تولید برق با هاب الکترونیکی هیبریدی برای ساختمان‌ها

محققان آزمایشگاه ملی (Oak Ridge) اخیراً فناوری جدیدی را برای کنترل بهتر نحوه جریان برق در ساختمان‌های تجاری مجهز به انرژی خورشیدی، بادی یا سایر انرژی‌های تجدیدپذیر تولید کرده اند. مادو چینتاوالی که این تحقیق را رهبری می‌کند گفت: ما در حال ایجاد یک شبکه الکتریکی برای آینده هستیم که به انرژی‌های تجدیدپذیر اجازه می‌دهد تا به مؤثرترین روش از آن‌ها استفاده شود. با این روش در شبکه جدید اپراتور‌ها می‌توانند جریان انرژی را بسیار معنادارتر کنترل کنند حتی زمانی که تولید برق غیرمتمرکز باشد.

نقش انرژی‌های تجدیدپذیر برای کمک به بخش برق ایالات متحده به منظور دستیابی به اهداف ملی و کربن زدایی کلیدی است. آن‌ها فناوری‌های عدم قطع برق را نیز به شبکه اضافه می‌کنند تا به طور متناوب برق تولید کنند. توسعه و هماهنگ کردن سیستم‌های الکترونیکی پر قدرت برای ترکیب آسان‌تر این منابع برای ایجاد یک شبکه انعطاف‌پذیرتر برای برق قابل اعتماد حیاتی است. تیم تحقیقاتی چینتاوالی یک هاب الکترونیکی برقی (AC/DC) هیبریدی را طراحی کرد تا به عنوان واسطه بین شبکه بزرگ‌تر و زیرسیستم‌ها از جمله انرژی‌های تجدیدپذیر، ژنراتور‌ها و ذخیره‌سازی باتری‌ها عمل کند. این فناوری در مرکز یکپارچه سازی و استقرار تحقیقات شبکه وزارت انرژی وتوسعه آزمایش شده است که یک پلت فرم منحصر به فرد برای ساخت سیستم‌های الکترونیک پر قدرت ارائه می‌دهد که باچک کوچکترین اجزا شروع می‌شود سپس سیستم‌های کامل را آزمایش و نشان می‌دهد که هم سخت افزار و هم شبیه سازی را در بر می‌گیرد.

در آزمایشگاه ولتاژ پایین، ردیف‌هایی از ظروف فلزی مبدل‌های الکترونیکی پر قدرت توسعه‌یافته (ORNL) را در خود جای داده‌اند که سیم‌های دنباله‌ای آن ضخیم‌تر از مچ دست هستند و به شاخه‌هایی به عرض یک صفحه ختم می‌شوند. این مبدل‌ها بر اساس سناریو‌های مختلف، سطوح مختلفی از توان را به تغذیه الکتریکی ارائه می‌کنند. آن‌ها با شبیه ساز‌های پر قدرت و بزرگ جفت می‌شوند و می‌توانند انرژی تحویل شده توسط یک صفحه خورشیدی یا یک سیستم باتری را دریافت کنند. صفحه نمایش‌های لمسی عظیم به مهندسان اجازه می‌دهد تا سیستم را مرتب کنند و عملکرد آن‌ها را تغییر دهند. مهندسان (ORNL) هاب الکترونیکی پر قدرتی را برای کنترل نحوه تعامل مبدل‌ها با یکدیگر و شبکه طراحی کردند. شبیه‌ساز‌ها برای کشیدن بار الکتریکی از یک سلول خورشیدی، یک باتری ذخیره‌سازی، یک ژنراتور اضطراری و یک مرکز داده حیاتی با تقاضای الکتریکی بالا تشکیل شده‌اند. هاب الکترونیک پر قدرت طوری برنامه ریزی شده که به طور مستقل جریان برق همه این بار‌های الکتریکی را مدیریت کند و از نوسانات عرضه و تقاضا در شبکه گسترده‌تر برق جلوگیری کند.

هاب الکترونیک پر قدرت نقش یک مدیر میانی را بین شبکه برق بزرگتر و شبکه محلی ایفا می‌کند. مایکل استارک معمار اصلی این نرم‌افزار می‌گوید: به‌جای اینکه این ابزار با مثلاً یک میلیون منبع اتصال پیدا کند همان بار را ۱۰ برابر می‌کند. از نقطه نظر یک شرکت تمامی تجهیزاتی که توسط هاب الکترونیک پر قدرت مدیریت می‌شوند به عنوان یک سیستم واحد عمل می‌کنند.

