CC BY
19Статья поступила в редакцию 04.10.13. Ред. рег. № 1808
The article has entered in publishing office 04.10.13 . Ed. reg. No. 1808
УДК: 620.98
ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗАРЯДНОГО ТЕРМИНАЛА ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНОЙ ГЕНЕРАЦИИ
С.В. Киселева1'2, О.С. Попель2'3, А.Б. Тарасенко23, В.Ф. Титов2, Т. С. Ткачева2'3, А.Б. Усанов2
Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии Географический факультет МГУ
119991, Москва, Россия, Ленинские горы, д.1 Тел.: (495) 939-42-57, e-mail: rsemsu@mail.ru 2Объединенный институт высоких температур РАН 125412, Москва, ул. Ижорская, д.13, стр.2 Тел.: (495) 484-23-74, e-mail: o_popel@oivtran.ru
3ООО «НТЦ «ЭНЕРГИЯ» Россия, Якутск, ул. 50 лет Советской Армии, д.5, e-mail: a.b.tarasenko@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 09.10.13 Заключение совета экспертов: 14.10.13 Принято к публикации: 19.10.13
Электротранспорт и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) представляются перспективными технологиями для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. По статистике именно транспорт является основным загрязнителем окружающей среды. Одной из ключевых проблем развития электротранспорта является создание адекватной инфраструктуры, именно для ее решения могут быть использованы возобновляемые источники энергии. Как и в других системах на основе ВИЭ, критически важным является оптимальный расчет ее основных параметров, обеспечивающих достижение заданных технико-экономических показателей. В статье предложены различные схемы зарядных терминалов, использующих фотоэлектрические модули в качестве первичного источника энергии, и выполнены их технико-экономические оценки.
Ключевые слова: фотоэлектрические системы, технико-экономический анализ, электромобиль, зарядный терминал, накопитель электрической энергии, водородный цикл, проточная редокс-батарея, литий-ионный аккумулятор.
EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC PARAMETERS OF CHARGING TERMINAL FOR ELECTRIC VEHICLES BASED ON SOLAR POWER.
S.V. Kiseleva1'2, O.S. Popel23, A.B. Tarasenko23, V.F. Titov2, T.S. Tkacheva23, A.B. Usanov2
'Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography 1 Leninskie Gori, Moscow, 119991, Russia Tel.: (495) 939-42-57, e-mail: rsemsu@mail.ru Joint Institute for High Temperatures RAS 13, Bld. 2 Izhorskaya St., 125412, Moscow, Russia Tel. : (495) 484-23-74, e-mail: o_popel@oivtran.ru 3Scientific and Technical Center "Energy" Ltd. 5, 50 let Sovetskoy Armii, Yakutsk, Russia e-mail: a.b.tarasenko@gmail.com
Referred: 09.10.13 Expertise: 14.10.13 Accepted: 19.10.13
Electric transport and renewable energy sources (RES) are promising technologies for reducing an anthropogenic impact on environment. According to statistics, namely transport is a major polluter of the environment. One of the key problems in the development of electric transport is the creation of adequate infrastructure; especially for its solutions renewable energy sources can be used. As in the other systems, based on renewable energy sources, optimal calculation of its basic parameters is crucial for achievement of specified technical and economic indicators. The paper proposes various schemes of the charging terminals using photovoltaic modules as the primary energy source, their technical, and economic assessment.
Key words: photovoltaic systems, technical and economic analysis, electric vehicle, charging terminal, storage of electrical energy, hydrogen cycle, redox flow battery, lithium-ion battery.
2,3
2,3
-2,3
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Введение
Электротранспорт и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) представляются перспективными технологиями для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. По статистике именно транспорт является основным загрязнителем окружающей среды. Одной из ключевых проблем развития электротранспорта является создание адекватной инфраструктуры, в которую могут быть продуктивно включены возобновляемые источники энергии. При этом ВИЭ могут использоваться как для создания автономных зарядных терминалов вне городов, так и для питания электрозарядных станций, работающих параллельно с централизованной электросетью в условиях дефицита в ней энергии в дневные пиковые часы. Подобные терминалы, по сути, представляют собой автономную энергоустановку на основе ВИЭ или такую же энергоустановку, работающую параллельно с сетью, но имеющую специфический график нагрузки, обусловленный количеством приходящих на зарядку электромобилей, емкостью их батарей и плотностью их потока. График нагрузки и оценка
местных ресурсов ВИЭ являются необходимыми и достаточными исходными данными для проектирования любых энергоустановок на основе ВИЭ, так как в отличие от энергоустановок традиционного типа эффективность работы установки определяется не установленной мощностью генераторов, а выработанной ими энергией. Непостоянство генерации ВИЭ во времени определяет необходимость либо наличия в составе зарядного терминала накопителя, либо подключения его к сети, либо использования дизель-генераторной установки в качестве резерва источника питания. В противном случае гарантировать зарядку электромобиля за фиксированное время не представляется возможным.
