Мониторинг ключевых показателей эффективности в мини-сети позволяет лучше понять, работает ли система технически и экономически устойчивым образом. Более того, понимание взаимосвязи между различными параметрами в гибридной системе поможет определить, работает ли энергосистема ниже предельных значений или к системе можно подключить больше нагрузок.

Основные измерения, необходимые для анализа производительности системы:

напряжение батареи и SOC;

энергия, производимая из возобновляемых источников: в основном солнечная фотоэлектрическая энергия, энергия, производимая ветряными турбинами или мини-гидроэлектростанциями;

энергия, производимая дизельными генераторами;

энергия, потребляемая нагрузкой, постоянного и / или переменного тока;

расход топлива.

Однако, чтобы иметь полное представление о работе системы, рекомендуется отслеживать и сохранять следующие измерения:

солнечное излучение над фотоэлектрическими модулями;

температура окружающей среды;

температура батареи

температура фотоэлектрического модуля;

скорость ветра (если в системе ВИЭ есть ветряные турбины);

постоянное напряжение и постоянный ток фотоэлектрических генераторов;

переменный ток и мощность переменного тока фотоэлектрических генераторов;

ток заряда и разряда (постоянного и переменного тока) батареи;

состояние заряда аккумулятора и состояние его здоровья.

В идеале эти переменные должны регистрироваться автоматически регистраторами данных как минимум в течение 1 часа. Современные компоненты гибридной системы обеспечивают возможность автоматического сбора данных. Сохранение всей информации о выработке электроэнергии, напряжении аккумулятора, а также другой соответствующей технической информации обеспечивает полный и подробный процесс мониторинга работы.

Многие производители объединяют всю эту производительность в электронике внутри инверторов, используя надежные протоколы связи для отправки информации в регистратор данных. Оператор гибридной системы будет иметь доступ ко всей информации для будущего анализа. Даже если существует автоматическая система сбора данных, рекомендуется вручную записывать основные значения производительности, поскольку это обеспечивает общую бдительность среди операционного персонала.

Метеорологические переменные используются для оценки фактического количества доступной энергии, которую солнечные фотоэлектрические и / или ветряные генераторы могут производить в хороших условиях. Эти оценки помогают обнаружить проблемы и рассчитать избыток энергии. Системному оператору это необходимо для повышения эффективности работы системы.

В последние годы растет интерес к аналитике «больших данных» и Интернету вещей. В настоящее время огромное количество измерений можно хранить локально или удаленно с гораздо меньшими затратами, чем раньше. Методы управления, фильтрации, классификации и анализа больших объемов данных — предмет интенсивных исследований. Интерес к аналитике больших данных в энергетическом секторе в основном сосредоточен на крупных коммунальных сетях с сотнями тысяч потребителей, где объем измеряемой информации довольно сложно управлять. Однако разработчики проектов мини-сетей также могут извлечь выгоду из анализа больших данных для улучшения аспектов своих проектов, таких как стратегии, тарифные планы и другие аспекты проекта, путем извлечения выводов из больших наборов измерений.

Стратегии управления энергопотреблением (например, управление батареями) также можно улучшить, изучив большие наборы измерений. Аналитика больших данных также представляет собой инструмент обучения для будущих проектов, поскольку наличие больших периодов записанных измерений очень полезно для извлечения выводов об аспектах прошлых проектов, которые не работали должным образом и могли быть улучшены. Прогностическое обслуживание также упрощается, когда выполняются и сохраняются частые измерения всех параметров системы, поскольку отклонения и снижение эффективности могут быть автоматически обнаружены с помощью надлежащих алгоритмов анализа больших данных

Фотовольтаические энергетические системы

Фотогальванические (PV) системы преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока (DC). Хотя производительность зависит от места установки, обычно установленный пиковый 1 киловатт (кВт) будет производить в среднем более 0,75 киловатт-часа (кВт-ч) в день.

Следующие характеристики солнечных фотоэлектрических систем делают их предпочтительным источником энергии:

они оказывают незначительное воздействие на окружающую среду, поскольку не вызывают шума или загрязнения.

У них нет движущихся частей, которые изнашиваются во время использования, и они требуют очень небольшого обслуживания в большинстве сред. В большинстве мест дождя достаточно, чтобы они оставались чистыми.

Они имеют модульную конструкцию, поэтому их можно масштабировать для удовлетворения любых потребностей в мощности, больших или малых, и при необходимости их можно легко расширить. Это также делает их легкими в установке и перемещении.

