Tyto energetické jednotky umožňují napájet spotřebiče o výkonu od několika wattů, přes napájení rodinných domů, až po napájení vesnic, či částí měst. Velikost takto napájené energetické jednotky je závislá na instalovaném výkonu zdrojů, stejně tak na jejich typu a na velikosti akumulačního zařízení. Každá komponenta takového systému musí být vhodně dimenzována s ohledem na velikost vstupní investice a na celkovou dobu návratnosti, stejně tak je vhodné volit zařízení s minimální energetickou náročností a s vysokou provozní účinností.

Jelikož se předpokládá využití obnovitelných zdrojů elektrické energie, jež charakterizuje proměnlivá velikost dodávaného výkonu, je nutné typ a instalovaný výkon zdrojů volit tak, aby bylo maximálně využito potenciálu dané lokality. Pro napájení energetické jednotky, v tomto případě fyzikálního modelu, které byl navržen, jako model rodinného domu připadá v úvahu využití malé větrné elektrárny a fotovoltaického systému. V areálu VŠB – TU Ostrava byl před několika lety vybudován v rámci výzkumu obnovitelných zdrojů elektrické energie první mikro ostrovní systém, který slouží k napájení veřejného osvětlení [1].

Na základě zkušeností při budování a provozu tohoto systému byl vybudován druhý ostrovní systém o podstatně vyšším instalovaném výkonu, který slouží jako fyzikální model napájení rodinného domu. Výstavba ostrovního systému, který má simulovat napájení rodinného domu, vycházela z analýzy spotřeby běžného rodinného domu. Na základě této analýzy byl následně dimenzován akumulační systém s ohledem na požadavky výkonu, ale také s respektováním velikosti prvotní investice a doby návratnosti celé energetické jednotky. Zdroje, které celý systém napájejí, byly voleny nejen s ohledem na napájení modelového rodinného domu, ale také tak, aby mohly být využity k výuce a dalšímu výzkumu. Podrobnější informace o dimenzování akumulačního systému a zdrojů byly publikovány v [2] a v [3].

V současné době je dobudován monitorovací systém, který byl uveden do testovacího provozu a pracuje se na tvorbě řídicího systému umožňujícím chytré řízení energetického provozu rodinného domu za pomoci umělé inteligence a neuronových sítí. 

Popis energetické jednotky
Hlavním cílem při budování popisované energetické jednotky bylo vytvořit fyzikální model, který bude sloužit k ověření funkčnosti sofistikovaného systému řízení zdrojů, akumulace a spotřeby. Hlavním kritériem pro systém řízení je, že musí být schopen zajistit normální provoz modelové domácnosti bez nutnosti zásahu uživatele. Uživatel bude řídicím systémem pouze informován o stavu instalovaných zařízení. Schéma fyzikálního modelu je uvedeno na obr. 1.


Jelikož se jedná o modelový a současně pilotní projekt, byly voleny zdroje i s ohledem na možné zapojení do výuky a s perspektivou dalšího zapojení do výzkumu prováděného na Katedře elektroenergetiky VŠB-TU Ostrava. Ostrovní systém je napájen dvěma typy obnovitelných zdrojů tak, aby se tyto zdroje navzájem doplňovaly dle aktuálních meteorologických podmínek v místě instalace.

Zdrojem s největším instalovaným výkonem je větrná elektrárna o výkonu 12kV∙A. Jedná se o větrnou elektrárnu o výkonu 12kV∙A se synchronním generátorem s permanentními magnety. Základní parametry větrné elektrárny jsou uvedeny v tab. 1 a elektrárna je vyobrazena na obr. 2.


Jelikož se v našem případě jedná o fyzikální model ostrovního systému, který slouží nejen ve výzkumu, ale také k výuce je zapojení větrné elektrárny provedeno tak, aby bylo možné jej měnit podle aktuální potřeby. Větrné elektrárna je tedy schopna pracovat v několika režimech. Prvním režimem je přímá dodávka elektrické energie do 3f veřejné distribuční sítě, kdy výkon větrné elektrárny je vyveden přes usměrňovače Windy Boy Protection Box a střídače Windy Boy. Následuje režim, kdy větrná elektrárna pracuje v ostrovním režimu a přímo napájí připojenou zátěž. Poslední variantou je připojení větrné elektrárny přes usměrňovač v tomto případě také Windy Boy Protection Box a střídač Windy Boy ke střídači Sunny Island, což umožňuje využít výkon větrné elektrárny k nabíjení systému akumulátorových baterií. )

 
Fotovoltaická elektrárna o výkonu 2kWp je instalována na střešní konstrukci budovy L v areálu VŠB – TU Ostrava. Jsou zde v tomto případě použity polykrystalické panely, které jsou schopny přeměnit jak přímou, tak i difúzní složku slunečního záření. Panely jsou připojeny přes střídač Sunny Boy ke střídači Sunny Island a elektrická energie vyrobená těmito panely slouží k nabíjení systému akumulátorových baterií. Jednofázový střídač Sunny Boy a výkonem 2,1kW (AC strana) umožňuje připojení až dvou řetězců fotovoltaických panelů s poměrně širokým rozsahem napětí od 125V až do 600V.

