The diploma thesis deals with the optimal selection of the autonomous components of a house,
which is far from the electricity or water supply network. To simulate the autonomous system of the
residence, the computer simulation platform, which had been created in a previous diploma thesis,
was used. In it, both changes were made to the operation of each subsystem and new subsystems were
added. This helped to determine the size of the individual components of the system, so that the
system serves the needs of family autonomy with the least possible financial cost.
Initially, the operating principles of all the components that will help in the design and
optimization of the autonomous energy system were studied. Such are the photovoltaic unit, the
desalination unit, the electrolysis unit, the fuel cell unit, the compression unit, the hydrogen storage
bottles and the water storage tank. Also, there were developed energy and water optimization
indicator calculation subsystems. We applied the mentioned simulation platform developed in
Simulink, to an autonomous residence in the geographical area selected by the previous thesis,
Koufonisia. Entering the meteorological data for the region performed the simulation of the
autonomous residence where through graphs spotted deficits in housing autonomy components,
namely energy and water. To address these shortcomings, and to make the system autonomous, we
designed the algorithm for optimizing the components of the autonomous housing. The algorithm
selects the sizes of the individual units of the system, so that it can supply the needs of the family,
with the least possible financial cost. This is done through a series of controls, using for each control
the appropriate tool to solve the respective autonomy problem. After the algorithm arrives at the sizes
of the units, through the costing of their size, the cost for each tool is calculated. Next, we choose the
tool that has the lowest cost. After determining the economically optimal design of the system, we
prove the correct operation of the optimization algorithm that we designed, through the application
of the system for a different geographical area, Skopelos. There, due to the different meteorological
data, we received a different combination of units as a solution in relation to Koufonisia, which is
driven by simple logic and confirms the correct operation of the algorithm.
There are many improvements and extensions that can be made at the specific diploma thesis.
Some of these are automation of subsystems, keeping a safety margin, as was done in the water tank.
This can also be done in hydrogen cylinders, depending on the temperature. In addition, the
optimization algorithm can use and control the efficiency of more solution tools, such as (fuel cells,
compressor, and hydrogen cylinder capacity). Still, it's possible the autonomous system to use excess
energy to charge electric vehicles, to ensure economical and autonomous movement for a family.
Finally, for a better approach to the problem, costing should include costs other than the purchase
value of each unit, such as installation and maintenance worth.
(EL)
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη βέλτιστη επιλογή των συνιστωσών
αυτονομίας μιας κατοικίας, η οποία βρίσκεται μακριά από το δίκτυο ηλεκτροδότησης ή
υδροδότησης. Για να προσομοιωθεί το αυτόνομο σύστημα της κατοικίας, χρησιμοποιήθηκε η
υπολογιστική πλατφόρμα προσομοίωσής του, που είχε δημιουργηθεί σε προηγούμενη διπλωματική
εργασία. Σε αυτή, πραγματοποιήθηκαν τόσο αλλαγές στο τρόπο λειτουργίας κάθε υποσυστήματος
όσο και προσθήκες νέων υποσυστημάτων. Αυτό βοήθησε στον προσδιορισμό των μεγεθών των
επιμέρους συνιστωσών του συστήματος, ούτως ώστε το σύστημα να εξυπηρετεί τις ανάγκες
αυτονομίας της οικογένειας με το ελάχιστο δυνατό οικονομικό κόστος.
