AMB flywheel integration with photovoltaic system for household purpose – modelling and analysis

• Autorzy: Smolinski M. , Perkowski T. , Mystkowski A. , Dragašius E. , Eidukynas D. , Jastrzebski R. P.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2017.1.12

Warianty tytułu

PL

Integracja łożyskowanego ma gnetycznie zasobnika energii kinetycznej z układem paneli fotowoltaicznych dla zastosowań w gospodarstwach domowych – modelowanie i analiza

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the design and investigation of a photovoltaic‒flywheel system for household purposes. The main goal of this work is the electrical and mechanical integration of the electromechanical high speed kinetic energy storage as UPS (Uninterruptible Power Supply) with photovoltaic solar system. The paper contains calculation and division of photovoltaic panels system according to its integration with active magnetic bearing (AMB) flywheel and external electric grid. The photovoltaic solar installation costs as well as its size were considered. The composite shell AMB flywheel prototype configuration design (using CAD-software) and two different material variants are investigated and presented. In particularly, the structural composite shell stress calculations of two different materials vs rotational speed are performed using a direct coupling of SolidWorks and Matlab software. The analytical calculations of PV‒flywheel system are provided in order to choose optimal type of photovoltaic panels according to motor/generator flywheel and household energy system requirements. All elements of PV‒flywheel system as transducers, bridges, wiring diagrams, etc., are optimized using Simscape tools. Finally, short- and long-time simulations results of PV‒AMB‒flywheel system and initial experimental results are presented and discussed.

PL

W artykule przedstawiono wstępne badania zintegrowanego układu paneli fotowoltaicznych z łożyskowanym magnetycznie zasobnikiem energii kinetycznej. Głównym celem pracy jest próba integracji elementów elektrycznych i mechanicznych wysokoobrotowego elektromechanicznego magazynu energii kinetycznej jako urządzenia UPS z układem paneli fotowoltaicznych. W szczególności przeprowadzono obliczenia najważniejszych parametrów elektrycznych łożyskowanego magnetycznie zasobnika energii połączonego z układem paneli fotowoltaicznych celem jego integracji z trakcją sieci elektrycznej niskiego napięcia. Wykorzystując pakiety oprogramowania: CAD, SolidWorks i Matlab, wykonano badania symulacyjne wskaźników wytrzymałości koła zamachowego zasobnika energii kinetycznej w szerokim zakresie prędkości obrotowej dla dwóch różnych typów materiałów kompozytowych. Następnie, wykorzystując między innymi narzędzia Simscape, przeprowadzono optymalizację elementów systemu celem dopasowania jego głównych parametrów do wymagań stawianym domowym instalacjom fotowoltaicznym z akumulatorami energii elektrycznej. Wyniki badań symulacyjnych, przeprowadzone w cyklach krótko‒ i długo‒ czasowych, układu paneli fotowoltaicznych zintegrowanych z elektromechanicznym akumulatorem energii potwierdziły wstępne obliczenia i założenia.

Słowa kluczowe

EN

photovoltaic solar system; photovoltaic panels; AMB flywheel; kinetic energy storage; UPS device; motor-generator; composite materials

PL

instalacja fotowoltaiczna; panele fotowoltaiczne; łożyskowany magnetycznie zasobnik energii; kinetycznej; magazyn energii kinetycznej; urządzenie UPS; silnik/prądnica; materiały kompozytowe

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 19, no. 1
• Strony: 86--94
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Smolinski M.

• Automatic Control and Robotics, Mechanical Engineering Department, Bialystok University of Technology ul. Wiejska 45A, 15-351 Bialystok, Poland

autor

Perkowski T.

• Automatic Control and Robotics, Mechanical Engineering Department, Bialystok University of Technology ul. Wiejska 45A, 15-351 Bialystok, Poland
• [e-mail]

autor

Mystkowski A.

• Automatic Control and Robotics, Mechanical Engineering Department, Bialystok University of Technology ul. Wiejska 45A, 15-351 Bialystok, Poland

autor

Dragašius E.

• Faculty of Mechanical Engineering and Design Kaunas University of Technology Studentu str., 56-321 Kaunas, Lithuania

autor

Eidukynas D.

• Faculty of Mechanical Engineering and Design Kaunas University of Technology Studentu str., 56-321 Kaunas, Lithuania

autor

Jastrzebski R. P.

• LUT Energy, Lappeenranta University of Technology Skinnarilankatu 34, 53850 Lappeenranta, Finland

