Βέλτιστη λειτουργία και σχεδιασμός συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας: εφαρμογή στον ελληνικό οικιακό τομέα

Abstract

In the present dissertation, the optimal design, operation and control of a distributed energy systems, which incorporates photovoltaic systems, combined heat and power engines (CHP) and electricity and heat storage devices, is under study. The model allows importing electricity from the national grid, while back-up boilers produce heat when the heat produced by the CHP units does not satisfy the needs. Moreover, heat is transferred between dwellings through a heating pipeline network. A new neural network model for the calculation of the hourly global solar irradiance on a tilted surface for the region of Athens was developed, based on neural networks of radial basis function (RBF). The neural network model, predicts more realistically the total solar irradiance on a tilted surface compared to the linear models.A new methodology is developed for the optimal calculation of the inclination and orientation of photovoltaic systems, also based on neural network techniques.Τhe mixed-integer linear model (MILP) which was developed for the design and evaluation of distributed energy systems in Greece, has shown great advantages compared to the conventional system from an economical and environmental point of view, compared to the conventional systems.We examine the adoption of distributed energy technologies in combination with the design of a heating pipeline network and electricity transmission lines. The heating pipeline network is examined in detail with the integration of mass balances and two transfer lines (feed and return).The Model Predictive Control (MPC) rolling horizon approach is adopted to design a control strategy for DER systems. The MPC problem that is solved in each time period is formulated as a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model.

Στην διδακτορική διατριβή, μελετήθηκε ο σχεδιασμός, η βελτιστοποίηση της λειτουργίας και η ρύθμιση συστήματος διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας, που περιλαμβάνει φωτοβολταϊκά συστήματα, μηχανές συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού και μονάδες αποθήκευσης θερμότητας και ηλεκτρισμού, ενώ παράλληλα δίνεται η δυνατότητα αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο, η παραγωγή θερμότητας με χρήση μπόιλερ και η μεταφορά θερμότητας μεταξύ των χρηστών μέσω του σχεδιασμού κατάλληλου δικτύου μεταφοράς θερμότητας. Αναπτύχθηκε νέο μοντέλο πρόβλεψης της ηλιακής ακτινοβολίας για την περιοχή της Αθήνας χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική των τεχνητών νευρωνικών δικτύων ακτινικής συνάρτησης βάσης (Radial Basis Function, RBF), ενώ η σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα υπόλοιπα μοντέλα της βιβλιογραφίας που εξετάστηκαν και αξιολογήθηκαν, κατέδειξε την υπεροχή του προτεινόμενου μοντέλου.Αναπτύχθηκε μια νέα μεθοδολογία για τον ακριβή υπολογισμό της γωνίας κλίσης και της κατεύθυνσης των ηλιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων, βασιζόμενη επίσης στη μεθοδολογία των τεχνητών νευρωνικών δικτύων.Παρουσιάστηκε πρωτότυπο μοντέλο μεικτού ακεραίου γραμμικού προγραμματισμού (MILP-Mixed Integer Linear Programming), για το βέλτιστο σχεδιασμό και την αξιολόγηση των συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή του μοντέλου σε δεδομένα από το ενεργειακό περιβάλλον στην Ελλάδα καταδεικνύουν τα σημαντικά πλεονεκτήματα, τόσο ως προς το κόστος λειτουργίας όσο και ως προς τα περιβαλλοντολογικά οφέλη αυτών των συστημάτων σε σχέση με τα συμβατικά κεντρικά συστήματα παραγωγής ενέργειας.Εξετάστηκε ακόμη ο συνδυασμός των τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας με ένα δίκτυο μεταφοράς θερμότητας και γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Το δίκτυο μεταφοράς θερμότητας μελετήθηκε λεπτομερώς με την ενσωμάτωση ισοζυγίων μάζας και δύο γραμμών μεταφοράς (τροφοδοσίας και συλλογής).Αναπτύχθηκε μία στρατηγική λήψης αποφάσεων για τη βέλτιστη λειτουργία του συστήματος διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας που βασίζεται στη φιλοσοφία του μοντέλου προβλεπτικού ελέγχου (Model Predictive Control-MPC). Το μοντέλο προβλεπτικού ελέγχου που επιλύεται για κάθε χρονική περίοδο διαμορφώνεται σαν ένα μοντέλο μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού.