ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Τσιώλης Παναγιώτης ΑΕΜ: 4681 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΣΦΟΝ ΥΛΟ (Flywheel Energy System Storage) ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: Παπαγιάννης Γρηγόρης: Επίκουρος Καθηγητής Μαρινόπουλος Αντώνης: Μεταπτυχιακός Φοιτητής Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2007
Πρόλογος Η συγκεκριµένη διπλωµατική εργασία ασχολήθηκε µε τη µοντελοποίηση, µε τη χρήση του Simulink-Matlab, ενός συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας, το οποίο χρησιµοποιεί σφόνδυλο. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Γρηγόρη Παπαγιάννη για την καθοδήγησή του και το καλό κλίµα συνεργασίας. Επίσης, τον υποψήφιο διδάκτορα Αντώνη Μαρινόπουλο για την υποµονή που επέδειξε κατά τη διάρκεια της συνεργασίας µας και για τη βοήθειά του στην εκπόνηση αυτής της διπλωµατικής εργασίας. Τέλος, τον καθηγητή κ. Χάρη ηµουλιά για τις χρήσιµες παρατηρήσεις του σε θέµατα υλοποίησης του µοντέλου. 1
Περιεχόµενα Εισαγωγή 4 1. Συστήµατα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας 1.1 ιανεµηµένη παραγωγή 5 1.2 Συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας στη διανεµηµένη παραγωγή 6 1.2.1 Αξιοπιστία δικτύου - ποιότητα ενέργειας 7 1.2.2 Ενσωµάτωση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στο δίκτυο 7 1.2.3 Οικονοµικά οφέλη 8 1.3 Τρόποι αποθήκευσης ενέργειας 9 1.3.1 Μηχανική αποθήκευση ενέργειας 9 1.3.2 Ηλεκτρική αποθήκευση ενέργειας 10 1.3.3 Ηλεκτροχηµική αποθήκευση ενέργειας 10 1.4 Κριτήρια αξιολόγησης συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας 13 2. Συστήµατα σφονδύλων (Flywheel Energy Storage System - FESS) 2.1 Κύρια µέρη ενός Flywheel Energy Storage System 14 2.2 Τεχνικές βελτιώσεις 15 2.3 Αρχή λειτουργίας 17 2.4 Εξισώσεις του συστήµατος 17 2.5 Κατηγοριοποίηση των σφονδύλων 19 2.6 Τα συστήµατα σφονδύλων στη διανεµηµένη παραγωγή 20 2.7 Σύγκριση των FESS µε άλλα συστήµατα αποθήκευσης 21 2.8 Πλεονεκτήµατα των σφονδύλων 23 2.9 Υπάρχουσες εφαρµογές 23 2.9.1 Ηλεκτρικό δίκτυο της California 23 2.9.2 Αποµονωµένο δίκτυο στα νησιά Flores-Azores 24 2.9.3 Ηλεκτρικό δίκτυο του Puerto Rico 28 2
3. Προσοµοίωση του συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας µε σφόνδυλο 3.1 Γενικά 31 3.2 Περιγραφή του µοντέλου 31 3.2.1 Γενικό διάγραµµα 31 3.2.2 Μπλοκ του συστήµατος σφονδύλου (FESS 37kJ) 32 3.2.3 Υποσυστήµατα ελέγχου των µετατροπέων Α και Β 36 3.3 Λειτουργία του µοντέλου 39 3.3.1 Φόρτιση σφονδύλου 39 3.3.2 Εκφόρτιση σφονδύλου 46 3.3.2.1 Εκφόρτιση σφονδύλου χρησιµοποιώντας µικρό πυκνωτή ζεύξεως 50 3.3.2.2 Εκφόρτιση σφονδύλου χρησιµοποιώντας µεγάλο πυκνωτή ζεύξεως 56 3.3.2.3 Σύγκριση των δύο δοκιµών 63 4. Συµπεράσµατα Προτάσεις 4.1 Συµπεράσµατα 64 4.2 Προτάσεις 65 Βιβλιογραφία 66 3
Εισαγωγή Η διανεµηµένη παραγωγή παρά τα οικονοµικά και περιβαλλοντικά οφέλη που προσφέρει, παρουσιάζει σηµαντικά µειονεκτήµατα που σχετίζονται µε την αξιοπιστία του συστήµατος και την ποιότητα ισχύος. Η ενσωµάτωση συστηµάτων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στη διανεµηµένη παραγωγή συµβάλλει στην αντιµετώπιση αυτών των προβληµάτων βελτιώνοντας έτσι τη λειτουργία του συστήµατος. Σκοπός της συγκεκριµένης διπλωµατικής εργασίας είναι η συγκέντρωση βιβλιογραφικού υλικού σχετικά µε τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας και η ανάπτυξη µοντέλου για τη µελέτη της συµπεριφοράς ενός τέτοιου συστήµατος σε περίπτωση σφάλµατος. Στο πλαίσιο αυτό θα υπάρξει µια παρουσίαση των διαφόρων συστηµάτων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Ιδιαίτερη βαρύτητα θα δοθεί στα συστήµατα που χρησιµοποιούν σφόνδυλο και αποθηκεύουν ενέργεια σε µηχανική µορφή (Flywheel Energy System Storage). Στη συνέχεια θα αναλυθεί το µοντέλο που αναπτύχθηκε για την προσοµοίωση ενός συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιµοποιεί ένα τέτοιο σύστηµα αποθήκευσης και θα παρουσιαστούν τα αποτελέσµατα που προκύπτουν από την προσοµοίωση της φόρτισης και εκφόρτισής του. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται τα διάφορα συστήµατα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και τα οφέλη που προσφέρουν στη διανεµηµένη παραγωγή. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται στα Flywheel Energy System Storage. Περιγράφεται η δοµή τους, η αρχή λειτουργίας τους και η συµπεριφορά τους στη διανεµηµένη παραγωγή. Γίνεται σύγκριση µε τα υπόλοιπα συστήµατα αποθήκευσης και τέλος, αναφέρονται κάποιες πραγµατικές εφαρµογές τέτοιων συστηµάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το µοντέλο που αναπτύχθηκε για την προσοµοίωση του συστήµατος αποθήκευσης. Αρχικά γίνεται η περιγραφή του και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα που προέκυψαν κατά την προσοµοίωση της φόρτισης και εκφόρτισής του. Στο τέταρτο κεφάλαιο συγκεντρώνονται τα συµπεράσµατα της διπλωµατικής εργασίας και αναφέρονται προτάσεις για περαιτέρω διερεύνηση. 4
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Συστήµατα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας 1.1 ιανεµηµένη παραγωγή Το παραδοσιακό µοντέλο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από συγκεντρωµένες µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που παράγουν µεγάλα ποσά ενέργειας και βρίσκονται συνήθως µακριά από το σηµείο κατανάλωσης. Αντίθετα, οι µονάδες διανεµηµένης παραγωγής παράγουν µικρότερα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας και βρίσκονται κοντά στο σηµείο κατανάλωσης. Οι µονάδες αυτές χρησιµοποιούν είτε ανανεώσιµες είτε συµβατικές πηγές ενέργειας. Οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας που µπορεί να περιλαµβάνονται στη διανεµηµένη παραγωγή είναι: Μικρά υδροηλεκτρικά εργοστάσια Φωτοβολταϊκά συστήµατα Αιολικά πάρκα Γεωθερµικοί σταθµοί Οι συµβατικές µονάδες που µπορεί να περιλαµβάνονται στη διανεµηµένη παραγωγή είναι: Συµπαραγωγή ηλεκτρισµού θερµότητας Κυψέλες καυσίµου Μικροτουρµπίνες Βιοµάζα Οι µονάδες διανεµηµένης παραγωγής χρησιµοποιούνται κυρίως ως µονάδες αιχµής, ως µονάδες εφεδρείας καθώς και για αυτόνοµη παραγωγή. Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα της διανεµηµένης παραγωγής έναντι της συγκεντρωµένης είναι: Λόγω της παρουσίας των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας παρέχουν καθαρή µορφή ενέργειας µε ελάχιστες επιπτώσεις για το περιβάλλον. 5
Είναι πιο οικονοµικές στην εγκατάσταση και τη λειτουργία από τις συµβατικές µονάδες. Εντούτοις, η διανεµηµένη παραγωγή παρουσιάζει αρκετά λειτουργικά µειονεκτήµατα, µε κυριότερα τα εξής: Επιδρά στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των δικτύων διανοµής τάσης επηρεάζοντας τα µέσα προστασίας και τη συντήρησή τους. Αυξάνει τον αριθµό πιθανών βραχυκυκλωµάτων και ενδέχεται να επηρεάσει την ευστάθεια του δικτύου διανοµής κατά τη διάρκεια µεταβατικών φαινοµένων. Μειώνεται εποµένως η αξιοπιστία του συστήµατος. Κρίνεται, λοιπόν, απαραίτητη η προσπάθεια βελτίωσης της αξιοπιστίας του συστήµατος. Ένας από τους τρόπους µε τους οποίους αυτή επιτυγχάνεται, είναι η χρησιµοποίηση συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας. 1.2 Συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας στη διανεµηµένη παραγωγή Η αποθήκευση ενέργειας προσφέρει εναλλακτικές λύσεις στη βελτίωση και ενίσχυση της λειτουργίας ενός δικτύου έναντι των παραδοσιακών τρόπων όπως η ανανέωση ή η εγκατάσταση πρόσθετων νέων καλωδίων, µετασχηµατιστών και άλλου επιπρόσθετου εξοπλισµού. Επίσης, επιδρά σηµαντικά τόσο στην πλευρά της παραγωγής όσο και στην πλευρά της κατανάλωσης της ενέργειας ενός δικτύου. Στην πλευρά της παραγωγής αυξάνει την απόδοση των γεννητριών ενώ στην πλευρά της κατανάλωσης αυξάνει την ποιότητα της ισχύος και µειώνει τις αιχµές φορτίου. Σηµαντική παράµετρος για την καλύτερη δυνατή εκµετάλλευση των συστηµάτων αποθήκευσης είναι το σηµείο τοποθέτησής τους σε ένα δίκτυο. Επειδή τα συστήµατα αποθήκευσης βελτιώνουν σχεδόν όλες τις συνιστώσες ενός δικτύου πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον καταναλωτή. Για το λόγο αυτό, όπως και για οικονοµικούς λόγους, η τοποθέτηση τους κοντά στους υποσταθµούς ή στα σηµεία διανοµής κρίνεται ως η βέλτιστη λύση. Στη διανεµηµένη παραγωγή τα οφέλη από τη χρήση συστηµάτων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι ποιοτικά, περιβαλλοντικά και οικονοµικά. 6
1.2.1 Αξιοπιστία δικτύου - ποιότητα ενέργειας Κατά τη λειτουργία ενός δικτύου η προσφορά ενέργειας πρέπει να ανταπεξέρχεται στις εκάστοτε απαιτήσεις του φορτίου. Όταν συµβαίνει όµως µεταβολή στο φορτίο παρατηρούνται διαταραχές στο ισοζύγιο προσφοράς ζήτησης και διακυµάνσεις στη συχνότητα του δικτύου εξαιτίας της καθυστέρησης των γεννητριών να ακολουθήσουν τις µεταβολές αυτές. Τα συστήµατα αποθήκευσης, έχοντας µικρότερους χρόνους απόκρισης, επεµβαίνουν σε κάθε µεταβολή του φορτίου, εξαλείφουν τις διαταραχές της συχνότητας και συµβάλλουν στη γρήγορη αποκατάσταση της ισορροπίας ανάµεσα σε προσφορά και ζήτηση ισχύος. Επιπλέον τα συστήµατα αποθήκευσης αντιµετωπίζουν τις αναµενόµενες αιχµές του φορτίου καθώς επίσης και τα ανεπιθύµητα, µη προβλέψιµα σφάλµατα που µπορεί να θέσουν τη γεννήτρια εκτός δικτύου. Παρέχουν δηλαδή την ενέργεια που έχουν αποθηκεύσει από πριν αφενός για να καλύψουν τις ανάγκες του φορτίου στις περιπτώσεις των αιχµών και αφετέρου για να υποστηρίξουν το δίκτυο έως ότου η γεννήτρια εισχωρήσει πάλι στο δίκτυο στις περιπτώσεις των σφαλµάτων. Συµβάλλουν µε αυτόν τον τρόπο στην ηλεκτροδότηση χωρίς διακοπές και κάνουν τη λειτουργία του δικτύου αξιόπιστη. 1.2.2 Ενσωµάτωση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στο δίκτυο Τα συστήµατα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν απαραίτητο στοιχείο για την οµαλή ενσωµάτωση των ανανεώσιµων πηγών στο δίκτυο και τη σωστή λειτουργία τους. Συνέπεια αυτού είναι η αύξηση του ποσοστού συµµετοχής των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στη διανεµηµένη παραγωγή και τη βελτίωση της περιβαλλοντικής υπόστασης του δικτύου. Γενικά, οι γεννήτριες των µονάδων παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιµες πηγές λειτουργούν καλύτερα υπό σταθερό φορτίο ενώ σε συγκεκριµένες περιπτώσεις λειτουργούν αποκλειστικά υπό σταθερό φορτίο. Τα συστήµατα αποθήκευσης εξυπηρετούν το φορτίο κατά την εκκίνηση των γεννητριών έως ότου αυτές έρθουν σε θέση να το ικανοποιήσουν πλήρως (ramping duties). Επίσης, σε κάθε µεταβολή του φορτίου επεµβαίνουν στο σύστηµα ώστε να βλέπει η γεννήτρια πάντα σταθερό φορτίο. Οι µεταβολές αυτές έχουν µικρή διάρκεια και εµφανίζονται σαν αιχµές στην 7
καµπύλη φορτίου. Στις περιπτώσεις µείωσης του φορτίου στο ισοζύγιο προσφοράς ζήτησης η προσφορά γίνεται µεγαλύτερη από τη ζήτηση. Τα συστήµατα αποθήκευσης εισχωρούν στο δίκτυο για να αυξήσουν τη ζήτηση και να διατηρήσουν το ισοζύγιο στην κατάσταση λειτουργίας της γεννήτριας. Λειτουργούν δηλαδή σαν συµπλήρωµα του φορτίου, απορροφούν ενέργεια από το δίκτυο και την αποθηκεύουν. Στις περιπτώσεις αύξησης του φορτίου, όπου αυξάνεται η ζήτηση ενέργειας, τα συστήµατα αποθήκευσης επεµβαίνουν για να καλύψουν την αύξηση αυτή προσφέροντας την ήδη αποθηκευµένη τους ενέργεια διατηρώντας πάλι το ισοζύγιο προσφοράς ζήτησης στην αρχική του κατάσταση (peaking duties). Το µεγαλύτερο ίσως πρόβληµα των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας είναι η µη σταθερή παραγωγή ισχύος λόγω της µεταβλητότητας των πηγών αυτών (π.χ. αιολική, ηλιακή ενέργεια). Το πρόβληµα αντιµετωπίζεται µε τη συνεργασία των µονάδων παραγωγής µε συστήµατα αποθήκευσης. Αρχικά φορτίζεται το σύστηµα αποθήκευσης και στη συνέχεια εκφορτίζεται παρέχοντας σταθερή ισχύ στο δίκτυο. 1.2.3 Οικονοµικά οφέλη Τα δίκτυα πρέπει να σχεδιάζονται έτσι ώστε να µπορούν να ανταπεξέρχονται στις αναµενόµενες αιχµές του φορτίου οι οποίες όµως είναι πολύ λίγες σε ετήσια κλίµακα. Αυτό σηµαίνει ότι θα πρέπει να αυξηθεί το µέγεθος των γεννητριών και ο εξοπλισµός µεταφοράς και διανοµής της ενέργειας για την κάλυψη των λίγων αυτών αιχµών. Η χρήση συστηµάτων αποθήκευσης, που έχουν τη δυνατότητα να ικανοποιήσουν αυτές τις αιχµές, κάνει περιττή αυτήν την ενίσχυση του δικτύου µε αποτέλεσµα τη µείωση του κόστους του. Επιπλέον, τα συστήµατα αποθήκευσης µπορούν να αντικαταστήσουν µε λιγότερο κόστος τις συµβατικές µονάδες παραγωγής (συνήθως ντηζελογεννήτριες) που χρησιµοποιούνται για λόγους εφεδρείας σε περιπτώσεις σφαλµάτων. Οικονοµικά οφέλη επίσης µπορούν να προκύψουν από την καιροσκοπική εκµετάλλευση των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας. ηλαδή η αγορά ενέργειας και αποθήκευσή της (φόρτιση του συστήµατος αποθήκευσης) όταν η τιµή της είναι χαµηλή και η πώλησή της (εκφόρτιση του συστήµατος ενέργειας) όταν η τιµή της αυξάνεται. Η διαδικασία αυτή συνήθως λαµβάνει χώρα σε περιόδους µη παραγωγής στις µονάδες ανανεώσιµων πηγών. 8
1.3 Τρόποι αποθήκευσης ενέργειας Ως σήµερα έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας οι οποίες µπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα µε τη µορφή της αποθηκευµένης ενέργειας. Έτσι µπορούµε να αποθηκεύσουµε ενέργεια µηχανικά, ηλεκτρικά και ηλεκτροχηµικά, όπως αναλύεται παρακάτω. 1.3.1 Μηχανική αποθήκευση ενέργειας Υδραντλητικά συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας (pumped hydro energy storage). Πρόκειται για µια τεχνολογία που εκµεταλλεύεται την υψοµετρική διαφορά δύο δεξαµενών. Ένα σύστηµα αντλίας στροβίλου χρησιµοποιείται για να ανεβάσει νερό από την κάτω στην άνω δεξαµενή (φόρτιση), ενώ όταν το δίκτυο χρειάζεται ισχύ η ροή νερού αντιστρέφεται και το σύστηµα παράγει ηλεκτρική ενέργεια (εκφόρτιση). Παρά την απλότητα της λειτουργίας τους η εγκατάστασή τους απαιτεί κατάλληλη µορφολογία της περιοχής, γι αυτό και η χρήση τους είναι περιορισµένη. Συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας συµπιεσµένου αέρα (compressed air energy storage CAES). Τα κύρια µέρη ενός τέτοιου συστήµατος είναι ένας αεριοστρόβιλος και µία δεξαµενή. Ο αεριοστρόβιλος, που αποτελείται από ένα συµπιεστή, έναν καυστήρα και ένα έµβολο, συµπιέζει αέρα στη δεξαµενή για να φορτιστεί το σύστηµα. Κατά την εκφόρτιση ο συµπιεσµένος αέρας ελευθερώνεται και οδηγεί τον αεριοστρόβιλο για να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια. Το µέγεθος της δεξαµενής καθορίζει το ποσό της ενέργειας που µπορεί να αποθηκεύσει το σύστηµα. Για το λόγο αυτό ως δεξαµενές χρησιµοποιούνται βραχώδη σπήλαια ή εγκαταλελειµµένα ορυχεία. Η τεχνολογία των CAES είναι απλή, αξιόπιστη και φθηνή µε γρήγορη δυναµική απόκριση και ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η εγκατάστασή τους όµως προϋποθέτει κατάλληλες γεωλογικές συνθήκες. Πρόσφατα, ωστόσο, έχει αναπτυχθεί η τεχνολογία των micro-caes η οποία βασίζεται στην ίδια λογική, χρησιµοποιεί όµως στοιχεία µικρότερων διαστάσεων και τεχνητές δεξαµενές µικρότερης χωρητικότητας. 9
Συστήµατα σφονδύλων (flywheel energy storage system FESS). Στα συστήµατα αυτά η αδράνεια µιας περιστρεφόµενης µάζας (flywheel) χρησιµοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας. Με τα συστήµατα αυτά θα ασχοληθούµε στην παρούσα διπλωµατική εργασία. 1.3.2 Ηλεκτρική αποθήκευση ενέργειας Υπεραγώγιµα µαγνητικά συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας (superconducting magnetic energy storage SMES). Αυτή η τεχνολογία βασίζεται στη µηδενική αντίσταση που εµφανίζουν κάποια υλικά όταν η θερµοκρασία τους είναι κάτω από µία κρίσιµη τιµή. Ένα πηνίο κατασκευασµένο από τέτοιο υλικό είναι δυνατόν να διατηρεί κάποιο ηλεκτρικό φορτίο σε κλειστό κύκλωµα χωρίς απώλειες έως ότου χρειαστεί να αποδώσει την αποθηκευµένη του ενέργεια. Υπάρχουν διάφοροι τύποι υπεραγωγών ανάλογα µε την κρίσιµη θερµοκρασία τους (4 ο Κ - 70 ο Κ). Στο εµπόριο υπάρχουν συστήµατα 400kJ 750kVA. Προς το παρόν τα συστήµατα αυτά είναι ακριβά και πολύπλοκα. Πυκνωτές (ultra capacitors ή supercapacitors). Αν και βρίσκονται σε πρώιµο στάδιο ανάπτυξης υπάρχουν ήδη στο εµπόριο συστήµατα µε χωρητικότητα 660 kj και ισχύ πάνω από 2 MW. Παρουσιάζουν γρήγορη δυναµική απόκριση, ανταγωνιστικό κόστος και είναι χρήσιµα για την ενίσχυση της ποιότητας της ισχύος. 1.3.3 Ηλεκτροχηµική αποθήκευση ενέργειας Μπαταρίες. Πρόκειται για την πλέον διαδεδοµένη τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας. Οι µπαταρίες είναι ιδιαίτερα αξιόπιστες αλλά έχουν µικρότερη διάρκεια ζωής από άλλα συστήµατα η οποία µάλιστα γίνεται ακόµα µικρότερη όταν χρησιµοποιούνται σε µονάδες παραγωγής από ανανεώσιµες πηγές λόγω των πολλών κύκλων φόρτισης εκφόρτισης. ιάφοροι τύποι µπαταριών είναι: Flooded lead-acid. Είναι σχετικά φθηνές, η απόδοσή τους κυµαίνεται από 65% ως 85% και η διάρκεια ζωής τους από 500 ως 1500 κύκλους ανάλογα µε τα 10
ποσοστά εκφόρτισης, την ποιότητα και την ισχύ της µπαταρίας. Λειτουργούν σε µια περιοχή 20-100% της χωρητικότητάς τους. Σηµαντικό µειονέκτηµά τους είναι το υψηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Nickel-Cadmium battery. Είναι πιο εξελιγµένος τύπος µπαταρίας από την leadacid, έχει χαµηλότερο όριο εκφόρτισης (κάτω από 19%), παρουσιάζει γρηγορότερους ρυθµούς φόρτισης και εκφόρτισης και ο αριθµός κύκλων είναι µεγαλύτερος (τουλάχιστον 2000). Το κύριο µειονέκτηµά τους είναι η υψηλή τιµή. Sodium-Sulphur battery. Ο τύπος αυτός λειτουργεί σε υψηλές θερµοκρασίες (300-400 ο C). Η απόδοση της µπαταρίας εξαρτάται από τη συχνότητα χρήσης της, έχει διάρκεια ζωής πάνω από 1000 κύκλους φόρτισης εκφόρτισης και πολύ χαµηλές απώλειες αυτοεκφόρτισης όταν βρίσκεται εκτός λειτουργίας. Flow cell batteries (Zinc-Bromine battery και Vanadium battery). Ο ηλεκτρολύτης αυτών των µπαταριών είναι υγρό και µπορεί να αποθηκευτεί σε δεξαµενές, έτσι η ενεργειακή τους ικανότητα καθορίζεται από το µέγεθος (χωρητικότητα) της δεξαµενής. Παράδειγµα αυτής της τεχνολογίας είναι οι αναγεννητικές κυψέλες καυσίµου (Regenerative Fuel Cells). Αυτές παρουσιάζουν γρήγορη απόκριση κατά την εκκίνηση και κατά τις αλλαγές ανάµεσα στις καταστάσεις φόρτισης και εκφόρτισης, ενώ η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας δε µειώνεται αφού το ποσό της ενέργειας που µπορεί να αποθηκευτεί εξαρτάται από το µέγεθος της δεξαµενής του ηλεκτρολύτη. Η αναµενόµενη διάρκεια ζωής τους είναι 15 χρόνια. Στον πίνακα 1 δίνονται τυπικά χαρακτηριστικά των διαφόρων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας καθώς επίσης και κάποιες ενδεικτικές εφαρµογές ανά κατηγορία. 11
Technology type Typical power Typical Applications rating energy rating Mechanical Pumped hydro storage 100-2000 MW 4-10 h Daily load levelling Frequency control and reserve Compressed air energy storage (CAES) 100-300 MW 6-20 h Peak shaving Power plant improvement Reserve Micro-CAES 10-50 MW 1-4 h Peak shaving Flywheels 5 kw-1.5 MW 15 sec - 15min Peak shaving Frequency control UPS / Power quality Electrical Superconducting magnetic storage 10 kw - 1 MW 5sec - 5min UPS / Power quality Transmission / distribution line stability Capacitors / ultra capacitors.kw 100 kw 1sec 1min Power quality Transmission line stability (FACTS devices) Electrochemical Batteries Lead acid kw 50 MW 1 min 3h Power quality Reliability Frequency control Reserve Black start UPS Advanced batteries (VRLA, Na S, Li) kw -..MW minutes - hours Various Flow batteries (Zn Br, V/V Na Br / S ) 100 kw 100MW 1 h - 20 h Power quality Reliability Reserve Peak shaving Energy management Integration of renewables Πίνακας 1: Κατηγοριοποίηση των συστηµάτων αποθήκευσης 12
1.4 Κριτήρια αξιολόγησης συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας Τα στοιχεία που χαρακτηρίζουν ένα αξιόπιστο σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας είναι τα παρακάτω: Χαµηλό κόστος της ικανότητας αποθήκευσης Μικρή τεχνική πολυπλοκότητα Υψηλός βαθµός απόδοσης (φόρτισης/εκφόρτισης) Μεγάλος αριθµός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης Μικρός όγκος Καλή συµπεριφορά σε διακοπτόµενη ισχύ Γρήγορος χρόνος απόκρισης 13
