Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии

О. С. Попель, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии и энергосбережения, Институт высоких температур РАН

Введение

Автономные энергоустановки мощностью от нескольких сотен ватт до нескольких сотен киловатт являются широко востребованными в различных секторах экономики и географических регионах России, где вне систем централизованного энергоснабжения проживает более 20 млн чел. Сегодня энергоснабжение автономных потребителей обеспечивается в основном с помощью бензиновых и дизель-генераторов, эксплуатация которых сопряжена с большими затратами на периодический завоз топлива и обслуживание. Дополнительными негативными факторами использования таких установок являются выбросы продуктов сгорания в окружающую среду и шум. Серьезной экологической проблемой является загрязнение окружающей среды топливными контейнерами.

В последнее время все более широкое применение находят комбинированные дизель-ветровые или дизель-фотоэлектрические автономные энергоустановки, использование в которых возобновляемых источников позволяет экономить органическое топливо. Однако такие технические решения не приводят к кардинальному решению проблемы. Они несут с собой большинство существенных недостатков, характерных для традиционных установок на привозном органическом топливе.

Целью данной работы является анализ возможности создания автономных энергоустановок, работающих только на возобновляемых источниках энергии, среди которых солнечная и ветровая энергия являются наиболее универсальными и повсеместно доступными.

Рисунок 1 (подробнее)   Среднедневные суммы солнечной радиации за год, оптимально ориентированная поверхность

Рисунок 2 (подробнее)   Среднегодовая скорость ветра на высоте 50 м

Россия, как и другие страны, располагает значительными ресурсами солнечной и ветровой энергии. На рис. 1, 2 представлены карты распределения поступления солнечной радиации и средней скорости ветра по территории России. Карты построены с использованием результатов многолетних спутниковых наблюдений NASA [1, 4]. С точки зрения оценки ресурсов солнечной энергии, наиболее объективными являются данные о приходе солнечной радиации на поверхности, оптимально (т. е. обеспечивающие максимальный сбор солнечного излучения) ориентированные в пространстве. Солнечные коллекторы и фотопреобразователи обычно устанавливаются неподвижно (без систем слежения за Солнцем) с ориентацией приемной поверхности на юг. При этом в зависимости от широты местности и периода эксплуатации установки существует оптимальный угол наклона приемника к горизонту, равный при круглогодичной эксплуатации примерно широте, а при сезонной (теплый период года) – широте -10–15°. Приведенная карта (рис. 1) распределения поступлений солнечной радиации построена для оптимальных углов, соответствующих максимальным годовым суммам солнечной энергии. Следует подчеркнуть, что при этом каждой географической точке соответствует свой оптимальный угол наклона приемника к горизонту. Интересно отметить, что при таком подходе к оценке ресурсов в существующих границах России наиболее солнечными регионами являются Приморье и юг Иркутской области (среднегодовое поступление солнечной энергии 4,5–5 кВт•ч/м²•день). Северный Кавказ, включая Сочи, характеризуется примерно такими же годовыми поступлениями солнечной радиации, как и Якутия (4–4,5 кВт•ч/м²•год). Важно отметить, что приведенные данные опровергают утверждения о том, что Россия является страной, где использование солнечной энергии вследствие ее высокоширотного расположения малоперспективно. Поступления солнечной радиации в наиболее солнечных регионах страны практически не уступают «солнечной» Испании, где суммы солнечной радиации больше всего на 10–15 %. Даже в самых северных районах страны имеются значительные ресурсы для эффективного использования солнечной энергии, по крайней мере, в летнее время.

Что касается ветровых ресурсов, то в России они максимальны в районах морских побережий. Значительными ресурсами располагает и юг европейской части страны.

Существенными недостатками солнечной и ветровой энергии являются относительно низкая плотность энергетических потоков (для солнечной энергии среднегодовая мощность не превышает 200–250 Вт/м², а для ветра (при средней скорости ветра 5–6 м/с) – менее 100 Вт/м², а также их нерегулярность и зависимость от сезонных и погодных условий.

