Η παρούσα διπλωματική εργασία κάνει μια ανασκόπηση στην ενεργειακή κατάσταση του πλανήτη και της Ελλάδας. Παρουσιάζει τις εναλλακτικές-ανανεώσιμες μορφές ενέργειας παραγωγής ηλεκτρισμού. Στη συνέχεια, αναλύει τον άνεμο, τα χαρακτηριστικά μεγέθη του, την αιολική ενέργεια, και τις προοπτικές της εγχώρια. Βλέπουμε αναλυτικά τον ανεμοκινητήρα, τους διαφορετικούς τύπους του και τη λειτουργία του. Και καταλήγουμε στο να καθορίσουμε τους τρόπους αξιολόγησης μιας αιολικής εγκατάστασης, εκφράζουμε μαθηματικά τις οικονομικές σχέσεις και παραθέτουμε μια εφαρμογή αιολικής εγκατάστασης που αναλύεται με τα παραπάνω. Τέλος, αναφερόμαστε στο νομοθετικό πλαίσιο αν και ρευστό από έτος σε έτος και στην ισχύουσα διαδικασία εγκατάστασης ενός αιολικού πάρκου. / The present dissertation gives a general review of the situation of energy of the planet and Greece. It presents the alternative-renewable forms of energy for the production of electricity. Afterwards, it analyses the wind, its characteristic sizes, the wind power and its domestic perspectives. We can see in detail the wind engine , its various types and its function. Furthermore, we end up defining the ways evaluating of a wind installation, we express mathematically the financial relations and we not only cite an application of a wind installation which is analysed with the above mentioned ways but we also present the easiest analysis through the computer. Finally, we refer to the legislative scope even though it is unstable from year to year and to the procedure of installation of a wind park which is in effect.

Στην εργασία μελετάται η ανάλυση και ο έλεγχος μετατροπέων αιολικής ενέργειας (ανεμογεννήτριες) και συγκεκριμένα μία ανεμογεννήτρια η οποία χρησιμοποιεί σύγχρονη γεννήτρια με 2 τριφασικά τυλίγματα στο στάτη και με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος. Παρουσιάζεται η μοντελοποίηση της γεννήτριας, του ανεμοκινητήρα και της διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος. Στη συνέχεια σχεδιάζονται διάφοροι τρόποι ελέγχου ώστε να είναι δυνατή η σύνδεση της ανεμογεννήτριας σε ασθενή δίκτυα μέσης τάσης, σε απομονωμένα φορτία αυτόνομα και σε συνεργασία με υδροηλεκτρικό σταθμό. / In this thesis, the analysis and control of wind energy conversion systems is studied. The chosen wind energy converter consists of an horizontal-axis three-blade pitchable wind turbine, a six-phase synchronous generator and an AC/DC/AC link. The operation is based on a variable-speed constant-frequency scheme that is achieved through two different AC/DC/AC topologies and the appropriate pulsation of the IGBT converters. The aerodynamic torque on the wind turbine is modeled by a special non linear equation, which also includes the pitch angle as an extra variable for the control of the aerodynamic power. The simulation program SIMULINK has been used for the modeling and the study of the various systems under large variations of the wind speed.

