Súčasný progres v modernizácii laboratória SAV

Výskumné aktivity Ústavu materiálov a mechaniky strojov Slovenskej akadémie vied (ÚMMS SAV) v Bratislave vychádzajú tiež z postupnej modernizácie jednotlivých obnoviteľných zdrojov energie [5] a inštalácie nových technológií a systému merania vybudovaného inteligentného mikrogridu. Smartgrid sa nachádza v priestoroch laboratória ÚMMS SAV v Bratislave.

Podobne ako v prípade laboratória STU, aj v laboratóriu SAV boli počas predchádzajúcich projektov financovaných z európskych štrukturálnych a investičných fondov inštalované viaceré obnoviteľné zdroje. Išlo o fotovoltické elektrárne rôzneho typu a tepelné čerpadlo na báze využívania geotermálnej energie z vybudovaných geotermálnych vrtov. Fotovoltické elektrárne boli realizované z dvoch hlavných častí, a to z technológie tenkovrstvových CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) panelov s inštalovaným výkonom 10,5 kWp a z bežne používaných polykryštalických kremíkových panelov s inštalovaným výkonom 16,2 kWp. Z fotovoltickej technológie boli inštalované aj tvz. experimentálne panely rôznej materiálovej štruktúry na analýzu degradácie a tiež špeciálne samostatné solárne články pracujúce na princípe koncentrácie slnečného žiarenia, umiestnené na konštrukcii sledujúcej polohu slnka na oblohe počas dňa, na tzv. trackeroch s integrovaným chladením. Tepelné čerpadlo na princípe voda – voda s inštalovaným výkonom 6 kWe a 37 kWt využíva vstupnú vodu z hlbinného zemného vrtu a bolo realizované pre potreby vykurovania, ale aj chladenia.

Počas prevádzky týchto zdrojov a po ukončení prvej etapy projektu sa ukázali viaceré technické aspekty, kvôli ktorým nebolo možné technológie ďalej prevádzkovať a vzhľadom na to, že boli z veľkej časti realizované ako prototypové, bolo potrebné analyzovať nedostatky, aby ich bolo možné v čo možno najkratšom čase odstrániť. V druhej etape projektu sa pristúpilo k postupnej rekonštrukcii a prioritne bola zvolená rekonštrukcia riadiaceho systému a fotovoltickej elektrárne. Smartgrid v laboratóriu SAV je riadený systémom SIEMENS SIMATIC PCS7, na ktorý boli pracovníci aj školení, aby bolo možné v budúcnosti vykonávať nastavovanie a úpravy jednoduchšieho charakteru v prípade doplnenia jednotlivých meracích členov, zmeny v konfigurácii rozhrania vizualizácie a podobne.

V súčasnosti je technológia riadiaceho systému FVE a samotnej FVE plne funkčná a podobne ako v laboratóriu STU, aj v laboratóriu SAV bol zvolený spôsob merania v zmysle aspektov, o ktorých sa hovorí v legislatívnych rámcoch spomínaných v úvode. Riadiaci systém SIEMENS SIMATIC PCS7 poskytuje merané údaje a ich archiváciu z fotovoltickej elektrárne, experimentálnych panelov a údajov z meteostanice. Súčasťou meteostanice je meranie teploty, rýchlosti a smeru vetra a intenzity globálneho slnečného žiarenia certifikovaným pyranometrom Kipp&Zonen CMP11 s platným protokolom o kalibrácii. Pristúpilo sa k tzv. podružnému meraniu s vysokou frekvenciou zberu dát. Boli použité inteligentné elektromery s komunikáciou prostredníctvom protokolu MODBUS a komunikačného rozhrania RS-485. Komunikácia prebieha prostredníctvom mikropočítača Raspberry PI, ktorého komunikačný softvér zvláda zbierať údaje z inteligentných elektromerov s vysokou frekvenciou odčítania a zápisu do súboru, a to každú sekundu.

