Гибридная дизель-солнечная электростанция.

123

В некоторых регионах  энергетические сети либо работают не в полную мощность, либо отсутствуют вообще. В результате промышленные потребители часто обеспечивают электропитание с помощью бензо-, газо- или дизель-генераторных установок. Пятьсот гигаватт установленной мощности дизель-генераторных станций во всем мире обеспечивают промышленные компании электроэнергией. Тем не менее, стоимость топлива для генераторных установок продолжает расти. Кроме того, если топливо необходимо перевозить в отдаленные регионы, то реальные затраты становятся еще выше, прибавляются еще расходы хранение топлива. В то же время за последние три года стоимость фотоэлектрических систем или солнечных электростанций (далее – СЭС) упала более чем на 50 процентов: солнечная энергия часто является самым экономичным альтернативным источником энергии для отдаленных регионов. Объединение фотоэлектрических и генераторных систем, работающих на традиционном топливе, имеет огромный потенциал, ведь солнечная энергия, которая поступает к нам в большом объеме и является абсолютно бесплатной и общедоступной, может эффективно использоваться в качестве дополнительного источника энергии как в уже существующих, так и в проектируемых промышленных энергосистемах.

В ноябре 2012 года в Южной Африке была введена в эксплуатацию первая в мире гибридная фотоэлектрическая дизельная система мощностью более 1 МВт, не имеющая подключения к централизованной. Благодаря схеме экономии топлива солнечная электростанция позволяет вырабатывать дополнительную электроэнергию и снижает нагрузку на генераторные установки. Данное решение позволяет экономить до 450 000 литров дизельного топлива в год и значительно сократить выбросы углекислого газа. Но как это работает? И что такое гибридная дизель-солнечная электростанция?

Что такое гибридная дизель-солнечная электростанция?

Термином«гибрид» обозначается то, что формируется путем комбинирования двух видов компонентов, которые выдают одинаковые или похожие результаты. Гибридная дизель-солнечная система состоит из фотоэлектрической системы (солнечной электростанции), дизельных генераторов и системы интеллектуального управления, которая следит за тем, чтобы количество сгенерированной солнечной энергии в точности соответствовало спросу на неё в текущий момент.

Как работает гибридная дизель-солнечная электростанция?

Солнечная электростанция фактически дополняет дизель-генераторные установки. Она может обеспечивать дополнительную энергию при высоких нагрузках или разгружать генераторную установку, чтобы минимизировать расход топлива. Далее избыточная энергия может храниться в аккумуляторных батареях, что позволяет гибридной системе использовать больше солнечной энергии даже ночью. Интеллектуальное управление различными компонентами системы обеспечивает оптимальную экономию топлива и минимизирует выбросы углекислого газа.

Каковы преимущества дизель-солнечной электростанции?

graf-1

Срок окупаемости гибридной дизель-солнечной электростанции

В отличие от систем электроснабжения, использующих дизель-генераторные установки, и несмотря на их более высокую первоначальную стоимость, фотоэлектрические системы могут окупиться всего за четыре-пять лет в зависимости от суммарной площади установленных солнечных панелей, локальной солнечной инсоляции и от размера самой системы. Более того, расходы на эксплуатацию этих систем сравнительно малы.

Кроме того, фотоэлектрические системы являются гибкими в плане расширения, их мощность может быть увеличена по мере роста электропотребления объектом. По сравнению с системами, использующими только генераторные установки, фотоэлектрическая дизельная гибридная система имеет множество преимуществ:

  • Более низкие расходы на топливо
  • Меньшая зависимость от повышения цен на топливо и дефицита электроснабжения благодаря оптимизированному планированию
  • Минимальные выбросы CO2 (защита окружающей среды и торговля электроэнергией, подтвержденная соответствующим экологическим сертификатом)

Данное решение для гибридных фотоэлектрических дизельных систем – это план по экономии топлива, активно развиваемом во всем мире и снижению вредных выбросов в атмосферу.

Из каких компонентов состоит гибридная дизель-солнечная электростанция?

12

 

1. Солнечные инверторы

Сетевой солнечный инвертор (stringtype)

Сетевой солнечный инвертор (stringtype)

Сетевые инверторы являются одними из основных компонентов системы экономии топлива. Разработанные специально для использования в энергосетях низкого напряжения, они прекрасно выдерживают колебания частоты и напряжения. Они также остаются чрезвычайно эффективными в суровых условиях окружающей среды, таких как повышенная или пониженная температура, влажность, соленый воздух и т.д. Существуют два типа сетевых инверторов – центральные (central) и цепочечные (string). Оба типа могут быть использованы в гибридной дизель-солнечной электростанции.

