Автономни енергийни системи

Устойчивото икономическо развитие изисква използването на възобновяемите енергийни източници по рационален и внимателен начин. По-специално хибридни устройства в съчетание с интелигентни енергийни системи, като например осветителни системи, обикновено не се използват. Въпреки своите предимства, възобновяемите енергийни източници се характеризират със сезонност и значителна нестабилност. Достъпът до възобновяема енергия варира ежедневно и сезонно, поради което дейностите, насърчаващи използването на автономни, хибридни енергийни системи, трябва да бъдат засилени.

Статията има за цел представянето на идея за разработването на автономна възобновяема система за производство на електроенергия, основана на тъй наречения енергиен микс. Такава система може да работи изолирано от мрежата и да служи за надеждно снабдяване с електроенергия от възобновяеми източници на малки жилищни или обществени съоръжения в градските зони. Енергийният микс зависи от географското разположение на системата.

Текст: списание Енергия

Автономните възобновяеми системи вероятно ще станат широко разпространени в бъдеще поради неблагоприятните въздействия върху околната среда и повишаването на разходите за енергия, свързани с установените енергийни източници. Слънчевите и вятърните енергийни ресурси са алтернативни един на друг и ще имат действителен потенциал да решат до известна степен проблема с натоварването. В този контекст автономните фотоволтаични и вятърни хибридни енергийни системи се оказват по-икономически изгодна алтернатива за задоволяване на енергийните нужди на многобройни изолирани потребители.

Като цяло, промяната в слънчевата и вятърната енергия не съответства на разпределението на търсенето във времето. По този начин системата за генериране на електроенергия налага свързване на акумулаторни батерии за преодоляване или изглаждане на несъответствието между разпределението на натоварването и възобновяемата (фотоволтаична и вятърна) енергия. Недостатък, характерен за вятърната и фотоволтаичната система, е тяхната непредсказуема природа и зависимостта им от времето и климатичните промени. Ако се използват и двете самостоятелно, за да се постигне достатъчно ниво на надеждност, те ще трябва да бъдат преоразмерени, което води до още по-високи общи разходи. Обаче обединяването на фотоволтаичния и вятърния генератор на електроенергия в хибридна система може да намали индивидуалните им колебания, да увеличи общото производство на енергия и значително да намали изискванията за съхранение на енергия. По този начин общите разходи за автономната възобновяема система могат да бъдат драстично намалени.

Днес интегрирането на фотоволтаични и вятърни системи с акумулаторни батерии и резервна система с дизелови двигатели се превръща в жизнеспособен и рентабилен подход за електрификация на отдалечени райони. Вятърните и фотоволтаичните системи могат да се разширяват, като при необходимост се добавя допълнителен капацитет. Освен това комбинацията от вятърна и фотоволтаична система намалява изискването за акумулаторна батерия и допълнително намалява разхода на дизелово гориво. Перспективите за извличане на енергия от хибридни енергийни системи се оказват много обещаващи в световен мащаб. Използването на хибридни енергийни системи също намалява изгарянето на изкопаеми горива и съответно емисии на CO₂, които са основната причина за парниковия ефект и глобалното затопляне. Глобалното затопляне предизвиква безпокойство за околната среда в международен план, което се превърна в решаващ фактор в енергийното планиране. Вследствие на този проблем и като коригираща мярка се очаква сериозна подкрепа на възобновяемите енергийни източници като слънчева енергия и вятър.

Подготовката на интелигентната мрежа е свързана с оптимално разрешаване на проблемите в днешния енергиен сектор, като например замърсяването на околната среда, причинено от типичното производство на електроенергия, загубите в мрежата, както и слабата надеждност и достъпност на енергия в селските райони. Хибридната енергийна система от фотоволтаици и вятърен генератор, използваща акумулаторна батерия и дизелов генератор, може да бъде използвана за електрифициране на отдалечените населени места (които се нуждаят от независим източник на електрическа енергия), където не е икономично да се разшири конвенционалната електропреносна мрежа. Всички възможни предимства на хибридната енергийна система могат да бъдат постигнати само когато системата е проектирана и работи по подходящ начин. В тези системи оразмеряването, настройката на контрола и оперативните стратегии са взаимозависими. В допълнение, някои от компонентите на системата имат нетривиални характеристики на поведение. По този начин задачата за оценка на различните възможности за проектиране на хибридна система за определено място става доста трудна.

Хибридни схеми за възобновяема енергия

Хибридната възобновяема система е комбинация от фотоволтаици (PV), вятърна турбина, инвертор, батерия и други компоненти. Когато енергийните ресурси (слънчева и вятърна енергия) са достатъчни, излишната генерирана мощност се подава към батерията, докато се зареди напълно. По този начин батерията влиза в действие, когато енергията от възобновяемите енергийни източници (PV-вятър) не е в състояние да задоволи натоварването, докато съхранението се изчерпи. Работата на хибридната PV-ветрова система зависи от отделните елементи. За да се оцени максималната мощност от всеки компонент, първо се моделира единичният компонент, след което тяхната комбинация може да бъде оценена, за да отговори на изискваната надеждност. Ако производството на електроенергия чрез този тип индивидуален елемент е задоволително, действителната хибридна система ще предложи електрическа енергия при най-малко зареждане.

Хибридна фотоволтаична система

Слънчевата енергия е един от неизчерпаемите, зависими от местоположението, незамърсяващи енергийни източници и се предлага в изобилие. Тя е потенциален източник на възобновяема енергия и оползотворяването на слънчевата радиация за производство на електроенергия намалява зависимостта от изкопаемите горива. Ролята на акумулаторната батерия е много важна за добрата производителност и добрия контрол. Необходимото условие за проектиране на хибридни PV системи за максимална изходна мощност е горещият климат. Този тип система е рентабилна и надеждна, особено за местата, където мрежата не е подходяща и цената на преносната линия е много висока, като отдалечени и изолирани зони. За оценка на работата на хибридната PV система като комбинация от PV с батерия, дизелов генератор и PV без батерия се използват редица методи.

Разработена е система за изчисляване на производствените разходи, свързани с метода на хибридните фотоволтаични батерии, при който размерът, свързан с фотоволтаичния метод, се изчислява на базата на липсата на електрически изисквания. За самостоятелна хибридна PV система анализът на надеждността се определя чрез вероятността за загуба на товара (loss of load - LOL). За измерване на вероятността за LOL се използват редица числени и аналитични модели. Изпълнението на хибридна фотоволтаична система се оценява на базата на надеждността на електрозахранването при широко различаващи се условия.

Хибридна система за вятърна енергия

За проектирането на надеждна и икономична хибридна вятърна система трябва да се избере място с по-добър потенциал на вятърната енергия. Освен това трябва да се извърши анализ на осъществимостта, икономическата жизнеспособност и удовлетворяването на нуждите на капацитета. Алгоритъмът за изчисляване на размера на вятърните турбини и оптималното разположение на разпределената енергийна система трябва да бъде разработен чрез използване на хибридна конфигурация за оптимизация. Хибридните характеристики на вятърната система, надеждността и намаляването на разходите за енергия (COE) могат да бъдат получени чрез използване на резервна система за батерии. Когато генерираната от хибридната система мощност е в излишък, тази мощност се използва за зареждане на батериите за резервна сигурност и тази захранваща батерия се използва, когато изискването за натоварване не се доставя от проектната хибридна система.

Хибридна система за енергия от фотоволтаици и вятър

Фотоволтаичната и вятърната система зависят силно от метеорологичните условия и не произвеждат използваема енергия през цялата година. За по-добро представяне на самостоятелната комбинация от PV или вятър е необходима батерия и дизелов генератор, които увеличават разходите за хибридната система за правилна работа, по-добра надеждност и по-ниска цена на системата.

Основната цел на проекта е да се получи икономично решение, използващо различни техники за постигане на оптималния размер на хибридната система, за да се сведат до минимум общите годишни разходи. За най-осъществимото решение, висока надеждност и минимизиране на COE се използват различни видове методи.

Критерии за оптимизация на PV- вятърната хибридна система

За намирането на оптимални и надеждни решения за хибридната PV-вятърна система се използват различни техники като съотношение между батерията и натоварването, липсата на енергия и съотношението енергия към натоварването. Двата основни критерия за всяко хибридно проектиране на системата са надеждността и цената на системата. За тези критерии са използвани различни методи.

Производителността и надеждността на хибридните PV-вятърни системи зависят от метеорологичните условия. Хибридната система е надеждна, ако отговаря на изискванията за електрическо натоварване. Изследването за надеждност на енергията е важно за проектирането и оптимизацията на хибридните системи.

Нетната настояща стойност (NPV) се дефинира като общата настояща стойност на времева серия от парични потоци. Това е стандартен метод за използване на времевата стойност на парите за оценка на дългосрочни проекти. Основата на анализа на NPV е да се изразява поредица от годишни разходи в постоянна валута, като се отчита променящата се стойност на парите, както и ескалацията на разходите поради инфлация. Следователно, NPC означава настоящата стойност на разходите за инсталиране и експлоатиране на хибридната система през целия живот на проекта.

Разходите за жизнения цикъл (LCC) са сумата от всички разходи за компонентите на хибридната система и дисконтираните оперативни разходи, възникващи по време на проекта до края на проектния хоризонт, който обикновено се определя между 20 и 30 години. Компонентните разходи са капиталовите разходи, направени в началото на проекта за хибридна система. Оперативните разходи включват текущите разходи на системата, разходите за поддръжка и подмяна. COE отразява разходите за производство на електроенергия и се изразява като съотношение на общите годишни разходи на системата към годишната електроенергия, доставяна от системата. Общите годишни разходи включват всички разходи през жизнения цикъл на системата от първоначалните инвестиции и капиталовите разходи до експлоатацията и поддръжката (например гориво) и разходите за финансиране.

Стратегии за контрол

Тъй като хибридната система за възобновяема енергия е комбинация от различни възобновяеми енергийни източници, дизел генератор, конвенционални източници и система за съхранение на енергия, много е трудно да се постигне максимална ефективност и надеждност без прилагане на подходяща стратегия за контрол. В хибридната система за възобновяема енергия мониторингът и управлението на натоварването се извършва от контролер. Контролерът поддържа и изходното напрежение, честотата и определя активната и реактивната енергия от различните енергийни източници. В хибридната система за възобновяема енергия се прилагат различни видове контролери в съответствие с изискванията за различни енергийни източници, изходна мощност и стратегия за контрол.

Контролерите са предимно четири типа - централизиран, разпределен, хибриден (комбинация от централизиран и разпределен) контрол и система за многостепенно управление. Във всеки един от случаите се очаква всеки източник да има свой собствен контролер, който може да се съсредоточи върху идеалната работа на съответната единица, като се вземат предвид текущите данни. При централизираното управление, сигналите и системата за съхранение на целия енергиен източник се управляват чрез устройство за централизирано управление. Многоцелевата рамка на енергийните единици може да постигне глобална оптимизация с оглед на всички достъпни данни. Недостатъкът на това централизирано управление е, че контролерът е подложен на голямо изчислително натоварване и на едноточкови откази.

При разпределеното управление един енергиен източник е свързан към индивидуален локален блок за управление, а управляващите устройства са свързани помежду си за предаване на измервателни сигнали и предприемане на подходяща оценка за глобална оптимизация. Това управление е по-изгодно в сравнение с централизираното управление, защото изисква минимално изчислително натоварване без никакви повреди. Освен това тази контролна структура има недостатъка на многостранните комуникационни системи сред локалните контролери. Този проблем може да бъде решен чрез специален алгоритъм.

Хибридното управление представлява свързани в мрежа централизирани и разпределени управляващи устройства. Възобновяемите източници са монтирани в рамките на интегрираната система. В тази хибридна система се получава съответно локална оптимизация в група и глобална оптимизация с различни групи чрез централизирано управление и разпределен управляващ блок. При тази хибридна система за контрол изчислителното натоварване е по-малко, което намалява проблема с повредите на системата. Основният недостатък на системата е потенциалната сложност на нейната комуникационна система.

Многостепенната система за управление е почти същата като хибридната, но предимството е, че има надзорен контрол, който в реално време се грижи за работата на всяка енергийна единица на базата на контролна цел в рамките на милисекунди. Управлението също така се улеснява чрез двупосочната комуникация, съществуваща между различните нива, за да изпълнява избори. Недостатъкът на тази система е потенциалната сложност на нейната комуникационна система.

Внедряване на хибридна система

Загубите, свързани с преобразувателите на електрическа енергия, всъщност са намалени до някаква достатъчна степен, но от друга страна трябва да се гарантира, че има минимално намаляване на електрическата енергия.

Жизненият цикъл, свързан с устройства за съхранение като батерии, заедно с комуникационните услуги в реално време, трябва да се подобри чрез иновативни системи. Слабата ефективност, свързана със слънчева фотоволтаична енергия, често е важна бариера в стимулирането на нейната употреба.

Всяка възможна хибридна система за възобновяема енергия изисква осъществимото, свързано с правилното проследяване на системата за проектиране, която ще отбележи важна информация за неговото продуктивно функциониране. Всеки път, когато се появява почти всяко несъответствие в генерирането на електроенергия в допълнение към желанието, системата може да отвори прекъсвачите по отношение на много по-добра безопасност в допълнение към функционирането. За контролиране на различните генератори, които са свързани с хибридната система за възобновяема енергия, към функцията за спестяване на енергия и пренасяне на натоварването се изисква разработване на малка мрежова система.

Ценовия спектър за възобновяеми енергийни източници се нуждае от значително намаляване, като се има предвид, че по-високата цена на капитала води до повишено време за изплащане. Намаляването на разходите ще осигури мотивация на пазара да може да прилага подобни устройства. За намаляване на разходите за компоненти, производствени разходи за производство и широко внедряване на мрежа от хибридни системи за възобновяема енергия е от съществено значение да се предоставят субсидии.

Има тенденция конкретни възобновяеми ресурси да бъдат независими от колебанията на натоварването и поради това трябва да се проектира подходящо управление на енергията, за да може да се увеличи продължителното съществуване на хибридната система за възобновяема енергия. Голямото отклонение в товара може дори да доведе до повреда на цялата система.

Стабилността на хибридната система за възобновяема енергия зависи от метеорологичните условия, така че тяхното разглеждане е необходимо за извършване на преходен анализ на системата относно различни ограничения като слънчева радиация, скорост на вятъра, товарови графици.

В заключение, този неконвенционален хибриден енергиен метод от PV-вятър-батерия-дизелов генератор е наличен, за да бъде технически постижим с по-малко емисии с години напред. Екологичната динамика на тази система и помага тя да бъде добър заместител за допълване на енергията, налична в отдалечените райони. Работата на хибридната система зависи от метеорологичните условия. За минимизиране на проблема с надеждността и работата на системата е необходимо да се извърши преходен анализ на системата за различни ограничения като слънчева радиация, скорост на вятъра, натоварване. Използваните в хибридната система COE са много високи, така че е необходимо да се предостави субсидия за минимизиране на първоначалните разходи на системата и намаляване на CO₂.