"Man mano che l'installazione delle Fonti di Energia Rinnovabile (FER) si espande, emerge un'esigenza critica per la migliore possibile valorizzazione dell'energia prodotta. La risposta su come si può raggiungere la produzione e la gestione ottimale dell'energia rinnovabile si trova in queste righe. Il sistema proposto include pannelli fotovoltaici e turbine eoliche ad asse verticale (VAWT), che producono energia in base alla luce solare e alla velocità del vento. L'eccesso di questa energia può essere immagazzinato in batterie disponibili o convertito in energia potenziale tramite pompaggio idrico, sollevando acqua da un serbatoio più basso a una torre d'acqua. Questa energia può essere utilizzata per la produzione di elettricità quando la domanda supera la produzione. Per quanto riguarda l'acqua della torre d'acqua, la riconversione dell'energia potenziale in elettricità avviene tramite un idrogeneratore. Nei casi in cui la produzione, insieme alla disponibilità di energia, non possa soddisfare la domanda, è stata prevista una connessione alla rete HEDNO e, per i casi di interruzioni estese nel funzionamento del fornitore, è stata anticipata l'installazione di un generatore diesel.
Il microrete standard ha l'innovazione di centralizzare e presenta il DC Bus come principale fonte di energia. Ciò significa che, sfruttando il DC Bus, il produttore può connettere vari reti, che possono funzionare in modo indipendente e/o in parallelo. Per chiarire, possono essere collegati inverter trifase per alimentare carichi trifase, mentre due inverter monofase indipendenti possono essere collegati per alimentare due carichi monofase indipendenti. Il controllore, avendo predefinito i carichi critici, può eseguire calcoli per tutte le reti, "pensando" e "decidendo" per tutti contemporaneamente come se fosse una rete coesa.
Naturalmente, l'organizzazione e la priorità di tutte le capacità sopra menzionate del sistema sono responsabilità di un controller autonomo innovativo (AmEFC), che prende decisioni riguardo all'utilizzo dell'energia. Un fattore chiave che influisce sulla distribuzione dell'energia è la categorizzazione dei carichi. A seconda della criticità dei carichi, viene determinata la loro priorità. L'altro fattore che influisce sulle decisioni del controller sono le previsioni che riceve riguardo all'irraggiamento solare e alla velocità del vento nei prossimi giorni. Inoltre, attraverso questo software innovativo, viene fornito l'accesso ai dati operativi di tutti i componenti del sistema, consentendo modifiche ai parametri e riducendo l'usura del microrete.
Un vantaggio schiacciante dell'intero sistema è la possibilità di espansione di ciascuno dei suoi segmenti. Particolarmente rilevante è l'innovazione nella selezione degli inverter, che è strettamente correlata all'obiettivo del progetto. Questa stessa capacità è ciò che apre la strada all'implementazione della proposta su una scala più ampia. L'obiettivo è interconnettere tali microreti all'interno del tessuto urbano e migliorare ulteriormente la gestione dell'energia attraverso la collaborazione dei rispettivi controller.
Obiettivi
Gli obiettivi principali su cui si fonda complessivamente il presente studio sono i seguenti:
- Affidabilità e durata attraverso aggiustamenti dinamici della produzione e del consumo di energia elettrica.
- Gestione ottimale dell'energia con un equilibrio tra offerta e domanda, attraverso la valutazione della capacità di produzione di energia e la conoscenza delle previsioni del tempo.
- Scalabilità, che si ottiene attraverso la capacità di adattare i sistemi ai cambiamenti della domanda, ma anche la flessibilità di integrare nuove FER. Particolarmente importante è anche la possibilità delle microreti di operare su scala cittadina, scambiando risorse con altre microreti.
Presentazione dettagliata delle sezioni della microrete
Successivamente sarà presentata in modo più dettagliato la progettazione, il quadro teorico, gli avanzamenti tecnologici e le applicazioni pratiche di ciascun segmento della microrete, mettendo in luce il loro potenziale nel campo dell'integrazione delle fonti di energia rinnovabile.
1. Elementi base dello standard della microrete
- Sistemi Fotovoltaici (PV) Solari: Basate sulla modularità, consentono la scalabilità del sistema e l'adattamento alle mutevoli esigenze energetiche.
- Turbine eoliche ad asse verticale (VAWT): Il loro design garantisce basse disturbi acustici, mentre l'accessibilità a livello del suolo semplifica le attività di manutenzione. Inoltre, queste turbine eoliche mostrano un'efficienza aumentata anche in condizioni meteorologiche avverse, sfruttando l'energia anche quando le turbine eoliche convenzionali possono affrontare delle sfide. Anche il design qui è concepito in modo modulare, facilitando espansioni future secondo necessità.
- Pompe Utilizzando la capacità dell'energia potenziale gravitazionale, le pompe di offrire un servizio affidabile e di επεκτασιμό mezzo per immagazzinare energia per un uso futuro.
2. Regolatori di carica MPPT
Un'altra parte integrante del microgrid sono gli MPPT, il cui ruolo è tracciare il punto di massima potenza delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER). Progettati per ottimizzare l'utilizzo dell'energia esportata, ogni FER è collegato individualmente al relativo MPPT.
Inoltre, di facilitare lo scambio di dati in tempo reale attraverso la configurazione diretta dei dati nel cloud. L'interconnessione di questi Mppt è completato nel DC Bus, che opera come un unico centro per la distribuzione e gestione dell'energia. L'approccio modulare garantisce la scalabilità.