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παροχή πληροφόρησης: α) για τις ΑΠΕ και την αιολική ενέργεια, β) για την ορθή χρήση τους με απώτερο σκοπό την προστασία του περιβάλλοντος, την οικονομική ανάπτυξη της χώρας και την απρόσκοπτη παροχή ενεργείας. Επίσης, επιδιώκει να παράσχει πληροφορίες για τις πολιτικές, τις οποίες χρησιμοποιούν άλλες χώρες της ΕΕ, για την προώθηση των ΑΠΕ και της αιολικής ενέργειας και να συγκρίνει αυτές τις πολιτικές με αυτές που χρησιμοποιεί η χώρα μας, με σκοπό να αντιληφθούμε τους λόγους, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την υστέρηση της ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα. Επιπλέον, αυτή η εργασία έχει ως σκοπό να προταθούν εναλλακτικοί τρόποι ώστε να προωθηθούν οι ΑΠΕ και κυρίως η αιολική ενέργεια μιας και το ανάγλυφο και οι καιρικές συνθήκες στη χώρα μας το επιτρέπουν. / The aim of this thesis is to provide information about: a) renewable energy sources and wind power energy and b) their right use with the ultimate purpose to protect the environment, develop the economy and provide free energy. Also, this thesis aims at providing information on the policies governing the promotion of RES and wind power energy used by other countries of the European Union, and comparing these policies with the policies used by our country, in order to identify the reasons responsible for the delay of the development of wind energy in our country. Furthermore, this thesis aims to provide alternative solutions to the promotion of RES and mainly the promotion of wind energy, because soil formation and weather conditions allow their development.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται αφ’ενός μεν την ανάλυση, μέσω προσομοίωσης, ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης αφ’ετέρου δε την κατασκευή ενός τμήματος του συστήματος αυτού και ειδικότερα του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το αιολικό σύστημα αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών και διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που μετατρέπουν αρχικά την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή και στη συνέχεια τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη, συχνότητας 50Hz, ώστε να επιτευχθεί σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται κατά σειρά μία μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους για την ανόρθωση της τάσης που παράγεται από τη γεννήτρια, ένας μετατροπέας τύπου Flyback για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης και τέλος, ένας μονοφασικός αντιστροφέας τάσης αποτελούμενος από ημιαγωγικούς διακόπτες τύπου MOSFET ελεγχόμενος με τη μέθοδο SPWM. Τέλος, η έξοδος του αντιστροφέα, μέσω κατάλληλου φίλτρου LC, συνδέεται στο δίκτυο. Πρώτος στόχος της εργασίας είναι αρχικά η ανάλυση του κάθε υποσυστήματος και συνέχεια του συνολικού συστήματος της ανεμογεννήτριας. Επίσης, σκοπός της εργασίας αυτής είναι η κατασκευή διάταξης ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας του εργαστηρίου, ισχύος 1kW, με το δίκτυο χαμηλής τάσης, ώστε να χρησιμοποιηθεί για εργαστηριακούς και ερευνητικούς σκοπούς. Αρχικά, μετά από μια σύντομη αναφορά στα συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, γίνεται μια λεπτομερής ανάλυση των προδιαγραφών του υπό μελέτη αιολικού συστήματος. Στη συνέχεια γίνεται αναλυτική περιγραφή της τοπολογίας ανύψωσης και σταθεροποίησης τάσης, τύπου Flyback. Κατόπιν, μοντελοποιούνται τα επιμέρους μέρη του αιολικού συστήματος, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στον μετατροπέα ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης. Ακολούθως τα επιμέρους υποσυστήματα προσομοιώνονται ώστε να μελετηθεί λεπτομερώς η λειτουργία του καθενός στο σύστημά μας, ενώ τέλος, γίνεται προσομοίωση ολόκληρου του συστήματος ώστε να περιγραφεί η συμβολή της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Εν τέλει, αναλύονται όλα τα τεχνικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του μετατροπέα Flyback και των κυκλωμάτων από τα οποία συγκροτείται και παρατίθενται παλμογραφήματα και μετρήσεις από την διενέργεια πειραματικών μετρήσεων. / --

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την διαχείριση της αιολικής ενέργειας και την δημιουργία προγράμματος υπολογισμού των καμπυλών «Weibull» σε μετρημένα ανεμολογικά στοιχεία περιοχών, και δυνατότητα αποθήκευσης, επεξεργασίας και ανάκτησης δεδομένων ανά περιοχή. Αρχικά στο πρώτο κεφάλαιο μελετώνται μερικές θεμελιώδης αρχές που διέπουν τον άνεμο όπως για παράδειγμα η ισχύς του. Στην συνέχεια αναλύεται η μεταβλητότητα των ανέμων με τον χρόνο, τον χώρο και την ύπαρξη επιφανειακών εμποδίων αλλά και η εξάρτηση του από το ύψος. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας αλλά και προβλέψεις για τις μελλοντικές εξελίξεις της. Στο κομμάτι αυτό παρουσιάζεται και η ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα. Αναλύονται επίσης ζητήματα που αφορούν την παραγωγή ενέργειας, το κόστος παραγωγής, το κόστος αιολικής ενέργειας, την διασύνδεση στο δίκτυο παροχής αλλά και περιβαλλοντολογικά ζητήματα. Στο τρίτο κεφάλαιο ταξινομούνται οι ανεμογεννήτριες με βάση κάποια κύρια χαρακτηριστικά τους, αναλύονται τα μέρη ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα και περιγράφονται οι σχεδιαστικές επιλογές για τα κύρια μέρη. Το τέταρτο κεφάλαιο αφορά τα χαρακτηριστικά της αιολικής απόδοσης. Συγκεκριμένα περιγράφονται έννοιες όπως αυτή της αιολικής διείσδυσης ενός αιολικού πάρκου ή του συντελεστή δυναμικού της γεννήτριας, εκτιμάται η ετήσια ενεργειακή παραγωγή, και αναφέρεται η αξιοπιστία των αιολικών συστημάτων (διαθεσιμότητα, ανταποδοτικότητα κόστους κλπ). Στο κεφάλαιο πέντε, αναλύεται η διανομή Weibull : μιας συνεχής κατανομή πιθανότητας, η οποία προσδιορίζει την πιθανότητα εμφάνισης όλως των δυνατών ταχυτήτων ανέμου σε μια περιοχή βάση μόνο δύο παραμέτρων. Οι παράμετροι αυτοί υπολογίζονται. Τέλος στο κεφάλαιο έξι επεξηγείται η λειτουργία του προγράμματος μας και εφαρμόζεται ένα παράδειγμα με μετρημένα ανεμολογικά στοιχεία της περιοχής «Χώρα Κύθνου» για το έτος 1984. / This thesis has to do with the management of wind energy and the construction of a java program for calculating the “Weibull” curves on measured wind data of areas, giving the capability of storage, editing and retrieving the data of each area. To begin with, in the first chapter some fundamental principles of wind, such as its power, are studied. Later on, we study the variability of wind in relation with the time, location and the existence of obstacles and the dependence of the wind on height. In the second chapter, we examine the history of the early development of wind energy and forecasts for future developments. In this part, we also examine the development of wind energy in Greece. Moreover, we describe issues related to energy production, wind energy costs, generation costs, connection on the grid and environmental issues as well. In third chapter, wind turbines are sorted in relation to some basic characteristics, then the basic parts of horizontal axis wind turbines are described and later on we state design choices of the main parts. The fourth chapter has to do with the characteristics of wind energy performance. To be more accurate, we estimate the annual energy production and we indicate the reliability of wind energy systems (like availability and so on). We also introduce the terms of capacity factor of the generator. In chapter five, we analyze the Weibull distribution : a continuous probability distribution, which determines the probability of all the wind speeds appearance in an area based on only two parameters. These parameters are calculated. Finally, in the sixth chapter, the operation of the java program is explained and an example with measured wind data of the area «Χώρα Κύθνου» for the year 1984 is applied.

Σε αυτή την διπλωματική θα πραγματευτούμε την μοντελοποίηση ενός υβριδικού συστήματος το οποίο θα συνδυάζει τη λειτουργία ανεμογεννήτριας και στοιχείων καυσίμου (fuel cell). Πιο συγκεκριμένα, θα δημιουργήσουμε έναν εξομοιωτή αυτού του υβριδικού συστήματος, του οποίου η λειτουργία θα είναι η εξής. Σκοπός μας είναι να χρησιμοποιήσουμε την παραγόμενη ισχύ από ανεμογεννήτρια. Φυσικά η ισχύς αυτή θα έχει διακυμάνσεις. Έτσι άλλες φορές θα είναι επαρκής, άλλες θα είναι ανεπαρκής και άλλες θα υπάρχει περίσσεια αυτής. Με το υβριδικό σύστημα που θα αναπτύξουμε, θα μελετήσουμε πως μπορούμε να έχουμε και στις τρεις αυτές περιπτώσεις σταθερή ισχύ. Στην περίπτωση που η ενέργεια που μας δίνει ο άνεμος είναι μεγαλύτερη της επιθυμητής, χρησιμοποιούμε το πλεόνασμα (αφού το μετατρέψουμε πρώτα σε σταθερό ρεύμα) σε κυψέλες ηλεκτρόλυσης. Εκεί υπάρχει ηλεκτρολύτης στον οποίο γίνεται ηλεκτρόλυση νερού η οποία οδηγεί σε παραγωγή Υδρογόνου. Το Υδρογόνο αυτό το αποθηκεύουμε σε δεξαμενές (για αυτό το σκοπό μπορεί να χρησιμοποιηθεί και η ίδια η ανεμογεννήτρια) και μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε αργότερα σαν καύσιμο σε στοιχεία καυσίμου (fuel cells) όταν η ισχύς που μας δίνει η ανεμογεννήτριά μας είναι ανεπαρκής. Όσον αφορά την περίπτωση επομένως κατά την οποία δεν λαμβάνουμε αρκετή ισχύ από την ανεμογεννήτρια, διοχετεύουμε το αποθηκευμένο Υδρογόνο σε συστοιχίες fuel cells, και παράγουμε ενέργεια με βάση την αντίδραση : οπότε και συμπληρώνουμε την απαιτούμενη ενέργεια που μας λείπει για να έχουμε κάθε φορά την επιθυμητή ισχύ ασχέτως συνθηκών ταχύτητας ανέμου. Όπως είναι φανερό σε όλη αυτή την διαδικασία παραγωγής ενέργειας οι μόνες εκπομπές στο περιβάλλον είναι νερό σε υγρή ή αέρια κατάσταση. Συνεπώς μιλούμε για ένα σύστημα άκρως φιλικό προς το περιβάλλον, το οποίο στηρίζεται εξ’ ολοκλήρου σε ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, την αιολική. / In this project we will try to explore a hybrid system. This system has a windturbine which transformes wind power to electricity, an electrolyser which uses the electricity of the windturbine in order to produce hydrogen via electrolysis of water and storage it, and a fuel cells stack in which the storage hydrogen is combined with oxygen and produces electricity and water. We will see how all these parts are combined in order to maximize the total efficiency of that system.

- / -

- / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μιας διάταξης ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού η οποία συνδέεται μέσω dc διασύνδεσης με το δίκτυο. Τη dc διασύνδεση τη δημιουργεί ένας dc πυκνωτής και από την πλευρά της μηχανής υπάρχει ένας ac/dc πλήρως ελεγχόμενος ανορθωτής ισχύος ενώ από την πλευρά του δικτύου βρίσκεται ένας dc/ac πλήρως ελεγχόμενος αντιστροφέας ισχύος. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετήσουμε θεωρητικά το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του στο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια προχωρούμε στον υπολογισμό των εξισώσεων στο χώρο κατάστασης και τέλικά προτείνουμε ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού Matlab και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. / The present thesis deals with the study of provision of wind generator with inductive machine of which is connected via dc interconnection with the network. A dc capacitor creates the dc interconnection with the network.The aim of this work is initially to study theoretically the total system of wind generator using the transformation Park for its modelling in the d-q frame of report. Afterwards we advance in the calculation of equations in the space of situation and finally we propose a system of control which is based on PI controllers. Finally, we simulate the system with the help of the Simulink application of Matlab and studying the results, we export the proportional conclusions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη μίας διάταξης ανεμογεννήτριας 1kW με σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών και με ανορθωτική γέφυρα διόδων στην έξοδό της καθώς και τη διασύνδεση αυτής με το εναλλασσόμενο δίκτυο χαμηλής τάσης. Επιπρόσθετα πραγματεύεται την κατασκευή του μονοφασικού αντιστροφέα που ενσωματώνεται στην εν λόγω τοπολογία. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Απώτερος σκοπός της εργασίας είναι η συνολική κατασκευή μίας διάταξης δύο βαθμίδων για τη διασύνδεση της ανεμογεννήτριας με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Οι διατάξεις αυτές περιλαμβάνουν μια πρώτη βαθμίδα ανύψωσης της τάσης της ανεμογεννήτριας που κατασκευάσθηκε από το συνάδελφο Ι.