Они надежны и могут прослужить долго: ожидаемый срок службы фотоэлектрических модулей оценивается в 30-40 лет. Ответственность производителей берут на себя 10-25 лет.

Они используют твердотельную технологию и могут быть легко изготовлены и установлены. 120. С другой стороны, мощность, которую вырабатывают фотоэлектрические системы, зависит от солнечного излучения, падающего на панель в каждый момент времени, что делает их выходную мощность нераспределяемой и иногда очень нерегулярной.

Для высокой доли фотоэлектрической энергии потребуются накопительные элементы, которые могут поглощать резкие колебания мощности, вызванные прохождением облаков, и которые позволят сэкономить часть энергии, производимой в течение нескольких часов без солнечного света. Электроэнергия, вводимая в мини-сеть, проходит через несколько устройств и этапов: сам солнечный фотоэлектрический модуль, преобразователь постоянного тока в постоянный, инвертор постоянного тока и переменного тока и трекер максимальной мощности. Общая эффективность этого процесса зависит от правильного размера и конструкции всех устройств. Чтобы оценить эту эффективность, есть два измеримых типа эффективности солнечных фотоэлектрических систем: эффективность панели на ее терминалах и эффективность фотоэлектрической генерирующей системы.

Типы фотоэлектрической генерации

Солнечные элементы можно разделить на две основные группы:

Кристаллический кремний. Это традиционная технология для солнечных панелей, которая включает два основных типа солнечных элементов: (а) Монокристаллический кремний. Расплавленный кремний затвердевает в однородную кристаллическую структуру. Хороший КПД в диапазоне 13% -18%. Хорошая максимальная мощность на единицу площади около 150 Вт на квадратный метр (Вт / м2). Этот тип влечет за собой высокие производственные затраты и, следовательно, является дорогостоящим. (б) Поликристаллический кремний. Расплавленный кремний заливается в форму, кристаллизируется несовершенным образом и образует случайные границы кристаллов. КПД на 12% -14% ниже, чем у монокристаллических ячеек. Максимальный коэффициент мощности на единицу площади около 100 Вт / м2. Этот тип немного дешевле монокристаллического.

Тонкопленочные панели. Их изготавливают путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала (аморфного кремния, теллурида кадмия [CdTe], селенида меди, индия и галлия [CIGS]) на подложку, в результате чего создаются элементы, похожие на бумагу. Эффективность коммерческих рулонов тонкой пленки все еще низкая (7-10%) и, как известно, снижается со временем использования. Они хорошо работают с низким уровнем рассеянного излучения и обычно дешевле в производстве, чем элементы из кристаллического кремния. Площадь, необходимая для производства того же количества энергии, больше, чем у кристаллического кремния, но такая тонкость дает им преимущество в том, что они лучше адаптируются к таким поверхностям, как стены или крыши, с меньшим эстетическим воздействием.

Конфигурация массива и размещение фотоэлектрических установок

При настройке массива и установке фотоэлектрических модулей необходимо принять во внимание несколько соображений. Конфигурация массива: количество модулей, соединенных последовательно, вместе с минимальной температурой помещения, будет определять требуемый диапазон входного напряжения постоянного тока инвертора. Выходная мощность фотоэлементов зависит от напряжения для каждого заданного уровня излучения. Для извлечения максимально возможной мощности в каждой ситуации в фотоэлектрические инверторы встроены электронные устройства, называемые трекерами максимальной мощности (MPPT). Когда фотоэлектрические панели расположены далеко друг от друга или имеют разную ориентацию, они будут поражены разным уровнем излучения и, следовательно, будут иметь разные оптимальные напряжения. В этом случае существует компромисс между стоимостью установки большего количества каналов MPPT для извлечения большей части каждого модуля и группированием большего количества панелей в каждом MPPT.

При принятии решения о том, где и как разместить солнечные фотоэлектрические панели, следует принимать во внимание следующие (обычно противоречащие друг другу) факторы: стоимость установки, производительность массива, легкость доступа для обслуживания, а также эстетическое и / или социальное воздействие.

Основные соображения при выборе места для солнечных фотоэлектрических установок

Следует полностью избегать частичных теней, особенно в часы максимальной радиации. Ячейки соединяются последовательно и параллельно, образуя модули; Различные уровни излучения, падающего на каждую ячейку, приведут к разному напряжению ячейки, которое вызовет циркулирующие токи внутри панели (эффект горячей точки). Это приведет к повышению температуры и повреждению клеток. Чтобы этого не произошло, ячейки подключаются через диоды. Из-за этого затенение небольшой части поверхности панели приводит к гораздо большему снижению мощности, чем заштрихованная часть. Особое внимание следует уделять тому, чтобы избежать теней от деревьев и зданий, и при планировании солнечных фотоэлектрических установок следует учитывать достаточное разделение рядов, чтобы панели не затеняли друг друга в течение нескольких часов дня.