В такой ситуации основной научно-технической проблемой создания эффективных автономных энергоустановок на основе солнечной и ветровой энергии является проблема аккумулирования энергии.

Как показывают отечественные и зарубежные исследования, применение в составе солнечно-ветровых установок водородных накопителей, представляющих собой комбинацию электролизера воды, аккумуляторов водорода и кислорода и батареи топливных элементов, обеспечивающих эффективное (практически без потерь) долгосрочное аккумулирование энергии, может обеспечить кардинальное решение указанной выше проблемы аккумулирования энергии и позволит создать полностью автономные экологически чистые автоматизированные солнечно-ветровые энергоустановки с высокими потребительскими качествами.

Изложенное выше определяет целесообразность проведения расчетных и экспериментальных исследований в обоснование оптимальных конфигураций автономных энергоустановок, состава и конструкции комплектующего оборудования с учетом реальных климатических условий эксплуатации и особенностей потенциальных потребителей.

Концепция автономной энергоустановки на ВИЭ

Упрощенная структура автономной энергоустановки на ВИЭ изображена на рис. 3.

В состав рассматриваемой энергоустановки входят первичные источники энергии: фотоэлектрические преобразователи и ветроустановка, выработка энергии которыми, как правило, существенно не совпадает с графиками потребления энергии потребителем, который, в общем случае, нуждается в электроэнергии, в тепловой энергии, а также, в ряде случаев, и в холоде. В этой ситуации ключевым компонентом автономной системы является система аккумулирования, преобразования и вторичной генерации энергии. Для обеспечения наиболее эффективного преобразования первичных видов энергии и удовлетворения нужд потребителя энергоустановка должна быть снабжена «умной» системой автоматического управления.

Рисунок 3. Основные компоненты автономной энергоустановки на ВИЭ

Выработка энергии фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и ветроустановкой сильно зависит от климатических условий эксплуатации установки. Мощность ФЭП изменяется во времени пропорционально облученности их рабочей поверхности солнечным излучением. Мощность ветроустановки на основном рабочем участке пропорциональна кубу скорости ветра. Поступление солнечного излучения на поверхность земли, также как и скорость ветра, изменяются в зависимости от погодных условий, имеют ярко выраженные суточные и сезонные зависимости. Так, среднемесячный летний приход солнечного излучения в средних широтах в 4–5 раз превышает среднемесячное поступление в зимние месяцы.

Для краткосрочного аккумулирования электроэнергии (до нескольких часов) в составе автономных энергоустановок используются электрохимические аккумуляторы. Однако их размеры, стоимость и надежность становятся, как правило, неприемлемыми при попытках построить систему аккумулирования долгосрочного хранения энергии. В этой ситуации включение в состав энергоустановки водородного накопителя энергии (рис. 4), представляющего собой комплекс из электролизера воды, ресиверов водорода и кислорода необходимой емкости, в которых газы хранятся под давлением, и батареи топливных элементов, оказывается привлекательным, поскольку такое техническое решение позволяет решить проблему долгосрочного хранения энергии практически без потерь.

Рисунок 4. Схема водородного накопителя

Вместе с тем, обеспечение большого ресурса работы топливных элементов и электролизеров требует стабилизации режимов потребления / отбора мощности; их эксплуатация в маневренных режимах должна быть ограничена. В этой связи целесообразно создание комбинированных энергоустановок, в которых сочетаются различные источники электрической энергии, одни из которых, ввиду их высокой энергоемкости (топливные элементы), можно рассматривать как источники энергии, а другие (например, аккумуляторные или конденсаторные накопители) – как источники мощности, обеспечивающие пиковые и переходные режимы потребления мощности нагрузкой. Согласовать режимы работы источников энергии и мощности можно с помощью соответствующих электронных преобразователей.

Итак, разработка полностью автономной эффективной энергоустановки, использующей в качестве первичных источников энергии солнечную и ветровую энергию, связана с поиском и обоснованием ее оптимальной конфигурации и состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности должна быть минимальная стоимость энергоустановки при гарантированном энергообеспечении потребителя. Решение задачи создания таких оптимальных автономных энергоустановок возможно лишь на основе сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, основные направления которых обсуждаются ниже.

Математическое моделирование солнечно-ветровых автономных энергоустановок

Для построения математической модели работы солнечно-ветровой автономной энергоустановки, прежде всего, необходимо обеспечить возможность моделирования первичных возобновляемых источников энергии с характерной для них неравномерной генерируемой мощностью в зависимости от географической точки, сезона и времени суток. Для этой цели используется климатическая база среднемесячных данных, созданная в ИВТ РАН [1, 2] на основе обобщения результатов многолетних метеорологических наблюдений на отечественных метеостанциях [3] и спутниковых данных NASA [4]. Реальные климатические условия формируются в формате так называемого типичного метеогода (годовые часовые последовательности интенсивности солнечной радиации, скорости ветра, температуры наружного воздуха и других метеопараметров), что позволяет моделировать работу первичных источников в любой заданной географической точке. Генерация типичного метеогода обеспечивается с помощью современных специализированных программных средств, в качестве одного из которых авторами используется программа TRNSYS [5], предназначенная для моделирования сложных систем преобразования энергии возобновляемых источников в характерных для них нестационарных режимах работы.

Модульный характер TRNSYS, наличие исходного кода и четких правил описания и связывания модулей определяют открытый характер TRNSYS, позволяя пользователю создавать модули описания собственных элементов и включать их в моделируемые системы, расширяя таким образом возможности среды моделирования. Кроме того, независимой переменной при моделировании не обязательно должно быть время, что дает возможность проводить вариантные расчеты, исследуя поведение квазидинамической системы при изменении соответствующих параметров.

Расчетная схема солнечно-ветровой энергоустановки включает в себя как стандартные модули, входящие в поставляемую конфигурацию пакета TRNSYS, так и специально написанные для решения поставленной задачи. Из стандартных модулей в схеме использованы программы генерации часовых последовательностей сумм солнечной радиации, температуры окружающего воздуха и скорости ветра в формате типичного метеогода по среднемесячным данным (TMY), пересчета потоков солнечной радиации с горизонтальной на наклонную поверхность (PV orientation), модули визуализации временных процессов (Type 65) и контроля интегральных критериев работы энергоустановки (Efficiency). Специально разработаны модули расчета батареи фотоэлементов (PV-module) и ветроагрегата (WindTurbine), нагрузки (Load), аккумуляторного накопителя (Battery), электролизера с согласующим преобразователем (Electrolyser), ресивера (Reciver), батареи топливных элементов с согласующим преобразователем (FuelCell), а также модель блока управления (Controller). Модель допускает расширение состава и характеристик блоков. Информационная схема установки (схема связей между ее элементами) в системе TRNSYS приведена на рис. 5.

Рисунок 5. Информационная диаграмма моделируемой автономной энергоустановки

Программы расчета отдельных блоков модели позволяют произвольно задавать основные технологические параметры устройств: КПД, коэффициенты потребления мощности на собственные нужды, минимальные уровни потребления в ждущем режиме, производительности и удельные потребления (в том числе нулевые значения, фактически исключающие отдельные блоки из конфигурации энергоустановки), а также уровни максимальной емкости и интенсивности. Блоки индикации и контроля интегральных критериев позволяют отображать информацию о состоянии процессов в блоках (значения мощностей, накопленных энергий и объемов, значения потерь энергии), а также отображают интегральные значения основных показателей: интегральный КПД, потребленную за определенный период (месяц, сезон, год) энергию, генерируемую первичными источниками энергии, и коэффициент ее использования, среднюю энергию, потребляемую нагрузкой, дефицит энергии (мощности) в случае невозможности полного обеспечения требования нагрузки, коэффициент покрытия мощности нагрузки, массу отдельных устройств и общую массу энергоустановки, стоимости, в том числе стоимости 1 кВт•ч генерируемой энергии, потери энергии электрические и тепловые и т. д.