Γκαρτζώνη και μέσω της οποίας εκτελείται ένας αλγόριθμος εύρεσης του σημείου μέγιστης ισχύος της ανεμογεννήτριας (MPPT) και μια δεύτερη βαθμίδα που μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη (αντιστροφέας) και διατηρεί σταθερή την τάση στον πυκνωτή διασύνδεσης που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο βαθμίδων με έλεγχο της ενεργού ισχύος που εγχέει στο δίκτυο, ενώ παράλληλα παράγει ρεύμα συμφασικό με την τάση του δικτύου (μοναδιαίος συντελεστής ισχύος). Αυτός ο αντιστροφέας αποτελεί και ένα από τα κύρια τμήματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Αρχικά παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι δυσκολίες στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής, αναλύονται οι προοπτικές σήμερα, ενώ παρατίθενται και συγκρίνονται οι τεχνολογίες διασύνδεσης ανεμογεννητριών στο δίκτυο χαμηλής, μέσης και υψηλής τάσης στοχεύοντας στο να δοθεί στον αναγνώστη μια σφαιρική άποψη του υπό μελέτη θέματος. Στη συνέχεια παραθέτουμε μια θεωρητική ανάλυση όλων των εμπλεκομένων μονάδων της τοπολογίας. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ανάλυση της λειτουργίας του μονοφασικού αντιστροφέα και κυρίως στη μέθοδο παλμοδότησης, που είναι γνωστή υπό τον όρο “Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους Παλμών” (SPWM). Επόμενο βήμα αποτέλεσε η διαστασιολόγηση ολόκληρου του υπό μελέτη συστήματος, η μελέτη διαφόρων μεθόδων ελέγχου της ροής ισχύος του αντιστροφέα και η μετέπειτα προσομοίωση του μονοφασικού αντιστροφέα και των μεθόδων ελέγχου που μελετήθηκαν. Τέλος αναλύουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα που κατασκευάστηκε, καθώς και των κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται και περιγράφουμε τη διαδικασία παραγωγής του κώδικα προγραμματισμού του μικροελεγκτή καθώς και των τεχνικών που χρησιμοποιήσαμε για τη ρύθμιση των παλμών. Παράλληλα παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήσαμε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής σε εργαστηριακό περιβάλλον. / This thesis deals with the study of a 1kW wind power system, which consists of a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator (PMSG), a rectifier diode bridge in its output and is linked to the low AC voltage power network, through two voltage converters. It is mainly concerned with the construction of the main single-phase inverter which is incorporated in the said topology. This research was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, in the Department of Electrical and Computer Engineering, at the Faculty of Engineering, of the University of Patras. The ultimate aim of this work is the overall construction of a two-tier arrangement in order to interconnect the wind turbine with the low voltage power network. These provisions include a first stage, where an algorithm of finding the maximum power point of the wind turbine (MPPT) is executed and is consisted by one boost converter (DC/DC), made by my colleague, I.Gkartzonis, and a second stage that converts the DC voltage to AC voltage (inverter), maintaining a constant voltage across the capacitor interface interposed between the two tiers with control of active power injected into the grid, while generating current, inphase to the grid voltage (unity power factor). Initially, the advantages and challenges in exploiting the renewable energy sources, especially wind power, are analyzed; and today’s perspectives are seen as well. We also disclose technologies of interconnecting wind turbine technologies to the high, medium and low voltage networks, aiming to provide a complete presentation of the studied subject. We then present a theoretical analysis of all involved topology units. Particular emphasis is placed on the analysis of the inverter operation and especially the monophasic pulsing method, also known as "Sinusoidal Pulse Width Modulation" (SPWM). The next step was the sizing of the entire system, the study of different methods to control the flow of the power inverter and the subsequent simulation of the single-phase inverter and the control methods that were studied. We conclude by analyzing the technical characteristics of the inverter constructed, and the circuits that consist it and describe the production process of the microcontroller programming code and the techniques used to set the pulses. We also cite oscillator graphs and measurements, obtained from the experiments conducted after the completion of the said construction in the lab.