Περιβάλλον και συμπεριφορά ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Δρ Κώστας Αθανασίου Επίκουρος Καθηγητής Εργαστήριο Μη-συμβατικών Πηγών Ενέργειας Τμ. Μηχανικών Περιβάλλοντος Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Τηλ. 25410 79 316 / 6937 657 128 E-mail: kathan@env.duth.gr
Υβριδικά συστήματα ΑΠΕ Τις τελευταίες δεκαετίες οι εφαρμογές υβριδικών συστημάτων σε απομονωμένες περιοχές (όπου η σύνδεση στο δίκτυο δεν είναι εύκολα πραγματοποιήσιμη) παρουσιάζουν ραγδαία αύξηση και ανταγωνίζονται (όσον αφορά τα οικονομικά και την αξιοπιστία τους) τα συμβατικά συστήματα παροχής ενέργειας, κατάσταση που αναμένεται να ενταθεί τα επόμενα χρόνια με την περεταίρω ελάττωση του κόστους των αιολικών και φωτοβολταϊκών τεχνολογιών. Πλεονεκτούν έναντι των αυτόνομων συστημάτων που χρησιμοποιούν αποκλειστικά Η/Ζ στο ότι ο ντιζελοκινητήρας δεν μπορεί να παρακολουθήσει τις μεταβολές του φορτίου (οπότε και αυτά απαιτούν συστοιχίες συσσωρευτών) και λειτουργεί με πολύ χαμηλή απόδοση ενώ φθείρεται και γρήγορα όταν λειτουργεί σε χαμηλό φορτίο. Κατά το σχεδιασμό υβριδικών συστημάτων επιδιώκεται η ελαχιστοποίηση του κόστους κύκλου ζωής και του κόστους καυσίμου και η μεγιστοποίηση της συνεισφοράς των ΑΠΕ
Δομή συστήματος Α/Γ 3x1 kwp AC AC DC DC 1 2 Ένταση (Ampere) Δίαυλος DC Αντιστροφείς DC Ισχύς (kw) 6 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ φ1 φ2 φ3 N G 3 AC AC Φ/Β DC Ένταση (Ampere) DC AC 7 Μετατροπέας DC DC 4 DC 8 Ένταση (Ampere) & Τάση (Volt) AC Συσσωρευτές 5 9 10 11 9 παράλληλες σειρές 8 Φ/Β στοιχεία/σειρά 5,4 kwp (+) ( ) 2 παράλληλες σειρές 24 συσσωρευτές/ σειρά 1 kah/σειρά 48 Volts ( ) (+) Η/Ζ Ένταση (Ampere) & Τάση (Volt) Δίαυλος AC
Σύστημα παρακολούθησης και ελέγχου
Φωτοβολταϊκή συστοιχία Φωτοβολταϊκό πλαίσιο σημείο μέγιστης ισχύος ρεύμα βραχυκυκλώματος* τάση του ανοικτού κυκλώματος* ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος* τάση στο σημείο μέγιστης ισχύος* διαστάσεις (L x W) 75,25 W 4,8 A 21,5 V 4,3 A 17,5 V 1215 x 555 mm Συστοιχία: 8 x 9 = 72 πλαίσια (ονομαστική ισχύς: 72 x 75,25 = 5418 W) * σε πρότυπες συνθήκες: ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m 2 κλίμακα μάζας αέρα 1,5 θερμοκρασία 25 o C Ονομαστική απόδοση σε πρότυπες συνθήκες: n nominal = (παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς)/(προσπίπτουσα ηλιακή ισχύς) = (75,25 W)/(1000 W/m 2 x 1,215 m x 0,555 m) = 0,1116 ή 11,16 %
Φωτοβολταϊκή συστοιχία Η πραγματική απόδοση η ελαττώνεται με την ελάττωση της ακτινοβολίας, με βάση τον συντελεστή η Ι : η Ι = - 0,446 x Ι 2 + 0,96 x I + 0,48 [I σε kw/m 2 ] και με την αύξηση της θερμοκρασίας του στοιχείου, με βάση τον συντελεστή η Τ : η T = - 0,00002 x T 2-0,001 x T + 1,042 [T σε o C] και δίνεται από τη σχέση: η = η n x η Ι x η Τ Η θερμοκρασία του πλαισίου δίνεται, κατά προσέγγιση, από τη σχέση Τ ΦΒ = Τα + hw x I [ o C], όπου Τα η θερμοκρασία του αέρα, hw = 0,03 m 2 x o C / W και Ι η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας [W/m 2 ], ενώ η διακύμανση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας Τα στην Ελλάδα παρουσιάζεται στο Σχήμα (φ το γεωγραφικό πλάτος 34 ο στην Νότια Κρήτη και 41 ο στον Βόρειο Έβρο)
