Гибридные технологии в использовании ВИЭ

Мировой опыт использования возоб­новляемых источников энергии (ВИЭ) показывает, что выработка энергии ве­троустановками, солнечными батареями и водонагревательными коллекторами в большой степени зависит от време­ни года и погодных условий, что обу­словливает проблемы со стабильностью энергообеспечения. Эта задача решается путем использования таких видов ВИЭ в составе существующих энергетических сетей или в качестве дополнительного источника энергии. Однако в последние годы предложено достаточно большое количество разработок, которые обеспе­чивают устойчивое энергоснабжение объ­ектов с помощью так называемых гибрид­ных энергетических систем на основе ВИЭ. Эта концепция получила наи­более широкое распространение приме­нительно к электрообеспечению сельских территорий и к автономному энергообеспечению удаленных объектов, например, базовых станций сотовой связи, гидро­метеорологических станций, небольших удаленных хуторов и деревень и т.п.

Гибридные системы берут наилучшие черты от каждого источника энергии и обеспечивают электроэнергию мощно­стью от 1 кВт до нескольких сот киловатт. Они могут быть разработаны как новый интегрированный дизайн в небольших системах распределения электроэнергии (мини-сетей), а также подпитываться от энергосистем, осно­ванных на дизельном электропитании. Ими могут также выполняться функции резервного электроснабжения в случае аварийного отключения традиционных сетей.

Гибридные энергетические системы чаще всего объединяют несколько возоб­новляемых энергетических источников: солнечные батареи, мини-ГЭС и другие устройства для аккумулирования энер­гии, которые преимущественно предна­значены для обеспечения объектов элек­трической энергией. В состав системы могут также входить источники тепловой энергии (биогазовые установки, солнеч­ные тепловые коллекторы) и источни­ки на органическом топливе (дизель- генераторы), которые выполняют роль резервного питания. Технологические конфигурации могут быть классифици­рованы в соответствии с видом напря­жения в сети: постоянного, переменного тока или смешанные линии.

В гибридной системе постоянного тока все компонен­ты по выработке электричества связаны с линиями постоянного тока, от которых заряжаются батареи. Схема такой системы приведена в Приложении 2. Батареи должны иметь защиту (контроллер) от переза­рядки и полного разряда. Напряжение от источников переменного тока (ветро- гидротурбины, дизель-генератор) преоб­разуется в постоянное с помощью кон­верторов. Вырабатываемое напряжение в соответствии со спросом подается на нагрузку постоянного тока. Нагрузки переменного тока запитываются через инвертор.

В гибридных системах переменного тока основные источники напряжения могут быть связаны напрямую с линией переменного тока или же через допол­нительные конверторы для обеспечения требуемых характеристик переменного тока (актуально при соединении систе­мы с централизованной электросетью). В обоих случаях двунаправленный ин­вертор контролирует подачу энергии для зарядки аккумуляторов, а также от ак­кумуляторов на нагрузку переменного тока. Нагрузки постоянного тока могут обеспечиваться напряжением от аккуму­ляторов.

Исходя из особенностей работы, ги­бридные системы классифицируются как последовательные, переключаемые и па­раллельные.

В последовательных системах (см. Приложение 3) аккумуляторы заряжаются от солнечного фотоэлектрического модуля (в представ­ленной конфигурации) или от дизель- генератора постоянного тока (при отсут­ствии солнечного излучения). От аккумуля­торов с помощью инвертора запитывается нагрузка переменного тока. Система может работать в ручном или автоматическом режиме при наличии сенсоров зарядки батарей и контроллера включения дизель- генератора. Последовательная конфигура­ция системы имеет относительно простую схему и в настоящее время применяется достаточно широко.

В качестве недостатков можно отме­тить частые перезарядки аккумулятора, что приводит к сокращению его срока службы, необходимость наличия батарей повышенной емкости (для уменьшения глубины разряда). Выход из строя инвер­тора приводит к полному отключению потребителей от сети.

В переключаемых гибридных системах переменное напряжение потребителям может подаваться через инвертор от ак­кумуляторов, возобновляемых источни­ков или от генератора переменного тока. Зарядка аккумуляторов осуществляется от возобновляемых источников или от дизель-генератора (через выпрямитель). При работе системы в автоматическом режиме контроллеры управления созда­ют необходимую конфигурацию системы, что позволяет обеспечить бесперебой­ное питание потребителей и необходи­мый уровень заряда аккумулятора.

По сравнению с последовательной пе­реключаемая гибридная система имеет большую надежность в энергообеспече­нии, но, конечно, и большую сложность.

В параллельной конфигурации гибрид­ной системы имеется возможность по­дачи энергии потребителям независимо каждым входящим в систему источни­ком (при малых и средних нагрузках), а также одновременно от всех — при пиковых нагрузках. В последнем случае требуется синхронизация формы напря­жения на выходе инвертора и генератора переменного тока.

Двунаправленный инвертор обеспечивает зарядку аккуму­ляторов от генератора переменного то­ка и преобразование постоянного тока от солнечных батарей и аккумуляторов в переменный ток. Следует отметить, что эффективная эксплуатация параллель­ной гибридной системы требует сложной системы управления. Однако, исходя из больших возможностей надежного энер­гообеспечения, последняя конфигурация имеет перспективность в практическом применении, в особенности когда в си­стему подключены несколько видов воз­обновляемых источников энергии.

Разработкам в области гибридных си­стем уделяется в настоящее время боль­шое внимание фирмами, работающими в области возобновляемой энергетики. С одной стороны, гибридные технологии позволяют решить проблему влияния погодных условий на устойчивое обе­спечение энергией от ВИЭ, с другой стороны, решить задачу автономного энергообеспечения объектов, удален­ных от централизованных электриче­ских и тепловых сетей [10].