Meranie prostredníctvom IMS v súčasnosti dopĺňa zber dát z riadiaceho systému a predstavuje tak pridanú hodnotu na vlastné analýzy zbieraných dát. Meranie IMS je nasadené na dvoch fotovoltických elektrárňach, ktoré sú zobrazené na obr. 2a. Samostatné meranie jednotlivých fotovoltických elektrární umožňuje porovnávať účinnosť výroby elektriny počas ročných období, ako aj vykonávať mnohé analýzy. Zber dát z IMS poskytuje pridanú hodnotu spočívajúcu v jednoduchosti dátových súborov, ktoré možno ďalej spracovávať bežne používanými softvérmi (textový editor, MS-Excel), pričom možno jednoducho tvoriť databázové súbory napr. pomocou nástroja Power BI. Jednoduchosť práce s dátami je výhodná pri ďalšom výskume študentov. Pre ich bakalárske a diplomové práce ponúka smartgrid ÚMMS pridanú hodnotu v oblasti vzdelávania mladej generácie. Keďže meranie dát z IMS pri obidvoch fotovoltických elektrárňach prebieha s vysokou frekvenciou – každú sekundu, dá sa povedať, že meranie je realizované v reálnom čase. To otvára možnosti analyzovať mnohé aspekty nepredikovateľnej výroby fotovoltickej elektrárne v jej dynamickom správaní.

Na obr. 5 a 6 sú uvedené grafické priebehy výroby elektriny fotovoltickou elektrárňou s polykryštalickými panelmi s inštalovaným výkonom 16,2 kWp. Hodnoty sa vzťahujú na 1 kWp, čo je pre praktické vyhodnotenie vhodnejšie z dôvodu univerzálnosti veľkosti FVE. Do porovnania (obr. 5) boli zobrané tri rôzne letné júlové dni roku 2021, medzi ktorými bol časový rozdiel 10 dní. Výber dní bol zvolený tak, aby bolo možné porovnať produkciu v jasnom slnečnom dni, v celodennom zamračenom dni a v polooblačnom dni. Ako je vidieť, produkcia v letnom zamračenom dni je výrazne nižšia v porovnaní s polooblačným a slnečným dňom. Dosahovala len približne 30 % (28,7 kWh) energie oproti celodennému slnečnému dňu, keď produkcia bola 100,2 kWh. Tiež je vidieť extrémnu dynamiku poklesu a nárastu výkonu v krátkom časovom intervale – rádovo sekúnd. Ak bude dynamika vyjadrená číselne, tak v sledovanom polooblačnom letnom dni dosiahne zmeny výkonu až 67 % z pôvodnej hodnoty počas 5 sekúnd. Tento najvyšší pokles bol o 14:13 hodine. Maximálny pokles výkonu za 1 sekundu v uvedenom čase bol 40 %.

K zaujímavému zisteniu došlo aj pri analýze údajov z meteostanice. Maximálna denná teplota vzduchu dosiahla pri slnečnom dni 32 °C, no teplota povrchu panelov dosahovala až 63 °C. Maximálna teplota vzduchu 32 °C bola aj pri polooblačnom dni, no teplota povrchu panelov bola len 50 °C, keďže pri polooblačnom dni bola vyššia rýchlosť vetra, povrch panelov sa aj vplyvom striedajúceho sa prechodu oblakov efektívnejšie chladil. Pri polooblačnom dni je z obr. 6 pozorovateľná vyššia hodnota intenzity žiarenia, čo zodpovedá veternejšiemu dňu a čistejšiemu ovzdušiu. Na obr. 6 môže byť mätúce, že priebeh intenzity slnečného žiarenia je oproti priebehu výkonu z FVE pomerne výrazne posunutý doľava. Je to spôsobené tým, že meranie intenzity slnečného žiarenia sa vykonáva na vyvýšenej vodorovnej rovine a panely FVE sú inštalované fixne pod sklonom približne 40° a orientáciou na juhozápad. To spôsobuje, že maximálna intenzita žiarenia dopadá na FVE s oneskorením približne 90 minút.

