Βέλτιστος σχεδιασμός και διαχείριση ενέργειας οικιακού μικροδικτύου με ανανεώσιμες πηγές και σύστημα αποθήκευσης
Authors: Τσιούμας Ευάγγελος 
Published: April 2022

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία σχεδιασμού και διαχείρισης ενέργειας των συσκευών και των υποσυστημάτων που συνθέτουν ένα οικιακό μικροδίκτυο οικιακής εγκατάστασης. Η προτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει αφενός τη βέλτιστη διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν οι συσκευές και παράγεται από τις τοπικές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και αφετέρου τη βέλτιστη επιλογή του απαιτούμενου εξοπλισμού ΑΠΕ και συστήματος αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) μπαταριών. Επομένως, αποτελείται από δύο ανεξάρτητα και συμπληρωματικά στοιχεία βελτιστοποίησης που έχουν κοινό στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του κτιρίου σχεδόν μηδενικής ενέργειας (nZEB). Το πρώτο στοιχείο της προτεινόμενης μεθοδολογίας περιλαμβάνει τη στρατηγική ελέγχου της λειτουργίας των ηλεκτρικών συσκευών του μικροδικτύου του nZEB και του υποσυστήματος θέρμανσης και ψύξης εσωτερικών χώρων, τη διαχείριση της ενέργειας που παράγεται από τις οικιακές ΑΠΕ και τη ρύθμιση της ροής ενέργειας από/προς το ΣΑΕ. Βασικοί στόχοι είναι αφενός η μείωση της ηλεκτρικής ενέργειας που απορροφάται από το δίκτυο και η μείωση του ενεργειακού κόστους και αφετέρου η προστασία της άνεσης των κατοίκων διατηρώντας την σε επιθυμητό επίπεδο. Η αποτελεσματικότητα και η λειτουργικότητα της προτεινόμενης μεθόδου διαχείρισης ενέργειας έχουν επαληθευτεί μέσω των συστημάτων Processor-in-the-Loop (PiL) και Hardware-in-the-Loop (HiL). Από τα πειραματικά αποτελέσματα PiL και HiL της λειτουργίας του κτιριακού μικροδικτύου χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη στρατηγική ελέγχου, επικυρώθηκε ότι επιτυγχάνεται σημαντική μείωση της ενέργειας που ανταλλάσσεται με το κύριο δίκτυο καθώς και μείωση του ενεργειακού κόστους στο κτίριο. Έχουν εξεταστεί διάφορα σενάρια λειτουργίας και παρουσιάζονται αρκετά πειραματικά αποτελέσματα. Το δεύτερο στοιχείο αναφέρεται στη μεθοδολογία για τη βέλτιστη διαστασιολόγηση της ονομαστικής ισχύος και ενέργειας των ΑΠΕ (φωτοβολταϊκά και μικρές ανεμογεννήτριες), και τη βέλτιστη ενεργειακή χωρητικότητα, μέγιστη/ελάχιστη κατάσταση φόρτισης (SoC) και ρυθμό/βάθος φόρτισης/εκφόρτιση του ΣΑΕ. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στην ανάλυση της κατανάλωσης και παραγωγής ενέργειας στο οικιακό μικροδίκτυο, λαμβάνοντας υπόψη τη λειτουργία του συστήματος διαχείρισης ενέργειας και τις σημαντικότερες παραμέτρους που ενδέχεται να επηρεάσουν την απόδοση του nZEB. Η λειτουργικότητα και η αποτελεσματικότητα της μεθόδου έχει επικυρωθεί μέσω ενός μοντέλου προσομοίωσης που αναπτύχθηκε στο MATLAB-Simulink. Εξετάστηκαν διάφορα σενάρια λειτουργίας, τα οποία επαληθεύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να δώσει τη βέλτιστη λύση για τον απαιτούμενο εξοπλισμό nZEB λαμβάνοντας υπόψη τόσο την τεχνολογική όσο και την οικονομική πτυχή του προβλήματος. Συγκεκριμένα, έχει επικυρωθεί ότι η προτεινόμενη μέθοδος δίνει την καλύτερη επιλογή κτιριακού εξοπλισμού βρίσκοντας τη βέλτιστη ισορροπία μεταξύ των προτιμήσεων του χρήστη για το χαμηλότερο αρχικό κόστος επένδυσης και της βέλτιστης απόδοσης και λειτουργίας του μικροδικτύου nZEB. Συμπερασματικά, ο στόχος της διδακτορικής διατριβής για τη βελτίωση του σχεδιασμού και της απόδοσης ενός nZEB έχει επιτευχθεί μέσα από δύο παράλληλες και αλληλένδετες ερευνητικές κατευθύνσεις. Οι δύο μεθοδολογίες αποτελούν μια ολοκληρωμένη στρατηγική βελτιστοποίησης κτιρίων κατοικιών που έχει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά πρακτικότητας, εύκολης υλοποίησης και λειτουργικότητας.