Важным модулем компьютерной модели является блок управления, который функционирует по сигналам текущего состояния устройств, источников и нагрузки, и позволяет управлять уровнями заряда / разряда буферной батареи, ресивера, включением и текущими значениями мощностей электролизера и батареи топливных элементов, а также возможным уровнем подачи мощности в нагрузку. Алгоритм работы блока управления основан на использовании критерия максимального совокупного КПД энергоустановки, для чего разработан и применен принцип приоритетного использования энергии источников. Энергоснабжение потребителя осуществляется преимущественно напрямую от первичного источника (с максимальным КПД), минуя промежуточные стадии преобразования энергии. При избыточной мощности первичного источника электроэнергия накапливается в электрохимических накопителях и, наконец, избыточная мощность позволяет накапливать водородное топливо. Аналогичный принцип используется для обеспечения текущего потребления мощности нагрузкой: при дефиците мощности первичного источника реализуется энергия электрохимических накопителей, которая, при необходимости, пополняется за счет батареи топливных элементов, использующей накопленное ранее водородное топливо. Разработанный алгоритм управления комбинированной энергоустановкой может в дальнейшем использоваться в реальных устройствах.

Выбор той или иной степени детализации функциональных характеристик устройств автономной водородной комбинированной энергоустановки является определяющим условием полезности компьютерной модели установки с точки зрения достижения поставленных целей моделирования. Понятно, что каждое из устройств энергоустановки является сложным объектом, в котором протекают разнообразные взаимосвязанные физические процессы, причем для многих из них (например, топливных эле-ментов с протон-обменной мембраной) пока отсутствует не только полная физическая модель, но по некоторым показателям отсутствуют и достоверные экспериментальные данные, не говоря уже об отсутствии теоретического обоснования модели процессов. С другой стороны, чрезмерное упрощение функционального описания отдельных устройств, очевидно, не позволит найти адекватные ответы на поставленные вопросы оптимизации состава энергоустановки, определения рациональных режимов работы отдельных устройств и установки в целом.

Исходя из изложенного, выбор функционального описания устройств энергоустановки определялся основными целями моделирования:

- минимизация мощности первичных источников энергии, необходимой для обеспечения работы нагрузки;

- оптимизация состава первичных источников энергии для различных географических точек и параметрах метеогода;

- получение оценок требуемой (минимальной) совокупной массы и стоимости установки и отдельных устройств;

- получение оценок и зависимостей параметров устройств энергоустановки от режимов потребления мощности нагрузкой (нагрузками); формулирование рационального режима нагрузки;

- получение оценок рациональных параметров устройств для различных географических регионов, выявление наиболее критичных показателей устройств;

- отработка вариантов алгоритма управления режимами работы устройств энергоустановки;

- сопоставление технико-экономических показателей установки при различных ее конфигурациях и т. д.

Функциональные модели уст-ройств должны быть достаточно простыми и в то же время должны правильно описывать качественную картину формирования показателей оптимизации при относительно небольших количественных погрешностях. Модели должны быть интерактивными: они должны обеспечивать ввод новых значений основных технологических параметров, связанных с появлением более совершенных устройств или с определением достижимых характеристик при изменении того или иного параметра.

Исходя из целей моделирования, описания отдельных устройств должны содержать основные мощностные, энергетические, массогабаритные и стоимостные показатели, а также показатели эффективности (КПД) и потерь энергии, позволяющие проводить соответствующий анализ и оптимизацию, а также параметры метеогода для различных географических районов и режима нагрузки, которые, очевидно, оказывают, наряду с технологическими параметрами устройств энергоустановки, решающее влияние на результаты оптимизации. Другие характеристики устройств, например, уровни напряжения и тока, вольтамперные (при адекватном учете потерь энергии и мощности), температурные, нагрузочные зависимости и т. п. могут быть исключены из рассмотрения, по крайней мере, на первых этапах исследований на компьютерной модели, поскольку они не оказывают существенного влияния на принятые критерии оптимизации.