Zaujímavosťou sú aj krátkodobé výkonové špičky pri polooblačnom dni, keď po prechode oblaku aktuálny vyrábaný výkon nadobudol krátkodobo vyššiu hodnotu, ako keby bol slnečný deň. Tento efekt bol spôsobený dvomi už spomenutými faktormi, a to vyššou intenzitou slnečného žiarenia, v maximách približne o 300 W. m-2, ale aj nižšou povrchovou teplotou panelov. Obidva tieto faktory zohrávajú kľúčovú úlohu v produkcii elektrickej energie fotovoltickou elektrárňou. Nominálny výkon fotovoltického panela je definovaný pri tzv. štandardných testovacích podmienkach, a to teplotou povrchu 25 °C, intenzitou slnečného žiarenia 1 000 W. m-2 a koeficientom AM 1,5 (air mass – koeficient hrúbky zemskej atmosféry).

Medzi plánované investície v rámci modernizácie smartgridu sú zaradené aj aktuálne rozpracované činnosti na realizácii transformácie časti fotovoltickej elektrárne (FVE s polykryštalickými panelmi) zo sieťovej na hybridnú prevádzku s doplnením technológie akumulácie a zabezpečeného napájania časti obvodov v režime ostrovnej prevádzky. Takéto riešenie umožní využívať elektrinu z FVE, riadiť jej prebytky a akumulovať ju. Následne možno v ostrovnej prevádzke simulovať a analyzovať rôzne prevádzkové stavy. V dlhodobom časovom horizonte je zámer rekonštrukcie sledovacích konštrukcií s cieľom využiť ich pre nové fotovoltické panely. Budú tak súčasne dostupné údaje o výkone fotovoltickej elektrárne v statickom rozpoložení a rozpoložení sledujúcom slnko a pokiaľ budú nové FV panely rovnakej technológie, bude možné analyzovať aj pokrok vo zvyšovaní účinnosti polykryštalických panelov, ako aj mieru ich degradácie v čase.

Záver

Táto publikácia vznikla na základe vzájomnej spolupráce Slovenskej technickej univerzity v Bratislave a Ústavu materiálov a mechaniky strojov Slovenskej akadémie vied v Bratislave. Prínos k riešeniu v zmysle aktivít projektu bol najmä v tom, že obidve inštitúcie disponujú vlastným laboratóriom na výskum obnoviteľných zdrojov a participujú na riešení v zmysle aktivít projektu. Pokiaľ ide o jednotlivé technológie obnoviteľných zdrojov, sčasti obsahujú rovnaké technológie a práve preto bol zvolený odlišný spôsob merania a získavania dát, keďže ide o komplikovanú problematiku merania, získavania a spracovania dát vzhľadom na víziu budúceho rozvoja decentralizovanej energetickej infraštruktúry a inteligentných sietí.

V laboratóriu STU bol zvolený systém merania IMS určenými meradlami v zmysle vyhlášky [2] so špecifickým prístupom k meraným dátam zodpovedajúcim súčasnému stavu zberu a spracovaniu dát distribučnými spoločnosťami a využívaniu týchto dát inými účastníkmi trhu s elektrinou. V laboratóriu SAV sa pristúpilo k systému merania IMS podružnými meradlami, ktoré nie sú v zmysle vyhlášky „určené meradlá“, a teda nemôžu byť použité ako fakturačné meradlá, no poskytujú dáta jednoduchej štruktúry a vysokej frekvencie merania, čo „určené meradlá“ rozhodne neposkytujú. Takéto možnosti sú veľkým benefitom pri realizácii bakalárskych a diplomových prác študentov a v neposlednom rade aj pri zvyšovaní povedomia mladej generácie o štúdiu čoraz populárnejšieho odvetvia elektroenergetiky – smartgridov.

Literatúra

[1] Zákon č. 251/2012 Z. z. z 31. júla 2012 o energetike a o zmene a doplnení niektorých zákonov. [online]. 

