Как совместить солнечную энергию C&I с накопителем энергии сжатого воздуха
Аккумулятор Challenger EVG12-110
Исследователи изучили возможности комбинирования фотоэлектрических систем с накопителями энергии на сжатом воздухе (CAES) для обеспечения электроэнергией коммерческого здания в Южной Африке. Они обнаружили, что совместная оптимизация системы может снизить общие капитальные затраты на 15–20 % по сравнению с традиционными подходами к последовательному подбору параметров.
Исследователи из Университета Претории в Южной Африке провели многоцелевое оптимизационное исследование, чтобы объединить коммерческие и промышленные (C&I) фотоэлектрические системы с накопителями энергии на сжатом воздухе (CAES). Цель исследования — минимизировать общие капитальные вложения (Capex) и эксплуатационные расходы (Opex), а также повысить надёжность и максимально увеличить долю возобновляемых источников энергии в условиях Южной Африки.
«Основное новшество этой работы заключается в комплексном подходе, основанном на оптимизации. В отличие от традиционных методов, которые определяют размеры CAES на основе наихудших сценариев, что часто приводит к дорогостоящему переоснащению, мы разработали многоцелевую систему, которая одновременно оптимизирует фотоэлектрическую систему и компоненты CAES в режиме реального времени», — рассказал автор исследования Тшилумба Калала.
«Наша модель динамически балансирует энергетическую мощность, выходную мощность, термодинамическую эффективность и экономические ограничения, обеспечивая оптимальный размер системы, которая является технически надёжной и экономически выгодной для широкого спектра применений в микросетях, — добавил он. — Она эффективно устраняет критический разрыв между теоретическим проектированием CAES и практическим, экономически выгодным внедрением наряду с солнечными фотоэлектрическими системами».
Команда смоделировала гибридную микросеть, подключённую к сети, для коммерческого здания в Южной Африке. Она состоит из трёх основных компонентов: фотоэлектрической батареи, адиабатического компрессора-регенератора (АКР) и резервного дизельного генератора. АКР состоит из трёх частей: компрессоров, турбин и резервуара для хранения воздуха.
Задача оптимизации была сформулирована как многоцелевая модель нелинейного программирования со смешанными целыми числами (MINLP) с непрерывными и бинарными переменными. Она была решена для четырёх сценариев: двух нормальных условий, при которых интенсивность излучения высока, а количество энергии, вырабатываемой солнечными источниками в микросети, велико; и двух экстремальных условий, при которых интенсивность солнечного излучения в микросети ниже. Каждое условие было протестировано при отключении нагрузки на 2 и 6 часов в день.
«Одним из наиболее убедительных результатов стало значительное снижение затрат, достижимое за счёт одновременной оптимизации. Наша модель показала, что совместно оптимизированная система фотоэлектрических и аккумуляторных батарей может снизить общие капитальные затраты на 15–20 % по сравнению с обычным последовательным подбором параметров, при этом сохраняя или даже повышая стабильность сети и эффективность использования возобновляемых источников энергии», — сказал Калала. «Кроме того, результаты ясно показывают, что универсальной конфигурации CAES не существует. Оптимальное соотношение мощности и энергии сильно зависит от местных профилей спроса и интенсивности солнечного излучения, что подчёркивает необходимость разработки индивидуальных инструментов проектирования, подобных тому, который мы предлагаем».
Анализ также показал, что существует явный компромисс между производительностью системы и капитальными затратами. Было установлено, что высокопроизводительная конфигурация с фотоэлектрическими панелями мощностью 37,5 кВт, накопителем объёмом 200 м3, давлением 10 бар и турбомашиной мощностью 20 кВт обеспечивает 41,5 % использования возобновляемых источников энергии и 94,1 % надёжности, при этом требуя значительных капиталовложений в размере 13,57 млн долларов. С другой стороны, конфигурация с ограниченной стоимостью, состоящая из фотоэлектрических панелей мощностью 28,15 кВт и CAES на 3 бара, позволила снизить первоначальные затраты на 32 % до 9,2 млн долларов. Однако при этом надёжность снизилась до 92 %, а доля возобновляемых источников энергии составила 18,6 %.
«В настоящее время мы работаем над переходом от оптимального проектирования к оптимальной эксплуатации», — сказал Калала о будущих направлениях исследований. «Мы разрабатываем систему управления энергопотреблением на основе искусственного интеллекта для динамического контроля и диспетчеризации системы CAES в режиме реального времени в рамках микросети. Цель состоит в том, чтобы максимально повысить эффективность, срок службы и экономическую отдачу накопителей энергии за счёт использования машинного обучения для прогнозирования потоков энергии и адаптации к условиям сети в режиме реального времени. Этот «умный» контроллер CAES — следующий важный шаг на пути к раскрытию всего потенциала технологии CAES и возможностей поддержки энергосистемы в сетях с высоким уровнем возобновляемых источников энергии.
Система была представлена в статье «Одновременное определение параметров фотоэлектрической системы и накопителя энергии сжатого воздуха в микросети», опубликованной в журнале Energy Conversion and Management: X.