Μελέτη ειδικών χαρακτηριστικών φωτοβολταϊκών μονάδων και κυψελών καυσίμου σε αυτόνομο ηλεκτρικό σύστημα με συμβατικές και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Authors: Ναξάκης Ιωάννης 
Published: September 2021

Στις μέρες μας δίνεται μεγάλη έμφαση στην ανάπτυξη ηλεκτρικών συστημάτων φιλικών προς το περιβάλλον. Στην κατεύθυνση αυτή γίνεται προοδευτική αντικατάσταση συστημάτων που καταναλώνουν συμβατικές πηγές ενέργειας (όπως το πετρέλαιο) με νέα που ενσωματώνουν ανανεώσιμες πηγές. Αυτόνομα συστήματα παραγωγής και τροφοδοσίας ηλεκτρικής ενέργειας που περιλαμβάνουν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελούν μια ισχυρή εναλλακτική λύση για την παραγωγή μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές. Η ανάγκη βελτιστοποίησης της λειτουργίας αυτών των συστημάτων που απορρέει από την συνθετότατα τους είναι ένα δύσκολο πρόβλημα και η λύση του μπορεί να αποδειχθεί μια πολύ χρονοβόρα διαδικασία. Στο κεφάλαιο Β της διατριβής ερευνάται η απόδοση αυτόνομων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας προτείνοντας πολλές εναλλακτικές υποθέσεις υβριδικών συστημάτων που έχουν διαμορφωθεί, προσομοιωθεί και βελτιστοποιηθεί χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα βελτιστοποίησης για ηλεκτρικά συστήματα με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας “HOMER” το οποίο εξετάζει το ζήτημα κυρίως από οικονομική άποψη. Η μέθοδος εφαρμόστηκε επιτυχώς σε μια τυπική αντιπροσωπευτική περίπτωση ενός συστήματος ισχύος σε ένα χωριό στην Κύπρο που ονομάζεται Χούλου. Οι μεταβλητές σχεδιασμού του συστήματος ήταν συνδυασμοί ανεμογεννητριών, φωτοβολταϊκών μονάδων, γεννητριών ντίζελ, ηλεκτρικών συσσωρευτών και μετατροπέων ισχύος. Η μεθοδολογία βελτιστοποίησης που ακολουθείται από το πρόγραμμα και αφορά πολλά εναλλακτικά σενάρια είναι η ανάλυσης ευαισθησίας. Ο τελικός βέλτιστος συνδυασμός μεταβλητών του συστήματος, σχετικά με την ποιότητα και τη σύγκλιση του αποτελέσματος, συγκρίνοντας το αποτέλεσμα της επιλογής του προεγκατεστημένου συστήματος με τα διάφορα εναλλακτικά υβριδικά συστήματα που αναλύθηκαν ήταν το υβριδικό σύστημα φωτοβολταϊκά - γεννήτρια ντίζελ - συσσωρευτές. Βασικός στόχος της προσομοίωσης είναι η ανεύρεση του χαμηλότερου συνολικού καθαρού παρόντος κόστους (NPC) του συστήματος καθώς και η ελαχιστοποίηση του κόστους της καταναλισκόμενης ενέργειας (€/kWh). Ωστόσο η ραγδαία εξάπλωση των φωτοβολταϊκών συστημάτων εγείρει επιπλέον ουσιαστικά ερωτήματα σε σχέση με το πλαίσιο προστασίας τους κατά την λειτουργία τους και ιδιαίτερα κάτω από αντίξοες καιρικές συνθήκες όπως είναι ένα κεραυνικό γεγονός. Τα ζητήματα της προστασίας των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων που ενσωματώνουν φωτοβολταϊκές μονάδες είναι επίσης ένα από τα αντικείμενα έρευνας της παρούσας διατριβής. Στο πλαίσιο αυτό στο κεφάλαιο Γ της διατριβής διερευνάται η απόδοση λειτουργίας ενός συστήματος προστασίας από κεραυνούς που είναι εγκατεστημένο σε ένα φωτοβολταϊκό πάρκο μετά από μια πιθανή εμφάνιση κεραυνού. Έτσι εξετάστηκε η μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας (συστήματος γείωσης) ενός φωτοβολταϊκού πάρκου εγκατεστημένου στην Κύπρο, για μια σειρά από πιθανά ενδεχόμενα εμφάνισης κεραυνικών πληγμάτων, μέσω της προσομοίωσης τους στο ATP-EMTP λαμβάνοντας