3. Batterie in serie
Per migliorare la affidabilità del sistema di microgrid, sono stati integrati gruppi di batterie. La microrete offre flessibilità nella selezione della tecnologia delle batterie, offrendo opzioni sia per batterie al piombo-acido che per sistemi avanzati a batteria al litio.
Ogni array di batterie è dotato di un moderno Sistema di gestione della batteria (BMS), che svolge un ruolo fondamentale nella protezione della salute e della durata delle batterie attraverso un controllo preciso dei processi di carica e scarica.
Proprio come gli MPPT, i Sistema di gestione della batteria (BMS) hanno la capacità di trasmettere dati in tempo reale riguardanti le prestazioni delle batterie e le metriche sulla salute alla piattaforma cloud del produttore di batterie. Questa integrazione dei dati apre la strada al monitoraggio remoto, alla diagnosi dello stato di salute e all'analisi predittiva, fornendo agli interessati informazioni preziose sulle prestazioni delle batterie e sulla durata prevista.
4. Inverter monofase
Se in futuro le esigenze di consumo energetico aumenteranno, l'architettura della microrete consente facilmente la scalabilità senza richiedere una revisione completa dell'infrastruttura centrale.
Questi inverter non sono semplicemente elementi passivi. Sono dotati di sensori e unità di comunicazione che monitorano continuamente il flusso di energia. Questi dati vengono trasformati in tempo reale sulla piattaforma cloud mantenuta dal produttore dell'inverter. L'integrazione con il cloud facilita il monitoraggio remoto, l'elaborazione analitica e la manutenzione predittiva, riducendo l'inerzia e garantendo una consegna continua di energia.
Inoltre, gli inverter sono interconnessi, formando una rete di comunicazione interna. Questa interconnessione tra gli inverter è cruciale per coordinare le loro operazioni, mantenere la coerenza di fase e garantire una distribuzione equilibrata del carico nel sistema trifase.
5. Carichi della microrete
All'interno della complessa architettura del prototipo di microgrid AmEFC, il consumo energetico si evolve intelligentemente in base all'importanza e alla priorità dei carichi collegati. Le seguenti categorie di carico sono identificate nel nostro sistema:
Carichi critici: Solitamente sono inclusi sistemi di supporto vitale, ambienti sanitari regolamentati, installazioni di illuminazione di emergenza, sistemi di comunicazione e altri servizi essenziali. Il sistema si basa sul presupposto che i carichi critici non interromperanno mai la loro funzione. | carichi normali Rappresentano la maggior parte del consumo e comprendono i dispositivi e i sistemi della vita quotidiana, dall'illuminazione al controllo del clima fino agli elettrodomestici. Anche se questi carichi beneficiano anche di un'offerta continua di energia elettrica, esiste una gerarchia di servizio. | Carico della torre idroelettrica Nei casi in cui la produzione di energia supera significativamente il consumo, invece di lasciare che questa energia vada sprecata, il sistema la indirizza alla torre idroelettrica. Queste pompe, dopo aver valutato le condizioni meteorologiche e i dati delle batterie, convertono l'eccesso di energia elettrica in energia potenziale. |
6. Supporto da ORDEE e fonti ausiliarie
Connessione di rete Fornisce supporto, specialmente durante periodi prolungati di bassa produzione di energia rinnovabile o durante picchi imprevisti di domanda. Il sistema, che preleva energia dalla rete, assicura che il suo bilancio energetico interno rimanga invariato, mentre in caso di surplus energetico, questo può essere reinserito nella rete.
Generatore diesel: Questa fonte di energia compensativa può essere attivata immediatamente colmando eventuali vuoti energetici, garantendo che la microrete rimanga operativa e continui a alimentare i suoi carichi senza interruzioni.
7. Capacità di scarico della rete
Un altro punto critico è la gestione di un eccesso di produzione. In sistemi che includono turbine eoliche, è molto comune per superare la produzione, non solo la domanda, ma anche la capacità della batteria, soprattutto se associata unità batteria è saturo. In contrasto con i metodi convenzionali per trattare l'eccesso di offerta, come ad esempio la disconnessione di una turbina eolica o il reindirizzamento di energia in una resistenza, la norma microgrid AmEFC presenta una soluzione innovativa. Nel caso della torre dell'acqua, in cui è memorizzato l'acqua, raggiunge il massimo, ha fornito un piano di backup per reindirizzare l'overflow in un adiacente creek. Questo assicura un costante equilibrio ed evitare lo spreco di energia.
8. Software AmEFC: Il centro di elaborazione della microrete
L'efficienza della microrete AmEFC non si trova solo nelle sue caratteristiche tecniche. Al centro c’è il software AmEFC, uno strumento avanzato di calcolo e controllo progettato per armonizzare perfettamente la complessa combinazione di flussi di energia in tutto il sistema. Le principali funzioni di questo software sono le seguenti:
Flusso di dati dell'attrezzatura verso il cloud: Quasi ogni dispositivo nella microgrid, non solo svolge la sua funzione designata, ma comunica costantemente importanti dati operativi in tempo reale ai cloud corrispondenti, aumentando così le prestazioni del sistema.
Aggregazione e archiviazione dei dati: Tutte le informazioni sono organizzate e archiviate sistematicamente, il che garantisce che ogni decisione presa dal sistema sia basata su informazioni complete e aggiornate.
Strategie di calcolo avanzate: Utilizzando le Flusso di potenza ottimale (Flusso di potenza ottimale – OPF), determina la distribuzione più efficiente della potenza nella rete, garantendo che ciascun elemento funzioni al massimo del suo potenziale soddisfacendo al tempo stesso le richieste dei carichi collegati.
