Kaip yra žinoma, atsinaujinantieji energijos šaltiniai (AEŠ) nepasižymi stabilumu ir pastoviais energijos parametrais. Nestabilumu ypatingai pasižymi saulės ir vėjo energija. Todėl norint turėti tokį autonominį elektros energijos šaltinį, kuris vartotojui patikimai tiektų elektrą visą laiką, reikia naudoti arba pakankamai didelį energijos kaupiklį, arba naudoti ne vieną, o du ar daugiau AEŠ. Iš kitos pusės, naudoti daug šaltinių gali būti netikslinga ekonomiškai. Todėl dažniausiai yra naudojami du arba trys atsinaujinantieji energijos šaltiniai.
)
Elektrinė, kurioje naudojamas daugiau kaip vienas atsinaujinantis energijos šaltinis, vadinama hibridine. Hibridinėje elektrinėje gali būti naudojami bet kurie prieinamiausi atsinaujinantieji energijos šaltiniai: saulės, vėjo, vandens, biomasės ir kiti. Todėl projektuojant hibridinę elektrinę gali būti daug įvairių variantų. Dažniausiai pasirenkamos saulės ir vėjo mikroelektrinės, sujungtos į vieną hibridinį elektros šaltinį su bendru energijos kaupikliu ir bendru inverteriu.
Tokiose vietovėse, kurių vėjo energijos ištekliai nedideli, gali būti naudojami mažos galios tiesioginio veikimo metanoliu varomi ir kitų tipų kuro elementai. Šiam tikslui naudojamų stacionariųjų kuro elementų gamyba pasaulyje sparčiai plėtojama. Įvairių tipų kuro elementų nuo 5 iki 5 000 kW galios pasaulyje jau dabar pagaminama iki 200 000 vnt. per metus. Jau netolimoje ateityje (po 2012 m.) prognozuojamas ženklus jų kainos kritimas iki 1 000 – 2 000 $/kW ir masinė gamyba milijonais ir dešimtimis milijonų vienetų per metus. Todėl žiemą, kai reikia daug elektros ir šilumos energijos, jiems tektų didžiausia energetinės apkrovos dalis, o tuo metų laikotarpiu, kai yra pakankamai daug saulės energijos, kuro taupymo sumetimais kuro elementus galima būtų visai išjungti.
Vietovėse, kuriose yra dideli biomasės ir jos atliekų ištekliai, hibridinėse elektrinėse kaip antrasis elektros ir šilumos energijos šaltinis gali būti naudojamos kogeneracinės termoelektrinos jėgainės. Elektrai gaminti jose gali būti naudojamos arba garo turbinos (seniai naudojamos), arba termoelektriniai generatoriai, kurie gali būti prieinami jau netolimoje ateityje. Prognozuojama tokių termoelektrinos jėgainių elektrinė galia priklausomai nuo centrinio šildymo katilo šiluminės galios gali siekti iki 3 – 5 kW.
Hibridinės autonominės atsinaujinančiųjų šaltinių energetinės sistemos gali būti naudojamos visais atvejais, kai, norint užtikrinti patikimą ir stabilių parametrų energijos tiekimą vartotojui, vieno atsinaujinančiojo šaltinio nepakanka arba kai hibridinė sistema yra ekonomiškai pranašesnė už tiktai vieno energijos šaltinio sistemą.
Norint nustatyti kokie atsinaujinantieji energijos šaltiniai yra naudotini autonominėje hibridinėje elektrinėje ir koks turi būti galių santykis tarp atskirų tipų elektrinių, reikia atlikti išsamią konkrečios vietovės vietinių energijos išteklių analizę ir ekonominį variantų palyginimą ir tik tuomet priimti sprendimą apie elektrinės struktūrą.
Saulės ir vėjo jėgainių galių santykio parinkimas
Kaip buvo minėta, dažniausiai naudojamos hibridinės saulės ir vėjo elektrinės. Iš patirties gerai žinome, kad saulės energija pasižymi dideliu sezoniškumu, todėl turint vien tik šio tipo autonominę elektros jėgainę, tektų taikstytis su energijos trūkumu žiemos laikotarpiu, kai energijos poreikiai paprastai būna patys didžiausi. Santykis tarp tokios jėgainės per mėnesį pagaminamo maksimalaus energijos kiekio vasarą ir minimalaus žiemą mūsų kraštui yra apie 10 – 20 kartų.
