Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Centrum výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie na VUT v Brně

Tento článek je úvodním dílem volného seriálu, v němž budou v časopise Automa postupně představována výzkumná a vývojová pracoviště a laboratoře, působící především na technických univerzitách, s ohledem na to, co mohou nabídnout průmyslovým podnikům. Cílem je, aby se odborníci z firem dověděli, jak jsou vybavena dnešní výzkumná pracoviště a jak mohou jejich vybavení a znalosti posloužit průmyslovým firmám pro vývoj a testování výrobků, technologických postupů, modelování a simulace, školení apod. 

Centrum výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie (CVVOZE) je výzkumným pracovištěm Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně. Na jeho realizaci a provozu se podílejí čtyři odborné ústavy fakulty: ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky, ústav automatizace a měřicí techniky, ústav elektrotechnologie a ústav elektroenergetiky. Svými odbornými kapacitami a vybavením pokrývá celé spektrum disciplín v oblasti elektrotechniky (elektrochemie, elektromechanika, elektrotechnologie, elektroenergetika, měření a automatizace) zejména, ale ne výhradně, ve vazbě na aktuální téma obnovitelných zdrojů energie a jejich efektivního využívání ve výrobě, dopravě a energetice.

CVVOZE navazuje na dlouholetou tradici výzkumu a vývoje pod hlavičkou fakulty a aspiruje na to, stát se respektovanou institucí evropského významu. Tři základní výzkumné programy, jimiž se zabývá, jsou uvedeny ve vloženém rámečku. CVVOZE má k dispozici osmnáct specializovaných laboratoří (tab. 1). Podrobný popis vybavení unikátními i standardními přístroji s nabídkou služeb pro využití průmyslem a institucemi je uveden na webových stránkách centra www.cvvoze.cz. Zde uveďme alespoň snímky několika unikátních pracovišť s jejich podrobnější specifikací. 

Zkušební a kalibrační laboratoř

Laboratoř je zaměřena na vývoj, testování a kalibraci snímačů neelektrických veličin, životnostní a klimatické zkoušky, návrh automatizovaných měřicích systémů včetně sběru a zpracování dat. Nově je vybavena systémem CS18 firmy Spektra pro primární a sekundární kalibraci snímačů vibrací ve frekvenčním rozsahu od 0,2 Hz do 50 kHz. Kalibrační laboratoř je dále vybavena rotačním stolkem pro kalibraci snímačů úhlové rychlosti (gyroskopů). Stolek dokáže pracovat v polohovém, rychlostním a sinusovém režimu. Osu rotace lze nastavit do vertikální nebo horizontální polohy. Rozsah rychlosti je ±3 000 °/s, zrychlení až 200 000 °/s2, šířka pásma do 100 Hz a maximální krouticí moment 23 N·m. Přesnost nastavení polohy je lepší než 15" a rychlosti 0,001 %. Tyto parametry umožňují testovat i přesné optické gyroskopy pro navigační účely. Rotační stolek je dále vybaven teplotní komorou s rozsahem –60 až +180 °C pro ověření vlivu teploty.

Zkušební laboratoř má dále k dispozici vibrační stůl firmy RMS, který je určen především pro zkoušky životnosti. Zařízení umožňuje budit vibrace ve frekvenčním rozsahu 2 až 2 700 Hz silou 24 kN, přičemž lze testovat vzorky do hmotnosti 300 kg. Limitními hodnotami buzení jsou rozkmit 52 mm, rychlost 2 m/s a zrychlení 1 000 m/s2. Osu vibrací lze nastavit do vertikální nebo horizontální polohy. Budič vibrací je vybaven vodním chlazením, což zajišťuje nízkou hladinu akustického hluku a umožňuje např. i lokalizovat zdroje hluku na testovaném zařízení pomocí mikrofonního pole.

Pro teplotní a klimatické zkoušky jsou k dispozici komory od firmy CTS s objemem testovacího prostoru 50 l, umožňující teplotní testy od –65 do +180 °C, a komora firmy VÖTSCH s objemem testovacího prostoru 500 l, teplotním rozsahem –70 až +180 °C a s regulací vlhkosti, určená k testování rozměrných vzorků. Komoru Vötsch lze spojit s vibračním stolem firmy RMS a provádět kombinované zkoušky zahrnující vlivy vibrací, teploty a vlhkosti. 

Laboratoř silnoproudé elektrotechniky

Tato laboratoř je využívána k testování elektrických zařízení při průchodu velkými proudy. Zdroji proudu pro zkratový obvod jsou zkratový generátor 6 kV/16 MV·A, síťový transformátor 22 kV/6 kV s výkonem 2,5 MV·A a zkratová baterie 3 200 µF/10 kV – 320 kJ. Tato sestava zdrojů dovoluje provádět zkoušky při frekvencích od asi 15 Hz, přes síťovou frekvenci 50 Hz (resp. 60 Hz) až po frekvence do minimálně 400 Hz. Celý zkratový obvod umožňuje vykonávat zkoušky střídavým i stejnosměrným proudem uvedené v tab. 2.

Laboratoř je určena pro výzkum i výuku i pro komerční využití výrobci silnoproudé elektrotechniky. Další informace jsou uvedeny na www.cvvoze.cz. 

Laboratoř velmi vysokého napětí

Laboratoř je vybavena přístroji pro testování zařízení navržených do sítí velmi vysokého napětí či pro obdobná zařízení. Vybavení laboratoře bude využíváno pro výzkum, výuku a komerční účely. Laboratoř obsahuje tři základní zdroje:

  • střídavý zdroj 300 kV/1 A po dobu 15 min,
  • impluzní zkušební systém 1 000 kV/100 kJ,
  • modulární zkušební systém s napětím do 100 kV AC a 140 kV DC.

Uvedená sestava zdrojů umožňuje testovat zařízení na přiložené trvalé napětí (do 300 kV), na průchod atmosférického impulzu (do napětí 925 kV) či např. na průchod spínacího impulzu (do napětí 720 kV). Systém je doplněn o zařízení pro měření částečných výbojů až do napětí 300 kV. 

Závěr

Budování infrastruktury CVVOZE bylo zahájeno 1. května 2010. V současnosti jsou všechny laboratoře buď zcela dokončeny, nebo před dokončením a probíhá v nich oživování nebo zkušební provoz. Zahájení plného provozu je plánováno na 1. leden 2014. Pracovníci laboratoří připravují nabídky na výzkumné a vývojové i testovací a certifikační služby pro české i zahraniční firmy a instituce. 

prof. Ing. František Zezulka, CSc. (zezulka@feec.vutbr.cz), doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D.,

Ing. Rostislav Huzlík, Ing. Martin Vágner, Ing. Ivo Veselý, CVVOZE, FEKT VUT v Brně

Obr. 1. Rotační stolek pro kalibraci snímačů úhlové rychlosti (gyroskopů)

Obr. 2. Kalibrační systém Spektra CS18 pro kalibraci snímačů zrychlení

Obr. 3. Pohled do zkušební laboratoře s vibračním stolem a klimatickou komorou

Obr. 4. Zkratový generátor pro testování elektrických zařízení průchodem velkými proudy

Obr. 5. Impluzní zkušební systém


Tab. 1. Zaměření specializovaných laboratoří CVVOZE

speciální elektrické stroje

výkonová elektronika a mikroprocesorová technika

testování mechanické a tepelné odolnosti

automatizace a vestavné systémy

akumulátory

elektrochemické zdroje

mikroskopické látky

elektrodové materiály

fotovoltaické systémy

modelování a simulace

silnoproudá elektrotechnika

velmi vysoké napětí

diagnostika spínacího oblouku

nekonvenční zdroje

kvalita elektrické energie a EMC

světelná technika

elektrické ochrany

solární systémy

Tab. 2. Zkoušky průchodem velkými proudy prováděné laboratoří silnoproudé elektrotechniky CVVOZE

Zkoušky střídavým proudem

Doba trvání zkoušky (ms)

Použité hodnoty proudu

AC 50/60 Hz

200

150 kA/250 V

100 kA/500 V

60 kA/750 V

40 kA/1 000V

3 000

40 kA/100 V

AC 16 2/3 Hz

3 000

 

zkouška stejnosměrným proudem

200 (τ≤ 30)

50 kA/250 až 1 000 V

 

Tři výzkumné programy CVVOZE

1. Optimalizace a řízení elektromechanické přeměny energie

Tento výzkumný program se zaměřuje především na optimalizaci a vývoj pohonných systémů. Výstupem by měly být zejména:

  • nové, optimalizované typy elektrických strojů a jejich řídicích systémů (především pro ekologickou dopravu),
  • optimalizace synchronních motorů s permanentními magnety s cílem zlepšit jejich vlastnosti,
  • optimalizace asynchronních motorů s cílem zlepšit účinnost,
  • modelování energetických sítí typu smart grid, jejich stabilizace a optimální řízení,
  • výzkum použití systémů smart metering a jejich začlenění do sítí smart grid s důrazem na funkční bezpečnost systémů řízení,
  • vývoj nových typů senzorů pro uvedenou oblast a ověření metodik jejich testování na rušivé vlivy.

2. Chemické a fotovoltaické zdroje energie

Cílem je výzkum a vývoj nových materiálů, nových koncepcí pro elektrochemické zdroje proudu a funkčních vrstev pro oblast solárních prvků. Jsou ověřovány nejenom parametry nových systémů, ale i životnosti zjištěné na funkčních vzorcích, popř. prototypech. Výstupem výzkumu jsou zejména nové zdroje pro elektrické pohony včetně optimalizace a zrychlení nabíjecích procesů a nové konstrukce standardních elektrochemických systémů umožňující zrychlené nabíjení použitelné v mobilních prostředcích. 

3. Optimalizace přeměny a využití energie v soustavách s ekologickými energetickými zdroji

  • Mezi cíle výzkumu v tomto programu patří:
  • optimalizace parametrů výkonových spínacích přístrojů v oblasti zhášecích systémů včetně diagnostiky zhášecího procesu,
  • optimalizace zařízení pro rozvod elektrické energie z obnovitelných zdrojů a smart grids,
  • zvyšování účinnosti elektrických zařízení určených k osvětlení, vytápění a chlazení,
  • výzkum možností akumulace velkých objemů elektrické energie (vodík),
  • spolupráce energetických zdrojů v kombinovaných systémech (fotovoltaických a větrných elektráren apod.),
  • studium vlivu spektrálního složení slunečního záření v závislosti na meteorologických podmínkách,
  • vývoj a výzkum hybridních fotovoltaických systémů s akumulací elektrické energie.