تعویض یا تکمیل نیازهای گرمایشی و سرمایشی یک ساختمان با گزینه‌های انرژی تجدیدپذیر بسیار جذاب است، به‌خصوص زمانی که در مناطقی با منابع تجدیدپذیر وسیع انجام پذیرد. با این حال بدون در نظرگیری روش انتخابی برای تولید انرژی تجدید پذیر، منابع انرژی معمولاً وقفه دار و ناپیوسته هستند. در کاربردهای گرمایشی و سرمایشی، تکنولوژی جالب و موجود در حال حاضر برای غلبه بر این وقفه و ناپیوستگی، ذخیره‌ساز حرارتی است.
به‌منظور یکپارچه‌سازی بهره‌گیری از انرژی تجدید پذیر و ذخیره‌ساز حرارتی در محل نصب، استراتژی کنترل جدیدی در سیستم ریز شبکه در آزمایشگاه مولتی فیزیک انرژی یکپارچه IMPEL کالج تحصیلات تکمیلی دریایی NPS به‌کار گرفته شد.
با استفاده از کوپلینگ مولد انرژی خورشیدی و بادی با یک استراتژی کنترلی که وظیفه‌اش تعدیل نیاز بار به تولید قدرت است، از انرژی تجدیدپذیر (به‌تنهایی) برای تأمین انرژی لازم سیستم ذخیره‌ساز حرارتی گرمایشی و سرمایشی ساختمان به کمک یک ریز شبکه ایزوله، بهره گرفته شد.
این سیستم در هر دو روش ریز شبکه صرف انرژی تجدیدپذیر یا سیستم شبکه گره خورده، در مکان‌هایی که منبع انرژی تجدید پذیر محلی در دسترس است، قادر به پاسخگویی به نیاز است.
شبکه الکتریکی مرسوم به‌وسیله تعدیل قدرت تولیدی با میزان نیازمندی، برای مصرف‌کنندگان انرژی فراهم می‌کند. علی‌رغم پتانسیل بالای تولید قدرت، منابع انرژی تجدیدپذیر به دلیل وقفه دار بودن و ناپیوستگی‌شان در تطابق با مدل کنونی دچار مشکل هستند.
نظر به اینکه اتصال به شبکه منابع انرژی تجدیدپذیر رو به گسترش است، ذخیره‌سازهای انرژی در مقیاس‌هایی بالاتر نیاز است تا تغییرات در انرژی تجدید پذیر تولیدی را کاهش دهد.
در کاربردهای گرمایشی و سرمایشی، بارهای حرارتی در مقایسه با پمپاژ سیال (چه هوا و چه مایع)، مصرف‌کننده عمده‌تری از انرژی هستند.
در حال حاضر ذخیره‌ساز انرژی حرارتی به‌طور وسیعی در کاربردهای متصل به شبکه استفاده می‌شوند و بنابراین در مواردی که بارهای حرارتی اصلی را گرمایش و سرمایش رقم می‌زنند، می‌توانند گزینه جذابی برای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر باشند.
سیستم‌ها و کنترل تئوری توسعه داده‌شده در اینجا را می‌توان به دو روش استفاده نمود. روش اول بهره‌گیری از آن‌ها در یک سیستم متصل به شبکه مرسوم است که منبع انرژی تجدیدپذیر محلی در دسترس باشد و تمایل به حداکثر ممکن بهره‌گیری از این انرژی باشد.
یک دلیل برای این روش این است که میزان انرژی الکتریکی در طول روز متغیر است. دلیل دوم می‌تواند تمایل به داشتن سیستمی شدیداً امن باشد که قادر باشیم به‌وسیله یک ریز شبکه، این سیستم را از شبکه اصلی مجزا کنیم.
سیستم کنترلی به‌گونه‌ای طراحی‌شده است که به‌وسیله تعدیل میزان بار با منبع تجدیدپذیر موجود، سیستم‌های ذخیره‌ساز حرارتی را شارژ نماید.
سپس سیستم کنترلی ساختمان در زمان‌هایی که باید مصرف انرژی جبران گردد، از طریق خود شبکه یا در صورت ایزوله بودن سیستم، از طریق باتری‌ها یا ژنراتورها از این ذخیره‌سازهای حرارتی بهره می‌برد.
یک ریز شبکه یا شبکه الکتریکی محلی معمولاً شامل ترکیبی از منابع تولید قدرت، دستگاه‌های ذخیره‌ساز و بارهایی است که همگی آن‌ها را می‌توان از شبکه مجزا نمود.
این استقلال ریز شبکه‌ها را قادر می‌سازد تا راه‌حل‌های انرژی منحصربه‌فردی را ارائه نمایند، بخصوص از طریق استفاده از منابع تولید قدرت تجدیدپذیری همچون انرژی خورشیدی یا بادی.
با این حال هنوز سیستم‌های ریز شبکه معمول از رویکرد مدیریت انرژی مرسوم استفاده می‌کنند که هدفش تعدیل قدرت تولیدی با نیازمندی بار، از طریق استفاده از ژنراتورهای کمکی سوخت فسیلی است.
نیاز به تأمین قدرت در زمان اوج تقاضا (اوج بار)، به همراه ذات ناپیوسته و وقفه دار منابع انرژی تجدیدپذیر به این معنی است که سیستم هاب ریز شبکه کنونی هنوز وابسته به ذخیره‌سازهای الکتریکی و تولید قدرت کمکی هستند که ابعادشان با توجه به اوج تقاضا (اوج بار) تعیین می‌شود.