Схемы энергоустановок
Принципиально любая схема терминала включает в себя группу источников и преобразователей энергии. Коммутация между ними может осуществляться как по постоянному (рис. 1, а), так и по переменному току (рис. 1, Ь).
Рис. 1. Базовые схемы и устройства для реализации автономного зарядного терминала Fig. 1. Basic scheme and apparatus for implementing stand-alone battery terminal
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Следует учесть, что фотоэлектрические модули и накопители (как в составе электротранспортного средства (ЭТС), так и терминала) работают на постоянном токе. Поэтому первая схема несет в себе риск существенного снижения коэффициента использования энергии ВИЭ за счет многочисленных преобразований постоянного тока в переменный и обратно. В пользу этой схемы говорит только то обстоятельство, что ее можно относительно быстро реализовать на основе коммерческих компонентов - зарядные терминалы на переменном токе, инверторы и контроллеры заряда широко доступны на рынке, если речь не идет о применении в составе терминала иных, кроме никель-кадмиевых и свинцово-кислотных аккумуляторов. Кроме того, количество серийных электромобилей, тем более применяемых вне городской стационарной сети, на сегодняшний день достаточно мало, чтобы сделать рентабельным выпуск терминалов на постоянном токе.
Схема с постоянным током существенно проще и, на первый взгляд, дешевле, так как требует только одного преобразователя, фактически - контроллера заряда большой мощности, адаптированного под тот тип аккумуляторов, который будет заряжать данный терминал.
Работа зарядного терминала параллельно с сетью позволяет значительно удешевить систему, используя сеть как накопитель энергии с бесконечной емкостью, куда можно либо отдать излишки энергии, выработанной фотоэлектрическими модулями, либо добрать недостающую энергию для заряда электромобилей в конкретный момент времени. Альтернатив коммутации на переменном токе здесь нет, но без компенсационного тарифа на покупку энергии в сеть от ВИЭ такой терминал заведомо нерентабелен. Кроме того, особенность современных сетевых инверторов напряжения солнечных серий заключается в том, что отключение сети приводит к отключению ВИЭ в автоматическом режиме, независимо от погодных условий. Это делается по соображениям безопасности [1], то есть при аварии в энергосети района терминал будет обесточен даже при наличии достаточной инсоляции. Включение в состав терминала накопителя оказывается дороже (опыт проектирования солнечных энергоустановок показывает, что аккумуляторы и инвертор-зарядное устройство для них составляют примерно половину капитальных затрат на создание автономной энергоустановки [1]), но обеспечивает более надежную работу для районов со слабой сетью.
Расчетно-аналитические исследования
При известном графике нагрузки можно прибегнуть к приемам проектирования и расчета автономных энергоустановок, примененным ранее для автономных солнечных энергосистем [2, 3]. Основной проблемой при проектировании зарядного терминала на основе солнечной генерации является неопределенность с количеством энергии, получаемой от пер-
вичных источников энергии, а также неопределенность графика нагрузки, то есть времени прибытия электромобилей на зарядку, что неоднократно отмечалось в различных источниках [4, 5]. В связи с этим за рубежом много внимания уделяется построению схем привлечения электромобилей на зарядные станции в то время суток, когда это необходимо для стабилизации работы электрических сетей. В качестве стимулирующих мер предлагаются выгодные тарифы и замена вырабатывающих свой ресурс аккумуляторов [6]. Ключевым предположением здесь является тот факт, что график использования ЭТС мало отличается от такового для обычного транспортного средства. Рассматривается рабочая неделя, прежде всего в силу ее большей продолжительности (5 дней против 2 выходных).
В работе [6] делается вывод о том, что для полного разряда батареи при токах, не снижающих существенно ресурсные параметры батареи (возврата энергии в сеть), требуется около 5 часов. При этом типичная энергоемкость батареи электромобиля составляет 24-30 кВт-ч с глубиной разряда 70-90% [7].
Рис. 2. Изменение интенсивности солнечной радиации 23.11.2012, г. Москва. Данные зарегистрированы н а опытно-демонстрационной установке «Фиал-1» в Научно-исследовательской лаборатории ВИЭ МГУ Fig. 2. Solar radiation intensity changes on 23.11.2012, Moscow. The data recorded on pilot demonstration facility "FiaM" in the Research Laboratory of Renewable Energy, MSU
Рис. 3. Усредненное количество бессолнечных дней за месяц Fig. 3. Average number of sunless days per month (in equivalent days)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Необходимость компенсации неравномерностей солнечной генерации подтверждается характерной картиной прихода солнечной радиации на единицу поверхности фотоэлектрического модуля, расположенного под углом наклона 70° к горизонту в течение дня и среднее количество бессолнечных дней для различных месяцев года для климатических и географических условий г. Москвы соответственно (рис. 2, 3).
На сегодняшний день целесообразно рассматривать три базовые схемы зарядных терминалов:
- полностью автономный, включающий накопитель электрической энергии для компенсации потребления в бессолнечные дни - случай 1;
- работающий параллельно с сетью и имеющий накопитель малой мощности для компенсации суточного ночного потребления - случай 2;
- полностью автономный, включающий в себя накопитель для компенсации суточного ночного потребления и работающий по принципу, предложенному компанией Renault-Nissan (замена батарей электромобиля с их последующей подзарядкой в течение суток [8]) - случай 3.
В случае 1 зарядный терминал включает в себя фотоэлектрические модули на следящих за солнцем опорных конструкциях (треккерах), автономные инверторы, контроллеры заряда и накопитель электрической энергии. В случае превышения потребляемой или генерируемой фотоэлектрическими модулями мощности, обмена энергией с сетью не происходит. В случае 2 недостаток энергии покрывается из сети, а избыток - продается в сеть. В случае 3 избыток энергии идет на заряд складированных на терминале разряженных аккумуляторных батарей.
Использовался следующий алгоритм оценки параметров зарядного терминала:
• Из климатической базы [9] для заданной точки расположения терминала (рассматривался Московский регион) импортируются следующие данные:
- приход солнечной радиации на единицу поверхности, ориентированную под разными углами к горизонту (широта ±15°), L, (кВт/м2)/день;
- усредненное число бессолнечных дней за месяц Nbd, сутки;
- усредненная продолжительность светового дня за каждый месяц Td, час;
- продолжительность темного времени суток вычисляется как Tn = 24 - Td, час.
• Задаются значения:
- для фотоэлектрического модуля (ФЭМ): кпд ПфэМ, %; цена пиковой мощности СФЭМ, руб./Вт; пиковая мощность РФЭМ, Вт и площадь 5фЭМ, м2 единичного ФЭМ;
- для аккумулятора: цена номинальной энергоемкости Сакб, руб./Вт-ч; рекомендованная глубина разряда DOD, %; рекомендуемое напряжение заряда Us, В и разряда Up, В;
- для сетевого инвертора напряжения или контроллера заряда АКБ: Ссин, руб./кВт и кпд псин, %;
- для автономного инвертора напряжения: Саин, руб./кВт и кпд п аин? %;
- количество электромобилей, прошедших через терминал в сутки Nelmb, шт.;
- энергоемкость батареи на электромобиле Welmb, кВт-ч;
- допустимая глубина ее разряда DOD elmb, %;
- время заряда одного электромобиля Telmb, ч.
• Кпд АКБ пакб, %, определяется как Пакб = Up .100/Us . Количество мест на терминале Nn, шт. оценивается как округленное вверх значение N„ = TelmbNelmbl24 (из расчета заряда за сутки всех имеющихся электромобилей). Тогда потребляемая электромобилями за сутки энергия Wcons, кВт-ч рассчитывается как Wco„s = Nem,bDODe,mbWelmb/100 A™
каждого месяца. Считаем, что среднее количество прошедших за месяц заправку электромобилей не меняется по году. Распределение прихода электромобилей по времени суток принимаем равномерным, тогда потребленная днем и ночью энергия пропорциональна потребленной за сутки энергии с весовым коэффициентом, определяющим отношение соответствующего времени суток к общей их длительности (24 часа) для данного месяца: Wco„sd = Wco„sTd/24, W = W T /24
consn cons n /
• Согласно схеме установки считаем, что в дневное время питание потребителя идет, минуя накопитель. Тогда необходимая площадь ФЭМ для
питания терминала: S03Md = WComdl(10-4ПсинПФЭМL).
Считая, что ФЭМ расположены на следящем устройстве (треккере), в качестве L выбираем максимальное значение из трех возможных для каждого месяца.
• Питание терминала в ночное время осуществляется через накопитель, но первичным источником энергии является солнце. Энергия при этом проходит через сетевой инвертор или контроллер заряда, автономный инвертор или накопитель. Поэтому КПД всех этих устройств должен быть учтен в расчете:
^ФЭМи = Wconsnl(l0 ПсинПФЭМПаинПакбL) .
• Предельное значение площади ФЭМ определяется как сумма максимальных значений по году для S^Mn и S^Md. Опыт показывает, что обычно это значение слишком велико для достижения экономически оправданных стоимостных показателей, особенно в средней полосе России. Поэтому далее в оптимизационных расчетах используется меньшая величина являющаяся переменной, а предельное значение STOMmax дает представление о крайнем случае полного обеспечения терминала энергией от фотоэлектрических модулей без учета бессолнечных дней. Суммарная стоимость блока фотоэлектрических модулей СФЭМ1Л, руб. определяется как
с = S C P
ФЭМtot "ФЭМа^ ФЭМ ФЭМ
/¿Ф
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Потребление энергии в бессолнечные дни покрывается за счет накопителя электрической энергии. Потребная энергоемкость Wbd, кВт-ч оценивается как Wbd = Nbd Wcons.
