Хибридни фотоволтаично-дизелови системи

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 4, 2014

B много отдалечени региони без изградена електропреносна мрежа потребителите често осигуряват необходимото захранване посредством дизелови генератори. Цените на дизела обаче продължават да нарастват и към тях се добавят и разходите за транспорт на горивото. В същото време разходите за експлоация на фотоволтаични системи спаднаха с повече от 50% през последните няколко години.

Така слънчевата енергия се оказа най-икономичният алтернативен енергиен ресурс за отдалечените региони по света. Постепенно и логично възникна идеята да се комбинират фотоволтаични и дизелови системи, за да може слънчевата радиация да бъде използвана като допълнителен енергиен източник.

Компоненти на хибридната система

Хибридната енергийна система обикновено включва фотоволтаични модули, инвертор, един или два дизелови генератора, батерии за съхранение на енергията и контролер за автоматичен мониторинг и управление на системата. Основният принцип при експлоатацията на хибридната система е, че соларната енергия трябва да бъде първият избор за захранване, а излишната произведена енергия се складира в системата за съхранение.

Дизеловият генератор е вторичният източник на захранване. По този начин се намаляват експлоатационните разходи и разходите за поддръжка и логистика чрез свеждане до минимум на работния цикъл на дизеловия генератор и консумацията му на гориво. Интелигентното управление на различните системни компоненти може да осигури оптимална икономия на гориво и да минимизира емисиите от въглероден диоксид.

Дизелови генератори

В зависимост от необходимото ниво на надеждност в хибридната система могат да бъдат инсталирани един или повече генератори, за да се осигури непрекъсната работа дори по време на поддръжка. За системи с капацитет 50 kW или повече решение е инсталирането на няколко комплекта генератори с различни размери, за да се оптимизират факторите им на натоварване.

Комплектите генератори, особено тези с капацитет под 250 kVA (200 kW), обикновено търпят значителни загуби по отношение на ефективността, които се изразяват в увеличена консумация на гориво за единица генерирана енергия, когато се експлоатират с ниски фактори на натоварване (<40%).

При продължителна експлоатация с ниски фактори на натоварване всички генератори сериозно се амортизират. Ето защо е необходимо проектантите да подсигурят чрез дизайна факта, че дизеловите генератори ще работят максимално дълго с фактор на натоварване по-висок от 40%.

Батерии за съхранение на енергия

Според специалистите най-подходящата технология за съхранение на енергия от хибридни системи за електрификация на отдалечени райони са оловно-киселинните батерии с тръбни плочи. Двата най-разпространени типа такива батерии са VLA (батерии с вентил с течен електролит, който регулярно се допълва) и VRLA (клапанно-регулирани оловно-киселинни необслужваеми батерии). Избраната батерия трябва да е специфично разработена за соларни приложения.

Капацитетът на батерията трябва да бъде проектиран така, че тя да е в състояние да съхрани цялата енергия, необходима за захранване в периодите, когато генераторът не работи и няма интензивно слънцегреене (обикновено в нощните и сутрешните часове, ако сутрешното натоварване е слабо).

Циклите на батерията трябва да бъдат проектирани да осигурят на батерията възможност да съхранява излишната фотоволтаична енергия и да функционира при дълбочина на разряд, която позволява достатъчно работни цикли за жизнен цикъл от поне 6 години (което се равнява на 2200 цикъла при 50%-60% дълбочина на разряд при един цикъл на ден) или в идеалния случай - от 8 до 10 години.

Тъй като температурата оказва огромно влияние върху жизнения цикъл и работата на батерията (повишение на температурата само с 5 °C намалява експлоатационния период с 15%-20%), при проектирането на камерата, в която ще бъдат разположени батериите, трябва да се осигури най-ниската възможна температура за съхранението им.

Животът на батерията (измерен в брой цикли) зависи от дълбочината на разряд, достигана при всеки цикъл. Колкото по-дълбоко се разрежда батерията при всеки цикъл, толкова по-къс е животът й. Тоталният капацитет на една батерия (или общото количество ток, което може да подаде, умножено по продължителността на захранване) се намалява, когато батерията се разрежда с голям ток.