Apprendimento per rinforzo (RL)-controllo: Il software apprende dai dati storici, riconosce modelli e si adatta a nuove situazioni e in questo modo RL prende le sue decisioni predittive.
Decisioni in tempo reale e controllo automatico: L'uso combinato di OPF e RL garantisce che il software sia anche proattivo. Il sistema prende continuamente decisioni in tempo reale per mantenere il flusso energetico e l’efficienza del sistema ottimali.
9. La spina dorsale dell'esecuzione di AmEFC
La collaborazione tra software e hardware garantisce un flusso di potenza continuo, garantendo prestazioni e affidabilità ottimali del sistema. Più specificamente:
Interfaccia hardware: al centro della funzionalità del controller AmEFC c'è la sua connettività elettrica completa a un gran numero di dispositivi e carichi della microrete. Ciò si ottiene tramite un pannello relè. Questi relè funzionano con o senza interfaccia, consentendo al controller di organizzare la distribuzione dell'energia effettuando o interrompendo i collegamenti quando necessario.
Funzioni software lato client: personalizzato appositamente per i requisiti specifici della microrete, questo software recupera continuamente i dati dal Cloud Center, sfruttandoli per prendere decisioni tempestive sull'allocazione e sul flusso di energia.
Controllo dinamico del flusso di potenza: Il software può connettere o disconnettere rapidamente vari componenti, consentendogli di rispondere immediatamente alle mutevoli richieste di energia o alle fluttuazioni della fornitura.
10. Sfide dell'interconnessione e opportunità per le microgriglie AmEFC nella scalabilità urbana.
Una sfida fondamentale risiede nella sincronizzazione di più microgriglie con diverse capacità di produzione, modelli di consumo e condizioni operative. L'espansione costante dell'uso delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER), che dipendono pesantemente dai fattori ambientali, significa che, scalando queste microgriglie, possono facilmente sorgere microgriglie che producono energia in eccesso mentre altre sono in deficit in quel momento.
Per saperne di più La Rete Micro del Controllore Energetico Autonomo
Risultati e conclusion
Un punto cruciale per la comprensione prima dell'analisi delle prestazioni del sistema è la fase di inizializzazione, caratterizzata da una produzione di energia o di stoccaggio nulla. Questa fase costituisce il punto di riferimento su cui valuteremo la risposta del sistema a varie influenze ambientali esterne. L'adattabilità e l'efficienza dell'AmEFC possono essere meglio osservate quando il sistema è sottoposto a una serie di condizioni meteorologiche. Per distinguere ciò, classifichiamo le condizioni climatiche in base a due principali fattori: radiazione solare e velocità del vento. Questi fattori vengono ulteriormente suddivisi in tre categorie discrete per un'analisi dettagliata
La differenziazione delle categorie si basa su
Radiazione Solare
- Giornata con sole intenso
- Giornata con sole moderato
- Giornata con poca luce solare
elocità del Vento
- Giornata con alta velocità del vento
- Giornata con velocità del vento moderata
- Giornata con bassa velocità del vento
I seguenti paragrafi esamineranno l'interazione dettagliata tra queste condizioni climatiche e la relativa produzione di energia, rivelando la resilienza e l'affidabilità del sistema di microgriglia AmEFC.
| Sole (w/m2 di altezza) | Vento (m/2) | Moderatamente sole (w/m2 ) | Moderatamente ventoso(m/2 ) | Un po ' di sole(w/m2 ) | Un po ' di vento (m/2 ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 4.1 | 0 | 3.8 | 0 | 0.3 |
| 0 | 5.2 | 0 | 4.0 | 0 | 0.4 |
| 0 | 6.5 | 0 | 4.3 | 0 | 0.5 |
| 0 | 7.3 | 0 | 4.5 | 0 | 0.7 |
| 100 | 8.0 | 10 | 4.7 | 10 | 0.8 |
| 400 | 8.5 | 50 | 5.0 | 30 | 0.9 |
| 600 | 9.0 | 150 | 4.8 | 50 | 1.0 |
| 800 | 9.3 | 300 | 4.6 | 70 | 1.1 |
| 900 | 9.5 | 400 | 4.5 | 90 | 1.2 |
| 1000 | 9.8 | 450 | 4.7 | 100 | 1.3 |
| 1100 | 9.4 | 350 | 5.1 | 110 | 1.0 |
| 1000 | 8.7 | 300 | 4.9 | 120 | 0.8 |
| 1100 | 7.8 | 450 | 4.6 | 130 | 0.6 |
| 1000 | 7.2 | 500 | 4.4 | 120 | 0.5 |
| 900 | 6.6 | 450 | 4.2 | 110 | 0.4 |
Simulazione settimanale della microrete AmEFC
Per testare rigorosamente il sistema di microdistribuzione AmEFC e, cosa ancora più importante, le prestazioni operative del controller, è stata organizzata una simulazione di un'intera settimana. La simulazione è stata strutturata per coprire una varietà di condizioni climatiche combinando le suddette categorie di radiazione solare e velocità del vento. La sequenza fornisce un quadro completo, che copre sia le condizioni ottimali che quelle peggiori, per valutare l’adattabilità, la resilienza e l’efficienza del sistema.
Di seguito la sequenza della settimana:
| Giorni | Luce del sole | Categoria | Velocità del vento | Categoria |
|---|---|---|---|---|
| Giorno 1 | Alta esposizione solare | Un | Alto | Un |
| Giorno 2 | Alta esposizione solare | Un | Moderato | S |
| Giorno 3 | Esposizione solare moderata | S | Alto | Un |
| Giorno 4 | Esposizione solare moderata | S | Moderato | S |
| Giorno 5 | Esposizione solare bassa | C | Alto | Un |
| Giorno 6 | Esposizione solare bassa | C | Moderato | S |
| Giorno 7 | Esposizione solare moderata | B | Basso | C |
Questa sequenza, che comprende una combinazione di radiazione solare e velocità del vento, costituisce il nucleo della simulazione. I dati generati da questa combinazione di condizioni consentono ad AmEFC di adattare e ottimizzare il flusso di energia, sottolineandone così la praticità e la robustezza nel mondo reale.
