Моделирование накопителей электроэнергии

Как было показано выше, для электроснабжения большинства автономных потребителей целесообразно использовать ВЭУ мощностью до 100 кВт.

В простейшем виде автономное электропитание потребителя малой мощности (<300 Вт) можно обеспечить прямым подключением к нагрузке ветроэлектрической установки. Недостатком такого электропитания является несогласованность величины и времени поступления электроэнергии от источника к потребителю. Поэтому в автономных системах электроснабжения для сохранения, вырабатываемого первичным источником энергии электричества, а также согласования выработки и потребления электроэнергии необходимо применять аккумуляторные батареи. Проблема эффективного аккумулирования энергии, вырабатываемой ВЭУ, является одной из важнейших и наиболее сложных задач ветроэнергетики.

Выбор типа и емкости аккумулирующего устройства по своему существу относится к области повышения надежности энергоснабжения путем резервирования.

С помощью аккумулирующих устройств решаются следующие задачи:

• — выравнивание пульсирующей мощности, которую вырабатывает ВЭУ в условиях постоянно меняющейся скорости ветра;
• — согласование графиков производства и потребления энергии с целью питания потребителей в периоды, когда ветроагрегат не работает или его мощности недостаточно;
• — снабжение объекта энергией по заданному графику;
• — увеличение суммарной выработки энергии ветроустановкой;
• — повышение эффективности использования энергии ветра.

Для реализации большинства задач применяют, как правило, электрохимические аккумулирующие устройства, в которых запас энергии определяется 2−3 — суточным потреблением. Они рассчитаны на использование в периоды достаточно длительных спадов скоростей ветра.

При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, производимой ветроустановками, должны приниматься во внимание наиболее важные показатели качества АБ такие как: емкость, напряжение, габариты, вес, стоимость, допустимая глубина разряда, срок службы, КПД, диапазон рабочих температур, допустимый ток заряда и разряда.

Требуемая емкость аккумулятора зависит от типа и характеристик агрегата, режимов ветра, условий и схемы использования ветроустановки; мощности нагрузки и структуры потребителя. Величина емкости определяется также исходя из технико-экономических показателей, т.к. аккумулирование не должно приводить к большому увеличению затрат на энергоснабжение объекта.

Стремиться за счет аккумулирования к покрытию всех, даже самых длительных и редко повторяющихся затиший, нецелесообразно, т.к. это приводит к большим капитальным вложениям в систему аккумулирования и резкому увеличению стоимости производимой энергии.

Каждый тип аккумуляторов имеет свои достоинства и недостатки, по этой причине весьма важно для каждого конкретного случая сделать правильный выбор.

Аккумуляторы общего назначения обычно дешевле остальных. Они наиболее распространены на рынке. Более того, практически все аккумуляторы, которые завозятся в Россию, являются аккумуляторами общего назначения. Это объясняется тем, что основной потребитель герметичных, необслуживаемых аккумуляторов — системы телекоммуникаций. Они используются для обеспечения резервного электроснабжения в случае аварий в сетях централизованного электроснабжения.

КПД электрохимических аккумуляторов составляет 70…80%, они не требуют сложных вспомогательных устройств, кроме реле напряжения и ограничителя зарядного тока, а при генераторе переменного тока соответствующих преобразователей и выпрямителей.

Электрохимические аккумуляторы Gel и AGM — особый класс химических аккумулирующих устройств — нашли широкое применение в ветроустановках.

Для рационального выбора аккумуляторных батарей в системе ВЭУ необходимо определить энергетическую модель АБ, т. е :

• — необходимо установить допустимую глубину разряда;
• — ток заряда;
• — ток разряда;
• — потери при заряде АБ.

Эти данные можно получить из технических характеристик АБ.

В технических характеристиках аккумуляторов обозначен срок службы 12 лет, однако неправильно определять срок службы аккумуляторов в годах или месяцах. Срок службы батареи определяется числом циклов заряд — разряд и существенно зависит от условий ее эксплуатации. Само понятие «количество рабочих циклов заряда-разряда аккумулятора» относительное, так как сильно зависит от различных факторов. Для AGM аккумуляторов указывается срок службы 12 лет и максимальное число циклов 1200 при разряде на 20%. В год получается 100 таких циклов, в месяц — около 8.

Еще один важный момент — в процессе эксплуатации полезная емкость аккумулятора уменьшается. Все характеристики по количеству циклов обычно приводятся не до выхода из строя аккумулятора, а до момента потери им 40% своей номинальной емкости. Т. е., если производителем приведено количество циклов 600 при 50% разряде, это значит, что через 600 идеальных циклов (т.е. при температуре 20 °C и разряде током одной величины, обычно 0,1-ой номинальной емкости) полезная емкость аккумулятора будет 60% от начальной. При такой потере емкости уже рекомендуется замена аккумулятора.

Свинцово-кислотные АБ, предназначенные для использования в системах автономного электроснабжения имеют, срок службы от 300 до 3000 циклов в зависимости от типа и глубины разряда. В системах на базе ВИЭ батарея может разрядиться гораздо сильнее, чем при буферном режиме. Для обеспечения длительного срока службы, в типичном цикле разряд не должен превышать 10 — 20% емкости АБ, а глубокий разряд — не более 80% емкости.

Что касается заряда аккумулятора, то лучшим методом считается «многоэтапная зарядка», с помощью которого батарею заряжают мягко в несколько этапов. Стандартным считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер-часах).

При зарядке обычных аккумуляторов 15 — 20% энергии теряется на теплообразование, для гелевых потери составляют 10 — 16%, а для AGM аккумуляторов всего 4%.

Таким образом, учитывая вышесказанное, наиболее подходящими для автономного энергоснабжения в системе ВЭУ являются аккумуляторные батареи, изготовленные по технологии GEL, так как у данных аккумуляторов больше циклов заряд — разряд по сравнению с аккумуляторами AGM.

Для целей моделирования можно принять: остаточный заряд не должен быть ниже 30%, а циклический разряд не должен превышать 10 — 15%, многоэтапный заряд не должен превышать 10% емкости, при этом стандартные потери составляют 10% от энергии заряда.