ΙΩΝΙΚΗ Autonomous

12 Οκτωβρίου 2023

Το μικροδίκτυο του Αυτόνομου Ελεγκτή

Ο Αυτόνομος ελεγκτής ροών ενέργειας, η γενική επισκόπηση του οποίου έγινε ήδη σε προηγούμενο άρθρο, αφορά την βέλτιστη διαχείριση της παραχθείσας ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές, με στόχο την μεγιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα ο ελεγκτής είναι μέρος ενός μικροδικτύου, όπου συνυπάρχει παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας και που ο αλγόριθμός του, αξιοποιώντας δεδομένα καιρού, αποφασίζει για την αξιοποίηση της προαναφερθείσας ενέργειας.

Αναλυτικότερα παρουσιάζονται τα δομικά στοιχεία του συστήματος που λειτουργούν είτε ως παραγωγοί είτε ως καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας με τα αντίστοιχα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους, καθώς και η συσκευή (hardware) που θα αναπτυχθεί και θα κάνει την διαχείριση όλων των παραπάνω δεδομένων. Τέλος, παρουσιάζεται ο ελεγκτής που έχει επιλεγεί για την ανάπτυξη του συστήματος με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά του.

Παραγωγοί και καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας

Το υβριδικό σύστημα που θα αναπτυχθεί αποτελείται από τα παρακάτω μέρη:

Φωτοβολταϊκά πάνελ συνολικής ισχύος 41,04kW
Μικρή ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα ισχύος 5,00kW
Υδατόπυργος με υδρογεννήτρια ισχύος 2,00kW
Συσσωρευτές αποθήκευσης ενέργειας μολύβδου-οξέος (RES OPzS), συνολικής χωρητικότητας 220,00kWh
Δίκτυο ΔΕΔΔΗΕ
Φορτία κατανάλωσης εγκατάστασης συνολικής ισχύος 10,00kW

Κάποια από αυτά τα στοιχεία λειτουργούν ως παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας και κάποια ως καταναλωτές.

Πιο συγκεκριμένα, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προκύπτει από τα παρακάτω:

α. Φωτοβολταϊκά πάνελ
β. Ανεμογεννήτρια
γ. Σύστημα υδατόπυργου με υδρογεννήτρια
δ. Δίκτυο ΔΕΔΔΗΕ
ε. Συσσωρευτές (κατά τη φάση της εκφόρτισης)

Αντίστοιχα, ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνεται από τα παρακάτω στοιχεία:

α. Φορτία εγκατάστασης
β. Συσσωρευτές (κατά την φάση της φόρτισης)
γ. Γεώτρηση (κατά τη φάση πλήρωσης του υδατόπυργου)

Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν αναλυτικά όλα τα μέρη του συστήματος με τα τεχνικά και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους.

Φωτοβολταϊκά πάνελ

Τα φωτοβολταϊκά πάνελ λειτουργούν ως παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα φωτοβολταϊκών που θα εγκατασταθεί θα είναι συνολικής ισχύος 41,04kW και θα αποτελείται από 72 πάνελ, ισχύος 570Wp το κάθε ένα. Τα πάνελ που θα χρησιμοποιηθούν είναι μονής όψεως, μονοκρυσταλλικά, πυριτίου, 72 κυψελών.

Τα φωτοβολταϊκά πάνελ παράγουν ηλεκτρική ενέργεια απορροφώντας ηλιακή ακτινοβολία. Στην ουσία πρόκειται για την μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το ρεύμα που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πάνελ είναι συνεχές (DC), ενώ η ονομαστική τάση ανοιχτού κυκλώματος για το ένα πάνελ είναι ίση με 50,11V.

Τα φωτοβολταϊκό σύστημα θα εγκατασταθεί επί εδάφους και τα πάνελ θα τοποθετηθούν πάνω σε σταθερές μεταλλικές βάσεις στήριξης.

Στην έξοδο του συστήματος φωτοβολταϊκών θα συνδεθούν τρεις ρυθμιστές φόρτισης 450|200 με τάση εισόδου από το φωτοβολταϊκό έως και 450V και ρεύμα εξόδου 200Α. Οι ρυθμιστές φόρτισης θα ελέγχουν τη διαδικασία φόρτισης των συσσωρευτών και θα τη διακόπτουν όταν διαπιστωθεί η πλήρης φόρτιση αυτών. Ταυτόχρονα, θα επιτρέπουν την αυτόματη επανεκκίνηση της διαδικασίας φόρτισης των συσσωρευτών όταν διαπιστωθεί ότι η τάση τους έπεσε κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο φόρτισης. Η έξοδος όλων των ρυθμιστών φόρτισης θα συνδεθεί σε μία διάταξη DC BUS με 48V DC (DC BUS 48V) που θα εγκατασταθεί.

