Гибридные ветро-солнечные энергосистемы: принцип работы и момент для инвестиций

Почему объединять ветер и солнце

А гибридная ветро-солнечная энергетическая система работает, потому что эти два ресурса дополняют, а не конкурируют друг с другом.

• Солнечный достигает пика в полдень, предсказуем по сезонам и ничего не вырабатывает ночью.

• Ветер часто наиболее силён вечером, ночью и зимой — именно тогда, когда солнечная энергия слабее всего.

В подходящем месте их выработка перекрывается достаточно, чтобы сгладить суточную и сезонную кривую генерации, что уменьшает ёмкость аккумуляторов, необходимых для компенсации перерывов. Именно это сокращение объёма накопителей составляет основу экономического обоснования.

Дополняемость реальна — но зависит от местоположения

Эффект дополняемости неоднороден. Он зависит от местных ветровых режимов:

Честный вывод: гибридная ветро-солнечная система идеально подходит лишь для небольшого числа площадок и плохо подходит для большинства. Перед принятием решения проведите оценку ветрового ресурса — как минимум двенадцать месяцев данных, а лучше — смоделированный долгосрочный ряд. Распространённая ошибка — покупка турбины на основе необычно ветреного месяца.

Конфигурация системы

А гибридная солнечно-ветровая система электрогенерации для продажи обычно включает:

Ключевым компонентом является гибридный контроллер. Он должен управлять двумя источниками с сильно различающимися характеристиками выходного сигнала: относительно стабильным постоянным током от ФЭМ и переменным выпрямленным переменным током от турбины. Дешёвые контроллеры хорошо справляются с одним из них, но плохо — с другим, из-за чего гибридные системы теряют производительность незаметно.

Логика управления

В хорошо спроектированной системе приоритеты расставлены в следующем порядке:

• Обслуживание нагрузки непосредственно от того источника, который в данный момент генерирует энергию.

• Зарядите аккумулятор с избытком.

• Ограничение выработки или сброс нагрузки избыток энергии после полной зарядки аккумулятора.

Турбина создаёт дополнительную сложность: её нельзя просто отключить при сильном ветре без механической защиты. Поэтому турбинам необходим либо механизм поворота (флюгирования), либо электрический тормоз, либо нагрузка-«слив», рассчитанная на их максимальную мощность. Это инженерная необходимость, а не опция — её отсутствие является самой распространённой причиной выхода турбин из строя.

Расчёт гибридной ветро-солнечной системы

Повторяемый метод:

• Ежедневный спрос — как и для любой автономной системы, в кВт·ч/сут.

• Вклад солнечных панелей — мощность массива в кВт × продолжительность пиковых солнечных часов × 0,75.

• Вклад ветряной турбины — номинальная мощность турбины × коэффициент использования мощности. Действуйте осторожно: турбины бытового масштаба обычно достигают коэффициента использования мощности 10–20 %, а не 40 % и выше, как у промышленных установок.

• Соотнесение с потреблением , затем подберите размер аккумулятора для обеспечения автономности.

• Добавьте резервный источник питания — большинство гибридных автономных объектов сохраняют небольшой генератор на случай безветренной и пасмурной недели, которая рано или поздно возникает на любом объекте.

Полезная проверка здравого смысла: если вклад ветряной турбины составляет менее примерно 20 % от общей выработки энергии, затраты на её приобретение и техническое обслуживание редко оправдывают её установку. Те же средства, потраченные на увеличение мощности фотовольтаики и объёма накопителей, обычно являются более выгодным вложением.

Там, где это целесообразно

• Удалённые автономные объекты — телекоммуникационные вышки, фермерские усадьбы, островные коттеджи, удалённые станции мониторинга, где логистика поставок топлива является доминирующей статьёй расходов

• Прибрежные и высокогорные дома без подключения к централизованной электросети

• Объекты с выраженным дисбалансом выработки энергии зимой и летом — где для покрытия зимнего периода при использовании только солнечной энергии требуется очень большая аккумуляторная батарея

• Гибридные микросети обслуживание небольших общин

Где это редко имеет смысл: пригородные крыши, объекты с надёжным подключением к электросети и места без измеренного ветрового ресурса.

