Отсутствие доступа к электричеству является одним из основных препятствий на пути человеческого развития, поскольку оно нам необходимо для питания освещения, охлаждения и других основных бытовых приборов. Экономический рост невозможно представить без доступа к электричеству. Доля населения, имеющего доступ к электричеству, несомненно, является одним из самых ярких индикаторов уровня развития страны.

Подходы внедрения гибридных энергосистем

Существует несколько технических подходов к электроснабжению удаленных или изолированных территорий. Первый подход заключается в расширении национальной электросети или подключении к континентальной сети в случае островных территорий. Во многих случаях высокая стоимость расширения распределительных линий электропередачи обычно приводит к экономически невыгодным проектам. Сложное географическое положение в некоторых удаленных местах сильно влияет на затраты на расширение линии распределения. Острова и районы со сложной логистикой требуют дополнительного времени и ресурсов для развертывания распределительных линий электропередачи, поскольку в случае островов это обычно связано с подводными кабелями. Аналогичным образом, величина спроса определяет стоимость киловатт-часа расширения сети.

В отдаленных районах и на небольших изолированных островах обычно имеется небольшая потребность в энергии на каждое подключение, поэтому национальные власти и / или коммунальные службы менее склонны подключать эти населенные пункты к электросети. Более того, вопросы надежности электроснабжения и качества электроэнергии являются серьезными проблемами, с которыми обычно сталкиваются коммунальные предприятия в отдаленных районах. Потребители могут получать электроэнергию только в течение ограниченного времени в день, и отключения электроэнергии являются довольно частым явлением. Расширение электрических сетей обычно сопровождается ростом нагрузки спроса. Однако при отсутствии достаточности ресурсных мощностей подключение новых потребителей к электросети только усугубит ситуацию и снизит качество услуг электроснабжения.

Солнечные фонари, а также автономные домашние солнечные системы являются важными элементами для обеспечения энергией основного освещения, зарядки сотовых телефонов и, в некоторых случаях, телевидения. Однако другие, более энергоемкие потребности, такие как инструменты для мастерских, холодильники, котлы, или ирригационные насосы, обычно связаны с более высоким потреблением. Электрические гибридные мини-сети, безусловно, являются альтернативой, которая может обеспечить такой прогресс.

Второй подход связан с установкой домашних систем электроснабжения. Такие энергетические системы становятся все более популярными. Они обычно обеспечивают энергией отдельное домашнее хозяйство или небольшое количество домашних хозяйств и представляют собой технически надежное решение, относительно недорогое, простое в обслуживании и легкодоступное. Рассеянный и распределенный характер удаленных населенных пунктов — идеальное место для домашних систем электроснабжения, особенно с источниками возобновляемой энергии, которые обычно конкурентоспособны в удаленных районах. В большинстве случаев удаленные и изолированные места могут получить выгоду от одной или комбинации солнечных фотоэлектрических систем, солнечных домашних систем, мини- или микрогидроэлектростанций или даже ветряных домашних систем. В этих случаях источники генерации часто развертываются близко к спросу, избегая затрат на расширение распределения.

Третий подход основан на электрических гибридных сетях или микро-сетях, которые могут поставлять электроэнергию на местном уровне через распределительные сети в масштабах поселка. Электрические гибридные мини-сети, на 100% состоящие из гибридизированных с другими технологиями (например, с дизельными генераторами), быстро развертываются, легко масштабируются для удовлетворения будущего спроса на энергию и могут быть подключены к центральной сети, когда она станет доступной. Электрические гибридные мини-сети играют важную роль в электрификации лесных хозяйств и сельских районов. Они могут использовать источники генерации на основе ископаемого топлива (в большинстве случаев дизельные генераторы). В качестве альтернативы они также могут интегрировать местные источники возобновляемой энергии. Поскольку дизельные генераторы обычно требуют меньших начальных затрат, они по-прежнему очень популярны. Однако некоторые технологии возобновляемой энергии уже конкурентоспособны с точки зрения нормированных затрат на энергию.

Архитектура гибридной энергетической сети

Гибридная электрическая сеть может питаться от различных типов энергоресурсов и электростанций. В том числе с помощью гибридных систем возобновляемой энергии с солнечными фотоэлектрическими и / или ветровыми источниками, поддерживаемыми аккумуляторной системой хранения электроэнергии. Такие гибридные мини-сети позволяют источникам генерации удовлетворять спрос за счет синхронизации технологий возобновляемых источников энергии с существующими дизельными генераторами. Двунаправленный характер потока энергии может заряжать систему хранения электрических батарей всякий раз, когда избыточная энергия доступна из возобновляемых источников или с использованием дизельного генератора. Он может действовать как преобразователь постоянного тока в переменный всякий раз, когда требуется энергия от батареи. Инвертор также может предоставлять услуги «сглаживания пиковых нагрузок», как часть стратегии управления, в то время, когда потребляемая нагрузка превышает мощность предложения дизельного генератора.

