Зелёная энергетика для базовых станций и всего до 2 КВт — трёхлетний опыт с ветряками, солнечной генераций + геозондом

26 Марта 2015

Примерно 3 года назад мы начали эксперимент по обеспечению базовых станций энергией из источников на месте. Уже через полгода стало понятно, что геозонд для базовых станций — очень полезная вещь в средней полосе, солнечные батареи зеленоградского завода замечательно себя показывают, но главная проблема — не в получении энергии, а в её преобразованиях и накоплении. 

Расскажу про сломанные ветряки и то, что мы поняли за три года, и уникальный геозонд для охлаждения стойки с оборудованием связи. 

Эксперимент 

Тестовые базовые станции располагаются в Самаре и Мурманске. В Самаре базовая станция работает от альтернативной энергии и подстраховывается обычным промышленным вводом от «города». В случае прекращения питания от нашей установки базовая станция переключается на городскую сеть и продолжает работу. Второй объект на побережье Баренцева моря сразу делался автономным, городской сети там не было. На случай прекращения питания была установлена ДГУ с суточным запасом топлива и контроллер, позволяющий запускать её удалённо. 

В Самаре также мы пробурились на 25 метров вниз и поставили геозонд, позволяющий получать хорошую разницу температур с поверхностью. 

По итогам трёх лет можно сказать, что работает всё достаточно стабильно, но, чтобы выйти на эту стабильность, потребовалось много-много граблей, опыта и доработок. Сразу скажу про окупаемость — в Самаре система выходит в плюс через пять лет в сравнении с работой от ДГУ, в Мурманске куда быстрее — за 3 года.

Оборудование

Напомню, мы поставили на объектах датчики и собирали данные, плюс пользовались статистикой. Полученные результаты немного разошлись с последующей практикой, но некритично. Получилось вот что: в Самаре среднесуточное потребление 19,2 кВт*ч, среднегодовая скорость ветра 5,2 м/с, приход солнечной радиации 4,5 кВт*ч на квадратный метр в день. В Мурманке среднесуточное потребление 26,4 кВт*ч, среднегодовая скорость ветра 6,5 м/с, приход солнечной радиации 3 кВт*ч на квадратный метр в день. 

самара.png

В Самаре мы установили ветрогенератор на 4 кВт и 6 солнечных панелей по 200 Вт. Базовая станция была на холме, ветра по региону в среднем неплохие. Первая проблема была с израильским ветряком, который, видимо, был рассчитан на особый израильский ветер. В общем, он был очень умным и функциональным, но не выдавал заявленные характеристики. Зато голландский ветряк был прост и надёжен как автомат Калашникова (и с примерно сопоставимым количеством автоматики, «флюгер» с пассивной системой ориентации на ветер), зато выдавал ровно то, что обещано. Всё время, пока одну из лопастей буквально недавно не вырвало нетипичным для региона почти ураганом. Такие же ветряки используют в Африке, и там-то они себя отлично зарекомендовали даже в условиях массы абразивов в воздухе. 

В Самаре горизонтально-осевой ветродвигатель, расчетная скорость ветра — 12 м/с, номинальная мощность — 4 кВт, диаметр ротора — 4,2 м, рабочий диапазон до 55 м/с, КПД 43%, среднесуточная выработка до 12,5 кВт*ч. 

В Мурманске тоже горизонтально-осевой ветродвигатель, расчётная 12 м/с, номинал 4 кВт, диаметр ротора больше — 5 м, рабочий диапазон скоростей до 60 м/с, КПД 45%, среднесуточная выработка целых 38,6 кВт*ч. В Мурманске ветер, в Самаре — солнце. Ветряк начинает давать достаточный ток только тогда, когда ветер сильный. Там почти кубическая зависимость от скорости ветра, поэтому реально хорош он только в пасмурные дни, когда солнца нет, а ветер ого-го какой. Но без этого никак — в такие дни иначе не подзарядишься. 

