Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11589
Title: Ανάλυση και προσομοίωση αυτόνομου συστήματος ανεμογεννήτριας μπαταρίας (με σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας)
Authors: Πρελορέντζος, Γεώργιος Αγαπητός
Keywords: Ανεμογεννήτριες
Ανάλυση συστήματος
Keywords (translated): Wind turbines
System analysis
Abstract: 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.
Abstract (translated): The increasing demands for energy combined with the expected depletion of fossil fuels, upon which the energy production relies on mostly, and the evolution of renewable energy technologies create a trend for increasing renewable energy installations worldwide. Wind power has many important advantages among the other renewable energy sources. Wind power provides the opportunity for producing clean energy either by building wind power parks that can supply a large number of cosnsumers’ electricity needs, either by building standalone wind power systems to provide consumers located far from the public grid with electricity. Standalone wind power systems, usually are using a second energy source like solar panels or diesel generators in order to be able to feed the electrical needs with sufficient energy even in days with low speed wind. In that case, energy saving banks can be quite small leading to lower installation costs. Wind energy in fact stems from solar energy, as wind power is due to wind and wind itself is created because of uneven heating of the atmosphere different layers. The global wind energy potential is sufficient to feed double the world energy need if it were completely used. However, in the present only a small fraction of it is being used. Wind generators are installed in order to produce power from wind. Wind generator were first used in the ancient years, although in a more simple form. The wind generator wings rotate thanks to the air kinetic energy. This movement is then transmitted in form of mechanical energy to a generator that produces electricity. There are two wind generator types· with horizontal and with vertical axis. The horizontal axis ones are dominating since they gather interesting benefits comparing to the vertical axis ones. 11 The wind generator is connected to the grid via converters or/and transformers that regulate the produces electricity so that it lies within such limits that much the grid’s characteristics. Large scale wind power systems are connected to the public grid via control modules. These are intermitted in order to ensure that the produced energy characteristics like voltage and frequency lie between the public grid limits. Moreover, filters are also intermitted in order to alleviate harmonic distortions coming from the grid side or from the wind power system side A standalone wind power system was simulated in Matlab R2017b, using the Simulink program and the Simscape Power Systems add in library. The system consists of two distinct subsystems· the wind generator and the battery and battery charging system. The wind generator axis is mechanically connected to a permanent magnet synchronous generator which produces three phase AC power. The generator output is connected to full three arms rectifier that converts AC to DC power. Then comes a DC to AC inverter that converts DC power to AC and feeds a three phase RLC load. A two directions DC to DC converter is connected in parallel in the DC bus. This converter is due to charge and discharge the battery. Power can flow in both direction to and from the battery depending on the battery state of charge, the produced energy and the load needs. If the battery is charged and the load needs are bigger than the wind generator production, power flows from the battery to the load. If the load needs are less than the wind generator production and the battery is not fully charged, power flows towards the battery, in order to charge it, and towards the load to cover the electricity demands.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Διπλωματική final .pdf2.55 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons