Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

Гибридная система с параллельным подключением (рис. 2.190) содержит две шины: постоянного (DС) и переменного тока (АС), к которым подключены соответствующие источники и потребители энергии. Система содержит инвертор, работающий в двух направлениях (Bi-directional Invertor). Достоинства: использование дизельгенератора возможно минимизировать. Недостаток: сложная система управления.

Рис. 2.190. Гибридная система с параллельным подключением

Вгибридных системах может быть организовано подключение

коднофазной и трехфазной сети (рис. 2.191).

Процесс проектирования гибридных сетей включает:

1)определение мощности нагрузки;

2)выбор вида подключения сети (однофазная, трехфазная);

3)предварительный выбор оборудования;

4)точный расчет параметров оборудования;

5)технико-экономический анализ;

6)уточнение характеристик и видов оборудования.

211

а

б

Рис. 2.191. Подключение гибридной системы к однофазной (а) и трехфазной сети (б)

Примеры гибридных систем приведены на рис. 2.192, 2.193.

Рис. 2.192. Гибридная система на основе фотоэлектрических батарей (75 Вт 16) и дизель-генератора Honma 5GFLE, 5 кВт

212

Рис. 2.193. ГибриднаясистеманаавтозаправочнойстанцииUnited Company (Столбцы). Две ВЭУ Micon M1500 600/150 (1,2 МВт) и 924 солнечных панелей,

общая мощность 265 кВт

2.8. Интегрирование ВИЭ в энергетические сети. «Умные» сети (Smart grids)

Переход к «зеленой» энергетике требует расширения использования возобновляемой энергетики и значительные финансовые вложения в новые технологии и инфраструктуру, включая создание более гибких электрических сетей, систем доставки и распределения газообразных и жидких видов топлива на основе ВИЭ, систем хранения энергии, распределения и контроля энергообеспечения зданий и сооружений.

Наиболее важной задачей является интегрирование ВИЭ в существующие энергетические сети.

Существующие проблемы:

1)ВИЭ имеют широкий диапазон мощностей;

2)вырабатываемаяэнергиязависитотвременисутокивременигода;

3)расположение ВИЭ определяется существующим потенциалом (могут отсутствовать потребители вырабатываемой энергии);

4)характеристики вырабатываемой энергии могут отличаться от традиционных источников.

213

Решаемые задачи:

1)учет мощности существующих электросетей;

2)график нагрузки;

3)синхронизация частоты (отклонение частоты от стандарта);

4)нахождение оптимальных пропорций возобновляемой и традиционной энергии для обеспечения устойчивого функционирова-

ния сети (capacity credit).

Следует отметить, что возобновляемые источники энергии отличаются по возможности интеграции в общественные сети. Наилучшие условия для устойчивого функционирования в составе сети имеют электростанции, использующие концентрированное солнечное излучение, гидроэнергетику и биоэнергетику.

Интеграция ВИЭ в системы отопления и кондиционирова-

ния. Как видно из рис. 2.194 в системах отопления и кондиционирования воздуха могут применяться практически все виды ВИЭ, производящие тепловую и электрическую энергию. Оптимальный вариант – это сбор всех видов энергии на энергетическом узле поселения и распределение ее в систему энергообеспечения зданий

исооружений в соответствии с потребностями. Пользователь будет потреблять энергию от ВИЭ не с обезличиванием способа ее производства. Доведения характеристик энергии до требуемого уровня качества будет осуществляться на энергетическом узле.

Рис. 2.194. Интеграция ВИЭ в системы отопления и кондиционирования

214

Интеграция ВИЭ в системы газификации. Основной источник возобновляемого метана – биогазовые установки. Биогаз в основном используется в локальных газовых сетях. Для подключения к глобальным сетям необходимо обеспечить требуемую степень чистоты биогаза. Альтернатива газовых сетей – транспортировка биогаза в цистернах (рис. 2.195).

Рис. 2.195. Интеграция ВИЭ в системы газификации

Необходима оптимизация потребления биогаза: в системах отопления; выработки электроэнергии; заправки транспорта; сжижения и т. п., а также создание систем его хранения (рис. 2.196).

Рис. 2.196. Использования биогаза

Умные сети (Smart Grid). Задачи подключения ВИЭ к энергетическим сетям могут быть оптимизированы на основе использования «умных сетей» (рис. 2.197). Особенностью решения задач оптимиза-

215

ции на основе умных сетей является использование элементов искусственного интеллекта, нейронных сетей, на основе которых осуществляется поиск наиболее оптимальных вариантов решения задач с использованием предыдущего опыта аналогичных задач, опыта ведущих экспертов в этой предметной области.

Рис. 2.197. Концептуальное построение «умных сетей» в области возобновляемой энергетики

Следует отметить, что принятие решений с использованием «умных сетей» может осуществляться в online режиме, с использованием всех современных оперативных видов связи (Интернет, мобильная и радиосвязь) (рис. 2.198).

Характеристики Smart Grid:

–способность к самовосстановлению после сбоев в подаче электроэнергии;

–возможность активного участия в работе сети потребителей;

–устойчивость сети к физическому и кибернетическому вмешательству злоумышленников;

–обеспечение требуемого качества передаваемой электроэнергии;

–обеспечение синхронной работы источников генерации, в том числе ВИЭ, и узлов хранения электроэнергии;

–появление новых высокотехнологичных продуктов и рынков;

–повышение эффективности работы энергосистемы в целом.

216

Рис. 2.198. Применение современных средств связи при реализации концепции «умные сети»

Реализация концепции Smart Grid на основе нового базиса позволит обеспечить следующие основные принципиальные технологические изменения в электроэнергетике по сравнению с традиционной энергосистемой:

1)переход от централизованных систем генерации и доставки энергии к распределенным, с возможностью обеспечения управления генерацией и топологией сети в любой точке, включая и потребителя;

2)переход от централизованного прогнозирования спроса к активному потребителю, который становится элементом и субъектом системы управления;

3)переход от жесткого диспетчерского регулирования (управления) к другому уровню координации работы всех субъектов сети;

4)переход на Smart-технологии контроля, учета и диагностики

активов, позволяющие обеспечить процесс самовосстановления и самолечения активов, а также обеспечивать их эффективное функционирование и эксплуатацию;

5)создание высокопроизводительной информационно-вычисли- тельной инфраструктуры как основного элемента энергетической системы;

6)создание предпосылок для широкого внедрения нового технологического оборудования, повышающего маневренность и управляемость, гибких связей, передач и вставок постоянного тока, накопителей энергии, сверхпроводимости и т. п.;

217

7)переход к распределенным интеллектуальным системам управления и аналитическим инструментам для поддержки выработки

иреализации решений, работающих в режиме реального времени;

8)создание операционных приложений нового поколения, позволяющих реализовать новые алгоритмы и методы управления энергосистемой, включая и ее новые активные элементы.

В последние годы наряду с концепцией «Smart Greed» успешно используется и подсистема «умный дом» – Smart home (рис. 2.199).

Рис. 2.199. Взаимодействие систем Smart grid и Smart Home

2.9.Аккумулирование тепловой

иэлектрической энергии

Эффективность работы энергосистемы может быть повышена за счет аккумулирования избытков энергии в периоды снижения потребления (ночное время) и ее использования в часы максимального потребления (дневное время). Эта проблема особенно актуальна для возобновляемой энергетики. Энергия, вырабатываемая возобновляемыми источниками энергии, в значительной степени зависит от погодных условий, поэтому существует проблема приведения в соот-

218

ветствие выработки энергии и потребности в ней в рамках временного спроса, т. е. в выравнивании скорости потребления энергии.

В настоящее время применяются следующие способы аккумулирования энергии:

–тепловые;

–химические;

–электрические;

–в форме потенциальной или кинетической энергии.

Тепловое аккумулирование – это физический или химический процесс, посредством которого происходит накопление тепла в аккумуляторе энергии. Тепловыми аккумуляторами (ТА) называют устройства, обеспечивающие протекание обратимых процессов накопления, хранения и отдачи тепловой энергии в соответствии с нуждами потребителя.

Классификация тепловых аккумуляторов по физическим принципам аккумулирования:

–теплоемкостные (TEA) (камень, вода, гравий и т. п.);

–аккумуляторы с фазовым переходом (АФП) (переход с жидкого в твердое состояние и наоборот, аккумулирование теплоты плавления, например, эвтектических солей и др.);

–термохимические аккумуляторы (ТХА) (принцип работы ТХА основан на аккумулировании энергии, которая поглощается и освобождается при разрыве и создании молекулярных связей в полностью обратимых химических реакциях (например, глауберовая соль).

Аккумулирование электрической энергии. Осуществляется чаще всего с помощью электрических аккумуляторов (рис. 2.200, а) и топливных ячеек (рис. 2.200, б), а также, например, в гидроэнергетике –

ввиде запасов воды в водохранилище (рис. 2.200, в).

Рис. 2.200. Способы аккумулирования электрической энергии

219

Классификация аккумуляторов осуществляется по типу используемого электролита:

–кислотные (например, свинцово-кислотный аккумулятор),

–щелочные (никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор);

–солевые (цинк-хлорный аккумулятор).

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде (рис. 2.201).

Начальная ЭДС

2,05…2,10 V

Электролит: 29…34 % Н2SO4

71…66 % H2O

Плотность 1,21…1,26 Mg/m3

разряд

PbO2 Pb 2H2SO4 2PbSO4 H2O

заряд

Рис. 2.201. Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов

Топливные элементы. Топливный элемент преобразует химическую энергию топлива непосредственно в электрическую, минуя промежуточную стадию сжигания (рис. 2.202).

Так как преобразование тепло–работа здесь отсутствует, эффективность топливных элементов не подпадает под ограничение второго закона термодинамики, как это происходит в обычных системах топливо–тепло–работа–электроэнергия. Теоретически КПД преобразования химической энергии в электрическую может достигать

100 % (реально 40 %).

220