Фотоэлектрическая электростанция на центральном инверторе содержит только один силовой ввод в главное устройство, где постоянный ток преобразуется в переменный. В солнечных электростанциях на цепочечных инверторах суммарная мощность фотоэлектрической установки делится на множество подсистем, каждая из которых преобразует постоянный ток солнечных панелей в переменный своим цепочечным инвертором. Оба варианта эффективно работают с оптимизатором топливных ресурсов и выполняют функции управления энергосетью.

Инверторная подстанция (Центральный инвертор)

Инверторная подстанция (Центральный инвертор)

Выбор между системой на центральных или цепочечных инверторах зависит от множества факторов. Необходимо учитывать и затраты на установку системы, и эксплуатационные расходы. Например, техническое обслуживание системы на цепочечных инверторах не очень трудоемкое, даже в труднодоступных районах. Если требуется обслуживание, местные электрики легко могут заменить отдельные инверторы. Однако, для централизованной энергосистемы удаленный мониторинг параметров гораздо проще.

 

2. Массив солнечных панелей

 

Солнечная энергия вырабатываетсясолнечными батареями(фотоэлектрическими модулями), которые могут быть установлены на земле или на крыше в зависимости от местных условий. Сетевые инверторысовместимы со всеми типами фотоэлектрических модулей и технологиями, которые в настоящее время доступны на рынке.

 

3. Оптимизатор топливных ресурсов

 

Оптимизатор топливных ресурсов WESWEN FRO-20

Оптимизатор топливных ресурсов WESWEN FRO-20

Оптимизатор топливных ресурсов обеспечивает идеальное взаимодействие между генераторными установками, фотоэлектрическими системами и нагрузками, управляя необходимым потоком солнечной энергии, поступающим в дизельную энергосистему. Являясь центральным звеном в системе оптимизации потоков энергии, он обеспечивает максимальную безопасность, позволяет сократить расходы на топливо и минимизирует выбросы CO2. Наилучшие показатели эффективности системы и экономии топлива достигаются, как правило, при мощности СЭС, равной 60% мощности имеющейся генераторной установки.

Оптимизатор топливных ресурсов состоит из трех модулей:

  • Главный модуль контроля солнечной энергосистемы

Управляет мощностью фотоэлектрической установки, передаваемой в дизельную энергосистему. Обеспечивает оптимальное количество необходимой солнечной энергии путем оценки текущего состояния генераторной установки и общей нагрузки.

  • Интерфейсный модуль

Записывает и передает данные и заданные значения и выступает в качестве интерфейса связи между главным модулем контроля СЭС и инверторами.

  • Модуль сбора данных

Быстро и точно анализирует текущую нагрузку и выходные параметры сеть и передает данные в главный модуль контроля солнечной энергосистемы.

 

4. Дизель-генераторная установка

 

В регионах, удаленных от централизованных сетей, дизель-генераторные системы часто обеспечивают электроэнергией промышленные предприятия. Они формируют локальную энергосеть, обеспечивая постоянный источник питания для всех подключенных потребителей. Поскольку генераторные установки требуют постоянного снабжения топливом, эксплуатационные расходы на них чаще всего самые высокие. В регионах с частыми отключениями электроэнергии или нестабильными выходными параметрами по частоте и напряжению дизель-генераторные установки часто служат дополнительным источником энергии при отключении электросети.

 

5. Блок управления генераторными установками

 

Блок управления генераторными установками– это центральный терминал контроля, управления и синхронизации с другими генераторными установками.

 

6. Аккумуляторный банк (устанавливается опционально)

 

Для повышения эффективности всей системы энергоснабжения иногда целесообразно включать в неё блок аккумуляторных батарей. Когда солнечная интенсивность недостаточна или требуется дополнительная энергия после наступления темноты, аккумуляторная батарея сможет обеспечивать недостающую мощность, гарантируя оптимальную работу гибридной системы.

 

7. Промышленные потребители и нагрузки

 

Конкретные виды потребителей, например, мощные промышленные станки для добычи или переработки сырья, а также для сельскохозяйственного использования, как правило, обладают высокими пусковыми токами и широкими колебаниями графика нагрузки. Интеллектуальное управление системой гарантирует, что текущая генерация и нагрузка в любой момент будут подобраны идеально. Система обеспечивает постоянную стабильность, быстро реагируя на скачки генерации и нагрузки, например, когда включаются мощные потребители, такие как промышленные насосы, компрессора, конвейерные ленты.

Когда и где имеет смысл использовать гибридную дизель-солнечную электростанцию?

