Hybrydowe systemy energetyczne wykorzystujące wiatr i słońce: zasady działania oraz moment, w którym warto zainwestować

Dlaczego połączyć energię wiatrową i słoneczną

Ahibrydowy system energii wiatrowej i słonecznej działa, ponieważ te dwa źródła są uzupełniające się, a nie konkurencyjne.

• Słoneczny osiąga szczyt w południe, jest bardzo przewidywalna sezonowo i nie wytwarza nic w nocy.

• Wiatr jest często najmocniejsza wieczorem, w nocy i zimą – dokładnie wtedy, gdy energia słoneczna jest najsłabsza.

W odpowiednim miejscu te dwa źródła wystarczająco się pokrywają, aby wygładzić dobową i sezonową krzywą generowania, co zmniejsza pojemność baterii potrzebnej do pokrywania przerw. To zmniejszenie zapotrzebowania na magazynowanie stanowi główny argument ekonomiczny.

Uzupełnianie się to rzeczywistość – ale zależy od lokalizacji

Efekt uzupełniania się nie jest jednolity. Zależy od lokalnych wzorców wiatru:

Bezstronna konkluzja: hybrydowy system wiatr–słoneczny idealnie nadaje się tylko do niewielkiej liczby lokalizacji, a do większości jest zupełnie nieodpowiedni. Przed podjęciem decyzji przeprowadź ocenę zasobów wiatru – minimalnie przez dwanaście miesięcy zbierania danych, a najlepiej także na podstawie modelowanego, długoterminowego rekordu. Typowym błędem jest zakup turbiny oparty wyłącznie na danych z niezwykle wietrznej jednej miesiąca.

Konfiguracja systemu

Ahybrydowy system generacji energii wiatr–słoneczne do sprzedaży zwykle zawiera:

Kluczowym elementem jest sterownik hybrydowy. Musi on obsługiwać dwa źródła o bardzo różnych charakterystykach wyjściowych: stosunkowo stabilny prąd stały z fotowoltaiki (PV) oraz zmienny, wyprostowany prąd przemienny z turbiny. Tani sterowniki dobrze obsługują jedno źródło, a drugie słabo — dlatego systemy hybrydowe często działają poniżej oczekiwanej wydajności, bez by tego ktoś zauważył.

Logika sterowania

W dobrze zaprojektowanym systemie priorytety są następujące:

• Zasilanie obciążenia bezpośrednio z tego źródła, które aktualnie generuje energię.

• Naładuj Baterię z nadwyżką mocy.

• Ogranicz lub odprowadź nadmiar po całkowitym naładowaniu akumulatora.

Turbina wprowadza dodatkowy czynnik: nie można jej po prostu wyłączyć w warunkach silnego wiatru bez zastosowania ochrony mechanicznej. Turbiny wymagają więc albo mechanizmu odchylania (furling), hamulca elektrycznego, albo obciążenia odprowadzającego (dump load) dobranego do ich mocy szczytowej. Jest to konieczność inżynierska, a nie luksus — pominięcie tego elementu jest najczęstszą przyczyną awarii turbin.

Dobór mocy hybrydowego systemu wiatr–słoneczny

Powtarzalna metoda:

• Dzienna zapotrzebowanie — jak w przypadku każdego systemu pozamacierzowego, w kWh/dzień.

• Wkład energii słonecznej — moc instalacji fotowoltaicznej w kW × godziny szczytowego nasłonecznienia × 0,75.

• Wkład energii wiatrowej — moc turbiny × współczynnik wykorzystania mocy. Postępuj ostrożnie: turbiny o mocy przeznaczonej na skalę domową osiągają zwykle współczynnik wykorzystania mocy w zakresie 10–20%, a nie 40% i więcej, jak w przypadku urządzeń używanych w elektrowniach.

• Dopasowanie do zapotrzebowania , a następnie dobranie pojemności akumulatora z uwzględnieniem autonomii.

• Dodaj źródło rezerwowe — większość hybrydowych systemów pozamacierzowych utrzymuje mały agregat prądotwórczy na wypadek bezwietrznych i pochmurnych tygodni, które zdarzają się w końcu na każdym miejscu.

Przydatna kontrola zdrowego rozsądku: jeśli wkład energii wiatrowej stanowi mniej niż ok. 20% całkowitego zużycia energii, koszty zakupu i konserwacji turbiny rzadko uzasadniają jej stosowanie. Te same środki przeznaczone na dodatkowe panele PV i magazynowanie energii są zazwyczaj lepszym inwestycyjnie rozwiązaniem.

