Гибридные электростанции: солнечные и ветрогенераторы

Гибридные электростанции – это энергетические установки для производства электрической энергии из двух или более источников. Основная сфера использования — объектов, небольших сел и поселков или нескольких населенных пунктов, которые не присоединены с общей энергетической сети. Гибридные электростанции на основе возобновляемых источников энергии используют для производства электрической энергии солнечный свет, ветер. В сочетании с газодизельными генераторами это дает возможность обеспечить непрерывную подачу энергии потребителям независимо от силы ветра, погодных условий и других факторов.

Основным нормативным документом, который регламентирует использование электростанций на базе возобновляемых источников энергии, является группа стандартов ГОСТ 56124=2014, который является аналогом международного регламентирующего документа IEC/TS 62257-1:2003.

Для чего нужны гибридные энергосистемы

Возобновляемые источники энергии и экологически чистая энергетика является сейчас одним из наиболее важных направлений развития энергетических систем России и европейских стран. В Российской Федерации разработана и введена в действие Национальная программа, которая предусматривает развитие локальных энергосетей с использованием экологически чистых источников энергии. Согласно этому документу планируется ввести в действие ветровые и солнечные электростанции, которые бы обеспечивали до 32% от общей потребности в электричества страны.

Электрические установки на возобновляемых источниках энергии могут использовать биологическое сырье (отходы сельскохозяйственного производства, древесные гранулы), а также силу ветра и воды. Последние два ресурса имеют особую актуальность.

Ветрогенераторы от 100 кВт до 1 МВт:

Ветрогенераторы Antaris (BRAUN GmbH) начинают вырабатывать энергию при скорости ветра от 2,2 м/с. Конструкции выполнены из стекловолокна, усиленного армированием, что позволяет эксплуатировать их при штормовых ветрах. Станции отличаются низкими уровнями шумов (43 дБ).

Ветрогенераторы Nothern Power генерируют энергию при ветре 3,5 м/с и более. Для северных регионов предлагается версия 100 ARCTIC, адаптированная к арктическим условиям.

Для регионов со средней годовой скоростью ветра 6 м/с и выше предлагаем ветро-дизельные станции: основным источником энергии выступает ветроэнергетическая установка, в качестве резервного источника – дизель-генератор.

Видео: генерация электроэнергии с помощью ветряной и солнечной элеткростанций

Солнечная электростанция мощностью 50 кВт:

Поликристаллический солнечный модуль TrinaSolar 400 Вт - 153 шт., солнечный инвертор SILA PRO 50000 MH, контроллер заряда – MPPT. Мощность солнечных батарей – 61 кВт. Вес – 5 тонн. Тип АКБ - LifePo4 Liteh 400Ah (18,6 кВт 48В), кабель РКГМ 20 - 300  м. Вырабатывает до 430 кВтч в сутки, а так же накопление энергии до 55 кВтч, подойдёт для использования как совместно с электросетью, так и без нее. Цена с монтажом и ПНР – 4,5 млн руб. Альтернативный вариант солнечной электростанции на 50 кВт на 190 панелях 270-275П (поликристалл Grade A) стоит 2,5 млн рублей.

Но при использовании исключительно возобновляемых источников энергии — солнечного света и ветра — существует риск снижения объемов выработки энергии в течение дня, месяца, года. Связано это с тем, что эффективность их работы напрямую зависит от силы ветра, наличия облаков на небе, сезона и других факторов.

Проблема решается использованием гибридных электрических станций. Особенность этой энергетической установки в том, что она вырабатывает энергию с использованием нескольких ресурсов. Это обеспечивает непрерывность подачи электричества потребителям независимо от внешних факторов.

Управление работой таких станций производится в автоматизированном режиме. Компьютер со специализированным ПО анализирует производительность солнечных батарей и ветроустановок, при необходимости подключает дополнительные мощности в виде дизельных и/или газовых генераторов. Выработанная энергия трансформируется в переменный ток с нужным напряжением и направляется в энергосистему объекта.

Благодаря такому подходу гибридная электростанция получает все преимущества отдельных видов электроустановок. Мощность подобных станций может составлять от 1 кВт для 1 потребителя до сотен киловатт, которых хватает на обеспечение энергией нескольких небольших населенных пунктов.

Основными сферами применения гибридных электростанций, которые работают с использованием нескольких источников энергии, являются:

• Энергоснабжение отдельных объектов, которые находятся в удаленной местности и не подключены к общей электрической сети;
• Энергоснабжение поселков и групп поселков, для которых вести отдельную линию от общей электросистемы невыгодно или невозможно;
• Увеличение объема выработки энергии в энергосети, которая питается от традиционной тепловой электрической станции;
• Использование как резервного источника питания при отключении подачи основного питания.

