智慧工廠的電力儲存與供應再升級

圖2 : 能源供需、儲存和擷取模式。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)
圖2 : 能源供需、儲存和擷取模式。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)

[作者 盧傑瑞]

透過採用智慧電表,不僅可以跟?其配電點的能源使用情況,而且可以跟?整個智慧工廠的各個能耗點。透明的能量流和數據,顯然是探索能源效率優化的潛力關鍵,如果將這些流程也整合到基於雲端的物聯網系統中,就可以產生有價值的知識,並將其應用在整個工廠效率和業務運營。

根據市場的研究,預計至2025年全球電池儲能將達到110.4億美元,市場增長近50億美元。由於對氣候變化的擔憂、燃料進口價格的波動、全球電力行業的轉型加劇競爭、成本下降,以及不斷被調整因應產業變化的政策,推動了可再生能源的市場擴大。此外,交通運輸和建築等其他產業,以及減碳的壓力也推動了儲能技術的使用,以發展具有彈性和可持續性的電力網絡。

圖1 : 各產業對於儲能的應用與特性需求
圖1 : 各產業對於儲能的應用與特性需求

工業製造產業是一個特殊的電力消費者,大多數工廠都有大量消耗能源的機器、系統和設備,例如車床、生產線、輸送機、電機、HVAC單元、鍋爐、用發電機和照明設備等等。根據世界能源組織的報告,在2019年工業製造產業對於電力消耗占了全世界的41.96%。在這樣的產業特殊結構下,物聯網(IoT)對於能源管理的應用,也就被賦予相當高的期待性。

物聯網將是智慧儲能和供應的管理者

雖然有了適當的智慧網路技術之後,就不再需要像傳統能源管理系統那樣,以預定的時間重複記錄能源使用,來達到原始等級的資料數據後,再透過資料庫程式的分析,獲得經驗及報告。儘管常規系統有助於提供能耗的狀況,但它們對減少能耗、預測峰值模式,或建議可以提高效率的措施幾乎無濟於事。相反,智慧監控意味著可以即時進行分析,從而幫助能源效率的優化。

此外,再進一步透過採用智慧電表,不僅可以跟?其配電點的能源使用情況,而且可以跟?整個智慧工廠的各個能耗點。透明的能量流和數據,顯然是探索能源效率優化的潛力關鍵,如果將這些流程也整合到基於雲端的物聯網系統中,就可以產生有價值的知識,並將其應用在整個工廠效率和業務運營。

就技術層次而言,物聯網是可以擔任一個智慧產業網路的管理者。整體結構上,除了通訊和系統設備外,還包含了感測設備和執行單元,這對於工業產線來說,可以進行即時監控,甚至可以深入到對能源消耗的觀察。而透過感測設備,不僅提高了電網的可靠性,而且還降低了工業設施的能源成本。

因此整體能源消耗管理系統中,感測設備就被定義成作為識別和觀察不同情況下,包括整體工業環境、個人、辦公室、製造設備、機器等運作,都能廣泛地進行監測、通訊和資料處理,透過建立全面性強化的能源的儲存和管理系統。

智慧工業的能源管理主要分為兩種類型,包含了能源管理布建和儲能機制。除了一些先進的研究專案之外,大多的安排如圖2所示。

利用物聯網進行節能智慧化,是一種基於低耗能的能源管理和儲存解決方案。透過能源整合的規劃,可以讓物聯網設備對傳統能源供應,以及獨特再生能源進行高效率的安排,因此環保電廠的本質就是物聯網設備的延伸。這兩種類型的能源儲存結構包括了,接收能源儲存的計畫、能源供應能力、絕對性的能源供應狀況、特定能源的狀況,以及多元化的能源。

基於物聯網的能源管理技術

能源消耗的的管理系統涉及到幾個產業領域,可以在整體架構中提供創造性的監測,已經有相當多的業者投入相關產品開發,如Epi-Sensor、Wi-Lem、Wattsup、SATEC、Change Electric、Energy Metering Innovation LTD、General Electricity、Mitsubishi、Siemens和Schneider等。再透過系統的監測後,需要將數據資料提供給緊急能源管理(EEM)等等軟體應用程式來進行分析,而這方面包括,Resource Kraft,Google,eSight energy,EFT-energy等也積極地投入開發。

最後再透過被授權後的分析程式庫,就可以利用互聯網技術來開發設計出一個整體方案,藉由有線或無線系統來實現的能源監測架構,如圖3所示。利用現有的機制來獲得功耗、功率因數和最大/最小電壓..等幾項參數數值,提供監測和分析能源消耗,以及能源供需異常的警示。而用來監測的智慧電表能源總成,可用於各種監測目標,例如所有發電廠的線路,單相設備。

圖3 : 利用物聯網所建設的能源管理無線網路。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)
圖3 : 利用物聯網所建設的能源管理無線網路。(source:Amam Hossain Bagdadee; Hohai University)

在中間層所收集到的資訊會被傳送到閘道(Gateway),然後與本地PC或互聯網進行通訊。最後如圖3所示,資訊將被送到EEM軟體進行能源架構分析。而主要用於工業資源安排(IRA)中的製造執行架構(MEF)。智慧測量的資料也可以被納入監督控制和資料獲取系統(SCADA)。

供應管理系統必須透過感測器執行器層,了解因能源轉換所產生損耗浪費的問題,例如進行混合能源供應時,控制不同發電架構之間的能源供應模式時,所產生的能源損耗,此外還必須有效的獲得例如熱能、太陽光、固體、振動、電磁波等類型發電時,所獲得臨時能源,再將這些臨時能源高效率的儲存起來,並同步進行監測。

智慧工廠IoT的能源管理應用架構

伴隨著智慧工業的物聯網應用的擴展,使得能源生產的監管技術也在不斷進步,能源管理互聯網(IEM)被認為是一個改變傳統電網,而基於網路的智慧電網,或基於互聯網的能源架構。智慧型網路允許生產、傳輸、分配和利用。在真實的能源管理設備,和虛擬的互聯網部分之間,透過標準的可交互操作的互聯網堆疊,將它們結合起來,形成智慧化管理機制。

加強嚴格的監測、管理和電力結構是IEM的兩個關鍵影響變數。基本上,每個獨立的能源網可以利用資料和電力,建立網路相互連接,獲得協助和優化能源管理。而IEM可以視為強化結構設計、互通性和市場發展上的一個嚴格的監測機制。關於IEM的第二個最關鍵的部分,即增加可靠性、安全性、成本、實施、多功能性、相似性和適應性的能源管理框架,基於供應方、需求方和供需雙方的一般能源平衡考量。

如圖4所示。智慧工廠透過物聯網的技術結構,來進行能源背景分析,從供應方、需求方和需求-供應平衡的角度出發,以發電廠、智慧型網路、虛擬化、程式設計、先進的計量基礎設施、需求反應等,作為理性管理系統的特色,而非一味追求高效率和能源保護等。

圖4 : 透過物聯網的技術結構來滿足智慧工廠的穩定電力供應。(source: ResearchGate GmbH)
圖4 : 透過物聯網的技術結構來滿足智慧工廠的穩定電力供應。(source: ResearchGate GmbH)

目前智慧工廠在能源供應方面,最主要的問題大多是來自於太陽能發電和智慧電網中的微電網。

太陽能發電已經廣泛的應用在發電上,推動綠色能源物聯網的發展。Quasi-Z交錯式逆變器的Source Course(qZS-CMI)為太陽能發電架構提供了明確的優勢,包括適當的直流連接電壓和電壓協助工具。但是,qZS - CMI不能克服接入電網時,太陽能電力的不連續和不明波動。基於這個原因,就必須透過儲存電能用的電來當作穩壓的一個緩衝點,消除因為太陽能發電的隨機波動問題。

當然,僅僅依靠電池的能力還是不足的,這對於電池的消耗過於龐大,會快速縮短電池的使用壽命,還必須藉由更智慧化的機制來完成穩定儲電與電力輸送的目標。因此利用MPPT演算法就是一個不錯的方式,針對太陽能發電廠利用MPPT演算法的計算可以在進行太陽能發電時,獲得更準確的執行力,和以及快速而獨特的反應。

【欲閱讀更豐富的內容,請參閱智動化SmartAuto雜誌 2021 年第 70 期6月號】

2021.6月(第70期)用電大戶免緊張-智慧儲能系統Power up!
2021.6月(第70期)用電大戶免緊張-智慧儲能系統Power up!

相關新聞

線性傳動元件成長後勢可期

受惠新興科技及數位轉型商機挹注,以及台灣廠商產能持續擴增,均有助於機械業即使在疫情期間,外銷接單及製造業生產穩定成長。但因為後續供應鏈瓶頸、通膨因素,加以中國大陸動態清零調控,造成今年五月出口首次下滑,關鍵線性傳動元件更是首當其衝,所幸隨著下半年刺激經濟政策將陸續出台,成長後勢可期。

精密線馬平台顯垂直整合關鍵

因應近年來疫情及國際地緣政治因素,各國紛紛盤點關鍵產業及原材料以降低對外依賴,將有可能影響台灣於全球供應鏈地位。如半導體、智慧機械等關鍵產業亦須順應情勢,利用台灣半導體產業聚落優勢,積極促進國內外業者投資半導體先進製程,在最近一段時間國際專業展會大出風頭的精密線性馬達模組平台,便凸顯了業界垂直整合成效。

實現人與機械智慧互動 新世代HMI扮演要角

工廠中人與機器的溝通必須更智慧且有效率,就必須透過HMI來達成。 工業HMI扮演著工廠中,人員用來協調並控制製造過程的主要工具。 隨著工業自動化發展,功能齊全的HMI對於工廠運營也越來越重要。

PLC串起物聯網智慧製造

受到老齡與少子化造成的缺工現象及covid-19疫情交叉影響,近期製造業在營運上常受到外在環境快速變化的考驗,不僅造成供應鏈瓶頸,上游設備及零組件供應商也難以應對生產現場產線交機、調校和維運作業。卻也有PLC可支援邊緣運算,串起工業物聯網OT+IT資訊,提供AI、Digitaltwins所需數據,協助業者從智慧工廠逐步進階智慧製造。

產研協力推進積層製造應用

迎接當前國際淨零碳排浪潮,不僅各國政府和製造業大廠紛紛要求供應鏈須協力節能減排(廢)碳,讓積層製造應用可望扮演重要角色;以及後疫時代通膨隱憂和交期瓶頸,都推進航太、汽機車、模具等加工產業,希望能跟上數位轉型腳步,導入零接觸變更設計與生產流程,也催熟電腦輔助設計CAX系統軟體雲端商機。

積+減法整合為硬軟體加值

看好現今積層製造逐步深入製造業應用,尤其是在航太、汽車等先進製造領域不斷推陳出新,所需關鍵零組件、模具既能整合積層製造(加法)及傳統切削/成型(減法)工法,加快客製化開發生產速度;位居供應鏈上中游的工具機製造廠商也開始引進相關硬軟體升級轉型,以提升國際競爭力

商品推薦

udn討論區

0 則留言
規範
  • 張貼文章或下標籤,不得有違法或侵害他人權益之言論,違者應自負法律責任。
  • 對於明知不實或過度情緒謾罵之言論,經網友檢舉或本網站發現,聯合新聞網有權逕予刪除文章、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿張貼文章。
  • 對於無意義、與本文無關、明知不實、謾罵之標籤,聯合新聞網有權逕予刪除標籤、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿下標籤。
  • 凡「暱稱」涉及謾罵、髒話穢言、侵害他人權利,聯合新聞網有權逕予刪除發言文章、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿張貼文章。