Ανάλυση και προσομοίωση αυτόνομου συστήματος ανεμογεννήτριας μπαταρίας (με σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας)

• Κύριος συγγραφέας: Πρελορέντζος, Γεώργιος Αγαπητός
• Άλλοι συγγραφείς: Αλεξανδρίδης, Αντώνιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2018
• Θέματα: Ανεμογεννήτριες; Ανάλυση συστήματος; Wind turbines; System analysis; 621.45

Η αυξανόμενη ανάγκη για ηλεκτρική ενέργεια παγκοσμίως σε συνδυασμό με την προδιαγεγραμμένη εξάντληση των ορυκτών καυσίμων, τα οποία αποτελούν την μεγαλύτερη πηγή ενέργειας, και την εξέλιξη της τεχνολογίας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας οδηγεί στην ολοένα μεγαλύτερη εκμετάλλευση αυτών. Μεταξύ των υπολοίπων, η αιολική ενέργεια συγκεντρώνει σημαντικά πλεονεκτήματα και προσφέρεται για την παραγωγή καθαρής ενέργειας είτε μέσω μεγάλων αιολικών πάρκων τα οποία μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες πολλών καταναλωτών είτε μέσω μικρότερων αυτόνομων συστημάτων τα οποία μπορούν να ηλεκτροδοτήσουν απομακρυσμένες εγκαταστάσεις οι οποίες δεν συνδέονται με το δίκτυο μεταφοράς ενέργειας. Τα αυτόνομα αιολικά συστήματα συνήθως συνδυάζουν ακόμη μία πηγή παραγωγής ενέργειας όπως φωτοβολταϊκά ή γεννήτριες ντίζελ έτσι ώστε να γίνεται καλύτερη κάλυψη της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας τις ημέρες που δεν πνέει αρκετός άνεμος, χωρίς να απαιτείται η εγκατάσταση μεγάλων μονάδων αποθήκευσης ενέργειας. Η αιολική ενέργεια στην πραγματικότητα πηγάζει από την ηλιακή ενέργεια καθώς η πηγή της, ο άνεμος, δημιουργείται χάρη στην ανισοκατανομή της θερμότητας στα διάφορα επίπεδα της ατμόσφαιρας. Το παγκόσμιο αιολικό δυναμικό επαρκεί για να υπερκαλύψει τις ανάγκες ηλεκτρικής ενέργειας αν εκμεταλλευτεί πλήρως, ωστόσο επί του παρόντος εκμεταλλευόμαστε ένα μικρό ποσοστό του. Για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας εγκαθίστανται ανεμογεννήτριες. Αυτές έχουν κάνει την εμφάνισή τους, με πιο απλή μορφή, από την αρχαιότητα. Η ανεμογεννήτρια κινείται χάρη στην κινητική ενέργεια του αέρα. Η κίνηση αυτή μεταδίδεται με τη μορφή μηχανικής ενέργειας σε μία γεννήτρια η οποία παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Υπάρχουν δύο ειδών ανεμογεννήτριες· οριζόντιου και κάθετου άξονα, με τις πρώτες να έχουν εγκατασταθεί ευρέως καθώς εμφανίζουν καλύτερα συγκριτικά χαρακτηριστικά. 8 Η ανεμογεννήτρια συνδέεται στο δίκτυο μέσω μετατροπέων ή/και μετασχηματιστών που εξασφαλίζουν ότι το παραγόμενο ρεύμα είναι ομαλό και εντός των επιθυμητών ορίων έτσι ώστε να ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά του δικτύου. Στα αυτόνομα αιολικά συστήματα χρησιμοποιούνται μονάδες αποθήκευσης ενέργειας έτσι ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα ακόμη και αν δεν πνέει επαρκής άνεμος. Η ανεμογεννήτρια συνδέεται στα φορτία μέσω μετατροπέα AC/DC/AC ενώ στο DC τμήμα του μετατροπέα συνδέεται παράλληλα η μονάδα αποθήκευσης μέσω DC/DC μετατροπέα. Με αυτό τον τρόπο εξασφαλίζεται η αμφίδρομη ροή ρεύματος από την ανεμογεννήτρια προς τα φορτία και τη μπαταρία, όταν η παραγόμενη ενέργεια είναι μεγαλύτερη από τη ζήτηση, και από τη μπαταρία προς τα φορτία όταν η παραγόμενη ενέργεια είναι μικρότερη από τη ζήτηση. Οι μονάδες αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να είναι διαφόρων τύπων μπαταρίες, οι οποίες έχουν χαμηλό βαθμό απόδοσης καθώς η τεχνολογία τους δεν έχει εξελιχθεί εξίσου ομαλά με αυτή των υπολοίπων μερών των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, εξελιγμένες κυψέλες καυσίμου οι οποίες είναι πολλά υποσχόμενες, ή εναλλακτικές μορφές αποθήκευσης όπως ο σφόνδυλος, στην περίπτωση της ανάγκης για μικρή ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας. Για τη σύνδεση στο δίκτυο, στην περίπτωση των αιολικών πάρκων, ή στα φορτία, στην περίπτωση των αυτόνομων ή υβριδικών αιολικών συστημάτων, μεσολαβούν διατάξεις ελέγχου, που εξασφαλίζουν ότι τα επίπεδα τάσης και συχνότητας είναι εντός ορίων, και διατάξεις από φίλτρα οι οποίες εξαλείφουν τυχόν αρμονικές παραμορφώσεις είτε από την πλευρά του δικτύου είτε από την πλευρά της ανεμογεννήτριας. Έγινε προσομοίωση ενός αυτόνομου αιολικού συστήματος με χρήση λογισμικού Matlab R2017b, του υποπρογράμματος Simulink και της βιβλιοθήκης συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας Simscape. Το σύστημα αποτελείται από δύο επιμέρους υποσυστήματα· την ανεμογεννήτρια και τη διάταξη μπαταρίας και φορτιστή. Ο άξονας της ανεμογεννήτριας συνδέεται σε μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη η οποία παράγει τριφασική εναλλασσόμενη τάση. Ακολουθεί ένας 9 πλήρης ανορθωτής ο οποίο μετατρέπει την τάση σε συνεχή και συνδέεται με έναν DC/AC μετατροπέα, ο οποίος τροφοδοτεί το φορτίο, και με έναν DC/DC μετατροπέα ο οποίος φορτίζει και εκφορτίζει την μπαταρία. Το ρεύμα μπορεί να ρέει και προς τις δύο κατευθύνσεις στον κοινό κόμβο DC ανάλογα με την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας και την παραγόμενη ενέργεια από την γεννήτρια. Αν η μπαταρία είναι φορτισμένη και η ζήτηση από το φορτίο είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή, τότε ρέει ρεύμα από την μπαταρία προς το φορτίο. Αν η ζήτηση από το φορτίο είναι μικρότερη από την παραγωγή της γεννήτριας και η μπαταρία δεν είναι πλήρως φορτισμένη, ρέει ρεύμα από την γεννήτρια προς το φορτίο και προς την μπαταρία. Στα αυτόνομα αιολικά συστήματα χρησιμοποιούνται μονάδες αποθήκευσης ενέργειας έτσι ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα ακόμη και αν δεν πνέει επαρκής άνεμος. Η ανεμογεννήτρια συνδέεται στα φορτία μέσω μετατροπέα AC/DC/AC ενώ στο DC τμήμα του μετατροπέα συνδέεται παράλληλα η μονάδα αποθήκευσης μέσω DC/DC μετατροπέα. Με αυτό τον τρόπο εξασφαλίζεται η αμφίδρομη ροή ρεύματος από την ανεμογεννήτρια προς τα φορτία και τη μπαταρία, όταν η παραγόμενη ενέργεια είναι μεγαλύτερη από τη ζήτηση, και από τη μπαταρία προς τα φορτία όταν η παραγόμενη ενέργεια είναι μικρότερη από τη ζήτηση. Οι μονάδες αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να είναι διαφόρων τύπων μπαταρίες, οι οποίες έχουν χαμηλό βαθμό απόδοσης καθώς η τεχνολογία τους δεν έχει εξελιχθεί εξίσου ομαλά με αυτή των υπολοίπων μερών των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, εξελιγμένες κυψέλες καυσίμου οι οποίες είναι πολλά υποσχόμενες, ή εναλλακτικές μορφές αποθήκευσης όπως ο σφόνδυλος, στην περίπτωση της ανάγκης για μικρή ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας.