CC BY
81АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ
УДК 001.89:621.311.161 DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-196-208
Автономный пост микрогенерации
на базе альтернативных/автономных источников
электрической энергии
А.С. Марков, К.А. Колганов
Общество с ограниченной ответственностью «Проектно-инжиниринговая компания» (ООО «ПИК»), 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29
Аннотация
Введение: рассмотрена задача разработки и создания автономного поста микрогенерации, обеспечивающего объединение различных альтернативных источников электроэнергии с возможностью масштабирования и гибкостью в наращивании мощности (до 30 кВт). В статье представлено решение для автономного поста микрогенерации — опытный образец модульной платформы гибридной энергоустановки (МПГЭ), позволяющий использовать энергию солнца, ветра, емкостного накопителя, а также резервный автономный источник электроэнергии на базе ДВС. Обоснована основная идея концепции модульной платформы и способ объединения модулей. Показаны варианты возможных схем электроснабжения на основе МПГЭ. Отражены результаты тестовых испытаний, а также экономическая эффективность работы данной системы в условиях децентрализованного энергоснабжения.
Методы: исследование проводилось на основе анализа преимуществ, недостатков и особенностей существующих энергосистем на базе альтернативных/автономных источников электроэнергии с учетом возможности расширения функциональных возможностей и наращивания мощности за счет подключения новых генерирующих источников.
Результаты и обсуждения: представлены результаты разработки автономного поста микрогенерации — изготовлен опытный образец МПГЭ.
Заключение: разработанная модульная платформа гибридной энергоустановки позволяет обеспечить возможность объединения в рамках единой автономной энергосистемы разнотипных источников электроэнергии, сохраняя эффективное управление режимами работы, что повышает надежность энергоснабжения и экономию расхода органического топлива на выработку 1 кВт-ч электроэнергии.
Ключевые слова: пост микрогенерации, вспомогательная силовая установка, альтернативные источники электроэнергии, дизельная электростанция, надежность энергоснабжения, энергоцентр частного дома, автономная система электропитания, солнечная энергия, энергия ветра, экономия расхода органического топлива, распределенная энергетика, модульная платформа гибридной энергоустановки, масштабируемость и гибкость в наращивании мощности, возобновляемая энергетика, эффективные локальные энергосистемы малой мощности, энергодефицитные и изолированные территории
Для цитирования: Марков А.С., Колганов К.А. Автономный пост микрогенерации на базе альтернативных/ автономных источников электрической энергии // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2. Вып. 4. С. 196-208. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-196-208
An autonomous micro-generation site using alternative/ autonomous sources of electric energy
А^. Markov, К.А. Kolganov
LLC "Design and Engineering Company", 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation
© АПСЭО, 2019. Статья распространяется в открытом доступе на условиях лицензии Creative Commons 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/)
Abstract
Introduction: the article deals with development and implementation of an autonomous, scalable and flexible-capacity micro-generation site representing a combination of various alternative sources of electric energy (up to 30 kW). The co-authors offer a solution for an autonomous micro-generation site: a prototype of a modular platform for a hybrid power plant (MPHP), which enables the use of solar and wind energies, capacitors, as well as an autonomous standby power supply unit having an internal combustion engine. The basic idea underlying the concept of a modular platform and the module combination method are substantiated. Power supply patterns that comprise MPHP are provided. Testing results, as well as the economic efficiency of a system operating in a decentralized energy supply environment are presented in the article.
Methods: the study is based on the analysis of strengths, weaknesses and features of existing energy systems using alternative/autonomous sources of electric energy with a view to the extension of capabilities and capacity by means of connecting new generating sources.
Findings and discussion: the results of development of an autonomous micro-generation site are presented; a prototype of a modular platform for a hybrid power plant (MPHP) is manufactured.
Conclusion: the modular platform of a hybrid power plant enables to combine different types of electric energy sources and retain effective control over operating modes, thus improving the energy supply reliability and saving organic fuel consumed for the generation of 1 kWh of electricity.
Keywords: micro-generation site, auxiliary power supply system, alternative sources of electric energy, diesel power plant, reliability of energy supply, energy centre of a single family home, autonomous power supply system, solar energy, wind energy, organic fuel saving, distributed generation, modular platform of a hybrid power plant, scalability and flexible capacity expansion, renewable power generation, efficient local low-power generation systems, power-hungry and isolated areas
For citation: Markov A.S., Kolganov K.A. An autonomous micro-generation site using alternative/autonomous sources of electric energy. Power and Autonomous Equipment. 2019; 2(4):196-208. DOI: 10.32464/2618-87162019-2-4-196-208 (rus.).