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Συστήµατα σφονδύλων (Flywheel Energy Storage System - FESS) 2.1 Κύρια µέρη ενός Flywheel Energy Storage System Όπως έχει ήδη αναφερθεί στα συστήµατα σφονδύλων η αδράνεια µιας περιστρεφόµενης µάζας χρησιµοποιείται για την αποθήκευση της ενέργειας. Η ενέργεια αποθηκεύεται σε κινητική µορφή. Τα κύρια µέρη ενός τέτοιου συστήµατος είναι: Μία ηλεκτρική µηχανή. Η ηλεκτρική µηχανή χρησιµοποιείται για την µετατροπή της ενέργειας από ηλεκτρική µορφή σε κινητική κατά τη φόρτιση του συστήµατος και αντιστρόφως κατά την εκφόρτισή του. Θεωρητικά µπορεί να χρησιµοποιηθεί οποιοσδήποτε τύπος µηχανής. Ωστόσο η τελική επιλογή καθορίζεται από την εκάστοτε εφαρµογή του συστήµατος. Γενικά στους µεγάλους και αργούς σφονδύλους χρησιµοποιούνται οι κλασσικές ασύγχρονες επαγωγικές µηχανές ενώ στους µικρότερους και ταχύτερους ιδανικές είναι οι µηχανές µόνιµου µαγνήτη. Αν και αυτός είναι ο τύπος που επικρατεί στην πλειοψηφία των εφαρµογών, υπάρχει η δυνατότητα χρησιµοποίησης και µηχανών µαγνητικής αντίστασης (Synchronous Reluctance Machines). Μία περιστρεφόµενη µάζα. Πρόκειται για το κινητό µέρος του συστήµατος η αδράνεια του οποίου χρησιµοποιείται για την αποθήκευση της ενέργειας. Είναι κυλινδρικού σχήµατος, συµπαγές ή κούφιο. Η περιστρεφόµενη µάζα συνδέεται µε τον δροµέα της µηχανής, µπορεί να θεωρηθεί ως επέκτασή του και ουσιαστικά αποτελεί µαζί µ αυτόν το κινητό µέρος της µηχανής. Μετατροπείς ισχύος. Είναι διπλής κατεύθυνσης και µεσολαβούν ανάµεσα στο δίκτυο και τη µηχανή αφενός για τη σωστή φόρτιση του σφονδύλου και 14
αφετέρου για την επίτευξη της επιθυµητής εξόδου κατά την εκφόρτισή του. Συνήθως χρησιµοποιούνται γέφυρες µε συνδυασµό διόδων και IGBTs. Ανάλογα µε την εφαρµογή, ο σφόνδυλος συνδέεται στην AC πλευρά ενός δικτύου ή σε DC ζυγό (π.χ. σε εφαρµογές UPS) και αντίστοιχα χρησιµοποιείται είτε διάταξη δύο µετατροπέων (AC/DC και DC/AC) είτε ένας µετατροπέας (DC/AC). Μία διάταξη ελέγχου. Πρόκειται για τη διάταξη που καθορίζει τη φορά ροής της ενέργειας στο σύστηµα δίνοντας τα κατάλληλα σήµατα διέγερσης στους µετατροπείς ανάλογα µε τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο (επίπεδο τάσης και συχνότητας). Ρουλεµάν. Χρησιµοποιούνται µηχανικά ή ηλεκτροµαγνητικά ρουλεµάν για τη στήριξη ή αιώρηση του κινητού µέρους του συστήµατος έτσι ώστε να επιτυγχάνεται σταθερή λειτουργία µε ελάχιστες δυνατές απώλειες λόγω τριβών. Τέλος, πρέπει να αναφέρουµε ότι ο σφόνδυλος τοποθετείται σε κενό αέρα ή σε αέρα υπό χαµηλή πίεση για ελαχιστοποίηση των τριβών. Επιπλέον ολόκληρο το σύστηµα βρίσκεται µέσα σε δοχείο µε κατάλληλα διακοπτικά µέσα και ανεµιστήρες για ασφαλή λειτουργία. 2.2 Τεχνικές βελτιώσεις Πρόσφατες εξελίξεις στην κατασκευή των συστηµάτων σφονδύλων έχουν αυξήσει την αποθηκευτική τους ικανότητα, έχουν βελτιώσει την απόδοση και την αντοχή τους και έχουν διευρύνει το φάσµα των εφαρµογών τους. Οι σηµαντικότερες από αυτές είναι: Συνθετικά υλικά. Παλαιότερα ο σφόνδυλος κατασκευάζονταν από χάλυβα. Σήµερα όλα σχεδόν τα συστήµατα σφονδύλων χρησιµοποιούν συνθετικά υλικά (ανθρακικές ίνες) επειδή είναι ελαφριά και ανθεκτικά. Τέτοια υλικά έχουν µεγάλη 15
εφελκυστική αντοχή 1, παράµετρος που περιορίζει την ταχύτητα του σφονδύλου και εποµένως την ενεργειακή του χωρητικότητα. Η χρησιµοποίηση λοιπόν συνθετικών υλικών επιτρέπει την ανάπτυξη µεγάλης ταχύτητας περιστροφής κάνοντας έτσι το σύστηµα σφονδύλου όχι µόνο συγκρίσιµο αλλά και καλύτερο από τις µπαταρίες ως προς την πυκνότητα ισχύος (power density) 2. Μαγνητικά ρουλεµάν (magnetic bearings). Τα µηχανικά ρουλεµάν που χρησιµοποιούνταν στο παρελθόν δεν µπορούν, εξαιτίας των τριβών και του µικρού χρόνου ζωής τους, να χρησιµοποιηθούν στα νέα ταχύτερα συστήµατα σφονδύλων. Σήµερα χρησιµοποιούνται ηλεκτροµαγνητικά ρουλεµάν µόνιµου µαγνήτη. Αυτά δεν έχουν καµία µηχανική επαφή µε τον κύλινδρο, δεν έχουν κινητά µέρη, φθείρονται ελάχιστα µε το πέρασµα του χρόνου και δεν απαιτούν λίπανση. Ηλεκτρονικά ισχύος. Η πρόοδος στον χώρο των ηλεκτρονικών ισχύος έκανε δυνατή τη λειτουργία των σφονδύλων σε υψηλή ισχύ. Σχήµα 2.1: Βασική διάταξη του σφονδύλου 1 Εφελκυστική αντοχή (tensile strength) ενός υλικού είναι η µέγιστη τάση που µπορεί να παραλάβει, υποβαλλόµενο σε εφελκυστική εντατική κατάσταση, πριν αστοχήσει, δηλαδή πριν να επέλθει η απώλεια της συνέχειάς του. 2 Πυκνότητα ισχύος (power density) είναι η ισχύς εξόδου ανά µονάδα επιφάνειας 16
2.3 Αρχή λειτουργίας Κατά τη φόρτιση του συστήµατος τα τυλίγµατα του στάτη της µηχανής τροφοδοτούνται µε ρεύµα ονοµαστικής συχνότητας (ή µε παλµούς ρεύµατος µέσω κατάλληλων διατάξεων, όταν πρόκειται για µηχανές µαγνητικής αντίστασης) και το µαγνητικό πεδίο που δηµιουργείται περιστρέφει το δροµέα, δηλαδή το σφόνδυλο. Ο σφόνδυλος επιταχύνεται αποκτώντας κινητική ενέργεια. Με αυτόν τον τρόπο αποθηκεύεται ενέργεια στο σύστηµα. Η µηχανή κατ αυτήν τη διαδικασία λειτουργεί ως κινητήρας. Κατά την εκφόρτιση ο σφόνδυλος επιβραδύνεται. Η κινητική ενέργεια που χάνει µετατρέπεται σε ηλεκτρική µέσω της µηχανής, που σ αυτήν την περίπτωση λειτουργεί ως γεννήτρια, και παρέχεται στο δίκτυο. Όταν ο σφόνδυλος δε βρίσκεται σε κατάσταση φόρτισης (επιτάχυνσης) ή εκφόρτισης (επιβράδυνσης) συνεχίζει να περιστρέφεται µε ταχύτητα ικανοποιητικά σταθερή και χωρίς να καταναλώνει ενέργεια από το δίκτυο. Μικρά ποσά ενέργειας απαιτούνται για να επανέλθει ο σφόνδυλος στην κατάσταση πλήρους φόρτισης όταν ξεφύγει από αυτή λόγω τριβών. ιατηρείται έτσι αποθηκευµένη ενέργεια σε µορφή κινητικής ενέργειας. Το είδος της λειτουργίας του σφονδύλου, το αν δηλαδή απορροφά ενέργεια από το δίκτυο ή το αν παρέχει, εξαρτάται από τις εκάστοτε συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο και καθορίζεται από το σύστηµα ελέγχου. Το σύστηµα ελέγχου παρακολουθεί διάφορες παραµέτρους του δικτύου και όταν υπάρχει ανάγκη για ενέργεια δίνει εντολή στο σφόνδυλο να εκφορτιστεί ενώ όταν υπάρχει περίσσεια ενέργειας ο σφόνδυλος καλείται να την απορροφήσει. Για παράδειγµα, όταν η τάση πέσει κάτω από µία προκαθορισµένη τιµή, ο σφόνδυλος εκφορτίζεται και παρέχει ενέργεια στο δίκτυο. Όταν η τάση ξεπεράσει µία άλλη προκαθορισµένη τιµή ο σφόνδυλος απορροφά ενέργεια από το δίκτυο. Και στις δύο περιπτώσεις η τάση διατηρείται µέσα στα επιθυµητά όρια. 2.4 Εξισώσεις του συστήµατος Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα σφόνδυλο δίνεται από τη σχέση: 17