Гибридная электрическая сеть обычно предоставляет услуги энергоснабжения с высокими стандартами качества, которые могут быть даже лучше, чем услуги, предоставляемые клиентам, подключенным к центральной сети в некоторых регионах. Такие электрические гибридные мини-сети обеспечивают достаточное количество энергии для удовлетворения бытовых нужд (освещение, охлаждение, связь и водоснабжение), требований коммунальных служб (медицинские учреждения и школы), а также для развития малого бизнеса и услуг в местных сообществах.

Благодаря своей модульности гибридные мини-сети демонстрируют важное преимущество: генерация адаптируется к росту спроса, поскольку технологии генерации можно легко масштабировать. Таким образом, этот вид энергетического решения является надежной альтернативой существующим дизельным сетям. Существует множество изолированных сетей на базе дизельного топлива с общей мощностью, измеряемой в гигаваттах, которые могут быть модернизированы с использованием технологий возобновляемой энергии. Это особенно характерно для многих отдаленных сельских деревень и изолированных островов.

В мини-сети электричество распределяется на местном уровне без необходимости доступа к основной сети. Мини-сеть обычно управляется оператором, который может иметь разные юридические формы для предоставления энергетических услуг конечным пользователям. Обычно мини-сеть будет работать при низком напряжении переменного тока, хотя также возможно использование постоянного тока, особенно для очень маленьких мини-сетей. Установленная мощность мини-сетей составляет от 10 киловатт (кВт) до 1 мегаватта, хотя существуют более крупные системы. С другой стороны, совместное использование ограниченных энергетических ресурсов между потребителями в мини-сети или микросети требует такой структуры тарифов, которая обеспечивает устойчивость системы и рациональное использование имеющихся ресурсов.

Существуют современные руководящие принципы и рекомендации по развертыванию солнечных фотоэлектрических — ветро — дизельных гибридных систем возобновляемой энергии с аккумуляторной системой хранения энергии в мини-сетях, а также дать некоторое представление о технических аспектах и спектрах реализации таких систем. Темы, охватываемые руководящими принципами, варьируются от сбора данных до вопросов эксплуатации и технического обслуживания с особым упором на аспекты технического проектирования.

Развертывание проекта устойчивой гибридной энергетической системы

Для успешного развертывания гибридного проекта мини-сети ВИЭ требуется ряд этапов реализации. Эти этапы реализации включают:

Сбор данных. Чтобы разработать проект, который оптимально адаптируется к конкретным условиям каждого местоположения, очень важно правильно оценить нынешний и будущий спрос на электроэнергию, природные ресурсы, существующую инфраструктуру и социально-экономические условия.

Анализ бизнес-моделей. Финансовая устойчивость проекта мини-сети зависит от соответствия бизнес-модели, выбранной для проекта. Различные государственные или частные агенты могут брать на себя разные обязанности в наиболее устойчивой модели развертывания. Тарифы и субсидии должны быть адекватно адаптированы к экономическим условиям, чтобы достичь баланса между доступностью для клиентов и возможностью покрывать затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Технический дизайн. Процесс технического проектирования включает определение оптимального сочетания технологий генерации и хранения, наилучшего расположения компонентов, архитектуры управления и инфраструктуры распределения. Этот этап должен быть основан на исследованиях оптимизации с использованием контрастирующих данных для каждого конкретного проекта, поскольку лучший дизайн зависит от конкретных условий каждого места (профиль спроса, природные ресурсы и т. д.).

Обслуживающий персонал и обучение. Обучение потребителей электроэнергии и местного персонала выполнению хотя бы незначительных текущих задач по техническому обслуживанию важно для надлежащего функционирования и обслуживания мини-сети и должно проводиться до и во время реализации проекта мини-сети.

Эксплуатация, обслуживание и управление. Многие электрические гибридные мини-сети преждевременно выходят из строя всего через несколько лет из-за отсутствия надлежащего обслуживания. Различные компоненты мини-сети должны регулярно проверяться, а планирование технического обслуживания должно согласовываться между различными агентами, участвующими в проекте.