Адрес для переписки: Марков Александр Сергеевич ООО «ПИК», 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29, acmarkov7@gmail.com
Address for correspondence: Alexander Sergeevich Markov LLC "DEC", 29 Nikolaya Ershova, st., Kazan, 420061, Russian Federation, acmarkov7@gmail.com
введение
В настоящее время в связи с изменяющейся в стране социально-экономической обстановкой как у гражданского населения (частный сектор), жилищно-коммунальных служб, так и в различных отраслях промышленности и оборонной сфере наблюдается возрастающий интерес к малой энергетике, в частности ее отрасли — микроэнергетике. События последних лет показали существенную неустойчивость обеспечения потребителей различных категорий электроэнергией и теплом, поставляемыми централизованными энергетическими системами.
Однако задача повышения энергетической безопасности (ЭБ) различных объектов может быть решена средствами малой энергетики, в том числе микроэнергетики.
Автономные энергетические силовые установки на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются одними из ключевых средств малой энергетики, снабжающими электроэнергией места, где нет централизованного электроснабжения, а также обеспечивающими резервное (аварийное) электроснабжение потребителей, требующих повышенной надежности и не допускающих перерывов в подаче энергии при авариях в зонах централизованного электроснабжения.
Повышение надежности энергоснабжения актуально при объединении возможностей установок на базе ДВС и альтернативных источников электроэнергии (АИЭЭ). Самыми распространенными АИЭЭ для автономных энергоустановок являются солнце и ветер. Благодаря совместной работе обеспечивается ряд неоспоримых преимуществ: снижение расхода органического топлива на выработку 1 кВт-ч электро-
© PGSMA, 2019. This is an open access article distributed under the terms
of the Creative Commons License 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/)
энергии, возможность накопления энергии и гарантированного питания потребителя в моменты простоя АИЭЭ, высокий уровень автономности.
Большинство находящихся в эксплуатации и предлагаемых на рынке автономных энергетических систем, использующих АИЭЭ, являются технически законченными изделиями, адаптированными под строго определенный тип энергетического оборудования, не допускающими возможности расширения их функциональных возможностей и наращивания мощностей за счет подключения новых генерирующих источников.
Отсутствие на рынке возобновляемой энергетики универсальных устройств, обеспечивающих возможность объединения в рамках единой автономной энергетической системы разнотипных энергетических установок с эффективным управлением режимами работы, негативно отражается на развитии малой энергетики и микроэнергетики России в частности, поэтому их создание является актуальной задачей.
В настоящей статье описано одно из решений — концепция автономного поста микрогенерации на базе альтернативных/автономных источников электроэнергии. Показаны основные особенности предлагаемой системы. В том числе приведены результаты разработки данной системы микрогенерации — параметры опытного образца модульной платформы гибридной энергоустановки (МПГЭ). Отражены результаты тестовых испытаний, а также экономическая эффективность работы данной системы в условиях децентрализованного энергоснабжения.
методы
Микрогенерация
До недавнего времени общепринятых терминов «малая энергетика» и «микроэнергетика» не существовало. Наряду с ними применялись понятия «локальная энергетика», «распределенная энергетика», «автономная энергетика», «альтернативная энергетика» [1].
Несмотря на относительно скромную долю малой энергетики в общем энергобалансе страны по сравнению с большой энергетикой, и еще меньшую — микроэнергетики, их значимость в жизни страны трудно переоценить.
Во-первых, по разным оценкам, от 50 до 70 % территории России не имеет централизованного электроснабжения, главным образом такая ситуация наблюдается в северной и северо-восточной частях территории нашей страны с суровым климатом. На этих территориях проживает более 20 млн человек, жизнедеятельность которых обеспечивается главным образом средствами малой энергетики/микроэнергетики.
Во-вторых, обширной сферой применения средств малой/микроэнергетики является резервное электроснабжение потребителей, требующих повышенной надежности и не допускающих перерывов в подаче энергии при авариях в зонах централизованного электроснабжения.
В-третьих, данные виды энергетики могут быть конкурентоспособны в тех зонах, где большая энергетика до настоящего времени рассматривалась как безальтернативная.
Приведенная статистика однозначно указывает на востребованность и высокий потенциал будущего развития малой автономной электроэнергетики и микроэнергетики в условиях как децентрализованного, так и централизованного энергоснабжения [2]. Об этом свидетельствуют подготовленные российским правительством законопроекты о закреплении в федеральном законе «Об электроэнергетике» понятия микрогенерации и процедуры в части ее развития1.
Гибридные системы автономного энергоснабжения
К числу наиболее перспективных направлений повышения энергетической эффективности локальных систем электроснабжения относятся использование альтернативных источников электроэнергии и оптимизация режимов их работы. Так как для потребителей электроэнергии в децентрализованных зонах необходим гарантированный источник питания, наиболее целесообразными вариантами автономных систем представляются гибридные энергетические установки на основе фотодизельных, ветродизель-ных и ветрофотодизельных установок. Такие системы очень перспективны в удаленных и арктических
1 О внесении в Госдуму законопроекта о правовом регулировании вопросов производства электроэнергии на объектах микрогенерации : Распоряжение Минэнерго России от 6 ноября 2018 г. URL: http://government.ru/dep_news/34594
районах и обеспечивают сокращение дизельного топлива на 30.. .50 %, а также увеличивают жизненный цикл дизельгенераторов в 2-3 раза. Гибридные системы автономного энергоснабжения при своей круглогодичной эксплуатации снижают потребление жидкого топлива в 4-6 раз и имеют срок окупаемости не более 3 лет [3].
В глобальном масштабе уже реализованы сотни таких гибридных систем, лидирующую позицию занимают зарубежные проекты [4].
Подобные проекты реализуются и в России. В начале 2017 г. был выполнен проект ГК «Хевел» в с. Менза Забайкальского края. В состав этой гибридной энергоустановки вошли два дизельных генератора по 200 кВт, фотоэлектрические солнечные модули общей мощностью 120 кВт, накопители энергии емкостью 300 кВтч. Реализованная установка уже позволила сэкономить более 80 т дизельного топлива [5].
На сегодняшний день доля электроэнергии, вырабатываемой в России с использованием АИЭЭ, составляет около 1 %. До 2035 г. поставлена задача увеличения этого показателя до 4 %. В связи с этим правительством готовятся законодательные акты, стимулирующие применение АИЭЭ не только для крупных генерирующих объектов, но и малых, в частности объектов микрогенерации с установленной мощностью до 15 кВт1, 2.
Оценка перспективности создания автономного поста микрогенерации
В настоящее время гибридным энергоустановкам уделяется достаточно пристальное внимание, об этом можно судить по различным государственным программам, научно-исследовательским и опытно-конструкторским разработкам, защищенным диссертациям и патентам.
Достаточно много информации о подобных системах содержится в различных научных диссертациях и защищенных патентах, к примеру, в работе [6] исследуется повышение эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе АИЭЭ, представлена методика и программа, определяющие оптимальный состав и параметры комбинированной установки, в том числе разработаны математическая модель и алгоритмы ее работы.
Диссертации [7, 8] направлены на исследование систем энергоснабжения на основе солнечной энергии в различных условиях эксплуатации.
Результаты патентного исследования также выявили большое разнообразие патентов, относящихся к данной тематике. Так, патент RU 0002598864 [9] защищает способ управления автономной контейнерной электростанцией, в которую входит дизельная генераторная установка, ветрогенератор, солнечные панели, сопутствующее преобразовательное оборудование, система управления.
Наиболее близкими к тематике данной статьи являются патенты W0/2009/017686 и ЕА201100557 [10, 11], которые защищают мобильные энергосистемы на АИЭЭ мощностью до 30 кВт. Первый патент представляет гибридную энергоустановку, расположенную на прицепе. Система позволяет обеспечивать непрерывную выходную мощность от 500 Вт до 13 кВт. Второй патент защищает гибридную установку меньшей мощности — до 10 кВт, располагающуюся на комбинированном шасси. Данные системы отличаются повышенной жизнеспособностью, но не обеспечивают модульное расширение диапазона мощности (параллельную работу на общую нагрузку).
Представленный выше небольшой обзор научных работ и патентов показывает устойчивый интерес к гибридным энергоустановкам. Особое внимание обращено на мобильные посты микрогенерации в связи с их компактностью и универсальностью решаемых ими задач. При этом важно отметить имеющийся потенциал дальнейшего их развития в части обеспечения масштабируемости и гибкости в наращивании мощности благодаря концепции модульности [12].