Обратимая энергоемкость аккумуляторной батареи W^, кВт-ч определяется либо как максимальное значение Wcons по году (если аккумуляторная батарея используется только для покрытия ночных нагрузок), либо как сумма максимальных значений Wcons и Wbd (если бессолнечные дни также компенсируются от батареи). Стоимость аккумуляторов Сакба(о4, руб., определяется с учетом их допустимой глубины разряда Сакбо, = С^ба -105/DOD2 .
Важно следить за тем, чтобы выбранный режим аккумулирования использовался и при расчете энергобаланса установки, конкретно - при вычислении излишков энергии за месяц Wexm, кВт-ч и неиспользованной энергии за месяц Wsur, кВт-ч.
• Выработанная установленными ФЭМ за день средняя энергия Wprd, кВт-ч определяется как
Wprd = ^ФЭМаЛсинПФЭМ L .
Аккумулированная в накопители не использованная за месяц энергия Waccm = (Wprd - Wco„s ) (Nm - Nbd ) . Отрицательное значение означает, что выработанной энергии от ФЭМ не хватает.
• Излишки энергии за месяц определяются как Wexm = Waccm - Wbd . Отрицательное значение означает, что накопления энергии не происходит. Расчет запасенной в накопителе энергии (рабочего значения Wop, кВт-ч) на текущий месяц производится следующим образом: для января суммируется декабрьское значение накопленной энергии и январское значение Wexm. Для февраля - февральское Wexm и январское значение накопленной энергии. Как только значение превышает значение установленной емкости аккумуляторной батареи, оно заменяется на последнее (W^). Расчет ведется циклически для всех месяцев. Затем отрицательные значения суммируются по всему году и образуют годовую недостачу Wis, кВт-ч.
• Неиспользованная энергия за каждый месяц Wur определяется как Wur = Wop - Wacc. Фактически в
этой графе отображается ежемесячная разница между тем, что могут выработать модули и тем, что может поглотить накопитель терминала. Эти избытки могут быть использованы для зарядки скопившихся на терминале аккумуляторных батарей, если терминал может работать по варианту 3. Количество заряженных таким образом батарей для каждого месяца
определяется как Wbat =
Wu.„DODelmb Лак6 nL
Welmb -100
при участии производителя электромобилей. Кроме того, в качестве накопителя энергии для ее длительного хранения могут использоваться водородный цикл [10] и проточные редокс-батареи [11]. Для этих систем характерно разделение мощности и энергоемкости, причем увеличение энергоемкости обходится на порядок дешевле, нежели увеличение мощности [12]. Такой накопитель подключается к установке в качестве дополнительной нагрузки (рис. 4). Контактор КМ1 замыкается по команде системы управления при наличии избытков солнечной энергии, КМ2 - при ее недостатке. В случае использования проточной батареи используется один контактор, так как блоки прямого и обратного преобразования электрической энергии в химическую объединены в один.
Считаем, что заряд электромобиля идет от сети 220 В, а батареи и инверторы в составе терминала и электромобиля имеют один и тот же КПД. Первое предположение обосновывалось ранее, а второе может быть оправдано тем, что терминалы создаются
Рис. 4. Использование дополнительных накопителей электрической энергии для ее сезонного аккумулирования Fig. 4. Using additional storage of electrical energy for its seasonal storage
• В случае если терминал присоединен к сети, то в обмене энергией с сетью участвуют значения:
- ^ехт - это та средняя энергия, которая может быть выдана в сеть за месяц, если нет рекуперации или зарядки дополнительных батарей на самом терминале;
- отрицательные значения №ор - эта та средняя энергия, которая отбирается из сети за месяц для обеспечения работы терминала при недостаточном уровне инсоляции.
• Мощность солнечных инверторов Рсинм, кВт рассчитывается для уточнения их суммарной стоимо-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
сти из соображений поглощения пиковой мощности всех установленных ФЭМ: Рсин
P S
1 ФЭМ ФЭМа ¿ФЭМ -1000
Суммарная стоимость солнечных сетевых инверторов рассчитывается как произведение цены мощности на суммарнуЮ моЩность: Ссины = Рсин,„,Ссин .
• Мощность терминала Ртерм, кВт рассчитывается из соображений заряда всех электромобилей, находящихся на терминале, одновременно: Ртерм = (NnWelnbDODelmb )/(Telmb -100).