Това означава, че ако захранването, което батерията трябва да осигури, нараства с всяка година, само след няколко години батерията не само ще бъде изчерпвана по-бързо (тъй като по-висока мощност означава по-къс период за захранване на фиксиран обем складирана енергия), но и тоталният й капацитет ще намалее заради по-големия ток на разряд.

Това трябва да бъде взето предвид, когато се проектират системи за области с висок потенциал за нарастване на потреблението във времето. Условията на експлоатация и тяхната еволюция оказват сериозно влияние върху живота на батерията. Проектантите на системи за съхранение на енергия трябва да осигурят наличието на т.нар. безопасен резерв при оразмеряването на батерията.

Мултифункционални инвертори

Изборът на инвертор за хибридната система се свежда до решение, което е в състояние да контролира работата на различните източници на захранване в системата. Срив в един от компонентите й би затруднил значително функционирането на цялата система. Неправилното задаване на различните прагове на потребление, чрез които се контролира смяната на източниците, също може да повлияе негативно живота на батерията и ефективността на използването на соларна енергия.

Ето защо е необходимо системните дизайнери внимателно да проектират мултифункционалния инвертор и да настроят работния му режим с фокус върху качеството на работа, неговата здравина и издръжливост и лесната му експлоатация. Сезонните отклонения в потреблението и годишното му нарастване трябва да бъдат взети предвид, когато се определя номиналният капацитет на инвертора.

Дизайн на системата

Дизайнът на системата обикновено се определя от стратегията за експлоатация. Оптимизацията на работния режим е добре да бъде насочена към осигуряване на оптимална ефективност на дизеловия генератор и системата за съхранение на енергия, както и към удължаване на експлоатационния им период. За тази цел оптимизирането на фактора на натоварване на дизеловия генератор и цикличното опериране на батериите са от изключителна важност и оказват сериозно влияние върху разходите през целия жизнен цикъл на системата.

Концепция за дневна експлоатация

Соларната енергия е първият и единствен източник на захранване, когато генераторът не работи. Инверторът преобразува постоянния ток от фотоволтаичната инсталация в променлив ток за захранване на товарите. Допълнителната произведена енергия се съхранява в акумулаторната система.

Концепция за нощна експлоатация

Системата за съхранение на енергия е единственият източник на захранване, когато и генераторът, и PV системата са изключени. Инверторът преобразува постоянния ток от батериите в променлив ток за захранване на товарите. Батерията осигурява захранване до максималното си ниво на разряд.

Експлоатация при дефицит на енергия

Недостигът на енергия обикновено настъпва през нощта. По време на такъв дефицит батерията достига максималното си ниво на разряд и генераторът се включва. В такива моменти генераторът едновременно обслужва захранването и зарежда батерията. Скоростта на зареждане на батерията е пригодена така, че да поддържа генератора на пълен капацитет.

Операциите, които активират или дезактивират дизеловия генератор и зареждането или разреждането на батерията, се управляват от контролен модул, базиран на микропроцесор. Контролерът осъществява мониторинг и управление на подаваната и потребяваната енергия.

Система за мониторинг и контрол

Предвид сложността на една хибридна система и факта, че такива системи обикновено се инсталират в отдалечени райони, наличието на автоматизирана система за мониторинг и контрол е от първостепенно значение. Контролната система трябва да позволява на оператора ефективно да предвижда как ще функционира системата за даден период и да предприема адекватни коригиращи мерки предварително и дистанционно.

Така в краткосрочен план операторът ще може да се свърже със системата и да инициира корективни команди с цел да предотврати или отстрани вече настъпили сривове/аварии (например промяна в работния статус на инверторите).

В дългосрочен план една ефективна контролна система би трябвало да е в състояние адекватно да осъществява мониторинг и да анализира работните параметри на системата (например статуса на батерията) с цел автоматично да регулира и оптимизира енергийния мениджмънт на системата.

Предимства на хибридните системи

Хибридните системи осигуряват по-висока надеждност на захранването и минимизиране на времето без подаване на енергия чрез лесна смяна на източниците на енергия. Смяната на източниците на захранване в хибридната система на регулярни интервали би могла да удължи живота на цялата система благодарение на непостоянното използване на дизеловите генератори. Освен това, нивото на разряд на батериите остава оптимално и съдейства за удължаване на живота им. Не на последно място, хибридните системи имат по-малко вредни емисии и шум.


Top