Σύγχρονος ηλιακός χάρτης της Ελλάδος με εφαρμογή σε υβριδικά συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Abstract

The specific PhD thesis has two discrete objectives. The first objective concerns the creation of a reliable database of meteorological parameters. The developed database can be used to support the advanced simulation of the operation of Renewable Energy Sources (RES) hybrid systems which utilize solar energy and also for the long term assessment of solar energy systems' performance. The second objective concerns the evaluation of RES hybrid systems in Greece in terms of both energy performance and economic efficiency by implementing the database created in the context of the first objective of the thesis.More specifically, this thesis includes: a structured methodology that can be applied in order to create reliable time series of meteorological parameters and Typical Meteorological Years (TMY); the criteria and the method of geospatial interpolation, which can reliably describe the spatial distribution of the solar energy potential in Greece; a defined methodology for the evaluation of efficiency and energy consumption of RES hybrid systems that utilize solar and wind energy; the energy and efficiency performance of hybrid RES systems in different regions of Greece through the identification of limits in size and costs that can be achieved under specific circumstances.For the above mentioned objectives, 3-hour time series of meteorological data have been collected along with daily sunshine values, for a period of 15 years, from 44 different meteorological stations of the Hellenic National Meteorological Service (HNMS). The meteorological stations were chosen on the basis of long-term availability of sunshine observations, since sunshine is the basic parameter in calculating the solar radiation from the broadband atmospheric model used in this thesis. These measurements, having undergone quality control, have been used as input data at the Meteorological Radiation Model (MRM), which has been developed by the Atmospheric Research Team of the National Observatory of Athens. With the use of the MRM, the diffuse and global radiation for each meteorological station and time period under study were estimated at the horizontal plane, allowing in this way to enrich the initial database.By implementing the long term data series of meteorological parameters, Typical Meteorological Years (TMY) were produced for each one of the corresponding stations. The TMY includes values of direct, diffuse and global solar radiation, air temperature, relative humidity and atmospheric pressure.Based on the TMY an updated solar map of Greece was created, containing monthly and annual values of solar energy at the locations of the chosen meteorological stations of the HNMS. This map provides an up to date description of the solar potential in Greece and is of particular interest since Greece’s geographical location renders it as one of the most interesting areas of Europe with a special interest in the utilization of solar energy. Additionally, the definition of solar energy zones provides a fundamental parameter for the initial assessment of solar energy systems as well as for their modeling.TMY were used for the evaluation of autonomous hybrid systems that utilize mainly solar, but also wind energy, through a combination of photovoltaic panels and wind turbines. The evaluation is conducted on the basis of a complete energy and efficiency model, through which examination of the hybrid systems' hourly performance is carried out, and which in turn can allow evaluation in terms of energy production costs. The hybrid systems considered cover different locations throughout Greece and are dedicated to the complete satisfaction of a typical, domestic consumer's energy needs, solely with use of RES.In conclusion, the specific thesis contributes to scientific knowledge and applied engineering by providing TMY which cover almost the whole Greek territory, by highlighting the reliability of the MRM code which is applied in numerous locations where solar radiation measurements do not exist, by producing solar maps which are based on a large amount of solar energy data and by reflecting the energy and economic sustainability of RES hybrid systems which consider solar and wind energy assessment based on reliable meteorological data.

H παρούσα διατριβή έχει δύο διακριτούς στόχους. Ο πρώτος στόχος αφορά στη δημιουργία αξιόπιστων χρονοσειρών μετεωρολογικών παραμέτρων, οι οποίες απαιτούνται κατά την προσομοίωση της λειτουργίας υβριδικών συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) αλλά και γενικότερα στη μακροχρόνια αξιολόγηση ηλιακών συστημάτων. Ο δεύτερος στόχος αφορά στη διερεύνηση της ενεργειακής και οικονομικής απόδοσης των υβριδικών συστημάτων ΑΠΕ στον ελλαδικό χώρο αξιοποιώντας τη βάση δεδομένων που δημιουργήθηκε στα πλαίσια της διατριβής.Για την επίτευξη των στόχων, πραγματοποιήθηκε έρευνα σε διάφορα πεδία συμβάλλοντας στη διάδοση της επιστημονικής γνώσης σε κάθε ένα από αυτά. Ειδικότερα, η παρούσα διατριβή περιλαμβάνει μία δομημένη μεθοδολογία για τη δημιουργία αξιόπιστων χρονοσειρών μετεωρολογικών παραμέτρων και τυπικών μετεωρολογικών ετών (ΤΜΕ), τα κριτήρια και τη μέθοδο χωρικής παρεμβολής που μπορούν με αξιοπιστία να περιγράψουν τη χωρική κατανομή του ηλιακού δυναμικού στην ελληνική επικράτεια, συγκεκριμένη μεθοδολογία για την ενεργειακή και οικονομική αξιολόγηση υβριδικών συστημάτων ΑΠΕ που αξιοποιούν την ηλιακή και την αιολική ενέργεια, την ενεργειακή και οικονομική απόδοση των υβριδικών συστημάτων ΑΠΕ σε διαφορετικές περιοχές της Ελλάδας με καθορισμό των όριων μεταβολής τού μεγέθους και του κόστους που επιτυγχάνεται υπό τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργία τους.Για τους σκοπούς της παρούσας διατριβής, συλλέχθηκαν 3-ωριαίες χρονοσειρές μετεωρολογικών δεδομένων καθώς και ημερήσιων τιμών ηλιοφάνειας για 15 έτη, από 44 σταθμούς της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας (ΕΜΥ) που διαθέτουν μακροχρόνιες παρατηρήσεις ηλιοφάνειας. Οι μετρήσεις αυτές, μετά από ποιοτικό έλεγχο, χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου στο Μετεωρολογικό Μοντέλο Ακτινοβολίας (Meteorological Radiation Model, MRM), το οποίο έχει αναπτυχθεί από την Ομάδα Ατμοσφαιρικής Έρευνας του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, εμπλουτίζοντας τη βάση δεδομένων με τιμές ολικής και διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο στη θέση του κάθε μετεωρολογικού σταθμού. Αξιοποιώντας τις μακροχρόνιες χρονοσειρές μετεωρολογικών παραμέτρων, δημιουργήθηκαν Τυπικά Μετεωρολογικά Έτη (ΤΜΕ) για κάθε έναν από τους σταθμούς. Τα ΤΜΕ περιλαμβάνουν ωριαίες τιμές άμεσης, διάχυτης και ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, θερμοκρασίας αέρα, σχετικής υγρασίας και ατμοσφαιρικής πίεσης. Από τα ΤΜΕ δημιουργήθηκε επικαιροποιημένος ηλιακός χάρτης της Ελλάδας, με μηνιαίες και ετήσιες τιμές ηλιακής ενέργειας στις θέσεις των επιλεγμένων μετεωρολογικών σταθμών της ΕΜΥ. Ο χάρτης αυτός αποτελεί μία σύγχρονη αποτύπωση του ηλιακού δυναμικού στην ελληνική επικράτεια και παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς η γεωφυσική θέση της Ελλάδας την καθιστά μία από τις περιοχές της Ευρώπης με εξαιρετικό ενδιαφέρον στην αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Παράλληλα, ο επιμερισμός της Ελλάδας σε κλιματικές ζώνες ηλιακής ακτινοβολίας αποτελεί βασική παράμετρο για την προκαταρκτική αξιολόγηση και μοντελοποίηση των ηλιακών συστημάτων παραγωγής ενέργειας.Για την ανάδειξη της χρησιμότητας των ΤΜΕ σε εφαρμοσμένους τομείς της επιστήμης, η βάση δεδομένων ΤΜΕ χρησιμοποιείται σε μια εκτεταμένη έρευνα που αφορά στην αξιολόγηση αυτόνομων υβριδικών συστημάτων που αξιοποιούν κατά βάση την ηλιακή ενέργεια αλλά και τον άνεμο συνδυάζοντας φωτοβολταϊκά πλαίσια και ανεμογεννήτριες. Η αξιολόγηση πραγματοποιείται βάσει ενός ολοκληρωμένου ενεργειακού και οικονομικού μοντέλου, το οποίο εξετάζει σε ωριαίο βήμα την ενεργειακή συμπεριφορά του υβριδικού συστήματος και υπολογίζει το μακροχρόνιο κόστος παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας. Τα υβριδικά συστήματα εξετάζονται σε διαφορετικές θέσεις στην Ελλάδα με βασικό κριτήριο την παροχή αδιάλειπτης ηλεκτρικής ενέργειας σε οικιακό καταναλωτή ο οποίος επιλέγει να καλύψει τις ηλεκτρικές του ενεργειακές ανάγκες αποκλειστικά από ΑΠΕ.Εν κατακλείδι, η καινοτομία της παρούσας διατριβής και η συνεισφορά της στην επιστημονική γνώση συνίστανται στα εξής:•Δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά στην Ελλάδα ΤΜΕ που καλύπτουν σε μεγάλο ποσοστό την ελληνική επικράτεια.•Η διαθεσιμότητα ΤΜΕ σε μεγάλο εύρος περιοχών αποτελεί σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη ενεργειακής κατανάλωσης των κτηρίων και της ενεργειακής παραγωγής συστημάτων ΑΠΕ καθώς έως και σήμερα οι αντίστοιχες μελέτες βασίζονται σε παλαιά δεδομένα και σε μικρό αριθμό περιοχών, που δεν καλύπτουν επαρκώς την ελληνική επικράτεια.•Χρησιμοποιείται για πρώτη φορά στην Ελλάδα ο κώδικας MRM για την παραγωγή τιμών ηλιακής ακτινοβολίας σε περιοχές που δεν υφίστανται αντίστοιχες μετρήσεις.•Δημιουργήθηκαν ηλιακοί χάρτες για την ελληνική επικράτεια, που για πρώτη φορά βασίζονται σε μεγάλο αριθμό δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας, με συνέπεια να καθίστανται πιο ακριβείς σε σχέση με τους υπάρχοντες στη βιβλιογραφία.Αξιολογείται η ενεργειακή και η οικονομική απόδοση υβριδικών συστημάτων ΑΠΕ που συνδυάζουν Φ/Β πλαίσια και Α/Γ με τη χρήση χρονοσειρών ΤΜΕ, αναδεικνύοντας τις δυνατότητες αξιοποίησής τους στις διαφορετικές κλιματικές ζώνες της Ελλάδας.