Мониторинг и оценка проекта. Для обеспечения устойчивости проекта крайне важно отслеживать ключевые показатели эффективности. Оценка проекта позволит команде проекта провести сравнительный анализ системы и предложить действия по повышению эффективности проекта. Уроки, извлеченные из предыдущих проектов, указывают на то, что, помимо технологических барьеров, многие сбои происходят из-за отсутствия четких стандартов эксплуатации и обслуживания систем. Плохие оценки роста спроса на электроэнергию, неправильное понимание поведения потребителей, плохой дизайн тарифной структуры и отсутствие четко определенных бизнес-моделей являются основными причинами сбоев мини-сетей.

Сбор предварительных проектных данных о гибридных электрических сетях

Различные электрические гибридные мини-сети будут иметь разные технические и социально-экономические потребности, а также разные ресурсы для их обеспечения. Сбор достаточно надежных данных необходим для правильного проектирования. Отсутствие надежных данных о настоящих и будущих потребностях, природных условиях и ресурсах, а также социально-экономическом положении сообщества, в котором должна быть развернута мини-сеть, скорее всего, приведет к неудовлетворительным и неоптимальным проектам.

Оценка спроса и прогноз нагрузки на этапе планирования имеют решающее значение для оптимизации проектирования гибридной мини-сети. Избыточное увеличение мощности генерации и / или хранения приведет к низкой рентабельности предлагаемого решения для мини-сети, в то время как уменьшение размера приведет к неспособности удовлетворить все потребности и к неудовлетворенности клиентов.

Для правильного проектирования гибридной мини-сети должны быть собраны следующие данные о потреблении:

Среднесуточная потребность в энергии (в киловатт-часах). Среднее количество энергии, потребляемой за день, дает представление о необходимой мощности генерации и хранения, но этого недостаточно для правильного проектирования.

Годовая пиковая мощность (в киловаттах). Необходимо количественно определить максимальный ожидаемый уровень энергопотребления, поскольку он устанавливает минимальную генерирующую мощность, необходимую для удовлетворения всех потребностей.

Суточные профили нагрузки. Эти данные соответствуют почасовому потреблению электроэнергии в мини-сети за 1 день. Чтобы определить установку источников энергии и проанализировать меры по управлению спросом, очень важно знать, в какие часы дня имеют место периоды высокого и низкого спроса.

Сезонные колебания. Профили спроса на электроэнергию зимой и летом могут сильно отличаться в некоторых местах из-за использования кондиционеров и радиаторов, разницы в светлое время суток и т. д. Предположение, что профиль нагрузки примерно постоянный в течение года, может не работать в некоторых местах. Если данные измерений недоступны за весь год, следует оценить сезонные колебания.

Сегментация клиентов. Анализ и классификация существующих потребителей в домашних, коммерческих и государственных учреждениях должны быть выполнены на одном из самых ранних этапов планирования проекта гибридной мини-сети.

Текущий спрос на нагрузку в отдаленных сельских или островных местностях, которые уже имеют электроснабжение на основе дизельного топлива, можно легко оценить, установив регистраторы данных в электростанции. Однако рост спроса в этих населенных пунктах после внедрения гибридной системы мини-сетей из возобновляемых источников энергии предсказать непросто. Доступ к бесперебойному и менее дорогому электроснабжению может (и должен) стимулировать деятельность, которая может значительно изменить профиль спроса. В этом аспекте важны меры, чтобы максимально согласовать потребление с генерацией ВЭ.

В сельских местностях, где ранее не было электрической гибридной мини-сети с дизельным топливом, оценка спроса является более сложной задачей. В этих случаях обследования желаемых электроприборов, а также способности и готовности платить за электроэнергию проводятся в домохозяйствах как единственный способ оценить спрос. Опыт с другими уже действующими проектами электрификации в аналогичных сообществах также может быть ценным вкладом для оценки спроса, если таковой имеется. Типичные профили нагрузки на малых островах и в сельских местностях показывают их пиковую потребность в электроэнергии вечером после захода солнца, учитывая, что освещение составляет значительную часть потребляемой электроэнергии. Это увеличивает потребность в хранении энергии, чтобы устранить часть избыточной солнечной фотоэлектрической генерации и снизить потребление топлива.