По той же причине все модули в последовательной цепочке должны быть в одной ориентации и содержаться в чистоте. При максимальном облучении в жарких местах рекомендуется поддерживать температуру панелей на уровне 25–30 ° C. Более ветреные зоны могут помочь сохранить эффективность панелей в более прохладном состоянии.

Существует несколько вариантов монтажа массива:

Монтаж на земле (стойка, штора, столб или трекинг). Установки, устанавливаемые на земле, обычно легче доступны для установки и обслуживания. Однако это может быть большим недостатком, поскольку панели будут больше подвержены затенению и вандализму. Установка на столб иногда может быть лучшим вариантом, чем классические стойки, поскольку они позволяют менять ориентацию. Установленные на столбах автоматические солнечные трекеры — дорогой вариант и обычно не рентабельный при нынешних ценах на солнечные фотоэлектрические модули. (

Монтаж на крыше (реечный, неразъемный и отдельно стоящий). Установка на крыше, как правило, будет лучшим выбором, чтобы избежать затенения. Стоимость установки может быть несколько выше. Несмотря на то, что установка на стойке и в стойке менее эстетична, она обеспечивает лучшее охлаждение и доступ для обслуживания, чем встроенная установка.

Системы ветроэнергетики

Энергетические системы ветра состоят из ветряных турбин, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в постоянный или переменный ток, и необходимых преобразователей силовой электроники для преобразования этой энергии в постоянный или переменный ток напряжения и частоты системы RE. Экономическая эффективность ветровой энергии зависит от конкретного участка, так как средняя скорость ветра может сильно варьироваться на небольших участках. Энергия ветра может быть хорошим дополнением к солнечной фотоэлектрической генерации, поскольку она не прекращается ночью, и в большинстве мест месяцы низкой солнечной радиации также являются самыми ветреными месяцами. Комбинация солнечной фотоэлектрической энергии и энергии ветра может быть лучшим способом достижения высоких фракций ВЭ в местах с хорошими ветровыми ресурсами. Как правило, принято считать, что средняя скорость ветра более 5 метров в секунду указывает на рентабельность ветроэнергетики.

Типы ветряных турбин

Ветровые турбины можно классифицировать следующим образом:

Малые, средние и большие ветряные турбины. Турбины, подходящие для мини-сетей, представляют собой турбины малого или среднего размера, в то время как большие турбины используются исключительно в ветряных электростанциях, подключенных к сети. Хотя официальной классификации нет, турбины с пиковой выходной мощностью менее 50 кВт могут быть отнесены к малым, а до 250 кВт — к средним.

Горизонтальная ось против вертикальной оси турбин.

(a) Ветровые турбины с горизонтальной осью являются наиболее распространенным типом турбин для средних и крупных сетей из-за их более высокой аэродинамической эффективности и надежности. Они состоят из двух- или трехлопастного ротора, установленного на высокой башне, где скорость ветра выше и менее турбулентна. Они должны быть ориентированы в соответствии с направлением ветра, чтобы использовать его энергию, и, следовательно, для изменения ориентации лопастей требуются механизмы управления. Трехлопастные турбины являются наиболее распространенным типом, поскольку в целом они более аэродинамически эффективны и надежны, чем двухлопастные турбины. Однако некоторые утверждают, что разница в стоимости в некоторых случаях может сделать двухлопастные турбины лучшим выбором. Максимальная выходная мощность изменяется пропорционально площади, охватываемой ротором.

(b) Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) — это те, основные компоненты которых расположены у основания турбины, а вал главного ротора установлен вертикально. В то время как ветряные турбины с горизонтальной осью лучше всего подходят для средних и крупных приложений, VAWT имеет некоторые преимущества, которые делают их интересными для небольших ветряных турбин, которые могут быть установлены в мини-сетях. Им требуется меньше места, поэтому их можно упаковать вместе, ближе друг к другу в ветряных электростанциях, что важно, например, в случае островов с ограниченным доступным пространством. Они также менее шумны, что может быть требованием в случаях ограниченного пространства, когда их необходимо размещать рядом с жилыми районами. Небольшие VAWT могут быть построены на крышах домов. Их не нужно направлять на ветер, поэтому они подходят для зон с постоянно меняющимся направлением ветра (например, крыш в жилых районах). Генератор и редуктор можно разместить у земли, что упрощает обслуживание. С другой стороны, VAWT менее аэродинамически эффективны, а большие колебания силы, прилагаемой во время каждого вращения, делают их склонными к усталостному разрушению и, следовательно, менее надежными. Их использование обычно ограничивается приложениями малого и среднего размера, где ограниченное пространство является ключевым фактором.