Viene presentata una serie di grafici che rappresentano l'impatto reciproco tra i principali fattori ambientali - radiazione solare e velocità del vento - e la produzione di energia nel sistema. Queste visualizzazioni derivano da osservazioni della durata di una settimana, in cui i giorni sono stati categorizzati in base alle condizioni meteorologiche prevalenti (sole e vento). Questa categorizzazione non solo simula la risposta del sistema in varie condizioni reali, ma sottolinea anche la flessibilità e l'efficienza del controller AmEFC. Ogni grafico è progettato per fornire un quadro dettagliato delle tendenze giornaliere, dei picchi, dei minimi e delle anomalie, offrendo una comprensione generale di come il sistema si adatti a vari scenari di ingresso di energia per una distribuzione ottimale dell'energia durante diverse simulazioni
Script di test per il controller AmEFC
Per confermare l'efficienza e l'adattabilità del controller AmEFC in una varietà di ambienti, abbiamo progettato quattro diversi scenari. Ciascuno di questi scenari introduce complessità e funzioni aggiunte in modo incrementale, simulando condizioni tipiche e avverse per il sistema microrete:
Scenario 1: funzionamento Off-Grid senza previsioni del tempo e senza una torre dell'acqua
In questa configurazione semplice e “nuda”, la microrete opera in completo isolamento, senza input di dati esterni come le previsioni meteorologiche e senza torre dell’acqua. L’obiettivo principale del controller AmEFC in questo scenario è semplicemente quello di gestire in modo efficiente la produzione di energia dalle fonti rinnovabili. Questo scenario rappresenta una verifica basilare, ma anche essenziale, delle capacità del sistema per la gestione autonoma dell'energia.
Senza previsioni meteorologiche il sistema non riesce a mantenere in linea i carichi critici, anche con l’utilizzo dello stoccaggio energetico nella torre idroelettrica.
Scenario 2: Modalità Off-Grid con previsioni meteo integrate
In questa semplice configurazione, la microrete opera in modo completamente isolato, senza input di dati esterni come le previsioni meteorologiche. L’obiettivo principale del controller AmEFC in questo scenario è semplicemente quello di gestire in modo efficiente la produzione di energia dalle fonti rinnovabili e indirizzare l’eventuale energia in eccesso direttamente alla torre dell’acqua per lo stoccaggio. Questo scenario rappresenta una verifica basilare, ma anche essenziale, delle capacità del sistema per la gestione autonoma dell'energia.
Senza previsioni meteorologiche il sistema non riesce a mantenere in linea i carichi critici, anche con l’utilizzo dello stoccaggio energetico nella torre idroelettrica.
Scenario 3: Modalità Off-Grid con previsioni meteo integrate
Basato sulla configurazione precedente, questo script integra nel sistema i dati delle previsioni meteorologiche in tempo reale. Con questa aggiunta, il controller AmEFC non solo gestisce la generazione e lo stoccaggio dell’energia, ma regola anche in modo proattivo le strategie di distribuzione dell’energia. Anticipando possibili carenze o eccedenze di potenza, in base ai dati meteorologici, il controller può garantire un'alimentazione ininterrotta ai carichi critici. Allo stesso tempo può scollegare, temporaneamente, i carichi normali come strategia di movimento per risparmiare energia durante i periodi di bassa produzione previsti.
Le previsioni meteorologiche proteggono il sistema e garantiscono la sicurezza dei carichi critici, utilizzando l'energia dell'acqua nella torre per la regolazione fine, spegnendo il resto dei carichi quando necessario.
Attraverso questi scenari impegnativi successivi, miriamo a misurare l'efficienza operativa, l'adattabilità e la capacità decisionale del controller AmEFC in varie situazioni di microrete del mondo reale.
Scenario 4: funzionamento ibrido con connessione di rete
Lo scenario di test finale e più complesso introduce la possibilità di collegare la microrete alla rete cittadina più grande. In questa soluzione, AmEFC gestisce dinamicamente l’energia in eccesso prendendo decisioni se immagazzinare energia nella torre o venderla alla rete. L’obiettivo principale è garantire che tutti i carichi rimangano costantemente operativi sfruttando i vantaggi dello stoccaggio e della vendita di energia. Questo scenario mostra il potenziale del controllore AmEFC in un panorama energetico più integrato, in cui le microreti possono interagire con infrastrutture energetiche più grandi.
Il sistema, connesso alla rete, mantiene in funzione i carichi critici e normali (100%) con le stesse priorità, utilizzando prima lo stoccaggio in eccesso nella torre dell'acqua e vendendo l'eccesso al ENEL.
Finanziamento
Il AmEFC (EMION) è finanziato dal Segretariato Generale per la Ricerca e l'Innovazione della Repubblica Ellenica, con il numero di proposta [T2ΕΔΚ-02878], finanziato dall'Unione Europea.
Le projet est réalisé sous l'égide du Service Spécial de Gestion et d'Application des Actions dans les Domaines de la Recherche, du Développement Technologique et de l'Innovation (SSG). Avec le cofinancement de la Grèce et de l'Union Européenne.
