Redes elétricas colaborativas levam a novos níveis a utilização de energia (ART4634)

A inteligência distribuída que tem sido a característica definidora do Smart Grid pode fazer mais do que habilitar casas inteligentes e ajudar as concessionárias a distribuir energia com mais eficiência. Essas duas vantagens bem conhecidas serão aprimoradas por duas mudanças revolucionárias no limite da rede elétrica. Por Jack Shandle,



A primeira mudança é que as grandes estações geradoras de combustível fóssil que os serviços públicos usam para levar energia para a rede serão desafiadas por redes menores de geração de energia - principalmente solar inicialmente - que alavancam a troca colaborativa de energia.

É provável que o centro dessas redes colaborativas sejam agregadores de energia solar, como Sunrun Corp., Solar City e a apropriadamente chamada SunEdison - três das maiores empresas envolvidas na instalação, financiamento e leasing de energia solar residencial. Líderes em tecnologia de medidores inteligentes, como a Itron Corp., também serão participantes importantes.

Agregar energia solar requer inteligência em todos os níveis, incluindo medidores inteligentes, mas também deve incluir inversores solares "aumentando o jogo" para que possam ajudar na tarefa crítica de estimar quanta energia pode ser gerada em um determinado momento e o que fazer com isso.

A segunda mudança será para acomodar - e explorar - o surgimento de veículos elétricos. À medida que mais carros elétricos ficam online, uma consequência natural será mais estações de carregamento de 240 V nas residências, o que mudará radicalmente o perfil de carga do consumidor residencial médio. Carregar veículos elétricos também pode sobrecarregar a capacidade dos sistemas de distribuição de energia existentes. Sob as circunstâncias certas, no entanto, baterias de automóveis também podem ser usadas como um recurso de energia local. Os adaptadores de veículo para casa podem ser projetados para descarregar sua energia para alimentar uma casa durante uma queda de energia.

 

Redes Colaborativas

A essência da rede colaborativa é que as casas inteligentes se comunicam entre si para criar uma comunidade - ao contrário de cada casa inteligente se comunicar de forma independente com o serviço público. Agregadores solares e outros fornecedores de energia local gerenciam os recursos energéticos da comunidade.

Potencialmente, qualquer entidade local com capacidade interna de produção de energia - um parque comercial ou empresarial, fábrica, universidade ou hospital poderia participar. As informações serão transmitidas não apenas pela rede elétrica da concessionária, mas também por meio das mídias sociais e, o que é mais importante, da Internet das Coisas (IoT).

Esse cenário abre uma ampla gama de oportunidades de design eletrônico, que incluem monitoramento de energia em um nível mais granular e - na outra extremidade do modelo de negócios - lidar com os aspectos financeiros e comerciais da troca de energia em pequena escala.

É importante para o consumidor e o produtor de energia medir e compreender o fluxo bidirecional de energia e informações. As transações financeiras, como obter vantagens de créditos e incentivos para geração de energia limpa, modificação de comportamento e reduções de emissão de carbono, dependerão fortemente de medições e colaboração entre vários interessados.

Em uma rede colaborativa, as concessionárias seriam capazes de identificar clientes com painéis solares e quais desses clientes também se qualificariam como uma "casa inteligente". Por sua vez, os consumidores saberiam mais sobre os incentivos que a concessionária pode estar oferecendo e como eles podem se beneficiar com o uso de software de automação residencial. No nível local, as empresas de serviços de energia seriam mais capazes de controlar a geração de forma agregada para que pudessem participar proativamente nos mercados de energia para serviços de estabilidade da rede. As economias de custo derivadas da colaboração poderiam ser repassadas aos consumidores em um financiamento mais atraente para a instalação de painéis solares.

 

Figura 1: Os painéis solares fornecem a energia de nível básico para redes colaborativas. (Fonte: iStockPhoto.com)
Figura 1: Os painéis solares fornecem a energia de nível básico para redes colaborativas. (Fonte: iStockPhoto.com)

 

 

Gestão Cooperativa de Energia

Medições altamente precisas de fluxo de energia bidirecional e monitoramento de tensão serão necessárias para equipamentos de produção de energia, como inversores solares e armazenamento de bateria / energia, porque agora eles estarão diretamente envolvidos nas transações de mercado. Os sensores e processadores nesses produtos devem oferecer alta qualidade, mas ainda assim ser relativamente baratos.

Por outro lado, o papel desempenhado por equipamentos como interruptores de controle de carga, termostatos, bombas, aquecedores de água e aparelhos inteligentes será o de ajudar os colaboradores a entender o comportamento cíclico de seus equipamentos e fornecer estimativas de consumo de energia ao longo do tempo, como com Sistemas HVAC. Esses produtos podem funcionar com sucesso com sensores que não requerem medição de grau de receita.

Embora as redes de energia colaborativas estejam apenas começando, as empresas de semicondutores já desenvolveram estratégias, ecossistemas e portfólios de produtos que tornam o projeto de redes colaborativas mais fácil. Na maioria das vezes, os chips projetados para a versão tradicional de Smart Grid e casa inteligente funcionarão tão bem em redes colaborativas.

Os painéis solares são o eixo das redes colaborativas porque fornecem o produto básico: energia. A conversão fotovoltaica percorreu um longo caminho na última década, mas usá-la como fonte de energia primária para uma comunidade torna a confiabilidade e a previsibilidade essenciais. A eficiência da energia solar depende de muitas variáveis, incluindo a quantidade de luz solar disponível para a conversão, a temperatura dos painéis solares e sua eficiência máxima teórica. Para os engenheiros de projeto, outro problema é o fato de as células fotovoltaicas produzirem tensões que variam erraticamente em torno de meio volt. Isso tem muitas implicações, como escolher uma topologia de conversão de energia. É possível, por exemplo, que uma tecnologia de conversão de energia mal implementada consuma uma alta porcentagem da energia fotovoltaica captada.

Para acomodar o fato inconveniente de que o sol não brilha 24 horas por dia, as baterias são necessárias para fornecer energia quando os painéis não estão produzindo energia suficiente. Adicionar baterias ao sistema torna os circuitos de conversão DC-DC necessários. Os circuitos de gerenciamento e monitoramento da bateria também são necessários para que as baterias possam ser carregadas com eficiência.

Em ambas as redes de distribuição de energia colaborativa e tradicional, os sistemas solares fazem interface com a rede elétrica, o que requer sincronização de fase e correção do fator de potência. Existem também vários cenários de uso que requerem controle sofisticado. Por exemplo, a projeção de falhas deve ser incorporada para proteger contra eventos como quedas de energia e blecautes.

 

Microinversores

Normalmente, os painéis solares instalados em um ambiente residencial têm um único inversor de potência, que basicamente lida com a conversão de energia CC não regulada de todos os painéis solares do sistema em energia CA de alta qualidade que pode ser usada pelo consumidor. A desvantagem de uma topologia de conversão de energia com um único inversor é significativa.

O mais impressionante é a questão da confiabilidade: se o inversor apresentar mau funcionamento, a energia gerada por todos os painéis será perdida até que o inversor seja consertado ou substituído. Topologias de inversor único também são limitadas em eficiência porque cada painel tem características operacionais diferentes que são "calculadas" durante a conversão.

Os problemas de topologias de inversor único podem ser resolvidos usando um microinversor para cada painel solar individual. Em muitas aplicações, o uso da topologia de microinversor pode melhorar significativamente a eficiência geral do sistema. A energia continua a ser convertida mesmo se um microinversor apresentar mau funcionamento. Por outro lado, as topologias de microinversor requerem um MCU dedicado e outros componentes para cada painel solar. MCUs adicionais podem ser adicionados para melhorar o monitoramento e para a metrologia.

Outro benefício importante é a capacidade de ajustar os parâmetros de conversão em cada painel para acomodar a quantidade de luz solar, sombra, chuva e outras variáveis. Para realizar essa tarefa, os microinversores normalmente executam algoritmos sofisticados conhecidos como algoritmos de transição de ponto de potência máxima (MPPT). Este requisito de computação pode adicionar outro recurso ao MCU: um núcleo DSP. No nível do painel, um aumento de 30% na eficiência é facilmente obtido.

Obviamente, as redes colaborativas exigem comunicação entre os painéis para manter as cargas em equilíbrio e permitir o planejamento antecipado de quanta energia estará disponível e o que fazer com ela. Como cada subsistema fará parte da IoT, o primeiro requisito de comunicação é o uso de protocolos de Internet.

Para simplificar a interface com outros microinversores, o MCU também deve integrar periféricos de comunicação no chip, como CAN, SPI e UARTs. O suporte a protocolos de comunicação de linha de energia é outra opção importante porque eliminaria alguns dos fios dedicados à comunicação. Mas isso requer um recurso de PWM de alto desempenho para ser integrado ao MCU.

As empresas de semicondutores têm portfólios de produtos abrangentes para projetos de microinversores. A Freescale recomenda seus controladores de sinal digital MC56F84xxx e seus microcontroladores Kinetis KV3x. A Texas Instruments oferece um kit de desenvolvimento de microinversor solar C2000 baseado no microcontrolador Piccolo TMS320F28035 da empresa. A Microchip Technology oferece ferramentas de design e desenvolvimento de referência para o desenvolvimento de microinversores.

 

Casa mais inteligente, rede mais inteligente

Redes de energia colaborativas baseadas no compartilhamento de geração solar com uma rede elétrica tradicional para suporte compartilham muitas características da Rede Inteligente. Dispositivos habilitados para Internet e outros produtos tão pequenos quanto lâmpadas alimentam suas informações em uma rede doméstica (HAN) usando ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi ou algum outro protocolo sem fio. Um gateway transporta as informações agregadas por meio de um medidor inteligente e para o agregador solar, que agora ocupou o lugar - pelo menos em parte - do serviço público.

 

Figura 2: Diagrama de blocos de um medidor inteligente típico. (Fonte: Mouser Electronics)
Figura 2: Diagrama de blocos de um medidor inteligente típico. (Fonte: Mouser Electronics)

 

Os aplicativos de energia avançados aproveitam esses dados em eventos acionáveis. Os dados de medição são armazenados em uma variedade de formatos de dados para que possam ser usados ??por várias interfaces de comunicação. Para o consumidor, aplicativos para download estão sendo desenvolvidos para extrair valor dos dados de medição locais. O cálculo do consumo de linha de base localmente em um dispositivo fornece aos consumidores e concessionárias indicações de uso típico e a chance de reduzir a carga durante eventos de resposta de demanda. Da mesma forma, o código de cálculo da taxa pode estimar o custo de carregamento da bateria - incluindo veículos elétricos - ou para conservação de energia. Tudo isso ajuda os consumidores a selecionar a melhor opção de tarifa de acordo com seu comportamento de consumo de energia.

Em resumo, as redes de energia colaborativas que combinam a utilização, geração e armazenamento de energia pelos consumidores finais são uma nova versão do Smart Grid. Redes colaborativas requerem medições e comunicações precisas, no entanto, o que significa que a inteligência e o controle devem ser estendidos a várias partes para criar valor mútuo.

 

 

Jack Shandle
Jack Shandle

Um ex-editor-chefe de duas publicações importantes para engenheiros eletrônicos e um escritor freelance de sucesso especializado em comunicações, semicondutores, wireless e EDA, Jack Shandle acumulou mais de 25 anos escrevendo, editando e gerenciando sites para empresas de tecnologia. Engenheiro eletricista graduado, Jack vive e trabalha em San Francisco.

 


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