Перспективность создания автономного поста микрогенерации на основе АИЭЭ заключается в разработке технических решений, отличающихся от аналогов следующим:
• унифицированностью — в части назначения и использования в различных секторах экономики;
• гибкостью — в отношении использования составляющих устройств различных типов и фирм-изготовителей;
• высокой эффективностью преобразования энергии, поступающей из различных источников;
2 О внесении изменений в Федеральный закон «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации : Законопроект № 581324-7.
• модульной конструкции, позволяющей на базе стандартных блоков варьировать значения номинальной мощности автономного источника в зависимости от назначения и нужд потребителей электроэнергии;
• минимизированными массогабаритными показателями.
Применение такого поста микрогенерации актуально для частного сектора (включая дома с автоматизированной системой «Умный дом»), сектора ЖКХ и таких объектов, как метеостанции, системы сотовой связи, малые центры обработки данных (ЦОД) [13] и т.п.
Концепция модульной платформы гибридной энергоустановки. Описание способа объединения модулей
В настоящем подразделе рассмотрен объект микрогенерации — концепт модульной платформы гибридной энергетической системы, обеспечивающий объединение солнечной, ветровой энергии, а также емкостного накопителя и электростанции на базе ДВС с возможностью расширения мощности до 30 кВт.
Базовая конструкция МПГЭ представляет с собой однофазную систему микрогенерации, к которой возможно подключение следующих источников электрической энергии:
• солнечных панелей общей мощностью до 5 кВт;
• ветрогенератора максимальной мощностью до 3 кВт;
• электростанции мощностью до 9 кВт на базе бензинового/дизельного ДВС.
Базовый модуль МПГЭ имеет внутреннюю и внешнюю масштабируемость, что отличает его от других существующих гибридных энергосистем [7, 8]. Расширение мощности за счет альтернативных источников энергии внутри базового модуля обеспечивается добавлением/заменой стандартных блоков преобразовательного оборудования. Для более мощных потребителей продумана возможность внешней масштабируемости, а именно параллельная работа до трех подобных модулей. Таким образом, конечный потребитель имеет возможность скомпоновать нужную схему для обеспечения мощностью (до 27 кВт) своих нужд в соответствии с имеющимся у него потенциалом источников энергии (солнце, ветер, электростанция на базе ДВС) [14]. На рис. 1 показана схема внутренней и внешней масштабируемости МПГЭ.
Рис. 1. Гибкость системы в наращивании мощности: а — внутренняя масштабируемость; b — внешняя масштабируемость
Fig. 1. Flexible system capacity expansion: а — internal scalability; b — external scalabilit
Некоторые возможности этой системы представлены в табл. 1.
МПГЭ обеспечивает дистанционный контроль за работой всех подключенных источников электрической энергии, аварийно-предупредительную сигнализацию и защиту системы от глубокого разряда блока аккумуляторных батарей (АКБ).
Блок аккумуляторных батарей находится внутри базового модуля, что придает компактность всей системе в целом и позволяет сразу запитать нагрузку при отсутствии АИЭЭ.
Внешний вид опытного образца модульной платформы гибридной энергоустановки, созданного предприятием ООО «ПИК», представлен на рис. 2.
Табл. 1. Выходные параметры модульной платформы гибридной энергоустановки Table 1. Output parameters of the modular platform of a hybrid power plant
Выходные параметры / Output parameters Значение / Value
Выходная максимальная мощность одного модуля, кВт / Maximal output capacity of one module, kW 9
Номинальное выходное напряжение, В / Nominal output voltage, V 220
Частота выходного напряжения, Гц / Output voltage frequency, Hz 50
Максимальная мощность, отбираемая от солнечных панелей (СП), кВт (при максимальном количестве СП) / Maximal capacity provided by solar panels (SP), kW (if the number of solar panels is maximal) 5
Наращивание мощности от СП, кВт (при трех параллельно работающих МПГЭ) / SP capacity expansion, kW (in case of three parallel MPHPs in operation) 15
Максимальная мощность, отбираемая от ветрогенератора (ВГ), кВт / Maximal capacity provided by the wind power generator (WPG), kW 3
Время работы от блока АКБ при нагрузке 2 кВт, ч / Rechargeable battery back performance time under the load of 2 kW, hours 4...5
Рис. 2. Опытный образец МПГЭ
Fig. 2. The prototype of a modular platform of a hybrid power plant
Массогабаритные показатели и условия эксплуатации МПГЭ даны в табл. 2.
