iHMS

Zasilanie alternatywne w Inteligentnym Domu

Monitoring Małej Elektrowni

Wzrost zanieczyszczenia środowiska oraz nasilanie się w ostatniej dekadzie tzw. efektu cieplarnianego coraz częściej kierują naszą uwagę ku źródłom energii naturalnej, czystej ekologicznie i niewyczerpalnej. Korzystanie z pokładów taniej energii, bez konieczności zanieczyszczania środowiska emisją gazów, powstałych w wyniku spalania paliw kopalnych, jest dzisiaj bardzo interesującą alternatywą dla tradycyjnych źródeł energii cieplnej oraz elektrycznej.

Energia pozyskiwana ze źródeł odnawialnych nie jest jeszcze dzisiaj dostatecznie konkurencyjna w stosunku do konwencjonalnej. Każda elektrownia wiatrowa, wodna lub słoneczna małej mocy, wymaga dużych początkowych nakładów inwestycyjnych, które z trudem można zrekompensować w późniejszej eksploatacji. Jednakże w skutek niedawnych zmian przepisów prawa oraz uruchomienia wielu programów finansowania rozwoju energetyki odnawialnej przez Unię Europejską, zainteresowanie małymi elektrowniami wzrasta. Coraz większą uwagę inwestorzy indywidualni przywiązują do posiadania niezależnego źródła energii na potrzeby własnego gospodarstwa domowego. Wzrasta więc ilość eksploatowanych małych elektrowni i zwiększa się wiedza techniczna o efektywnych sposobach pozyskiwania energii odnawialnej.

W Polsce, największy rozwój w ostatnich latach notuje energetyka wiatrowa średniej i dużej mocy. Od 2000 roku nastąpił duży wzrost inwestycji w pojedyncze turbiny oraz farmy wiatrowe (min. Barzowice, Cisowo k. Darłowa, Zagórze gm. Wolin, dostarczające łącznie od 18 do 30 MW mocy).


Rozwój energetyki wiatrowej w Polsce

Rysunek 1. Rozwój energetyki wiatrowej w Polsce

 

Mimo wielu problemów, korzystanie z energii pochodzącej z elektrowni wiatrowych, słonecznych lub wodnych staje się coraz częstszym zjawiskiem. Stale rośnie liczba prywatnych turbin wiatrowych i wodnych rozproszonych na terenie całego kraju. Coraz częściej małe turbiny oraz panele solarne wliczane są w koszty inwestycyjne domów jednorodzinnych, powiększając liczbę ekologicznych źródeł energii.

We wszystkich tych przypadkach pojawienie się urządzeń dostarczających energię rodzi naturalną potrzebę czytelnego i wygodnego monitorowanie parametrów ich pracy i poziomu oddawanej energii.

Niezawodny monitoring różnego typu elektrowni może napotykać problemy związane z dowolnością lokalizacji obiektów chroniących urządzenia techniczne. Bardzo często elektrownie wiatrowe i wodne budowane są w miejscach odludnych. Jest to całkowicie zrozumiałe – instaluje się je tam, gdzie występują najlepsze warunki środowiskowe do ich pracy. Lokalizacja obiektu w terenie może utrudnić jednak prowadzenie nadzoru nad poprawnością pracy urządzeń. Problem komplikuje się, gdy mamy do monitorowania więcej niż jedno urządzenie i to w znacznie oddalonych od siebie lokalizacjach.

W przypadku gdy elektrownia znajduje się przy domu, urządzeniem monitorującym generator może być bezpośrednio kontroler HXC Smart 100 pracujący w sieci LonWorks. Uzyskujemy dzięki niemu pełną swobodę w dostępie do danych o naszej elektrowni z dowolnego miejsca na świecie z możliwością zaawansowanej i czytelnej prezentacji graficznej na ekranie komputera.

Niniejsze opracowanie przedstawia monitoring dwóch turbin Savonius typu SG-3 o mocy maksymalnej 3kW, przy pomocy HXC Smart 100.

