מקור: generatorsource.com
הרעיון של רשתות מיקרו קיים כבר שנים רבות. רק לאחרונה הם זכו למשיכה ולעיתונות משמעותיים, מכיוון שפרויקטים חדשים רבים הופכים למציאות ויוצאים לייצור. Bloom Energy דיווחה לאחרונה כי 500 רשתות מיקרו חדשות נמצאות בתהליך או מופעלות נכון לשנה זו (2019) והסיכומים ברחבי העולם נמצאים בטווח GW מרובה.
הליבה, רשת מיקרו היא מערכת רשת חשמל מיניאטורית המוגדרת לניהול משאבי אנרגיה מבוזרים ויכולה לכלול מקורות מתחדשים (סולאריים, רוח ו/או הידרו) עם מקורות אחרים שאינם מתחדשים (כגון גנרטורים דיזל, טורבינות גז, וכו.). רשתות מיקרו אלה בדרך כלל מנהלות את עומסי האנרגיה של מערכות דורות מרובות וגם משתמשות בסוג כלשהו של מערכת אחסון אנרגיה. הם עובדים ומנהלים את כל זה עם סוגים שונים של תוכנות ומערכות בקרה. ניתן להגדיר אותם לפעול במקביל לרשת שירות וגם לפעול במצב עצמאי בזמן חירום או על בסיס צרכים ספציפיים.
יסודות Microgrid - מהי Microgrid
משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE) מגדיר מיקרו-רשת כ"קבוצה של עומסים מחוברים ומשאבי אנרגיה מבוזרים בתוך גבולות חשמליים מוגדרים בבירור, הפועלת כישות יחידה הניתנת לשליטה ביחס לרשת. מיקרו-רשת יכולה להתחבר ולהתנתק מהרשת לרשת. לאפשר לו לפעול הן במצבי רשת והן במצב אי".
בנוסף, ה-DOE טוען כי "מיקרוגרידים זוהו כמרכיב מפתח של הרשת החכמה לשיפור לשיפור אמינות ואיכות הספק, הגדלת
יעילות אנרגטית של המערכת, ומתן אפשרות של עצמאות רשת לאתרי משתמש קצה בודדים". היתרונות של שימוש בטכנולוגיית microgrid יכולים להיות:
- משתלב עם רשתות וטכנולוגיות רשת חכמות מרובות
- שילוב של אנרגיות מבוזרות ומתחדשות, הפחתת עומס שיא
- מבטיח אספקת אנרגיה למתחמים עם צורכי חשמל קריטיים
ארגונים אחרים מגדירים רשתות מיקרו באופן דומה, כולל הרעיון של עומסים מרובים ויצירת איים. ייצור אי הוא כוח המסופק על ידי רוח, שמש, ייצור הידרו, או ייצור דיזל/NG.
האיור בגרפיקה הראשונה היא רשת מיקרו שמשתמשת בכוח השירות כמקור העיקרי. חוות הרוח והשמש מפעילה בנק סוללות לשימוש חירום כאשר אבד החשמל. שניהם מחוברים בדרך כלל לרשת כדי להוזיל את עלויות התפעול של המתקן. כאשר כוח השירות אובד, המתחם עובר לאספקת סוללה ממתקן הרוח והשמש. הגנרטורים מתחילים ולוקחים את העומס מהסוללות. הבניינים בצד העומס של המעגל אינם רואים כל תנודת חשמל בגלל התכנון של רשת החלוקה. כאשר מתח החשמל מוחזר, העומס מוחזר לאספקת החשמל ומחוללי הגיבוי מושבתים. חוות הרוח והשמש חוזרים לפעולה רגילה.
גורמים רבים נכנסים לתכנון ובנייה של מיקרוגרייד. ההתקדמות בטכנולוגיות ייצור והפצת החשמל מאפשרות מערכות המפחיתות את צריכת החשמל, משתמשות בשיטות ייצור ירוק ועומדות בדרישות אספקת חשמל קריטיות. מידע בסיסי עבור כל אחד ממקורות הכוח ומערכות הבקרה מתואר להלן. הבנייה של רשת מיקרו זה היא בדיונית אך מעוצבת בקונספט מפרויקטי DOE.
צריכת חשמל ועומסים
הרשתות הנפוצות ביותר של רשתות מיקרו משתמשות בכוח השירות המסופק מחברת החשמל המקומית כספק ראשי. רשתות מיקרו הממוקמות במקומות מרוחקים יכולות להשתמש בייצור הידרואלקטרי ככוח ראשוני או להשתמש במפעל לייצור דלק מאובנים ככוח ראשוני.
תחנות כוח מייצרות חשמל במתח גבוה. חלקם משתמשים בשנאים מדרגים להגברת המתח לצורך העברה לתחנות משנה. תחנות משנה קולטות מתח מתחנות הכוח בקווי מתח גבוה. המתחים מותאמים לדרישות ומחולקים ללקוחות.
בתי חולים, מתקני תיקון ממלכתיים ומרכזי נתונים הם חלק מהענפים הדורשים מקור כוח אל-פסק (UPS). לרבים יש מבנים מרובים הדורשים חשמל קבוע. בחלק מהמבנים יכולים להיות אזורים הדורשים מקור חשמל מבודד בגלל דרישות מתח, זרם ו/או תדר.
מתקנים אלה צורכים כמות עצומה של חשמל כדי לנהל את הפעולות היומיומיות הרגילות. הם מקבלים חשמל מקווי מתח גבוה בתחנת משנה ייעודית למתחם. המתח מותאם לרמות הרצויות באמצעות שנאי שלב או ירידה. כל הכוח מנותב דרך לוחות מיתוג ובקרה לחלוקה ברחבי הבניינים.
כל בניין מייצג עומס חשמלי. אפשר לקבל יותר ממטען ייעודי אחד לבניין. דוגמה לנקודת עומס משנית בבניין היא ממיר תדרים. שיא מתח חיובי אחד ושיא מתח שלילי אחד שווה מחזור אחד (Hz). האספקה הנפוצה היא 50 הרץ או 60 הרץ. חלק מהציוד דורש אספקת חשמל של 400 הרץ כדי לפעול. ממירי תדר משנים 50 הרץ או 60 הרץ ל-400 הרץ. יש עוד דוגמאות רבות לנקודות עומס משניות בבניין. בתכנון המיקרוגריד, כולם נשלטים מנקודה אחת.
גיבוי וכוח מחולל ביקוש שיא
מחוללי גיבוי מספקים חשמל לרשת כאשר מתח החשמל נכשל. הגנרטור מורכב ממנוע ואלטרנטור (קצה גנרטור). מנועי גז טבעי (NG) ודיזל הם הסטנדרט בתעשייה. מנועי NG יכולים לפעול ללא הגבלת זמן כל עוד אספקת הגז לשירותים לא מופרעת. כוח גיבוי אינו זמין כאשר האספקה מאובטחת.
גנרטורים עם מנועי דיזל יכולים לפעול כאשר כל התשתיות נכשלות, כולל אספקת גז טבעי. יש לנטר ולמלא מיכלי אספקת דלק ראשיים כאשר הם נמוכים. מערכות אוטומטיות יכולות להודיע למפעיל כאשר מפלסי המיכל נמצאים בנקודה שנקבעה מראש כדי למנוע כיבוי בגלל מחסור בדלק.
יישומי גנרטור מקורה
המנוע, מערכות הקירור וקצוות הגנרטור מותקנים כולם על החלקה המיוצרת מקורות פלדה. ההחלקה מותקנת על רצפת הבניין. תושבות גומי משמשות במקומות מרכזיים כדי להפחית את הרטט במהלך הפעולה.
לגנרטור בסגנון זה אין מיכלי דלק ודורש אספקת דלק חיצונית. מיכלי דלק ראשוניים גדולים יכולים לספק מיכלי יום. עליהם להיות מותקן פליטת מבנה ואספקת אוויר קירור או מערכת קירור לאחר שוק כגון מחליף חום (HEX).
יישומי גנרטור חיצוני
גנרטורים המשמשים בחוץ מותקנים במתחם עמיד בפני מזג אוויר או עמיד בפני מזג אוויר. מארזים רבים מוחלשים על מנת להפחית את רעשי ההפעלה. הגנרטור מותקן על מיכל דלק כפול דופן. לגנראטורים אלה אין דרישות חיצוניות לדלק, פליטה או מערכת קירור. חבר כבלי חשמל פלט לגנרטור, והוא מוכן לשאת את העומס.