Табл. 2. Технические характеристики модульной платформы гибридной энергоустановки Table 2. Technical characteristics of the modular platform of a hybrid power plant
Выходные параметры / Output parameters Значение / Value
Режимы работы / Operating mode Автоматический; принудительный от электростанции; автономный от солнца и ветра / Automatic; forced if the power is provided by the power plant; autonomous if the power is provided by the sun and wind
Дистанционная передача данных эксплуатации системы / Remote system operation data transfer По каналу GSM / Via GSM channel
Контроллер заряда солнечных панелей / Solar panel charge controller MPPT
Степень защиты / Protection level IP44
Рабочий диапазон температур / Operating temperature range От -20 до 40 °С / -20 to 40 °С
Размеры (Д x Ш x В), мм / Dimensions (length x width x height), mm 620 x 700 x 1600
Вес без блока АКБ, кг / Weight without the rechargeable battery pack, kg 130
В опытном образце применены аккумуляторные батареи AGM. При необходимости и желании потребителя МПГЭ можно укомплектовать гелевыми/литий-ионными (LiFePO4) аккумуляторными батареями общей емкостью до 200 А-ч (при параллельной работе трех МПГЭ — до 600 А-ч).
Возможные схемы электроснабжения на основе МПГЭ
Система модульной платформы гибридной энергоустановки позволяет работать в зонах как централизованного, так и децентрализованного энергоснабжения. Существенную экономическую эффективность данная система микрогенерации может показать в условиях децентрализованного энергоснабжения [15]. На рис. 3 показаны возможные варианты эксплуатационных схем МПГЭ в децентрализованных районах как основного источника электроэнергии.
Первый вариант — эта работа одного базового модуля на нагрузку максимальной мощностью 9 кВт, при этом в качестве резервного источника питания могут использоваться любые однофазные электростанции до 9 кВт на базе ДВС.
Второй и третий варианты обеспечивают параллельную работу трех базовых модулей МПГЭ на нагрузку максимальной мощностью до 27 кВт, в этих вариантах может использоваться как одна инверторная однофазная электростанция мощностью до 30 кВт, так и три однофазных электростанции работающих параллельно между собой и равномерно распределяющих свою мощность.
Представленные варианты энергообеспечения наиболее предпочтительны для питания малых стационарных метеостанций, систем связи, охранно-пожарных систем и телекоммуникации, а также геологических партий (мест разработки месторождений и нефтедобычи), турбаз, кемпингов, фермерских хозяйств, жилых загородных комплексов и коттеджных поселков.
результаты и обсуждения
Тестовые испытания разработанной МПГЭ
При функциональных испытаниях МПГЭ в качестве источников электрической энергии выступали:
• две трехсекционные солнечные батареи общей мощностью 1,86 кВт;
• электроагрегат (далее — ЭА) АД8-230-2РПМСЯ4 мощностью 9 кВт;
• накопительный элемент — блок АКБ 48В 200 А-ч.
На рис. 4 показана МПГЭ с источниками электроэнергии. В качестве нагрузки использовались трубчатые электронагреватели (ТЭН) общей мощностью до 9 кВт с малым шагом переключения.
Рис. 3. Варианты рабочих схем МПГЭ в децентрализованных районах: a — работа одного модуля; b, с — параллельная работа трех модулей
Fig. 3. Options for operational setup diagrams of MPHP in decentralized areas: a — operation of one module; b, с — parallel operation of three modules
b
a
c
Рис. 4. Компоновка оборудования при проведении функциональных испытаний МПГЭ Fig. 4. Equipment layout in the course of the functional testing of MPHP
При небольшой солнечной инсоляции максимальная отдаваемая мощность солнечных панелей составила порядка 1,3 кВт, что способствовало заряду блока АКБ и частично питанию нагрузки.
Проверка режимов работы МПГЭ показала его правильное функционирование. Дистанционный контроль за параметрами МПГЭ осуществлялся с помощью мобильного приложения. При этом достаточно качественно отслеживалась работа МПГЭ и удаленно подключенных источников электроэнергии.