Ricerca e risultati sull'Autonomous Controller
ΙΩΝΙΚΗ Autonomous
"Man mano che l'installazione delle Fonti di Energia Rinnovabile (FER) si espande, emerge un'esigenza critica per la migliore possibile valorizzazione dell'energia prodotta. La risposta su come si può raggiungere la produzione e la gestione ottimale dell'energia rinnovabile si trova in queste righe. Il sistema proposto include pannelli fotovoltaici e turbine eoliche ad asse verticale (VAWT), che producono energia in base alla luce solare e alla velocità del vento. L'eccesso di questa energia può essere immagazzinato in batterie disponibili o convertito in energia potenziale tramite pompaggio idrico, sollevando acqua da un serbatoio più basso a una torre d'acqua. Questa energia può essere utilizzata per la produzione di elettricità quando la domanda supera la produzione. Per quanto riguarda l'acqua della torre d'acqua, la riconversione dell'energia potenziale in elettricità avviene tramite un idrogeneratore. Nei casi in cui la produzione, insieme alla disponibilità di energia, non possa soddisfare la domanda, è stata prevista una connessione alla rete HEDNO e, per i casi di interruzioni estese nel funzionamento del fornitore, è stata anticipata l'installazione di un generatore diesel.
Il microrete standard ha l'innovazione di centralizzare e presenta il DC Bus come principale fonte di energia. Ciò significa che, sfruttando il DC Bus, il produttore può connettere vari reti, che possono funzionare in modo indipendente e/o in parallelo. Per chiarire, possono essere collegati inverter trifase per alimentare carichi trifase, mentre due inverter monofase indipendenti possono essere collegati per alimentare due carichi monofase indipendenti. Il controllore, avendo predefinito i carichi critici, può eseguire calcoli per tutte le reti, "pensando" e "decidendo" per tutti contemporaneamente come se fosse una rete coesa.
Naturalmente, l'organizzazione e la priorità di tutte le capacità sopra menzionate del sistema sono responsabilità di un controller autonomo innovativo (AmEFC), che prende decisioni riguardo all'utilizzo dell'energia. Un fattore chiave che influisce sulla distribuzione dell'energia è la categorizzazione dei carichi. A seconda della criticità dei carichi, viene determinata la loro priorità. L'altro fattore che influisce sulle decisioni del controller sono le previsioni che riceve riguardo all'irraggiamento solare e alla velocità del vento nei prossimi giorni. Inoltre, attraverso questo software innovativo, viene fornito l'accesso ai dati operativi di tutti i componenti del sistema, consentendo modifiche ai parametri e riducendo l'usura del microrete.
Un vantaggio schiacciante dell'intero sistema è la possibilità di espansione di ciascuno dei suoi segmenti. Particolarmente rilevante è l'innovazione nella selezione degli inverter, che è strettamente correlata all'obiettivo del progetto. Questa stessa capacità è ciò che apre la strada all'implementazione della proposta su una scala più ampia. L'obiettivo è interconnettere tali microreti all'interno del tessuto urbano e migliorare ulteriormente la gestione dell'energia attraverso la collaborazione dei rispettivi controller.
Obiettivi
Gli obiettivi principali su cui si fonda complessivamente il presente studio sono i seguenti:
- Affidabilità e durata attraverso aggiustamenti dinamici della produzione e del consumo di energia elettrica.
- Gestione ottimale dell'energia con un equilibrio tra offerta e domanda, attraverso la valutazione della capacità di produzione di energia e la conoscenza delle previsioni del tempo.
- Scalabilità, che si ottiene attraverso la capacità di adattare i sistemi ai cambiamenti della domanda, ma anche la flessibilità di integrare nuove FER. Particolarmente importante è anche la possibilità delle microreti di operare su scala cittadina, scambiando risorse con altre microreti.
Presentazione dettagliata delle sezioni della microrete
Successivamente sarà presentata in modo più dettagliato la progettazione, il quadro teorico, gli avanzamenti tecnologici e le applicazioni pratiche di ciascun segmento della microrete, mettendo in luce il loro potenziale nel campo dell'integrazione delle fonti di energia rinnovabile.
1. Elementi base dello standard della microrete
- Sistemi Fotovoltaici (PV) Solari: Basate sulla modularità, consentono la scalabilità del sistema e l'adattamento alle mutevoli esigenze energetiche.
- Turbine eoliche ad asse verticale (VAWT): Il loro design garantisce basse disturbi acustici, mentre l'accessibilità a livello del suolo semplifica le attività di manutenzione. Inoltre, queste turbine eoliche mostrano un'efficienza aumentata anche in condizioni meteorologiche avverse, sfruttando l'energia anche quando le turbine eoliche convenzionali possono affrontare delle sfide. Anche il design qui è concepito in modo modulare, facilitando espansioni future secondo necessità.
- Pompe Utilizzando la capacità dell'energia potenziale gravitazionale, le pompe di offrire un servizio affidabile e di επεκτασιμό mezzo per immagazzinare energia per un uso futuro.
2. Regolatori di carica MPPT
Un'altra parte integrante del microgrid sono gli MPPT, il cui ruolo è tracciare il punto di massima potenza delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER). Progettati per ottimizzare l'utilizzo dell'energia esportata, ogni FER è collegato individualmente al relativo MPPT.
Inoltre, di facilitare lo scambio di dati in tempo reale attraverso la configurazione diretta dei dati nel cloud. L'interconnessione di questi Mppt è completato nel DC Bus, che opera come un unico centro per la distribuzione e gestione dell'energia. L'approccio modulare garantisce la scalabilità.
3. Batterie in serie
Per migliorare la affidabilità del sistema di microgrid, sono stati integrati gruppi di batterie. La microrete offre flessibilità nella selezione della tecnologia delle batterie, offrendo opzioni sia per batterie al piombo-acido che per sistemi avanzati a batteria al litio.
Ogni array di batterie è dotato di un moderno Sistema di gestione della batteria (BMS), che svolge un ruolo fondamentale nella protezione della salute e della durata delle batterie attraverso un controllo preciso dei processi di carica e scarica.
Proprio come gli MPPT, i Sistema di gestione della batteria (BMS) hanno la capacità di trasmettere dati in tempo reale riguardanti le prestazioni delle batterie e le metriche sulla salute alla piattaforma cloud del produttore di batterie. Questa integrazione dei dati apre la strada al monitoraggio remoto, alla diagnosi dello stato di salute e all'analisi predittiva, fornendo agli interessati informazioni preziose sulle prestazioni delle batterie e sulla durata prevista.
4. Inverter monofase
Se in futuro le esigenze di consumo energetico aumenteranno, l'architettura della microrete consente facilmente la scalabilità senza richiedere una revisione completa dell'infrastruttura centrale.
Questi inverter non sono semplicemente elementi passivi. Sono dotati di sensori e unità di comunicazione che monitorano continuamente il flusso di energia. Questi dati vengono trasformati in tempo reale sulla piattaforma cloud mantenuta dal produttore dell'inverter. L'integrazione con il cloud facilita il monitoraggio remoto, l'elaborazione analitica e la manutenzione predittiva, riducendo l'inerzia e garantendo una consegna continua di energia.
Inoltre, gli inverter sono interconnessi, formando una rete di comunicazione interna. Questa interconnessione tra gli inverter è cruciale per coordinare le loro operazioni, mantenere la coerenza di fase e garantire una distribuzione equilibrata del carico nel sistema trifase.
5. Carichi della microrete
All'interno della complessa architettura del prototipo di microgrid AmEFC, il consumo energetico si evolve intelligentemente in base all'importanza e alla priorità dei carichi collegati. Le seguenti categorie di carico sono identificate nel nostro sistema:
Carichi critici: Solitamente sono inclusi sistemi di supporto vitale, ambienti sanitari regolamentati, installazioni di illuminazione di emergenza, sistemi di comunicazione e altri servizi essenziali. Il sistema si basa sul presupposto che i carichi critici non interromperanno mai la loro funzione. | carichi normali Rappresentano la maggior parte del consumo e comprendono i dispositivi e i sistemi della vita quotidiana, dall'illuminazione al controllo del clima fino agli elettrodomestici. Anche se questi carichi beneficiano anche di un'offerta continua di energia elettrica, esiste una gerarchia di servizio. | Carico della torre idroelettrica Nei casi in cui la produzione di energia supera significativamente il consumo, invece di lasciare che questa energia vada sprecata, il sistema la indirizza alla torre idroelettrica. Queste pompe, dopo aver valutato le condizioni meteorologiche e i dati delle batterie, convertono l'eccesso di energia elettrica in energia potenziale. |
6. Supporto da ORDEE e fonti ausiliarie
Connessione di rete Fornisce supporto, specialmente durante periodi prolungati di bassa produzione di energia rinnovabile o durante picchi imprevisti di domanda. Il sistema, che preleva energia dalla rete, assicura che il suo bilancio energetico interno rimanga invariato, mentre in caso di surplus energetico, questo può essere reinserito nella rete.
Generatore diesel: Questa fonte di energia compensativa può essere attivata immediatamente colmando eventuali vuoti energetici, garantendo che la microrete rimanga operativa e continui a alimentare i suoi carichi senza interruzioni.
7. Capacità di scarico della rete
Un altro punto critico è la gestione di un eccesso di produzione. In sistemi che includono turbine eoliche, è molto comune per superare la produzione, non solo la domanda, ma anche la capacità della batteria, soprattutto se associata unità batteria è saturo. In contrasto con i metodi convenzionali per trattare l'eccesso di offerta, come ad esempio la disconnessione di una turbina eolica o il reindirizzamento di energia in una resistenza, la norma microgrid AmEFC presenta una soluzione innovativa. Nel caso della torre dell'acqua, in cui è memorizzato l'acqua, raggiunge il massimo, ha fornito un piano di backup per reindirizzare l'overflow in un adiacente creek. Questo assicura un costante equilibrio ed evitare lo spreco di energia.
8. Software AmEFC: Il centro di elaborazione della microrete
L'efficienza della microrete AmEFC non si trova solo nelle sue caratteristiche tecniche. Al centro c’è il software AmEFC, uno strumento avanzato di calcolo e controllo progettato per armonizzare perfettamente la complessa combinazione di flussi di energia in tutto il sistema. Le principali funzioni di questo software sono le seguenti:
Flusso di dati dell'attrezzatura verso il cloud: Quasi ogni dispositivo nella microgrid, non solo svolge la sua funzione designata, ma comunica costantemente importanti dati operativi in tempo reale ai cloud corrispondenti, aumentando così le prestazioni del sistema.
Aggregazione e archiviazione dei dati: Tutte le informazioni sono organizzate e archiviate sistematicamente, il che garantisce che ogni decisione presa dal sistema sia basata su informazioni complete e aggiornate.
Strategie di calcolo avanzate: Utilizzando le Flusso di potenza ottimale (Flusso di potenza ottimale – OPF), determina la distribuzione più efficiente della potenza nella rete, garantendo che ciascun elemento funzioni al massimo del suo potenziale soddisfacendo al tempo stesso le richieste dei carichi collegati.
