μελέτη διάταξη di ld1 dt = 1 L f ( r f i ld1 + u id1 u od1 ) + ω pll1 i lq1 di lq1 dt = 1 L f ( r f i lq1 + u iq1 u oq1 ) ω pll1 i ld1 di ld2 dt = 1 L f ( r f i ld2 + u id2 u od2 ) + ω pll,2 i lq2 di lq2 dt = 1 L f ( r f i lq2 + u iq2 u oq2 ) ω pll,2 i ld2 du od,1 dt = 1 C f (i ld1 + i LD2 i load,d ) + ω pll,1 u oq1 64

79 du oq,1 dt = 1 C f (i lq1 + i LQ2 i load,q ) ω pll,1 u od1 Όπου u id,q = m d,q V dc,out Ακολουθούν οι εξισώσεις στο φορτίο: i load,d = 1 L load ( R load i load,d + u od1 ) + ω pll i load,q i load,q = 1 L load ( R load i load,q + u oq1 ) ω pll i load,d Ως φορτίο επιλέγεται ένας συνδυασμός ωμικού και επαγωγικού φορτίου (RL). Το φορτίο συνδέεται στο κύκλωμα όπως φαίνεται στην εικόνα Έχουμε τη δυνατότητα μεταβολών στο φορτίο ώστε να ερευνηθεί η συμπεριφορά το συστήματος κατά τις μεταβολές του φορτίου. Ο πυκνωτής C f τοποθετείται παράλληλα στο φορτίο και βοηθά στην σταθεροποίηση της τάσης του. 4.2 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΚΑΙ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ PV dc dc Battery dc dc C DC AC Battery dc dc C DC AC PV dc dc ΕΙΚΟΝΑ DC πλευρά 65

80 Σε αυτή την υποενότητα θα ασχοληθούμε με την DC πλευρά του συστήματος. Θα δούμε τις εξισώσεις των φωτοβολταϊκών και των μπαταριών καθώς και τον τρόπο που δουλεύει η πλευρά αυτή. Το σύστημα έχει δύο ίδιους αλλά ανεξάρτητους κλάδους με μεταβολές στις παραγωγές τους. Στόχος είναι η τάση εξόδου Vdcout να παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από την παραγωγή των PV. Αυτό επιτυγχάνεται με την συμβολή των μπαταριών που είτε προσδίδουν ισχύ στο σύστημα (εάν η παραγωγή από τα PV είναι χαμηλή) είτε απορροφούν (όταν η παραγωγή υπερβαίνει την κατανάλωση). Υπάρχουν δύο dc/dc μετατροπείς σε κάθε κλάδο, ένας συνδεδεμένος με την μπαταρία και ένας με το PV. Το άλλο τους άκρο είναι συνδεδεμένο με την dc διασύνδεση Μοντελοποίηση στις μπαταρίες. Το βασικό μοντέλο μιας μπαταρίας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. ΕΙΚΟΝΑ Μοντέλο μπαταρίας [7] Οι διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν το μοντέλο της μπαταρίας είναι οι εξής: L bat di bat dt = R ser I bat V c m bat V dcout + V o C o dv c dt = V c R o +I bat Και ο λόγος κατάτμησης του μετατροπέα υπολογίζεται από την εξίσωση: 66

81 m bat = 1 t (K V pc (I bat I bat,ref ) + K Ic (I bat I bat,ref ) dτ) dcout Όπου ι bat,ref = (K pv (V dcout V dcout,ref ) + K Iv (V dcout V dcout,ref )dτ) V dcout : Τάση εξόδου, (η εξίσωση ακολουθεί παρακάτω) Μοντελοποίηση στα φωτοβολταϊκά και τάση εξόδου t 0 0 Το βασικό μοντέλο ενός φωτοβολταϊκού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. ΕΙΚΟΝΑ Μοντέλο φ/β [7] Η διαφορική εξίσωση που περιγράφει το ρεύμα του φ/β είναι η εξής: L pv di pv dt Και ο λόγος κατάτμησης για τον μετατροπέα: = m pvv dcout + V pv m pv = 1 t (K V pc (I pv I pv,ref ) + K Ic (I pv I pv,ref ) dτ) dcout Τελικά η εξίσωση της τάσης εξόδου θα είναι: C dv dcout dt = m bat I bat + m pv I pv 3 4 (m di d + m q I q ) 0 Έχουμε τη δυνατότητα μεταβολών στο I pv,ref δηλαδή το παραγόμενο ρεύμα του φ/β ώστε να ερευνηθεί η συμπεριφορά το συστήματος κατά τις μεταβολές της παραγωγής. Εδώ πρέπει να σημειωθεί πως έχουμε θεωρήσει ότι το σύστημα λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος (MPPT έλεγχος θεωρείται ως δεδομένο). 67