То есть мощность автономных инверторов должна быть достаточной для заряда всех электромобилей на терминале в течение заданного времени заряда и заданной энергоемкости батареи электромобиля с учетом допустимой глубины разряда. В то же время, при избытке солнечной энергии и отсутствии электромобилей на стоянке вся мощность должна уйти в накопитель, заряд которого также осуществляется посредством автономного инвертора напряжения. Поэтому РшнЫ, кВт определяется как максимальное из значений Ртерм и РсинМ. Суммарная стоимость автономных инверторов определяется аналогично суммарной стоимости сетевых солнечных инверторов Сдин tot = Р1ИН totCÜMK .
Стоимость опорных конструкций, контейнеров, кабеля и других комплектуЮщих и строительно-монтажных работ по опыту создания автономных энергоустановок принята равной стоимости фотоэлектрических модулей. Стоимость треккеров принята равной половине стоимости фотоэлектрических модулей. Таким образом, стоимость вспомогательных систем составляет cbop = 1,5СФЭМ ш . Капитальные затраты определяЮтся как сумма всех затрат на
оборудование и СМР: С,о, = Cbop + CфЭМtot + Сшн,о, + + с + с
^синШ ^акб^*
В случае подклЮченного к сети терминала эксплуатационные расходы и доходы будут определяться в числе прочего и энергетическими потоками. Расходы составят: сп = WisTarin, где Tarin, руб./кВт-ч - тариф, по которому закупается энергия для нужд терминала из сети. Доход^1 составят: сou, = WeXm,o,Tarou, , где Taroufe руб./кВт-ч - тариф, по которому энергия продается потребителю, а Wexrntot, кВт-ч - сумма по году W^.
• Экономически оправданный тариф на зарядку электромобиля рассчитывался с учетом капитальных затрат Qot, руб.; затрат на продажу и покупку электроэнергии из сети (в случае подключенного к сети терминала) сш, руб. и Сп, руб.; планируемого срока окупаемости оборудования Tpb, лет, задаваемого в качестве переменной. Количество зарядок за год оценивалось как количество прошедших зарядную станцию за сутки электромобилей, умноженное на 365. Фактически рассчитывалась простая окупаемость терминала за заданный срок: Ci = (Co, - Cou, + Cn )/(Tpb - 365Nelmb).
В случае аккумулирования избыточной энергии в батареях по схеме 3 из расчета тарифа исключается обмен энергией с сетью, а Ые1тЪ увеличивается на сумму заряженных за год дополнительных батарей.
Результаты расчетов и их обсуждение
Ниже приведены некоторые результаты расчетов, позволяющие оценить плюсы и минусы различных вариантов. Рассматривались варианты ЫатЬ, равного 2 и 6. Изменение количества электромобилей в данной модели ведет к линейному изменению всех остальных оцениваемых параметров, прежде всего в силу того, что распределение времени прибытия электромобилей на стоянку равномерное. Больший интерес с точки зрения оптимизации самого терминала представляют вариации других параметров и их последствия. Например, энергоемкость буферной аккумуляторной батареи самого терминала. Подобно [13], она взята литий-ионной, на основе аккумуляторов WinstonBatteryCo. На рис. 5 рассмотрены некоторые технико-экономические параметры терминалов с малой (34 кВт-ч) и большой (524 кВт-ч) буферной батареей.
Вклады компонентов в стоимость
Среднегодовой энергобаланс терминала, кВтч 7000
Дополнитепьнь заряжаемые бэ
• Т|эе_ккер
■ ФЭМ
■ Металл о- 4000 конструкции
■ АНН
син 1000
заряжаемые батареи, шт.
30
15 о
lili
9 12 Месяц года
Выработка ФЭМ
• Аккумулировано
• Избыток
4 5678 Месяц года
Вклады компонентов в стоимость
: йггр -рР=да°Хчэнерго0аланс
' »эм 6000
■ Металло-
конструкции и СМР АИН ■ СИН
4000
Дополнительн заряжаемые 6
ые
2000
заряжаемые батареи, шт. 20 10
0 з 4 5 в 7 8 Месяц года
1! 3¿ II 5 6
ID
6 9 12 Месяц года
ыработка ФЭМ
'збыГоГ Р° ва н 0
Рис. 5. Некоторые технико-экономические параметры терминалов с малой (а) и большой (b) буферной аккумуляторной батареей Fig. 5. Some technical and economical parameters for charge stations with small (a) and large (b) buffer accumulator battery
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
В первом варианте, по сути, обеспечивается одна ночная зарядка электромобиля в самую длинную ночь года, и не обеспечивается стабильная работа терминала ни в течение года, ни в течение суток, если только он не подключен к сети. Второй вариант позволяет терминалу работать полностью автономно на протяжении большей части года.