Для иллюстрации возможностей практического использования разрабатываемой модели приведем некоторые результаты предварительного сравнительного анализа возможности создания полностью автономных энергоустановок на базе использования фотоэлектрических и/или ветровых установок в реальных климатических условиях.

Рассмотрим следующие простейшие варианты конфигурации автономной энергоустановки. В качестве первичных источников энергии рассмотрим фотоэлектрическую батарею, ветроустановку или их комбинацию. В качестве системы аккумулирования и вторичных источников энергии выберем электрохимическую батарею и ее комбинацию с водородным накопителем. Для упрощения анализа рассмотрим возможность покрытия с помощью автономной энергоустановки постоянной в течение года нагрузки мощностью 1 кВт. Сравнение показателей энергоустановок проведем для климатических условий г. Ахтубы (Астраханская обл.).

Распределения среднедневных сумм солнечной радиации и среднедневных скорости ветра в течение года, характерные для данного места, приведены на рис. 6.

Рисунок 6. Годовые среднедневные распределения сумм солнечной радиации (красные) и скорости ветра (синие)

Видно, что среднедневные суммы солнечной радиации имеют ярко выраженный максимум в летнее время, в то время как средняя скорость ветра в данном регионе имеет более равномерное распределение в течение года с некоторым снижением интенсивности в летний период.

На рис. 7 представлены расчетные зависимости полной стоимости солнечно-водородной энергоустановки от годовой доли (s) покрытия нагрузки (1 кВт) и следующих 4 конфигураций энергоустановок:

- фотопреобразователь + аккумуляторная батарея (PV);

- ветроустановка + аккумуляторная батарея (Wind);

- фотопреобразователь + ветроустановка + аккумуляторная батарея (PV + Wind);

- фотопреобразователь + ветроустановка + аккумуляторная батарея + водородный накопитель (PV + Wind + H₂).

Представленные кривые соответствуют оптимальной комбинации мощности первичного источника и емкости аккумуляторной батареи, при которых стоимость установки для заданной доли покрытия годовой нагрузки минимальна.

Расчетные исследования проводились для следующих исходных данных.

Фотопреобразователи: КПД – 15 %, удельная стоимость – 5 долл. США за пиковый Вт (при облученности 1 000 Вт/м²), угол наклона к горизонту равен широте местности, ориентация – южная, затенение отсутствует.

Ветроустановка: удельная стоимость – 2 500 долл. США за кВт (при скорости ветра 9 м/с), минимальная рабочая скорость ветра – 3 м/с, в диапазоне скоростей ветра 3–9 м/с кубическая зависимость генерируемой мощности от скорости ветра, при скорости ветра более 9 м/с генерируемая мощность постоянна.

Рисунок 7. Зависимость стоимости автономной энергоустановки от доли покрытия годовой нагрузки

Рисунок 8. Стоимость и параметры полностью автономных энергоустановок, обеспечивающих 100 % покрытие годовой нагрузки

Электрохимический аккумулятор: КПД – 95 %, саморазряд – 0,1 % в час, удельная стоимость – 500 долл. США за 1 кВт•ч емкости.

Предполагалось, что водородный накопитель суммарной стоимостью 2 500 долл. США (перспектива) включает в себя электролизер с удельной производительностью по водороду – 0,28 м³/кВт и максимальной производительностью до 1нм³ водорода в час, батарею топливных элементов с удельным расходом водорода – 0,5 м³/кВт, максимальной мощностью до 1 кВт и коэффициентом собственных нужд в ждущем режиме – 1 %, ресиверы водорода и кислорода (без утечек газов) соответственно емкостью 15 и 7,5 нм³. КПД согласующих преобразователей, входящих в состав водородного накопителя – 95 %. Оптимизационных расчетов по обоснованию его оптимальной конфигурации (мощности электролизера, батареи топливных элементов и объемов ресиверов) на данном этапе не проводилось. Водородный накопитель описанного состава включался в рассматриваемые варианты автономных энергоустановок как единое целое.