E 1 2 = Jω (1) 2 όπου J η ροπή αδράνειας (kg*m 2 ) της συνολικής µάζας του κινητού µέρους και ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής (rad/sec). Όταν πρόκειται για συµπαγή σφόνδυλο ισχύει: J 1 πρ 2 4 = HR (2) όπου ρ η πυκνότητα, Η το ύψος και R η ακτίνα του κυλίνδρου. Στην περίπτωση του κούφιου σφονδύλου ισχύει: 1 4 4 J = πρh( R r ) (3) 2 µε R και r η εξωτερική και εσωτερική ακτίνα αντίστοιχα. Ωστόσο, µια ευκολότερη προσέγγιση για τη ροπή αδράνειας είναι: J ρvr 2 (4) όπου V ο όγκος του κυλίνδρου. Η εφελκυστική τάση που αναπτύσσεται σε κύλινδρο που περιστρέφεται µε γωνιακή ταχύτητα ω προκύπτει προσεγγιστικά: T ρ ω 2 2 R (5) Η εφελκυστική αντοχή του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασµένος ο σφόνδυλος αποτελεί τον περιορισµό για τη µέγιστη ταχύτητα µε την οποία αυτός µπορεί να περιστρέφεται. Όπως έχει ήδη αναφερθεί τα συνθετικά ανθρακικών ινών είναι ιδανικά για συστήµατα σφονδύλων γιατί έχουν µεγάλη εφελκυστική αντοχή. Ας θεωρήσουµε έναν σφόνδυλο από τέτοιο υλικό µε εφελκυστική αντοχή 300MN/m 2. Αν ο σφόνδυλος έχει εξωτερική ακτίνα 0.5m, εσωτερική ακτίνα 0.375m, 18
ύψος 1m, πυκνότητα 1100 kg/m 3 και καταλαµβάνει χώρο 1m 3, τότε η µέγιστη ταχύτητα µε την οποία µπορεί να περιστρέφεται είναι: ω max 1 T 1130 rad / sec 11000rpm R ρ (6) ενώ η ροπή αδράνειας του συγκεκριµένου σφονδύλου είναι: J ρvr kg m 2 2 70 (7) Εποµένως, η ενέργεια που µπορεί να αποθηκεύσει είναι: 1 2 E = Jω 45MJ 12kWh (8) 2 Το βάρος του σφονδύλου είναι περίπου 375kg ενώ οι απώλειες λόγω τριβών σε ένα σφόνδυλο τέτοιου µεγέθους είναι µόλις 2W. Γίνεται φανερό ότι η γεωµετρία και η ταχύτητα περιστροφής του σφονδύλου καθορίζουν την ποσότητα της αποθηκευµένης ενέργειας, ενώ το πως θα τη διαχειριστεί, ο ρυθµός δηλαδή µε τον οποίο αυτή ανταλλάσσεται ανάµεσα σε δίκτυο και σφόνδυλο (µε άλλα λόγια η ισχύς του συστήµατος), καθορίζεται από τη µηχανή και τα ηλεκτρονικά ισχύος. 2.5 Κατηγοριοποίηση των σφονδύλων Γενικά οι σφόνδυλοι κατηγοριοποιούνται σε σφονδύλους χαµηλής ταχύτητας και σφονδύλους υψηλής ταχύτητας. Η ταχύτητα περιστροφής των πρώτων µετριέται σε κάποιες χιλιάδες στροφές το λεπτό ενώ αυτή των τελευταίων σε κάποιες δεκάδες χιλιάδες στροφές. Όπως φάνηκε στην προηγούµενη παράγραφο η ενέργεια που µπορεί να αποθηκεύσει ένας σφόνδυλος είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητας περιστροφής του. Με αύξηση δηλαδή της ταχύτητας επιτυγχάνεται σηµαντική αύξηση της ενεργειακής του χωρητικότητας. Όµως η λειτουργία σε υψηλές στροφές ανά λεπτό απαιτεί ιδιαίτερο σχεδιασµό του συστήµατος. Έτσι, ενώ οι σφόνδυλοι χαµηλής 19
ταχύτητας µπορούν να κατασκευαστούν και από χάλυβα (όπως και γίνεται συνήθως), οι σφόνδυλοι υψηλής ταχύτητας κατασκευάζονται αποκλειστικά από συνθετικά τα οποία αντέχουν τις µεγάλες εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται σε τέτοιες ταχύτητες. Επιπλέον οι µεγάλες ταχύτητες έχουν ως αποτέλεσµα την αύξηση των απωλειών εξαιτίας των τριβών των ρουλεµάν και του αέρα. Για την ελαχιστοποίηση αυτών των απωλειών οι σφόνδυλοι υψηλής ταχύτητας έχουν µαγνητικά ρουλεµάν και βρίσκονται σε κενό. Όσον αφορά στους σφονδύλους χαµηλής ταχύτητας, κάποιοι χρησιµοποιούν µόνο µηχανικά ρουλεµάν ενώ οι περισσότεροι συνδυασµό µηχανικών και µαγνητικών. Επίσης, πολλά συστήµατα χαµηλής ταχύτητας λειτουργούν σε κενό αέρα. 2.6 Τα συστήµατα σφονδύλων στη διανεµηµένη παραγωγή Τα συστήµατα σφονδύλων στη διανεµηµένη παραγωγή χρησιµοποιούνται για να παρέχουν ενέργεια στο δίκτυο όταν χρειάζεται (εφεδρεία) και να αποσπούν ενέργεια από αυτό όταν περισσεύει, ενέργεια που διαφορετικά θα έµενε ανεκµετάλλευτη. Όταν συµβεί σηµαντική αλλαγή στο φορτίο µιας γεννήτριας δύο πράγµατα είναι πιθανό να ακολουθήσουν: η τάση να «κάνει κοιλιά» ή να «φουσκώσει» και η απόδοση της γεννήτριας να πέσει. Αν το φορτίο αυξηθεί, η τάση «κάνει κοιλιά» (sag) ενώ αν µειωθεί, η τάση «φουσκώνει» (swell). Επιπλέον, η λειτουργία των γεννητριών γίνεται αποδοτικότερη και λιγότερο ρυπογόνα όταν η έξοδος της προσαρµόζεται βαθµιαία και όχι απότοµα. Το σχήµα 2.2 δείχνει τη λειτουργία του σφονδύλου στη διανεµηµένη παραγωγή σε περιπτώσεις απότοµης µεταβολής του φορτίου. Όταν το φορτίο µειωθεί απότοµα η γεννήτρια συνεχίζει να παρέχει ισχύ έως ότου ρυθµίσει την έξοδό της στις νέες µειωµένες απαιτήσεις του. Η ισχύς αυτή, η οποία αλλιώς θα έµενε ανεκµετάλλευτη και ενδεχοµένως να προκαλούσε προβλήµατα στην ποιότητα της τάσης, απορροφάται από το σφόνδυλο και αποθηκεύεται σ αυτόν (πρώτο κόκκινο τρίγωνο). Αντίστροφα, αν το φορτίο αυξηθεί απότοµα, ο σφόνδυλος εκφορτίζεται και παρέχει την ισχύ που χρειάζεται το φορτίο για λίγα δευτερόλεπτα έως ότου η έξοδος της γεννήτριας φτάσει στο σηµείο που να µπορεί να το ικανοποιήσει (δεύτερο κόκκινο τρίγωνο). Και στις δύο 20
περιπτώσεις ο σφόνδυλος εξαλείφει τις διαταραχές στην ισχύ και συµβάλλει στη διατήρηση της σταθερότητας της τάσης. Σχήµα 2.2: Οι κόκκινες περιοχές δείχνουν τα συµπληρώµατα ενέργειας που παρέχονται από το σφόνδυλο. Προσθέτοντας λοιπόν ένα σύστηµα σφονδύλου σ ένα δίκτυο διανεµηµένης παραγωγής έχουµε τα εξής οφέλη: σταθεροποίηση της τάσης βελτίωση της απόδοσης των γεννητριών µείωση των εκποµπών τους αύξηση της ζωής τους 2.7 Σύγκριση των FESS µε άλλα συστήµατα αποθήκευσης Σύµφωνα µε έρευνες της California Energy Commission τα συστήµατα σφονδύλων είναι ιδανικά για χρόνους εκφόρτισης από 10 δευτερόλεπτα ως δύο λεπτά. Ενώ οι µπαταρίες είναι ασυναγώνιστες για µεγάλους χρόνους εκφόρτισης και οι πυκνωτές για πολύ µικρούς, οι σφόνδυλοι παρουσιάζουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα για χρόνους εκφόρτισης από 1 έως 100 δευτερόλεπτα και για ισχείς εκφόρτισης πάνω από 20 kw όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.3. 21