Apprendimento per rinforzo (RL)-controllo: Il software apprende dai dati storici, riconosce modelli e si adatta a nuove situazioni e in questo modo RL prende le sue decisioni predittive.
Decisioni in tempo reale e controllo automatico: L'uso combinato di OPF e RL garantisce che il software sia anche proattivo. Il sistema prende continuamente decisioni in tempo reale per mantenere il flusso energetico e l’efficienza del sistema ottimali.
9. La spina dorsale dell'esecuzione di AmEFC
La collaborazione tra software e hardware garantisce un flusso di potenza continuo, garantendo prestazioni e affidabilità ottimali del sistema. Più specificamente:
Interfaccia hardware: al centro della funzionalità del controller AmEFC c'è la sua connettività elettrica completa a un gran numero di dispositivi e carichi della microrete. Ciò si ottiene tramite un pannello relè. Questi relè funzionano con o senza interfaccia, consentendo al controller di organizzare la distribuzione dell'energia effettuando o interrompendo i collegamenti quando necessario.
Funzioni software lato client: personalizzato appositamente per i requisiti specifici della microrete, questo software recupera continuamente i dati dal Cloud Center, sfruttandoli per prendere decisioni tempestive sull'allocazione e sul flusso di energia.
Controllo dinamico del flusso di potenza: Il software può connettere o disconnettere rapidamente vari componenti, consentendogli di rispondere immediatamente alle mutevoli richieste di energia o alle fluttuazioni della fornitura.
10. Sfide dell'interconnessione e opportunità per le microgriglie AmEFC nella scalabilità urbana.
Una sfida fondamentale risiede nella sincronizzazione di più microgriglie con diverse capacità di produzione, modelli di consumo e condizioni operative. L'espansione costante dell'uso delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER), che dipendono pesantemente dai fattori ambientali, significa che, scalando queste microgriglie, possono facilmente sorgere microgriglie che producono energia in eccesso mentre altre sono in deficit in quel momento.
Per saperne di più La Rete Micro del Controllore Energetico Autonomo
Risultati e conclusion
Un punto cruciale per la comprensione prima dell'analisi delle prestazioni del sistema è la fase di inizializzazione, caratterizzata da una produzione di energia o di stoccaggio nulla. Questa fase costituisce il punto di riferimento su cui valuteremo la risposta del sistema a varie influenze ambientali esterne. L'adattabilità e l'efficienza dell'AmEFC possono essere meglio osservate quando il sistema è sottoposto a una serie di condizioni meteorologiche. Per distinguere ciò, classifichiamo le condizioni climatiche in base a due principali fattori: radiazione solare e velocità del vento. Questi fattori vengono ulteriormente suddivisi in tre categorie discrete per un'analisi dettagliata
La differenziazione delle categorie si basa su
Radiazione Solare
- Giornata con sole intenso
- Giornata con sole moderato
- Giornata con poca luce solare
elocità del Vento
- Giornata con alta velocità del vento
- Giornata con velocità del vento moderata
- Giornata con bassa velocità del vento
I seguenti paragrafi esamineranno l'interazione dettagliata tra queste condizioni climatiche e la relativa produzione di energia, rivelando la resilienza e l'affidabilità del sistema di microgriglia AmEFC.
| Sole (w/m2 di altezza) | Vento (m/2) | Moderatamente sole (w/m2 ) | Moderatamente ventoso(m/2 ) | Un po ' di sole(w/m2 ) | Un po ' di vento (m/2 ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 4.1 | 0 | 3.8 | 0 | 0.3 |
| 0 | 5.2 | 0 | 4.0 | 0 | 0.4 |
| 0 | 6.5 | 0 | 4.3 | 0 | 0.5 |
| 0 | 7.3 | 0 | 4.5 | 0 | 0.7 |
| 100 | 8.0 | 10 | 4.7 | 10 | 0.8 |
| 400 | 8.5 | 50 | 5.0 | 30 | 0.9 |
| 600 | 9.0 | 150 | 4.8 | 50 | 1.0 |
| 800 | 9.3 | 300 | 4.6 | 70 | 1.1 |
| 900 | 9.5 | 400 | 4.5 | 90 | 1.2 |
| 1000 | 9.8 | 450 | 4.7 | 100 | 1.3 |
| 1100 | 9.4 | 350 | 5.1 | 110 | 1.0 |
| 1000 | 8.7 | 300 | 4.9 | 120 | 0.8 |
| 1100 | 7.8 | 450 | 4.6 | 130 | 0.6 |
| 1000 | 7.2 | 500 | 4.4 | 120 | 0.5 |
| 900 | 6.6 | 450 | 4.2 | 110 | 0.4 |
Simulazione settimanale della microrete AmEFC
Per testare rigorosamente il sistema di microdistribuzione AmEFC e, cosa ancora più importante, le prestazioni operative del controller, è stata organizzata una simulazione di un'intera settimana. La simulazione è stata strutturata per coprire una varietà di condizioni climatiche combinando le suddette categorie di radiazione solare e velocità del vento. La sequenza fornisce un quadro completo, che copre sia le condizioni ottimali che quelle peggiori, per valutare l’adattabilità, la resilienza e l’efficienza del sistema.