Сама базовая станция потребляет около 500 Вт, в среднем столько же забирает система охлаждения. Внизу, на глубине примерно между 30 и 50 метрами, тепло и прельстиво: там вне зависимости от времени года держится температура от +4 до +8. Если копать на километр, можно встретить и совсем горячие места, но такие геозонды делают для ЦОДов в Исландии, например. У нас же система обратная — мы опускаем воду вниз, дожидаемся, пока она станет примерно +10, потом поднимаем вверх охлаждать оборудование. Вместо 500 Вт на кондиционер мы получили 15 Вт на насос. Мощность охлаждения — 2600 Вт, потребление электроэнергии — 35 Вт (вместе с дополнительными системами), скважина 25 метров. 

В Мурманке с геозондом не воткнуться — грунт каменистый, и в серию такое решение точно не войдёт. Даже в Самаре у нас два бура застряло, пока всё сделали. В Мурманске такой хороший ветер на побережье, что погнуло мачту одного из тестовых ветрогенераторов ещё в самом начале проекта. 

мурманск.png

Оптимизация системы 

Во-первых, оборудование базовой станции потребляет 48 В. На первой стадии мы врезались до ввода в контейнер базовой станции. Получилось так: мы отдаём постоянный ток, его надо преобразовать на 220 для стандартного интерфейса ввода БС (рассчитанного на городскую сеть), а затем снова получить 48 для питания оборудования. Лезть в типовую конфигурацию базовой станции всё-таки пришлось — на этих лишних преобразованиях мы сэкономили примерно 9%. Правда, 220В на БС всё равно нужно — это оборудование мониторинга и другие вспомогательные вещи, но они потребляют мало. Чтобы так работать, нужно монтировать оборудование в одном контейнере (термобоксе) с самой БС — изначально конкретно на той БС наш контейнер был отдельным. 

Во-вторых, нужно было сбрасывать излишки энергии в определённых обстоятельствах. Мы смонтировали небольшие ТЭНы снаружи контейнера, чтобы греть окружающий воздух в случае, когда не нужно перезаряжать батарею. 

В-третьих, оказалось, что нужен ещё один ТЭН внутри контейнера. Дело в том, что однажды температура внутри опустилась до +5. Телеком-стойке хорошо, а вот батареям (нашей и ИБП БС) — не очень. Но это лучше, чем нагрев до +35, когда аккумуляторы стареют на глазах, и с каждым новым градусом прямо плывёт срок службы. Так вот, тратить энергию на нагрев термобокса эффективнее, чем терять ёмкость из-за холода. 

В-четвёртых, мы поставили первые солнечные батареи из расчёта «сколько влезет на контейнер». Сейчас в серийные проекты войдёт не 6, а 12 штук — они не очень дорогие, а профит очень и очень хороший от такого удвоения. Кстати, сами батареи из Зеленограда показали себя отлично — нареканий к ним нет с первого дня, ток на выходе стабильный и не падает уже 3 года. 

В-пятых, очень важной оказалась работа с контроллером заряда. Более сложный алгоритм вычисления оптимального тока заряда и оптимального использования энергии с ветряка и батарей в разных режимах позволил чётко находить оптимальную точку по кривой характеристики заряда. Мы постоянно корректировали его на основе собираемых данных, и теперь у нас есть очень хорошая эвристика, которая применима в любом регионе кроме крайнего севера (но там дело месяца-двух получить нужные данные). 