υπ’ όψη το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν είχαν σκοπό να προσεγγιστεί η συμπεριφορά ενός συστήματος γείωσης σε μεταβατικά φαινόμενα (όπως είναι οι υπερτάσεις που επάγονται στο σύστημα λόγω κεραυνών). Στο κεφάλαιο Δ της διατριβής διερευνώνται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά διαφόρων φωτοβολταϊκών μονάδων (PV modules), έπειτα από δοκιμές καταπόνησης τους με υψηλές κρουστικές τάσεις σε εσωτερικό εργαστηριακό περιβάλλον. Τέτοιες υπερτάσεις ενδέχεται να παρουσιαστούν σε πραγματικές φωτοβολταϊκές μονάδες (PV modules) εξωτερικών-υπαίθριων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων με συνηθέστερα αίτια εμφάνισης τους τις πτώσεις κεραυνών (άμεσα ή έμμεσα κεραυνικά πλήγματα) ή τα σφάλματα των διακοπτικών στοιχείων του δικτύου που μπορούν να προκαλέσουν ιδιαίτερα απότομες μεταβολές στην τάση του (π.χ. διακοπτικά στοιχεία ή στοιχεία μεταγωγής). Τα αποτελέσματα/συμπεράσματα που εξάγονται από αυτήν την μελέτη μπορούν κατόπιν να συσχετιστούν με αντίστοιχα προβλήματα που ανακύπτουν σε ήδη υλοποιημένα/εγκατεστημένα ή υπό κατασκευή φωτοβολταϊκά συστήματα. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών σε ξεχωριστές φωτοβολταϊκές μονάδες διαφορετικών κατασκευαστών (των 5 Wp και 195 Wp). Αναπαρήχθη το ενδεχόμενο εμφάνισης υπερτάσεων κοντά στις μονάδες αυτές, υλοποιώντας διάφορα σενάρια “ακραίων καταστάσεων”, μικρότερης ή και μεγαλύτερης επικινδυνότητας για τις μονάδες αυτές.Πριν και αφότου υποβληθούν οι φωτοβολταϊκές μονάδες σε δοκιμές με κρουστικές τάσεις κανονικής (πρότυπης) κυματομορφής (1.2/50 μs), συγκρίνονται οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές τους καμπύλες (ρεύματος-τάσης (I-V) και ισχύος-τάσης (P-V)) ούτως ώστε να διερευνηθεί και να επιβεβαιωθεί εάν οι φωτοβολταϊκές μονάδες αυτές εξακολουθούν να διατηρούν τα ονομαστικά τους ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (ρεύμα, τάση και ηλεκτρική ισχύς) και μετά την εφαρμογή αυτών των τάσεων. Έλεγχος διενεργήθηκε επί των αποτελεσμάτων του χαρακτηρισμού των φωτοβολταϊκών μονάδων ο οποίος και πραγματοποιήθηκε σε διαδοχικά χρονικά διαστήματα (μικρά ή και μεγαλύτερα) μετά το πέρας των δοκιμών με κρουστική τάση, εξετάζοντας τη πιθανή αναθεώρησή τους. Η συμπεριφορά των καταπονημένων με κρουστική τάση φωτοβολταϊκών μονάδων, μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών, ελέγχθηκε κατ’ επανάληψη ούτως ώστε να διαπιστωθεί αν με την πάροδο του χρόνου συντελείται ανάκτηση μέρους ή του συνόλου των ιδιοτήτων τους (εφόσον υπήρξε κάποια μεταβολή στις ιδιότητες τους λόγω αυτής της καταπόνησης) και ιδιαίτερα στην ισχύ εξόδου τους. Ολοκληρώνοντας τη μελέτη τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τις θεωρητικές εκτιμήσεις, προκειμένου να επιβεβαιωθεί η ορθότητα της προτεινόμενης διαδικασίας.Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της μελέτης μας πάνω στο θέμα της επίδρασης της επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης κεραυνών σε φωτοβολταϊκές μονάδες και για λόγους σφαιρικότερης εξέτασης του ζητήματος, το πείραμα επαναλήφθηκε στο κεφάλαιο Ε της διατριβής σε νέες φωτοβολταϊκές μονάδες εισάγοντας κατά την διεξαγωγή του νέα δεδομένα και παραμέτρους. Ζητούμενο ήταν η ανεύρεση εκείνων των οριακών συνθηκών όπου η πιθανότητα συνολικής κατάρρευσης της μόνωσης των μονάδων καθώς και πρόκλησης σοβαρής ζημιάς στην λειτουργία τους (υποβάθμισης ή ακόμα και τερματισμού της λειτουργίας) θα αυξηθεί σημαντικά. Οι δοκιμές διεξήχθησαν σύμφωνα με το πρότυπο IEC 61730-2: 2009 και την αναθεώρηση αυτού (IEC 61730-2: 2016) επάνω σε μονάδα των 200 Wp. Η απόδοση της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών μονάδων αξιολογείται και πάλι μέσω της χάραξης των I-V και P-V χαρακτηριστικών καμπυλών των υπό δοκιμή μονάδων. Μετά από κάθε καταπόνηση της φωτοβολταϊκής μονάδας ακολουθεί μια λεπτομερής σύγκριση των χαρακτηριστικών της καμπυλών με τις αντίστοιχες καμπύλες μιας μονάδας αναφοράς ομοίων τεχνικών χαρακτηριστικών. Τα δεδομένα ανάγονται στις τυπικές/κανονικές συνθήκες δοκιμών (Standard Test Conditions/STC) σύμφωνα με το πρότυπο IEC 60891: 2009. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στην εξέταση των πιθανών πηγών εγγενών σφαλμάτων μέτρησης, για την αξιόπιστη σύγκριση μεταξύ της υπό εξέταση (καταπονούμενης με κρουστική τάση) μονάδας και της μονάδας αναφοράς. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επιβολή κρουστικής τάσης πάνω στην φωτοβολταϊκή μονάδα των 200 Wp, για τάσεις εντός των ορίων που επιβάλλονται από το IEC 61730-2: 2016 (δηλαδή έως τάση κορυφής 12 kV), δεν προκαλεί υποβάθμιση της λειτουργίας της μονάδας (δεν επηρεάζει την παραγόμενη ισχύ εξόδου της μονάδας ούτε προξενεί οιαδήποτε μηχανική υποβάθμιση της). Ενδιαφέρον αποτελεί το γεγονός ότι η συνέχιση της προαναφερθείσας διαδικασίας δοκιμών με κρουστική τάση, αυξάνοντας όμως το πλάτος της εφαρμοζόμενης τάσης, δεν προκαλεί υποβάθμιση της λειτουργίας της για επιβαλλόμενες κρουστικές τάσεις πλάτους τουλάχιστον έως και 35 kV. Τέλος, πραγματοποιούνται δοκιμές σε διάκενο “ακίδα - φωτοβολταϊκή μονάδα” (αξιοποιώντας μια μονάδα των 195 Wp) οι οποίες έχουν ως στόχο την προσομοίωση άμεσων κεραυνικών πληγμάτων επάνω στη μονάδα. Κατόπιν γίνεται αξιολόγηση των συνεπειών αυτού του τύπου δοκιμών επάνω στην μονάδα (όσον αφορά την μονωτική ικανότητα της μονάδας καθώς και την αντοχή και την λειτουργία των ηλιακών της κύτταρων). Από τα πειράματα προέκυψε ότι για να υποστεί η μονάδα των 195 Wp καταστροφικές συνέπειες, τόσο ηλεκτρικές όσο θερμικές και μηχανικές απαιτείται επιβολή επί του στοιχείου κρουστικής τάσης πλάτους 144 kV.Στο κεφάλαιο ΣΤ της διατριβής μελετάται η απόδοση μίας συστοιχίας κυψελών καυσίμου (Fuel Cell/FC), χαμηλής πίεσης τύπου PEM (Proton Exchange Membrane) και ισχύος 1.2 kWp, σε βηματικές αλλαγές του φορτίου (χαρακτηριστική λειτουργία των FC σε εφαρμογές αυτόνομων συστημάτων). Αρχικά η ηλεκτρική συμπεριφορά του PEMFC διερευνήθηκε μέσω της χαρακτηριστικής του καμπύλης V-I (τάσης - ρεύματος) που προκύπτει από την βηματική αλλαγή στο φορτίο. Καταρχάς οι βηματικές αλλαγές που εφαρμόστηκαν στο φορτίο επηρέασαν την ηλεκτροχημική αντίδραση/διεργασία έχοντας ως αποτέλεσμα την μεταβολή των τιμών σημαντικών παραμέτρων του συστήματος όπως η θερμοκρασία, η πίεση και οι απαιτήσεις για τον καθαρισμό των κυψελών (purge cell). Οι ανωτέρω τιμές μετρήθηκαν και καταχωρήθηκαν με σκοπό εν συνεχεία να αξιολογηθούν. Κατόπιν η λειτουργία του συστήματος υπό συγκεκριμένο φορτίο προσομοιώθηκε στο Matlab/Simulink με στόχο τον έλεγχο της ροής ισχύος και την βελτίωση της απόδοσης. Τέλος, τόσο τα