ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Διπλωματική Εργασία

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: Παπατσίρου Ιωάννη του Χρήστου Αριθμός Μητρώου: 8169 Θέμα: «ΑΝΑΛΥΣΗ Α.Π.Ε. ΜΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ, ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ, ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ Ή ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ» Επιβλέπων: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2017

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΑΝΑΛΥΣΗ Α.Π.Ε. ΜΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ, ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ, ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ Ή ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Παπατσίρου Ιωάννη του Χρήστου Αριθμός Μητρώου: 8169 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο Επιβλέπων: Ο Διευθυντής του Τομέα: Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: «ΑΝΑΛΥΣΗ Α.Π.Ε. ΜΕ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ, ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ, ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ Ή ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ». Φοιτητής: ΙΩΑΝΝΗΣ ΠΑΠΑΤΣΙΡΟΣ Επιβλέπων: ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ

Περίληψη Δύο από τα κυριότερα προβλήματα που πλήττουν τον πλανήτη και σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ρύπανση του περιβάλλοντος και η συνεχής μείωση των διαθέσιμων ορυκτών πόρων. Τα ζητήματα αυτά αποτέλεσαν τη βάση για να στραφούν τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας σε νέες πηγές ενέργειας που είναι ανεξάντλητες και φιλικές προς το περιβάλλον, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. 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 τόσο σε αυτόνομη όσο και σε διασυνδεδεμένη λειτουργία. Το συγκεκριμένο σύστημα, αποτελείται από ένα φωτοβολταϊκό, μία ανεμογεννήτρια με σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, ένα τοπικό ωμικό φορτίο και ένα συσσωρευτή στον οποίο αποθηκεύεται η ενέργεια που περισσεύει από την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται μετατροπείς ισχύος για να επιτευχθεί ο έλεγχος του συστήματος. 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 2 ο κεφάλαιο αναλύεται η λειτουργία όλων των δομικών στοιχείων του συστήματος. Ειδικότερα, παρατίθενται η δομή και τα βασικά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών, των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των συσσωρευτών. Όσον αφορά την ανεμογεννήτρια, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στη σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη μιας και στο πείραμα μας χρησιμοποιήθηκε μια τέτοια μηχανή. Το 3 ο 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. Στο 4 ο 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. Με παρόμοιο τρόπο έχει δομηθεί και το 5 ο κεφάλαιο που αφορά τη διασύνδεση του συστήματος με το εθνικό δίκτυο. Οι εξισώσεις που αφορούν τη λειτουργία του συστήματος είναι παρόμοιες με αυτές της αυτόνομης, ενώ η τεχνική του ελέγχου που εφαρμόστηκε παραμένει ίδια. Η βασική διαφορά των δύο αυτών τρόπων λειτουργίας, είναι οι διαφορετικές τιμές αναφοράς που έχουν οριστεί. Τέλος, στο 6 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τελικά αποτελέσματα της προσομοίωσης τόσο του αυτονόμου, όσο και του διασυνδεδεμένου συστήματος, όπως αυτά προέκυψαν με τη χρήση του προγράμματος λογισμικού 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.

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 can be in isolated or in islanded mode. This system includes one photovoltaic, one wind turbine with permanent magnet synchronous machine, one ohmic feed load and one battery in which the energy that excess from the load needs can be stored. In addition, it uses power converters which are responsible for the control of the system. 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 of wind turbines, photovoltaic panels and batteries. With regard to the wind turbine wind turbine, particular emphasis was put on wind turbine with permanent magnet synchronous machine as this type was used in our case. 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. The 5 th Chapter, which refers to the interconnection of the system with the grid, has been structured in a similar way. The equations relating to the operation of the system are similar to those of the stand-alone system, while the applied control technique remains the same. The basic difference between these two modes of operation is the different reference values that have been set. Finally, the 6 th 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.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή, κύριο Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε στην ανάθεση της συγκεκριμένης εργασίας αλλά και για την καθοδήγηση και τις κρίσιμες συμβουλές του κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της. Επίσης, θέλω να ευχαριστήσω τους διδακτορικούς φοιτητές του Τμήματος μας Δέσποινα Μακρυγιώργου, Κωνσταντίνο Κρομμύδα και Δήμητρα Μακρυγιώργου για όλο το χρόνο τους που μου αφιέρωσαν και την πολύ σημαντική βοήθεια που μου παρείχαν όλο αυτό το διάστημα που συνεργαστήκαμε. Ακόμη, θέλω να ευχαριστήσω πολύ τους φίλους μου που όλα αυτά τα χρόνια με βοήθησαν με τον τρόπο τους και με στήριξαν σε κρίσιμα σημεία της φοιτητικής μου πορείας. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω ξεχωριστά τους γονείς μου, Χρήστο και Μάνθα, και τον αδερφό μου, Βασίλη, για την αγάπη και τη βοήθεια που μου έχουν χαρίσει όλα τα χρόνια της ζωής μου αλλά και τη σημαντική τους συμβολή στη μέχρι σήμερα πορεία μου.

Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο... 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ... 1 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.2 ΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ... 2 1.3 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Α.Π.Ε.)... 3 1.3.1 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ Α.Π.Ε.... 3 1.3.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ... 7 1.3.3 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ... 8 1.4 ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ... 9 1.4.1 ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 11 1.4.2 ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 13 1.4.3 ΒΑΣΙΚΗ ΜΟΡΦΗ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ... 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο... 16 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 16 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 16 2.2 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ... 17 2.2.1 ΔΟΜΙΚΑ ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ... 18 2.2.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ... 20 2.2.3 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ... 28 2.2.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ... 30 2.3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ... 32 2.3.1 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ... 32 2.3.2 ΔΟΜΙΚΑ ΜΕΡΗ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 33 2.3.3 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ... 34 2.3.4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ I-V... 35 2.3.5 ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ... 36 2.3.6 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ... 37 2.4 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ... 37 2.4.1 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ [55][56]... 38 2.4.2 ΔΟΜΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ... 39 2.4.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ... 39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο... 42 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΙΣΧΥΟΣ... 42

3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 42 3.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΙΣΧΥΟΣ... 43 3.2.1 AC/DC ΑΝΟΡΘΩΤΗΣ... 46 3.2.2 DC/AC ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ... 48 3.2.3 DC/DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ... 49 3.2.4 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 50 3.3 ΤΕΧΝΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΕΥΡΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ (PWM)... 51 3.4 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ PARK... 55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο... 59 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕ Φ/Β, Α/Γ, ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ... 59 4.1 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΟΝ ΠΑΝΩ ΚΛΑΔΟ... 61 4.2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΟΝ ΠΑΝΩ ΚΛΑΔΟ... 64 4.3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΟΝ ΚΑΤΩ ΚΛΑΔΟ... 67 4.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΟΝ ΚΑΤΩ ΚΛΑΔΟ... 70 4.5 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο... 76 ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕ Φ/Β, Α/Γ, ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟΠΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΣΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ.. 76 5.1 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΟΝ ΠΑΝΩ ΚΛΑΔΟ... 77 5.2 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΟΝ ΠΑΝΩ ΚΛΑΔΟ... 78 5.3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΟΝ ΚΑΤΩ ΚΛΑΔΟ... 80 5.4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΟΝ ΚΑΤΩ ΚΛΑΔΟ... 82 5.5 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο... 87 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ... 87 6.1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΕ ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ... 87 6.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΕ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ... 100 6.3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ... 110 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 112

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όλες οι δραστηριότητες του ανθρώπου είναι συνυφασμένες με την έννοια της ενέργειας. Ιστορικά, η όλο και μεγαλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων ενεργειακών πόρων έχει οδηγήσει στην βελτίωση του βιοτικού επίπεδου του ανθρώπου και στην εξέλιξη του ανθρωπίνου είδους γενικά. 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. [1] Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο, αναφέρονται οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια, δίνεται ο ακριβής ορισμός τους και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που εμφανίζουν. Επιπλέον, περιγράφονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά της Κατανεμημένης Παραγωγής και των μικροδικτύων, που αποτελούν έννοιες άρρηκτα συνδεδεμένες με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο τέλος, αναλύονται μονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας που χρίζουν ευρείας χρήσης στα μικροδίκτυα. 1

1.2 ΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Τις τελευταίες δεκαετίες, λόγω της μεγάλης τεχνολογικής εξέλιξης που σημειώθηκε καθώς και της μεγάλης αύξησης του πληθυσμού της Γης, οι ενεργειακές ανάγκες αυξήθηκαν δραματικά. Μέχρι πριν λίγα χρόνια, οι ανάγκες αυτές καλύπτονταν πλήρως από την εξαγωγή ορυκτών καυσίμων, κάτι που δεν μπορούσε να συνεχιστεί αενάως. Έτσι λοιπόν, κατά τη διάρκεια της ενεργειακής κρίσης τη δεκαετία του 1970, όταν και αυξήθηκε η τιμή του πετρελαίου, πρωτοεμφανίστηκε η έννοια του ενεργειακού προβλήματος. [2] Η ουσία του προβλήματος αυτού βρίσκεται στην εξάρτηση μεταξύ των εξαντλούμενων ενεργειακών αποθεμάτων και των συνεχώς αυξανόμενων ενεργειακών απαιτήσεων. Ο κίνδυνος ανεπάρκειας των διαθέσιμων πόρων, η αύξηση της τιμής των παραγώγων πετρελαίου αλλά και μια σειρά από οικονομικούς και πολιτικούς παράγοντες αποτελούν τις βασικές συνιστώσες αυτού του παγκόσμιου ζητήματος. Στους παραπάνω παράγοντες έρχεται να προστεθεί και ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα που εμφανίζουν οι συμβατικές πηγές ενέργειας. Όπως είναι γνωστό, η καύση ορυκτών καυσίμων επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με την απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα αλλά και άλλων επιβλαβών ουσιών, όπως οξείδια του θείου, οξείδια του αζώτου, διοξείδιο του θείου και διαφόρων οξέων (νιτρικά, θειικά, ανθρακικά). Οι εκπομπές αυτές είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνες για το σχηματισμό της όξινης βροχής καθώς και του φαινομένου του θερμοκηπίου που με τη σειρά του αυξάνει τη θερμοκρασία της Γης και οδηγεί σε τήξη των πάγων, αύξηση της στάθμης της θάλασσας και σε σοβαρές κλιματικές αλλαγές. Επιπλέον, οι ραδιενεργές ουσίες και η τέφρα που παράγονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων επηρεάζουν σημαντικά την ανθρώπινη υγεία. Τέλος, εκτός από τα παράγωγα της καύσης, μεγάλες περιβαλλοντικές συνέπειες προκαλούνται και από τις μεθόδους εξόρυξης του άνθρακα που χρησιμοποιούνται. [2][3][4] Όλοι αυτοί οι λόγοι, φανερώνουν την ανάγκη ελαχιστοποίησης της παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα και τη στροφή της αγοράς σε πρωτοπόρες και 2

βιώσιμες τεχνικές. Τα τελευταία χρόνια, φαίνεται πως η κοινή γνώμη και μεγάλες εταιρείες έχουν ευαισθητοποιηθεί, κάτι που καθιστά τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έναν πολύ σημαντικό και αξιόπιστο τρόπο παραγωγής ενέργειας για το μέλλον. 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 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. Τα τελευταία χρόνια η Ευρωπαϊκή Ένωση και πολλά κράτη υιοθετούν νέες πολιτικές για τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας προάγοντας έτσι την ανάπτυξη τους στο εσωτερικό τους. Σε παγκόσμιο επίπεδο η παραγωγή από ανανεώσιμες, παρότι έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, δεν αξιοποιείται αρκετά ακόμη. Αναμένεται ωστόσο μέχρι το 2040 να φτάσει το 40% της παγκόσμιας παραγωγής. [5] 1.3.1 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ Α.Π.Ε. Οι κυριότερες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι οι ακόλουθες: Αιολική ενέργεια [5][6] : είναι η ενέργεια που παράγεται από την εκμετάλλευση του ανέμου. Η εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας έχει ξεκινήσει από τα αρχαία χρόνια (χρήση ιστιοφόρων) ενώ πολύ αργότερα εφευρέθηκε ο ανεμόμυλος. Στη σημερινή εποχή η αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας γίνεται 3

με τη χρήση ανεμογεννητριών που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική. Σχήμα 1.1: Αιολικό πάρκο με ανεμογεννήτριες. [7] Ηλιακή ενέργεια [5][6] : χαρακτηρίζεται το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο, όπως είναι το φως ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα ή θερμική ενέργεια καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Η εκμετάλλευση της επιτυγχάνεται με τρεις τρόπους: α) με παθητικά ηλιακά συστήματα, β) με ενεργητικά ηλιακά συστήματα και γ) με φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα δύο πρώτα συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που παράγεται από την ηλιακή ακτινοβολία, ενώ τα φωτοβολταϊκά στηρίζονται στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Στην Ελλάδα, λόγω της υψηλής ηλιοφάνειας, η ηλιακή ενέργεια είναι ευρέως γνωστή και χρησιμοποιείται σε πολλές εγκαταστάσεις. Σχήμα 1.2: Φωτοβολταϊκά πλαίσια [8] 4

Γεωθερμική ενέργεια [9] : είναι η φυσική θερμική ενέργεια της Γης που διαρρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού. Η θερμότητα αυτή αντλείται είτε με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια είτε με ρεύματα μεταφοράς που βρίσκονται στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Λόγω των τεράστιων ποσοτήτων θερμότητας που διαθέτει η Γη, η γεωθερμία θεωρείται ανεξάντλητη πηγή. Ανάλογα με την τιμή της θερμοκρασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θέρμανση χώρων, ψύξη και κλιματισμό, ιχθυοκαλλιέργειες, αγροτικές ή βιομηχανικές εργασίες και θερμά λουτρά. Σχήμα 1.3: Γεωθερμικές πηγές [10] Υδροηλεκτρική ενέργεια [4][6] : 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 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. 5

Σχήμα 1.4: Το υδροηλεκτρικό φράγμα του Tucurui. [11] Ενέργεια από βιομάζα [12] : Με τον συγκεκριμένο όρο αναφερόμαστε στην ενέργεια που προκύπτει από την καύση υλικών που παράγονται από ζωντανούς οργανισμούς. Το καύσιμο της βιομάζας είναι γνωστό και ως πέλετ. Μέσω της φωτοσύνθεσης, τα φυτά μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια που προσλαμβάνουν σε βιομάζα. Η ενέργεια αυτή μεταφέρεται στους ζωικούς οργανισμούς μέσω της τροφικής αλυσίδας, οι οποίοι με τη σειρά τους αποθηκεύουν ένα μέρος της. Η ενέργεια από βιομάζα είναι ίσως η αρχαιότερη και πιο διαδεδομένη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας μιας και ξεκίνησε να χρησιμοποιείται από τους πρώτους ανθρώπους και συνεχίζει μέχρι σήμερα να αξιοποιείται κυρίως από αγροτικούς πληθυσμούς. Σχήμα 1.5: Πέλλετ. [13] Ενέργεια από τη θάλασσα [5][6] : Διακρίνεται στις εξής κατηγορίες: α) Ενέργεια από παλίρροιες, β) Ενέργεια από κύματα, γ) Ενέργεια των ωκεανών. 6

Πιο συγκεκριμένα, η ενέργεια από παλίρροιες εκμεταλλεύεται τη βαρύτητα του ήλιου και της σελήνης που οδηγεί σε ανύψωση της στάθμης του νερού. Το νερό συσσωρεύεται καθώς ανεβαίνει η στάθμη του, και για να ξανακατέβει αναγκάζεται να περάσει μέσω μιας τουρμπίνας, παράγοντας έτσι ηλεκτρισμό. Όσον αφορά την ενέργεια των κυμάτων, αυτή εκμεταλλεύεται την ορμή και την επακόλουθη κινητική ενέργεια που εμφανίζουν τα κύματα. Με την κίνηση του κύματος συμπιέζεται ο αέρας εντός του θαλάμου του συστήματος κυματικής ενέργειας με αποτέλεσμα να περιστρέφεται η τουρμπίνα και να παράγεται ηλεκτρισμός από τη γεννήτρια. Τέλος, η ενέργεια των ωκεανών στηρίζεται στη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των στρωμάτων του ωκεανού και βρίσκεται ακόμη υπό μελέτη. Σχήμα 1.6: Σύστημα κυματικής ενέργειας. [14] 1.3.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Τα πλεονεκτήματα της χρήσης ανανεώσιμων πηγών συνοψίζονται στους παρακάτω τομείς [5][6] : Περιβάλλον. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα των ανανεώσιμων πηγών είναι πως αποτελούν μια μέθοδο παραγωγής ενέργειας που είναι φιλική τόσο προς το περιβάλλον όσο 7

και ως προς τον άνθρωπο μιας και έχει μηδενικές εκπομπές και απόβλητα. Επιπρόσθετα, είναι ανεξάντλητες πηγές ενέργειας που συμβάλουν στην ανεξαρτητοποίηση των αναγκών μας από τους συμβατικούς ρυπογόνους ενεργειακούς πόρους. Οικονομία. Συνεισφέρουν σε σημαντικό βαθμό στο τομέα της απασχόλησης, μιας και δημιουργούν πολλές θέσεις εργασίας ιδιαίτερα σε τοπικό επίπεδο. Με τον ίδιο τρόπο, μπορούν να αποτελέσουν ευκαιρία για την ανάπτυξη υποβαθμισμένων και επαρχιακών περιοχών. Επιπλέον, έχουν σχετικά μικρό λειτουργικό κόστος και αποτελούνται από απλό εξοπλισμό με μεγάλη διάρκεια ζωής. Τέλος, οι επιχορηγήσεις και οι διευκολύνσεις που παρέχονται από τις περισσότερες κυβερνήσεις, κάνουν πιο εύκολη την περαιτέρω εξάπλωση τους. Ενέργεια και αυτάρκεια. Μπορούν να βοηθήσουν στην ενεργειακή αυτάρκεια μικρών χωρών, αλλά και να αποτελέσουν μια εναλλακτική αγορά από αυτή του πετρελαίου. Ακόμη, αποτελούν ευέλικτες μορφές που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογα με τις τοπικές ανάγκες μιας περιοχής, αποφεύγοντας έτσι κόστη μεταφοράς σε μεγάλες αποστάσεις, αλλά και την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής. Επιπλέον, είναι διάσπαρτες γεωγραφικά εγκαταστάσεις, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα αποκεντροποίησης του ενεργειακού συστήματος μια χώρας. Το γεγονός αυτό ανακουφίζει τα συστήματα υποδομής και μειώνει τις απώλειες λόγω μεταφοράς. 1.3.3 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ένα σημαντικό μειονέκτημα των ανανεώσιμων πηγών είναι ο σχετικά μικρός συντελεστής απόδοσης τους (μέχρι 44% για τα φωτοβολταϊκά και 59% για τα αιολικά πάρκα). Αυτό αποτελεί ένα βασικό παράγοντα για τον οποίο μέχρι σήμερα αποτελούν συμπληρωματική και όχι βασική πηγή ενέργειας για μεγάλα αστικά κέντρα. [5][6] 8

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, τα κέντρα ελέγχου είναι υπεύθυνα ώστε να ελέγχουν την ποιότητα και την αξιοπιστία της ηλεκτρικής ενέργειας που μεταφέρεται. [6] Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια η συγκεκριμένη δομή των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας φαίνεται να αλλάζει, μιας και όλο και περισσότερο προτιμάται η εγκατάσταση μονάδων Κατανεμημένης (ή Διανεμημένης) Παραγωγής στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας Μέσης και Χαμηλής Τάσης. 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. Ο όρος της Κατανεμημένης (ή Διανεμημένης) Παραγωγής (Distributed Generation- DG) αναφέρεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε τοπικό επίπεδο, κοντά στα φορτία. 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 9

και οι μονάδες αποθήκευσης ενέργειας όπως είναι οι ηλεκτρικοί συσσωρευτές, οι σφόνδυλοι, τα υπεραγώγιμα πηνία και οι πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας. 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] 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] 10

1.4.1 ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στα μικροδίκτυα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν μονάδες παραγωγής ενέργειας είτε συμβατικές είτε ανανεώσιμες πηγές, των οποίων όμως η συνολική ισχύς δεν θα ξεπερνά τα λίγα MW. Βασικό κριτήριο για την επιλογή των μονάδων παραγωγής είναι οι περιβαλλοντικές συνθήκες και ο φυσικός πλούτος της περιοχής που πρόκειται να γίνει η εγκατάσταση του μικροδικτύου. Παρακάτω, περιγράφονται οι βασικότερες μονάδες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενέργειας στα μικροδίκτυα. [15][16] Φωτοβολταϊκά (Photovoltaic-PV). Με τη χρήση ηλιακών κυττάρων ή φωτοβολταϊκών στοιχείων, επιτυγχάνεται η απευθείας μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Η μετατροπή αυτή, στηρίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Πιο συγκεκριμένα, τα ηλιακά κύτταρα αποτελούνται από δύο στρώσεις ημιαγωγού (μία τύπου p και μία τύπου n) οι οποίες βρίσκονται σε επαφή. Κατά την πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργούνται ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων, τα οποία διαχωρίζονται λόγω της ύπαρξης ενός φράγματος δυναμικού στο ηλιακό κύτταρο. Ο διαχωρισμός αυτός οδηγεί στην εμφάνιση διαφοράς δυναμικού στα άκρα του κυττάρου και στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η πρακτική απόδοση ενός φωτοβολταϊκού κυμαίνεται από 13-15% και τα τελευταία χρόνια η χρήση του έχει αυξηθεί αισθητά. Ανεμογεννήτριες (WindTurbines-WT). Χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Τα βασικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας είναι τα πτερύγια, ο δρομέας, η γεννήτρια και ο μηχανισμός μετάδοσης της κίνησης. Ειδικότερα, όταν η αιολική ενέργεια προσπίπτει στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας, η κινητική ενέργεια των πτερυγίων μεταφέρεται στο δρομέα της γεννήτριας, που με τη σειρά της παράγει ηλεκτρική ενέργεια στην έξοδο της. Πολλές ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν κιβώτιο ταχυτήτων στη δομή τους ώστε να αυξάνουν ή να μειώνουν την κινητική ενέργεια του δρομέα. Οι ανεμογεννήτριες διακρίνονται σε κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα ανάλογα με τη θέση του δρομέα και σε ανεμογεννήτριες 11

σταθερών ή μεταβλητών στροφών ανάλογα με την ταχύτητα του. Η πιο συνηθισμένη μορφή στις μέρες μας, είναι οριζόντιου άξονα με τρία πτερύγια, ενώ μια μέση ανεμογεννήτρια έχει ισχύ εξόδου της τάξης των 2-3 MW. Κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells). Αποτελούν διατάξεις που μετατρέπουν την χημική ενέργεια του καυσίμου σε DC ηλεκτρική ενέργεια. Ειδικότερα, οι κυψέλες αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια, την άνοδο και την κάθοδο, και από μια διαχωριστική μεμβράνη. Μεταξύ της μεμβράνης και των ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώμα καταλύτη του οποίου το είδος ποικίλει. Όταν το καύσιμο, το οποίο τροφοδοτεί την άνοδο, έρθει σε επαφή με τον καταλύτη διαχωρίζεται σε ιόντα υδρογόνου (H+) και ηλεκτρόνια. Η διαχωριστική μεμβράνη επιτρέπει τη διέλευση των ιόντων ενώ αποτρέπει τη μεταφορά των ηλεκτρονίων, και τα αναγκάζει να μεταφερθούν στην κάθοδο μέσω εξωτερικού κυκλώματος. Τα θετικά ιόντα που έχουν περάσει τη μεμβράνη, ενώνονται με τα ηλεκτρόνια που μεταφέρθηκαν εκεί και με το οξυγόνο που τροφοδοτεί την κάθοδο. Έτσι λοιπόν, παράγεται νερό, από την ένωση του υδρογόνου με το οξυγόνο, και εμφανίζεται διαφορά δυναμικού η οποία προκάλεσε τη ροή ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα. Η συγκεκριμένη μέθοδος εμφανίζει υψηλή απόδοση (40-80%), είναι αρκετά αξιόπιστη και ιδιαίτερα φιλική προς το περιβάλλον. Έχει αξιοποιηθεί στην παραγωγή οχημάτων με κινητήρες υδρογόνου, παρόλα αυτά η χρήση της είναι περιορισμένη λόγω του υψηλού κόστους της και της ελλιπούς υποδομής για παροχή υδρογόνου. Σχήμα 1.7: Διάγραμμα λειτουργίας fuel cell. [17] 12

Μικροστρόβιλοι (Microturbines). 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. 1.4.2 ΜΟΝΑΔΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σε ένα μικροδίκτυο, εκτός των μονάδων παραγωγής, μεγάλο ενδιαφέρον εμφανίζουν οι μονάδες αποθήκευσης της ενέργειας. Ειδικότερα, κατά την αυτόνομη λειτουργία ενός ηλεκτρικού συστήματος, οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, ανάλογα με τη στάθμη φόρτισης τους, μπορούν να καλύπτουν τις ανάγκες των φορτίων. Παρακάτω, συνοψίζονται οι βασικές κατηγορίες των μονάδων αποθήκευσης ενέργειας που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. [6][16][18][19] Ηλεκτροχημικές: όπως διάφορα είδη μπαταριών και συσσωρευτές ροής που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική. Ηλεκτρικές-Ηλεκτρομαγνητικές: όπως συστήματα αποθήκευσης μαγνητικής ενέργειας σε υπερ-πυκνωτές και σε υπεραγώγιμα υλικά. Μηχανικές: όπως οι σφόνδυλοι και οι μηχανισμοί αποθήκευσης μέσω συμπίεσης του αέρα. Θερμικές: διατάξεις που αποθηκεύουν ποσά θερμότητας και ανάλογα με τις απαιτήσεις, παράγουν ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. Η επιλογή του κατάλληλου τρόπου αποθήκευσης ενέργειας καθορίζεται από την περιοχή της εγκατάστασης και από τα χαρακτηριστικά του εκάστοτε συστήματος. 13

Από τις συγκεκριμένες τεχνολογίες, οι μπαταρίες, οι υπερ-πυκνωτές και οι σφόνδυλοι είναι πιο διαδεδομένοι και αξιοποιούνται περισσότερο στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας 1.4.3 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] 14

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] 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. 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σύστημα που μελετάται στην παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνει μια ανεμογεννήτρια, ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, μια συστοιχία συσσωρευτών και το τοπικό φορτίο που πρέπει να καλυφθεί. Όπως θα αναλυθεί και στα επόμενα κεφάλαια, το συγκεκριμένο σύστημα λειτουργεί τόσο σε διασυνδεδεμένη λειτουργία όσο και σε αυτόνομη. Πιο συγκεκριμένα, το σχήμα που αναπαριστά το υπό μελέτη σύστημα είναι το ακόλουθο: Σχήμα 2.1: Δομή υπό μελέτη συστήματος. Στο παρόν κεφάλαιο θα αναλυθεί η δομή και τα βασικά χαρακτηριστικά των μονάδων που απαρτίζουν το σύστημα που ερευνάται. 16

2.2 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Οι ανεμογεννήτριες είναι μηχανές μετατροπής της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα τελευταία χρόνια, ο τομέας των ανεμογεννητριών έχει γνωρίσει μεγάλη οικονομική και τεχνολογική άνθηση. Τα οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη τους έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας, έχουν οδηγήσει στη διαρκή εξάπλωση τους. Ειδικότερα, οι ανεμογεννήτριες μπορούν να παράγουν μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς να επιβαρύνουν το περιβάλλον, μιας και η αιολική ενέργεια αποτελεί «καθαρή» μορφή ενέργειας. Επιπλέον, χαρακτηρίζονται από υψηλή αποδοτικότητα, καθώς μια ανεμογεννήτρια μπορεί να παράγει 17 με 39 φορές περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει. [20] Στον αντίποδα, το μικρότερο κόστος των συμβατικών μονάδων αλλά και η εξάρτηση της παραγωγής των ανεμογεννητριών από τις καιρικές συνθήκες αποτελούν δύο σημαντικούς οικονομικούς παράγοντες που υστερούν οι ανεμογεννήτριες. Επιπλέον, οι διακυμάνσεις που μπορεί να προκαλούνται στο δίκτυο από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών, είναι ένα ακόμη μειονέκτημα, το οποίο όμως μπορεί να αντιμετωπισθεί με την εξάπλωση των αιολικών πάρκων και την διασύνδεση τους στο δίκτυο. [2][3][20] 17

2.2.1 ΔΟΜΙΚΑ ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Σχήμα 2.2: Δομή ανεμογεννήτριας [21] Σήμερα, οι ανεμογεννήτριες που χρησιμοποιούνται περισσότερο, είναι οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα με τρία πτερύγια. Τα τελευταία χρόνια έχει βελτιωθεί αισθητά η αεροδυναμική των ανεμογεννητριών, συμβάλλοντας τόσο στην αποδοτικότερη λειτουργία τους όσο και στη βελτίωση της εμφάνισης τους. Οι μηχανές που εμφανίζουν τη μεγαλύτερη εμπορική επιτυχία, αποτελούνται από τρία πτερύγια και έχουν μέση ισχύ περίπου 2.3 MW. Μια ανεμογεννήτρια, σαν αυτή της εικόνας αποτελείται από τα εξής μέρη: [2][3][22][23][24] 1. Δρομέας ή Ρότορας (Rotor): Είναι από τα πιο βασικά στοιχεία της ανεμογεννήτριας. Αποτελείται από τα πτερύγια (blades) τα οποία στερεώνονται στην πλήμνη (hub). 2. Πτερύγια (Blades): Κατασκευάζονται από αλουμίνιο και από σύνθετα υλικά. Έχουν αεροδυναμική μορφή ώστε να εκμεταλλεύονται στο έπακρο την άνωση του ανέμου. Με την κίνηση του ανέμου, περιστρέφουν τον δρομέα της ανεμογεννήτριας, με αποτέλεσμα να μετατρέπεται η κινητική ενέργεια σε μηχανική. Ο έλεγχος της ανεμογεννήτριας καθορίζει τα όρια της ταχύτητας περιστροφής των 18

πτερυγίων. Μια τυπική ταχύτητα περιστροφής είναι 5 μέχρι 20 στροφές το λεπτό (rpm). 3. Βήμα πτερυγίου (Pitch): Τα πτερύγια της ανεμογεννήτριας έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται ώστε να ελέγχεται η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα, σε περιπτώσεις πολύ ισχυρού ή πολύ ασθενούς ανέμου. 4. Φρένο (Break): Έχει σαν σκοπό να περιορίσει την ταχύτητα του ρότορα σε έκτακτες περιπτώσεις. 5. Άξονας χαμηλών στροφών (Low-speed shaft): Αποτελεί τον άξονα του ρότορα. Συνδέει την πλήμνη με το κιβώτιο ταχυτήτων, ώστε οι στροφές του ρότορα να συμβαδίζον με τις ανάγκες της γεννήτριας. 6. Κιβώτιο ταχυτήτων (Gearbox): Συνδέει τον άξονα χαμηλών στροφών με τον άξονα υψηλών στροφών της γεννήτριας. Ο σκοπός του είναι να αυξάνει τις στροφές του ρότορα (5-20 rpm) στο αριθμό στροφών που λειτουργεί η γεννήτρια (750-3600 rpm). Αξίζει να σημειωθεί πως πολλές ανεμογεννήτριες του εμπορίου, δεν περιλαμβάνουν κιβώτιο ταχυτήτων στη δομή τους, προσαρμόζοντας τις στροφές αυτόματα, κάτι το οποίο μειώνει το κόστος τους και το μέγεθος της ατράκτου. 7. Άξονας υψηλών στροφών (High-speed shaft): Αποτελεί ουσιαστικά τον άξονα της γεννήτριας. 8. Γεννήτρια: Σε αυτήν μετατρέπεται η μηχανική ενέργεια περιστροφής του ρότορα σε ηλεκτρική. Συνήθως στην έξοδό της συνδέεται με ένα μετασχηματιστή που μετατρέπει την τάση στα επιθυμητά επίπεδα. 9. Ελεγκτής (Controller): Είναι μία συσκευή που εκκινεί η τερματίζει τη λειτουργία της ανεμογεννήτριας ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. 10. Ανεμόμετρο (Anemometer): Είναι ένα όργανο που καταγράφει την ταχύτητα του ανέμου και ενημερώνει τον ελεγκτή. 11. Ανεμοδείκτης (Wind vane): Είναι ένα όργανο που εντοπίζει την κατεύθυνση του ανέμου και ενημερώνει τον ελεγκτή. Επιπλέον ρυθμίζει το μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου. 19

12. Μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου (Yaw drive): Είναι ένας μηχανισμός που προσανατολίζει την ανεμογεννήτρια κάθε στιγμή, ώστε να δέχεται κάθετα τον άνεμο. 13. Κινητήρας μηχανισμού περιστροφής (Yaw motor): Είναι ο κινητήρας που τροφοδοτεί τον μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου. 14. Άτρακτος (Nacelle): Βρίσκεται στην κορυφή της ανεμογεννήτριας και στο εσωτερικό της βρίσκεται το κιβώτιο ταχυτήτων, η γεννήτρια και όλοι οι μηχανισμοί που καθορίζουν την συμπεριφορά της ανεμογεννήτριας. 15. Πύργος (Tower): Στον πύργο στηρίζεται η άτρακτος. Έχει κυλινδρική μορφή και συνήθως είναι κατασκευασμένη από χάλυβα. Όσο πιο ψηλός είναι ο πύργος, επιτρέπει τον εγκλωβισμό περισσότερης αιολικής ενέργειας, με αποτέλεσμα να παράγεται περισσότερη ηλεκτρική ισχύς. Στο εσωτερικό των πύργων, υπάρχει μια σκάλα και ένας ανυψωτήρας που διευκολύνει τα συνεργεία συντήρησης της ανεμογεννήτριας. 2.2.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Με την πάροδο των χρόνων, η μορφή των ανεμογεννητριών έχει αλλάξει αρκετά και έχουν δοκιμασθεί πολλά διαφορετικά σχέδια, μέχρι να καταλήξουμε στη σημερινή τους μορφή. Στη σημερινή εποχή οι ανεμογεννήτριες διακρίνονται με βάση τη θέση του άξονα τους, το πλήθος των πτερυγίων και την ταχύτητα περιστροφής τους. Έτσι λοιπόν, οι ανεμογεννήτριες διακρίνονται, ως προς τη θέση του άξονα τους, σε κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα διακρίνονται με τη σειρά τους, με βάση το πλήθος των πτερυγίων τους, σε μονοπτέρυγες, διπτέρυγες, τριπτέρυγες και πολυπτέρυγες. Τέλος, ανάλογα με την ταχύτητα περιστροφής, έχουμε τις ανεμογεννήτριες σταθερών και μεταβλητών στροφών. Παρακάτω, περιγράφονται εκτενώς τα διάφορα είδη ανεμογεννητριών και τα βασικά χαρακτηριστικά της κάθε κατηγορίας. 20

Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. [3][25] Στις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα, ο άξονας περιστροφής τους είναι κατακόρυφος προς τη ροή του ανέμου και κάθετος προς το έδαφος. Το μηχανικό έργο που παράγεται μεταφέρεται μέσω του κατακόρυφου άξονα στο έδαφος, όπου εδράζεται η γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το βασικό πλεονέκτημα αυτών των ανεμογεννητριών είναι ότι μπορούν να αξιοποιήσουν τον άνεμο ανεξαρτήτως της κατεύθυνσης του και έτσι δεν απαιτείται η περιστροφή του δρομέα. Επιπλέον, η γεννήτρια και το κιβώτιο ταχυτήτων βρίσκονται στη βάση των ανεμογεννητριών κάτι που καθιστά πιο εύκολη την τοποθέτηση και τη συντήρηση τους και μειώνει το κόστος και την πολυπλοκότητα της κατασκευής τους. Από την άλλη μεριά, ένα σημαντικό μειονέκτημα των μηχανών αυτών, είναι ότι εμφανίζουν πολύ υψηλή ροπή εκκίνησης με αποτέλεσμα να χρειάζονται εξωτερική παρέμβαση για να λειτουργήσουν. Έτσι λοιπόν, στην αρχή συμπεριφέρονται ως κινητήρες και τραβούν μεγάλα ποσά ρεύματος από το δίκτυο. Επίσης, λόγω του μικρού μεγέθους τους δεν μπορούν να εκμεταλλεύονται ανέμους υψηλών ταχυτήτων, κάτι που οδηγεί σε χαμηλό συντελεστή απόδοσης της συγκεκριμένης κατηγορίας ανεμογεννητριών. Οι κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι οι Darrieus και Savonius. Οι μηχανές τύπου Darrieus εμφανίζουν δυσκολία στην εκκίνηση αλλά υψηλό συντελεστή απόδοσης, σε αντίθεση με τις μηχανές τύπου Savonius που ενώ εκκινούν εύκολα, είναι λιγότερο αποδοτικές. Στο σχήμα 2.3 φαίνονται φωτογραφίες των δύο συγκεκριμένων τύπων. 21

(α) (β) Σχήμα 2.3: (α) Ανεμογεννήτρια τύπου Darrieus, (β) Ανεμογεννήτρια τύπου Savonius. [26][27] Στον αντίποδα, έχουμε τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα, στις οποίες ο άξονας βρίσκεται παράλληλα στην επιφάνεια της Γης και συνήθως παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου. Η δομή μιας τέτοιας ανεμογεννήτριας αναλύθηκε διεξοδικά στην υποενότητα 2.2.1. Όπως γίνεται αντιληπτό από τη συγκεκριμένη ανάλυση, τα βασικά τμήματα μιας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα είναι η γεννήτρια, το κιβώτιο ταχυτήτων και οι μηχανισμοί προσανατολισμού της μηχανής. Όλα αυτά τα δομικά στοιχεία της ανεμογεννήτριας, συνεπάγονται αύξηση του κόστους αλλά και δυσκολία στην κατασκευή. Παρόλα αυτά, η μεγάλη εμπορική επιτυχία της συγκεκριμένης ανεμογεννήτριας, αποδεικνύει πως τα συγκεκριμένα μειονεκτήματα, αντισταθμίζονται από τα πλεονεκτήματα της μορφής αυτής. Ειδικότερα, οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα λόγω του σύγχρονου σχεδιασμού τους, χαρακτηρίζονται από υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή και εύκολη συναρμολόγηση. Όμως το πιο σημαντικό τους πλεονέκτημα, είναι η ικανότητα περιστροφής τους αλλά και το μεγάλο ύψος τους, που τους επιτρέπει να αξιοποιούν την ενέργεια του ανέμου στο μέγιστο βαθμό. [25] 22