Vėjo energija taip pat pasižymi sezoniškumu, bet ne taip ryškiai. Santykis tarp vėjo elektrinės per mėnesį pagaminamo maksimalaus energijos kiekio žiemą ir minimalaus vasarą mūsų šaliai yra apie 3 – 4 kartai. Sezoniškumo pobūdis šiai elektrinei yra atvirkščias, lyginant su saulės elektrine (SE), todėl vėjo elektrinės žymiai geriau tenkina tipinį mūsų krašto energijos poreikių grafiką: kai energijos reikia daugiau, daugiau jos ir pagaminama.
Tačiau vėjo elektrinės (VE) metinis energijos gamybos grafikas ne visada idealiai atitinka energijos poreikių grafiką. Energijos poreikiai metų bėgyje daugeliu atvejų svyruoja mažiau, todėl ir autonominė vėjo elektrinė, nors ir labiau atitinka mūsų krašto vidutinius statistinius elektros energijos poreikių grafikus, viena dažniausiai šių poreikių gerai netenkina.
Kur kas geresnės galimybės susidaro patenkinti tipinius energijos poreikių grafikus, kai saulės ir vėjo elektrinės sujungiamos į vieną hibridinę saulės ir vėjo elektrinę (HSVE). Iškarto kyla klausimas, koks turi būti tų elektrinių galių santykis. Sprendžiant šią problemą reikia įvertinti:
Matome, kad kiekvienas elektros energijos vartotojas,
spręsdamas šią problemą savo atveju, gaus skirtingus atsakymus. Tačiau
galima numanyti kai kuriuos reikšmingus dėsningumus: autonominėje HSVE
nevyraus SE dalis, nes VE metinis pagamintos energijos grafikas labiau
atitinka metinius tipinius energijos poreikių grafikus ir, be to,
pačios vėjo elektrinės šiuo metu yra kur kas pigesnės. Hibridinėje
elektrinėje bus reikalinga tik tokia SE įrengtosios galios dalis, kad
vasarą ji padengtų galimą energijos trūkumą.
Norint apytiksliai parinkti optimalų SE ir VE įrengtųjų galių santykį autonominėje HSVE, galima naudotis tokiu algoritmu:
ES6 = EP6 - EV6
jeigu ES6 > 0, tai SE dalis reikalinga,
jeigu ES6 < 0, tai SE dalis nereikalinga,
Norint padidinti autonominės elektrinės energijos tiekimo patikimumą vasaros laikotarpiu, galima neatsisakyti SE dalies ir tuo atveju, kai gaunama ES6 < 0. Nedidelės galios SEJ pagerintų bendros akumuliatorių baterijos darbo sąlygas ir papildytų jose elektros įkrovą, jeigu vietovėje keletą dienų iš eilės nebūtų pakankamai stipraus vėjo.
Jeigu norima įsirengti į energetikos sistemos paskirstymo elektros tinklą įjungtą HSVE, tai tuomet galių santykio parinkimo problema šio tipo jėgainei nėra tokia aktuali, tačiau pagrindiniai principai lieka tie patys: vėjo jėgainė, kaip pigesnė ir labiau atitinkanti energijos poreikių grafiką turėtų vyrauti, o SE dalies būtų galima visai atsisakyti.
Apibendrinant išdėstytas mintis galima teigti, kad šiuo metu dėl gana didelių fotoelektrinių modulių kainų mūsų krašto sąlygomis SE galia dar negali sudaryti didelės visos hibridinės elektrinės įrengtosios galios dalies. Tačiau jau dabar yra surasti būdai ir medžiagos, kurias panaudojus bus galima padidinti įvairių tipų FEM naudingo veikimo koeficientus bei patobulinti jų gamybos technologijas. Prognozuojama, kad iki 2010 metų SE gaminamos elektros energijos kaina ženkliai atpigs. Tuomet SE galia galės sudaryti kur kas didesnę visos hibridinės SVE įrengtosios galios dalį.