82 68

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο, πρόκειται να παρουσιαστούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων στο Simulink του Matlab. Στην πρώτη υποενότητα θα έχουμε την παραγωγή και το φορτίο σταθερά για να δούμε πως συμπεριφέρεται το σύστημά μας και στην επόμενη θα γίνουν και κάποιες μεταβολές. Ακολουθούν οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο σύστημα. Στο φίλτρο R-L του αντιστροφέα έχουμε: Rf=0.5 Ω Lf=0.04 Η Τα εσωτερικά στοιχεία της μπαταρίας είναι: Lbat =0.1 H. Rser = Ω. VO =800 V. RO = Ω. CO =4475 F. Τα στοιχεία του φωτοβολταϊκού είναι: LPV = H. IPV,ref =40 A. Στην διασύνδεση μεταξύ του dc/dc μετατροπέα και dc/ac μετατροπέα: C=0.1F. Οι τιμές των κερδών στους ελεγκτές είναι: kppll=0.25; kipll=2; ωcpll= ; kpcd=1; kpcq=1; kicd=100; 69

84 kicq=100; Οι τιμές αυτών επιλέχθηκαν εμπειρικά και ύστερα από δοκιμές του συστήματος με στόχο την ομαλότερη λειτουργία του. Οι τιμές στα στοιχεία του φορτίου είναι οι εξής: Rload =25 Ω Lload =15 mh Για τους droop ελεγκτές οι παράμετροι διαφέρουν στον πάνω και κάτω κλάδο: m1 =0.001 m2 =0.002 Αυτό σημαίνει ότι περιμένουμε να δούμε διπλάσια παραγόμενη ισχύ στον επάνω κλάδο. 5.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΕ ΣΤΑΘΕΡΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ Με βάση όλες τις παραπάνω παραμέτρους που ορίσαμε, λάβαμε τις παρακάτω κυματομορφές μέσω του Matlab - Simulink. Το σύστημά μας λειτουργεί για 30 δευτερόλεπτα. EIKONA 5. 1 DC τάση στα άκρα του πυκνωτή διασύνδεσης (Vdcout) Η κυματομορφή στον κάτω κλάδο είναι ακριβώς η ίδια. 70

85 EIKONA 5. 2 Ρεύματα μπαταριών Εδώ παρατηρούμε διαφορά στα ρέυματα μπαταριών. Και τα δύο είναι αρνητικά πράγμα που σημαίνει ότι οι μπαταρίες φορτίζουν αλλά λόγω του ότι ο επάνω κλάδος παράγει διπλάσια ισχύ, «τραβάει» περισσότερο ρεύμα άρα περισσεύει λιγότερο για την μπαταρία. EIKONA 5. 3 Λόγοι κατάτμησης μπαταριών. 71

86 EIKONA 5. 4 Ρεύματα των PV Τα ρεύματα των φωτοβολταϊκών είναι 40A δηλαδή ακολουθούν το ρεύμα αναφοράς που έχουμε επιλέξει. EIKONA 5. 5 Λόγοι κατάτμησης των PV 72

87 Στην AC πλευρά τα μεγέθη με το περισσότερο ενδιαφέρον είναι τα εξής: EIKONA 5. 6 Πραγματικές ισχύες P Εδώ όπως έχουμε εμείς ρυθμίσει, η πραγματική ισχύς στον κάτω κλάδο είναι η μισή. EIKONA 5. 7 ωref Τα ωref στους κλάδους είναι παρόμοια και προσεγγίζουν την τιμή

