«Умная» энергия делает возможным более эффективное использование электричества

Ажиндер Сингх (Ajinder Singh), Крипа Венкат (Kripa Venkat)

Насколько разумными станут наши дома и здания?
Предположим, вы находитесь в 1000 милях от дома, но есть возможность отслеживать и контролировать каждый ватт электропитания в вашем доме или офисном здании. И эта возможность у вас как на ладони. Что она может дать вам?

Может быть, иногда вам захочется дистанционно переключить термостат или включить свет и запустить кофеварку. Но представьте себе также и то, что вы могли бы принимать решения по потреблению энергии в реальном времени на основании сиюминутного знания нагрузочной способности сети и расценок. Вообразите, что вы обладаете знаниями и властью, позволяющими набивать свой бумажник или увеличивать чистую прибыль компании посредством оптимального потребления энергии и её экономии. У вас под рукой есть инструмент для ежедневного, ежеминутного производства денег — для этого нужен только смартфон.

Несколько лет назад о таких сценариях можно было только мечтать. Сегодня они становятся всё более реалистичными, по мере того как домовладельцы и землевладельцы везде берут под контроль потребление энергии до такой степени, которая никогда раньше не была возможна. Электроэнергия становится всё более «умной» на каждом этапе, начиная с централизованной или локальной выработки и заканчивая её конечным потреблением электрическими устройствами, которыми мы пользуемся у себя дома, на работе и в дороге, в более «умных» домах и зданиях.

Эти успехи в мониторинге, сетевом взаимодействии и управлении (так называемая «умная» энергия) стали возможны благодаря прогрессивной полупроводниковой технологии. Texas Instruments входит в число новаторов в области технологии, преданных делу развития «умной» энергии. Разработчики систем могут полагаться на глубокие знания TI и её многолетнее совершенствование продукции, связанной с энергетикой, сетевыми средствами связи и схемными решениями для управления, чтобы внести дополнительную разумность в выработку, передачу и потребление энергии.

Более разумная выработка электроэнергии

Выработка и передача электроэнергии подвергаются медленной, но непрерывной эволюции с переходом к более разумной и избирательной подаче энергии туда и тогда, где и когда она требуется. В промышленном масштабе провайдеры услуг вкладываются в такие альтернативные источники энергии, как солнечные и ветряные фермы, а также работают над более эффективным использованием центральных электростанций. Силовое оборудование также становится более разумным и всё больше объединяется в сети передачи данных для минимизации потерь при передаче, подключении и преобразовании электроэнергии.

 Умные дома становятся генераторами энергии

Рисунок 1. Умные дома становятся генераторами энергии, чтобы организовать разумное производство, хранение и потребление энергии

Кроме того, подача энергии больше не является задачей одних только поставщиков услуг. Жилые и коммерческие здания также становятся генераторами энергии, имеющими небольшие установки, работающие по ветровой и, в особенности, солнечной технологии. У мелких производителей система «умной» энергетики управляет производством, хранением и использованием электричества, а также позволяет им подавать электричество в сеть в периоды избыточной генерации.

Возможность повышения разумности энергии в зданиях

Использование разумной энергии оказывает всё более благотворное воздействие на нашу домашнюю обстановку и офисные здания. Датчики отдают команды светильникам понизить яркость или включиться и выключиться, а также команды уменьшить или увеличить вентиляцию, в зависимости от присутствия людей в помещении. Энергетические сети могут включать в себя такие элементы, как программное обеспечение, которое анализирует потребление энергии по отдельным зонам, устройствам и применениям. Такие программы помогают определить, нужно ли заменить оборудование потому, что его неэффективная работа делает его дорогостоящим, либо потому, что оно является критически важным и не должно отказать. Энергетическая сеть также необходима, если здание генерирует электричество путём сбора солнечной или ветровой энергии.

Коммерческие землевладельцы, которые вкладывают инвестиции в «умные» энергетические системы, обнаруживают, что их расходы на электричество заметно снижаются, и им зачастую удаётся сэкономить столько, что этого достаточно, чтобы вернуть свои вложения в установку оборудования, — благодаря повышению производительности в результате обеспечения комфортных условий в рабочем пространстве. Кроме того, поскольку энергия нужна везде, имеет смысл расширить концепцию «умной» энергии, чтобы стали возможными «умные» здания. Сети с подключённой аппаратурой, такой как мониторы состояния строительных конструкций, системы безопасности, детекторы дыма и приборы обнаружения движения и присутствия людей, служат для того, чтобы создать хитроумную управляющую «нервную систему» всего здания.

Технологии для повышения разумности энергии

Для совершенствования управления энергией зданий используется ряд различных технологий, не говоря о других формах контроля зданий, которые могут быть с ними тесно связаны. Датчики определяют температуру окружающего воздуха, тепловое излучение тела, уровни освещённости, уровни концентрации двуокиси углерода и массу других условий, таких как наличие вибраций, дыма и опасных химических веществ. Устройства зонального контроля отслеживают данные от различных датчиков и инициируют такие действия, как уменьшение яркости светильников, изменение направления вентиляционных потоков, переключение настроек термостатов и изменение других факторов. В центральных блоках управления работает сложное программное обеспечение, которое анализирует деятельность всей сети, чтобы дать оперативную оценку, сигналы оборудованию, анализ расходов и другие выходные данные.

Все эти системы зависят от проводной или беспроводной связи, и в разных точках используются преобразователи сигналов, микроконтроллеры (МК) и другие логические устройства, запоминающие устройства и различные виды схемных решений сопряжения. Схемы управления электропитанием используются во всех устройствах, и они имеют особенно важное значение для регулирования, преобразования и управления выработкой электричества альтернативными источниками энергии и его хранения в батареях.

Понимание требований к полупроводниковым изделиям

Поскольку «умные» энергетические системы отличаются друг от друга, то же самое касается и требований, предъявляемых к полупроводниковой технологии. Датчики (обычно маленького размера, независимо от действующих систем) могут существовать в большом количестве, иногда в местах, к которым трудно получить доступ. Помимо самого чувствительного элемента, датчику зачастую требуются схемы преобразования сигналов, чтобы превратить входящие аналоговые сигналы в цифровые данные, небольшой объем памяти и логика, коммуникационный интерфейс и передатчик для вывода данных по проводному или беспроводному каналу. Ключевыми требованиями к этим устройствам обычно являются маленький размер, приемлемая стоимость и (поскольку им, возможно, придётся работать от батарейки в течение длительных периодов времени без обслуживания) сверхнизкое потребление энергии. Зональным блокам управления, которые могут быть оборудованы коммутаторами, термостатами и другими схемами, требуются упомянутые выше элементы плюс дополнительные логические схемы управления и память, а также способность принимать и передавать данные для управления и перепрограммирования. В коммерческом здании или доме с современной «умной» энергетической сетью в центральный блок управления поступает информация от нескольких зональных блоков управления. Этот центральный блок может быть связан по сети с Интернетом, региональной электросетью и другими сетями на уровне здания, а также с внешними сетями.

Преодоление трудностей обмена данными по сети

Стандарты обмена данными и установления связи между этими сетями отличаются. Центральные, проводные системы, которые работают с большими объёмами данных для анализа и планирования, используют Интернет-протокол (IP) для большинства форм обмена данными, и в некоторых случаях небольшие устройства могут отсылать и получать IP-пакеты данных по проводным или беспроводным каналам. Однако беспроводные датчики могут использовать и такой протокол, как ZigBee®, который предназначен для минимизации энергопотребления при локальных передачах. Системы беспроводной связи предоставляют существенное преимущество, заключающееся в том, что они требуют небольшого изменения проводной инфраструктуры или совсем его не требуют, обеспечивая экономию расходов на установку и позволяя использовать большее число устройств для более избирательного сбора данных и контроля пространственных зон меньшего размера. Поэтому даже устройства, получающие питание по проводам, могут полагаться на некую форму беспроводной связи или связи по линиям электропитания (PLC) во избежание установки отдельной электропроводки для сети связи.

PLC (связь по линиям электропитания) может также использоваться за пределами зданий, чтобы распространить сетевую телеметрию и сетевое управление на светильники, точки доступа, сигналы тревоги и другие устройства и функции.

Всем сетям, обменивающимся данными с внешними источниками, требуется некая форма обеспечения безопасности для предотвращения случайного или злонамеренного вторжения. Энергетические сети «умного» здания с этой точки зрения ничем не отличаются, и в состав их аппаратного и программного обеспечения нужно включать меры по обеспечению безопасности. В сетях в масштабах города аналогичные технологические проблемы касаются таких устройств, как уличные фонари и инфраструктура дорожного движения, трансформаторы и другие устройства в сети электропитания. «Умные» здания являются примером нововведений в области умной энергии, которые встречаются на всех уровнях частного и общественного применения.

Поиск решений для «умной» энергии

Технология «умной» энергии постоянно совершенствуется и пополняется новыми и прогрессивными методами. Помимо соответствия требованиям компактности, чрезвычайно низкого энергопотребления и меняющихся уровней производительности, предлагаемые решения от производителей микросхем должны быть способны поддерживать гибкие конфигурации, особенно в тех случаях обмена данными, когда используются разнообразные протоколы. Такие функции обработки аналоговых сигналов, как преобразователи данных, также являются ключевыми элементами, поскольку поставляют данные для функций управления, регулировки и контроля. Разработчикам системы нужно рассмотреть преимущества от получения как можно большего числа таких компонентов от одного поставщика ИС, чтобы упростить процессы проектирования и снабжения и обеспечить совместимость различных сложных функций, выполняемых каждым компонентом. Другие возможности, такие как интеграция, могут помочь поддерживать долгосрочные технологические маршруты для последующих поколений продукции, а наличие разнообразных вариантов корпусов обеспечивает гибкость с точки зрения требований по установке на различные типы плат.

Другой решающей технической характеристикой при разработке «умной» энергетики является изоляция, которая защищает схемы от бросков высокого напряжения и сильного тока. Изоляция также поддерживает эксплуатационную надёжность, не позволяя высокочастотным сигналам попадать в низкочастотные схемы, где они могут разрушить данные. По своей природе, в «умных» энергетических системах сочетаются схемы различных типов, что требует надёжных методов изоляции, чтобы они правильно функционировали. Для получения дополнительных сведений об изоляции www.ti.com/lit/wp/sszy018/sszy018.pdf [1].

Решения TI для «умной» энергии

Разработчики, ищущие решения ИС для своих «умных» энергетических систем, признают, что широта и глубина товарных предложений TI отвечает описанным выше требованиям. Как ведущий в отрасли поставщик связанных с энергетикой ИС, TI имеет не только полный ассортимент устройств для управления энергией, но и компетенцию, требуемую для создания инновационных решений для сетей «умной» энергии. Эта компетенция распространяется на такие особенности, как компенсация коэффициента мощности (PFC), которая помогает гарантировать качество подводимой энергии и будет иметь всё большее значение в сложных электросетях будущего. TI хорошо известна благодаря своей микропотребляющей технологии в микроконтроллерах и изделиях для беспроводной связи, прогрессивным решениям для обработки аналоговых сигналов и обширному портфелю устройств для сетевого взаимодействия, интерфейсов связи и коммуникаций.

 Умная энергия позволяет создавать умные здания с энергетическими сетями

Рисунок 2. Умная энергия позволяет создавать умные здания с энергетическими сетями, которые питают различную аппаратуру и оборудование

Кроме того, усовершенствованные производственные процессы корпорации TI для аналоговых устройств, включая нитрид галлия (GaN) для высокоскоростных импульсных источников питания, привели к существенным успехам в области методов изоляции, которые оказались полезными во всех линейках её продукции. Технологии TI постоянно развиваются, а широкий ассортимент предлагаемых изделий создаёт компании хорошее положение для предоставления гибких решений в сфере распространения «умной» энергии на всех уровнях.

«Умная» энергия для более разумного будущего

Задача, которая встанет перед нами в предстоящие годы, заключается в том, чтобы выжать как можно больше полезной производительности из вырабатываемой нами энергии, независимо от того, вырабатывается ли она солнечными панелями на крыше, ветряными мельницами на заднем дворе или гигантскими электростанциями. «Умные» дома и офисные здания могут в значительной мере увеличить эффективность и ответственность использования энергии, экономя деньги и минимизируя воздействие на окружающую среду, в то же время давая потребителям и руководителям коммерческих предприятий больший контроль над инфраструктурой своих зданий.

«Умная» энергия зависит от интеллектуальной технологии, включая датчики, беспроводную связь и беспроводной обмен данными, блоки управления и программное обеспечение, не говоря уже о новаторских решениях, которые собирают все эти кусочки в сеть с усовершенствованными возможностями. TI вносит свой вклад в виде долгой истории совершенствования опыта и поставки продукции в этих областях в решение проблем «умной» энергии, которые стоят перед нами сегодня. Чтобы сделать мир более экологически чистым, TI создаёт технологии, которые улучшают нашу жизнь, делая дома, офисы, заводы и транспортные средства более разумными для будущего.

Литература

  1. Mark Morgan, Giovanni Frattini. «Accelerating automated manufacturing with advanced circuit isolation technology». (SSZY018), June 2015.