[2] Vyhláška 358/2013 Z. z. Ministerstva hospodárstva Slovenskej republiky z 28. októbra 2013, ktorou sa ustanovuje postup a podmienky v oblasti zavádzania a prevádzky inteligentných meracích systémov v elektroenergetike. [online]. 

[3] Smernica Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) 2019/944 z 5. júna 2019 o spoločných pravidlách pre vnútorný trh s elektrinou a o zmene smernice 2012/27/EÚ. [online]. 

[4] Perný, Milan – Janíček, František – Šály, Vladimír – Packa, Juraj – Kováč, Zoltán: Fakulta elektrotechniky a informatiky STU participuje na významnom projekte z oblasti smart energetiky. In: Energetika, strojárstvo 2022. Bratislava: Infoma Business Trading, 2021, s. 63 – 66. ISBN 978-80-89087-91-4.

[5] Janíček, František – Šály, Vladimír – Packa, Juraj – Perný, Milan – Kováč, Zoltán – Szabová, Miriam: STU, Slovenská akadémia vied a priemyselní partneri riešia v rámci spoločného projektu kľúčové otázky zo smart energetiky. In: Magazín mobilita – stroje – technológie – ekológia, 16, s. 48 – 50

[6] Nariadenie komisie (EÚ) 2016/631 zo 14. apríla 2016, ktorým sa stanovuje sieťový predpis pre požiadavky na pripojenie výrobcov elektriny do elektrizačnej sústavy. [online]. 

[7] Buchholz, Bernd M. – Styczynski, Zbigniew: Smart Grids – Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. Springer Vieweg Berlin, Heidelberg 2014. ISBN 978-3-642-45119-5.

[8] Slávik, Jakub – Holiš, Martin – Poničan, Ján – Sadloň, Matej: Tri piliere Smart grid. In: ATP Journal, 2020, roč. 27, č. 10, s. 18 – 21. ISSN 1335-2237.

[9] Nojavan, Sayyad – Zare, Kazem: Demand Response Application in Smart Grids. Springer, Cham 2020. ISBN 978-3-030-31399-9.

[10] Pípa, Marek – Kment, Attila – Janíček, František: Experimental Biogas Power Plant at STU in Bratislava Based on Dry Fermentation. In: Electric Power Engineering 2012: Proceedings of the 13th International Scientific Conference. Brno, Czech Republic, 23. – 25. 5. 2012. Brno: University of Technology, 2012, s. 643 – 646. ISBN 978-80-214-4514-7.

Poďakovanie

Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov – II. etapa, kód ITMS: 313021W404, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

This publication was created thanks to support under the Operational Program Integrated Infrastructure for the project: International Center of Excellence for Research on Intelligent and Secure Information and Communication Technologies and Systems 2nd stage, ITMS code: 313021W404, co-financed by the European Regional Development Fund.

Táto práca vznikla vďaka Agentúre na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-20-0157.

This work was supported by the Slovak Research and Development Agency under the contract No. APVV-20-0157.

Ing. Ján Poničan
jan.ponican@stuba.sk

Ing. János Kurcz
janos.kurcz@stuba.sk

Ing. Milan Perný, PhD.
milan.perny@stuba.sk

Ing. Jakub Slávik
jakub.slavik@stuba.sk

prof. Ing. František Janíček, PhD.
frantisek.janicek@stuba.sk

Mgr. Matej Sadloň
matej.sadlon@stuba.sk

Dr. Ing. František Simančík
simancik@up.upsav.sk

Ing. Marek Gebura, PhD.
marek.gebura@savba.sk

Ing. Milan Jarás, PhD.
milan.jaras@savba.sk

Ing. Attila Kment, PhD.
attila.kment@stuba.sk

Ing. Marek Pípa, PhD.
marek.pipa@stuba.sk

Slovenská technická univerzita v Bratislave
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky
Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava

Slovenská akadémia vied
Ústav materiálov a mechaniky strojov
Dúbravská cesta 9, 841 04 Bratislava 4