Σχήµα 2.3: Καταλληλότητα διάφορων συστηµάτων αποθήκευσης ως προς την ισχύ και τον χρόνο εκφόρτισης. Συγκρινόµενοι οι σφόνδυλοι µε τις µπαταρίες έχουν µεγαλύτερο κόστος που οφείλεται κυρίως στα στοιχεία βελτίωσής τους (ηλεκτρονικά ισχύος, µαγνητικά ρουλεµάν, συνθετικά υλικά, ειδικό δοχείο για τη δηµιουργία κενού). Ωστόσο παρουσιάζουν µεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος (power density). Για την ίδια ισχύ εξόδου καταλαµβάνουν µόλις το 10-20% του χώρου που καταλαµβάνουν οι µπαταρίες. Επίσης απαιτούν απλούστερη και λιγότερο συχνή συντήρηση και δεν αντιµετωπίζουν προβλήµατα ασφάλειας που σχετίζονται µε διαρροή χηµικών. Η συχνότητα φόρτισης εκφόρτισης ελάχιστα επηρεάζει τη ζωή του σφονδύλου σε αντίθεση µε τις µπαταρίες, η ζωή των οποίων µειώνεται σηµαντικά. Ειδικά για εφαρµογές σε UPS η ζωή των σφονδύλων είναι τυπικά περίπου 20 χρόνια ενώ οι µπαταρίες διαρκούν µόλις 3 ως 5 χρόνια. Σηµαντικά οφέλη προκύπτουν σε εφαρµογές UPS µε τη χρησιµοποίηση συνδυασµού σφονδύλων και µπαταριών ως σύστηµα αποθήκευσης. Κάθε φορά που καλείται το σύστηµα αποθήκευσης να επέµβει στο δίκτυο αρχικά αποκρίνεται ο σφόνδυλος και στη συνέχεια, εφόσον χρειαστεί, η µπαταρία. Αν αναλογιστεί κανείς ότι η πλειοψηφία των διαταραχών ισχύος διαρκούν 5 δευτερόλεπτα ή και λιγότερο, αντιλαµβάνεται ότι τα περισσότερα προβλήµατα αντιµετωπίζονται από τον σφόνδυλο η ζωή και η απόδοση του οποίου µένουν ανεπηρέαστες από τη συχνότητα φόρτισηςεκφόρτισης. Με τον τρόπο αυτό προστατεύεται η µπαταρία και αυξάνεται η διάρκεια ζωής της. 22
Αξίζει να σηµειωθεί ότι τα συστήµατα σφονδύλων δεν πρέπει να χρησιµοποιούνται µόνα τους, χωρίς υποστήριξη από µπαταρίες, για εφεδρεία (µεγάλους χρόνους εκφόρτισης) και στις περιπτώσεις που δεν είναι σίγουρο ότι η γεννήτρια θα ανακτήσει την πλήρη ισχύ της σε λίγα δευτερόλεπτα (~10 sec). 2.8 Πλεονεκτήµατα των σφονδύλων Στη συνέχεια συνοψίζονται τα πλεονεκτήµατα των συστηµάτων αποθήκευσης που χρησιµοποιούν σφονδύλους: Απαιτούν εύκολη, φθηνή και όχι συχνή συντήρηση. Η ενεργειακή τους χωρητικότητα δε φθίνει µε τη συχνότητα φόρτισηςεκφόρτισης και το χρόνο και η λειτουργία τους δεν επηρεάζεται από τη θερµοκρασία. Έχουν µεγάλη διάρκεια ζωής (εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους). Παρουσιάζουν µεγάλη πυκνότητα ισχύος (καταλαµβάνουν λίγο χώρο για την ισχύ που αποδίδουν). Έχουν γρήγορη απόκριση και γρήγορη επαναφόρτιση. Παρουσιάζουν µεγάλη απόδοση και ελάχιστες απώλειες (οι απώλειες όταν βρίσκονται εκτός λειτουργίας standby losses κυµαίνονται περίπου από 0.1 ως 1% της ονοµαστικής τους ισχύος) Έχουν προβλέψιµη λειτουργία, αφού γνωρίζοντας την ταχύτητα περιστροφής τους, ξέρουµε πάντα την διαθέσιµη αποθηκευµένη ενέργεια. Τέλος, είναι φιλική για το περιβάλλον τεχνολογία. 2.9 Υπάρχουσες εφαρµογές 2.9.1 Ηλεκτρικό δίκτυο της California Παράδειγµα εφαρµογής των σφονδύλων στη διανεµηµένη παραγωγή αποτελεί το ηλεκτρικό δίκτυο της California. Τα κίνητρα που οδήγησαν στην εγκατάσταση των 23
σφονδύλων ήταν: α) η βελτίωση της αξιοπιστίας του δικτύου αναπτύσσοντας ένα σύστηµα διανεµηµένης παραγωγής στο οποίο το FESS επέτρεπε τις τεχνολογίες παραγωγής να ενσωµατώνονται πιο εύκολα στο δίκτυο και β) η µείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προέρχονται από το ηλεκτρικό σύστηµα της California, χρησιµοποιώντας µια φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας και κάνοντας δυνατή τη διείσδυση περισσότερων ανανεώσιµων πηγών στη διανεµηµένη παραγωγή. Η εταιρία AFS TRINITY κατασκεύασε και εγκατέστησε το σύστηµα σφονδύλου (AFS TRINITY M3AM) το οποίο µπορεί να παρέχει 100kW για 15 δευτερόλεπτα κατά την εκφόρτιση και να επαναφορτιστεί στο ίδιο επίπεδο ισχύος στον ίδιο χρόνο. Η χωρητικότητα του σφονδύλου είναι 0.42 kwh, η µέγιστη ταχύτητα περιστροφής του 40800 rpm και τυπικά έχει τάση εξόδου 680V DC. Το σύστηµα χρησιµοποιεί σφόνδυλο από συνθετικό, µηχανή µόνιµου µαγνήτη, µαγνητικά ρουλεµάν και καταλαµβάνει χώρο µικρότερο από 4 τετραγωνικά πόδια (1.22 τετραγωνικά µέτρα), όπως φαίνεται στο σχήµα 2.4. Σχήµα 2.4: AFS Trinity M3AM system 2.9.2 Αποµονωµένο δίκτυο στα νησιά Flores-Azores Στις νήσους Flores-Azores το εγκατεστηµένο σύστηµα ισχύος αποτελείται από 4 υδροηλεκτρικές µονάδες (3 250 kw + 1 600 kw), 2 ανεµογεννήτριες (2 315 kw) και 24
4 ντηζελογεννήτριες (3 350 kw + 1 810 kw). Στο δίκτυο εγκαταστάθηκε σύστηµα αποθήκευσης µε σφόνδυλο µε κύριους σκοπούς την ελαχιστοποίηση των διακυµάνσεων στην τάση και τη συχνότητα, τη µείωση των blackout και την ελάχιστη δυνατή χρησιµοποίηση των ντηζελογεννητριών. Το σύστηµα αποθήκευσης έχει ενεργειακή χωρητικότητα 5 kwh (=18 MJ) και συνδέεται στον ζυγό των 400 V (βλ. σχήµα 2.5). Σχήµα 2.5: Το ηλεκτρικό δίκτυο στις νήσους Flores-Azores. Η ισχύς του συστήµατος του σφονδύλου είναι 350 kw, χρησιµοποιεί µηχανή µόνιµου µαγνήτη, µαγνητικά ρουλεµάν, η ταχύτητα περιστροφής του είναι 3300 rpm- 1800 rpm και είναι εγκατεστηµένος σε container διαστάσεων 20ft (=6 µέτρα). Κατασκευάστρια εταιρία είναι η PowerStore. Στο σχήµα 2.6 φαίνεται η δοµή του σφονδύλου ενώ στο σχήµα 2.7 το container στο οποίο βρίσκεται. 25
Σχήµα 2.6: Η δοµή του σφονδύλου (PowerStore). Σχήµα 2.7: Ο σφόνδυλος εγκατεστηµένος σε container. Ακολουθούν διαγράµµατα στα οποία φαίνεται πως βελτιώνει η παρουσία του σφονδύλου τη συχνότητα του δικτύου σε κάθε µείωση ή αύξηση του φορτίου. Τα σχήµατα 2.8 και 2.9 δείχνουν την συχνότητα σε µια απότοµη αύξηση του φορτίου κατά 350 kw και σε µείωση του κατά 350 kw αντίστοιχα, όταν στο δίκτυο δεν υπάρχει το 26
σύστηµα σφονδύλου (FESS). Τα σχήµατα 2.10 και 2.11 δείχνουν τη συχνότητα στις ίδιες συνθήκες µεταβολής του φορτίου µε την παρουσία του FESS στο δίκτυο. Γίνεται φανερό ότι η συµµετοχή του συστήµατος αποθήκευσης εξαλείφει σε ικανοποιητικό βαθµό τις διακυµάνσεις που παρουσιάζονται στη συχνότητα του δικτύου µετά από κάθε απότοµη µεταβολή του φορτίου. Σχήµα 2.8: Η συχνότητα του δικτύου σε απότοµη αύξηση του φορτίου κατά 350 kw χωρίς FESS. Σχήµα 2.9: Η συχνότητα του δικτύου σε απότοµη µείωση του φορτίου κατά 350 kw χωρίς FESS. 27
Σχήµα 2.10: Η συχνότητα του δικτύου σε απότοµη αύξηση του φορτίου κατά 350 kw µε FESS. Σχήµα 2.11: Η συχνότητα του δικτύου σε απότοµη µείωση του φορτίου κατά 350 kw µε FESS. 2.9.3 Ηλεκτρικό δίκτυο του Puerto Rico Η υποστήριξη της τάσης και της συχνότητας ενός δικτύου µε τη χρησιµοποίηση συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας αποτέλεσε το κίνητρο για την εγκατάσταση ενός µεγάλου τέτοιου συστήµατος µε µπαταρίες στο Puerto Rico. Το σύστηµα σχεδιάστηκε για να παρέχει 20MW για 15 λεπτά. Οι µπαταρίες (Lead-Acid) διήρκησαν µόνο 2-3 χρόνια και τώρα είναι σε φάση αντικατάστασης. Αντίθετα, για λόγους σύγκρισης, ένα αντίστοιχο σύστηµα σφονδύλων της εταιρείας Beacon Power συνολικής χωρητικότητας 10MWh (40MW για 15 λεπτά) που θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί, φαίνεται στο σχήµα 2.12. Το σύστηµα αυτό αποτελείται από 40 υποσυστήµατα-containers (σχήµα 2.13) ενεργειακής χωρητικότητας 250 kwh το καθένα και το κάθε container περιέχει 10 σφονδύλους 28