πειραματικά αποτελέσματα όσο και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αξιολογήθηκαν, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι οι ρυθμιστικές μονάδες (PCUs), όπως οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς και τα φίλτρα, είναι απαραίτητες για την ομαλή και βέλτιστη λειτουργία του συστήματος. Στο κεφάλαιο Ζ της διατριβής μελετάται ο τρόπος με τον οποίο οι απαιτήσεις ενός φορτίου μπορούν να καλυφθούν (για όσο το δυνατόν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα) μέσω μίας συστοιχίας κυψελών καυσίμου τύπου ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell/PEMFC) που τροφοδοτείται με υδρογόνο το οποίο βρίσκεται σε MHCs (κάνιστρα/φιάλες) Υδριδίου Μετάλλου (Metal Hydride Canisters/MHCs). Η ανταλλαγή θερμότητας είναι η παράμετρος που καθορίζει το ρυθμό με τον οποίο το υδρογόνο μπορεί να αντληθεί από ένα MHC. Η βελτίωση του ρυθμού ανταλλαγής θερμότητας είναι σημαντικός παράγοντας για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού εφαρμογών που ενσωματώνουν επιλογές αποθήκευση ενέργειας (υδρογόνου) σε MHCs. Ως εκ τούτου, μελετήθηκε ένα σύστημα PEMFC-MHCs μέσω της παρακολούθησης των μεταβλητών του (θερμοκρασία, πίεση και κατανάλωση καυσίμου) στον χρόνο καθώς και μέσω της καταγραφής των ηλεκτρικών του χαρακτηριστικών (τάση, ρεύμα και ισχύς) για διάφορα εξεταζόμενα φορτία. Μετά την ενσωμάτωση ενός εναλλάκτη θερμότητας (HExch) πάνω στα MHCs, οι μεταβλητές του συστήματος επανυπολογίστηκαν και συγκρίθηκαν με τις προηγηθείσες μετρήσεις στοχεύοντας στην διαμόρφωση ενός πιο αποδοτικού συστήματος PEMFC-MHCs. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική αύξηση της ικανότητας των MHCs στο να παρέχουν για αρκετά μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, σε σχέση με πριν, το ζητούμενο υδρογόνο για την κάλυψη των αναγκών του φορτίου. Απώτερος στόχος των παραπάνω μελετών είναι η μερική αντικατάσταση των τυπικών συσσωρευτών στα συστήματα που περιλαμβάνουν αποθήκες ενέργειας (π.χ. σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα) με συστήματα FC-MHCs ως εναλλακτικές βοηθητικές πηγής ενέργειας λόγω των συγκριτικών πλεονεκτημάτων που αυτά τα συστήματα παρουσιάζουν σε σχέση με τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές.Τέλος στο κεφάλαιο Η της διατριβής διερευνώνται οι πιο πρόσφατες εξελίξεις στο ζήτημα των τεχνικών ανίχνευσης και αποτροπής “νησιδοποίησης” (islanding) για συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας κατανεμημένης παραγωγής (Distributed Generation/DG) όπως είναι για παράδειγμα τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Οι τεχνικές αυτές μπορούν να ταξινομηθούν σε απομακρυσμένες ή τοπικές. Οι τοπικές τεχνικές μπορούν περαιτέρω να διαχωριστούν σε παθητικές και ενεργητικές τεχνικές. Σε αυτό το τμήμα της διατριβής δίνεται επίσης αναλυτική περιγραφή της μεθόδου ανίχνευσης νησιδοποίησης “Διακύμανσης Αέργου Ισχύος” (Reactive Power Variation/RPV), εφαρμόζοντας μια παραλλαγή της μεθόδου στο πρόγραμμα προσομοίωσης EMTP. Η ιδιαιτερότητα της μεθόδου που εφαρμόζεται σε σχέση με την πιο κλασσική μέθοδο της “bilateral” αμφίπλευρα διακοπτόμενης διακύμανσης άεργου ισχύος (IB-RPV) είναι ότι η άεργος ισχύς που παράγεται σε κάθε περίοδο είναι είτε θετική είτε αρνητική και όχι και προς της δύο κατευθύνσεις.