Возобновляемая энергетика стремительно развивается во всем мире, и в грядущие десятилетия станет основным источником энергии для человечества. Российский рынок микрогенерации также сильно меняется: организации, а также частные домохозяйства все больше используют «зеленую» энергию, которая позволяет сократить расходы и увеличить рентабельность бизнеса.
Кроме того, с помощью ВИЭ возможно обеспечить энергоснабжение там, где нет промышленной сети, или стать полностью автономным, и, конечно же, сделать чище и сохранить для потомков нашу уникальную планету. Для этого сегмента рынка компания «МИКРОАРТ ПРО», совместно с компанией «Умная энергия» разработали решение, позволяющее вывести на новый уровень эффективности выработку, накопление и использование солнечной энергии.
Что такое гибридно-сетевая солнечная электростанция (ГССЭ).
Гибридные инверторы компании Микроарт МАП Hybrid и Dominator, а также новый инвертор МАП Titanator позволяют, совместно с почти любым сетевым инвертором, реализовать уникальный по функционалу и эффективности формат солнечной электростанции: гибридно-сетевую.
ГССЭ состоит из 2-х подсистем: гибридного батарейного инвертора с АКБ и сетевого инвертора с солнечными панелями. Подсистемы взаимодействуют между собой и каждый компонент выполняет свою задачу:
- Гибридный батарейный инвертор обеспечивает бесперебойность электроснабжения и реализует систему накопления/подкачки/генерацииэнергии, а также управление режимами работы всей системы (ESS - Energystoragesystems - аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем);
- Сетевой инвертор делает выработку солнечной энергии от солнечных панелей максимально эффективно, а также докачивает выработанную энергию во внутреннюю сеть, уменьшая (или сводя к нулю если хватает энергии) потребление от промышленной сети. В зависимости от настроек, избытки вырабатываемой энергии направляются в АКБ, используются на другие цели или отдаются в промышленную сеть (если это разрешено).
Такой формат оптимально подходит для небольших гибридных солнечных электростанций мощностью от 8-10 кВт. Для средних и крупных систем он является идеальным, выводя их возможности на совершенно новый уровень.
МРРТ-контроллер или сетевой инвертор?
От обычной гибридной солнечной электростанции данное решение отличается тем, что вместо МРРТ-контроллера здесь используется сетевой инвертор.
МРРТ-контроллеры рассчитаны на относительно низкое безопасное напряжение работы с солнечными панелями — как правило, это 100–250 В, то есть это всего по две-четыре панели, соединённые последовательно, далее мощность наращивается параллельным соединением таких сборок. Но чем выше напряжение на последовательной сборке солнечных панелей, тем выше КПД выработки энергии, при условии, что каждая последовательно подключённая панель обладает высокой отказоустойчивостью.
Однофазные cетевые инверторы обычно имеют максимальное напряжение до 600 В, а трёхфазные — до 1000–1500 В. При этом их КПД достигает 98–99 %!
Следующий важный аспект — чем выше напряжение, тем меньшее сечение проводов требуется при той же мощности (то есть уменьшается стоимость расходных материалов и монтажа) и тем меньше будут потери на стороне солнечных панелей (Photovoltaics, PV).
Есть ещё один важный аспект в работе гибридной электростанции, связанный с её архитектурой. Для увеличения эффективности основная часть выработанной от солнца энергии должна сразу потребляться, а накапливаться — значительно меньшая часть. Сетевой инвертор преобразует постоянное напряжение солнечных панелей в переменное сетевое и сразу направляет его на потребление.
МРРТ-контроллер тоже имеет свой КПД (98 %), но он направляет выработанную энергию (транзитом — минуя АКБ) на низковольтный вход гибридного инвертора (КПД которого 96%), затем гибридный инвертор берёт эту энергию и, преобразуя её в переменное напряжение, направляет на нагрузку. То есть получается два преобразования, общие потери на которых составят КПД = 94 % (0,98×0,96), что на 4–5% ниже, чем при прямой передаче энергии в сеть от сетевого инвертора.
«Здесь необходимо отметить, что при последовательном соединении большого числа солнечных панелей их общий ток будет ограничиваться одной, самой “слабой” ячейкой в цепочке. И чем выше напряжение, на которое соединены панели, соответственно, тем больше количество ячеек, соединённых последовательно. Это значит, что для сборок панелей на 600 вольт из-за этого возможны бóльшие потери, чем для сборок на 200 вольт.