Сравнение турбин с фиксированной частотой вращения и турбин с регулируемой частотой вращения. В зависимости от типа управления ветряные турбины классифицируются как турбины с постоянной или регулируемой скоростью.

(а) Ветровые турбины с постоянной скоростью работают почти с постоянной скоростью в зависимости от конструкции их генератора и редуктора. Их схемы управления пытаются максимизировать выходную мощность за счет управления крутящим моментом ротора. Ветровые турбины с постоянной скоростью могут быть дополнительно классифицированы как сваливание или регулировка шага в соответствии с их аэродинамическим регулированием. Ветровые турбины с постоянной скоростью имеют несколько преимуществ: прочные, простые и обычно более надежные; более эффективны с точки зрения электричества и не требуют преобразователей; таким образом, не вводите гармоники; и более низкие капитальные затраты, чем турбины с регулируемой частотой вращения. С другой стороны, турбины с фиксированной частотой вращения имеют более низкий КПД и более высокие колебания выходной мощности, что является серьезным недостатком мини-сетей.

(b) В ветряных турбинах с регулируемой скоростью скорость вращения ротора и углы наклона лопастей регулируются, когда скорость ветра ниже номинального значения. Скорость ротора регулируется для достижения оптимального соотношения скорости ветра к скорости ротора. Турбины с регулируемой скоростью имеют следующие преимущества: более эффективны и подвержены меньшим механическим нагрузкам; и поскольку их контроллеры более сложные, они обладают лучшими характеристиками стабильности напряжения. С другой стороны, их электрический КПД ниже, поскольку им требуется интерфейс преобразователя, который преобразует ток переменной частоты в постоянную частоту. Это также подразумевает некоторый уровень гармонических искажений. Турбины с регулируемой скоростью более дорогие. Тем не менее, дополнительная стоимость турбин с регулируемой частотой вращения обычно компенсируется их более высокой и стабильной выработкой энергии. В настоящее время на рынке преобладают турбины с регулируемой частотой вращения.

Кривая мощности

Кривая мощности ветряной турбины показывает выходную электрическую мощность турбины при различных скоростях ветра. Форма этой кривой зависит от всех элементов конструкции: турбин (количество и форма лопастей), тормозных механизмов, типа передачи между ротором и генератором, генератора, трансформаторов, преобразователей и т. д. Кривая мощности для турбины с регулируемым шагом имеет скорость ветра (при которой ротор начинает вращаться и начинает вырабатываться мощность) и скорость ветра (при которой выходная мощность остается постоянной, даже если скорость ветра увеличивается).

Турбины с активным управлением срывом также имеют аналогичные кривые мощности, поскольку их система управления также позволяет им поддерживать номинальную выходную мощность в широком диапазоне скоростей ветра. Для турбин с пассивным управлением срывом типичная кривая мощности уменьшается при превышении номинальной скорости ветра, поскольку они спроектированы с пассивным аэродинамическим тормозным механизмом, эффект которого более выражен при увеличении скорости ветра выше номинальной. Типичные кривые мощности можно увидеть на рисунке ниже.

Соединение ветряных турбин в мини-сетях и при размещении

В большинстве небольших ветряных турбин используется генератор с постоянными магнитами, который вырабатывает переменный ток, который преобразуется в постоянный. Этот постоянный ток может быть подключен к батарее и ее преобразователю с помощью контроллера заряда (связь постоянного тока) или может быть входом в инвертор ветряной турбины, который напрямую преобразует его в переменный ток на уровне напряжения и частоты сети. В ветряных турбинах среднего размера обычно используется индукционный генератор, и они больше подходят для связи по переменному току, чем для прямой зарядки аккумуляторов. Расположение ветряной турбины имеет решающее значение для ее производительности. Ветровые турбины необходимо размещать вдали от препятствий, таких как дома и деревья, поскольку они замедляют ветер и вызывают турбулентность. В идеале турбины следует размещать на возвышенных гладких поверхностях, например на холмах, вдали от зданий. Крыши — еще один вариант для достаточно маленьких ветряных турбин.

Мониторинг и оценка проекта гибридной электрической системы