Μοντελοποίηση και έλεγχος υβριδικού συστήματος (Φ/Β γεννήτριας και ανεμογεννήτριας μόνιμου μαγνήτη) σε αυτόνομη και παράλληλη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο
Authors: Σκρέτας Σωτήριος 
Published: August 2021

Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) είναι μορφές εκμεταλλεύσιμης ενέργειας που παρέχονται δωρεάν από τη φύση, ανανεώνονται συνεχώς, δεν εξαντλούνται και δεν αντικαθίστανται [1, 2, 3]. Σύμφωνα με τον Ελληνικό Σύνδεσμο Ηλεκτροπαραγωγών από ΑΠΕ η εγκατεστημένη ισχύς ΑΠΕ σήμερα στην Ελλάδα υπολογίζεται στα 1000 MW περίπου, ενώ υπάρχει δυνατότητα μεγάλης αύξησής της, αφού σε ορισμένες θέσεις της χώρας το ηλιακό ή/και το αιολικό δυναμικό είναι ιδιαίτερα πλούσια [4]. Βασικό κίνητρο της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε είναι η επιβεβλημένη πλέον αύξηση των εφαρμογών ΑΠΕ (με τις γνωστές οικονομικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές συνέπειες) μέσω της μελέτης της λειτουργίας υβριδικών ηλεκτρικών συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν φωτοβολταϊκή (Φ/Β) γεννήτρια και ανεμογεννήτρια (Α/Γ) με Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΓΜΜ). Οι δύο αυτές ενεργειακές πηγές αποτελούν ίσως τις πιο ώριμες τεχνολογίες εκμετάλλευσης των ΑΠΕ διεθνώς, οι οποίες τόσο όταν χρησιμοποιούνται χωριστά (σχηματίζοντας μεμονωμένα συστήματα) όσο και όταν συνδυάζονται (σχηματίζοντας υβριδικά συστήματα) ταιριάζουν ικανοποιητικά με τα ελληνικά κλιματολογικά χαρακτηριστικά. Σύμφωνα με τον Ελληνικό Σύνδεσμο Εταιριών Φωτοβολταϊκών οι εγκαταστάσεις Φ/Β συστημάτων στην Ελλάδα το 2007 ήταν 2,475 MW περίπου εκ των οποίων το 68% ήταν διασυνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο και το 32% ήταν αυτόνομα, ενώ σύμφωνα με την Ελληνική Επιστημονική Ένωση Αιολικής Ενέργειας τα τελευταία 5 χρόνια εγκαθίστανται στην Ελλάδα ετησίως κατά μέσω όρο 115 MW αιολικών πάρκων (Α/Π) περίπου ενώ θα πρέπει να εγκατασταθούν κατά ελάχιστο 10000 MW μέχρι το 2020 για να εκπληρωθούν οι ευρωπαϊκές δεσμεύσεις που έχει αναλάβει η χώρα [5, 6]. Έτσι στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή (ΔΔ) αρχικά δόθηκαν κάποια γενικά στοιχεία που αφορούν τις ΑΠΕ (κατηγορίες, μειονεκτήματα-πλεονεκτήματα, κλπ.), και περιγράφηκε ποσοτικά η κατάσταση στην οποία βρίσκεται η τεχνολογική πρόοδος και εφαρμογές τους τόσο στην Ελλάδα όσο και διεθνώς. Η μελέτη επικεντρώθηκε στα συστήματα ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ, όπου αντλώντας στοιχεία από την μέχρι τώρα εμπειρία και τις αναφορές της παγκόσμιας βιβλιογραφίας, περιγράφηκαν: οι πιο δημοφιλείς μορφές/τύποι τους, τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, οι πιο σημαντικές εφαρμογές τους, τα σημεία όπου χρήζουν περαιτέρω έρευνα και βελτίωση, η αρχή λειτουργίας των υποσυστημάτων τους, καθώς και αναφέρθηκαν τα πιο σημαντικά μεγέθη περιγραφής του ηλιακού και αιολικού δυναμικού πιθανής θέσης εγκατάστασής τους. Με βάση αυτά τα μεγέθη προτάθηκε μια συστηματική διαδικασία στατιστικής ανάλυσης του ηλιακού και αιολικού δυναμικού η οποία υλοποιήθηκε μέσω κατάλληλου λογισμικού (υπάρχοντος και αναπτυχθέντος), που εφαρμόστηκε σε συγκεκριμένη θέση σε κτίριο της Πολυτεχνικής Σχολής (ΠΣ) του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης (ΔΠΘ) στην πόλη της Ξάνθης, επιδεικνύοντας/αποδεικνύοντας έτσι την αξιοπιστία, ευελιξία και τις μεγάλες