При разработке проекта следует учитывать прогноз роста спроса (нагрузки) как минимум на 5 лет после установки (период, после которого в большинстве случаев неопределенность становится слишком высокой). Прогноз роста нагрузки — самая сложная часть процесса оценки спроса. Планируемое общественное использование электроэнергии и будущие проекты, которые могут возникнуть с новой мини-сетью, следует подробно обсудить с местными властями. Некоторые методы прогнозирования основаны на макроанализе, в котором потребность системы оценивается с использованием исторических данных нагрузки с использованием моделей регрессии и временных рядов. Другие вопросы, такие как рост населения, коэффициенты эмиграции и / или иммиграции, а также показатели валового внутреннего продукта в этом районе, могут быть полезны при оценке роста спроса. Независимо от точности оценки спроса, конструкция мини-сети должна быть гибкой и расширяемой.

Оценка солнечных энергетических ресурсов

Для оптимального размера и размещения фотоэлектрических установок важно иметь точную оценку падающей солнечной радиации в течение года. Солнечный ресурс может быть получен с помощью спутниковых моделей Солнца или измерения с помощью наземных датчиков. Точные и высокочастотные обычно доступны на наземных датчиках, в то время как спутниковые модели предоставляют данные с более низкой частотой измерения, но представляют более длительную историю.

Для точных расчетов выхода энергии солнечных фотоэлектрических установок требуются два различных компонента солнечного излучения:

Прямая нормальная освещенность, также известная как «лучевое излучение», — это количество солнечного излучения со стороны солнце. Солнечные фотоэлектрические панели с линзой-концентратором улавливают только эту часть солнечного излучения.

Рассеянное горизонтальное излучение, также известное как «рассеянное излучение неба», представляет собой компонент излучения, возникающий в результате отражений от атмосферы и облаков. Традиционные плоские солнечные фотоэлектрические панели также улавливают этот компонент солнечного излучения. Таким образом, это нужно учитывать при расчетах.

Имеются надежные модели Солнца, основанные на использовании спутниковых и атмосферных данных. Типичный метеорологический год для местоположения — это временной ряд, который предоставляет данные о солнечной радиации и температуре за целый год, обычно с часовыми периодами.

Данные о солнечной радиации, полученные в результате наблюдений на поверхности (в виде данных с метеостанций и измерительного оборудования), должны подвергаться качественному анализу для проверки их использования для оценки солнечных ресурсов в каждом случае. Среднегодовое значение является хорошим показателем качества ресурса, но сезонные колебания важны и влияют на итоговый оптимальный дизайн, когда они значительны (особенно в местах, удаленных от экватора и с продолжительными сезонами дождей). Когда данные недоступны за короткий промежуток времени в течение всего года, но в среднем за месяц, для моделирования могут быть сгенерированы общие временные ряды, которые дадут результаты, очень похожие на реальные измерения.

Некоторые модели могут точно предсказывать ежечасное внеземное излучение, учитывая координаты местоположения как функцию времени года. Фактическое излучение, которое попадает на фотоэлектрическую панель, зависит от количества внеземного излучения, фильтруемого в атмосфере, в основном облаками. Отношение между фактическим средним горизонтальным падающим излучением и внеземным излучением обычно называют индексом четкости. Синтетические почасовые данные индекса чистоты могут быть получены из среднемесячных данных о радиации, которые можно найти с приемлемым разрешением для большинства мест. Лучшие практики, используемые для сбора и использования данных о солнечных ресурсах при проектировании солнечных энергетических установок, можно найти в соответствующей литературе.

Оценка энергетических ресурсов ветра

Ветровые ресурсы не так легко оценить, как солнечные. Базы данных о скоростях ветра доступны для многих мест, но в отличие от солнечного излучения, средняя скорость ветра может сильно варьироваться в ограниченном пространстве. Такие факторы, как неровность поверхности, высота и препятствия (например, здания и деревья) оказывают значительное влияние на среднюю скорость ветра. Более того, средний ветер сам по себе не является даже полным индикатором ветровых ресурсов, поскольку мощность, вырабатываемая турбинами, не является линейной функцией; два годовых профиля ветра с одинаковой средней скоростью могут привести к значительно разным выходам энергии.

Наиболее распространенный метод сведения информации о ветровых ресурсах — это распределение вероятностей, которое выражает, насколько вероятно, что скорость ветра будет выше каждого значения. Распределение Вейбулла лучше всего подходит для гистограмм скорости ветра. Он определяется средней скоростью ветра и коэффициентом формы. Коэффициент формы находится в диапазоне 2-3, более низкие значения k указывают на то, что значения, отклоняющиеся от средней скорости ветра, встречаются чаще (более плоское распределение).