Оценка эффективности МПГЭ в децентрализованных районах
Для оценки эффективности применения МПГЭ в качестве примера был взят частный дом общей площадью 100 м2, находящийся в Приволжском федеральном округе вне зоны централизованного энергообеспечения. Общее энергопотребление нагрузки в неделю составляет порядка 81,9 кВт-ч в соответствии со средним потреблением в час по каждому месяцу (рис. 5).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Месяц / Month
Рис. 5. График среднего потребления электроэнергии в час в частном доме по месяцам
Fig. 5. The diagram of average per-hour electric power consumption by a single family home, broken down by months
Мощность источников электроэнергии рассматривалась такой, чтобы максимально использовать потенциал МПГЭ.
На рис. 6 представлен график средних значений производства электроэнергии сборкой монокристаллических солнечных панелей EW-310W (рис. 6, а) и ветрогенератором Exmork мощностью 3 кВт (рис. 6, b) в условиях данного округа.
Среднее время работы от блока АКБ (до остаточной емкости 30 %) при установленной мощности 9600 Вт-ч с учетом графика нагрузки по месяцам и КПД батарей представлен на рис. 7.
На рис. 8 представлены результаты сравнения затрат при следующих вариантах работы МПГЭ:
1) работа без АИЭЭ;
2) работа от шести СП (1,86 кВт);
3) работа от восьми СП (2,48 кВт);
4) работа от десяти СП (3,1 кВт).
На гистограммах видно, что работа без альтернативных источников энергии, только от блока АКБ и электроагрегата, является эксплуатационно затратной (заправка, техобслуживание, значительное уменьшение ресурса ЭА). Годовые затраты только на топливо составят порядка 600 тыс. руб. (если бы электроснабжение дома осуществлялось только от электроагрегата, то затраты на топливо увеличились бы более чем в 3 раза). Незначительное добавление АИЭЭ в МПГЭ, например шести солнечных панелей, дает уже существенное снижение затрат на топливо — почти в 5,5 раз, вместе с тем увеличивается ресурс ЭА. При использовании восьми солнечных панелей с марта по август система будет работать исключительно от солнца и блока АКБ, электроагрегат в этот период может применяться, если необходимо добавить недостающую мощность. Использование десяти солнечных панелей (3,1 кВт) обеспечивает полную автономную работу от АИЭЭ в период с марта по ноябрь.
b
Рис. 6. Средние значения производства электроэнергии в Приволжском федеральном округе солнечными панелями (а) и ветрогенератором (b)
Fig. 6. Average electric power generation by solar panels (a) and the wind power generator (b) in Privolzhsky Federal District
a
Месяц / Month
Рис. 7. Среднее время работы от блока АКБ с учетом графика нагрузки по месяцам
Fig. 7. Average rechargeable battery pack operation period with account for the per-month load diagram
a
Затраты па топливо, руб. / Fuel costs, RR |— lo 4- ' J\ O-. О О О О О О о о о о о о о о о о о о о о о о о о о
1
1 1 I 1 1 1 1
1 I I I
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
без АИЭЭ / without alternative sources of electricity 56 326 56 326 50 153 46 739 46 739 43 073 46 739 43 073 46 739 46 739 50 153 56 326
1,86 кВт (6 солн.панелей) / " 1.86 kW (6 solar panels)/ 20 641 20 641 6319 5881 5881 5412 5881 5412 11 502 11 502 12 358 20 641
2,48 кВт (8 солн.панелей) / " 2.48 kW (8 solar panels)/ 13 668 13 668 0 0 0 0 0 0 3285 3285 3550 13 668
3,1 кВт (10 солн.панелей) / 3.1 kW( 10 solar panels)/ 5569 5569 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5569
b
Рис. 8. Результаты сравнения работы МПГЭ без АИЭЭ и с их подключением: а — время работы от ЭА; b — затраты на дизельное топливо
Fig. 8. MPHP operation without alternative sources of electric power and if they are connected: а — period of power generating operation; b — diesel fuel costs.
Срок окупаемости системы МПГЭ в условиях децентрализованного энергоснабжения частного дома площадью 100 м2 составляет в среднем от 1,5 до 2,5 лет в зависимости от количества использования АИЭЭ.
заключение
В настоящее время мировая электроэнергетика претерпевает значительные изменения: внедрение цифровизации, систем microgrid/smartgrid, а также автономных систем микрогенерации на основе использования АИЭЭ. Интерес в использовании подобных систем значителен как в отношении возможности реальной экономии, так и улучшения экологической составляющей.