Ανεμογεννήτρια

Η ανεμογεννήτρια λειτουργεί ως παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανεμογεννήτρια που θα εγκατασταθεί θα είναι κάθετου άξονα, ισχύος 5,00kW και θα τοποθετηθεί σε μεταλλικό πυλώνα στήριξης ύψους 12,00m.

Το ρεύμα που παράγεται από την ανεμογεννήτρια είναι εναλλασσόμενο (AC), τάσεως 220V. Στην έξοδο της ανεμογεννήτριας θα συνδεθεί ένας ρυθμιστής φόρτισης με τάση εξόδου 48V και ρεύμα εξόδου 105Α. Ο ρυθμιστής φόρτισης θα ελέγχει τη διαδικασία φόρτισης των συσσωρευτών και θα τη διακόπτει όταν διαπιστωθεί η πλήρης φόρτιση αυτών. Ταυτόχρονα, θα επιτρέπει την αυτόματη επανεκκίνηση της διαδικασίας φόρτισης των συσσωρευτών όταν διαπιστωθεί ότι η τάση τους έπεσε κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο φόρτισης. Επίσης, ο ρυθμιστής φόρτισης θα ελέγχει την εκτροπή της πλεονάζουσας ενέργειας της ανεμογεννήτριας στο φορτίο απόρριψης (dump load). Η έξοδος και αυτού του ρυθμιστή φόρτισης θα συνδεθεί στο DC BUS 48V που θα εγκατασταθεί.

Υδρογεννήτρια

Η υδρογεννήτρια λειτουργεί ως παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας. Θα εγκατασταθεί σύστημα που θα αποτελείται από υδατόπυργο και υδρογεννήτρια ισχύος 2,00kW. Με το ίδιο σύστημα θα συνδεθεί και γεώτρηση ισχύος 4,50kW, η οποία θα τίθεται σε λειτουργία ανάλογα με τις απαιτήσεις σε ενέργεια του συστήματος που θα αναπτυχθεί. Το ρεύμα που παράγεται από την υδρογεννήτρια είναι εναλλασσόμενο (AC), τάσεως 38V, 75V, 150V, ή 200V (αναλόγως του μοντέλου)

Στην έξοδο της υδρογεννήτριας θα συνδεθεί ένας ρυθμιστής φόρτισης 48|105 με τάση εξόδου 48V και ρεύμα εξόδου 105Α.

Ο ρυθμιστής φόρτισης θα ελέγχει τη διαδικασία φόρτισης των συσσωρευτών και θα τη διακόπτει όταν διαπιστωθεί η πλήρης φόρτιση αυτών.

Ταυτόχρονα, θα επιτρέπει την αυτόματη επανεκκίνηση της διαδικασίας φόρτισης των συσσωρευτών όταν διαπιστωθεί ότι η τάση τους έπεσε κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο φόρτισης. Η έξοδος και αυτού του ρυθμιστή φόρτισης θα συνδεθεί στο DC BUS 48V που θα εγκατασταθεί. Παρακάτω φαίνονται το σχεδιάγραμμα σύνδεσης των κυκλωμάτων της υδρογεννήτριας και τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ρυθμιστή φόρτισης που θα εγκατασταθεί.

Στην έξοδο της υδρογεννήτριας θα συνδεθεί ένας ρυθμιστής φόρτισης 48|105 με τάση εξόδου 48V και ρεύμα εξόδου 105Α. Ο ρυθμιστής φόρτισης θα ελέγχει τη διαδικασία φόρτισης των συσσωρευτών και θα τη διακόπτει όταν διαπιστωθεί η πλήρης φόρτιση αυτών. Ταυτόχρονα, θα επιτρέπει την αυτόματη επανεκκίνηση της διαδικασίας φόρτισης των συσσωρευτών όταν διαπιστωθεί ότι η τάση τους έπεσε κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο φόρτισης. Η έξοδος και αυτού του ρυθμιστή φόρτισης θα συνδεθεί στο DC BUS 48V που θα εγκατασταθεί. Παρακάτω φαίνονται το σχεδιάγραμμα σύνδεσης των κυκλωμάτων της υδρογεννήτριας και τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ρυθμιστή φόρτισης που θα εγκατασταθεί.

