ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΗΧΑΝΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ CSC Χριστίνα Παντελίδου και Ζωή Χασιώτη Επιβλέπων: Δρ Δημήτρης Καλπακτσόγλου

Περίγραμμα Παρουσίασης Δημιουργία κυματικής ενέργειας και τρόποι εκμετάλλευσης της. Παρουσίαση συστημάτων μετατροπής κυματικής ενέργειας. Εξέταση και ανάλυση των σύγχρονων γεννητριών καθώς και συνδεσμολογία αυτών για παραγωγή της μέγιστης δυνατής ηλεκτρικής ενέργειας. Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος και μέγιστη μεταφορά ενέργειας. Προσομοιώσεις, διαγράμματα και τελικά αποτελέσματα.

Τι είναι η κυματική ενέργεια και ποιοι οι τρόποι εκμετάλλευσής της Κυματική ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί μία συμπυκνωμένη μορφή της ηλιακής ενέργειας. Οι άνεμοι, που παράγονται από τη διαφορά θερμάνσεως της γης, περνούν πάνω από ανοικτές υδάτινες μάζες, μεταφέροντας μέρος της ενέργειάς τους για να σχηματίσουν τα κύματα. Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για να εκμεταλλευτούμε την ενέργεια της θάλασσας: από τα κύματα τις παλίρροιες (μικρές και μεγάλες) από τις θερμοκρασιακές διαφορές του νερού

Συστήματα μετατροπής κυματικής ενέργειας Ένα σύστημα κυματικής ενέργειας μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε σημείο στον ωκεανό και να παράγει ενέργεια, μπορεί να είναι αγκυρωμένο στο πυθμένα ή πλωτό ανοιχτά της θάλασσας, ή σύστημα εγκαταστημένο στα παράλια ή στα ρηχά νερά. Κάποια από αυτά είναι : The McCabe Wave Pump., The OPT WEC, The Pellamis, The Archimedes Wave Swing, The Mighty Whale, Salter Duck, Wave Dragon, To σύστημα Swan DK3, AquaBuOY, Crestwing, PowerBuoy, SeaRaser, Dexawave, Wavepiston

Tο σύστημα: Pelamis Είναι μία ημι-βυθισμένη συσκευή με αρθρωτή δομή που αποτελείται από κυλινδρικά τμήματα που συνδέονται με αρθρωτούς δεσμούς. Το κύμα που προκαλείται από την κίνηση αυτών των αρθρώσεων αντιστέκεται με υδραυλικά έμβολα που αντλούν έλαιο υψηλής πίεσης μέσω υδραυλικών κινητήρων μέσω λείανσης των συσσωρευτών. Οι υδραυλικοί κινητήρες κινούν ηλεκτρικές γεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Tα συστήματα : Mighty Whale και OWC Τα συστήματα μετατρέπουν την κυματική ενέργεια σε ηλεκτρική με την χρήση κάθετης στήλης νερού που περικλείεται στο εσωτερικό τους. Κινούνται στην επιφάνεια της θάλασσας, το νερό εισέρχεται στην κάθετη στήλη και κινεί την τουρμπίνα παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Όπως φαίνεται στην αριστερή εικόνα το νερό εισέρχεται από το στόμιο του και αυξάνει την στάθμη του νερού εσωτερικά, ο αέρας κινείται προς τα επάνω και κινεί την τουρμπίνα.

Tο σύστημα :The Archimedes Wave Swing Αυτή η συσκευή αποτελείται από ένα κυλινδρικό, γεμάτο αέρα θάλαμο (ο "πλωτήρας"), ο οποίος μπορεί να κινείται κατακόρυφα σε σχέση με το κυλινδρικό ΄΄Υπόγειο΄΄, το οποίο είναι στερεωμένο στον πυθμένα της θάλασσας. Ωστόσο, ένα κύμα που διέρχεται πάνω από την κορυφή της συσκευής, εναλλακτικά συμπιέζει και αποσυμπιέζει τον αέρα μέσα στο φλοτέρ αλλάζοντας την άνωση. Αυτό προκαλεί τον πλωτήρα να κινηθεί προς τα επάνω και προς τα κάτω σε σχέση με το υπόγειο και είναι αυτή η σχετική κίνηση που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας.