25kWh ο καθένας (σχήµα 2.14). Το σύστηµα είναι σχεδιασµένο µε αναµενόµενο χρόνο ζωής 20 χρόνια απαιτώντας ελάχιστη συντήρηση. Σχήµα 2.12: Η διάταξη των containers (40 ΜW για 15min) Σχήµα 2.13: Tο εσωτερικό κάθε container (250 kwh). Ο κάθε σφόνδυλος έχει χωρητικότητα 25 kwh και περιστρέφεται µε ταχύτητες µεγαλύτερες από 15000 rpm. Χρησιµοποιεί τετραπολική µηχανή µόνιµου µαγνήτη, µαγνητικά ρουλεµάν και βρίσκεται εγκατεστηµένος σε δοχείο µε χαµηλή πίεση. Το εσωτερικό του σφονδύλου φαίνεται στο σχήµα 2.15. 29
Σχήµα 2.14: Ο σφόνδυλος (25kWh) Σχήµα 2.15: Το εσωτερικό του σφονδύλου (Beacon Power) 30
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Προσοµοίωση του συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας µε σφόνδυλο 3.1 Γενικά Η προσοµοίωση του συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας µε σφονδύλους έγινε στο MATLAB Simulink. Στο µοντέλο που αναπτύχθηκε χρησιµοποιείται σύστηµα σφονδύλου µε ασύγχρονη επαγωγική µηχανή 20 hp και ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας 37 kj. Ο σφόνδυλος συνδέεται στον άπειρο ζυγό δικτύου 600 Volt από τον οποίο τροφοδοτείται ωµικό φορτίο 10 kw. Σκοπός του µοντέλου είναι η εξέταση της φόρτισης του σφονδύλου, της συµπεριφοράς του στην κατάσταση ηρεµίας (όταν δεν φορτίζεται ούτε εκφορτίζεται) και κατά πόσο µπορεί να υποστηρίξει το φορτίο όταν η το δίκτυο τεθεί εκτός (εκφόρτιση σφονδύλου). 3.2 Περιγραφή του µοντέλου 3.2.1 Γενικό διάγραµµα Όπως φαίνεται στο σχήµα 3.1, ο άπειρος ζυγός προσοµοιώνεται µε µια τριφασική πηγή και ένα µετασχηµατιστή. Η τριφασική πηγή παρέχει ισχύ 10 MVA, υπό τάση 25 kv (πολική), συχνότητας 50 Ηz. Ο µετασχηµατιστής, ισχύος 50 kva, υποβιβάζει την τάση στα 600 Volt και τροφοδοτεί το ωµικό φορτίο των 10 kw και το σύστηµα αποθήκευσης (FESS 37kJ). Στο µοντέλο χρησιµοποιείται τριφασικός διακόπτης, που κάποια στιγµή (εξαιτίας ενός τυχαίου σφάλµατος) ανοίγει αποσυνδέοντας το φορτίο από το δίκτυο. Η κατάσταση του διακόπτη (κλειστός ή ανοικτός) δίνει το κατάλληλο σήµα στους µετατροπείς του συστήµατος σφονδύλου για να καθορίσουν τον τρόπο λειτουργίας του (φόρτιση ή εκφόρτιση). Για το λόγο αυτό µετρούµενη τάση διατηρείται στο µηδέν ενώ όταν ανοίξει ανεβαίνει στα 346V. 31
Θεωρήσαµε τα 5 Volt ως το όριο για την µετάβαση του συστήµατος αποθήκευσης από την κατάσταση φόρτισης στην κατάσταση εκφόρτισης. Στο µπλοκ των µετρήσεων µετριέται το ρεύµα (rms) µε το οποίο τροφοδοτείται το φορτίο, η ισχύς που του παρέχεται και η πολική τάση (rms και στιγµιαία) στα άκρα του. Στο εικονίδιο (% charging) δίπλα από το σύστηµα σφονδύλου φαίνεται το ποσοστό φόρτισής του κάθε στιγµή. Στην προσοµοίωση χρησιµοποιείται διακριτός χρόνος µε διάρκεια βήµατος 50 µsec. 3.2.2 Μπλοκ του συστήµατος σφονδύλου (FESS 37kJ) Τα κύρια µέρη του συστήµατος σφονδύλου, όπως φαίνεται στο σχήµα 3.2, είναι η µηχανή, οι µετατροπείς ισχύος και τα υποσυστήµατα ελέγχου των µετατροπέων. Επίσης, χρησιµοποιούνται φίλτρα LC για τη σταθεροποίηση της dc τάσης ανάµεσα στους µετατροπείς και πυκνωτές για την παροχή της απαραίτητης άεργου ισχύος στην επαγωγική µηχανή. Η µηχανή που χρησιµοποιείται είναι ασύγχρονη βραχυκυκλωµένου κλωβού, τετραπολική µε ονοµαστικά στοιχεία 20 hp (~15 kw), 400 V και 50 Hz. Θεωρώντας ότι σφόνδυλος βρίσκεται τοποθετηµένος σε κενό αέρα και χρησιµοποιεί µαγνητικά ρουλεµάν επιλέξαµε συντελεστή τριβών ίσο µε µηδέν. Επίσης, η περιστρεφόµενη µάζα δε θεωρείται ξεχωριστό µέρος της µηχανής αλλά ένα µε το δροµέα, γι αυτό επιλέχθηκε ροπή φορτίου ίση µε µηδέν και ροπή αδράνειας J = 3kg*m 2. Οι τυπικές τιµές της ροπής αδράνειας µηχανών τέτοιων διαστάσεων βρίσκονται γύρω από το 0,1kg*m 2. Σύµφωνα µε τα χαρακτηριστικά της µηχανής προκύπτει η σύγχρονη ταχύτητα: n = 1500rpm ω = 157 rad / sec (9) sync sync 32
25 kv, 50 Hz 10 MVA Discrete, Ts = 5e-005 s. A B C a A b B c C 25kV / 600V 50 kva A a + B b C c Three-Phase Breaker + V1 v signal rms + V3 v + V2 v signalrms > 5 pulses A B C Σχήµα 3.1: Το γενικό διάγραµµα του µοντέλου V PQ signal rms Stored Energy ( % ) Flywheel Energy StorageSystem 37kJ A B C 10kW Scope1 0 % charging 33 - i - - - I
A 1 B 2 C 3 SwitchA Flywheel Energy Storage System + v V PQ + signal rms g A B C + L=0.08mH C=5mF + g A B C A B C A B C 0 Load torque Tm A B C m IGBT Inverter A IGBT Inverter B 2,5mH/line MACHINE FLYWHEEL + SwitchB v 8000 Var + v signal rms Pulses PWM generator m=0.8 pulses pulses rad/sec CONTROL A CONTROL B Vdc 1 Stored Energy ( % ) Σχήµα 3.2: Το εσωτερικό του µπλοκ του συστήµατος αποθήκευσης u 2 P-Q flywheel Irms fly m wm VmRMS 1 z Delay 0.15/37 -K- 30/pi N (rpm) 34 - - - i - - - I A B C pulses 1
Οπότε, η µέγιστη ενέργεια που µπορεί να αποθηκεύσει ο σφόνδυλος είναι: 1 2 1 3 157 2 ωsync 36973,5 37 Emax = J = = kjoule (10) 2 2 Οι µετατροπείς Α και Β είναι διακοπτικού τύπου 6 παλµών µε διόδους και IGBTs (σχήµα 3.3). Κατά τη φόρτιση του σφονδύλου ο µετατροπέας Α λειτουργεί ως µη ελεγχόµενος ανορθωτής και ο µετατροπέας Β ως αντιστροφέας µε διαµόρφωση PWM, ενώ κατά την εκφόρτιση ο µετατροπέας Β λειτουργεί ως ελεγχόµενος ανορθωτής και ο µετατροπέας Α ως αντιστροφέας, και οι δυο µε διαµόρφωση PWM. Η λειτουργία των µετατροπέων καθορίζεται από τους παλµούς διέγερσης. Οι διακόπτες Α και Β, ανάλογα µε το σήµα που παίρνουν από την κατάσταση του τριφασικού διακόπτη, τροφοδοτούν κατάλληλα τους µετατροπείς. Ειδικότερα, ο µετατροπέας Α κατά τη λειτουργία της φόρτισης (µη ελεγχόµενος ανορθωτής) δε δέχεται παλµούς ενώ κατά την εκφόρτιση (αντιστροφέας) διεγείρεται από το υποσύστηµα ελέγχου Α. Ο µετατροπέας Β κατά τη φόρτιση λειτουργεί µε διαµόρφωση PWM µε συχνότητα µετάβασης ίση µε 2550 Hz (m f =51) για την απαλοιφή των αρµονικών και µε m a =0,8 για να έχουµε γραµµική διαµόρφωση, ενώ κατά την εκφόρτιση οι παλµοί για την PWM παρέχονται από το υποσύστηµα ελέγχου Β. Τα υποσυστήµατα ελέγχου Α και Β περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω, σε σχετικές παραγράφους. Σχήµα 3.3: Μετατροπέας 6 παλµών µε διόδους και IGBTs. 35
Ανάµεσα στους µετατροπείς υπάρχει φίλτρο LC για την σταθεροποίηση της dc τάσης. Οι τιµές της αυτεπαγωγής L και της χωρητικότητας C υπολογίστηκαν σύµφωνα µε την συχνότητα αποκοπής του φίλτρου που είναι: f c 1 = (11) 2π LC Επίσης, ισχύει: f c 1 = fcarrier (12) 10 όπου f carrier =2550 Hz η συχνότητα µετάβασης των µετατροπέων. Έτσι, επιλέξαµε: C=5 mf και L=0.08 mh. Με βάση τα παραπάνω υπολογίστηκαν και οι τιµές του φίλτρου στην είσοδο της µηχανής. Ενώ κατά τη φόρτιση του σφονδύλου η ασύγχρονη µηχανή λαµβάνει την απαραίτητη για τη λειτουργία της άεργο ισχύ από τον άπειρο ζυγό, κατά την εκφόρτιση, ελλείψει του άπειρου ζυγού, απαιτούνται πυκνωτές. Οι πυκνωτές συνδέονται σε διάταξη αστέρα µε γειωµένο ουδέτερο και επιλέχθηκαν να παρέχουν συνολική άεργο ισχύ Q=8000 Var, που είναι κοντά στις τυπικές τιµές άεργου ισχύος που απαιτούν µηχανές 20 hp, ενώ οι αυτεπαγωγές προκύπτουν L=2.5 mh ανά φάση. Κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης µετρούνται η dc τάση ανάµεσα στους µετατροπείς, η τάση, το ρεύµα και η ισχύς στην είσοδο της µηχανής, η ροπή της µηχανής και η ταχύτητα περιστροφής του σφονδύλου. Όπως ήδη αναφέρθηκε, γνωρίζοντας την ταχύτητα περιστροφής ξέρουµε ανά πάσα στιγµή την αποθηκευµένη ενέργεια του συστήµατος. Έτσι, από την µετρούµενη ταχύτητα προκύπτει το επί τοις εκατό ποσοστό φόρτισης του σφονδύλου, το οποίο φαίνεται στο γενικό διάγραµµα. 3.2.3 Υποσυστήµατα ελέγχου των µετατροπέων Α και Β Κατά την εκφόρτιση του σφονδύλου οι µετατροπείς διεγείρονται από τα υποσυστήµατα ελέγχου Α και Β αντίστοιχα. Ακολουθώντας τη ροή της ισχύος κατά τη 36