Συσσωρευτές αποθήκευσης ενέργειας

Οι συσσωρευτές αποθήκευσης ενέργειας λειτουργούν ως παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας (κατά την φάση της εκφόρτισης) και ως καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας (κατά την φάση της φόρτισης).

Και στις δύο περιπτώσεις το ρεύμα των συσσωρευτών θα είναι συνεχές (DC), τάσεως 48V.

Στη συγκεκριμένη εφαρμογή απαιτείται η εγκατάσταση συσσωρευτών με ισχύ αποθήκευσης ίση με 220kWh. Θα χρησιμοποιούν δύο παράλληλες συστοιχίες συσσωρευτών μολύβδου-οξέως RES OPzS.

Η κάθε συστοιχία θα αποτελείται από 24 τεμάχια μπαταριών τάσεως 2V και χωρητικότητας 2286AH.

Οι συστοιχίες των συσσωρευτών θα συνδεθούν με το κεντρικό BUS (DC BUS 48V).

Δίκτυο ΔΕΔΔΗΕ

Το δίκτυο του ΔΕΔΔΗΕ λειτουργεί ως παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας. Το ρεύμα του δικτύου είναι τριφασικό, εναλλασσόμενο (AC), τάσεως 400V και συχνότητας 50Hz.

Το δίκτυο του ΔΕΔΔΗΕ θα συνδεθεί σε μια διάταξη BUS AC, όπως περιγράφεται και παρακάτω.

Φορτία καταναλώσεων

Τα φορτία της εγκατάστασης λειτουργούν ως καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας. Στην συγκεκριμένη εφαρμογή η συνολική ισχύς των φορτίων των καταναλώσεων είναι ίση με 10,00kW. Τα φορτία διακρίνονται στις τρεις παρακάτω κατηγορίες:

Κρίσιμα φορτία (Critical loads) – 1,50kW: Πρόκειται για τα φορτία τα οποία απαιτούν συνεχή και αδιάλειπτη τροφοδοσία με ρεύμα (PCs, φωτισμός, ρευματοδότες)
Κανονικά φορτία (Normal loads) – 4,00kW: Πρόκειται για τα υπόλοιπα φορτία της εγκατάστασης (PCs)
Φορτίο γεώτρησης – 4,50kW: Πρόκειται για τη γεώτρηση που θα συνδεθεί με το σύστημα υδατόπυργου-υδρογεννήτριας και η οποία θα τίθεται σε λειτουργία υπό συνθήκες και ανάλογα με τις απαιτήσεις του συστήματος σε ενέργεια.

Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται όλα τα στοιχεία του συστήματος που θα σχεδιαστεί με τα αντίστοιχα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους.

Φορτία καταναλώσεων

Φορτίο	Ισχύς (kW)	Είδος (3Φ/1Φ)
Κρίσιμα φορτία
PC 1	0.25	1Φ
PC 2	0.25	1Φ
PC 3	0.25	1Φ
Φωτισμός	0.3	1Φ
Ρευματοδότες	0.45	1Φ
Μερικό Σύνολο	1.5	1Φ
Κανονικά φορτία
PC 1	0.45	1Φ
PC 2	0.45	1Φ
PC 3	0.45	1Φ
PC 4	0.45	1Φ
PC 5	0.45	1Φ
PC 6	0.45	1Φ
PC 7	0.45	1Φ
PC 8	0.45	1Φ
PC 9	0.4	1Φ
Μερικό Σύνολο	4	1Φ
Φορτίο γεώτρησης
Γεώτρηση	4.5	3Φ
Μερικό Σύνολο	4.5	3Φ
Σύνολο	10	3Φ

Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά συστήματος

Στοιχεία συστήματος	Είδος (AC/DC)	Τάση εξόδου (V)	Συνολική ισχύς (kW)	Χωρητικότητα (kWh)
Παραγωγοί
Φωτοβολταϊκά πάνελ	DC	50.11	7.4	–
Ανεμογεννήτρια	AC	220	5	–
Υδρογεννήτρια	AC	38,00V 75,00V 150,00V ή 200,00V	2
Συσσωρευτές	DC	48	–	220
Δίκτυο ΔΕΔΔΗΕ	AC	400	–	–
Καταναλωτές
Συσσωρευτές	DC	48	–	220
Φορτία εγκατάστασης	AC	400	10	–

Τα φορτία των καταναλώσεων θα συνδεθούν στην ίδια διάταξη BUS AC που θα συνδεθεί και το δίκτυο του ΔΕΔΔΗΕ.

Ανάμεσα στα δύο BUS (AC BUS, DC BUS 48V) θα συνδεθούν τρεις μονοφασικοί αντιστροφείς/φορτιστές ισχύος 15,00KW ο κάθε ένας. Οι αντιστροφείς θα μετατρέπουν το DC ρεύμα σε AC ώστε να τροφοδοτηθούν τα φορτία της εγκατάστασης ενώ ταυτόχρονα θα χρησιμοποιούνται και για την φόρτιση των συσσωρευτών σε περιπτώσεις που αυτό κριθεί απαραίτητο από τον κεντρικό ελεγκτή του συστήματος. Η έξοδος των αντιστροφέων θα συνδεθεί στο AC BUS που θα εγκατασταθεί ώστε να τροφοδοτεί τα φορτία της εγκατάστασης. Παρακάτω παρουσιάζονται τα τεχνικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των αντιστροφέων που θα εγκατασταθούν καθώς επίσης και το σχεδιάγραμμα σύνδεσης όλων των κυκλωμάτων που αφορούν στο δίκτυο και στα φορτία της εγκατάστασης.

Σημειώνεται ότι το σύστημα που θα αναπτυχθεί είναι επεκτάσιμο και μπορούν να συνδεθούν οποιεσδήποτε επιπλέον συσκευές όπως Η/Ζ, υδρογεννήτρια, ανεμογεννήτρια, φωτοβολταϊκά κλπ.

Ελεγκτής συστήματος

Τον ελεγκτή του συστήματος για τον έλεγχο των μικροδικτύων αποτελεί ένα Raspberry Pi 4 Model B, το οποίο είναι το τελευταίο προϊόν της σειράς υπολογιστών Raspberry Pi. Πρόκειται για ένα πλήρες υπολογιστικό σύστημα μιας πλακέτας που αποτελείται από μία κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), ενσωματωμένο επεξεργαστή γραφικών (GPU), αποθηκευτικό χώρο, μνήμη RAM και θύρες εισόδου/εξόδου (GPIO).

Συγκεκριμένα, το Raspberry Pi 4 Model B απαρτίζεται από τον τετραπύρηνο επεξεργαστή ARM Cortex-A72, αρχιτεκτονικής 64-bit και συχνότητας 1.5 GHz. Η μνήμη RAM είναι τύπου LPDDR4 και έχει μέγεθος 4GB, γεγονός που καθιστά επιτρεπτή την εκτέλεση πολύπλοκων και παράλληλων διεργασιών. Η τροφοδοσία του επιτυγχάνεται μέσω USB-C στα 5V και 3A. Επιπροσθέτως, η δικτύωση του μπορεί να είναι είτε ενσύρματη μέσω της υποδοχής Ethernet, είτε ασύρματη μέσω Wi-Fi. Ακόμη, υπάρχει δυνατότητα μεταφοράς δεδομένων μέσω Bluetooth 5.0.

Αναφορικά με την αξιοποίηση του ελεγκτή στο σύστημα, το Raspberry Pi θα συνδεθεί μέσω των relay της πλακέτας με τα relay του ηλεκτρολογικού πίνακα της εγκατάστασης, και κατά αυτό τον τρόπο θα δίνει εντολές ώστε διαμορφώνει τις ροές ενέργειας.

Σύστημα ελέγχου

Σκοπός του ερευνητικού έργου είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη μιας συσκευής (hardware) η οποία θα παρέχει τη δυνατότητα διαχείρισης και κατανομής όλων των ροών ενέργειας που προκύπτουν από τους παραπάνω παραγωγούς και καταναλωτές. Η συσκευή θα λαμβάνει ως δεδομένα εισόδου τα παρακάτω στοιχεία:

Κλιματολογικά δεδομένα με πρόβλεψη 4-5 ημερών (ηλιοφάνεια, ταχύτητα ανέμου κλπ.)
Καταναλώσεις κρίσιμων φορτίων
Καταναλώσεις κανονικών φορτίων

Παραλαμβάνοντας αυτά τα δεδομένα η συσκευή θα μπορεί να ελέγξει όλα τα συνδεδεμένα σε αυτήν στοιχεία και θα πραγματοποιεί την κατανομή ώστε να πετύχει τη μέγιστη δυνατή απόδοση. Για παράδειγμα, αν κατά τη διάρκεια μιας ηλιόλουστης ημέρας τα φωτοβολταϊκά πάνελ ενός σπιτιού παράγουν ενέργεια και οι συσσωρευτές δεν είναι πλήρως φορτισμένοι, η συσκευή θα κάνει μία επιλογή. Αν ο καιρός την επόμενη ημέρα προβλέπεται συννεφιασμένος θα φορτίζει τους συσσωρευτές ώστε να υπάρχει απόθεμα, ειδάλλως θα κατευθύνει την περίσσεια ενέργεια στο δίκτυο.