Для электрификации мощных промышленных комплексов или поселений в отдаленных регионах России идеальным решением будет интеграция в дизель-генераторные установки солнечной электростанции. Это может быть крайне актуально и целесообразно при следующих условиях:

  • Когда стоимость дизельного топлива с учетом доставки и хранения превышает 50-55 р. за литр.
  • Когда используется «умная»коммуникация между генераторными установками и фотоэлектрическими подсистемами, которая облегчает использование необходимой солнечной энергии.
  • Когда локальная инсоляция позволяет максимально использовать фотоэлектрические системы (особенно экономически выгодные условия с коэффициентом ежегодной генерации выше 1500 кВтч / кВтп).

 

Вывод:

 

Гибридные фотоэлектрические дизельные системы могут окупиться достаточно быстро, особенно в солнечных регионах с ограниченным доступом или без доступа к централизованным энергосетям. Данная технология в сочетании с дизельными агрегатами максимизирует использование солнечной энергии. Для таких отраслей, как горнодобывающая промышленность, переработка сырья, сельскохозяйственная промышленность (цветочные фермы и системы обессоливания воды), туризм (туристические объекты с высоким спросом на электроэнергию и ограниченным доступом к городским сетям)готовность к использованию, максимальная надежность и доступность являются фундаментальными. Экологические преимущества также внушительны: выбросы CO2 и шумовое загрязнение значительно сокращаются, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду. Экологичность и экономичность? Разумеется.

5 причин выбрать техническое решение на основе оптимизатора топливных ресурсов.

1

Внедрение солнечной генерации в системы электроснабжения на бензо- и дизель-генераторах является простым и распространенным решением, где ключевым вопросом стоит максимизация энергии, полученной от солнца. Для экономии дизельного топлива дизель-генератор должен быть заменен другим источником энергии. Солнечная энергия является общедоступной и недорогой и прекрасно подходит в качестве второго источника энергии в подобных системах. Однако, подбор мощности солнечной электростанции (далее – СЭС), интегрируемой в дизельную систему генерации, является ключевым. Без системы интеллектуального управления и контроля сложно добиться высокого процента солнечной мощности, выдаваемой в подобные гибридные системы электроснабжения. Неконтролируемая подача солнечной энергии в сеть дизель-генераторов может привести к снижению нагрузки на генераторы до критического уровня в периоды пиковой солнечной активности, что приведет к неэффективной работе дизельных генераторных установок, более частым циклам технического обслуживания и повреждению оборудования. Если установлена слишком мощная солнечная электростанция, возможно протекание обратных токов на дизель-генераторы, что вызовет остановку электрогенерации в лучшем случае или выход из строя оборудования в худшем.
Оптимизатор топливных ресурсов FRO-20 позволяет максимально увеличить солнечную долю генерации в гибридных системах без ущерба для генераторного оборудования, тем самым экономя дизельное топливо, и, соответственно, деньги интеллектуальным, гибким в настройках, безопасным и простым способом.

 

Умное решение

 

Пример работы оптимизатора топливных ресурсовFRO-20, контролирующего солнечную энергию и энергию, запасенную в аккумуляторных батареях, и снижающего нагрузку генераторной установки до 30%.

Пример работы оптимизатора топливных ресурсовFRO-20, контролирующего солнечную энергию и энергию, запасенную в аккумуляторных батареях, и снижающего нагрузку генераторной установки до 30%.

Оптимизатор потребления топливных ресурсов FRO-20 обеспечивает высокую долю солнечной генерации за счет управления солнечными инверторами и контролем потребляемой энергии от аккумуляторного банкатаким образом, что вклад солнечной энергии в суммарное потребление в текущий момент может достигать 90% и не оказывать отрицательного влияния на стабильность энергетической системы или исправность оборудования.

На графике показан пример энергосистемы, не имеющей подключения к централизованной сети (система off-grid),где оптимизатор FRO-20 максимально снижает выработку электроэнергии генераторной установкой. В этой системе мощность солнечной электростанции составляет 30% от номинальной мощности генераторной установки. Если доступно большее количество солнечной энергии, она накапливается в аккумуляторном банке, чтобы потом быть использованной в вечерние и ночные часы. В случае полного заряда аккумуляторного банка генерация избыточной солнечной энергии сокращается при помощи оптимизатора FRO-20 для обеспечения стабильной работы системы.

Более того, оптимизатор FRO-20 может с помощью солнечных инверторов и аккумуляторных батарей обеспечивать использование реактивной мощности, как днем, так и ночью, с целью стабилизации энергосистемы и оптимизации эффективности генераторной установки.