Όπως αναλύθηκε παραπάνω, οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα κατηγοριοποιούνται με βάση το πλήθος των πτερυγίων τους, σε μονοπτέρυγες, διπτέρυγες, τριπτέρυγες και πολυπτέρυγες. Τα δύο πρώτα είδη δεν εξελίχθηκαν αρκετά καθώς παρότι έχουν μικρότερο κόστος από τις άλλες, εμφανίζουν προβλήματα εξισορρόπησης των δυνάμεων κατά την περιστροφή. Από την άλλη, οι πολυπτέρυγες ανεμογεννήτριες χαρακτηρίζονται από μεγάλη στιβαρότητα. Πιο συγκεκριμένα, ως στιβαρότητα ο λόγος το συνολικού εμβαδού των πτερυγίων προς το εμβαδόν που διαγράφουν τα πτερύγια κατά την περιστροφή τους και για τις μηχανές οριζόντιου άξονα ισχύει η σχέση: [2][3] όπου n ο αριθμός των πτερυγίων. Οι συγκεκριμένες μηχανές είναι πιο οικονομικές και πιο απλές στην κατασκευή και τη συντήρηση τους. Χρησιμεύουν για λειτουργίες που απαιτείται μεγάλη ροπή εκκίνησης καθώς αρχίζουν να περιστρέφονται μόνοι τους όταν ξεκινά να φυσάει ο άνεμος. Λόγω αυτής της ιδιότητας, είναι ιδανικές για αγροτικές χρήσεις, όπως π.χ. η άντληση υδάτων. Το βασικό μειονέκτημα του συγκεκριμένου τύπου μηχανών είναι οι υψηλές αεροδυναμικές απώλειες που εμφανίζουν και η επακόλουθη μείωση του συντελεστή ισχύος C p, με αποτέλεσμα να μην μπορούν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. [2] Καταλήγουμε επομένως στις ανεμογεννήτριες τριών πτερυγίων, που είναι και αυτές που χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα βασικά τους πλεονεκτήματα, είναι η ομοιόμορφη κατανομή του αεροδυναμικού φορτίου που τις καθιστά αρκετά σταθερές, αλλά και η μικρή στιβαρότητα που εμφανίζουν. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουν υψηλό συντελεστή ισχύος C p. Όλοι οι παραπάνω λόγοι δικαιολογούν την πολύ μεγάλη χρήση της ανεμογεννήτριας τριών πτερυγίων στην σημερινή παραγωγή ηλεκτρισμού. 23

Σχήμα 2.4: Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα τριών πτερυγίων. [28] Ανεμογεννήτριες σταθερών και μεταβλητών στροφών. Οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών διατηρούν τη ταχύτητα του δρομέα σταθερή, χωρίς να επηρεάζεται από την ταχύτητα του ανέμου. Οι μηχανές σταθερών στροφών είναι κατά βάση επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού και διασυνδέονται απευθείας στο δίκτυο, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.5. Σχήμα 2.5: Επαγωγική μηχανή συνδεδεμένη στο δίκτυο. [3] 24

Ένας σημαντικός λόγος που προτιμάται η επαγωγική μηχανή είναι ότι αποτελεί μια αξιόπιστη και σχετικά οικονομική επιλογή. Εκτός αυτού όμως, η επαγωγική μηχανή εμφανίζει ορισμένες μηχανικές ιδιότητες που είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για μια ανεμογεννήτρια. Για παράδειγμα, λόγω της ολίσθησης που εμφανίζει επιτυγχάνεται ομαλή σύνδεση της μηχανής με το δίκτυο, ενώ ακόμη λόγω σθεναρότητας συμπεριφέρεται ικανοποιητικά σε περιπτώσεις υπερφορτώσεων. Ένα ακόμη θετικό χαρακτηριστικό της επαγωγικής γεννήτριας είναι η χαμηλή στάθμη θορύβου των πτερυγίων στις χαμηλές συχνότητες λειτουργίας του ρότορα. Από την άλλη, το πιο σοβαρό μειονέκτημα της επαγωγικής μηχανής, είναι η κατανάλωση άεργου ισχύος, η οποία μεγαλώνει όσο αυξάνεται η παραγωγή ενεργού ισχύος. Για την αντιστάθμιση της παραγόμενης άεργου ισχύος, χρησιμοποιούνται συστοιχίες παράλληλων πυκνωτών που τείνουν να βελτιώσουν το συντελεστή ισχύος (cosφ). Ορισμένες κατασκευαστικές εταιρείες, τοποθετούν σε μια ανεμογεννήτρια δύο επαγωγικές μηχανές, μια μικρή για χαμηλές ταχύτητες ανέμου και μία μεγαλύτερη για υψηλότερες ταχύτητες. Ένας άλλος σχεδιασμός που συχνά χρησιμοποιείται, είναι η επαγωγική γεννήτρια με μεταβαλλόμενους πόλους, στις οποίες μεταβάλλεται το πλήθος των πόλων της μηχανής και επακόλουθα η ταχύτητα περιστροφής. Το κατά πόσο αξίζει ή όχι η υιοθέτηση των παραπάνω σχεδιασμών στην εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτριας, σχετίζεται με τα οικονομικά δεδομένα της συγκεκριμένης επένδυσης αλλά και με τα ανεμολογικά δεδομένα της περιοχής που πρόκειται να γίνει η εγκατάσταση. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών (variable speed wind turbines) χρησιμοποιούν διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος έτσι ώστε να μπορούν να μεταβάλλουν την ταχύτητα τους, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, αλλά και να ρυθμίζουν την άεργο ισχύ τους καταφέρνοντας να βελτιώσουν την ποιότητα της ενέργειας που παράγουν. Ακόμη, όταν εμφανιστεί ριπή ανέμου, ο ρότορας των μηχανών αυτών περιστρέφεται πιο γρήγορα, με αποτέλεσμα το ενεργειακό 25