δυνατότητές τους. Στη συνέχεια, δόθηκαν τα πιο ακριβή και αποδεκτά μαθηματικά μοντέλα των διαφόρων υποσυστημάτων των συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ. Τα μοντέλα αυτά επειδή είναι γενικά και προήρθαν από συναφείς εφαρμογές της διεθνούς βιβλιογραφίας προσαρμόστηκαν κατάλληλα για τέτοια χρήση. Παράλληλα, παρουσιάστηκαν μέσω προσομοιώσεων τέτοιας μορφής ηλεκτρικά συστήματα ισχύος τόσο μεμονωμένα όσο και υβριδικά σε αυτόνομη ή παράλληλη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο διανομής. Μάλιστα για να έχει η μελέτη μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον, ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην ανάλυση και μελέτη συστημάτων που εξυπηρετούν συνήθεις εφαρμογές συστημάτων ΑΠΕ (π.χ. οικιστικά ηλεκτρικά συστήματα, συστήματα άντλησης νερού, διασυνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο διανομής συστήματα μικρής και μεσαίας κλίμακας, κλπ.), επιτυγχάνοντας σωστό σχεδίασμά και αποδοτική/οικονομική λειτουργία. Σε όλα τα μελετώμενα συστήματα της παρούσας ΔΔ ελήφθη κατάλληλη μέριμνα ώστε να επιτυγχάνεται, εφαρμόζοντας σύγχρονες τεχνικές ευφυούς δυναμικού ελέγχου (συνδυασμός ασαφούς λογικής και τεχνιτών νευρωνικών δικτύων), μεταφορά μέγιστης ισχύος από τις χρησιμοποιούμενες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας (ΜΜΙ με μεγάλη ταχύτητα, σημαντική ακρίβεια και εξαιρετική σταθερότητα), καθώς και ικανοποίηση των ιδιαίτερων αναγκών και απαιτήσεων τόσο των αυτόνομων ηλεκτρικών φορτίων όσο και του ηλεκτρικού δικτύου διανομής. Τέλος, ο σωστός σχεδιασμός αυτών των συστημάτων επιβεβαιώθηκε με την αποτίμησή τους, από τεχνική/οικονομική/κοινωνικό-περιβαλλοντική πλευρά, με χρήση μιας ολοκληρωμένης/συστηματικής διαδικασίας η οποία εφαρμόστηκε (μέσω κατάλληλα διαμορφωμένου λογισμικού σε περιβάλλον Matlab) σε τέτοιου είδους πρακτικά συστήματα που βρίσκονται εγκατεστημένα σε κτίριο της ΠΣ του ΔΠΘ στην πόλη της Ξάνθης. Επιγραμματικά, στην παρούσα ΔΔ: γίνεται καταρχήν επιστημονική ανασκόπηση των τεχνολογιών ΑΠΕ, αναλύεται λεπτομερώς η τεχνολογία των Φ/Β γεννητριών και Α/Γ με ΣΓΜΜ και τα συστήματα που σχηματίζουν, προτείνεται μια συστηματική και ολοκληρωμένη διαδικασία στατιστικής ανάλυσης του ηλιακού και αιολικού δυναμικού επιλεγμένης θέσης για εγκατάσταση ενεργειακού συστήματος που περιλαμβάνει Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ, περιγράφεται ο τρόπος μοντελοποίησης των διαφόρων υποσυστημάτων των συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ, περιγράφεται μια εφαρμοζόμενη μέθοδος μοντελοποίησης, ελέγχου και προσομοίωσης μεμονωμένων και υβριδικών συστημάτων ισχύος που περιλαμβάνουν Φ/Β γεννήτρια ή/και Α/Γ με ΣΓΜΜ σε αυτόνομη και παράλληλη λειτουργία με ηλεκτρικό δίκτυο διανομής, και αποδεικνύεται ο σωστός σχεδιασμός και η λειτουργία τους μέσω μιας προτεινόμενης γενικής διαδικασίας για την τεχνική/οικονομική/κοινωνικό-περιβαλλοντική αποτίμησή τους. Σε κάθε περίπτωση έχει γίνει συστηματική προσπάθεια για την παραπέρα ανάπτυξη και βελτίωση της τεχνολογίας αυτών των μορφών ΑΠΕ με συμβολή: στην επιβράδυνση του υψηλού ρυθμού εξάντλησης των υφιστάμενων συμβατικών/ορυκτών καυσίμων, στον περιορισμό της περιβαλλοντικής μόλυνσης, στην οικονομική εκμετάλλευση του ηλιακού και αιολικού δυναμικού του πλανήτη, και στη βελτίωση του συντελεστή ισχύος του φορτίου του ηλεκτρικού δικτύου διανομής.