Σύγχρονες Γεννήτριες Οι σύγχρονες γεννήτριες (synchronous generators) είναι σύγχρονες μηχανές που μετατρέπουν μηχανική ενέργεια σε εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια.

Σύγχρονες Γεννήτριες Ισοδύναμα κυκλώματα σύγχρονης γεννήτριας συνδεδεμένης (α) σε αστέρα, (β) σε τρίγωνο.

Συνδεσμολογία γεννητριών για παραγωγή της μέγιστης δυνατής ηλεκτρικής ενέργειας Οι σύγχρονες γεννήτριες μπορούν εύκολα να λειτουργήσουν παράλληλα. Βασικοί λόγοι που επιβάλλουν την παράλληλη λειτουργία είναι η συνεχής και αξιόπιστη εξυπηρέτηση των καταναλωτών, η οικονομία στις επενδύσεις, το χαμηλότερο κόστος λειτουργίας και η αυξημένη ηλεκτρική ευστάθεια του δικτύου.

Συνδεσμολογία γεννητριών για παραγωγή της μέγιστης δυνατής ηλεκτρικής ενέργειας Για να παραλληλίσουμε 2 σύγχρονες γεννήτριες πρέπει να ικανοποιούνται οι παρακάτω συνθήκες: 1) Οι εναλλακτήρες να είναι του ίδιου είδους. 2) Τα πλάτη των πολικών τάσεων στα άκρα των γεννητριών να είναι ίδια. 3) Οι συχνότητες των γεννητριών να είναι ίδιες. 4) Η διαδοχή των φάσεων να είναι η ίδια. 5) Να μην υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ των αντιστοίχων τάσεων.

Τα ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος Στα κυκλώματα ελέγχου των κινητήρων αλλά και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται κάποιες βασικές διατάξεις ημιαγωγικών στοιχείων. Ανάμεσα σε αυτά τα στοιχεία είναι: Η δίοδος ή thyristor επαφών (SCR). Το transistor ισχύος (PTR). Το διπολικό transistor με απομονωμένη πύλη (IGBT). Εμείς θα ασχοληθούμε με τη δίοδο, το transistor ισχύος και τον πλήρη ανορθωτή. Αρχικά θα μελετήσουμε τη δίοδο.

Η δίοδος Δίοδος (diode), είναι το ημιαγωγικό στοιχείο, που σχεδιάστηκε, ώστε να άγει μόνο κατά μία κατεύθυνση. Στο σχήμα βλέπουμε το σύμβολο της διόδου. Αυτό το στοιχείο είναι σχεδιασμένο, ώστε να άγει από την άνοδο προς την κάθοδο και όχι προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Transistor ισχύος Τα transistor ισχύος (IGBT) χρησιμοποιούνται πολύ συχνά στον έλεγχο ηλεκτρικών μηχανών ως διακόπτες για να διακόπτουν τελείως ή να επιτρέπουν τη ροή του ρεύματος Τα transistor ισχύος χρησιμοποιούνται συνήθως σε κυκλώματα αντιστροφέων (inverters).

Πλήρης ανορθωτής Ο ανορθωτής είναι κύκλωμα που μετατρέπει εναλλασσόμενη ισχύ σε συνεχή. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά κυκλώματα ανορθωτών που παράγουν συνεχή έξοδο με διαφορετικό βαθμό εξομάλυνσης το καθένα. Εδώ, οι δίοδοι D 1 και D 3 άγουν κατά τη θετική ημιπερίοδο της εναλλασσόμενης τάσης εισόδου, ενώ οι D 2 και D 4 άγουν κατά την αρνητική ημιπερίοδο. Η κυμάτωση ενός τέτοιου ανορθωτή είναι r=48,2 %