Расходы

Турбина — самая дорогостоящая часть и основной фактор технического обслуживания. Поэтому решение следует принимать исходя из ветрового ресурса, а не привлекательности технологии.

Проектирование аккумулятора для гибридной площадки

В гибридной системе аккумулятор выполняет больше работы, чем в чисто фотогальванической системе, поэтому его расчёт требует особой тщательности.

Начните с самого продолжительного ожидаемого дефицита. На гибридной площадке аккумулятор должен компенсировать разницу между выработкой и нагрузкой в течение наихудшего сочетания слабого ветра и низкой солнечной активности. Обычно это период продолжительностью от двух до четырёх дней, а не одна ночь — именно поэтому аккумуляторы для автономных гибридных систем пропорционально крупнее, чем аккумуляторы для систем только на солнечной энергии.

Затем учтите изменчивость работы турбины. Выходная мощность турбины колеблется минута за минутой. Слишком маленький аккумулятор будет часто подвергаться мелким циклам зарядки-разрядки: они менее вредны, чем глубокие циклы, но всё равно сокращают срок службы. Эмпирическое правило — обеспечить буфер ёмкости не менее чем на четыре часа средней нагрузки.

Затем выберите генератор. Большинство гибридных объектов оснащаются небольшим резервным генератором. Если он присутствует, аккумулятор можно рассчитать на два дня автономной работы вместо четырёх, поскольку генератор покрывает «хвост» энергопотребления. Без него аккумулятор должен полностью обеспечивать работу в худшем случае.

В заключение проверьте способность аккумулятора принимать заряд. Батареи на основе LiFePO4 быстро принимают заряд, что гораздо лучше соответствует переменной выходной мощности турбины по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами, способность которых к приёму заряда резко падает при уровне заряда выше 80 %. Для гибридного объекта одного этого преимущества может быть достаточно, чтобы оправдать более высокую цену LFP.

ЧаВО

Вопрос: гибридная ветро-солнечная система лучше, чем чисто солнечная система с увеличенным объёмом аккумуляторов? Только там, где ветровой потенциал действительно высок и дополняет солнечную генерацию. В остальных случаях дополнительные фотоэлектрические модули и накопители обычно дешевле и требуют значительно меньшего обслуживания.

В: Какая скорость ветра необходима? На участке должна быть минимальная средняя скорость ветра примерно 5 м/с на высоте оси ветрогенератора, при этом оценка должна подтверждаться измеренными данными. При более низких значениях окупаемость ветряной турбины будет достигнута крайне редко.

В: Можно ли добавить ветрогенератор к существующей солнечной системе? Часто — да, если инвертер или контроллер допускает второй вход. Многие гибридные инвертеры поддерживают это; в противном случае требуется отдельный контроллер ветрогенератора и нагрузка-«сток».

В: Насколько часто требуется техническое обслуживание малой ветротурбины? Не реже одного раза в год — осмотр, проверка подшипников и лопастей. Ветротурбины требуют больше внимания, чем любые другие компоненты системы.

В: Эффективно ли работают турбины в городских условиях? Нет, неэффективно. Здания создают турбулентность, снижающую выработку энергии и ускоряющую износ оборудования. Городской ветер, как правило, не является жизнеспособным источником энергии.

Оценка гибридного участка? Kinpower поставляет интегрированные ветро- и солнечные системы — фотоэлектрические массивы, гибридные инвертеры, интерфейсы для ветрогенераторов и аккумуляторы LiFePO4 — спроектированные как единая управляемая система с унифицированной системой мониторинга. См. интеграцию ветровой и солнечной энергии или изучить решения в области энергетики .