Оценку ветровых ресурсов можно разделить на два этапа:

Первый этап оценки ветровых ресурсов включает сканирование территории в поисках подходящих областей ветровых ресурсов на основе информации с близлежащих метеорологических станций, которая предоставляется местными властями, или информации, которую можно наблюдать. во время выездов на места. Этого должно быть достаточно, чтобы определить потенциальные установки ветряных турбин. Если подходящей местности не найдено, то установка измерительного оборудования для дальнейшего исследования не оправдана.

После того, как на предварительном этапе было определено несколько подходящих участков, последний подход потребует установки метеорологических станций, регистрирующих скорость ветра в течение достаточного периода времени, и оценки полученных данных.

Это наиболее надежный способ оценки ветровых ресурсов и принятия обоснованных решений о том, выгодно ли устанавливать ветряные турбины, и на каком конкретном участке ветроэнергетические ресурсы лучше всего. В идеале измерения следует проводить не менее одного года для регистрации сезонных колебаний и внутридневных тенденций.

Важно, чтобы измерительное оборудование было размещено на такой же высоте, что и ветряные турбины, которые могут быть установлены на этом участке. Изменения скорости ветра с высотой иногда оцениваются как функция неровности местности с использованием степенного закона или логарифмического профиля, но результаты, как правило, не очень точны по сравнению с реальными измерениями.

Оценка прочих ресурсов

Другая важная информация, которая должна быть оценена и рассмотрена перед проектированием гибридного проекта мини-сети ВИЭ, включает климатические условия, существующую инфраструктуру производства и распределения электроэнергии, наличие площадей и квалифицированной рабочей силы, а также социально-экономические ограничения.

Климатические условия (помимо солнечной радиации и потенциала энергии ветра) очень важны, поскольку они влияют на технические аспекты дизайна. Экстремальные температурные условия влияют на выбор типа батареи или места, в котором они должны быть установлены, необходимость принудительной вентиляции и т. д. Точно так же влажность и соленый воздух усиливают необходимость дополнительной защиты от коррозии в солнечных фотоэлектрических каркасах или лопасти ветряных турбин.

В местах, где возможны очень сильные ветры, следует рассмотреть дополнительные меры безопасности при установке солнечных фотоэлектрических панелей на крыше, особенно ветряных турбин. Например, некоторые производители предлагают турбины, которые можно складывать, чтобы защитить их от ураганного ветра.

В местах, где есть существующая мини-сеть на дизельном топливе, необходимо оценить срок службы, эффективность и соответствие номинальной мощности генераторов. В большинстве случаев эти генераторы старые и не обслуживаются должным образом, что приводит к очень высокому удельному расходу топлива. Иногда генераторные установки находятся в неплохом состоянии, но они не были адаптированы к уровню спроса в этом месте: таким образом, они работают с низким процентом своей номинальной мощности, что приводит к очень низкому КПД. В любом случае следует измерять удельный расход топлива. Если он слишком высок (более 0,4–0,45 литра на киловатт-час), вложения в новые эффективные генераторы в большинстве случаев определенно окупятся. Если существующие дизель-генераторы будут сохранены, им, вероятно, потребуются новые контроллеры для работы параллельно с инверторами.

Схема распределительных линий

Перед расчетом оптимального сочетания генерации следует проконсультироваться с местными властями о возможной компоновке установок, поскольку это часто является ограничением при проектировании. Не следует упускать из виду и логистику. Например, установка ветряных турбин определенного размера может быть ограничена трудностями и высокими затратами при их транспортировке и установке на островах и в отдаленных сельских районах.

Наконец, наличие четкого представления о социально-экономической реальности сообщества, в котором будет установлена мини-сеть, имеет решающее значение для хорошего проектирования. Эти аспекты влияют как на технологический дизайн мини-сети, так и на наиболее подходящую для нее бизнес-модель. Вот некоторые из наиболее важных аспектов:

Промышленная и / или коммерческая деятельность. Текущая экономическая деятельность в сообществе и особенно потенциальная, которая может возникнуть при надежном доступе к электроэнергии, очень важна, поскольку мини-сети из возобновляемых источников должны быть нацелены на самоокупаемость в будущем, не полагаясь на государственные субсидии. Электрические гибридные мини-сети должны быть спроектированы так, чтобы способствовать потенциальному экономическому росту в этих сообществах.

Готовность платить. Необходимо оценить способность и готовность потребителей платить за электроэнергию, чтобы выбрать наиболее адекватную структуру тарифов и бизнес-модель.

Наличие квалифицированной (или желающей пройти обучение) местной рабочей силы. Для реализации устойчивых мини-сетей из возобновляемых источников энергии желательно, чтобы те члены местного сообщества, которые понимают функционирование и ограничения системы, могли участвовать в ее обслуживании.