Rambler's Top100
Статьи ИКС № 05 2012
Дэвид УИЛСОН  08 мая 2012

Гибридная энергетика в наружных установках

Мировой спрос на беспроводные решения и энергию для них – все более дорогую, часто нестабильную энергию коммунальных электросетей – побуждает операторов искать альтернативные решения для удовлетворения своих энергетических потребностей. Таким решением могут стать гибридные системы.

Гибридная энергетическая система – это система, в которой различные активные источники энергии (активные батареи, генераторы, топливные элементы, а также ветряные и солнечные генераторы) используются в дополнение к доступной сетевой энергии. В этом ее отличие от устройств резервного питания, которые задействуются только в случае отказа основного источника. Эти активные источники обеспечивают электропитание объекта по заданному алгоритму, часто – по требованию.

Выбирая источник энергии для гибридной системы, следует учитывать не только технологический аспект, но и логистику, инсталляцию и эксплуатацию. Универсального решения не существует. Климат, социальная обстановка, задачи предприятия, а также ожидаемые результаты применения часто различаются для разных площадок и регионов, и то, что хорошо работает в одном случае, в другом может оказаться неприменимым.

Батареи

В телекоммуникациях стандартные батареи применяются главным образом как резервный источник питания. Это батареи обычного формата, отличающиеся коротким жизненным циклом, низкой ценой и дешевым техобслуживанием. Они обеспечивают превосходную окупаемость капитальных вложений (CAPEX), однако быстро истощаются в условиях длительной эксплуатации, например на объектах с автономным питанием или плохим электроснабжением. Поэтому здесь очень важны эксплуатационные расходы (OPEX).

Определяющие факторы полной стоимости владения (TCO) – срок службы батареи, автономность, эксплуатационные качества и энергоэффективность. Эффективное решение на основе батарей должно поддерживать функции мониторинга, которые позволяют оптимизировать OPEX с учетом всех перечисленных факторов и без снижения качества предоставляемых услуг или значительного увеличения расхода топлива.

Водородные топливные элементы

Использование водородных топливных элементов (HFC) – это устоявшаяся технология производства энергии, но внедрить ее нелегко, поскольку цепочка производства и поставки топлива еще не развита как следует. Трудности снабжения обычно связаны с наличием (вернее, отсутствием) водорода и его поставщиков, способами доставки на объекты и местными требованиями к управлению системой и заправке ее подсистем.

Промышленность отреагировала на потребность в поставках водорода созданием риформеров – установок для извлечения водорода из углеводородов, например бензина, дизельного топлива, этанола, метанола и т.п. С их помощью можно снизить остроту проблемы поставок водородного топлива, но при этом на площадке появляется другая, требующая управления подсистема и другое устройство, потребляющее энергию и производящее выбросы в атмосферу (хотя и небольшие). Потребность риформера в топливе может привести к тому, что все равно придется создавать цепочку снабжения и решать проблемы, связанные с эффективностью управления поставками и запасами.

Кроме того, как и другие запасаемые источники энергии, водород связан с некоторым риском. На проект создания локального хранилища водорода может бросить зловещий отсвет гибель дирижабля «Гинденбург»*. Создание такого хранилища может потребовать просветительской работы с местными властями и управлением пожарной охраны. Преимущество водородных топливных элементов в том, что они переносят производство выбросов с площадки в место выработки топлива и обеспечивают низкий уровень риска в отношении возможного хищения.

Ветер

Ветер столетиями использовался в качестве бесплатного возобновляемого источника энергии. Сегодня небольшие ветряные турбины, обычно мощностью менее 10 кВт, служат для обеспечения энергией телекоммуникационных сетей. Вопрос о жизнеспособности ветрогенераторов связан как с количеством, так и с качеством ветра. На площадке, где планируется установить турбину, может быть достаточно ветра, но это обязательно должен быть «хороший» ветер (т.е. ламинарный, а не турбулентный). Турбулентность непостоянна и приводит к недостаточной передаче энергии.