Φωτοβολταϊκή συστοιχία Η πραγματική απόδοση η, κάθε στιγμή μπορεί να υπολογιστεί από την ταυτόχρονη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας I (με τη βοήθεια πυρανόμετρου, το οποίο δίνει μετρήσεις W/m 2 ) και της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος από την Φ/Β συστοιχία (kw): n = (I x Φ/Β επιφάνεια)/(φ/β ισχύ) [(W/m2 x m2)/(kw x 1000)]
Φωτοβολταϊκή συστοιχία Οι αντίστοιχες μετρήσεις για τον Μάρτιο του 2009, έδωσαν τα παρακάτω αποτελέσματα: η ηλιακή ακτινοβολία προσεγγίζει τις πρότυπες συνθήκες (στις περιπτώσεις αυτές η απόδοση δεν είναι μέγιστη) οι μέγιστες στιγμιαίες αποδόσεις προσεγγίζουν το 10 % (η ονομαστική είναι 11,2 %)
Φωτοβολταϊκή συστοιχία Το σύστημα μετρήσεων κατέγραφε τιμές ισχύος (Ρ) κάθε 5 λεπτά. Θεωρώντας ότι η καταγραφόμενη τιμή είναι και η μέση τιμή του 5λέπτου: 5λεπτη καταγραφή δεδομένων P 5min (kw) = P (W) 1000 E 5min = P 5min *5/60 [kw*min/(min/hr) = kw*hr = kwh] Έτσι, από τις τιμές του πυρανόμετρου (W/m2) και το εμβαδόν της συστοιχίας μπορεί να υπολογιστεί η ηλιακή ενέργεια στη διάρκεια μίας ημέρας, ως το άθροισμα των ποσών ηλιακής ενέργειας στα 1440 (24*60) 5λεπτά του 24ώρου. Αντίστοιχα, μπορεί να υπολογιστεί και η ηλεκτρική ενέργεια που παρήγαγε η Φ/Β συστοιχία, στη διάρκεια του ίδιου 24ώρου). Από το πηλίκο της παραγόμενης ηλεκτρικής προς την προσπίπτουσα ηλιακή, υπολογίζεται η μέση ημερήσια απόδοση. Για τον Μάρτιο του 2009: * μέση ημερήσια μέση μηνιαία απόδοση 7,9 %
Σύστημα Αποθήκευσης Ενέργειας (ΣΑΕ) στοιχεία μολύβδου/οξέος 2 Volt / ~40 Αh 2 παράλληλοι κλάδοι συσσωρευτών 24 συσσωρευτές εν σειρά, ο κάθε κλάδος χωρητικότητα 1 kah ο κλάδος τάση 48 Volts ο κλάδος ολική χωρητικότητα (state of full charge, sofc): βάθος εκφόρτισης (depth of discharge, dod): 48 V x 2 kah = 96 (ka x V) x h = 96 kwh 35 % x sofc (~ 36 kwh)
Λειτουργία ΣΑΕ Φορτίσεις από Φ/Β Φόρτιση από Η/Ζ πριν από την πλήρη φόρτιση (περίπου στο 90 % του sofc) το ρεύμα προς τους συσσωρευτές ελαττώνεται στην ίδια περιοχή το δυναμικό καμπυλώνει και στη συνέχεια αυξάνεται απότομα
Ανεμογεννήτριες Εγκατεστημένη ισχύς: 3kW p (11,6m/s ονομαστική ταχύτητα) Μεταβολή της παραγόμενης ισχύος στη διάρκεια ενός μήνα Μεταβολή της παραόμενης ισχύος στη διάρκεια μίας ημέρας
Φορτίο (εξυπηρετούμενες καταναλώσεις) μέση καταναλισκόμενη ισχύς: 3 kw Για την εξυπηρέτηση του παραπάνω φορτίου και των διακυμάνσεων του, το υβριδικό σύστημα συνέζευξε τις παρακάτω πηγές: 1. μία Φ/Β συστοιχία ονομαστικής ισχύος 5,4 kw 2. τρεις Α/Γ, ονομαστικής ισχύος 1 kw, η κάθε μία 3. ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος κινητήρα ντίζελ και γεννήτριας, μέγιστης ισχύος 30 kw Ένα τέτοιο σύστημα πρέπει να είναι σε θέση να καλύψει ακόμα και τα μέγιστα φορτία και να είναι βελτιστοποιημένο ως προς το αρχικό και το λειτουργικό του κόστος.