Gdzie to ma sens

• Oddalone lokalizacje pozamacierzowe — wieże telekomunikacyjne, gospodarstwa rolne, pensjonaty na wyspach, oddalone stacje monitoringu, gdzie logistyka dostaw paliwa stanowi dominującą część kosztów

• Domostwa przybrzeżne i górskie bez połączenia z siecią energetyczną

• Lokalizacje o wyraźnej nierównowadze między sezonem zimowym a letnim — gdzie samodzielne zastosowanie energii słonecznej wymagałoby bardzo dużej baterii do pokrycia zapotrzebowania w okresie zimowym

• Hybrydowe mikrosieci obsługujące małe społeczności

Tam, gdzie zazwyczaj nie ma to sensu: dachy w obszarach podmiejskich, lokalizacje z niezawodnym połączeniem z siecią energetyczną oraz miejsca bez zmierzonego zasobu wiatru.

Koszty

Turbina stanowi najdroższą część systemu i główny czynnik wpływający na koszty konserwacji. Dlatego decyzja powinna opierać się na zasobach wiatru, a nie na atrakcyjności technologii.

Projektowanie akumulatora dla hybrydowej instalacji

Akumulator w systemie hybrydowym wykonuje więcej pracy niż w czystym systemie fotowoltaicznym, dlatego jego doboru należy dokonać z należytą starannością.

Zacznij od najdłuższego przewidywanego deficytu. W hybrydowej instalacji bateria musi pokrywać lukę między generacją a obciążeniem w okresie najgorszego połączenia niskiej prędkości wiatru i słabej nasłonecznienia. Jest to często okres trwający od dwóch do czterech dni, a nie jednej nocy — dlatego baterie w hybrydowych systemach pozasieciowych są proporcjonalnie większe niż w systemach wyłącznie fotowoltaicznych.

Następnie uwzględnij zmienność turbiny. Moc wyjściowa turbiny ulega wahaniom minuta po minucie. Zbyt mała bateria będzie podlegać częstemu płytkiemu cyklowaniu, które jest mniej szkodliwe niż głębokie cyklowanie, ale nadal skraca jej żywotność. Zasada kciuka mówi, że bufor powinien wynosić co najmniej cztery godziny średniego obciążenia.

Następnie zdecyduj się na agregat. Większość hybrydowych instalacji zachowuje mały agregat zapasowy. Jeśli taki agregat jest obecny, baterię można dobrać na dwa dni zamiast na cztery, ponieważ agregat pokrywa resztę zapotrzebowania. Bez agregatu bateria musi samodzielnie pokryć najgorszy możliwy przypadek.

Na koniec potwierdź zdolność akumulatora do pobierania ładunku. Banki akumulatorów LiFePO4 szybko pobierają ładunek, co znacznie lepiej odpowiada zmiennej mocy wyjściowej turbiny niż akumulatory ołowiowo-kwasowe, których zdolność pobierania ładunku gwałtownie spada powyżej 80% poziomu naładowania. Na hybrydowej instalacji ta różnica sama w sobie może uzasadnić wyższą cenę akumulatorów LFP.

Często zadawane pytania

Pytanie: Czy hybryda wiatr–słoneczno jest lepsza niż fotowoltaika wraz z dodatkowymi akumulatorami? Tylko tam, gdzie zasób wiatru jest rzeczywiście silny i uzupełnia energię słoneczną. W przeciwnym razie dodatkowe panele PV i magazynowanie energii są zwykle tańsze oraz wymagają znacznie mniejszej konserwacji.

Pytanie: Ile wiatru potrzebuję? Średnia prędkość wiatru na wysokości osi wirnika powinna wynosić co najmniej ok. 5 m/s, a szacunek ten powinien opierać się na pomiarach wykonanych w danym miejscu. Poniżej tego poziomu turbina rzadko się zwraca.

Pytanie: Czy mogę dodać turbinę wiatrową do istniejącego systemu fotowoltaicznego? Często tak, pod warunkiem że inwerter lub sterownik akceptuje drugi kanał wejściowy. Wiele inwerterów hybrydowych to umożliwia; w przeciwnym przypadku należy zainstalować osobny sterownik turbiny oraz obciążenie odpadowe.

Pytanie: Ile konserwacji wymaga mała turbina wiatrowa? Przynajmniej jedna kontrola rocznie, wraz z sprawdzaniem łożysk i łopat. Turbiny wymagają większej uwagi niż jakakolwiek inna część systemu.

P: Czy turbiny działają w obszarach miejskich? Słabo. Budynki powodują turbulencje, które zmniejszają wydajność i przyspieszają zużycie. Wiatr miejski zazwyczaj nie jest opłacalnym zasobem.

Oceniasz lokalizację hybrydową? Kinpower dostarcza zintegrowanych systemów wiatrowo-fotowoltaicznych — panele PV, falowniki hybrydowe, interfejsy wiatrowe oraz magazyny energii LiFePO4 — zaprojektowanych jako pojedynczy, zarządzany system z jednolitą funkcją monitoringu. Zobacz integrację wiatru i energii słonecznej lub poznaj rozwiązania energetyczne .