Конструктивные особенности гибридных станций

Гибридная электрическая станция состоит из нескольких блоков:

• Модули, которые отвечают за выработку электрической энергии от ветра;
• Модули солнечных электростанций или тепловых коллекторов;
• Генераторы на биологическом топливе (опционально);
• Аккумуляторные батареи для накопления энергии;
• Дизельные или газовые генераторы, которые играют роль резервного питания.

Все источники получения электрической энергии в гибридной установке связаны между собой линиями подачи постоянного тока, которые заряжают аккумуляторы. Накопительные батареи обязательно имеют модули защиты от перезаряда и полной выработки заряда, что приводит к их порче.

Напряжение от источников переменного тока (генераторы) преобразуется в постоянный с помощью трансформаторов. Вырабатываемое напряжение, которое подается потребителям, также трансформируется в переменное и приводится к нужному напряжению.

Гибридные системы делятся на несколько разновидностей:

1. Последовательные.  Аккумуляторные батареи заряжаются от возобновляемых источников энергии или генераторов (если нет ветра и солнца). Электричество от аккумуляторных батарей после преобразования к нужным характеристикам направляется в общую энергосистему. Станция может работать в ручном или автоматическом режиме. Плюс такого варианта — простая конструкция. Минус — постепенная деградация аккумуляторных батарей и необходимость в использовании емких накопителей энергии. При поломке инвертора подача тока в электросеть прекращается.
2. Переключаемые. Электрическая энергия к потребителям подается напрямую от возобновляемых источников, генератора или аккумулятора после прохождения через инвертор. Зарядка батарей осуществляется отдельно по мере их использования.  Контроллеры управления самостоятельно подключают нужные модули в зависимости от загрузки и производительности. Такие системы более надежны и имеют высокую гибкость, но сложнее в строительстве и обслуживании.
3. Параллельные. Подача энергии в электрическую сеть производится от разных источников независимо. Может работать один из источников (при минимальных загрузках) или все сразу (когда нагрузка на энергосистему пиковая). Контроллер производит синхронизацию напряжения в зависимости от источников. Эта конфигурация наиболее эффективна, но требует очень сложных контроллеров управления.

Эффективность и экономическая целесообразность использования гибридных станций

Выгоды от строительства и эксплуатации гибридных электрических станций для конкретных объектов рассчитываются в зависимости от нескольких факторов:

• Объем электрической энергии, которые потребляет населенный пункт или производственный объект;
• Наличие возобновляемых источников энергии в местности, где используется станция;
• Распределение нагрузки среди потребителей;
• Наличие транспортной сети для доставки топлива;
• Стоимость на топливо в конкретном регионе.

Затраты на капитальное строительство гибридных электростанций на возобновляемых источниках энергии будут достаточно большими, но впоследствии вложенные средства окупаются за счет дешевой эксплуатации. Кроме того, себестоимость выработки энергии с использованием возобновляемых источников ниже, что позволяет снизить цены для потребителей или увеличить рентабельность работы энергетической компании.

Дополнительным плюсом является перспективная экономическая выхода. Очевидно, что стоимость углеводородного топлива постепенно увеличивается во всех странах мира. Это неизбежно приводит и к росту затрат на производство электрической энергии.

Станции, которые производят электричество с помощью возобновляемых источников, практически независимы от цена на дизельное топливо и газ, так как генераторы в них используются только как резервные. Даже если полностью исключить его из схемы подачи энергии, это приведет лишь к падению объемов выработки в определенные моменты, но не более чем на 10-30%.

Выгоды от строительства гибридных электрических станций максимальны при электрификации удаленных объектов. Для прокладки общей энергетической сети к ним нужно учитывать:

• Затраты на установку линий электропередач высокого напряжения;
• Установку подстанций и трансформаторов;
• Монтаж и запуск в эксплуатацию распределительных устройств.

Затраты существенно возрастают по мере увеличения расстояния между электрифицируемым объектом и ближайшей подстанцией, а также из-за сложного рельефа местности. Недостаточный уровень квалификации технического персонала в удаленной местности может стать причиной выхода из строя энергетических сетей, восстановить которые достаточно проблематично.

Гибридные системы позволяют избежать указанных выше недостатков. Автономные станции строятся в непосредственной близости от электрифицируемых объектов, работают в автоматическом режиме, не требуют большого количества персонала  для обслуживания.

Заключение

Гибридные электростанции, которые для выработки энергии используют солнечный свет и силу ветра, являются одним из наиболее перспективных способов электрификации удаленных объектов. Они же используются как резервные и дополнительные в общих сетях электроснабжения во время пиковых нагрузок.

Наиболее эффективными подобные энергетические установки будут в странах с большой территорией и/или сложным рельефом в связи со сложностями и высокой стоимостью прокладки электрических линий.