Perspektywy inteligentnego dołączania nieznanych źródeł energii

Prognozowane zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną dla budynku inteligentnie zrównoważonego 

Systemy automatycznego nadzoru i sterowania zarządzające tradycyjnymi procesami technologicznymi i bezpieczeństwem w inteligentnym budynku otrzymują obecnie nowe zadania do sterowania energetycznymi systemami wspomagającymi, które angażują energie odnawialne.

Coraz wyraźniej zaczyna dominować na świecie budynek przyjazny ekologicznie, nazywany często budynkiem zielonym. Budynek zielony z inteligentnym łączy ciekawe oddziaływanie: budynek inteligentny powoduje, że ten zielony staje się bardziej zielony, a budynek zielony sprawia, że poziom inteligencji budynku inteligentnego ciągle wzrasta. Te oddziaływania doprowadzą w niedługim czasie do powstania następnego stadium w procesie rozwoju inteligentnego budownictwa przyszłości, to jest do etapu budynku inteligentnie zrównoważonego.

Budynek inteligentnie zrównoważony będzie wyposażony w systemy sterowania mediami odnawialnymi i nieodnawialnymi, jak również w procedury optymalnego sterowania bezpieczeństwem, komfortem i technologią [10]. Obszar teorii inteligentnych domów zawiera w sobie problematykę pasywnej i aktywnej energooszczędności.

Oba te zagadnienia mają bezpośredni wpływ na bilans zużycia energii w inteligentnym domu i można wskazać dwa główne dominujące źródła zużycia energii, to jest system ogrzewania domu i system ciepłej wody użytkowej. Domy mogą uzyskiwać energię cieplną z własnych źródeł lub z zewnątrz [10].

Prognozowany rozwój budownictwa energooszczędnego będzie miał wpływ na funkcjonalność systemów nadzoru stosowanych w celu poprawy efektywności ogrzewania domów z miejskiej sieci ciepłowniczej. Sposób wykorzystania energii w domach o małym zapotrzebowaniu na ciepło będzie ulegał zmianie i dlatego konieczne stanie się wprowadzanie nowych narzędzi diagnostycznych. Ciepła woda użytkowa i ciepło wentylacyjne zwiększą swój udział w całkowitym bilansie energetycznym i dlatego wzrośnie waga zagadnień modelowania tych procesów. Miasta przyszłości powszechnie będą wykorzystywały energię słoneczną zarówno w instalacjach podgrzewających ciepłą wodę użytkową, jak i do produkcji energii elektrycznej [10].

Globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrasta szybko na całym świecie. Zakłada się, że tempo to wynosi około 2,2% rocznie, co oznacza, że obecnie światowa konsumpcja energii elektrycznej w ilości 20 300 TWh wzrośnie w 2030 roku do 33 000 TWh. Już wkrótce niezbędny będzie inteligentny system kierujący energię dokładnie tam, gdzie jest ona potrzebna. Takim rozwiązaniem jest Inteligentna Sieć Energetyczna – Smart Grid [11].

Ideą Smart Grid jest komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii. Sieć integruje elektrownie, duże i małe, oraz odbiorców energii w jedną całościową strukturę. Smart Grid może istnieć i funkcjonować dzięki dwóm elementom: automatyce zbudowanej na zaawansowanych czujnikach oraz systemowi teleinformatycznemu. Dodatkowo umożliwi użytkownikom końcowym aktywne uczestniczenie w rynku energii i tym samym świadome przyczynianie się do ochrony klimatu. Smart Grid jest obecnie ideą i sprawą przyszłości, ale przyszłości bardzo niedalekiej. Technologie potrzebne do budowy takiej inteligentnej sieci już istnieją [11].

Algorytmy dołączania nieznanego źródła energii elektrycznej [12, 13]

Podobnie jak w przypadku dołączania znanych źródeł energii elektrycznej, takich jak turbiny wiatrowe, ogniwa fotowoltaiczne czy generatory spalinowe, algorytmy postępowania są precyzyjnie określone, trównież połączenie nieznanego źródła wymaga jego wcześniejszej identyfikacji. Rozpoznanie typu układu zasilania może być wykonane poprzez specjalizowany układ oparty na mikrokontrolerze. Z uwagi na sterowanie dołączaniem energii do odbioru w czasie rzeczywistym, obejmującym zadawanie zmian stanu w dyskretnych chwilach czasowych, wskazane byłoby korzystanie z procesora DSP [12].

Układ elektroniczny umożliwiający podłączenie nieznanego źródła energii elektrycznej, określany dalej jako „czarna skrzynka”, powinien pozwolić na monitorowanie parametrów źródła i odbioru. Główne jego parametry to: rodzaj i wartość napięcia, moc oraz charakterystyki źródeł zasilania. „Czarna skrzynka” powinna mieć możliwość dołączania sterowalnych układów zasilania.

Ponieważ identyfikacja źródła poprzez mikrokontroler pozwoli na określenie jego typu: czy jest sterowalne – o przewidywalnej i sterowalnej mocy generowanej (ogniwo paliwowe, agregat prądotwórczy), czy niesterowalne – o nieprzewidywalnej mocy (turbozespół wiatrowy i ogniwo słoneczne) - możliwość utrzymania ilości wyprodukowanej energii na stałym poziomie jest niezbędna.