Λειτουργία του υβριδικού συστήματος (Μάιος Οκτώβριος 2010) Συνολική Παραγωγή = 6.430 kwh Συνολική Κατανάλωση = 4.910 kwh Η κατάσταση φόρτισης (state of charge, SoC) του ΣΑΕ κυμαίνεται από 36 έως 96 kwh (60 kwh) και αποτελεί λιγότερο από 1 % της παραγωγής ενέργειας στο εξεταζόμενο διάστημα. Χωρίς να ληφθεί υπόψη η κατάσταση φόρτισης του ΣΑΕ, στην αρχή και το τέλος του εξεταζόμενου διαστήματος, η απόδοση του Υβριδικού Συστήματος (ΥΣ) ήταν: Απόδοση (%) = 100* Κατανάλωση Παραγωγή 76,4 %
Κατανομή της παραγωγής ενέργειας μεταξύ των Φ/Β, των Α/Γ και του Η/Ζ Φ/Β Α/Γ Η/Ζ 3.735 kwh 50 kwh 2.645 kwh
Κατάσταση φόρτισης (state of charge, SoC) του ΣΑΕ Η καταγραφή της εκφόρτισης του ΣΑΕ δεν μπορεί να περιλαμβάνει τις απώλειες τους (self-discharge). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι μετρήσεις να δείχνουν ότι η κάθε φόρτιση του ΣΑΕ να ξεκινάει από διαδοχικά όλο και υψηλότερα DoD και να οδηγεί διαδοχικά σε όλο και υψηλότερα SoFC (και τελικά σε SoFC πολύ υψηλότερα των ονομαστικών τιμών) Για να αντιμετωπιστεί αυτή η κατάσταση, θεωρείται ότι κάθε φόρτιση από το Η/Ζ οδηγεί στο ονομαστικό SoFC και ότι ξεκινά από κατάλληλα χαμηλή τιμή (χαμηλότερη από αυτή που δείχνουν οι μετρήσεις κατά ποσό ίσο με τις απώλειες του ΣΑΕ στο χρονικό διάστημα που μεσολάβησε από την προηγούμενη πλήρη φόρτιση. απώλειες
Κατάσταση φόρτισης (state of charge, SoC) του ΣΑΕ Παρατηρείται ότι με την παραπάνω παραδοχή της πλήρους φόρτισης στην ονομαστική SoFC, κάθε φόρτιση από το Η/Ζ ξεκινάει από το ονομαστικό DoD.
Ισοζύγιο Ενέργειας του Υβριδικού Συστήματος Παραγωγή Κατανάλωση Απώλειες = Μεταβολή της Αποθηκευμένης Ενέργειας στο ΣΑΕ ή GEN ηλεκτρική DEM ηλεκτρική Απώλειες ολικές = SoC τελικό - SoC αρχικό ή Απώλειες ολικές = GEN ηλεκτρική + SoC αρχικό DEM ηλεκτρική SoC τελικό Απώλειες ολικές
Ισοζύγιο Ενέργειας του Υβριδικού Συστήματος η ηλεκτρική = GEN ηλεκτρική Απώλειες ολικές GEN ηλεκτρική = 77,1 % Η τιμή αυτή της απόδοσης περιλαμβάνει την μεταβολή του SoC σε αντίθεση με τον αρχικό υπολογισμό (απόδοση = κατανάλωση/παραγωγή = 76,4 %) και είναι η σωστή. Η μικρή απόκλιση μεταξύ των δύο τιμών (0,7 %) οφείλεται στο μεγάλο διάστημα μελέτης του συστήματος, στη διάρκεια του οποίου η συνολική παραγωγή ενέργειας ήταν περισσότερο από 100 φορές μεγαλύτερη από την αποθηκευτική δυνατότητα του υβριδικού.
Ροή ενέργειας στο Υβριδικό Σύστημα Το 51,1 % της παραγόμενης ενέργειας διέρχεται από τους συσσωρευτές. Από αυτό μόνο το 43,9 % της παραγόμενης ενέργειας εισέρχεται ξανά στο σύστημα, ενώ το υπόλοιπο 7,2 % είτε παρέμεινε στους συσσωρευτές αυξάνοντας το τελικό SoC (σε σχέση με το αρχικό) είτε αποτελεί απώλεια του συστήματος. Από το 76,9 % της παραγόμενης ενέργειας που εισέρχεται στο DC των αντιστροφέων, μόνο το 69,7 % εξέρχεται από το AC προς τα φορτία. Το υπόλοιπο 7,2 % αποτελεί απώλειες. Από το 34,8 % της παραγόμενης ενέργειας που εισέρχεται στο AC των αντιστροφέων, μόνο το 25,6 % εξέρχεται από το DC προς τους συσσωρευτές. Το υπόλοιπο 9,2 % αποτελεί απώλειες.
Ροή ενέργειας στο Υβριδικό Σύστημα (μηνιαίες διακυμάνσεις)
Απώλειες και απόδοση υποσυστημάτων Απώλειες Αντιστροφέων στην κατεύθυνση DC/AC Απώλειες DC/AC = (Φ/Β, Α/Γ και Συσσωρευτές) προς Αντιστροφείς Αντιστροφείς προς Κατανάλωση ως ποσοστό της ενέργειας που φθάνει στην DC είσοδο (ως ποσοστό της ολική παραγωγής ενέργειας του Υ/Σ) Απόδοση Αντιστροφέων στην κατεύθυνση DC/AC η DC/AC = (Φ/Β, Α/Γ και Συσσωρευτές) προς Αντιστροφείς Απώλειες DC/AC (Φ/Β, Α/Γ και Συσσωρευτές) προς Αντιστροφείς μέση τιμή 91,1 %
Απώλειες και απόδοση υποσυστημάτων Απώλειες Αντιστροφέων στην κατεύθυνση AC/DC Απώλειες AC/DC = Η/Ζ προς Αντιστροφείς - Αντιστροφείς προς Συσσωρευτές ως ποσοστό της ενέργειας που φθάνει στην AC είσοδο (ως ποσοστό της ολική παραγωγής ενέργειας του Υ/Σ) Απόδοση Αντιστροφέων στην κατεύθυνση AC/DC η DC/AC = Η/Ζ προς Αντιστροφείς Απώλειες AC/DC H/Z προς Αντιστροφείς μέση τιμή 74,1 %
Απώλειες και απόδοση υποσυστημάτων Απώλειες Συσσωρευτών Απώλειες συσσωρευτών = Προς Συσσωρευτές Από Συσσωρευτές - ΔSoC ως ποσοστό της ενέργειας που φθάνει στην AC είσοδο (ως ποσοστό της ολική παραγωγής ενέργειας του Υ/Σ) Απόδοση Συσσωρευτών η συυσωρευτών = Προς Συσσωρευτές - Απώλειες συσσωρευτών Προς Συσσωρευτές μέση τιμή 87,5%
Απώλειες Υβριδικού Συστήματος 22,9 % της παραγόμενης ενέργειας * ως ποσοστό της ενέργειας που φθάνει στην είσοδο του κάθε συστήματος (ως ποσοστό της ολική παραγωγής ενέργειας του Υβριδικού Συστήματος) * ως ποσοστό των συνολικών απωλειών
Απώλειες των Αντιστροφέων Σύμφωνα με τον κατασκευαστή τους, η απόδοση του κάθε αντιστροφέα μεταβάλλεται με την ισχύ στην είσοδο του, όπως φαίνεται στο διάγραμμα: Στην DC/AC ο κάθε αντιστροφέας εξυπηρετεί μία φάση της τριφασικής κατανάλωσης. Με μέση ισχύ φορτίου 3 kw, ο κάθε αντιστροφές λειτουργεί στην περιοχή του 1 kw (απόδοση ~ 90 %). Οι μέσες απώλειες των αντιστροφέων στην κατεύθυνση αυτή είναι 9,5 %. Στην AC/DC ο κάθε αντιστροφέας εξυπηρετεί το ένα τρίτο της ισχύος του Η/Ζ (30/3 = 10kW). Οπότε οι αντιστροφείς στην περίπτωση αυτή λειτουργούν πάνω από το άνω όριο του διαγράμματος και με απώλειες της τάξης του 25 %.
Απόδοση Υβριδικού Συστήματος η ηλεκτρική = (GEN ηλεκτρική ΔSoC) Απώλειες συσσωρευτών Απώλειες DC/AC Απώλειες AC/DC GEN ηλεκτρική μέση τιμή 77,1% Η απόδοση αυξάνεται όσο αυξάνεται η συμμετοχή των Φ/Β (κατά τους θερινούς μήνες), γιατί τις περιόδους αυτές ελαχιστοποιείται η συμμετοχή του Η/Ζ και κατά συνέπεια οι πολύ μεγάλες απώλειες της AC/DC κατεύθυνσης των αντιστροφέων.
Συμπεράσματα Ολική Παραγωγή = 6.430 kwh Φ/Β = 3.735 kwh (57,6 %) Ολική Κατανάλωση = 4.910 kwh Α/Γ = 50 kwh (0,9 %) Η/Ζ = 2.645 kwh (41,5 %) Ολική ενέργεια προς συσσωρευτές = 3.280 kwh (51 %) Απόδοση 77,1 % 22,4 % Συνολικές Απώλειες 6,8 % Αντιστροφείς DC/AC 9,2 % Αντιστροφείς AC/DC 6,4 % Συσσωρευτών Μεγαλύτερη συμμετοχή Α.Π.Ε. Ονομαστική ισχύς Φ/Β & Α/Γ Χωρητικότητα Συσσωρευτών Ελάττωση Συμμετοχής Η/Ζ Ελάττωση Απωλειών Αύξηση Απόδοσης