Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός υβριδικού συστήματος, το οποίο αποτελείται από μια κυψέλη καυσίμου και μπαταρίες, για την τροφοδοσία ενός μεταβαλλόμενου AC φορτίου. Επίσης, μελετώνται οι διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος που απαιτούνται για να γίνει εφικτή η διασύνδεση της κυψέλης καυσίμου και των μπαταριών με το AC φορτίο. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά του υδρογόνου και τους λογους που οδήγησαν στην αύξηση της χρήσης του τα τελευταία κυρίως χρόνια. Ακόμα, παρουσιάζονται οι διάφορες μέθοδοι παράγωγης του υδρογόνου, το οποίο αποτελεί το καύσιμο των περισοστέρων τύπων κυψελών καυσίμου. Στη συνέχεια, ακολουθεί η δομή και η ανάλυση του τρόπου λειτουργίας των διάφορων τύπων κυψελών καυσίμου. Έπειτα, παρουσιάζονται συνοπτικά οι διακοπτικοί μετατροπείς συνεχούς ρεύματος, διατάξεις των ηλεκτρονικών ισχύος, τις οποίες χρειαζόμαστε για την εξομάλυνση και τη σταθεροποίηση σε μια επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου των κυψελών καυσίμου, καθώς και τη μετατροπή της συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη. Ακόμα, γίνεται περιγραφή της πειραματικής διάταξης κυψελών καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Ballard Power Systems. Η διάταξη αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη μετρήσεων και την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη λειτουργία μίας κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, τόσο στη μόνιμη όσο και τη μεταβατική κατάσταση. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μοντέλο του υβριδικού συστήματος στο Simulink, όπου προσομοιώνονται η κυψέλη καυσίμου 1.2kW της εταιρίας Nexa και οι μπαταρίες WP18-12I της εταιρίας LONG, ως πηγές τάσης. Ως μεταβλητό AC φορτίο χρησιμοποιείται μια θερμάστρα αλογόνου, με κατανάλωση ισχύος από 450W έως 1800W. Μελετάται η συμπεριφορά τόσο της κυψέλης καυσίμου όσο και των μπαταριών στις διάφορες αυξομειώσεις του φορτίου, καθώς και η απόκριση των μετατροπέων συνεχούς ρεύματος και του αντιστροφέα. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση στο Simulink. Από τα αποτελέσματα εξάγονται συμπεράσματα για τη λειτουργία του μοντέλου και προκύπτουν πιθανές προτάσεις για τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος. / The purpose of the present thesis is the study of a hybrid system, that consists of a fuel cell and batteries, in order to supply a changing AC load with power. The power electronics, that are required to make possible the interconnection of the fuel cell and the batteries with the AC load, are also being studied. To begin with, there is a reference to the essential features of hydrogen and the reasons that led to its increased use, mainly in recent years. In addition to this, the different methods for hydrogen production are being displayed. Hydrogen is the fuel for most fuel cell types. Moreover, the structure and the analysis on how the various types of fuel cells operate is considered. Furthermore, there is a brief presentation on DC-DC converters, power electronic devices, that are necessary in order to normalize and stabilize at a desired value the output of the fuel cell and convert DC voltage into AC. What is more, there is a description of the experimental arrangement of the fuel cell 1.2kW of the Ballard Power Systems company. The aforementioned device was used for taking measurements and draw conclusions on the operation of a PEM type fuel cell, in both the permanent and the transitory state. Afterwards, a model of the hybrid system is being developed in Simulink. As far as the voltage sources are concerned, the 1.2kW fuel cell of the Ballard Power Systems company along with the batteries WP18-12I of the LONG company are being simulated. A halogen stove with power consumption varying from 450W to 1800W is being used as the variable AC load. The behavior of both the fuel cell and the batteries to the various load fluctuations is being studied, as well as the response of the DC converters and the inverter. Finally, the results obtained from the simulation in Simulink are being presented. From them, conclusions are drawn on the functioning of the model and possible proposals arise to improve the overall performance of the system.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την τεχνοοικονομική μελέτη ενός υβριδικού συστήματος στη νήσο Γαύδο, νότια του νομού Χανίων Κρήτης. Το συγκεκριμένο αντικείμενο της διπλωματικής επιλέχθηκε σε συνδυασμό με πρακτική άσκηση πάνω στο ίδιο θέμα στην εταιρεία ΔΕΗ Ανανεώσιμες. Στόχος της μελέτης είναι η διερεύνηση των εναλλακτικών λύσεων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στα μη διασυνδεδεμένα νησιά. Η ανάγκη αυτή προκύπτει από το εξαιρετικά υψηλό κόστος της παραγόμενης μεγαβατώρας σε νησιά όπως η Γαύδος. Με σκοπό την πλήρη ανάλυση του θέματος, αρχικά μελετώνται τα ιδιαίτερα τοπολογικά χαρακτηριστικά της Γαύδου και οι πιθανές θέσεις εγκατάστασεις του υβριδικού συστήματος βάσει μετρήσεων. Σημαντική παράμετρος της ανάλυσης αυτής είναι η κατά το δυνατόν μικρότερη επέμβαση στο οικοσύστημα του νησιού και ο σεβασμός της χλωρίδας και της πανίδας του. Στη συνέχεια, έχοντας καταλήξει στην δομή του προτεινόμενου συστήματος εξετάζονται συγκεκριμένες εμπορικές λύσεις με εκτενή έρευνα αγοράς. Η τελική επιλογή των προτεινόμενων προιόντων έγινε με βάση το χαμηλότερο κόστος και την υψηλότερη αξιοπιστία, διότι η συνεχής πρόσβαση στο νησί για συντήρηση του συστήματος δεν ενδείκνυται. Τo επόμενο βήμα της παρούσας μελέτης είναι διαστασιολόγηση του συστήματος, ώστε η λειτουργία του συστήματος να καλύπτει στο έπακρον το φορτίο σε μόνιμη και σε μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Οι βασικές μετρήσεις που απαιτούνται για αυτήν την μελέτη είναι χρονοσειρές αιολικού δυναμικού, ηλιακού δυναμικού και φορτίου. Το κομμάτι αυτό της διπλωματικής υλοποιήθηκε στο λογισμικό Homer. Το Homer προτείνει κάποια συστήματα που τεχνικά ικανοποιούν τις αρχικές προδιαγραφές του δικτύου και παράλληλα τα κατατάσσει με οικονομικούς κριτήρια. Για αυτό το λόγο, στην διπλωματική εργασία ακολουθεί οικονομική μελέτη των προτεινόμενων συστημάτων βάσει των όρων επένδυσης της αγοράς και του χρόνου απόσβεσης του επενδυμένου κεφαλαίου. Η οικονομική, λοιπόν, μελέτη οδηγεί στην πρόταση ενός τελικού υβριδικού συστήματος που καλύπτει τις ανάγκες του νησιού, σέβεται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του και είναι οικονομικά βιώσιμο ή μα συνάμα και κεδροφόρο. Στη συνέχεια το τελικό σύστημα εξετάζεται καθαρά από τεχνικής πλευράς σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Πραγματοποιείται μελέτη ροής φορτίου και σφαλμάτων με τα λογισμικά του Power World και του Matlab συγκρίνοντας παράλληλα τα αποτελέσματά τους. Ιδίως το μοντέλο που κατασκευάστηκε στο Matlab, μπορεί να αποτελέσει ισχυρή βάση για την περαιτέρω μέλετη του συστήματος. Αξίζει να σημειωθεί, τέλος, ότι έχει καταβληθεί μεγάλη προσπάθεια ώστε η μελέτη και η προσομοίωση του συστήματος να ανταποκρίνονται με κάθε λεπτομέρεια στις ρεαλιστικές συνθήκες και τα χαρακτηριστικά του νησιού της Γαύδου και του υπάρχοντος συμβατικού σταθμού παραγωγής ενέργειας. / This thesis deals with the techno-economic study of a hybrid system on the island of Gavdos, south of Chania Crete. The object of this thesis was chosen in conjunction with practice on the same theme in the PPCR. The aim of the study is to explore the alternatives of electricity produced in the non-interconnected islands. This need arises from the extremely high costs of producing megawatts on islands like Gavdos. In order to fully analyze the issue, initially studied the particular topological features of Gavdos and possible installation locations of the hybrid system under measurement. An important aspect of this analysis is at least possible interference in the ecosystem of the island and the respect of flora and fauna. Then, having come to the structure of the proposed system are discussed specific trade solutions with extensive market research. The final selection of featured products was based on the lowest cost and highest reliability, because the continuous access to the island for maintenance of the system is not appropriate. To the next step of this study is sizing system, that operation of the system to cover the most of the load in permanent and transient operation. The basic measurements required for this study is time series wind power, solar and load capacity. This part of the thesis was implemented in software Homer. The Homer suggests some systems that meet the technical specifications of the original network while the ranks with economic criteria. For this reason, the thesis follows economic study of the proposed schemes under the terms of the investment market and the payback on invested capital. Economic therefore study leads to proposing a final hybrid system that meets the needs of the island, the particular features and is economically viable but also transcendent kedroforo. Then the final system considered purely from a technical standpoint in steady state and transient operation. Carry out a study load flow and fault with the Power World software and Matlab while comparing their results. Particular model was built in Matlab, can be a strong basis for further study of the system. It should be noted, finally, that has made ​​great efforts to study and simulation of the system to respond in detail to realistic conditions and characteristics of the island of Gavdos and the existing conventional power plant.

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.