Problemy optymalizacji prosumenckiej mikrosieci OZE dla małych i średnich przedsiębiorstw

Akumulatory – problemy

Aby pokazać skutki, jakie ma ograniczanie stopnia rozładowania akumulatora i histereza łączników, przeprowadzono obliczenia wg wzorów (6-8). Przyjęto akumulator o pojemności q = 76 Ah i – zgodnie z charakterystyką z rys. 4 – napięcie U_2max = 12,7 V dla pełnego naładowania q% = 100% i napięcie U_1min = 12,3 V dla stopnia naładowania q% = 50%. Jednakowe histerezy łączników 1 i 2 wyniosły H_max= H_max= 0,175 V. Współczynniki charakterystyki z rys. 4 w tym przypadku mają wartości: c₁ = 95 [Ah/V] i c₂ = 1131 [Ah]. Ustalono, że maksymalna energia, jaką ma akumulator przy pełnym naładowaniu, to E_max = 959 Wh. Energia, jaką można w nim przechowywać w zakresie stopnia naładowania od q% = 50% do q% = 100% bez histerezy łączników wynosi ΔE = 497 Wh. Z histerezą – tylko ΔE_H= 279 Wh.

Przytoczone wyniki pokazują też dobitnie problem polegający na tym, że nawet nowy akumulator, jeżeli ma być rozładowywany tylko w 50%, to z uwagi na konieczne histerezy łączników może przechowywać energię stanowiącą tylko niewielki procent swojej katalogowej pojemności. W rozpatrywanym przypadku wynosi to:

(279/959)100% = 29%.

Koszty magazynowania energii

Zatem przedstawione wcześniej wyliczenie kosztu magazynowania energii z powodu koniecznej histerezy łączników ulega zmianie. Uwzględniając powyższe wyniki, należy przyjąć, że koszt ten wzrośnie od 2,50 zł/kWh do 4,50 zł/kWh.

Problem polega jeszcze na tym, że – jak podano wcześniej – wartość niezbędnej histerezy zależy od:

• wprowadzanego i wyprowadzanego prądu akumulatora,
• jego stopnia naładowania,
• stopnia wyeksploatowania.

W praktyce, aby „mieć z tym spokój”, daje się na wszelki przypadek większe histerezy. Nie zawsze zdając sobie sprawę z tego, jaki wpływ ma takie postępowanie na efektywność magazynowania energii.

Chattering

Zbyt mała histereza łączników prowadzi do „chatteringu”, który jest zjawiskiem niepożądanym i należy je wykluczyć. „Chattering” łącznika 1 w torze ładowania zasobnika pokazano na rys. 6.

Z powodu zbyt małej histerezy H_max łącznika próg U_1max ponownego załączenia ładowania znalazł się powyżej napięcia ustalonego po wyłączeniu ładowania. Sterownik załącza ładowanie, by po chwili je wyłączyć po osiągnięciu progu U_2max. Tak pojawia się oscylacja („chattering”). Jej częstotliwość jest tym większa, im mniejsza jest histereza.

Czytaj też >> Eksploracja danych. Analiza dużych zbiorów danych

Mikrosieć w Spółce GWDA

W celu badania problemów wyliczonych w części 4, także eksperymentalnego, w Centrum Badawczo-Rozwojowym OZE w Spółce GWDA w Pile zbudowano mikrosieć OZE o strukturze pokazanej na rys. 7, na którym podano także główne parametry urządzeń.

Struktura ta realizuje opisaną wyżej ideę wykorzystania zasobnika ZAS także do bilansowania mocy w mikrosieci, pomimo że bazuje na tradycyjnym układzie z przekształtnikiem UPS. W nim magazyn ZAS uruchamiany jest do zasilania odbiorów jedynie po zaniku napięcia na szynach AC. Istotne rozszerzenie możliwości w zbudowanej mikrosieci uzyskuje się przez dodanie ładowarki ŁAD a także odpowiednie sterowanie za pomocą PLC łącznikami 1 i 2 w zależności od mocy P mierzonej na zaciskach sieci i napięcia U zasobnika. Mikrosieć ma możliwość pracy autonomicznej i w połączeniu z siecią elektroenergetyczną.

