Оптимизация солнечных электрозарядных станций для достижения максимального эффекта
Батарея Challenger EVG12-75
В новом отчете 17-го проекта Программы Международного энергетического агентства по фотоэлектрическим энергетическим системам (IEA PVPS) рассказывается о том, как эффективно интегрировать фотоэлектрические системы с инфраструктурой для зарядки электромобилей за счет оптимизации размеров, интеллектуального управления и проектирования с учетом особенностей местности.
В докладе «Зарядные станции с солнечными панелями: подбор мощности, оптимизация и управление» анализируются зарядные станции на рабочих местах, конфигурации микросетей, работа по схеме «автомобиль — сеть» (V2G), концепции замены аккумуляторов и инфраструктура для зарядки электробусов. Как поясняют авторы, согласование спроса на зарядку с выработкой солнечной энергии имеет решающее значение для максимизации самопотребления и снижения затрат.
Данные о расходах на рабочем месте за шесть лет
В одном из основных тематических исследований, представленных в отчете, на основе эмпирических данных за шесть лет оценивается зарядная станция на рабочем месте на юге Франции. Набор данных включает более 32 000 транзакций по зарядке электромобилей от более чем 350 пользователей примерно на 80 зарядных станциях.
Используя эти реальные данные, исследователи разработали модульную методологию определения размеров для оценки различных стратегий зарядки. В ходе анализа сравнивались неконтролируемая зарядка и интеллектуальная зарядка с использованием солнечной энергии.
Результаты показывают, что оптимизированная зарядка значительно улучшает согласование между выработкой фотоэлектрической энергии и потреблением электромобилей. Интеллектуальная зарядка от солнечных батарей снижает требуемую пиковую мощность фотоэлектрических систем по сравнению с неконтролируемой зарядкой, при этом увеличивая самопотребление фотоэлектрических систем и снижая нагрузку на сеть. Модульная структура методологии позволяет операторам, обслуживающим несколько объектов, эффективно воспроизводить процедуры определения мощности после того, как будут установлены основные взаимосвязи между выработкой фотоэлектрической энергии и потреблением при зарядке.
Системы, подключенные к сети, превосходят автономные
В отчете также рассматриваются зарядные станции на основе фотоэлектрических систем, объединяющих фотоэлектрические панели, аккумуляторные батареи и подключение к общей электросети. С помощью метода целочисленного линейного программирования системы были оптимизированы с учетом 25-летнего срока службы на основе приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) и выбросов в течение жизненного цикла (LCE).
Результаты показывают, что в городах с высоким уровнем солнечного излучения удельные затраты на электроэнергию и выбросы парниковых газов ниже, чем в городах с низким уровнем солнечного излучения. Также отмечается, что ранжирование городов по среднему уровню солнечного излучения не всегда коррелирует с ранжированием по удельным затратам на электроэнергию и выбросам парниковых газов.
Анализ также подчеркивает важность сезонной изменчивости. Более высокая среднегодовая солнечная радиация не означает автоматически снижения затрат на систему. Несоответствие между производством и потреблением в течение месяца и сезона может привести к увеличению требуемой мощности системы.
Этот эффект можно проиллюстрировать на примере Дижона и Пуатье. Несмотря на то, что в Дижоне годовая инсоляция выше, меньшая доступность солнечного света зимой и осенью снижает уровень самопотребления фотоэлектрических систем и увеличивает требуемую мощность системы по сравнению с Пуатье, где спрос и предложение лучше сбалансированы.
Потенциал технологии Vehicle-to-Grid
В отчете оценивается работа системы V2G с помощью моделирования графиков зарядки. В оптимизированных сценариях электромобили заряжаются в периоды высокой выработки солнечной энергии и разряжаются во время пиковой нагрузки, при этом уровень заряда к моменту выезда остается достаточным.
Результаты показывают, что интеллектуальное планирование может снизить затраты на электроэнергию по сравнению с неуправляемой зарядкой. Однако авторы отмечают ряд проблем, связанных с внедрением этой технологии, в том числе снижение емкости аккумулятора из-за дополнительных циклов зарядки, необходимость в надежных системах связи и важность долгосрочного моделирования для оценки эксплуатационных характеристик с течением времени.
Для лучшего понимания последствий износа и долгосрочной производительности системы рекомендуется проводить ежегодное моделирование.
Замена батарей повышает гибкость системы
В отчете также представлены концепции замены аккумуляторов. В этой конфигурации аккумуляторы заряжаются независимо от использования транспортного средства и остаются подключенными к сети в течение длительного времени. Это позволяет планировать зарядку на периоды максимальной выработки солнечной энергии.
Для сравнения с традиционными подходами к зарядке была смоделирована территория с населением около 200 000 человек. Результаты показывают, что замена аккумуляторов может повысить эффективность использования фотоэлектрических систем и снизить потребность в электроэнергии из сети, поскольку стационарные аккумуляторы обеспечивают большую гибкость при зарядке в зависимости от наличия солнечной энергии.
Компромиссы при зарядке электробуса
Электрификация общественного транспорта рассматривается на примере автобусной сети в Компьене, Франция. Были смоделированы три стратегии зарядки: зарядка только в депо, зарядка на конечной остановке и зарядка по возможности.
Для зарядки только от депо требуются большие бортовые аккумуляторы емкостью 422 кВт⋅ч. Зарядка по возможности значительно снижает требуемую емкость аккумуляторов, но приводит к высоким пиковым нагрузкам. Для одновременной зарядки может потребоваться подключение к сети мощностью до 1200 кВт.
Солнечная электростанция мощностью 100 кВт может обеспечить более 100 % потребности в электроэнергии в летние месяцы, но зимой ее мощности не хватает, что подчеркивает необходимость сезонной балансировки и, возможно, стационарного хранения энергии.
В исследовании делается вывод о том, что выбор стратегии зарядки напрямую влияет на размер батареи, нагрузку на сеть и потенциал интеграции возобновляемых источников энергии.
Проектирование на основе данных и многоцелевая оптимизация
В отчете подчеркивается, что эмпирические данные повышают точность определения размеров системы и что стратегии управления зарядкой существенно влияют на самопотребление и экономические показатели.
Вместо того чтобы опираться на среднегодовые показатели, авторы подчеркивают важность почасового и сезонного анализа. Многоцелевая оптимизация, учитывающая затраты, выбросы и эксплуатационные ограничения, считается необходимым условием для масштабного внедрения.
В отчете также говорится о сохраняющихся проблемах, в том числе о масштабируемости вычислительных ресурсов для крупных автопарков, улучшении моделирования деградации аккумуляторов и стандартизации протоколов связи.
В целом в отчете Task 17 делается вывод о том, что зарядные станции, работающие на солнечной энергии, технически осуществимы и экономически выгодны при условии использования интеллектуального управления, детального анализа данных и проектирования системы с учетом особенностей местности.