Έρευνα στη Διαχείριση Αποδοτικότητας Ενέργειας του Κατοικημένου Βασισμένη σε Κατανεμημένες Φωτοβολταϊκές Σταθμούς και Συστήματα Αποθήκευσης Ενέργειας

1 Σύστημα Φυσικού Σπιτιού Βασισμένο στο ZigBee

Με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας υπολογιστών και της τεχνολογίας ελέγχου πληροφοριών, τα φυσικά σπίτια έχουν εξελιχθεί γρήγορα. Τα φυσικά σπίτια διατηρούν τις παραδοσιακές λειτουργίες κατοικίας, αλλά επιτρέπουν επίσης στους χρήστες να διαχειρίζονται τα οικιακά συστήματα με εύκολο τρόπο. Ακόμη και εκτός του σπιτιού, οι χρήστες μπορούν να παρακολουθούν απομακρυστικά την εσωτερική κατάσταση, βοηθώντας στη διαχείριση της ενεργειακής απόδοσης του σπιτιού και βελτιώνοντας σημαντικά την ποιότητα ζωής.

Σε αυτή τη δημοσίευση σχεδιάζεται ένα σύστημα φυσικού σπιτιού βασισμένο στο ZigBee, το οποίο αποτελείται από τρία συστατικά: οικιακό δίκτυο, οικιακό διακομιστή και κινητή ενότητα. Το σύστημα είναι απλό, αποτελεσματικό και υψηλά επεκτατικό, με το δομικό του σχήμα να απεικονίζεται στο Διάγραμμα 1.

1 Αρχιτεκτονική Φυσικού Σπιτιού Βασισμένη στο ZigBee
1.1 Οικιακό Δίκτυο

Ως κεντρική βάση, το οικιακό δίκτυο συνδέει ελεγχόμενα φορτία ως κόμβους για εσωτερική μεταφορά δεδομένων και πολυ-ενεργειακή διαχείριση. Η επιλογή ασύρματων (ZigBee) λύσεων αντί για συρματικές αυξάνει την ευελιξία, την αξιοπιστία και την επεκτατικότητα. Το ZigBee, που βασίζεται στο IEEE 802.15.4, προσφέρει χαμηλό κόστος, κατανάλωση ενέργειας και πολυπλοκότητα με υψηλή ασφάλεια. Τα φθηνά chips μειώνουν το κόστος των συστηματικών υλικών. Το δίκτυο περιλαμβάνει:

• Συντονιστής: Διαχειρίζεται το δίκτυο ZigBee (CC2530 - βασισμένο, IAR - συντεταγμένο), καλύπτοντας τυπικά σπίτια μέσω τοπολογίας άμεσης σύνδεσης.

• Τερματικοί Κόμβοι: Ενσωματώνονται με μέτρηση/ρελέ (ως έξυπνες τοποθεσίες), συλλέγοντας δεδομένα και εκτελώντας εντολές για κλείσιμο "έλεγχος + παρακολούθηση".

1.2 Οικιακός Διακομιστής

Ο διακομιστής λειτουργεί ως το "κέντρο δεδομένων-ελέγχου" του συστήματος, αντιμετωπίζοντας:

• Κέντρο Δεδομένων: Ανταλλάσσει πληροφορίες μεταξύ ZigBee (μέσω σειριακού θυραματος) και κινητών ενότητων (μέσω Socket).

• Επιτήρηση Λειτουργίας: Παρακολουθεί την κατάσταση των φορτίων, ελέγχει τους τελεστές και αποθηκεύει δεδομένα ηλεκτρικής ενέργειας.

• Εγκέφαλος Ενεργειακής Απόδοσης: Αναλύει δεδομένα φορτίων/φωτοβολταϊκών για βελτιστοποίηση της προγραμματισμού, κλείνοντας την κύκλωμα διαχείρισης ενέργειας.

1.3 Κινητή Ενότητα

Βασισμένη στο Android (Eclipse + Java), η ενότητα επιτρέπει:

• Εμφάνιση Κατάστασης: Πραγματικός χρόνος εμφάνισης πληροφοριών ηλεκτρικής ενέργειας που προωθούνται από τον διακομιστή.

• Απομακρυστικός Έλεγχος: Στέλνει εντολές για έμμεση διαχείριση φορτίων.

• Ευέλικτη Προγραμματισμός: Ορίζει προσωποποιημένες ώρες λειτουργίας (π.χ., για τιμολόγηση βάσει της χρήσης).

2 Σχεδιασμός Διαχείρισης Ενεργειακής Απόδοσης Σπιτιού
2.1 Αρχιτεκτονική & Λογική Συστήματος

Ενσωματώνοντας "φυσικό σπίτι + φωτοβολταϊκά + αποθήκευση ενέργειας", το σύστημα ενσωματώνει στρατηγικές απόδοσης στον διακομιστή, σχηματίζοντας έναν κύκλο "συλλογή → μοντέλο → βελτιστοποίηση":

• Επίπεδο Δεδομένων: Συνδυάζει δεδομένα φορτίων και φωτοβολταϊκών.

• Επίπεδο Μοντέλου: Ισορροπεί τη χρήση φωτοβολταϊκών, αποθήκευσης και φορτίων μέσω βέλτιστων σχεδίων.

• Επίπεδο Ελέγχου: Συντονίζει τις λειτουργίες φωτοβολταϊκών/αποθήκευσης και την προγραμματισμός φορτίων για στόχους "κόστος-απόδοση" (δομή στο Διάγραμμα 2).