Результаты, полученные ООО «ПИК», свидетельствуют о возможности применения автономного поста микрогенерации на основе АИЭЭ как в условиях централизованного, так и децентрализованного энергообеспечения. Изготовленный опытный образец модульной платформы гибридной энергоустановки позволяет перейти к реальной экономии электроэнергии в различных сферах применения, и что немаловажно — дает возможность улучшить экологию в месте эксплуатации.
литература
1. Михайлов А., Агафонов А., Сайданов В. Малая энергетика России. Классификация, задачи, применение // Новости электротехники. 2019. № 3 (117). URL: www.news.elteh.ru/arh/2005/35/04.php
2. Indrima Upadhyay, SudhaArora. Future energy systems: microgrids and integration of photovoltaics into microgrids // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2018. No. 5 (9). Pp. 88-95. URL: https://irjet.net/ archives/V5/i9/IRJET-V5I919.pdf
3. Велькин В.И. Методология расчета комплексных систем ВИЭ для использования на автономных объектах. Екатеринбург : УрФУ, 2015. 225 с.
4. Сидорович В. Мировой рынок Remote microgrids и его ключевые игроки // Medium. URL: https://medium.com/ internet-of-energy/remote-microgrids-navigant-67f574affa46
5. Шахрай И.С. Перспективы солнечной генерации в России // Тарифы и инвестиции. 2017. № 1 (18). С. 13-19. URL: http://tariffs-invest.ru/data/documents/TI18_inet.pdf
6. Тихонов А.В. Повышение эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2013. 26 с.
7. Нян Линн Аунг. Разработка солнечной фотоэлектрической системы автономного электроснабжения индивидуальных потребителей в тропических условиях : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2015. 19 с.
8. Росендо Ч.М.Е. Исследование систем энергоснабжения на основе солнечной энергии для потребителей в отдаленных районах в Боливарианской Республике Венесуэла : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2017. 20 с.
9. Пат. № 2598864 RU, МПК H02J 7/00. Способ управления автономной контейнерной электростанцией и система его осуществления / Г.В. Батраков ; патентообл. ООО Управление и Финансирование. Заяв. № 2015149133/07, 17.11.2015; опубл. 27.09.2016. Бюл. № 27.
10. Pat. W0/2009/017686. IPC F25D 23/12. Renewable Energy Trailer / Muchow David J. Application No. US2008/009072. Publ. 05.02.2009.
11. Пат. № EA201100557 (A2), IPC B02C 2/00. Легкая мобильная энергетическая установка «Подсолнух» / А.А. Касьянов, А.К. Титов. заяв. № 201100557; опубл. 28.06.2013. URL: https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/ori ginalDocument?FT=D&date=20130628&DB=&locale=&CC=EA&NR=201100557A2&KC=A2&ND=1
12. Hatziargyriou N.D., Jenkins N., Strbac G., Lopes J.A.P., Ruela J., Engler A. et al. Microgrids-Large scale integration of microgeneration to low voltage grids // CIGRE 2006, Conseil International des Grands Réseaux Electriques, Aug 2006, Paris, France. URL: https://www.researchgate.net/publication/322804505_Microgrids-Large_Scale_Integration_of_ Microgeneration_to_Low_Voltage_Grids
13. Ратнер С.В. Вопросы стимулирования микрогенерации на основе возобновляемых источников энергии // Национальные интересы: приоритеты и безопасность. 2017. Т. 13. Вып. 6. С. 1102-1113. DOI: 10.24891/ni.13.6.1102
14. Liptak S., Miranbeigi M., Kulkarni S., Jinsiwale R., Divan. D. Self-Organizing NanoGrid (SONG) // 2019 IEEE Decentralized Energy Access Solutions Workshop (DEAS). Atlanta, IEEE, 2019. DOI: 10.1109/DEAS.2019.8758741
15. Madduri P.A., Poon J., Rosa J., Podolsky M., Brewer E.A., Sanders S.R. Scalable DC microgrids for rural electrification in emerging regions // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2016. Vol. 4. No. 4. Pp. 1195-1205. DOI: 10.1109/jestpe.2016.2570229
references
1. Mikhailov A., Agafonov A., Saidanov V Small energy of Russia. Classification, tasks, application. The News of Electrical Engineering. 2019; 3(117). URL: www.news.elteh.ru/arh/2005/35/04.php. (rus.).