Видно, что с ростом годовой доли покрытия нагрузки стоимость установок растет, что обусловлено необходимостью увеличения как номинальной мощности первичных источников энергии, так и емкости системы аккумулирования энергии, причем темп роста стоимости возрастает с ростом доли покрытия нагрузки. Точки пересечения кривых с правой вертикальной осью соответствуют 100 % покрытию годовой нагрузки, т. е. такие установки являются полностью автономными, и в течение года не требуется использования каких- либо дополнительных источников энергии.

На рис. 8 приведены результаты расчета стоимости и оптимальных параметров полностью автономных энергоустановок (D = 100 %) для рассмотренных климатических условий.

Наиболее дорогим оказывается первый вариант, в котором в качестве первичного источника энергии используется лишь ФЭП. В этом случае в рассмотренных климатических условиях для гарантированного энергоснабжения нагрузки мощностью 1 кВт необходимо иметь батарею ФЭП площадью около 70 м² (10,5 кВт_пик) и аккумуляторную батарею емкостью около 70 кВт•ч. Во втором варианте при использовании в качестве первичного источника энергии только ветроустановки ее установленная мощность должна быть около 15 кВт, емкость аккумуляторной батареи по сравнению с первым вариантом может быть уменьшена до 50 кВт•ч. Комбинирование ФЭП с ветроустановкой обеспечивает синергетический эффект: расчетная стоимость установки по сравнению с первым вариантом снижается почти в 3 раза, с одновременным снижением потребной емкости аккумуляторной батареи до 30 кВт•ч. Установленные мощности первичных источников энергии могут быть также снижены ФЭП до 1,5 кВт, а ветроустановки до 4 кВт. Такой эффект объясняется тем, что солнечный и ветровой первичные источники удачно дополняют друг друга: в периоды, когда снижается солнечная радиация, усиливается ветер и наоборот (см. рис. 6). Включение в состав энергоустановки водородного накопителя (вариант 4) приводит к дополнительному снижению стоимости всей установки (при выбранной несколько оптимистической стоимости такого накопителя) и что более важно, обеспечивает возможность уменьшения емкости электрохимической батареи до 10 кВт•ч, что в 7 раз меньше, чем в первом варианте.

Следует отметить, что представленные результаты расчетов носят предварительный характер. Однако на их основе можно сделать вывод о том, что применение солнечных и ветровых установок в качестве первичных источников энергии позволяет создать полностью автономные энергоустановки, обеспечивающие в различных климатических условиях гарантированное круглогодичное покрытие электрических нагрузок, по крайней мере, небольших потребителей. Наиболее эффективными представляются гибридные установки, оптимально (в зависимости от климатических условий) сочетающие солнечные и ветровые установки и источники энергии. Проблемы, связанные с чрезмерно большими аккумуляторами энергии на базе электрохимических батарей принципиально могут быть решены за счет применения комбинированных энергоустановок с водородными накопителями, обеспечивающими долгосрочное аккумулирование энергии и кардинальное снижение потребной емкости аккумуляторных батарей.

Наряду с расчетными исследованиями в ИВТ РАН ведется создание специализированного стендового оборудования для отработки оптимальных конфигураций автономных солнечно-ветровых энергоустановок.

Литература

1. Попель О., Прошкина И. Солнечная Россия // В мире науки. 2005. № 1. С. 14–18.

2. Попель О. С., Фрид С. Е., Коломиец Ю. Г. Методика оценки эффективности использования солнечных водонагревательных установок в климатических условиях Российской Федерации. М.: Из-во МФТИ, 2004.

3. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1990–по настоящее время.

4. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set.

5. TRNSYS – The Transient System Simulation Program.