λειτουργία της εκφόρτισης (από τη µηχανή προς το δίκτυο) θα περιγράψουµε αρχικά το υποσύστηµα Β και στη συνέχεια το υποσύστηµα Α. Υποσύστηµα ελέγχου Β Για να πετύχουµε την εκφόρτιση του σφονδύλου πρέπει να τον αναγκάσουµε να επιβραδυνθεί. Είναι γνωστό από τη θεωρία των µηχανών ότι ο δροµέας µιας ασύγχρονης µηχανής προσπαθεί πάντα να φτάσει την σύγχρονη ταχύτητα. Όταν αυτός έχει ταχύτητα µικρότερη της σύγχρονης επιταχύνεται για να τη φτάσει απορροφώντας ηλεκτρική ενέργεια και λειτουργώντας ως κινητήρας. Όταν η ταχύτητα του είναι µεγαλύτερη της σύγχρονης επιβραδύνεται για να τη φτάσει παρέχοντας ηλεκτρική ενέργεια και λειτουργώντας ως γεννήτρια. Όταν η µηχανή φτάσει να περιστρέφεται µε τη σύγχρονη ταχύτητα δεν καταναλώνει ούτε παρέχει ενέργεια. Για να πετύχουµε, εποµένως, επιβράδυνση του σφονδύλου πρέπει να µειώνουµε συνεχώς την σύγχρονη ταχύτητα. Η σύγχρονη ταχύτητα εξαρτάται από τη συχνότητα της τάσης που εφαρµόζεται στα άκρα της µηχανής και από τον αριθµό των πόλων της και δίνεται από τον τύπο: n sync 120 f = ( rpm ) (13) p Έτσι, εφαρµόζοντας τάση µε συνεχώς µειούµενη συχνότητα στα άκρα της µηχανής µειώνουµε συνεχώς τη σύγχρονη ταχύτητα και τελικά αναγκάζουµε τον σφόνδυλο να επιβραδύνεται. Όµως, η τάση στα άκρα της µηχανής είναι αποτέλεσµα της διαµόρφωσης PWM µε την οποία λειτουργεί ο µετατροπέας Β. Αν οι παλµοί διέγερσης του µετατροπέα προέρχονται από τη σύγκριση µιας τριγωνικής τάσης µε µια τάση µεταβλητής συχνότητας (V-control B), πετυχαίνουµε τάση µε µειωµένη συχνότητα στην έξοδο του µετατροπέα Β, δηλαδή στα άκρα της µηχανής. Για το λόγο αυτό, όπως φαίνεται στο σχήµα 3.16, η συχνότητα της V-control B λαµβάνεται από την ταχύτητα περιστροφής του σφονδύλου. Το σήµα από την ταχύτητα πολλαπλασιάζεται µε ένα συντελεστή 1.99 έτσι ώστε στις 1500 rpm (=157 rad/sec) να έχουµε για τη V-control B ω=312,43 rad/sec, δηλαδή συχνότητα 49.7 Hz, λίγο µικρότερη από τα 50 Hz για να ξεκινήσει η διαδικασία επιβράδυνσης. Αν το σφάλµα 37
συµβεί σε κάποια χρονική στιγµή στην οποία ο σφόνδυλος δεν έχει φορτιστεί πλήρως αλλά περιστρέφεται µε ταχύτητα µικρότερη της σύγχρονης, τότε µε τον ίδιο τρόπο προκύπτει πάλι συχνότητα µικρότερη από αυτή που επικρατεί στα άκρα της µηχανής και έτσι αρχίζει η εκφόρτιση. Η V-control B, δηλαδή, λαµβάνει το σήµα της συχνότητας του σφονδύλου µετά από κάποια καθυστέρηση, το µειώνει, και µέσω της PWM προκαλεί τάση στα άκρα της µηχανής µε συχνότητα µικρότερη από αυτή που είχε πριν. Με τη διαδικασία αυτή (feedback) µειώνουµε συνεχώς τη συχνότητα της τάσης στα άκρα της µηχανής. Για να διατηρείται η ροή διακένου στη µηχανή σταθερή πρέπει να διατηρείται σταθερός ο λόγος της τάσης προς τη συχνότητα (V/f). Πρέπει, δηλαδή, το πλάτος της εφαρµοζόµενης στα άκρα της µηχανής τάσης να µεταβάλλεται συνεχώς και ανάλογα µε τη συχνότητα. Εποµένως, το πλάτος της V-control µπορεί να προκύψει κι αυτό από το σήµα της ταχύτητας περιστροφής πολλαπλασιασµένο µε ένα συντελεστή k. Ο υπολογισµός του k γίνεται στο κεφάλαιο της λειτουργίας εκφόρτισης. Στο σχήµα 3.16 φαίνεται ο σχεδιασµός της V-control B από την οποία λαµβάνεται το σήµα για τους παλµούς διέγερσης του µετατροπέα Β κατά τη λειτουργία της εκφόρτισης. Υποσύστηµα ελέγχου Α Το υποσύστηµα ελέγχου Α (σχήµα 3.15) είναι αυτό που παρέχει το τριφασικό σήµα για τη δηµιουργία παλµών διέγερσης στο µετατροπέα Α κατά την εκφόρτιση, λειτουργώντας κι αυτό µε PWM διαµόρφωση. Σύµφωνα µε τη µέθοδο διαµόρφωσης PWM, το σήµα αυτό (V-control A) πρέπει να είναι ηµιτονοειδές, να έχει συχνότητα ίδια µε τη συχνότητα της επιθυµητής τάσης εξόδου του µετατροπέα Α, που στην περίπτωση της εκφόρτισης είναι η ac τάση, (δηλαδή 50 Hz) και το πλάτος του να είναι ανάλογο του πλάτους της επιθυµητής τάσης εξόδου. Οι παράµετροι της V-control A υπολογίζονται στην παράγραφο της εκφόρτισης. 38
3.3 Λειτουργία του µοντέλου 3.3.1 Φόρτιση σφονδύλου Για τη µελέτη της διαδικασίας φόρτισης του συστήµατος αποθήκευσης θεωρούµε αρχικά τον σφόνδυλο ακίνητο. Η πολική τάση του δικτύου είναι 600 Volt και η συχνότητά του 50 Hz. Αυτά είναι και τα χαρακτηριστικά της εισόδου του µετατροπέα Α που, όπως αναφέρθηκε, κατά τη φόρτιση λειτουργεί ως µη ελεγχόµενος ανορθωτής µε διόδους. Έτσι η τάση εξόδου του (dc τάση) είναι: V V V dc dc dc A = 1.35V LL = 1.35 600 = 810V (14) A Όπου V LL η ac πολική rms τάση του µετατροπέα Α. Η τροφοδοσία της µηχανής πρέπει να γίνεται µε τριφασική τάση 400 Volt (πολική τάση). ηλαδή, η έξοδος του αντιστροφέα (µετατροπέας Β) να είναι 400 Volt. Οπότε για τον υπολογισµό του συντελεστή διαµόρφωσης πλάτους m B a στη PWM του αντιστροφέα έχουµε: V B = 0.612m V B LL a dc m m m B a B a B a B VLL = 0.612V dc 400 = 0.612 810 = 0.8 (15) Αν είχαµε επιλέξει τάση δικτύου ίση µε 400 Volt, τότε, σύµφωνα µε τις παραπάνω σχέσεις, θα προέκυπτε V dc =540 V και m B a =1.21 (υπερδιαµόρφωση). Εποµένως, για να λειτουργεί ο µετατροπέας Β µε διαµόρφωση PWM στη γραµµική περιοχή (m B a <1), επιλέξαµε δίκτυο 600V. Ακολουθούν οι γραφικές παραστάσεις που προέκυψαν µετά την προσοµοίωση του µοντέλου για χρόνο ίσο µε 4sec. Χρόνος αρκετός για να φτάσει ο σφόνδυλος στη σύγχρονη ταχύτητα, δηλαδή το σύστηµα αποθήκευσης σε πλήρη φόρτιση. 39
Γραφικές παραστάσεις που αναφέρονται στο σύστηµα αποθήκευσης. 1600 Rotational Speed of Flywheel 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 N (rpm) 800 700 600 500 400 300 200 100 0-100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (sec) Σχήµα 3.4: Ταχύτητα περιστροφής του σφονδύλου κατά τη φόρτιση 20000 Active and Reactive Power of the Machine 17500 15000 12500 P (Watt) - Q (Var) 10000 7500 5000 2500 0-2500 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (sec) Σχήµα 3.5: Ενεργός (µπλε γραµµή) και άεργος (πράσινη γραµµή) ισχύς που απορροφά η µηχανή κατά τη φόρτιση 40