В-пятых, наше узкое место — аккумуляторная батарея. Она самая дорогая, в частности, потому то требует регулярной замены раз в несколько лет. Первая солевая батарея повышенной ёмкости с солевым расплавом внутри была идеальной, но фантастически дорогой. В серию войдут обычные свинцовые элементы. И здесь есть ещё важный момент — на БС и так стоят батареи, это блоки ИБП, которых хватает на несколько часов вещания станции. Наша АКБ на 800 ампер-часов, имеющийся на БС массив — 500 ампер-часов. На одной из БС оператор предложил объединить наши АКБ и их, чтобы получить массив большей ёмкости. Так обычно с разными типами батарей не делают (это снижает срок эксплуатации), но и оператору, и нам было важно получить экспериментальные данные от увеличения ёмкости. Соединили. В серию будем вводить такие батареи, чтобы аккумуляторный банк был общим. После выпрямителей стоят наши контроллеры — они делают отбор мощности на наши аккумуляторы и аккумуляторы БС. Это также дало оптимизацию в том случае, если всё-таки из-за непогоды пришлось заводить ДГУ. 

В-шестых, мы сразу сделали хороший мониторинг. Он потребовал незначительных доработок, что было важно — поставить новый контактор управления ДГУ, чтобы переводить дизель в ручной режим, запускать и останавливать. Поначалу часто приходилось менять пороги запуска дизеля при низком напряжении аккумулятора, потом, опять же, набрали нужный опыт. В итоге датчики стоят на всех источниках и потребителях, мы видим, сколько идёт с солнечных батарей, какая выработка с ветрогенератора, напряжение на всех участках цепи, потребление. Стоят погодные датчики (температура-ветер), две камеры для наружного и внутреннего наблюдения (удобно смотреть на стойку через камеру). 

В-седьмых, в Мурманске вместо геозонда был система фрикулинга. С ней возникла сложность. Проблема в том, что клапан для горячего воздуха был в стене контейнера на противоположной стороне от холодного забора. Так вот, при сильных ветрах этот клапан (выглядящий как шторка) просто выгибало и открывало в обратную сторону. Не было у иностранцев такого опыта. А наш отечественный производитель пообещал уже другой хитрый клапан, который так себя вести не будет, сейчас как раз монтируем.

Сейчас на подходе замена аккумуляторной батареи, попробуем ещё вариант. 

Серия 

Итого для серии мы видим такую схему:

  • Ветроэнергетический комплекс с мачтой, для ряда регионов — это ветряк голландского производства с пассивной ориентацией; 
  • Солнечный энергетический комплекс на 12 панелей;
  • Система геотермального охлаждения, если позволяет грунт;
  • Система естественного охлаждения; 
  • Распределение электроэнергии и управление;
  • Система аккумулирования энергии 800 ампер-часов минимум; 
  • Блок-контейнер; 
  • Система видеонаблюдения; 
  • Система мониторинга; 
  • Система диспетчеризации SCADA. 

Регламентные работы: 

  • Два раза в год визуальный осмотр, удаление пыли и проверка натяжения растяжек мачты. 
  • Раз в год опускание мачты ветрогенератора, протяжка резьбовых соединений, раскрутка кабеля ветрогенератора, проверка аккумуляторных батарей. 

Результаты

Наши решения очень понравились службе эксплуатации сети. Дело в том, что количество выездов сократилось в 10–12 раз. Раньше ездили на заправку ДГУ как на дежурство. В среднем 90–95% времени в нашем питании, 5–10% от дизеля можно получить на почти любой БС. Соответственно, техобслуживание дизеля тоже делается реже — у него ТТО по моточасам. Кстати, особенно понравилось эксплуатационщикам, что когда рядом упала ЛЭП, «наша» БС не сошла с сети. 

Последний год тестов после оптимизации, результаты. Самара: снижение потребления БС на 30%, коэффициент автономии — 81%, коэффициент использования альтернативных источников — 60%. Мурманск: снижение потребления БС на 15%, коэффициент автономии — 100% (повезло с погодой, могло быть около 97%), коэффициент использования от альтернативных источников — 100%. 

Отвечу на теоретические вопросы в комментариях, а на практические по конкретно вашему объекту — в почте PVashkevitch@croc.ru.

Источник:
Habrahabr

Все публикации

Видео


Интеллектуальное здание: от строительства до эксплуатации

Калькулятор по мини-ТЭС
Своя энергия —
— свои тарифы!
Рассчитать