Απλοί καταναλωτές Απλοί καταναλωτές στο εναλλασσόμενο ρεύμα ονομάζονται οι εξής τρεις: Καταναλωτής, παρουσιάζει μόνο ωμική αντίσταση. Ο καταναλωτής αυτός ονομάζεται ωμικός καταναλωτής. Κάθε ωμικός καταναλωτής έχει αμελητέο συντελεστή αυτεπαγωγής και δε συμπεριλαμβάνει πυκνωτές. Ωμικοί καταναλωτές είναι οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες πυρακτώσεως, τα σίδερα σιδερώματος, οι ηλεκτρικές θερμάστρες, οι ηλεκτρικές κουζίνες, οι ηλεκτρικοί φούρνοι με αντιστάσεις και οι ηλεκτρικοί θερμοσίφωνες. Καταναλωτής, ο οποίος παρουσιάζει μόνο χωρητικότητα. Ο καταναλωτής αυτός ονομάζεται χωρητικός καταναλωτής. Ένας χωρητικός καταναλωτής έχει αμελητέα ωμική αντίσταση και αυτεπαγωγή. Χωρητικοί καταναλωτές είναι οι πυκνωτές. Καταναλωτής, παρουσιάζει μόνο αυτεπαγωγή. Ο καταναλωτής αυτός ονομάζεται επαγωγικός καταναλωτής. Ένας επαγωγικός καταναλωτής έχει αμελητέα ωμική αντίσταση και δεν περιλαμβάνει πυκνωτές. Επαγωγικοί καταναλωτές είναι τα πηνία, όταν είναι κατασκευασμένα από σύρμα τόσο μεγάλης διατομής, ώστε η ωμική αντίσταση του σύρματος να είναι πολύ μικρή.

Μετατόπιση φάσης ανάμεσα στη τάση Vm και στη ένταση Im

Συντονισμός καταναλωτή σε σειρά

Στην προσπάθεια μας δείξουμε πως είναι στην πραγματικότητα η εναλλαγή της κυματικής ενέργειας σε ηλεκτρική αυτή χρησιμοποιήσαμε το πρόγραμμα OrCAD δημιουργώντας ένα κύκλωμα το οποίο είναι ένα σύστημα μετατροπής ενέργειας. Παρακάτω απεικονίζεται το σύστημα αυτό.

Αποτελέσματα : ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΑΛΜΩΝ : EMFΠυκνωτήIGBTΜηχανής Freq :D (m)pulse Vphase (max) Vc(rms) Vigbt (max) Vm (rms) m7039,5677,5824, m7746,55387,6726, m8454,73199,25829, m9164,747112,51132, m9872,982123,5734, m10583,32136,28637, m111,99994,454150,05339, m119105,789162,10242, m126117,564177,08645, m133130,792191,93847, u140146,146208,79450, u147155,413219,52552,71

ΔίοδοΈξοδοΕσ. ΑντίστασηIGBTΈξοδο pulseVd (max)Vout (avg)Ir (rms)Iigbt (max) Irload (max)Pload (avg) 24.3m23,2622,3144,816,484,6599,6 20.3m26,8724,875,39197,175, , m29,4727,4435,9437,90295, , m21,67730,0126,542913,3776, , m34,6932,597,11739,47336, , m37,30235,1637,723711,0417, , m39,90937,7378, , , m42,51240,3118,886331,7998, , m45,10842,8799,492538,0798, , m47,70645,44410,1125,0879, , u50,29447,99810,72845,6099,833460,94 15u52,82650,51211,28317,6710,338510,429

Διαγράμματα

Συμπεράσματα Για να βελτιώσουμε, δηλαδή να αυξήσουμε το συντελεστή ισχύος πρέπει να μικρύνουμε τη γωνία φ. Αυτό επιτυγχάνεται με τη σύνδεση παράλληλα με τον ηλεκτρικό καταναλωτή, ενός ή περισσότερων πυκνωτών. Οι πυκνωτές παράγουν την απαραίτητη άεργο ισχύ που απαιτείται για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος και κάνουν, όπως λέγεται αντιστάθμιση άεργης ισχύος. Επιπτώσεις από χαμηλό συντελεστή ισχύος: -Το ηλεκτρικό σύστημα πρέπει να παράγει περισσότερο ρεύμα από ότι θεωρητικά χρειάζεται. -Ο εξοπλισμός που θα εγκατασταθεί πρέπει να είναι μεγαλύτερης δυναμικότητας. -Μεγαλύτερες απώλειες αντιστάσεως. -Μεγαλύτερη πτώση τάσεως στο σύστημα μεταφοράς και διανομής. -Μεγιστοποίηση του οικονομικού οφέλους.