В первую очередь следует убедиться в наличии хорошего ветра в регионе и непосредственно на участке. Карты ветров, которые можно получить на местной метеостанции, дадут важную информацию относительно приемлемости выбранного места для размещения ветряной турбины. А данные об участке должны отражать ограничения или улучшения, создаваемые ландшафтом, растительностью и искусственными сооружениями. Нужно тщательно изучить площадку с точки зрения наличия или отсутствия препятствий на пути преобладающих ветров, которые могут существенно снизить ценность решения на основе ветроэнергетики. Здесь необходимо обратить внимание на три момента.

1. Расстояние до препятствий. Влияние препятствий складывается из многих факторов, но основное их действие – снижение скорости, возрастание турбулентности и потеря энергии ветра (рис. 1). Поэтому разработчикам следует отдавать предпочтение тем площадкам, на которых препятствия преобладающим входящим воздушным потокам минимальны.

2. Высота установки. Согласно общему правилу, чем выше, тем лучше. Негативное влияние турбулентности и аэродинамического сопротивления поверхности уменьшается с увеличением высоты установки ветряной турбины. Эффект сопротивления называется сдвигом ветра, и с учетом коэффициента доступной ветровой энергии (определяется скоростью ветра) картина влияния высоты такова: с удвоением высоты скорость ветра возрастает на 10%, а энергия ветра – на 35%.

3. Безопасность и техническое обслуживание. Многие операторы хорошо знакомы с проблемами, встающими при планировании антенно-мачтовых сооружений, – с ограничениями по высоте, грозовыми разрядами, ударными и осевыми нагрузками, электропроводкой, подсветкой, заземлением и т.п., а также с хлопотами по получению всех необходимых разрешений. С учетом всего этого до развертывания небольших систем с использованием ветроэнергетики нужно продумать следующие вопросы:

  • Какие процедуры будут обеспечивать высокую выживаемость выбранного решения? Некоторые системы предполагают наличие персонала на площадке и предусматривают ручное вмешательство.
  • Какова демпфирующая нагрузка от принимаемого электрического торможения (если она существует)? Многие решения предусматривают электрическое торможение при сильном ветре для сохранения целостности, но каким образом эта дополнительная нагрузка будет переключаться?
  • Как будет обслуживаться турбина? Доступность обслуживания и запасных частей должна быть частью общего плана.
  • Не будет ли турбина мешать обычным операциям техобслуживания?

Солнечная энергия

Солнечные батареи, собранные в фотоэлектрические модули, преобразуют излучение солнца в электричество. Это вполне жизнеспособный источник энергии в тех районах, где прямого солнечного света достаточно в течение большей части года. Хотя эффективные решения можно развертывать и на севере, наилучшие результаты получаются в тех областях, где среднесуточная интенсивность солнечной радиации превышает 4 кВт/м2/сут , как на юге России или в Восточной Сибири (рис. 2).

Определение конфигурации и размеров солнечных участков в конкретном районе требует подробного анализа солнечного излучения по месяцам, выбора соответствующих панелей и угла наклона. Следует также учесть потребности в энергии и время работы от батарейного резерва.

Несмотря на эти ограничения, солнечная энергетика представляет собой эффективное решение, которое переживет большинство подсистем связи. Однако при ее использовании нужно решить несколько важных вопросов.

Малая удельная энергия. Для выработки достаточного количества энергии система на основе солнечных батарей требует слишком большого участка, чтобы быть конкурентоспособным вариантом для большинства телекоммуникационных установок. Поскольку она представляет собой источник с малой удельной энергией, следует рассматривать ее в сочетании с другими источниками, т.е. с ветряными установками и/или генератором.

Хищение и безопасность. Панели солнечных батарей – привлекательный объект для хищения. Необходимо принять меры для снижения риска кражи.

Препятствия и свойства ландшафта. При визуальной оценке места следует обратить внимание на отсутствие дающих тень препятствий, расположенных с юга, от восточной стороны до западной. Вероятность затенения можно уменьшить, размещая массив солнечных батарей на высоте, например в виде навеса на крыше или над шкафом (контейнером). Это также позволит уменьшить тепловую нагрузку на расположенную ниже инфраструктуру и сократить затраты на охлаждение.

Установка в стойке. Существует множество коммерчески доступных стоечных систем для открытых пространств и крыш, но многие телекоммуникационные объекты располагаются отнюдь не в идеальной местности или не предполагают размещения массива батарей над шкафами. Иногда оператору приходится совместно с партнерами разрабатывать специальное решение, учитывающее местные условия, например ветровую нагрузку.

Угол наклона. Для решений с фиксированным креплением угол наклона панелей батарей по умолчанию выбирается в зависимости от географической широты площадки. При этом могут не учитываться погодные условия или специфические аспекты, связанные с нормами для электрических установок или приемлемостью для прилегающей территории.

Генератор

Генераторы широко применяются не только для резервного питания, но и в качестве активных энергетических устройств. Таким образом, использование генераторов – это еще одна стратегия гибридной энергетики. Когда генератор служит активным источником энергии, его эксплуатационные характеристики и эффективность начинают серьезно влиять на TCO и уровень доступности услуг оператора. В результате низкая стоимость владения становится важнее низких капитальных затрат. Производительность, периодичность техобслуживания и сервисные контракты, контроль рабочих характеристик и сигнализация, поддержка и мониторинг батареи стартера, объем запаса топлива и его хранение – все это начинает играть существенную роль при выборе наилучшего решения.

Следует учитывать, что генератор – это не просто еще один источник энергии, в сочетании с батареей он повышает эффективность системы и продолжительность автономной работы. При его использовании в качестве активного источника следует рассчитывать емкость топливного бака с учетом доступности топлива и местных ограничений (например, с учетом сезонных дорожных условий). Генератор – устройство с высокой удельной энергией, и поэтому в комплекте с батареями он может стать низкозатратным решением для небольших площадок в местах, где отсутствует электросеть.

Другой требующий внимания вопрос – приемлемость загрязнений,  как шумовых, так  и загрязнений воздуха. Что касается загрязнений воздуха, то тип и доступность топлива (например, дизельного топлива или пропана) необходимо соотнести с объемом выбросов и эффективностью генератора (т.е. определить себестоимость работы с предполагаемой нагрузкой).

Сеть

Если сеть доступна и стабильна – это великолепный, практически неисчерпаемый источник с высокой удельной энергией, не занимающий много места и, как правило, экономически эффективный. При комбинировании возобновляемых источников со стабильной сетью выбор наиболее подходящего решения зависит от цели. Такими целями могут быть:

  • пользование специальным тарифом на поставку электроэнергии в сеть для стимулирования возобновляемой энергетики, который позволяет получать плату за энергию, возвращаемую в сеть;
  • уменьшение использования сети – сокращение потребления энергии от сети, возможно, в основном в периоды пиковых нагрузок;
  • использование сети в качестве резервного источника вместо генератора (сеть обеспечивает резервную энергию по запросу или для подзарядки батарей).
  

 

С появлением различных источников энергии проектировать энергетические установки и управлять ими стало сложнее, чем раньше. Многообразие источников вынуждает точнее формулировать цели и влечет за собой внедрение новых технологий и процедур – как для управления источником, так и относящихся к недвижимости и ландшафту.

Однако разрабатывать индивидуальные решения для каждой площадки совершенно не требуется. Учитывая региональные особенности и работая с местными органами власти и проектировщиками, можно создавать, развертывать и эффективно управлять типовыми интегрированными энергетическими решениями – точно так же, как традиционными. И это единственно верный путь. 

____________________________________________________________
*В 1937 г. дирижабль «Гинденбург», использовавший водород в качестве наполнителя, взорвался при посадке. В пожаре погибло 36 человек. – Прим. ред.

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!