Opracowane autorskie rozwiązanie można zastosować także w wielu instalacjach indywidualnych prosumentów, aby wykorzystać stosowany tam układ zasobnika z UPS także do bilansowania energii i w ten sposób poprawić efektywność instalacji OZE.

Rozpoczęte badania obejmują kilka etapów, w których badane będą poszczególne problemy. Ich celem jest opracowanie wytycznych, których zastosowanie pozwoli uzyskać wysoką efektywność mikrosieci OZE wdrażanych w małych i średnich przedsiębiorstwach.

Podsumowanie

Z pracy wynikają następujące wnioski pozwalające właściwie zaplanować, odpowiednio skonfigurować i efektywnie eksploatować mikrosieć OZE przez użytkowników indywidualnych i w małych oraz średnich przedsiębiorstwach.

1. Analiza celowości tworzenia mikrosieci OZE wymaga zgromadzenia wielu danych wyjściowych. Ze względu na długi okres funkcjonowania instalacji należy uwzględnić także dane prognozowane tak daleko, jak to można przewidywać.
2. Zasadniczym celem i kryterium optymalizacji jest minimalny koszt zużywanej energii w przedsiębiorstwie. Dodatkowymi kryteriami mogą być także: niezależność od ogólnego systemu elektroenergetycznego, niezawodność zasilania, nowoczesność i ekologiczność przedsięwzięcia.
3. Wyliczono elementy, jakie należy określić, i zagadnienia, które trzeba rozwiązać, aby inwestycja przyniosła oczekiwane efekty.
4. Energia wytwarzana w OZE niedużej mocy nie jest tania, jeśli uwzględnić wszystkie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Aby mogła być ona pod względem ceny konkurencyjna w porównaniu z energią z ogólnej sieci elektroenergetycznej, nie można na etapie projektowania, a także w późniejszej eksploatacji, popełnić żadnego większego błędu.
5. Oprócz mocy całkowitej, jednym z ważniejszych elementów jest dobór właściwego „miksu” rodzajów OZE i udziału ich mocy, najlepiej dopasowanych do profilu obciążenia, aby zminimalizować niezbilansowanie mocy, nie tylko pod względem wartości średnich, ale także chwilowych. W publikacji pokazano na przykładzie, na czym to polega.
6. Należy mieć na uwadze, że na obecnym etapie rozwoju, zwłaszcza w warunkach krajowych, magazynowanie energii jest znacznie droższe od jej wytworzenia. Używanie zasobników energii w małych i średnich przedsiębiorstwach tylko do zbilansowania mocy i energii z reguły jest nieopłacalne, bez względu na rodzaj magazynów energii. Wykazano to dobitnie w publikacji.
7. Celowe natomiast może być zastosowanie także do bilansowania mocy i energii zasobników zainstalowanych z innych powodów, np. dla zasilania awaryjnego.
8. Najmniej nieopłacalnym magazynem energii dla małych i średnich przedsiębiorstw i prosumentów indywidualnych na obecnym etapie w Polsce jest akumulatorowy zasobnik energii.
9. Akumulatorowy zasobnik energii, ze względu na specyficzne swoje właściwości i konieczną ochronę przed nadmiernym ładowaniem i rozładowaniem, może magazynować znacznie mniej energii od swojej katalogowej pojemności energetycznej. W publikacji podano szczegółową analizę tego problemu a także wskazano na przyczyny takiego stanu rzeczy.
10. Ostrożnie należy podchodzić do wszelkich, zwłaszcza optymistycznych informacji podawanych przez firmy sprzedające i instalujące urządzenia z zakresu OZE. Są one często nierzetelne lub też jednostronne, a nierzadko kłamliwe.

mgr inż. Mirosław Mikołajczak
Spółka GWDA
Piła
dr hab. inż. Roman Muszyński prof. nadzw.
Akademia Nauk Stosowanych
Piła
dr inż. Tomasz Wojciechowski
Spółka GWDA
Piła

Galeria

Zobacz więcej