Статья поступила в редакцию 04.10.13. Ред. рег. № 1808
The article has entered in publishing office 04.10.13 . Ed. reg. No. 1808
УДК: 620.98
ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗАРЯДНОГО ТЕРМИНАЛА ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНОЙ ГЕНЕРАЦИИ
С.В. Киселева1'2, О.С. Попель2'3, А.Б. Тарасенко23, В.Ф. Титов2, Т. С. Ткачева2'3, А.Б. Усанов2
Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии Географический факультет МГУ
119991, Москва, Россия, Ленинские горы, д.1 Тел.: (495) 939-42-57, e-mail: rsemsu@mail.ru 2Объединенный институт высоких температур РАН 125412, Москва, ул. Ижорская, д.13, стр.2 Тел.: (495) 484-23-74, e-mail: o_popel@oivtran.ru
3ООО «НТЦ «ЭНЕРГИЯ» Россия, Якутск, ул. 50 лет Советской Армии, д.5, e-mail: a.b.tarasenko@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 09.10.13 Заключение совета экспертов: 14.10.13 Принято к публикации: 19.10.13
Электротранспорт и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) представляются перспективными технологиями для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. По статистике именно транспорт является основным загрязнителем окружающей среды. Одной из ключевых проблем развития электротранспорта является создание адекватной инфраструктуры, именно для ее решения могут быть использованы возобновляемые источники энергии. Как и в других системах на основе ВИЭ, критически важным является оптимальный расчет ее основных параметров, обеспечивающих достижение заданных технико-экономических показателей. В статье предложены различные схемы зарядных терминалов, использующих фотоэлектрические модули в качестве первичного источника энергии, и выполнены их технико-экономические оценки.
Ключевые слова: фотоэлектрические системы, технико-экономический анализ, электромобиль, зарядный терминал, накопитель электрической энергии, водородный цикл, проточная редокс-батарея, литий-ионный аккумулятор.
EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC PARAMETERS OF CHARGING TERMINAL FOR ELECTRIC VEHICLES BASED ON SOLAR POWER.
S.V. Kiseleva1'2, O.S. Popel23, A.B. Tarasenko23, V.F. Titov2, T.S. Tkacheva23, A.B. Usanov2
'Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography 1 Leninskie Gori, Moscow, 119991, Russia Tel.: (495) 939-42-57, e-mail: rsemsu@mail.ru Joint Institute for High Temperatures RAS 13, Bld. 2 Izhorskaya St., 125412, Moscow, Russia Tel. : (495) 484-23-74, e-mail: o_popel@oivtran.ru 3Scientific and Technical Center "Energy" Ltd. 5, 50 let Sovetskoy Armii, Yakutsk, Russia e-mail: a.b.tarasenko@gmail.com
Referred: 09.10.13 Expertise: 14.10.13 Accepted: 19.10.13
Electric transport and renewable energy sources (RES) are promising technologies for reducing an anthropogenic impact on environment. According to statistics, namely transport is a major polluter of the environment. One of the key problems in the development of electric transport is the creation of adequate infrastructure; especially for its solutions renewable energy sources can be used. As in the other systems, based on renewable energy sources, optimal calculation of its basic parameters is crucial for achievement of specified technical and economic indicators. The paper proposes various schemes of the charging terminals using photovoltaic modules as the primary energy source, their technical, and economic assessment.
Key words: photovoltaic systems, technical and economic analysis, electric vehicle, charging terminal, storage of electrical energy, hydrogen cycle, redox flow battery, lithium-ion battery.
2,3
2,3
-2,3
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Введение
Электротранспорт и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) представляются перспективными технологиями для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. По статистике именно транспорт является основным загрязнителем окружающей среды. Одной из ключевых проблем развития электротранспорта является создание адекватной инфраструктуры, в которую могут быть продуктивно включены возобновляемые источники энергии. При этом ВИЭ могут использоваться как для создания автономных зарядных терминалов вне городов, так и для питания электрозарядных станций, работающих параллельно с централизованной электросетью в условиях дефицита в ней энергии в дневные пиковые часы. Подобные терминалы, по сути, представляют собой автономную энергоустановку на основе ВИЭ или такую же энергоустановку, работающую параллельно с сетью, но имеющую специфический график нагрузки, обусловленный количеством приходящих на зарядку электромобилей, емкостью их батарей и плотностью их потока. График нагрузки и оценка
местных ресурсов ВИЭ являются необходимыми и достаточными исходными данными для проектирования любых энергоустановок на основе ВИЭ, так как в отличие от энергоустановок традиционного типа эффективность работы установки определяется не установленной мощностью генераторов, а выработанной ими энергией. Непостоянство генерации ВИЭ во времени определяет необходимость либо наличия в составе зарядного терминала накопителя, либо подключения его к сети, либо использования дизель-генераторной установки в качестве резерва источника питания. В противном случае гарантировать зарядку электромобиля за фиксированное время не представляется возможным.