Их можно оценить примерно в один-два процента. Таким образом, общий выигрыш в КПД систем с сетевым инвертором составляет около трёх процентов», — поясняет Алексей Иванов, инженер-проектировщик компании «Микроарт Про», имеющий 15-летний опыт разработки систем энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии.
Также отметим, что гибридный инвертор менее эффективно, чем сетевой, «докачивает» энергию в сеть: в силу ряда особенностей устройства и работы гибридный инвертор всегда будет допускать большее потребление от сети (в ряде конфигураций потребителей — значительно большее), чем сетевой инвертор.
При большей же установленной мощности солнечных панелей использование сетевого инвертора становится выгоднее и по цене, причём чем выше мощность, тем больше окажется разница в цене.
Начиная с определённой мощности гибридной системы (от 15 кВт) использование МРРТ-контроллеров становится про- сто бессмысленно из-за не соотносимой с сетевыми инверторами эффективности и стоимости.
Как работает гибридно-сетевая солнечная электростанция.
Гибридный инвертор всегда ставится в разрыв между промышленной сетью и резервируемыми потребителями. Через него должна проходить вся нагрузка. В таком случае, при пропадании сети он мгновенно перехватывает потребление и обеспечивает бесперебойное энергоснабжение, выполняя функцию резервной системы. При длительном отсутствии сети гибридный инвертор может управлять газо/бензо/дизель генератором, который будет использоваться только тогда, когда не хватает солнечной энергии и заканчивается запас энергии в АКБ.
Сетевой инвертор располагается во внутренней сети за гибридным инвертором. Таким образом, даже при пропадании промышленной сети, он продолжает работу на внутреннюю сеть.
Выработанная солнечными панелями энергия посредством сетевого инвертора направляется прежде всего на покрытие потребления. После того, как потребление полностью скомпенсировано выработкой солнечной энергии, избытки выработки гибридный инвертор направляет на заряд АКБ. Когда АКБ полностью заряжены, нагрузка перекрыта генерацией, но все еще есть избытки энергии, система, управляемая гибридным инвертором, в зависимости от аппаратной конфигурации и настроек, может поступить несколькими способами:
1. включить дополнительные нагрузки, чтобы использовать избыточную энергию, например, на нагрев воды в бойлере, полив, тепловой насос и т.п.;
2. отдать излишки в сеть. Этот вариант возможен, если солнечная электростанция подключена к промышленной сети в соответствии в новым федеральным законом о микрогенерации (Федеральный закон от 27 декабря 2019 г. N 471-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "Об электроэнергетике" в части развития микрогенерации" дополнительное постановление №299 к нему);
3. ограничить выработку сетевого инвертора, при котором потребление от сети будет удерживаться на нулевом уровне.
В ГССЭ, сбалансированных для максимального использования выработанной энергии, используется ESS система. Дело в том, что если нет зеленого тарифа (как во многих странах, в том числе в РФ), продавать в сеть энергию невыгодно – ее покупают в несколько раз дешевле, чем продают. Поэтому мировая тенденция – стараться накапливать и максимально использовать выработанную энергию. Гибридный инвертор в течении дня избытки солнечной генерации направляет в АКБ. Когда солнечной генерации начинает нехватать, недостаток энергии гибридный инверторподкачивает из АКБна обеспечение потребителей (при большом потреблении, пасмурных днях и т.п.). Ночью система полностью переходит на электроснабжение запасенной энергией из АКБ. Сетевой инвертор на ночь «засыпает». И пока в АКБ достаточно энергии – потребление от сети держится на минимальном уровне (десятки ватт). Утром, когда сетевой инвертор «проснется» и возобновится выработка от солнечных панелей, энергия снова начнет направляться на заряд АКБ – и этот цикл повторяется каждый день.
Если ГССЭ имеет значительные избытки солнечной генерации, и при этом нет необходимости в отдаче излишков в сеть, она может перейти в автономный режим, автоматически отключившись от промышленной сети. При этом, если наступят пасмурные дни и солнечной генерации будет не хватать, а выделенные запасы АКБ будутиспользованы, гибридный инвертор автоматически подключит систему к промышленной сети. Когда вновь появятся избытки генерации, после заряда АКБ система опять перейдет в автономный режим. В правильно спроектированных для данного режима системах подключение к сети происходит только в продолжительное пасмурное время, в основном в зимний период.