Druhá fotovoltaická elektrárna je umístěna na dvouosém natáčecím zařízení, které umožňuje sledování trajektorie slunce v průběhu dne a tím je zajištěna maximalizace výroby elektrické energie. Vzhledem k tomu, že se konstrukce s panely natáčí, jsou zde instalovány monokrystalické panely, které jsou schopny přeměnit pouze přímé sluneční záření, ale obecně mají vyšší účinnost, než panely polykrystalické. Fotovoltaická elektrárna je zobrazena na obr. 2. Řídicí jednotka spolu se senzorovou hlavou zajišťují optimální nastavení směru a sklonu nosné konstrukce tak, aby fotovoltaické panely dodávaly maximální výkon. Stejně tak je řídicí jednotka vybavena pojistným algoritmem pro případ vysoké rychlosti větru, kdy v případech vysoké rychlosti větru dojde ke změně polohy nosné konstrukce do vodorovné pozice, aby panely kladly větru co nejmenší odpor. K samotnému natáčení slouží lineární motor a převodovka, které jsou řízeny na základě informací ze senzorové hlavy.

Monitorovací systém
Systém řízení je hlavní ovládací částí ostrovního systému, jelikož je schopen na základě dostupných informací koordinovat provoz spotřebičů tak, aby energetická bilance celého provozu byla optimální. Fyzikální model ostrovního systému byl doplněn systémem monitoringu, který umožňuje měřit hodnoty veličin na jednotlivých komponentách systému. Toto podrobné osazení měřicích bodů senzory umožňuje v reálném čase kontinuálně monitorovat dílčí účinnosti celého systému. V současné době je systém monitoringu uveden do provozu a probíhá testovací provoz. Instalovány jsou senzory pro měření parametrů provozu u větrné elektrárny a fotovoltaických elektráren a některé další veličiny, které jsou měřeny v rámci monitoringu jednotlivých polovodičových prvků systému. Současným cílem je však kontinuální monitoring provozu a vytvoření databáze provozních stavů, aby na základě této databáze mohlo proběhnout „učení“ řídicího systému, jelikož tento systém je založen na využití soft-computing metod a metod umělé inteligence. Tyto metody mají podstatnou výhodu v tom, že umožňují na základě naučených pravidel predikovat budoucí stav sledovaných veličin. Řídicí algoritmus potom na základě nabytých zkušeností a vytvořených pravidel a na základě aktuálních vstupních informací o aktuálním stavu počasí, stejně tak o předpovědi relevantních meteorologických veličin na nejbližší období, dále informace o stavu baterií a informace o předpokládané spotřebě v následujícím časovém období automaticky připravuje plán provozu jednotlivých spotřebičů. Plán spotřeby by vycházel z databáze provozních stavů a z analýzy spotřeby prezentované v [2], kdy běžné zvyklosti domácnosti jsou do značné míry stereotypní s tím, že musí být alokována jistá část akumulované elektrické energie na krytí náhodné spotřeby elektrické energie. Samotný řídicí systém by potom uživateli doporučoval, případně sám zajišťoval spínání jednotlivých spotřebičů, které by byly do systému přímého spínání zařazeny. Algoritmus takto nadefinované situace by také z aktuálních hodnot jednotlivých měřených veličin byl schopen vyhodnotit a následně uživatele informovat o technickém stavu jednotlivých zdrojů, jakož i stavu akumulační části systému. Toto by následně bylo podnětem pro plánování údržby, případně odstávky systému v případě nutnosti provedení oprav.

Analýza účinnosti
Jak bylo uvedeno výše, umožňuje monitorovací systém fyzikálního modelu energetické jednotky sledovat díky instalovaným senzorům dílčí účinnosti jednotlivých komponent celé energetické jednotky. Vybrané dílčí účinnosti budou analyzovány v následující kapitole, stejně tak bude demonstrována výhoda využití natáčecího systému jedné z fotovoltaických elektráren. Na obr. 4 je zobrazen pro vybraný den provozu průběh dodávaného činného výkonu z obou fotovoltaických elektráren. Zelená křivka ukazuje průběh výkonu pevné instalace s polykrystalickými panely a červená křivka zobrazuje průběh výkonu dvouosé autotrakční instalace s monokrystalickými panely. Černá křivka potom ukazuje rozdíl dodávaného výkonu mezi jednotnými instalacemi. Na pomocné ose v pravé části grafu je současné zobrazen koeficient využití instalovaného výkonu. V poledních hodinách dosahoval koeficient využití obou fotovoltaických elektráren hodnot okolo 90%, což svědčí o správně orientované pevné instalaci s polykrystalickými panely, ale také to ukazuje na fakt, že výhoda využití natáčecího systému není až tak markantní v poledních hodinách. Výhoda natáčecího systému se naopak plně projevuje v dopoledních a odpoledních hodinách, tak jak to ukazují křivky dodávaného výkonu na obr. 3. Pro tento vybraný den se výhoda natáčení panelu směrem ke slunci plně projevuje v časech od cca 7:00 do cca 11:00 a potom v odpoledních hodinách od cca 15:00 do cca 17:00. Fotovoltaická elektrárna s natáčecím systémem vyrobila ve sledovaný den 13,93kWh, fotovoltaická elektrárna pevně instalovaná na střeše vyrobila ve stejném dnu pouze 9,93kWh elektrické energie, což je o 4Wh méně, než fotovoltaické elektrárna s natáčecím systémem. Procentuálně vyjádřeno vyrobila elektrárny s natáčecím systémem o cca 29% elektrické energie více.
 
(červená křivka – FVE s natáčecím systémem, zelená křivka – FVE pevná instalace, černá křivka – rozdíl dodávaných výkonů) 

Testovací provoz monitorovacího systému umožnil vytvořit prvotní databázi provozních stavů a z tuto databázi využit k první analýze účinnosti celého systému, ale také k vyhodnocení účinnosti jednotlivých komponent. K demonstraci možností analýzy účinnosti jednotlivých komponent byly vybrány dva prvky a to střídač pro fotovoltaické elektrárny SUNNY boy. Průběh účinnosti v závislosti na výkonu panelů je zobrazen na obr. 4. Z tohoto obrázku je patrné, že už při dosažení 30% jmenovitého výkonu je účinnost přeměny stejnosměrné energie na střídavou 90%. Při vyšším výkonu se následně účinnost ustálí na hodnotě okolo 96%. Snížení účinnosti pro hodnotu 50% výkonu je způsoben krátkým testovacím provozem a tím pádem nedostatkem hodnot v některých intervalech výkonu. Jako druhý případ byl zvolen stejnosměrný mezi obvod větrné elektrárny. Průběh účinnosti je zobrazen na obr. 5. Stejně tak jako v případě fotovoltaické elektrárny je analýza provedena pouze z dostupné databáze vytvořené za krátkou dobu testovacího provozu. Nicméně tvar křivky účinnosti se nezmění, v dalším provoze však bude dosahováno vyšších hodnot výkonu. Analýza je provedena pro den, kdy byla zaznamenána pouze nízká rychlost větru, ale byla jasná obloha a výkon fotovoltaických elektráren se blížil k výkonu jmenovitému.

Využití obnovitelných zdrojů elektrické energie v režimu ostrovního provozu je vhodnou alternativou k tradičnímu paralelnímu provozu se sítí. Kombinace větrné a fotovoltaické elektrárny navíc umožňuje snížení instalovaného výkonu oproti instalaci pouze jednoho typu zdrojů.  

Fyzikální model ostrovního provozu vybudovaný v areálu VŠB-TU Ostrava slouží k ověření možností využití malých větrných a fotovoltaických elektráren pro napájení běžných rodinných domů. Cílem pro následující období je vytvoření řídicího systému, který umožní na základě predikce rychlosti větru a intenzity slunečního záření a na základě aktuálních informací z monitorovacího systému zejména o stavu akumulátorů autonomní provoz celé energetické jednotky bez nutnosti zásahu uživatele, přičemž řídicí systém bude automaticky uživateli navrhovat spínání jednotlivých spotřebičů tak, aby nebyl narušen běžný provoz domácnosti a nedošlo k nedostatku disponibilní energie. K využití se pro tvorbu řídicího systému nabízejí metody umělé inteligence, jejichž možnosti uplatnitelnosti jsou v současné době testovány na metodách predikce výroby elektrické energie z větrných a fotovoltaických elektráren, což jsou data potřebná pro přípravu provozu celého ostrovního systému.