πλεόνασμα να αποθηκεύεται με τη μορφή κινητικής ενέργειας μέχρι το σύστημα να επανέλθει στη φυσιολογική του λειτουργία. Αυτή η ιδιότητα αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα των ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών καθώς σε συνδυασμό με τη χρήση του ελέγχου βήματος σε επαγωγικές γεννήτριες, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπεράσει την ονομαστική της τιμή, ενεργοποιείται ο μηχανισμός ελέγχου και δίνει εντολή για αύξηση της ολίσθησης της μηχανής, μείωση της ταχύτητας του ρότορα και περιστροφή των πτερυγίων εκτός της κατεύθυνσης του ανέμου. Η διαδικασία αυτή αντιστρέφεται ένα για κάποιο λόγο η ταχύτητα του ανέμου μειωθεί ξαφνικά. Με τον τρόπο αυτό, ρυθμίζεται η ταχύτητα και η ροπή της μηχανής ενώ επιπλέον μειώνονται οι διακυμάνσεις της παραγόμενης ενέργειας. Παρόλα αυτά, λόγω της υψηλής ολίσθησης της μηχανής, εμφανίζονται μεγάλες απώλειες και μειώνεται ο συντελεστής απόδοσης. [3][59] Στις επαγωγικές μηχανές, επιδιώκεται η μεταβολή της αντίστασης του δρομέα, ώστε να μεταβληθεί η ολίσθηση και κατά επέκταση η ταχύτητα της μηχανής. Συνήθως, χρησιμοποιείται επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) στην οποία η αντίσταση ρυθμίζεται με παθητικά στοιχεία ή με οπτικά ελεγχόμενο μετατροπέα. Με το συγκεκριμένο τρόπο, η ολίσθηση της μηχανής μπορεί να αυξηθεί έως και 10%. Για να επιτευχθεί η συμβατότητα της μηχανής με το δίκτυο, αλλά και για να αντισταθμιστεί η άεργος ισχύς χρησιμοποιούνται παράλληλοι πυκνωτές και ο προοδευτικός εκκινητής. Επιπλέον, προτιμάται η οπτική σύνδεση της εξωτερικής αντίστασης ώστε να αποφευχθεί η χρήση ψηκτρών ή δακτυλίων ολίσθησης που κοστίζουν περισσότερο και απαιτούν μεγαλύτερη συντήρηση. Παρακάτω φαίνεται η τοπολογία ενός τέτοιου συστήματος. [3][59] Σχήμα 2.5: Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και μεταβλητή αντίσταση δρομέα. [29] 26

Στο σχήμα 2.6 φαίνεται μια διαφορετική τοπολογία ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών, όπου χρησιμοποιείται επαγωγική γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) διπλής τροφοδοσίας. Όπως φαίνεται και στο σχήμα, τα τυλίγματα του δρομέα είναι συνδεδεμένα σε ένα μετατροπέα ac/dc/ac με μεταβλητή συχνότητα. Μέσω του μετατροπέα αυτού μεταφέρεται ισχύς από το δρομέα στο δίκτυο. Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι πως λόγω της σύνδεσης του μετατροπέα με το δρομέα, επιτυγχάνεται αντιστάθμιση και έλεγχος της άεργου ισχύος και ομαλή διασύνδεση με το δίκτυο. Έτσι αποφεύγεται η χρήση του προοδευτικού εκκινητή και της συστοιχίας των πυκνωτών. Το εύρος ταχύτητας της ανεμογεννήτριας είναι ±30% γύρω από τη σύγχρονη και εξαρτάται από το μέγεθος του μετατροπέα. [3] Σχήμα 2.6: Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα διπλής τροφοδοσίας. [29] Στη διάταξη που ακολουθεί στο σχήμα 2.7, η γεννήτρια συνδέεται με το δίκτυο μέσω ενός ανορθωτή που βρίσκεται εν σειρά με έναν αντιστροφέα. Με τη συνδεσμολογία αυτή επιτυγχάνεται έλεγχος της άεργου ισχύος και βελτίωση της ποιότητας της ενέργειας που παρέχεται στο δίκτυο. Επιπλέον, επειδή ο μετατροπέας έχει τη δυνατότητα να χειρίζεται τη συνολική ενέργεια, το εύρος των ταχυτήτων φθάνει έως και το 100% της ονομαστικής. [3] 27

Σχήμα 2.7: Ανεμογεννήτρια μεταβλητής ταχύτητας με επαγωγική μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα διπλής τροφοδοσίας σε σειρά με ανορθωτή και αντιστροφέα. [29] 2.2.3 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ Στην συγκεκριμένη υποενότητα γίνεται η ανάλυση της σύγχρονης μηχανής με μόνιμο μαγνήτη, η οποία και χρησιμοποιείται στο μοντέλο που ερευνήθηκε με την παρούσα διπλωματική εργασία. Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί αύξηση της χρήσης των συγκεκριμένων μηχανών λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που εμφανίζει. [3] Στις σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη, ο όρος «σύγχρονη» αναφέρεται στο γεγονός ότι ο δρομέας και το μαγνητικό πεδίο περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Όπως όλες οι μηχανές, αποτελείται από δύο βασικά μέρη: το στάτη και το δρομέα. Στην περίπτωση αυτών των μηχανών, το μαγνητικό πεδίο που απαιτείται για να λειτουργήσει παράγεται από το δρομέα, στον οποίο βρίσκεται πλήθος μόνιμων μαγνητών. (PMSG). [3][30] Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η τομή μιας τέτοιας γεννήτριας. 28

Σχήμα 2.8: Σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη. [31] Σχετικά με τη χρήση των μηχανών μόνιμου μαγνήτη υπάρχουν πολλές αμφιλεγόμενες απόψεις. Από τη μία μεριά, υπάρχουν πολλοί υποστηρικτές λόγω του γεγονότος πως λειτουργούν σε υψηλό συντελεστή ισχύος και εμφανίζουν υψηλό βαθμό απόδοσης. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην έλλειψη του τυλίγματος διέγερσης η οποία ισοδυναμεί σε απουσία απωλειών. Επιπλέον, λόγω της έλλειψης τυλίγματος διέγερσης, οι μηχανές αυτές δεν χρειάζεται να χρησιμοποιούν ψήκτρες και δαχτυλίδια στο δρομέα τους. Χάρις όλων αυτών, δεν απαιτείται συστηματική συντήρηση της μηχανής και αυξάνεται σημαντικά η αξιοπιστία της. Ακόμη, είναι πολύ σημαντικό ότι μπορεί να παραχθεί ενέργεια σε κάθε ταχύτητα ανέμου. Τέλος, αξίζει να τονισθεί πως με τη χρήση μόνιμων μαγνητών επιτυγχάνεται υψηλή πυκνότητα ροής με αποτέλεσμα να μειώνεται το βάρος και ο όγκος της γεννήτριας. [3][30] Στον αντίποδα όλων των παραπάνω, τα υλικά που απαιτούνται για την κατασκευή τέτοιων μηχανών είναι δυσεύρετα, ιδιαίτερα ακριβά και δύσκολα στην επεξεργασία. Το κόστος αυξάνεται κι άλλο λόγω της αναγκαίας χρήσης back-to-back μετατροπέα για την προσαρμογή της τάσης και της συχνότητας της γεννήτριας στις τιμές του 29