Όλα τα δεδομένα εισόδου θα εισάγονται σε ένα λογισμικό σε ηλεκτρονικό υπολογιστή το οποίο θα λαμβάνει στιγμιαία δεδομένα από τα κυκλώματα της συσκευής και θα αποφασίζει τις αντίστοιχες κατευθύνσεις των ροών ενέργειας. Για να επιτευχθεί αυτό θα αναπτυχθεί ένα ελεγκτής Raspberry Pi Model B της σειράς υπολογιστών Raspberry Pi. Ουσιαστικά ο ελεγκτής θα δέχεται συγκεκριμένες εντολές με τις οποίες θα ανοίγουν ή θα κλείνουν επαφές διακοπτών (ρελέ) και θα ελέγχεται η κατανομή της ενέργειας από και προς όλα τα στοιχεία του συστήματος (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτρια, υδρογεννήτρια, συσσωρευτές, δίκτυο ΔΕΔΔΗΕ, φορτία καταναλώσεων και οποιαδήποτε άλλη συσκευή που θα μπορούσε να συνδεθεί.

Τα relays της πλακέτας θα τροφοδοτούνται μέσω τροφοδοτικού τάσης 12V, ρεύματος 3Α και ισχύος 36W. Στο παραπάνω σχήμα θα προστεθεί και μία οθόνη αφής 7’’, ανάλυσης 1024×600. Η σύνδεση της με το Raspberry Pi γίνεται μέσω καλωδίου HDMI, ενώ η τροφοδοσία της επιτυγχάνεται μέσω καλωδίου USB. Παρακάτω, παρουσιάζεται το τροφοδοτικό που θα χρησιμοποιηθεί , καθώς επίσης και η οθόνη που θα συνδεθεί με το Raspberry Pi .

Ως προς τη λειτουργία του ελεγκτή για τον έλεγχο των relays του συστήματος, η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής:

Σύνδεση των relays του συστήματος με αυτά της πλακέτας
Ανάπτυξη λογισμικού που εκτελείται στο Raspberry Pi
Στο λογισμικό, ανάγνωση των δεδομένων από το cloud.
Ανάλογα με τις τιμές των δεδομένων και τη λογική του προγράμματος (κώδικα), αλλαγή της κατάστασης των relays της πλακέτας σε Normal Close ή Normal Open για περαιτέρω οδήγηση (τροφοδοσία) των relays του συστήματος
Εμφάνιση των δεδομένων στην οθόνη που είναι συνδεδεμένη με το Raspberry Pi και δυνατότητα περαιτέρω ελέγχου, όπως απενεργοποίηση ολόκληρου του μικροδικτύου και την παρακολούθηση διάφορων ροών ενέργειας

Στην οθόνη του ελεγκτή στην οποία υπάρχει όλη η πληροφορία σχετικά με το σύστημα που ελέγχεται. Παρατηρώντας τις εικόνες του σχήματος, συμπεραίνεται ότι η εφαρμογή που είναι υπεύθυνη για την απεικόνιση των δεδομένων αποτελείται από τρία κύρια μενού. Κοινό χαρακτηριστικό και των τριών είναι πως η οθόνη χωρίζεται σε έξι μικρότερα παράθυρα.

Τέλος, αξίζει να σημειωθεί πως το είδος της εφαρμογής που θα αναπτυχθεί για τον έλεγχο του συστήματος και την εμφάνιση δεδομένων στην οθόνη μπορεί να είναι εφαρμογή ιστού (web) ή desktop ή mobile εφαρμογή.

Αναλυτικότερα το σύστημα ελέγχου και λήψης αποφάσεων παρουσιάζεται στο κείμενο “Αυτόνομος Ελεγκτής: Hardware“

Χρηματοδότηση

Το AmEFC (EMION) χρηματοδοτείται από το Γενικό Γραφείο Έρευνας και Καινοτομίας της Ελληνικής Δημοκρατίας, με αριθμό πρότασης [T2ΕΔΚ-02878], με χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση.

Το έργο εκτελείται υπό την αιγίδα της Ειδικής Υπηρεσίας Διαχείρισης και Εφαρμογής Δράσεων στους Τομείς της Έρευνας, της Τεχνολογικής Ανάπτυξης και της Καινοτομίας (ΕΥΔΕ ΕΤΑΚ). Με τη συγχρηματοδότηση της Ελλάδας και της Ευρωπαϊκής Ένωσης.