Energy router

Oblast techniky

Zařízení pro výrobce elektrické energie z tzv. obnovitelných zdrojů
pomocí fotovoltaické, vodní nebo větrné elektrárny (dále v textu již jen označení alternativní elektrárna). Směrováním vyrobené elektrické energie omezuje vliv kolísání okamžitého množství vyrobené energie a snižuje tak dynamické zatížení elektrické přenosové soustavy.

Dosavadní stav techniky

Stoupající znečištění životního prostředí spolu s vytěžováním zdrojů fosilních paliv vyvolaly nutnost hledání jiných zdrojů energie. Na základě mezinárodních smluv vzniklo na národních úrovních legislativně příznivé prostředí s výraznou ekonomickou podporou obnovitelných zdrojů, zejména pokud jde o přímou výrobu elektrické energie ze slunečního záření. To spolu s klesající cenou výroby fotovoltaických panelů způsobilo prudký rozvoj výroby energie z fotovoltaických elektráren, jejíž procento dosáhlo nezanedbatelného podílu na celkovém množství vyrobené energie. Dalšímu rozšiřování a zapojování nových fotovoltaických elektráren však začali zabraňovat samotní distributoři elektrické energie s argumentem velkého dynamického přetěžování přenosové soustavy. Výkon fotovoltaické elektrárny je totiž přímo úměrný intenzitě dopadajícího slunečního záření. Je jasné, že tato intenzita během roku, dne, i během jedné hodiny značně kolísá. Léto a zima, východ a západ slunce, mlha, mraky, déšť, pokrytí prachem, listím, sněhem – to vše má velký vliv na aktuální množství vyrobené energie. Podobně i výkon vodních a větrných elektráren silně závisí na aktuálních přírodních podmínkách. Pokud se elektrická energie nestačí spotřebovat v místě výroby, odtéká do distribuční soustavy, kde se sčítá s přebytky jiných výrobců v dané oblasti. Právě proto, že tito výrobci jsou v jedné oblasti, mají i podobné meteorologické podmínky, tedy i křivky odevzdávaných výkonových přebytků v závislosti na čase jsou velmi podobné. Nedochází tedy k rozptýlení přebytků výkonu, ale naopak k synchronizovaným výkonovým přetěžováním distribuční soustavy. Z uvedeného je zřejmé, že by v případě malých a středních výrobců bylo lépe, kdyby do elektrorozvodné sítě žádné přebytky neodcházely. Ostatně i zmíněný dotační program je nastaven tak, že finančně motivuje tyto malé výrobce elektrické energie ke spotřebování vyrobené energie v místě výroby, místo toho, aby přebytky dodávali do sítě. Cílem  technického řešení je navrhnout zařízení, které eliminuje popsaný problém a zajistí spotřebu vyrobené energie přímo u výrobce.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení je dosaženo zařízením, které porovnává okamžité množství vyrobené elektrické energie v alternativní elektrárně s množstvím energie spotřebované, a to podle potřeby buď v jedné, dvou nebo všech třech fázích. Zjistí-li v jedné každé fázi, že výroba převyšuje spotřebu, zařízení automaticky odkloní část nebo všechnu energii, vyrobenou v alternativní elektrárně, do spotřebiče (spotřebičů), které to svou povahou umožňují – viz dále. Odklonění se realizuje na základě následujících principů: Energy router CPU, Energy router PWM, Energy router COMBO

schéma fungování

Funkce zařízení je zřejmá z blokového schéma, kde je pro přehlednost zakresleno pouze propojení jednotlivých dílčích zařízení, které může být buď jedno, dvou nebo třífázové. Vnější elektrorozvodná síť - vztahová značka (7) - je připojena přes blok měření výkonu a směru jeho toku (2). Výstup bloku měření je připojen do společného bodu – hlavního rozvaděče (6), kam je zároveň připojen výstup alternativní elektrárny (1), všechny běžné spotřebiče v domácnosti nebo firmě (4), vstup proporcionálního regulátoru (3), jehož výstup zásobuje energií tzv. spotřebiče vyvážení (5), což jsou např. tepelně-akumulační spotřebiče nebo akumulátory  (elektromobilu), a konečně inteligentní stykač (7), který podle uživatelsky zvoleného programu spíná a vypíná specifické spotřebiče (8). Vyrábí-li alternativní elektrárna (1) v dané fázi a daném okamžiku méně energie, než se jí aktuálně spotřebovává v běžných spotřebičích (4), regulátor výkonu (3) a inteligentní stykač (7) jsou uzavřeny a do spotřebičů vyvážení (5,8) neteče žádná energie. Převáží-li výroba v dané fázi nad spotřebou, blok měření výkonu a směru jeho toku (2) zjistí tendenci odtékání výkonu do elektrorozvodné soustavy a zaktivuje proporcionální regulátor (3), kterým odteče přebytečná část energie do spotřebiče(ů) vyvážení (5) *) místo toho, aby tato energie odtékala do rozvodné soustavy mimo odběrné místo, a/nebo dojde k sepnutí stykače (7) a spuštění pracovního cyklu jím ovládaných spotřebičů. Jak již bylo řečeno, k vypnutí těchto spotřebičů dojde při dosažení předem nastavených podmínek, tedy poklesu množství energie vyrobené v alternativní elektrárně pod určitou mez a až po skončení pracovního cyklu řízených spotřebičů.

*) Smyčka zpětné vazby neustále udržuje rovnováhu mezi výkonem vyrobeným v alternativní elektrárně (1) a sumou výkonů spotřebovaných v běžných elektrických spotřebičích (4) a v spotřebičích vyvážení (5) tak, aby výkon odtékající do přenosové soustavy byl nulový nebo téměř nulový. Výsledkem činnosti zařízení je stabilní a pouze pasivní odběr – nedochází tedy k nežádoucímu zatěžování přenosové soustavy přerušovaným a kolísavým tokem přebytku vyrobené elektrické energie - výhoda pro společnost provozující distribuční soustavu. Výhodou pro majitele elektrárny je to, jak již bylo napsáno, že dotační systém většiny států Evropy je nastaven právě tak, že finančně motivuje malé a střední výrobce elektrické energie ke spotřebě vyrobené energie vlastními spotřebiči v místě výroby – to popisované zařízení při vhodně zvolených vyvažovacích spotřebičích splňuje a zaručuje.