Di seguito la sequenza della settimana:
| Giorni | Luce del sole | Categoria | Velocità del vento | Categoria |
|---|---|---|---|---|
| Giorno 1 | Alta esposizione solare | Un | Alto | Un |
| Giorno 2 | Alta esposizione solare | Un | Moderato | S |
| Giorno 3 | Esposizione solare moderata | S | Alto | Un |
| Giorno 4 | Esposizione solare moderata | S | Moderato | S |
| Giorno 5 | Esposizione solare bassa | C | Alto | Un |
| Giorno 6 | Esposizione solare bassa | C | Moderato | S |
| Giorno 7 | Esposizione solare moderata | B | Basso | C |
Questa sequenza, che comprende una combinazione di radiazione solare e velocità del vento, costituisce il nucleo della simulazione. I dati generati da questa combinazione di condizioni consentono ad AmEFC di adattare e ottimizzare il flusso di energia, sottolineandone così la praticità e la robustezza nel mondo reale.
Viene presentata una serie di grafici che rappresentano l'impatto reciproco tra i principali fattori ambientali - radiazione solare e velocità del vento - e la produzione di energia nel sistema. Queste visualizzazioni derivano da osservazioni della durata di una settimana, in cui i giorni sono stati categorizzati in base alle condizioni meteorologiche prevalenti (sole e vento). Questa categorizzazione non solo simula la risposta del sistema in varie condizioni reali, ma sottolinea anche la flessibilità e l'efficienza del controller AmEFC. Ogni grafico è progettato per fornire un quadro dettagliato delle tendenze giornaliere, dei picchi, dei minimi e delle anomalie, offrendo una comprensione generale di come il sistema si adatti a vari scenari di ingresso di energia per una distribuzione ottimale dell'energia durante diverse simulazioni
Script di test per il controller AmEFC
Per confermare l'efficienza e l'adattabilità del controller AmEFC in una varietà di ambienti, abbiamo progettato quattro diversi scenari. Ciascuno di questi scenari introduce complessità e funzioni aggiunte in modo incrementale, simulando condizioni tipiche e avverse per il sistema microrete:
Scenario 1: funzionamento Off-Grid senza previsioni del tempo e senza una torre dell'acqua
In questa configurazione semplice e “nuda”, la microrete opera in completo isolamento, senza input di dati esterni come le previsioni meteorologiche e senza torre dell’acqua. L’obiettivo principale del controller AmEFC in questo scenario è semplicemente quello di gestire in modo efficiente la produzione di energia dalle fonti rinnovabili. Questo scenario rappresenta una verifica basilare, ma anche essenziale, delle capacità del sistema per la gestione autonoma dell'energia.
Senza previsioni meteorologiche il sistema non riesce a mantenere in linea i carichi critici, anche con l’utilizzo dello stoccaggio energetico nella torre idroelettrica.
Scenario 2: Modalità Off-Grid con previsioni meteo integrate
In questa semplice configurazione, la microrete opera in modo completamente isolato, senza input di dati esterni come le previsioni meteorologiche. L’obiettivo principale del controller AmEFC in questo scenario è semplicemente quello di gestire in modo efficiente la produzione di energia dalle fonti rinnovabili e indirizzare l’eventuale energia in eccesso direttamente alla torre dell’acqua per lo stoccaggio. Questo scenario rappresenta una verifica basilare, ma anche essenziale, delle capacità del sistema per la gestione autonoma dell'energia.
Senza previsioni meteorologiche il sistema non riesce a mantenere in linea i carichi critici, anche con l’utilizzo dello stoccaggio energetico nella torre idroelettrica.
Scenario 3: Modalità Off-Grid con previsioni meteo integrate
Basato sulla configurazione precedente, questo script integra nel sistema i dati delle previsioni meteorologiche in tempo reale. Con questa aggiunta, il controller AmEFC non solo gestisce la generazione e lo stoccaggio dell’energia, ma regola anche in modo proattivo le strategie di distribuzione dell’energia. Anticipando possibili carenze o eccedenze di potenza, in base ai dati meteorologici, il controller può garantire un'alimentazione ininterrotta ai carichi critici. Allo stesso tempo può scollegare, temporaneamente, i carichi normali come strategia di movimento per risparmiare energia durante i periodi di bassa produzione previsti.
Le previsioni meteorologiche proteggono il sistema e garantiscono la sicurezza dei carichi critici, utilizzando l'energia dell'acqua nella torre per la regolazione fine, spegnendo il resto dei carichi quando necessario.
Attraverso questi scenari impegnativi successivi, miriamo a misurare l'efficienza operativa, l'adattabilità e la capacità decisionale del controller AmEFC in varie situazioni di microrete del mondo reale.
Scenario 4: funzionamento ibrido con connessione di rete
Lo scenario di test finale e più complesso introduce la possibilità di collegare la microrete alla rete cittadina più grande. In questa soluzione, AmEFC gestisce dinamicamente l’energia in eccesso prendendo decisioni se immagazzinare energia nella torre o venderla alla rete. L’obiettivo principale è garantire che tutti i carichi rimangano costantemente operativi sfruttando i vantaggi dello stoccaggio e della vendita di energia. Questo scenario mostra il potenziale del controllore AmEFC in un panorama energetico più integrato, in cui le microreti possono interagire con infrastrutture energetiche più grandi.
Il sistema, connesso alla rete, mantiene in funzione i carichi critici e normali (100%) con le stesse priorità, utilizzando prima lo stoccaggio in eccesso nella torre dell'acqua e vendendo l'eccesso al ENEL.
Finanziamento
Il AmEFC (EMION) è finanziato dal Segretariato Generale per la Ricerca e l'Innovazione della Repubblica Ellenica, con il numero di proposta [T2ΕΔΚ-02878], finanziato dall'Unione Europea.
Le projet est réalisé sous l'égide du Service Spécial de Gestion et d'Application des Actions dans les Domaines de la Recherche, du Développement Technologique et de l'Innovation (SSG). Avec le cofinancement de la Grèce et de l'Union Européenne.
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