Η διερεύνηση και βελτιστοποίηση της λειτουργίας υδροηλεκτρικού σταθμού με αντλησιοταμίευση  και πλωτούς φωτοβολταϊκούς συλλέκτες  στους ταμιευτήρες

Τζιάφκος, Αναστάσιος; Tziafkos, Anastasios

dc.contributor.author	Τζιάφκος, Αναστάσιος	el
dc.contributor.author	Tziafkos, Anastasios	en
dc.date.accessioned	2022-09-16T06:22:00Z
dc.date.available	2022-09-16T06:22:00Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55676
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23374
dc.rights	Default License
dc.subject	Αντλησιοταμίευση	el
dc.subject	Φωτοβολταϊκά	el
dc.subject	Πλωτά	el
dc.subject	Υδροηλεκτρική	el
dc.subject	Υβριδικό	el
dc.subject	Pump storage	en
dc.subject	Photovoltaics	en
dc.subject	Floating solar	en
dc.subject	Integration	en
dc.subject	Hydroelectric	en
dc.title	Η διερεύνηση και βελτιστοποίηση της λειτουργίας υδροηλεκτρικού σταθμού με αντλησιοταμίευση και πλωτούς φωτοβολταϊκούς συλλέκτες στους ταμιευτήρες	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υδροηλεκτρική Ενέργεια	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-25
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η διερεύνηση της τεχνολογίας και της δυνατότητας εγκατάστασης πλωτών φωτοβολταϊκών συλλεκτών στους ταμιευτήρες μεγάλων υδροηλεκτρικών μονάδων παραγωγής, καθώς και η προκαταρκτική μελέτη της λειτουργίας και οικονομική αξιολόγηση μιας τέτοιας επένδυσης, σε συνδυασμό και με μονάδα αντλησιοταμίευσης. Η νέα αυτή τεχνολογία αποκτά αυξανόμενο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια σε όλο τον κόσμο, χάρις στα πλεονεκτήματα που προσφέρει έναντι των χερσαίων φωτοβολταϊκών και ήδη στην Ελλάδα έχουν υποβληθεί αιτήσεις για άδειες παραγωγής τέτοιων επενδύσεων σε μεγάλες τεχνητές λίμνες υδροηλεκτρικών σταθμών. Στην παρούσα μελέτη επιλέχθηκε ο υδροηλεκτρικός σταθμός Πολυφύτου στον ποταμό Αλιάκμονα. Η μοντελοποίηση του υπάρχοντος και του νέου, υβριδικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής έγινε με υπολογιστικό κώδικα που συντάχθηκε στο λογισμικό MATLAB. Στο πρώτο μέρος της Εργασίας παρουσιάζονται τα στοιχεία που προέκυψαν μετά από μια εκτεταμένη βιβλιογραφική διερεύνηση της νέας αυτής τεχνολογίας πλωτών φωτοβολταϊκών πάρκων. Αρχικά, εξηγείται η τυπική λειτουργία ενός ηλιακού συλλέκτη και παρουσιάζεται διεξοδικά η τεχνολογία όλων των μερών που συγκροτούν το πλωτό σύστημα. Έπειτα αναφέρονται οι χαρακτηριστικές διαφορές της τεχνολογίας αυτής με τα χερσαία φωτοβολταϊκά και παρουσιάζονται αναλυτικά τα σπουδαιότερα οφέλη της, όπως η επίδραση στη μείωση του ρυθμού εξάτμισης των υδάτων, καθώς και η αποδέσμευση σημαντικών εκτάσεων γης προς βιομηχανική χρήση ή καλλιέργεια. Περιγράφονται επίσης οι πιθανές περιβαλλοντικές επιπτώσεις που μπορούν να προκληθούν σε καθένα από τα στάδια υλοποίησης ενός πλωτού φωτοβολταϊκού πάρκου, καθώς και οι προτεινόμενες ενέργειες για την οικολογικά ασφαλέστερη διεκπεραίωση τους. Ως ενδεικτικό παράδειγμα, παρουσιάζεται μία τέτοια μελέτη πλωτού φωτοβολταϊκού συστήματος σε λίμνη του Αζερμπαϊτζάν. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται η ενσωμάτωση των πλωτών ηλιακών συστημάτων σε ταμιευτήρες υδροηλεκτρικών εργοστασίων και εξετάζεται η επιρροή στην αλυσίδα Ενέργειας-Τροφής-Νερού, καθώς και στον τομέα της αλιείας. Ακολούθως, περιγράφεται η λειτουργία ενός υδροηλεκτρικού σταθμού με χρήση μονάδας αντλησιοταμίευσης και αναφέρονται τα οφέλη της. Σχολιάζονται υπάρχουσες ενδεικτικές μελέτες που αφορούν την σύζευξη των δύο αυτών διαφορετικών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στην τεχνητή λίμνη Nasser της Αιγύπτου και στο υδροηλεκτρικό εργοστάσιο Kaptai του Μπακλαντέζ. Στο δεύτερο μέρος της Εργασίας πραγματοποιείται η μελέτη για τον υδροηλεκτρικό σταθμό του Πολυφύτου, η οποία συγκροτείται από την διερεύνηση τεσσάρων σεναρίων βελτιστοποίησης της λειτουργίας του σταθμού και μεγιστοποίησης των εσόδων του σε ένα πλήρες ημερολογιακό έτος. Ως έτος αναφοράς επιλέχθηκε το 2019, για το οποίο συλλέχθηκαν τα ωριαία δεδομένα παραγωγής του ΥΗΣ Πολυφύτου, Σελίδα \| 8 καθώς και οι αντίστοιχες ωριαίες χρονοσειρές ηλεκτροπαραγωγής των Φ/Β του διασυνδεδεμένου ηλεκτρικού συστήματος και της Τιμής Εκκαθάρισης Αγοράς. Στο πρώτο σενάριο εξετάζεται η λειτουργία των υδροστροβίλων του σταθμού στη μέγιστη ισχύ τους κατά τις οικονομικά βέλτιστες ώρες πώλησης του ρεύματος, ενώ στο δεύτερο η προσθήκη μιας μονάδας αντλησιοταμίευσης για άντληση νερού από τον κατάντη ταμιευτήρα σε ώρες χαμηλής τιμής αγοράς ενέργειας και πρόσθετη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ώρες υψηλής τιμής. Τα άλλα δύο σενάρια πραγματεύονται την ενσωμάτωση του πλωτού φωτοβολταϊκού πάρκου στον ταμιευτήρα του ΥΗΣ. Στο τρίτο σενάριο η παραγόμενη ενέργεια του πάρκου εγχύεται απευθείας στο ηλεκτρικό δίκτυο προς κατανάλωση, ενώ το τέταρτο σενάριο εξετάζει τη χρήση μέρους της παραγωγής του πλωτού συστήματος για την λειτουργία του αντλιοστασίου του σταθμού (όταν συμπίπτουν οι αντίστοιχες ώρες λειτουργίας). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τόσο η αντλησιοταμίευση, όσο και η προσθήκη του πλωτού φωτοβολταϊκού πάρκου, επιτυγχάνουν αισθητή αύξηση της παραγόμενης ενέργειας και των ετήσιων εσόδων του σταθμού, της τάξης του 10% και 40% αντιστοίχως. Οι αντίστοιχοι οικονομικοί δείκτες των επενδύσεων αυτών, τουλάχιστον για τις συγκεκριμένες ισχείς των νέων μονάδων και τα οικονομικά στοιχεία που θεωρήθηκαν στην εργασία, προκύπτουν αρκετά ενθαρρυντικοί: ο εσωτερικός βαθμός απόδοσης (IRR) είναι της τάξης του 9% - 13%. Επομένως, κρίνεται σκόπιμη η περαιτέρω διερεύνηση της οικονομικής βιωσιμότητας και της βελτιστοποίησης του σχεδιασμού μιας τέτοιας επένδυσης στον ΥΗΣ Πολυφύτου.	el
