Full Text

Большая часть территории России находится в зоне децентрализованного электроснабжения. Поэтому весьма актуальной является задача электроснабжения небольших населенных пунктов, особенно децентрализованных, в которых отсутствует централизованное электроснабжение [1]. Однако следует отметить, что значительная отдаленность от линий электропередачи, высокая рассредоточенность на большой территории, малая мощность делают подключение к унитарной энергосистеме неэффективным с точки зрения периода окупаемости. Вследствие этого в значительно отдаленных поселках электроснабжение потребителей осуществляется автономными электростанциями. В настоящее время существует огромное множество вариантов реализации автономного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Источников энергии в автономной системе может быть один или несколько [2]. Ими могут быть: жидко-топливный генератор, фотоэлектрическая батарея, ветроэлектрическая установка или мини-ГЭС. Однако следует учитывать, что в системах на возобновляемых источниках энергии, в силу непостоянства возобновляемого ресурса, аккумуляторная батарея - необходимый элемент [3]. Задача оптимизации автономной системы электроснабжения (АСЭС), использующей ВИЭ и накопители энергии, является в настоящее весьма актуальной. Опыт российских и зарубежных исследовательских коллективов показывает, что комбинированное применение ВИЭ и накопителей энергии в АСЭС является экономически эффективным способом энергообеспечения потребителей. В сравнении с дизельными электростанциями комбинированное применение ВИЭ и накопителей энергии в несколько раз уменьшает выбросы углекислого газа, значительно сокращает зависимость от привозного топлива, улучшает экологическую обстановку [3, 4]. Вопросам моделирования и оптимизации АСЭС, использующих ВИЭ и накопители энергии, посвящено значительное количество работ, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом [3, 5, 6]. В данной работе будут рассмотрены электрохимические накопители энергии. Электрохимические накопители энергии, в свою очередь, бывают: натрий-серные (NaS); ванадий-редоксные (VRB); свинцово-кислотные (Pb); цинк-бромидные (ZnBr); литий-ионные (Li-ion). В данной работе произведён анализ литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторных батарей [7, 8]. Все расчеты велись для поселка Уймень (Алтайский край). Рассмотрен вариант автономного электроснабжения поселка на базе мини-ГЭС, так как рядом с поселком протекает река Уймень. Для покрытия дефицита мощности и электроэнергии в зимние месяцы, особенно в часы пиковой нагрузки, используется блок аккумуляторных батарей, а также для покрытия недостающей мощности МГЭС в часы пик в работу включается дизельная электростанция. Отметим также, что применение АКБ совместно с дизель-генераторными установками очень эффективно. Это обеспечивает работу дизель-генераторных установок с постоянной, наиболее экономичной нагрузкой. Результаты - снижение затрат топлива в среднем на 15-20 %, улучшение экологической обстановки [9]. При реализации автономного электроснабжения от нескольких источников встаёт задача распределения режима работы и степени загрузки электростанций во времени [10]. Рис. Покрытие суточного графика нагрузки поселка Уймень различными источниками электроэнергии Как видно из рисунка, МГЭС работает в базовой части графика нагрузки с целью наибольшего вытеснения дизельной электростанции из покрытия графика нагрузки. ДЭС включается в часы максимальной нагрузки. Обычно это часы вечернего пика. ДЭС работает с высокой степенью загрузки, чтобы избежать неэффективного потребления топлива, а излишки электроэнергии расходуются на заряд аккумуляторных батарей. В периоды, когда потребление превышает мощность работы МГЭС, а включение ДЭС нецелесообразно, пики мощности покрываются с помощью аккумуляторных батарей. Суммарная недостающая мощность МГЭС и ДЭУ составила 209 кВт. Для эффективной работы АСЭС необходимо выполнение следующего условия: баланс вырабатываемой и потребляемой мощности. Однако наличие в системе блока аккумуляторных батарей приводит к тому, что генерация и потребление электроэнергии могут не совпадать. В этом случае появляется возможность запасать излишки энергии в часы, когда нагрузка уменьшается, и выдавать дополнительную энергию в сеть в периоды пика нагрузки [11]. Это условие представлено следующим выражением: 0 = Pген - Pнагр ± PАКБ, где Pнагр - активная и реактивная мощность нагрузки, Pген - мощность генерирующих установок, PАКБ - активная мощность, выдаваемая или потребляемая аккумуляторными батареями [12]. Выполнение этого условия обязательно при покрытии суточного графика нагрузки. Оно выступает в роли технологического ограничения для режима работы автономной системы электроснабжения. Расчет ёмкости аккумуляторных батарей. Требуемая емкость аккумуляторных батарей определяется по следующему выражению [13]: кА·ч, где W - объем электроэнергии, не покрываемый МГЭС, кВт·ч; U - напряжение аккумуляторной батареи, равное 12,24 или 48 В; - коэффициент, учитывающий глубину разряда аккумуляторной батареи (принимается равным 0,7 в данной задаче). Довольно часто для обеспечения требуемой ёмкости недостаточно одной аккумуляторной батареи. В этом случае отдельные аккумуляторы соединяются последовательно или параллельно в общий блок АКБ. Параллельное соединение аккумуляторов позволяет увеличить емкость, не изменяя напряжения на выходящих зажимах. Последовательное соединение увеличивает напряжение на зажимах аккумулятора, однако не влияет на величину емкости [14, 15]. Необходимое число аккумуляторов рассчитывается по формуле: , где Сi - ёмкость одного аккумулятора. Однако следует заметить, что вариант с 12 В не рассматривается, так как он не соответствует большой мощности системы. АКБ напряжением 12 В применяются для систем с мощностью не более нескольких десятков киловатт (таблица). Технические характеристики аккумуляторных батарей Тип аккумуляторной батареи Li-ion (литий-ионные) Pb (свинцово-кислотные) Марка LT-LFP 700P 7 GroE 700 Номинальная емкость, Ач 700,00 700,00 Номинальное напряжение, В 3,20 2,00 Количество параллельных элементов, шт 24 В 142,34 142,34 48 В 71,17 71,17 Количество последовательных элементов, шт 24 В 7,50 12,00 48 В 15,00 24,00 Количество циклов (заряд/разряд) 3000,00 1500,00 Обслуживаемые/Необслуживаемые Нет Да Стоимость одной, руб. 49 000,00 31 350,00 По приведенным техническим характеристикам аккумуляторных батарей можно отметить следующие особенности. Литий-ионные АКБ выигрывают у свинцово-кислотных АКБ по количеству циклов, по количеству последовательных элементов, а также они не требуют обслуживания. Помимо этого, литий-ионные АКБ могут утилизироваться без предварительной переработки, и у них быстрый процесс заряда батарей - до 90 % емкости за 30-40 минут [16]. При всем при этом они не лишены недостатков. У литий-ионных АКБ достаточно быстрое старение аккумулятора - большинство аккумуляторов резко снижает свои характеристики при хранении или использовании более 5 лет; есть вероятность взрыва при механическом повреждении или перезарядке аккумулятора; для создания аккумуляторных батарей требуется сложная система управления батареей; они имеют относительно высокую стоимость. Свинцово-кислотные АКБ, в свою очередь, имеют более низкую стоимость, у них относительно простая система обслуживания, четкая отработанная технология, невысокий уровень саморазряда - 3-10 % в месяц, тогда как у литий-ионных уровень саморазряда - до 5 % в месяц. Однако к ним предъявляются жесткие требования по экологической безопасности при утилизации, у них малое количество циклов - до 2000. Исходя из рассмотренных особенностей АКБ, в рамках заданного объекта принимается решение по установлению свинцово-кислотных АКБ. Технологии накопления энергии развиваются высокими темпами, накопители энергии находят все более широкое применение в практике регулирования и управления режимами электроэнергетических систем. Малое время отклика, значительные величины мощности и энергоемкости открывают большие возможности применения накопителей для управления как переходными, так и установившимися режимами электроэнергетической системы. По оценкам экспертов, в ближайшие 10 лет рынок накопителей энергии будет расти со среднегодовыми темпами, превышающими 30 %, с тенденцией к снижению удельной стоимости запасенной энергии. Рассмотренные в статье типы накопителей энергии не является исчерпывающими. В процессе исследований могут появиться новые виды (технологии) накопления, также как и совершенно новые области их применения.

About the authors

N. D Kuznetsova

Novosibirsk State Technical University

S. V Mitrofanov

Novosibirsk State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 151

PDF (Russian) - 90

Refbacks

• There are currently no refbacks.