ГССЭ так же отлично подходят для задач автономного электроснабжения. В таком режиме опорным синусом для сетевого инвертора выступает гибридный, который так же управляет сетевым посредством частотного редуктора(изменяет частоту сети, что заставляет сетевой инвертор уменьшать выработку, если избытки генерации некуда использовать). В качестве «сети по требованию» – когда будет недостаточно солнечной генерации и разрядятся АКБ, гибридный инвертор автоматически заведет газо/бензо/дизель генератор, зарядит АКБ и так же автоматически его заглушит. При необходимости цикл повториться. Для небольших систем можно так же использовать отдельный блок с небольшим количеством панелей и МРРТ-контроллером – он будет нужен для запуска ГССЭ, если генератор по каким-то причинам не завелся и АКБ разрядились ниже старта генерации (однако в этом нет необходимости, если устанавливается соответствующий блок защиты, автоматически отключающий/запускающий систему).
ГССЭ для организаций
ГССЭ идеально подходит для фермеров, коммерции, производства.Как правило, для таких объектов используются сетевые солнечные электростанции, без накопления энергии. Но в любой такой организации есть группы критичных потребителей, требующих бесперебойного электроснабжения: это могут быть офисы, ИТ-инфраструктура, системы отопления, сложные станки и т.д. и т.п.
Для данных организаций ГССЭ дает возможность реализовать много различных схем экономии, накопления и использования солнечной энергии. Например,часто используется такая схемаработы: вся сеть предприятия делится на 2 сегмента: резервируемый и нерезервируемый. Все критичные потребители находят в резервируемом сегменте, который расположен за гибридными 3Ф инверторами. Здесь же установлены и 3Ф сетевые инверторы.
В дневное время вырабатываемая сетевыми инверторами солнечная энергия вначале направляется на покрытие потребления резервируемых потребителей. Как только появляются избытки – они начинают вытекать сквозь батарейные гибридные инверторы в нерезервируемый сегмент и покрывают потребление в нем. При этом гибридные батарейные инверторы отправляют часть протекающей через них реверсной энергии на заряд АКБ. При этом нагрузка на сетевом инверторе автоматически симметрируется, и он всегда выходит на полную мощность. (Дело в том, что потребление по 3-м фазам всегда несимметрично, а выработка сетевых 3Ф-инверторов всегда симметрична. И если по какой-то фазе выработка сетевого инвертора полностью перекрыла нагрузку, он для предотвращения отдачи в сеть начинает сбавлять выработку, уменьшая эффективность и окупаемость системы). В вечернее время потребители резервируемого сегмента продолжают электроснабжение от запасенной в АКБ энергии, и только после ее использования система переходит на электроснабжение от промышленной сети.
При пропадании сетевого электричества гибридные инверторы мгновенно перехватывают нагрузку и выполняют электроснабжение данной группы потребителей за счет солнечной энергии и АКБ. Если этого не хватает – автоматически заводится газо/бензо/дизель генератор, потребление от которого уменьшается за счет солнечной генерации.
Выводы
Гибридно-сетевые солнечные электростанции позволяют поднять эффективность солнечных электростанций на новый уровень. Инверторы компании «МИКРОАРТ ПРО», имеющей почти 30-и летний опыт производства оборудования для возобновляемой энергетики, отлично подходят для таких систем благодаря низкочастотной архитектуре и специально разработанному программному обеспечению.
В области ГССЭ нет типовых решений - под каждую задачу необходимо проектировать свою, максимально подходящую конфигурацию оборудования и функционала, делая использование энергии, вырабатываемой солнечными электростанциями умным, эффективным и быстро окупаемым. Поэтому такие проекты требуют выполнения инженерными компаниями, которые имеют высокие уровни компетенций в области разработки, строительства и внедрения систем возобновляемой энергетики. Компания «Умная энергия» - один из самых быстрорастущих интеграторов в области ВИЭ, имеющий за плечами большое количество сложных проектов и команду высококлассных специалистов, способных решать задачи любой сложности и масштаба.
Автор: Дмитрий КОНЯЕВ, эксперт компании ООО «Умная Энергия» (г. Краснодар)
ЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ ГИБРИДНО-СЕТЕВОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ – ГССЭ (печатная версия по ссылке).