Bibliografia

• 1. Abbezzot C., Tran T., Poggi P., Serre-Combe P., Perrin M. and Muselli M., Using a flywheel associated to PV power plant in order to increase the integration of PV into island electrical grid, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ'13,) Bilbao (Spain), 20‒22 March, 2013.
• 2. Abrahamsson J., Hedlund M., Kamf T. and Bernhoff H., High-speed kinetic energy buffer: optimization of composite shell and magnetic bearings, IEEE Trans. Ind. Electron., 2014; 61(6): 3012‒3021, http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2013.2259782.
• 3. Cavallaro C., Musumeci S., Santonocito C. and Pappalardo M., Smart photovoltaic UPS system for domestic appliances, Proc. of IEEEICCEP 09, 9‒11 June 2009, Capri, 699‒704, http://dx.doi.org/10.1109/iccep.2009.5211952.
• 4. Daryl R.B. and William D.C., Flywheel energy storage: an alternative for batteries in UPS systems, Energy Engineering: Journal of the association of Energy Engineering, 2005; 102(5): 7‒26.
• 5. De Andrade R., Stephan R.M. and Sotelo G.G., Third generation of flywheels: a promising substitute to batteries, Eletronica de Potencia, 2008; 3, 171‒176.
• 6. Giaconia G.C., Fiscelli G., et all., Integration of distributed on site control actions via combined photovoltaic and solar panels system, Clean Electrical Power, 2009 International Conference on, 9‒11 June 2009, 171‒177.
• 7. Kamf T., High speed flywheel design: using advanced composite materials, M.S. thesis, Div. Elect., Uppsala Univ., Uppsala, Sweden, 2012.
• 8. Kan H.P., Chau K.T. and Cheng M., Development of a doubly salient permanent magnet motor flywheel energy storage for building integrated photovoltaic systems, Proc. of the 16th Applied Power Electronics Conference, 4‒8 March 2001, Anaheim, CA, 314‒320, http://dx.doi.org/10.1109/apec.2001.911666
• 9. Mohd A., Ortjohann E., Schmelter A., Hamsic N. and Morton D., Challenges in integrating distributed energy storage systems into future smart grid, Proc. IEEE Int. Symp. Ind. Electron., 2008; 1627‒1632, http://dx.doi.org/10.1109/isie.2008.4676896.
• 10. Molina M.G., Distributed energy storage systems for applications in future smart grids, Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA), 2012 Sixth IEEE/PES, 3‒5 Sept. 2012, 1‒7.
• 11. Mystkowski A., Energy saving robust control of active magnetic bearings in flywheel, Acta Mechanica et Automatica, 2012; 6, no 3(21): 72‒76.
• 12. Mystkowski A. and Rowinski R., Construction and control of AMBs high speed flywheel, Archive of Mechanical Engineering, 2011; 58(1): 79‒89, http://dx.doi.org/10.2478/v10180-011-0005-7.
• 13. Nagorny A., Dravid N., Jansen R. and Kenny B., Design aspects of a high speed permanent magnet synchronous motor/generator for flywheel applications, in Proc. IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, May 2005, 635‒641, http://dx.doi.org/10.1109/iemdc.2005.195790.
• 14. Navarro G., Torres J., Moreno-Torres P. and Blanco M., Technology description and characterization of a low-cost flywheel for energy management in microgrids, Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe), 2015 17th European Conference on, 8‒10 Sept. 2015, Geneva, 1‒10.
• 15. Noshadi A., Shi J., Lee W.S., Shi P. and Kalam A., System identification and robust control of multi-input multi-output active magnetic bearing systems, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2016; 24 (4), 1227‒1239, http://dx.doi.org/10.1109/TCST.2015.2480009.
• 16. Noshadi A., Shi J., Lee W.S., Shi P. and Kalam A., Robust control of an active magnetic bearing system using H∞ and disturbance observerbased control, Journal of Vibration and Control, 2015, http://dx.doi.org/10.1177/1077546315602421.
• 17. Pena-Alzola R., Sebastian R., Quesada J. and Colmenar A., Review of flywheel based energy storage systems, in Proc. POWERENG'11, May 2011, 1–6, http://dx.doi.org/10.1109/powereng.2011.6036455.
• 18. Pirog S. and Gosiewski Z., eds., Electromechanical, high-speed, stationary energy store, project no PBZ-KBN-109/T-10/2004, supported by Polish Ministry of Science and Higher Education, 2010; in Polish, 1‒306.
• 19. Smith S., Sen P., and Kroposki B., Advancement of energy storage devices and applications in electrical power system, in Proc. IEEE Power and Energy Society General Meeting, July 2008, 1‒8, http://dx.doi.org/10.1109/pes.2008.4596436.
• 20. Sokolov M.A, Jastrzebski R.P., Saarakkala S.E., Hinkkanen M., Mystkowski A., Pyrhönen J., Pyrhönen O., Analytical method for design and thermal evaluation of a long-term flywheel energy storage system, The 23rd International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 22-24 June 2016, Anacapri, Capri Island, Italy, pp. 270‒275. (DOI: 10.1109/SPEEDAM.2016.7525911)
• 21. Tant J., Geth F., Six D., Tant P. and Driesen J., Multiobjective battery storage to improve PV integration in residential distribution grids, IEEE Trans. Sustain. Energy, 2013; 4(1): 182‒191, http://dx.doi.org/10.1109/TSTE.2012.2211387.
• 22. Vazquez S., Lukic S., Galvan E., Franquelo L., Carrasco J., Leon J., and Hilton J., Recent advances on energy storage systems, in Proc. IEEE 37th IECON, Nov. 2011, 4636‒4640.
• 23. Yali Y., Yuanxi W. and Feng S., The latest development of the motor/generator for the flywheel energy storage system, in Proc. MEC'11, Aug 2011, 1228‒1232, http://dx.doi.org/10.1109/mec.2011.6025689.
• 24. Zondag H.A., Van Helden W.G.J., PV-thermal domestic systems, Proc. of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, May 11‒18, 2003 Osaka, Japan, 2000‒2003.