שני סגנונות הגנרטורים זמינים עם פקדים אלקטרוניים מתקדמים וניתנים להפעלה במקביל. ניתן לארגן אוטובוס מחולל גיבוי מפוצל כדי לספק כמויות גדולות של מתחים שונים. כדי לצפות במלאי של גנרטורים חדשים ומשומשים, עבור אל מקור גנרטורים. אנו מספקים שירותי גנרטורים כגון תחזוקה, פתרון תקלות ותיקון, התקנה.
ייצור חשמל ירוק
הסוכנות להגנת הסביבה (EPA) מגדירה כוח ירוק כחשמל המופק ממערכות שמש, רוח, גיאותרמיות, ביוגז, ביומסה והידרואלקטריות. הדגם שלנו כלל כוח רוח ושמש. שימושים אפשריים נבדקים להלן.
אנרגיה סולארית
פאנלים סולאריים מורכבים מתאי פוטו-וולטאיים. תאים אלה ממירים את אור השמש לחשמל עם זרם ישר (DC). החשמל שנוצר מאוחסן בבנקי סוללות. לאחר שבנקי הסוללות טעונים במלואם, ניתן להחזיר את החשמל באמצעות מהפך ולמכור אותו.
המהפך הוא הלב של מערכת ה-UPS. כאשר הכוח אובד, הסוללות מספקות חשמל למעגלים שיש להם דרישות הספק קריטיות. המהפך משנה DC לזרם חילופין (AC) כדי לספק מעגלים בזמן שגנרטורים לגיבוי מתכוננים לקבל את העומס.
אנרגיית רוח
הרוח משמשת לסובב טורבינות. הטורבינות מייצרות חשמל AC במידה רבה באופן שבו מתפקדים גנרטורים מונעי דיזל וקיטור. טורבינות רוח יכולות להיות מחוברות גם לרשת החשמל של השירות, רשת הגיבוי לסוללת UPS.
טורבינות המחוברות לרשת החשמל חייבות להתאים לפאזה ולתדר. על מנת להתאים את הפאזה והתדירות של הרשת, כוח הטורבינה מנותב דרך ממיר AC ל AC. AC מומר ל-DC ואז מתוקן בחזרה ל-AC עם מהפך ונותב לרשת. זרם ה-AC מטורבינת הרוח יכול להיות מנותב גם דרך ממיר כדי לסייע בטעינת בנק הסוללות.
אנרגיית השמש והרוח הן שיטות נהדרות לקזז עלויות צריכת החשמל של בניין, אך הן לא התפתחו מספיק כדי לקבל חובות גיבוי. שניהם תלויים בתנאי מזג אוויר מקומיים ובמאגרי סוללות זמינים. ביום מעונן ללא רוח סוללות יכולות להתרוקן במהירות ללא מאמצי טעינה.
סוללות גיבוי
פתרונות חשמל ירוקים משתמשים לרוב בבנקי סוללות גיבוי. בנקים אלה מספקים חשמל רגעי של UPS בלבד. הם מתוכננים לספק חשמל כאשר מתח החשמל נכשל במתקן, בזמן שהגנרטורים מופעלים כדי לשאת את העומס.
ניתן לבנות מערכות סוללות גיבוי עם שלושה סגנונות שונים של סוללות סוללות המפורטות להלן:
תאי חומצה עופרת - סוללות עם תאי חומצה עופרת הן הפתרון הזול ביותר. אלה יכולים להיות תשובה טובה מחוץ לרשת עבור יישומים קטנים יותר
ליתיום יון - קל וקומפקטי יותר ומחזיק מעמד זמן רב יותר מאשר סוללות עופרת. עם זאת, הם יקרים יותר
מים מלוחים - עולה חדש זה מסתמך על אלציטרוליטים במים מלוחים. סוללות לרוב לא נבדקו אך ממוחזרות בקלות
סוללות המונעות על ידי רוח נטענות על ידי ממיר שמשנה AC ל DC. סוללות סולריות אינן זקוקות לממיר מכיוון שפאנלים סולאריים מייצרים DC.
כאשר כוח השירות אובד, יש קרוב למילי-שנייה של זמן אובדן זמן לתגובת מחולל חיובי.