В обоих случаях время заряда автомобильной батареи 5 часов, ее энергоемкость 30 кВт-ч, глубина разряда 80%, тариф на закупку энергии из сети (при необходимости) в ночное время - 2 руб./кВт-ч, на продажу в дневной пик - 4 руб./кВт-ч. Рекомендуемая для достижения полной автономности терминала площадь солнечных модулей составила 302 м2, но расчет велся для 150 м2, и даже в этом случае полученные по ценам заряда результаты не располагают к оптимизму. Так, стоимость зарядки для терминала,
присоединенного к сети, в случае буферной батареи в 34 кВт-ч составила 483 руб., а в случае энергоемкости 524 кВт-ч - уже 2614 руб. Очевидно, что увеличение площади в два раза без изменения остальных параметров приведет к росту цены, насколько именно - станет ясно из дальнейших расчетов.
Для подтверждения вывода о бесперспективности наращивания энергоемкости буферного накопителя на основе литий-ионных аккумуляторов количество электромобилей было увеличено до 6 (рекомендуемая суммарная площадь фотоэлектрических модулей 906 м2, установленная - 350 м2 и 450 м2, рекомендуемая энергоемкость буферной батареи -1600 кВт-ч) и проведены расчеты для энергоемкости в 524, 1200 и 1500 кВт-ч. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние энергоемкости буферной батареи зарядного терминала и суммарной площади ФЭМ
на технико-экономические показатели
Table 1
Influence of energy back-up battery charger terminal and total area of photovoltaic module
on technical and economic performance
Энергоемкость буферной батареи, кВт-ч Суммарная площадь ФЭМ, м2 Цена заряда, руб./цикл Среднегодовая энергия, кВт-ч
Терминал
присоединенный к сети в варианте Renault-Nissan недостача избыток
524 450 1176 1033 18000 16400
1200 450 2105 1888 14600 13000
1500 450 2518 2284 13200 11500
1500 350 2464 2420 45400 135
Таблица 2
Влияние количества фотоэлектрических модулей на технико-экономические показатели зарядного терминала для случаев 2 и 3
Table 2
Influence of number of photovoltaic modules on technical and economic performance battery terminal for cases 2 and 3
Суммарная площадь ФЭМ, м2 Цена заряда, руб./цикл Среднегодовое количество батарей, заряжаемых избыточной энергией, шт.
Терминал
присоединенный к сети в варианте RenaultNissan
600 439 373 776
700 480 373 1121
Вывод о бесперспективности увеличения энергоемкости буферной батареи подтверждается. Более того, снижать количество ФЭМ ниже 340-350 м2 без снижения энергоемкости буферного накопителя не имеет смысла - выработка падает настолько, что практически весь год батарея остается недозаряжен-ной. Снижение количества ФЭМ ведет к удорожа-
нию применения схемы Renault-Nissan - из-за резкого снижения количества электромобильных батарей, заряженных избыточной энергией (при заданных параметрах их оказалось всего две за год), обусловленного снижением избыточной выработки.
В следующем варианте расчетов количество электромобилей за сутки осталось равным 6, но энергоемкость батареи вновь снижена до 34 кВтч при сохранении всех остальных условий прежними. При суммарной площади ФЭМ 450 м2 и выше это отвечает случаю 2 - присоединенный к сети терминал с малой резервной АКБ или случаю 3 - если обмен энергией с сетью исключен. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Видно, что по сравнению с результатами предыдущих расчетов цена одного цикла заряда сначала падает, а потом снова начинает расти. Цена в варианте с заменяемыми батареями стабилизируется, несмотря на увеличение числа таких батарей. Это свидетельствует о том, что полученный выигрыш от роста выработки компенсируется дополнительными капитальными затратами на ФЭМ и сопутствующее оборудование. Последний параметр, изменение которого может уменьшить цену цикла заряда, это та-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Nissan). Литий-ионный буферный накопитель присутствует во всех вариантах, однако по мере роста его энергоемкости снижаются излишки энергии, утилизируемые другими способами.
Таблица 3
Влияние тарифа продажи энергии в сеть на технико-экономические показатели зарядного терминала
Table 3
Effect of energy rate sale to network on technical and economic performance of charging terminal
риф на покупку энергии от терминала в сеть. Результаты расчетов приведены в табл. 3. Варьировался только один параметр - тариф на покупку энергии. Все остальные величины оставлены неизменными по сравнению с предыдущим расчетом. Как и следовало ожидать, цена заряда начала падать.
Результаты расчетов технико-экономических показателей терминала при различных способах утилизации избыточной электроэнергии, выработанной в летнее время, приведены в табл. 4. Рассматривалось накопление энергии в виде водорода (водородный цикл аккумулирования энергии), в виде химической энергии растворов солей ванадия (проточные ванадиевые редокс-батареи), в виде литий-ионного буферного накопителя большой энергоемкости, в виде зарядки дополнительных батарей (схема Renault-
Таблица 4
Технико-экономические показатели для различных способов утилизации избыточной электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими модулями в летний период.