Αρχικά μελετήθηκαν οι αρχές λειτουργίας όλων των συνιστωσών που θα βοηθήσουν στον
σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση του αυτόνομου ενεργειακού συστήματος. Τέτοιες είναι η
φωτοβολταϊκή μονάδα, η μονάδα αφαλάτωσης, η μονάδα ηλεκτρόλυσης, η μονάδα κυψέλης
καυσίμου, η μονάδα συμπίεσης, οι φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου και η δεξαμενή αποθήκευσης
νερού. Επίσης αναπτύχθηκαν τα υποσυστήματα υπολογισμού δεικτών βελτιστοποίησης της
ενέργειας και του νερού. Εφαρμόσαμε την προαναφερθείσα πλατφόρμα προσομοίωσης που
αναπτύχθηκε στο Simulink, σε μία αυτόνομη κατοικία στη γεωγραφική περιοχή που είχε επιλεγεί
από την προηγούμενη διπλωματική εργασία, τα Κουφονήσια. Εισάγοντας τα μετεωρολογικά
δεδομένα για αυτή την περιοχή εκτελέσαμε την προσομοίωση της αυτόνομης κατοικίας, όπου μέσω
γραφικών παραστάσεων εντοπίσαμε ελλείματα στις συνιστώσες αυτονομίας της κατοικίας, δηλαδή
στην ενέργεια και το νερό. Για να αντιμετωπίσουμε αυτές τις ελλείψεις, και το σύστημα να γίνει
αυτόνομο, σχεδιάσαμε τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης των συνιστωσών της αυτόνομης κατοικίας.
Ο αλγόριθμος επιλέγει τα μεγέθη των επιμέρους μονάδων του συστήματος, ούτως ώστε να είναι
ικανό να τροφοδοτεί τις ανάγκες της οικογένεια, με το ελάχιστο δυνατό οικονομικό κόστος. Αυτό
γίνεται μέσα από μια σειρά ελέγχων, χρησιμοποιώντας για κάθε έλεγχο το κατάλληλο εργαλείο
επίλυσης του αντίστοιχου προβλήματος αυτονομίας. Αφού ο αλγόριθμος καταλήξει στα μεγέθη των
μονάδων, μέσω της κοστολόγησης του μεγέθους τους, υπολογίζεται το κόστος για κάθε εργαλείο.
Στη συνέχεια επιλέγουμε εκείνο το εργαλείο που έχει το μικρότερο κόστος. Αφού προσδιορισθεί ο
οικονομικά βέλτιστος σχεδιασμός του συστήματος, αποδεικνύουμε την ορθή λειτουργία του
αλγορίθμου βελτιστοποίησης που σχεδιάσαμε, μέσω εφαρμογής του συστήματος για μια
διαφορετική γεωγραφική περιοχή, την Σκόπελο. Εκεί λόγω των διαφορετικών μετεωρολογικών
δεδομένων λάβαμε ένα διαφορετικό συνδυασμό μονάδων ως λύση σε σχέση με τα Κουφονήσια, ο
οποίος οδηγείται με απλή λογική και επιβεβαιώνει την ορθή λειτουργία του αλγορίθμου.
Οι βελτιώσεις και επεκτάσεις που μπορούν να γίνουν στην εργασία είναι αρκετές. Μερικές
από αυτές είναι, η αυτοματοποίηση υποσυστημάτων, κρατώντας ένα όριο ασφαλείας, όπως
πραγματοποιήθηκε στην δεξαμενή νερού. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί και στις φιάλες
υδρογόνου, ανάλογα με την θερμοκρασία. Επίσης ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης μπορεί να
χρησιμοποιεί και να ελέγχει την αποτελεσματικότητα περισσότερων εργαλείων επίλυσης, όπως (τις
κυψέλες καυσίμου, τον συμπιεστή και την χωρητικότητα των φιαλών υδρογόνου). Ακόμα, είναι
εφικτό το αυτόνομο σύστημα να χρησιμοποιεί την περίσσεια ενέργειας για φόρτιση ηλεκτρικών
οχημάτων, προκειμένου η οικογένεια να εξασφαλίσει οικονομικότερη και αυτόνομη μετακίνηση.
Τέλος, για μία καλύτερη προσέγγιση του προβλήματος θα πρέπει στην κοστολόγηση να
συμπεριληφθούν και άλλα κόστη εκτός από το κόστος αγοράς κάθε μονάδας, όπως το κόστος
εγκατάστασης και συντήρησης
(EL)
University of Patras