למתקנים ומתחמים כגון בתי חולים, מרכזי נתונים ועיריות יש אפס סובלנות לאובדן חשמל. הם מסתמכים על גדות סוללות כדי לספק חשמל בזמן אובדן חשמל. זהו פתרון מצוין לטווח קצר, אבל לבנקי סוללות יש את המגבלות שלהם.
סוללות עם יכולת לקבל עומס חשמלי הן יקרות לרכישה ראשונית. לסוללות עופרת חומצה יש אלקטרוליט הוא הנוזל בתאי הסוללה. יש לבדוק לעתים קרובות את רמת האלקטרוליט ואת המשקל הסגולי. אפילו עם תחזוקה קפדנית, תוחלת החיים של סוללות אלו יכולה להיות רק 5 עד 15 שנים.
עלות מערכות אחסון אנרגיה מתחדשת
למשאבי אנרגיה מתחדשת כגון חוות רוח, חוות סולאריות וייצור הידרואלקטרי יש תג מחיר רכישה ראשוני גדול. נדרשים טכנאים וצוותי בנייה מנוסים להתקנת הציוד הנרכש. לאחר ההתקנה, הבדיקה וההפעלה יש לתחזק את הציוד. לעתים קרובות יש צורך בכוח תחזוקה במשרה מלאה כדי שהציוד יפעל בהתאם למפרטים.
אחסון האנרגיה מתקדם במהירות ויהווה שחקן מפתח בעתיד של רשתות המיקרו. זה יכול להיות נושא מורכב מאוד ודורש מהנדסים ותכנון, והעלויות הן על כל המפה בהתאם לצרכים שלך. ל-Microgrid Knowledge יש מאמר מצוין לאחרונה על כמה מההתפתחויות האחרונות בתחום אגירת האנרגיה מהכנס של 2019 לצלול לתוכו כאן. הם מפרטים את הדרך ל-GW של יעד אחסון אנרגיה והחדשות האחרונות מחברות ומדיניות FERC שנדחפת כעת.
תחנת שליטה
תחנת הבקרה מספקת למפעיל יכולות שליטה ובקרה כאחד. ניתן לחלק כל מערכת לתת-מערכת שיש בתוכה חלקי ציוד בודדים.
לוחות הפצה ובקרה - קבל מתחי כניסה מכל המקורות וחלוקת חשמל למעגלים הדרושים.
גנרטורים לגיבוי - תוכנת תחנת בקרה מפקחת ובעלת יכולת לשנות את תצורת הפעלת הגנרטור כדי לספק חשמל למעגלים קריטיים.
כוח ירוק - מנוטרים בבנקי הסוללות של UPS. כניסת חשמל סולארית לבנקי סוללות ולרשת מנוטרת. נתונים סטטיסטיים של טורבינות רוח מנוטרים. היכולת לעבור לטורבינת רוח מיותרת או לבנק סוללות.
בעיקרון, תחנת הבקרה מספקת פתרון תוכנה לתחזוקה, ניטור ובקרה של כל החומרה הקשורה לתצורת מיקרו-רשת. יכולות להיות חלקי תוכנה מרובים התומכים בפעולות הרשת.
יתירות היא עיקרון מפתח בתכנון של מערכות אלו. יתירות היא עמידה מוכנה ליד ציוד במקרה של כשל בציוד הראשי. גנרטורים, טורבינות רוח ומאגרי סוללות הם כולם דוגמאות למערכות שיכולות להיות להן ציוד ראשי ותומך מיותר.
חלק מהציוד המיותר מקבל על עצמו את תפקידו של הציוד הראשי שהוקצה ומודיע למפעיל על בעיה. לאחר מכן מפעיל תחנת הבקרה מודיע לתחזוקה על הבעיה כדי שניתן יהיה לתקן אותה. ציוד מיותר עומד באותן דרישות כמו הציוד העיקרי. לעתים קרובות ציוד ראשי ומיותר מוחלפים על ידי המפעיל לבדיקות מתוזמנות.
המיקרוגרייד הוא מושג. זה יכול להיות עיצוב גדול או קטן לפי הצורך להתקנה. זה קונספט ישן שנמצא כאן כדי להישאר. ככל שטכנולוגיית ייצור החשמל תגדל, כך גם השימוש במיקרו-רשתות יגדל.