با این حال افزودن دستگاه‌های ذخیره‌ساز انرژی حرارتی می‌تواند ابعاد ژنراتورها و تجهیزات ذخیره‌ساز الکتریکی همانند باتری‌ها را کاهش دهد. تجهیزات ذخیره‌ساز انرژی حرارتی چندین مزیت نسبت به باتری‌های دارند، به‌عنوان‌مثال، طول عمر و استحکام ذاتی‌شان.
شکل ۱ نشان‌دهنده مقایسه بین ظرفیت ذخیره حرارتی آب و خشت نسبت به ظرفیت ذخیره الکتریکی باتری‌ها برای کاربردهای گرمایشی است. شکل ۲ نشان‌دهنده مقایسه بین چگالی انرژی ذخیره‌سازی حرارتی مرتبط با تغییر فاز یخ نسبت به چگالی انرژی یاد شده باتری‌ها است.
در هر سه حالت، ابعاد و جرم واقعی سیستم‌های تجاری در محاسبات استفاده‌شده که نتیجه‌اش محاسباتی محافظه‌کارانه است. در شرایط ذخیره‌سازی حرارتی یخ پایه، حجمی مضاعف نیاز است تا سیال خنک‌کننده در آن به گردش درآید که باید در یک سیستم واقعی احتساب گردد.
سیستم‌های آب سرد نیز در دسترس می‌باشند که از حرارت قابل حس به‌جای گرمای نهان استفاده می‌نمایند، اما در اینجا مورد بررسی قرار نگرفته‌اند.
در مطالعه حاضر از دو سیستم ذخیره‌ساز حرارتی استفاده گردید. برای کاربردهای سرمایشی، سیستمی بر پایه تغییر فاز یخ انتخاب گردید، درحالی‌که برای گرمایش، از سیستم خشت پایه محتوای گرما استفاده گردید.
همان‌طور که گفته شد، این تجهیزات ذخیره‌ساز حرارتی، طول عمر به‌مراتب بیشتری نسبت به باتری‌ها دارند و قادرند هزاران بار چرخه بارگذاری را به‌گونه‌ای طی کنند که کمترین یا هیچ کاهش بهره‌وری و عملیاتی مشاهده نگردد.
باتری‌ها عمر عملیاتی محدودی دارند و ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی‌شان با گذر زمان کاهش می‌یابد. باتری‌ها ساختمان پیچیده‌تری نسبت به ذخیره‌سازهای حرارتی دارند و بنابراین معمولاً هزینه خریداری و عملیاتی بالاتری دارند.
با بررسی هزینه نصب بر هر کیلووات از ذخیره‌سازی حرارتی می‌بینیم که ذخیره‌سازهای حرارتی خشت سرامیکی ۲۱٪ ارزان‌تر از باتری‌های اسید سربی هستند، درحالی‌که ذخیره‌سازهای یخ پایه ۷۳٪ ارزان‌تر از باتری‌های اسید سربی می‌باشند.
سیستم نمایشی
سیستم ریز شبکه IMPEL عمدتاً برای کاربردهای گرمایشی و سرمایشی طراحی‌شده‌اند و بر اساس رویکرد استفاده نهایی انرژی هستند. انرژی تجدیدپذیر خورشیدی و بادی، قدرت تولید می‌کند و یک ریز شبکه سه فاز انرژی الکتریکی را انتقال می‌دهد.
با این حال این سیستم نیازمند قابلیت ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی به ازای سیستم‌های کنترلی است، زیرا تنها بر تولید انرژی تجدیدپذیر تکیه دارد؛ بنابراین سیستم ذخیره‌سازی متشکل از ترکیب تجهیزات ذخیره‌ساز حرارتی و باتری‌های ذخیره‌ساز انرژی الکتریکی است.
ذخیره‌ساز حرارتی سرد با استفاده یخ قابل‌دستیابی است، درحالی‌که خشت‌های سرامیکی ذخیره‌سازی حرارتی گرما را ممکن می‌سازند. از آن‌جایی که عمده مصرف نهایی انرژی به‌صورت حرارتی است، گزینه اصلی قابلیت ذخیره‌سازی انرژی را سیستم‌های ذخیره‌ساز حرارتی تشکیل می‌دهد.
تجهیزات ذخیره‌سازی حرارتی می‌توانند مستقیماً الزامات گرمایشی و سرمایشی را تقویت و تأمین نمایند بدون اینکه نیازمند تبدیل اولیه انرژی از ذخیره یاز انرژی الکتریکی باشند. برای تخلیه انرژی ذخیره یاز حرارتی یخ سرد به یک پمپ سیال خنک‌کننده نیاز داریم تا سیال را درون تانک به گردش درآورد.
تخلیه انرژی ذخیره‌ساز حرارتی خشت داغ نیازمند به دمش هوا از میان خشت‌ها است. شکل ۳ نشان‌دهنده جریان انرژی سیستم انرژی حرارتی IMPEL است که عمده جریانات انرژی به داخل یا خارج سیستم‌های ذخیره یاز حرارتی جریان می‌یابند.
آشکار است که به میزانی از باتری‌ها نیاز داریم تا در مواقعی که انرژی تجدیدپذیر در دسترس نیست، قادر به تخلیه انرژی ذخیره‌ساز حرارتی باشیم. اتلاف انرژی حرارتی با گذر زمان در نظر گرفته نشده است، اما همان‌گونه که سازندگان ذخیره‌ساز حرارتی اشاره می‌کنند، اتلاف‌ها را می‌توان به فضاهایی که نیازمند گرمایش یا سرمایش است، هدایت نمود.