heal.abstract	The purpose of this thesis is to investigate the possibility of installing floating photovoltaic collectors in the reservoirs of large hydropower plants, as well as the preliminary study of operation and financial evaluation of such an investment, in combination with a pump storage unit. This new technology is gaining increasing interest in recent years around the world, thanks to the advantages it offers over terrestrial photovoltaics. A few applications have already been submitted for such investments in large artificial lakes of hydroelectric power plants in Greece. In the present study, the hydroelectric station of Polyphytos on the river Aliakmonas was selected. The modeling of the existing as well as the new, hybrid power station was done with the aid of a computer code written in the commercial software MATLAB. The first part of this work presents information that emerged after an extensive literature review of this new technology of floating photovoltaics. Typical operation of solar panels is explained in detail along with their consisting parts. In addition, advantages over terrestrial photovoltaics are reported. To name a few, the effect on reducing the rate of water evaporation, as well as the release of significant areas of land for industrial use or cultivation. Possible environmental impacts in each stage of implementation of a floating photovoltaic park are discussed along with proposed solutions for ecologically safer treatments. As an illustrative example of a floating photovoltaic system is one that is already in operation on the lake Boyukshor in Azerbaijan. Moreover, integration of floating photovoltaics system with existing hydroelectric plants as well as their influence on the Energy-Food-Water chain are examined. At the end of this unit, the operation of a hydroelectric plant using a pumped storage unit is described and its benefits are reported. Existing indicative studies concerning the coupling of these two different power generation systems, on the artificial lake Nasser in Egypt and in the Kaptai hydroelectric plant in Buckland are discussed. In the second part of this work, four scenarios for the hydroelectric station of Polyphytos were investigated in order to find the optimum one in terms of operation and profit for a complete calendar year. Year 2019 was chosen as the reference year, for which hourly production data of both the hydroelectric station and the floating PV system were collected and analyzed. Also, hourly prices for electricity (MWh) were found in order to investigate if the investment is plausible. In the first scenario, the operation of the hydroplant's turbines at their maximum power and the economically optimal hours for selling the produced energy were investigated. In the second one, the addition of a pump-storage unit for pumping water from a downstream reservoir, at low purchase price hours and additional electricity Σελίδα \| 10 generation at high price hours were studied. In the other two scenarios integration of the floating photovoltaic park with the hydroelectric station were examined. More specifically, in the third scenario the generated energy of the park is transferred directly into the electricity grid for consumption, while in the fourth scenario part of the production of the floating photovoltaic system is used for the operation of the pumps (when both operating hours coincide). The results show that both the pump storage and the addition of the floating photovoltaic park, achieve a significant increase in the energy production and the annual revenues of the station, 10% and 40% respectively. Although, the corresponding economic indicators of these investments based on the financial data considered at this work, at least for the specific power of the new units, are quite encouraging: the internal rate of return (IRR) is in the range of 9% - 13%, more detailed investigation is needed in order to find out the financial viability of such an investment of the Polyphytos hydroelectric power station.	en
heal.advisorName	Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουλάκης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	189 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false