Схемы энергоустановок
Принципиально любая схема терминала включает в себя группу источников и преобразователей энергии. Коммутация между ними может осуществляться как по постоянному (рис. 1, а), так и по переменному току (рис. 1, Ь).
Рис. 1. Базовые схемы и устройства для реализации автономного зарядного терминала Fig. 1. Basic scheme and apparatus for implementing stand-alone battery terminal
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Следует учесть, что фотоэлектрические модули и накопители (как в составе электротранспортного средства (ЭТС), так и терминала) работают на постоянном токе. Поэтому первая схема несет в себе риск существенного снижения коэффициента использования энергии ВИЭ за счет многочисленных преобразований постоянного тока в переменный и обратно. В пользу этой схемы говорит только то обстоятельство, что ее можно относительно быстро реализовать на основе коммерческих компонентов - зарядные терминалы на переменном токе, инверторы и контроллеры заряда широко доступны на рынке, если речь не идет о применении в составе терминала иных, кроме никель-кадмиевых и свинцово-кислотных аккумуляторов. Кроме того, количество серийных электромобилей, тем более применяемых вне городской стационарной сети, на сегодняшний день достаточно мало, чтобы сделать рентабельным выпуск терминалов на постоянном токе.
Схема с постоянным током существенно проще и, на первый взгляд, дешевле, так как требует только одного преобразователя, фактически - контроллера заряда большой мощности, адаптированного под тот тип аккумуляторов, который будет заряжать данный терминал.
Работа зарядного терминала параллельно с сетью позволяет значительно удешевить систему, используя сеть как накопитель энергии с бесконечной емкостью, куда можно либо отдать излишки энергии, выработанной фотоэлектрическими модулями, либо добрать недостающую энергию для заряда электромобилей в конкретный момент времени. Альтернатив коммутации на переменном токе здесь нет, но без компенсационного тарифа на покупку энергии в сеть от ВИЭ такой терминал заведомо нерентабелен. Кроме того, особенность современных сетевых инверторов напряжения солнечных серий заключается в том, что отключение сети приводит к отключению ВИЭ в автоматическом режиме, независимо от погодных условий. Это делается по соображениям безопасности [1], то есть при аварии в энергосети района терминал будет обесточен даже при наличии достаточной инсоляции. Включение в состав терминала накопителя оказывается дороже (опыт проектирования солнечных энергоустановок показывает, что аккумуляторы и инвертор-зарядное устройство для них составляют примерно половину капитальных затрат на создание автономной энергоустановки [1]), но обеспечивает более надежную работу для районов со слабой сетью.
Расчетно-аналитические исследования
При известном графике нагрузки можно прибегнуть к приемам проектирования и расчета автономных энергоустановок, примененным ранее для автономных солнечных энергосистем [2, 3]. Основной проблемой при проектировании зарядного терминала на основе солнечной генерации является неопределенность с количеством энергии, получаемой от пер-
вичных источников энергии, а также неопределенность графика нагрузки, то есть времени прибытия электромобилей на зарядку, что неоднократно отмечалось в различных источниках [4, 5]. В связи с этим за рубежом много внимания уделяется построению схем привлечения электромобилей на зарядные станции в то время суток, когда это необходимо для стабилизации работы электрических сетей. В качестве стимулирующих мер предлагаются выгодные тарифы и замена вырабатывающих свой ресурс аккумуляторов [6]. Ключевым предположением здесь является тот факт, что график использования ЭТС мало отличается от такового для обычного транспортного средства. Рассматривается рабочая неделя, прежде всего в силу ее большей продолжительности (5 дней против 2 выходных).
В работе [6] делается вывод о том, что для полного разряда батареи при токах, не снижающих существенно ресурсные параметры батареи (возврата энергии в сеть), требуется около 5 часов. При этом типичная энергоемкость батареи электромобиля составляет 24-30 кВт-ч с глубиной разряда 70-90% [7].
Рис. 2. Изменение интенсивности солнечной радиации 23.11.2012, г. Москва. Данные зарегистрированы н а опытно-демонстрационной установке «Фиал-1» в Научно-исследовательской лаборатории ВИЭ МГУ Fig. 2. Solar radiation intensity changes on 23.11.2012, Moscow. The data recorded on pilot demonstration facility "FiaM" in the Research Laboratory of Renewable Energy, MSU
Рис. 3. Усредненное количество бессолнечных дней за месяц Fig. 3. Average number of sunless days per month (in equiva
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.