Současná energetická situace ve světě směřuje k většímu zastoupení obnovitelných zdrojů v energetické síti každého z členských států EU. Současně s touto energetickou strategií nadchází i růst cen energií, který může tlačit domácnosti k větší nezávislosti na veřejné energetické síti. Efektivní využívání obnovitelných zdrojů u domácností spočívá především v uchovávání přebytků energií vzniklých za optimálních podmínek během dne a využívání této naakumulované energie dle potřeby domácnosti. Na tuto skutečnost jsme se prostřednictvím výzkumného týmu na Fakultě materiálově technologické s podporou firmy EVC Group s.r.o. zaměřili a vyvinuli modulární ostrovní systém pro generování a uskladnění elektrické energie. Vyvinutý ostrovní systém navíc umožňuje generovat elektrickou energii jak z obnovitelných zdrojů, jako jsou fotovoltaické panely, tak prostřednícím alternativních zdrojů v podobě motorgenerátorové jednotky na stlačený zemní plyn. Do našeho energetického systému máme v současné době zapojený i elektromobil StudentCar e-Buggy, jehož bateriový box je využíván jako další uložiště, nebo zdroj elektrické energie.
CÍL VÝVOJOVÉHO CYKLU
Cílem naší vývojové činnosti v rámci spolupráce s našim průmyslovým partnerem, bylo navrhnout modulární soběstačný energetický systém, který by umožňoval v případě potřeby odpojení od veřejné sítě elektrického napětí a spravovat si energetický managment domácnosti z vlastních zdrojů. Výsledkem této spolupráce při vývoji je komplexní systém pro správu a úschovu elektrické energie jak pro domácnosti, tak pro provoz administrativních, nebo průmyslových budov. Ostrovní energetický systém umožňuje výrobu elektrické energie v motorgenerátorové jednotce spalující CNG, nebo z obnovitelných zdrojů, jakými jsou solární panely. Systém rovněž obsahuje škálovatelnou bateriovou jednotku, pro ukládání přebytku elektrické energie. Součástí systému je rovněž bateriový box elektromobilu, který funguje buď jako další uložiště nebo zdroj elektrické energie.
Vyvinuté zařízení ostrovního energetického systému pak bylo implementováno do designově řešených skříních, které lze umístit jak do interiéru domácnosti pro správu energetického managmentu, nebo do technických místností (Obrázek 1). U zařízení vyžadující umístění v exteriérech je navržená konstrukce krytu plně odolná vůči povětrnostním vlivům a změnám teplot v průběhu celého roku. Pro řídící jednotku umístěnou v interiérech domácnosti pak bylo navrženo interaktivní uživatelské prostředí, které využívá barevné indikace stavu ostrovního systému prostřednictvím barev LED světelného pásku. Zařízení rovněž umožňuje prohlížení podrobných parametrů a statistik prostřednictvím rozšířené reality a mobilní aplikace.
BATERIOVÉ ULOŽIŠTĚ
Pro vyvinutý ostrovní energetický systém bylo navrženo bateriové uložiště, které lze škálovat podle velikosti objektu a jeho spotřeby elektrické energie. Bateriové uložiště je sestaveno z bateriových modulů, které se sestávají ze serio-paralelně zapojených Li-ion cylindrických bateriových článků 18650. Tyto bateriové moduly byly vyvinuty ve spolupráci s firmou EVC Group s.r.o. se záměrem, který zajistí jmenovité napětí celého bateriového uložiště o hodnotě 48 V. Bateriové uložiště disponuje stejnosměrným napětím o velikosti 48 V z důvodu bezpečnosti a vhodnosti umístění této jednotky i v obytných prostorách domácnosti.
Vyvinuté bateriové uložiště lze instalovat od řádu jednotek kWh pro malé domácnosti až po uložiště o kapacitě 143 kWh, které již bylo v rámci testovacího provozu dodáno soukromému zákazníkovi. A současně navržené uložiště cílí i na průmyslové podniky, kterým v rámci tohoto řešení nabízí sestavení potřebné kapacity po 100 kWh blocích.
ENERGETICKÝ MANAGMENT OSTROVNÍHO SYSTÉMU
Pro akumulaci elektrické energie byly ve vyvinutém ostrovním systému navrženy dva základní zdroje výroby elektrické energie. První a čistě obnovitelnou složkou energetického mixu domácnosti jsou fotovoltaické panely generující stejnosměrné napětí, které je prostřednictvím DC/DC měniče konvertováno na napětí 48 V stejnosměrného napětí a ukládáno do bateriového uložiště. Druhým zdrojem elektrické energie je motorgenerátorová jednotka na CNG generující střídavého napětí, které je opět konverzováno AC/DC měničem na 48 V stejnosměrného napětí pro uložení do bateriového uložiště. Naakumulovaná energie v bateriích je pak distribuována do domovní elektrické sítě prostřednictvím frekvenčního měniče, který bezpečné napětí 48 V konvertuje na síťové napětí 230/400 V.
Pro řízení energetického managmentu uzavřeného energetického systému byl navržena centrální řídící jednotka sbRIO s komunikačním rozhraním Modbus a CAN.
MOTORGENERÁTOROVÁ JEDNOTKA
Motorgenerátorová jednotka je v ostrovním systému zdrojem střídavého napětí generovaného třífázovým asynchronním motorem. Ten je poháněn spalovacím motorem Kavasaki 650, který byl pro tuto aplikaci přestavěn na palivo CNG. V současné době motorgenerátorové jednotka prošla dalším vývojovým cyklem s cílem využít odpadní tepelnou energii z chlazení a z výfukových plynů pro ohřev teplé užitkové vody.
DESIGN A UŽIVATELSKÉ ROZHRANÍ
Vyvinutý ostrovní energetický systém byl navržen tak, aby celý, nebo jeho hlavní části mohly být umístěny i do interiéru domácností. Celý vyvinutý systém lze rozdělit do více samostatně stojících celků. Do jedné designové skříně je umístěna hlavní řídící jednotka a bateriový modul, které zpravidla je dostačující pro chod domácností. Atraktivní design skříně umožňuje umístění v interiéru bytu (Obrázek 2 a 3). Při konfiguraci s vyšší kapacitou bateriového uložiště lze řídící jednotku umístěné v interiéru doplnit o externí jednotky s bateriemi a umístit je kupříkladu v technických místnostech. Motorgenerátorová jednotka je pak navržena v mobilní skříni uzpůsobené pro venkovní umístění (Obrázek 1).
Uživatelské prostředí a správa energetického managmentu domácnosti je uzpůsobena požadavkům strategie pro průmysl 4.0. Jinými slovy je pro zobrazování informací a parametrů energetické jednotky využíváno pokročilých zobrazovacích systémů jakými jsou rozšířená realita, nebo správa systému v rámci chytré domácnosti formou webového rozhraní. Mezi základní informace, které navržené prostředí nabízí k zobrazení jsou: Aktuální stav baterií, aktuální výkonové parametry generátorů elektrické energie, průběžné statistiky a aktuální spotřebu domácnosti (Obrázek 4). Dále pak umožní volbu připravených režimů provozu včetně kombinace ostrovního systému s veřejnou elektrickou sítí.
ZHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ VE VÝVOJI
V důsledku globální energetické strategie náš výzkumný tým ve spolupráci s firmou EVC Group s.r.o. vyvinul ostrovní energetický systém, který umožňuje domácnostem, nebo i bytovým domům a průmyslovým subjektům snížit náklady na energie a využívat ve větší míře obnovitelné zdroje pro svůj provoz. Byl vyvinut celý energetický systém skládající se z modulárního bateriového uložiště, generátorů elektrické energie na CNG, fotovoltaických panelů a elektromobilu. Energetický systém obsahuje uživatelské prostředí využívající interaktivní rozšířenou realitu pro sledování parametrů. Pro jednotlivé komponenty energetického systému byly navrženy designové skříně, umožňující škálovatelnost potřebné kapacity baterií. Motorgenerátorová jednotka je pak umístěna ve skříni pro venkovní prostředí, jejíž účelem je snížení hluku spalovacího motoru a odolávat povětrnostním podmínkám v průběhu celého roku. Výsledky výzkumu a vývoje byly na závěr uplatněny pro registraci průmyslových vzorů chránící designové řešení vyvinutého ostrovního energetického systému Home battery Storage.
Poděkování: Výsledků bylo dosaženo díky finanční podpoře Technologické agentury ČR, projekt č. TH02020318.
Michal Buráň,
František Fojtík,
Miroslav Suchánek
Fakulta materiálově technologická
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Development of a modular island energy system for households
The current energy situation in the world is moving towards a greater representation of renewable energy sources in the energy grid of each EU country. Alongside this energy strategy comes a rise in energy prices, which may push households towards greater independence from the public energy grid. The efficient use of renewable energy by households consists primarily of storing the surplus energy generated under optimal conditions during the day and using this accumulated energy according to the household's needs. We have focused on this through a research team at the Faculty of Materials Technology with the support of EVC Group Ltd. and developed a modular island system for electricity generation and storage. In addition, the developed island system allows generating electricity from renewable sources such as photovoltaic panels, as well as from alternative sources in the form of a compressed natural gas engine-generator unit. Our energy system currently includes the StudentCar e- Buggy, whose battery box is used as an additional storage or power source.
.gif)