این یک مزیت برای شرکت‌های برق است که با به خدمت گرفتن انرژی‌های پراکنده و متناوب مانند انرژی خورشیدی، باد، زمین گرمایی و دیگر منابع تجدیدپذیر در یک شبکه متمرکز استفاده کنند. استارک گفت که مفاهیم مشابهی توسط برخی ابزار‌ها آزمایش شده‌اند، اما از آنجایی که (ORNL) مبدل‌های الکترونیکی پر قدرت و بسیاری از اجزای آن را ساخته است، فناوری به دست آمده آشکارا در دسترس است و می‌تواند برای دستیابی به اهداف خاص هم سفارشی شود.

برای مثال، آزمایش‌ها نشان داده است که هاب الکترونیک پر قدرت می‌تواند بیشترین صرفه‌جویی در هزینه را برای سیستم‌های تحت مالکیت مشتری یا ارائه یک منبع تغذیه ثابت برای سیستم‌های شهری را در اولویت داشته باشد. محققان (ORNL) نشان دادند که این اهداف می‌توانند مستقیماً در سخت افزار و نرم افزار ادغام شوند آن‌ها همچنین زیرساخت‌های ارتباطی، کنترلی و پشتیبانی را نیز توسعه داده اند. چینتاوالی گفت: این کار با سیستم‌های پیش‌آزمایی و پیش‌اتوماتیکی شروع می‌شود که می‌توانند به‌راحتی بزرگ‌تر شوند و به سرعت مستقر شوند.

ما در تلاش هستیم تا سیستم‌ها را استاندارد کنیم تا قابلیت همکاری داشته باشند. حرکت فراتر از مدل سازی در سخت افزار سیمی نقطه عطفی بود که تنها به دلیل قابلیت‌های (ORNL) امکان پذیر بود. چینتاوالی گفت: این تنها جایی است که می‌توانیم نرم‌افزار و سخت‌افزار را برای آماده‌سازی کامل برای استقرار این فناوری در صنعت توسعه دهیم. این فناوری می‌تواند توسط سازنده یا مالک ساختمان برای صرفه جویی در هزینه و انرژی استفاده شود یا می‌تواند توسط یک ابزار برای کنترل توان مصرفی نصب شود. این تیم در حال حرکت به مرحله بعدی در تحقیق است جایگزینی مبدل‌های تجاری با توان بالاتر که مستقیماً از صنایع محافظت می‌کنند. این نشان می‌دهد که هاب الکترونیک پر قدرت می‌تواند چندین مگاوات برق مورد استفاده توسط شرکت‌های برق را با استفاده از قطعات تامین‌کنندگان تجاری مدیریت کند.

تیم (ORNL) که مرکز الکترونیک پر قدرت را توسعه داده است شامل: استیون کمپبل معمار اصلی یکپارچه سازی سیستم ها، بن دین توسعه دهنده رابط ارتباطی، جاناتان هارتر متخصص سیستم‌های سخت افزاری و رافال وژدا متخصص سیستم‌های مغناطیسی است. استارک گفت: ما اکنون در حال کار بر روی چگونگی گسترش این هاب‌های الکترونیک پر قدرت از مقیاس کوچک به هزاران دستگاهی هستیم که با هم کار می‌کنند تا انرژی مورد نیاز را در انواع زوایای مختلف و منابع مختلف تحویل دهیم. ما در تلاش هستیم تا نشان دهیم که هاب الکترونیک پر قدرت می‌تواند تقریباً مانند یک باتری عمل کند و برق را تحت کنترل ما داخل و خارج کند. این انواع انعطاف پذیری را برای شبکه برق فراهم می‌کند که قبلاً وجود نداشت.

هاب الکترونیک پر قدرت نمونه‌ای از انواع فناوری‌های توسعه یافته است که می‌تواند با کنسرسیومی از شرکای بالقوه کامل شود. (ORNL) یک جلسه نیز با ذینفعان صنعت، تاسیسات و موسسات تحقیقاتی برگزار کرد تا در مورد چالش‌ها و استراتژی‌های الکترونیک پر قدرت بحث کند. در این جلسه شرکت کنندگان در مورد چارچوب احتمالی یک سازمان برای تسریع توسعه و استقرار سیستم‌های الکترونیک پر قدرت برای مدیریت شبکه برق در آینده بحث کردند.