Wykrycie charakterystyki źródła i określenie czy należy ono do grupy odnawialnych pozwoli na zminimalizowanie kosztów energii. Oszczędności uzyskamy poprzez magazynowanie nadwyżek zielonej energii w akumulatorach czy ogniwach paliwowych. W celu minimalizacji całkowitego kosztu wytworzenia energii zasobnik należy ładować wyłącznie nadwyżkami energii ze źródeł odnawialnych.

Do poprawnego podłączenia układów zasilającego i zasilanego o określonych parametrach zbadanych poprzez układ mikroprocesorowy, niezbędne będzie ich dostosowanie do siebie. W przypadku napięcia stałego, od wielu lat znane i stosowane są urządzenia, których zadaniem jest zmiana napięć stałych na przemienne. Niestety w przypadku napięć przemiennych niezwykle ważna jest synchronizacja. Często, oprócz samej zamiany kształtu napięcia ze stałego na przemienne, urządzenia te muszą realizować również dodatkowe funkcje.

Ważnym czynnikiem w przypadku ogniw fotowoltaicznych jest utrzymanie pracy w punkcie mocy maksymalnej. Poza tym punktem bateria słoneczna posiada małą wydajność oraz dużą podatność na niewielkie zmiany nasłonecznienia. Wykrycie takiego źródła będzie równoznaczne z utrzymaniem odpowiednich parametrów, a tym samym wygenerowaniem jak największej ilości darmowej energii.

W przypadku ogniw paliwowych występuje podobny problem z utrzymaniem maksymalnego punktu pracy [13].

Uwzględnić należy również aspekty prawne związane z dołączaniem nieznanego źródła energii elektrycznej. Dopóki źródło dołączane jest do pojedynczego odbiornika lub mikrosieci pracującej w trybie off-grid, należy skupić się na dopasowaniu parametrów energii. W przypadku dołączenia źródła zasilania do SEE należy spełnić odpowiednie wymogi prawne. Jednym z nich jest złożenie wniosku o przyłącze, w którym należy określić charakter i moc źródeł oraz poziom napięć, do jakiego ma zostać wykonane przyłącze. Wypełnienie takiego podania jest praktycznie niemożliwe w przypadku nieznanych źródeł energii elektrycznej, a akty prawne nie definiują w jasny sposób, co w takim przypadku należy zrobić.

Podsumowanie 

Powyższe rozważania należy traktować jako inicjację badań dotyczących automatyzacji dołączania nie tylko nieznanych źródeł energii, ale także całych nieznanych systemów energetycznych. Celem badań ma być uzyskanie rozwiązań hardware’owych i software’owych zapewniających pewne i bezpieczne zasilanie w energię odbiorców (np. osiedli budynków „inteligentnych”) o bardzo różnorodnej oraz czasem nieznanej strukturze technicznej, a także określenie zużycia różnych postaci energii. 

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego podczas XV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP pt. „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne. Klasyczne i inteligentne sieci oraz instalacje – projektowanie, budowa, eksploatacja”. Poznań, 21-22 listopada 2012 r.

Literatura:

[1] Ministerstwo Gospodarki, Prognoza zapotrzebowania na paliwa i energię do 2030 roku, Załącznik 2. do „Polityki energetycznej Polski do 2030 roku”, Warszawa 2009

[2] Mazurek R., Stachel A. A.: Techniczne i ekonomiczne aspekty przetwarzania energii promieniowania słonecznego w ciepło i energię elektryczną, XIV Konferencja „REC-2008” Nałęczów, 22 – 24 października 2008.

[3] World Energy Outlook 2004, OECD/IEA, 2004, s. 252

[4] Goryca Z., Malinowski M, Pakosz A.: Wolnoobrotowa prądnica do elektrowni wiatrowej lub wodne

[5] http://www.komel.katowice.pl/produkcja2.html

[6] Kolber P, Perczyński D.: Badanie prądnicy synchronicznej

[7] http://www.madex.ekoenergia.pl

[8] Sarnik T., Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008

[9] http://ioze.pl/energetyka-wiatrowa/problemy-zwiazane-z-przylaczeniem-oze-do-sieci, dn. 05.11.2012 godz. 14.00

[10] Mikulik J.: Inteligentne budynki. Teoria i praktyka, Oficyna Wydawnicza Text, Kraków 2010, s. 13, 294, 296

[11] http://elektroinzynieria.pl/newsItem, dn. 09.01.2012 r., godz. 14.00

[12] Paska J., Michalski Ł., Molik Ł., Koceba M.: Wykorzystanie mikrosieci prądu stałego do integracji rozproszonych „Rynek Energii” 2010, nr 2. Wyd. KAPRINT, Lublin 2010

[13] Biczel P.: Power Plants in DC microgrid. XII Sypmpozjum “Podstawowe problemy energoelektroniki, elektromechaniki i mechatroniki – PPEEm`2007”. Wisła, 9 – 12 grudnia 2007