2.2 Κύρια Συστατικά & Συνεργασία

Τα βασικά συστατικά (φωτοβολταϊκά πλήθη, μπαταρίες, αντιστροφείς, διακομιστής, φορτία) λειτουργούν ως:

• Φωτοβολταϊκά Πλήθη: MPPT-ενεργοποιημένα μέσω αντιστροφέων, μεταδίδοντας πραγματικό χρόνο εξόδου στον διακομιστή.

• Αποθήκευση Ενέργειας: Συνδεδεμένη με το δίκτυο, φορτίζεται κατά την υπερβολή φωτοβολταϊκής ενέργειας και αποφορτίζεται κατά την έλλειψη (μετρημένη για την αλληλεπίδραση με το δίκτυο).

• Διακομιστής: Συνδέει αντιστροφείς/τοποθεσίες, προσαρμόζοντας τα συστήματα με βάση κανόνες απόδοσης για τη βελτιστοποίηση της ροής ενέργειας.

2.3 Ταξινόμηση & Προγραμματισμός Φορτίων

Τα φορτία χωρίζονται σε τρία είδη για προγραμματισμό βάσει τιμολόγησης βάσει της χρήσης:

• Κρίσιμα Φορτία (π.χ., φωτισμός): Σταθερή ώρα, μη προσαρμόσιμη.

• Προσαρμόσιμα Φορτία (π.χ., κλιματισμός): Μεταβαλλόμενη ζήτηση, προσαρμόσιμη ισχύς.

• Μετακινούμενα Φορτία (π.χ., πλυντήρια): Ευέλικτη ώρα, βασικά για απόδοση.

Ο διακομιστής ελέγχει τα μετακινούμενα φορτία μέσω έξυπνων τοποθεσιών, κοβόμενος τα κορυφαία/πλημμελώνοντας τις κοίλες για μείωση κόστους και σταθεροποίηση του δικτύου.

3 Μαθηματικό Μοντέλο και Στρατηγική Ελέγχου για τη Διαχείριση Ενεργειακής Απόδοσης Σπιτιού
3.1 Μαθηματικό Μοντέλο για τη Διαχείριση Ενεργειακής Απόδοσης Σπιτιού

Για την επίτευξη ακριβούς διαχείρισης ενεργειακής απόδοσης σπιτιού, πρέπει να δημιουργηθεί ένα μαθηματικό μοντέλο για το συνολικό κόστος ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η δημοσίευση χρησιμοποιεί έναν "ημερήσιο" κύκλο ελέγχου, διαιρώντας 24 ώρες σε n ίσα χρονικά διαστήματα. Με τη διακριτοποίηση συνεχών προβλημάτων (όταν n είναι αρκετά μεγάλο, κάθε διάστημα πλησιάζει ένα "μικροστοιχείο" και οι μεταβλητές μπορούν να θεωρηθούν σταθερές εντός του διαστήματος). Στο t-ο διάστημα, με βάση τη δυναμική ισορροπία "ηλεκτρικής ισχύος οικιακών φορτίων, ηλεκτρικής ισχύος φωτοβολταϊκών, ισχύος φόρτισης/απόφορτισης μπαταριών και ισχύος αλληλεπίδρασης με το δίκτυο", η ισορροπία ισχύος του συστήματος προκύπτει ως:

Εντός του t-ου χρονικού διαστήματος, οι μεταβλητές ισχύος ορίζονται ως εξής:

• P_G^t: Ισχύς αλληλεπίδρασης με το δίκτυο (θετική για απορρόφηση, αρνητική για ενσωμάτωση);

• P_A^t: Συνολική ηλεκτρική ισχύς οικιακών φορτίων;

• P_b^t: Ισχύς φόρτισης/απόφορτισης μπαταριών (θετική για απόφορτιση, αρνητική για φόρτιση);

• P_PV^t: Ισχύς παραγωγής φωτοβολταϊκών (PV) (επηρεαζόμενη από την ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία, υγρασία κλπ., και προβλέψιμη μέσω μοντέλων πρόβλεψης PV).

Το οικιακό σύστημα φωτοβολταϊκών λειτουργεί υπό το μοντέλο "αυτοκατανάλωση + εξαγωγή υπερβολής στο δίκτυο", όπου η υπερβολή ηλεκτρικής ενέργειας παράγει εσόδα από την εξαγωγή στο δίκτυο και η παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας επιδοτείται. Λαμβάνοντας υπόψη την τιμολόγηση βάσει της χρήσης (υψηλότερες τιμές κατά την κορυφή, χαμηλότερες τιμές κατά την κοίλη), το συνολικό κόστος ηλεκτρικής ενέργειας υπολογίζεται ως: Total Cost = Grid Purchase Cost - Grid-Feeding Revenue - PV Subsidies

Για έναν ημερήσιο κύκλο διαιρούμενο σε n διαστήματα, το μοντέλο συνολικού κόστους μπορεί να διασπαστεί περαιτέρω στο άθροισμα των κοστών κάθε διαστήματος, προσαρμοζόμενο ακριβώς σε δυναμικά σενάρια τιμολόγησης.

Στην τύπωση: C αντιπροσωπεύει το συνολικό ημερήσιο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας του σπιτιού; f_PV είναι η μονάδα τιμής της επιδότησης παραγωγής φωτοβολταϊκής ενέργειας; 24/n είναι η διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος. Η έκφραση για \(f^t\) στην Τύπωση (2) είναι

Στην τύπωση: \(f_{\text{C}}^t\) είναι η τιμή ηλεκτρικής ενέργειας για τον χρήστη κατά το t-ο διάστημα, η οποία χωρίζεται σε τιμή κατά την κορυφή και τιμή κατά την κοίλη σύμφωνα με διαφορετικά διαστήματα; \(f_{\text{R}}\) είναι η τιμή ηλεκτρικής ενέργειας για την εξαγωγή υπερβολής στο δίκτυο. Οι τιμές των \(f