88 EIKONA 5. 8 Ρεύματα στον d άξονα Τα ρεύματα στον d άξονα είναι σχεδόν μηδέν όπως είναι αναμενόμενο διότι έχουμε κάνει προσανατολισμό στον q άξονα. EIKONA 5. 9 Τάσεις στον d άξονα 74

89 EIKONA Ρεύματα στο q άξονα Υπάρχει διαφορά στα ρεύματα αφού κάθε μετατροπέας καλύπτει διαφορετικό ποσοστό του φορτίου. EIKONA Τάσεις στο q άξονα Οι τάσεις στον q άξονα διαμορφώνονται στα 85V όπως έχουμε επιλέξει. 75

90 EIKONA Λόγοι κατάτμησης του μετατροπέα στον q άξονα EIKONA Λόγοι κατάτμησης του μετατροπέα στον d άξονα 76

91 EIKONA Ρεύματα φορτίου στον d και q άξονα 5.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΜΕ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΤΑ ΡΕΥΜΑΤΑ ΤΩΝ PV ΚΑΙ ΣΤΟ ΦΟΡΤΙΟ Σε αυτή την υποενότητα θα δούμε πώς συμπεριφέρεται το σύστημα μας καθώς μεταβάλλεται το φορτίο και η παραγωγή των PV. Ουσιαστικά αλλάζουμε τις τιμές των Rload και Lload για το φορτίο καθώς και τα Ipv,ref για τα φωτοβολταϊκά. Τα μεγέθη αυτά μεταβάλλονται με τον εξής τρόπο. EIKONA Μεταβολή R (Ω) 77

92 EIKONA Μεταβολή της επαγωγής φορτίου L (H) EIKONA Ρεύματα αναφοράς των PV (παραγωγή). Η παραγωγή των φωτοβολταϊκών μηδενίζεται στο διάστημα (5-15) sec και εκεί περιμένουμε να δούμε τις μπαταρίες να καλύπτουν το φορτίο. 78

93 EIKONA Ρεύματα φωτοβολταϊκών Ipv1,2 Τα ρεύματα των φωτοβολταϊκών ακολουθούν τα Iref που έχουμε ορίσει. Στα χρονικά σημεία που γίνονται βηματικές μεταβολές του Iref παρατηρούμε πως οι κυματομορφές αποσταθεροποιούνται μέχρις ότου οι PI ελεγκτές τις σταθεροποιήσουν και πάλι. EIKONA Ρεύματα μπαταριών Τα ρεύματα των μπαταριών είτε φορτίζουν είτε τροφοδοτούν το φορτίο ανάλογα με την παραγωγή. Εδώ να σημειωθεί ότι στο διάστημα (5-15) sec το ρεύμα είναι της τάξης του 0.1 Α. Ακολουθεί εικόνα με περισσότερη λεπτομέρεια στην περιοχή αυτή. 79

94 EIKONA Ρεύματα μπαταριών στην περιοχή 5-10 sec EIKONA Τάσεις στους πυκνωτές διασύνδεσης Οι τάσεις Vdc,out 1,2 στον κάθε κλάδο, διαταράσσονται όταν έχουμε βηματικές μεταβολές στα ρεύματα των φωτοβολταϊκών αλλά γρήγορα επανέρχονται στα επιθυμητά επίπεδα (500V). 80

95 EIKONA Ρεύματα στον q άξονα κάθε κλάδου EIKONA Τάσεις στον q άξονα κάθε κλάδου 81

96 EIKONA Ρεύμα φορτίου (d,q) EIKONA ωpll κλάδων 5.3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Με την παρούσα διπλωματική εργασία έγινε ανάλυση και ο έλεγχος ενός αυτόνομου συστήματος που καλύπτει τις ανάγκες ενός τοπικού φορτίου και έχει την ικανότητα αποθήκευσης της πλεονάζουσας ενέργειας. Στόχος ήταν να παράξουμε τάση 500V DC πριν τον μετατροπέα και αργότερα αυτή να διαμορφώνεται στα 85V AC για το φορτίο. Μέσω του 82