 

Безопасность

 

Устройство FRO-20 оптимизирует потоки энергии внутри энергосистемы. В то время как сетевые солнечные инверторы с функцией слежения за точкой максимальной мощности работают для достижения максимальной доли солнечной генерации, для FRO-20 стабильность стоит на первом месте. В алгоритм работы FRO-20 заложены ограничения по мощностям и нагрузкам, поэтому он всегда может безопасно и максимально экономично управлять энергосистемой.

Уже на этапе разработки все функции проходят тщательное тестирование в рамках системного моделирования. Каждая версия программного обеспечения тестируется в реальных условиях на тестовых гибридных силовых установках, которые позволяют проводить тестирование при установленных мощностях солнечных электростанций до 5 МВт.

В дополнение к постоянным испытаниям и симуляциям реальных энергетических процессов оптимизатор FRO-20 доказал свою безопасность на более чем 120 объектах по всему миру.

 

Гибкость

 

Оптимизатор FRO-20 отличается гибкостью в управлении, так как он измеряет параметры всех источников питания системы, такие как солнечная электростанция, генераторы, а также параметры нагрузки. Таким образом, гибкость в данном случае рассматривается с точки зрения количества объектов измерения, а также с точки зрения возможности контроля сбора данных от удаленно расположенных блоков сбора данных, которые могут находиться на расстоянии до 20 километров. Если измерение невозможно или слишком дорого, оптимизатор FRO-20 может получать данные с аналогичных генераторных установок или каскадов солнечной станции аналогичной мощности. Таким образом, FRO-20 может быть легко интегрирован в практически любые дизельные энергосистемы. Он способен интегрироваться в дизельные электростанции СЭС практически любой мощности, а также подключать в данные системы аккумуляторный банк, чтобы уменьшить нагрузку на генераторы и обеспечить необходимые потоки мощности от всех источников.

Схема системы экономии топлива

Схема системы экономии топлива

 

Легкость в использовании

 

Оптимизатор топливных ресурсов: Графический интерфейс пользователя

Оптимизатор топливных ресурсов: Графический интерфейс пользователя

 

 

Несмотря на то, что функции и алгоритмы управления в FRO-20 довольно сложны, а погода и нагрузки могут изменить состояние энергосистемы за считанные секунды, оптимизатор FRO-20 очень прост в эксплуатации, поскольку он работает полностью в автоматическом режиме после первой же настройки.

Графический пользовательский веб-интерфейс можно использовать для настройки FRO-20 и просмотра состояния энергосистемы и потоков энергии. Энергетические характеристики можно анализировать и контролировать у каждого отдельного устройства в системе. Отображение потоков энергии помогает оптимизировать систему и обеспечивает понимание того, как система работает в текущий момент.

Оптимизатор FRO-20 использует интерфейс Modbus для интеграции собственных параметров, а также параметров подсистем солнечных батарей и аккумуляторов в любое SCADA-решение. Доступные данные для замера варьируются от обобщенных значений, обеспечивающих общее представление о системе, до точных данных для каждого отдельного устройства системы.

Для долгосрочного системного наблюдения устройство FRO-20 фиксирует значения уровня мощности системы и записывает предупреждения и ошибки в файлах журналов, которые могут быть загружены с интегрированного FTP-сервера.

Поскольку FRO-20 оснащен этими простыми, но мощными возможностями для мониторинга, взаимодействия и предотвращения опасных ситуаций, его легко можно интегрировать в любое существующее решение по управлению и контролю системой.

Гибридные дизель-солнечные электростанции с использованием оптимизатора топливных ресурсов –инновационные и не имеющие аналогов в России энергетические установки, позволяющие электрифицировать самые труднодоступные и удаленные объекты с максимальной эффективностью.

 

Технические характеристики оптимизатора WESWEN FRO-20

 

Технический параметр Оптимизатор FRO главный модуль
FRO S FRO M FRO L Оптимизатор по индивидуальным параметрам
Максимальная мощность СЭС, кВт <500 <1000 <5000 <50000
Максимальное количество генераторов с измерением параметров/для связи 3/8 8/8 8/16 по запросу
Габариты ШхВхГ, мм 760х760х210 по запросу
Вес, кг 48±5
Степень защиты IP65
Кол-во цифровых вводов 10 10 10 по запросу
Встроенный ввод датчиков тока 1А 4 2/6 2/6 по запросу
Встроенный ввод датчиков напряжения 480В 2 1/3 1/3 по запросу
Визуализация и интерфейс настроек локальный и удаленный
Комплектующие и сборка Германия