Для всех случаев количество электромобилей равно 6, одновременно возможна зарядка двух из них, суммарная площадь фотоэлектрических модулей 450 м2
Table 4
Technical and economic parameters for different methods of disposing of surplus electricity generated by photovoltaic modules in summer. In all cases, amount of electric power is equal to 6, two of them can be charged at the same time, and total area of photovoltaic modules is 450 m2
Тариф на покупку энергии в сеть, руб./кВт-ч 4 6 8 10
Цена заряда, руб./цикл 480 430 380 329
Установленная энергоемкость буферной литий-ионной аккумуляторной батареи, кВтч 34 524 1200 1500
Рекуперация «летней» энергии зимой на водородном цикле на ВЦ, кВтч 5900 5100 4100 3600
Выработка водорода, нм3/год 3600 3100 2500 2200
Рекуперация «летней» энергии на проточной редокс-батарее, кВтч 12500 11000 8700 7700
Цена одной зарядки автомобиля, руб. (без полезного использования избыточной летней выработки) 380 1176 2105 2518
Цена одной зарядки автомобиля, руб. (буферный накопитель - водородный цикл) 564 2916 3842 4524
Цена одной зарядки электромобиля, руб. (буферный накопитель - проточная редокс-батарея) 485 1841 2767 3178
Количество заряжаемых за год дополнительных батарей, шт. 382 328 264 233
Цена одной зарядки электромобиля, руб. (с учетом продажи дополнительных батарей) 337 1033 1888 2284
На данный момент ясно, что на широте г. Москвы использование полностью автономных зарядных терминалов с питанием от фотоэлектрических модулей нецелесообразно. Обеспечить гарантированность работы такого терминала в экономически обоснованных капитальных затратах не представляется возможным. На сегодняшний день наиболее эффективной из предложенных схем для автономного терминала на основе солнечной генерации представляется схема с заменой батареи прибывшего на терминал электромобиля. Она обеспечивает наилучшие показатели по гарантированности и позволяет наиболее полно использовать энергию солнца из всех представленных схем. Другие способы утилизации избыточной «летней» энергии работают хуже: против проточной редокс-батареи играет дороговизна компонентов, а против водородного цикла - низкий КПД преобразования, что обуславливает большие потери энергии. При увеличении тарифа на покупку
избыточной энергии сетью более выигрышной является схема обмена энергии между терминалом и сетью при максимально допустимой по массогабарит-ным характеристикам площади солнечной батареи и минимальной энергоемкости буферного накопителя электрической энергии, однако минимальные значения такого тарифа для конкуренции со схемой замены батарей достаточно велики.
Выводы
- Разработаны принципиальные схемные решения для зарядных терминалов, питаемых от солнечной энергии в двух вариантах - с коммутацией источников и потребителей на постоянном и переменном токе. Первый вариант выглядит перспективным с точки зрения максимизации КПД, второй - с точки зрения быстроты и дешевизны внедрения, а также взаимодействия терминала с сетью в рамках концепции smartgrid.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
- Наличие в составе зарядного терминала с ВИЭ собственного накопителя существенно повышает надежность его работы, но побочным результатом является существенный рост себестоимости терминала.
- Для автономных терминалов очень важно использовать избыточную энергию, вырабатываемую фотоэлектрическими модулями в летний период. Наилучшим способом такой утилизации является использование системы демонтажа разряженной батареи с электромобиля и ее замены на заряженную с последующей зарядкой разряженных батарей в пиковые периоды генерации фотоэлектрических модулей без участия электромобиля и его владельца. При
существующем уровне капитальных затрат и отсутствии feed-in тарифа для энергоустановок с ВИЭ эта схема представляется предпочтительной и для терминалов, присоединенных к сети.
Благодарность
Исследования проводились при поддержке Минобр-науки (ГК № 14.516.11.0054 от 23 июня 2013 г.) и Президиума РАН (Программа фундаментальных исследований Президиума РАН «Физико-технические принципы создания технологий и устройств для интеллектуальных активно-адаптивных электрических сетей»).
Список литературы
References
1. Web-сайт компании «Ваш солнечный дом» http://www.solarhome.ru/ru/pv/pv_grid_systems.htm, дата обращения 10.09.2013 г.
2. Тарасенко А.Б., Киселева С.В., Попель О.С., Титов
B. Ф. О выборе оптимального состава гибридной энергетической установки для изолированного поселка // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE, 2012. № 2 (106).
C. 177-182.
3. Киселева С.В., Тарасенко А.Б., Тетерина Н.В. Возможности оптимизации энергетического баланса островного поселения (на примере пос. Соловецкий Архангельской области) // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE, 2012. № 05-06 (109-110). С. 187-196.
4. Sanna Lucy. Driving the solution, the plug-in hybrid vehicle // EPRI Journal. Fall 2005. Р. 8-17.
5. Kempton Willett, Tomi'c Jasna. Vehicle-to-grid power fundamentals: calculating capacity and net revenue // J. of Power Sources. 2005. № 28. Р. 127-134.