2. Upadhyay I., Arora S. Future energy systems: microgrids and integration of photovoltaics into microgrids. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2018; 5(9):88-95. URL: https://irjet.net/archives/V5/i9/ IRJET-V5I919.pdf
3. Velkin V.I. Methodology for calculating integrated renewable energy systems for use on autonomous facilities. Ekaterinburg, UrFU, 2015; 225. (rus.).
4. Sidorovich V World market Remote microgrids and its key players. Medium. URL: https://medium.com/internet-of-energy/remote-microgrids-navigant-67f574affa46 (rus.).
5. Shahrai I.S. Prospects for solar generation in Russia. Tariffs and Investment. 2017; 1(18):13-19. URL: http://tariffs-invest.ru/data/documents/TI18_inet.pdf (rus.).
6. Tikhonov A.V. Improving the efficiency of combined systems of autonomous power supply based on renewable energy sources : dissertation abstract... candidate of technical sciences. Moscow, 2013; 26. (rus.).
7. Nyan Lynn Aung. Development of a solar photovoltaic system for autonomous power supply of individual consumers in tropical conditions : dissertation abstract... candidate of technical sciences. Moscow, 2015; 19. (rus.).
8. Rosendo Chacon Militsa Elena. Study of solar-based energy supply systems for consumers in remote areas in the Bolivarian Republic of Venezuela : dissertation abstract... candidate of technical sciences. Moscow, 2017; 20. (rus.).
9. Pat. No. 2598864 RU, IPC H02J 7/00. The control method of an autonomous container power plant and its implementation system / G.V. Batrakov; patented LLC Management and Financing. Appl. No. 2015149133/07, 11.17.2015. Publ. 09.27.2016. Bull. No. 27. (rus.).
10. Pat. No. WO/2009/017686, IPC F25D 23/12. Renewable Energy Trailer / Muchow David J. Appl. No. US2008/009072. Publ. 05.02.2009.
11. Pat. EA201100557 (A2), IPC B02C 2/00. Light mobile power plant "Sunflower" / A.A. Kasyanov, A.K. Titov. Appl. No. 201100557. Publ. 06.28.2013. URL: https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?FT=D&da te=20130628&DB=&locale=&CC=EA&NR=201100557A2&KC=A2&ND=1 (rus.).
12. Hatziargyriou N.D., Jenkins N., Strbac G., Lopes J.A.P., Ruela J., Engler A. et al. Microgrids-Large scale integration of microgeneration to low voltage grids. CIGRE 2006, 41st Session Conference, At Paris, France. Paris, Aug 2006. URL: https://www.researchgate.net/publication/322804505_Microgrids-Large_Scale_Integration_of_Microgeneration_to_Low_ Voltage_Grids
13. Ratner S.V. Issues of encouraging the microgeneration based on renewable energy sources. National Interests: Priorities and Security. 2017; 13(6):1102-1113. DOI: 10.24891/ni.13.6.1102 (rus.).
14. Liptak S., Miranbeigi M., Kulkarni S., Jinsiwale R., Divan. D. Self-Organizing NanoGrid (SONG). 2019 IEEE Decentralized Energy Access Solutions Workshop (DEAS). Atlanta, IEEE, 2019. DOI: 10.1109/DEAS.2019.8758741
15. Madduri P.A., Poon J., Rosa J., Podolsky M., Brewer E.A., Sanders S.R. Scalable DC microgrids for rural electrification in emerging regions. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2016; 4(4):1195-1205. DOI: 10.1109/jestpe.2016.2570229
Поступила в редакцию 15 октября 2019 г. Принята в доработанном виде 31 октября 2019 г. Одобрена для публикации 28 ноября 2019 г.
Received October 15, 2019.
Adopted in an amended form on October 31, 2019.
Approved for publication November 28, 2019.
Об авторах: Колганов Кирилл Андреевич — генеральный директор, ООО «ПИК», 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29, acmarkov7@gmail.com;
Марков Александр Сергеевич — руководитель проекта, ООО «ПИК», 420061, г. Казань, ул. Николая Ершова, д. 29, acmarkov7@gmail.com.
About the authors: Kirill Andreevich Kolganov — general manager, LLC "Design and Engineering Company", 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation, acmarkov7@gmail.com;
Alexander Sergeevich Markov — project manager, LLC "Design and Engineering Company", 29 Nikolaya Ershova st., Kazan, 420061, Russian Federation, acmarkov7@gmail.com.