Turbina Savonius 3kW

Rysunek 2. Monitorowana turbina

Budynek, przy którym zainstalowano turbiny, posiada tradycyjną instalację grzewczą centralnego ogrzewania z obiegiem wody, zasilaną energią z pieca olejowego. Obieg ten jest wzmocniony przez dodatkowy piec centralnego ogrzewania EPCO.L2F-6 o mocy 6kW, produkowany przez firmę Kospel, zasilany energią elektryczną. Do przetwarzania energii elektrycznej w cieplną, urządzenie wykorzystuje zespół grzejny złożony z 3 grzałek o mocy 2kW każda. Piec pobiera energię elektryczną wyprodukowaną przez elektrownię wiatrową i dogrzewa wodę, wspomagając bilans cieplny całego zespołu ogrzewania. Dzięki temu uzyskuje się znaczne oszczędności na spalaniu oleju opałowego w głównym kotle olejowym.

Piec elektryczny

Rysunek 3. Zdjęcie pieca

Elektrownia wiatrowa jest zbudowana w oparciu o dwie turbiny wiatrowe typu SG-3 o mocy 3kW każda. Turbiny te wytwarzają energię elektryczną przy wietrze o prędkości już od 2m/s, dzięki zastosowaniu generatorów wolnoobrotowych o mocy 2,5kW posiadających mały moment rozruchowy. Turbiny pracują z przekładnią 3:1 i dzięki temu osiągana jest pełna moc generatora przy wietrze ok. 14m/s. Generatory produkują energię elektryczną, której napięcie na stykach prostownika waha się od 24V DC do 100V. Generatory są podłączone do zespołu akumulatorów o pojemności 160Ah i napięciu wejściowym 24V (zespół równoległy). Dzięki temu przy napięciach na generatorze powyżej 24V następuje automatyczne ładowanie zespołu akumulatorów. Nad procesem ładowania czuwa kontroler WAGO I/O 750-819, który bada ilość wytwarzanej energii elektrycznej na podstawie prędkości obrotowej generatora.

W momencie, gdy napięcie na zespole akumulatorów przekracza napięcie START-u (z zakresu od 24 do 29.6V, ustawione przez użytkownika), następuje włączenie przekaźnika wyjściowego podającego prąd do budynku. Dzieje się tak do czasu rozładowania akumulatorów poniżej napięcia progowego, także ustawianego przez użytkownika tj. od 19V do 24V. System pracuje więc w cyklach: ładowanie –> rozładowywanie akumulatorów do odbiornika w budynku (3 grzałki). Alternatywnie, odbiornik w postaci obwodu trzech grzałek elektrycznych może być zastąpiony inwerterem napięcia do zasilania odbiorników 230V. Jako inwerter z napięcia 24VDC na napięcie 230VAC zastosowano urządzenie firmy Mastervolt - Mass Sine 24/2500.

Iwerter
Rysunek 4. Inwerter ten wytwarza prąd o napięciu 230V i mocy pozornej 2500VA

Schemat monitorowania elektrowniSchemat ideowy
Rysunek 5. Schemat systemu monitorowania

Do gromadzenia monitorowanych sygnałów wykorzystano kontroler PLC 750-819 produkowany przez firmę WAGO wraz z odpowiednimi modułami I/O. Rozdzielnia z kompletnym kontrolerem prezentowana jest na zdjęciu niżej.

Rozdzielnia HXC Smart 100
Rysunek 6. Rozdzielnia systemu monitorowania

Kontroler ten jest podłączony do magistrali LonWorks, rozpiętej między przyłączem turbin a budynkiem znajdującym się w odległości ok. 270m i wykorzystywanej również dla celów automatyki budynkowej. Wszystkie zmienne w sieci LON monitorowane są przez jednostkę HXC Smart 100 wyposażoną w interfejs do sieci LonWorks FTT-10A.

Poniższe zdjęcia ekranu, ukazują sposób prezentacji danych pozyskiwanych z kontrolera 750-819.

Wizualizacja parametrów
Rysunek 7. Monitoring turbiny I

Przedstawiona instalacja nie wyczerpuje wszystkich możliwości zastosowanych rozwiązań. Obydwie turbiny zlokalizowane są przy domu i monitorowane za pomocą magistrali LonWorks, która poprowadzona została przewodami w typowy sposób. W przypadku turbin większej mocy oraz znacznie oddalonych lokalizacji, uniemożliwiających zastosowania typowej magistrali LON, przedstawione urządzenia uzupełnione o moduły telemetryczne mogą udostępniać identyczny interfejs do kontroli pracy wielu turbin lub farmy wiatrowej.