6. Guille Christophe and Gross George. Design of a Conceptual Framework for the V2G Implementation / IEEE Energy 2030. Atlanta, GA. USA. 17-18 November, 2008.
7. Web-сайт филиала компании Nissan Motor Company в США http://www.nissanusa.com/leaf-electric-car.
8. Шейндлин А.Е., Жук А.З., Школьников Е.И., Берш А.В., Клейменов Б.В., Тарасенко А.Б. Распределенная генерация тепловой и электрической энергии на основе возобновляемых источников с использованием алюминия в качестве промежуточного энергоносителя // Теплоэнергетика. 2010. № 11. С. 51-57.
9. Сайт проекта NASA SSE http://eosweb.larc. nasa.gov/sse
10. Андреев В.М., Забродский А.Г., Когновицкий С.О. Интегрированная энергоустановка с накопителем энергии на основе водородного цикла // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE, 2007. № 2 (46). С. 99-105.
11. Fabjan Ch., Garche J., Harrer B., Jorissen L., Kolbeck C., Philippi F., Tomazic G., Wagner F. The vanadium redox-battery: an efficient storage unit for photovoltaic systems // Electrochimica Acta. 2003. № 47. Р. 825-831.
12. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Сравнительный технико-экономический анализ систем длительного аккумулирования электрической энергии для источников резервного и аварийного питания, а также энергоустановок с возобновляемыми источниками энергии // Теплоэнергетика. 2012. № 11. C. 1-8.
13. Tong Shi Jie, Same Adam, Kootstra Mark A., Park Jae Wan. Off-grid photovoltaic vehicle charge using second life lithium batteries: an experimental and numerical investigation // Applied Energy. 2013. № 104. R. 740-750
1. Web-sajt kompanii «Vas solnecnyj dom» http://www. solarhome.ru/ru/pv/pv_grid_systems.htm, data obraseniâ 10.09.2013 g.
2. Tarasenko A.B., Kiseleva S.V., Popel' O.S., Titov V.F. O vybore optimal'nogo sostava gibridnoj ènergeticeskoj ustanovki dlâ izolirovannogo poselka // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE, 2012. № 2 (106). S. 177-182.
3. Kiseleva S.V., Tarasenko A.B., Teterina N.V. Vozmoznosti optimizacii ènergeticeskogo balansa ostrovnogo poseleniâ (na primere pos. Soloveckij Arhangel'skoj oblasti) // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE, 2012. № 05-06 (109-110). S. 187-196.
4. Sanna Lucy. Driving the solution, the plug-in hybrid vehicle // EPRI Journal. Fall 2005. R. 8-17.
5. Kempton Willett, Tomi'c Jasna. Vehicle-to-grid power fundamentals: calculating capacity and net revenue // J. of Power Sources. 2005. № 28. R. 127-134.
6. Guille Christophe and Gross George. Design of a Conceptual Framework for the V2G Implementation / IEEE Energy 2030. Atlanta, GA. USA. 17-18 November, 2008.
7. Web-sajt filiala kompanii Nissan Motor Company v SSA http://www.nissanusa.com/leaf-electric-car.
8. Sejndlin A.E., Zuk A.Z., Skol'nikov E.I., Bers A.V., Klejmenov B.V., Tarasenko A.B. Raspredelennaâ generaciâ teplovoj i èlektriceskoj ènergii na osnove vozobnovlâemyh istocnikov s ispol'zovaniem alûminiâ v kacestve promezutoc-nogo ènergonositelâ // Teploènergetika. 2010. № 11. S. 51-57.
9. Sajt proekta NASA SSE http://eosweb.larc. nasa.gov/sse
10. Andreev V.M., Zabrodskij A.G., Kognovickij S.O. Integrirovannaâ ènergoustanovka s nakopitelem ènergii na osnove vodorodnogo cikla // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE, 2007. № 2 (46). S. 99-105.
11. Fabjan Ch., Garche J., Harrer B., Jorissen L., Kolbeck C., Philippi F., Tomazic G., Wagner F. The vanadium redox-battery: an efficient storage unit for photovoltaic systems // Electrochimica Acta. 2003. № 47. R. 825-831.
12. Popel' O.S., Tarasenko A.B. Sravnitel'nyj tehniko-èkonomiceskij analiz sistem dlitel'nogo akkumulirovaniâ èlektriceskoj ènergii dlâ istocnikov rezervnogo i avarijnogo pitaniâ, a takze ènergoustanovok s vozobnovlâemymi istocnikami ènergii // Teploènergetika. 2012. № 11. C. 1-8.
13. Tong Shi Jie, Same Adam, Kootstra Mark A., Park Jae Wan. Off-grid photovoltaic vehicle charge using second life lithium batteries: an experimental and numerical investigation // Applied Energy. 2013. № 104. Р. 740-750.
Транслитерация по ISO 9:1995
с---* — TATA — (_XJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