Paprasčiausia autonominė HSVE ir jos modulių parinkimas
Supaprastinta tipiškos autonominės hibridinės saulės ir vėjo elektrinės išorinių sujungimų schema pateikta 1 paveikslėlyje. Ji sudaryta iš dviejų elektrinių – SE ir VE su bendru inverteriu ir bendra akumuliatorių baterija (Energijos kaupiklis). Abi elektrinės turi savo atskirus akumuliatorių įkroviklius – 1 ir 2.
SE daliai iki inverterio ir energijos kaupiklio visos grandys parenkamos taip, kaip aprašyta šios svetainės skyrelyje apie saulės elektrines. VE galia apskaičiuojama taip, kaip jau buvo paaiškinta skyrelyje apie galių santykio parinkimą. Pagal apskaičiuotą VE galią parenkama pageidaujamo tipo vėjo elektinė.
Kadangi HSV elektrinėje paprastai kur kas galingesnė būna VE, tai energijos kaupiklio (akumuliatorių baterijos) įkrovos talpa gali būti parenkama neįvertinant SE galios. Įvertinus SE galią, energijos kaupiklio talpa kai kuriais atvejais gali netgi šiek tiek sumažėti, kadangi sutrumpėja tikimybinis laikotarpis, kurio metu negaunama arba menkai gaunama energijos iš vėjo arba saulės ir energijos kaupikliui nereikia sukaupti elektros energijos ilgesniam laikotarpiui. Inverteris hibridinėje elektrinėje parenkamas pagal suminę SE ir VE galią ir pagal pageidaujamą šio inverterio maksimalią galią, kuri yra svarbi, kai vartotojas turi galingų elektros energijos imtuvų, kurių darbo trukmė yra nedidelė.
Tarkime, kad HSVE, kurios schema parodyta 1 paveikslėlyje, sudaryta iš SE, kurios nominalioji galia 324 Wp (6 FEM ProSolar po 54 Wp, viso 324 Wp, 20 amperų įkroviklis BP Solar GCR 2000M tipo ir VEJ „Rutland 1803”, kurios galia 720 W (esant 15 m/s vėjo greičiui). Su VE komplektuojamo akumuliatorių įkroviklio (1 įkroviklis) įkrovos srovė – 20 A, apkrovos srovė – 20 A, įkrovos režimas – ciklinis, sistemos įtampa – 12/24 V. Kaupikliui parenkame 8 akumuliatorius Trojan T–105 6 V, 250 Ah, 100 val. iškrovai, kuriuos jungiame į dvi lygiagrečias grandines po 4 vnt. nuosekliai. Gauname šio junginio įtampą 24 V ir bendrą nominaliąją įkrovą (talpą) 500 Ah
Kad būtų galima naudotis ir galingesniais energijos imtuvais, hibridinei SVE parenkame pakankamai didelės galios inverterį – įkroviklį, kurio tipas – Trace 2624, galia – 2,6 kVA, 230 V, 50 Hz, įkroviklio nominalioji srovė 60 A. Jo galios visiškai užteks ir 200 W galios SE (2 įkroviklis) įeina į inverterio Trace 2624 sudėtį.
Hibridinei SVE reikia dviejų įkroviklių 1 ir 2 dėl to, kad vienas įkroviklis negalėtų vienu metu optimaliai valdyti dviejų skirtingų procesų (įkrovimo srovių iš SE fotoelektrinių modulių ir VE).
Prisitaikant prie VE nominaliųjų parametrų ir pereinant prie 24V įtampos energijos kaupiklio (ir inverterio įėjimo įtampos), reikia fotoelektros modulius sujungti taip, kaip parodyta 1 paveikslėlyje – į tris lygiagrečias šakas, jungiant po du nuosekliai (apsauginiai diodai schemoje neparodyti – jie jungiami dėžutėse po moduliais). Tuomet modulyno įtampa darbo metu bus artima 24 V.
Suminė įrengta HSVE galia bus lygi SE ir VE galių sumai. (Nagrinėjamu atveju 324 + 720 = 1044 W). Tokios hibridinės mikroelektrinės galios gali pakakti vartotojui, kurio elektros energijos sąnaudos per mėnesį sudaro apie 100 kWh (su sąlyga, jeigu vidutinis metinis vėjo greitis vietovėje bus apie 4 m/s, o saulės ekspozicija horizontalioje plokštumoje – apie 950 kWh per metus). Tokios HSVE tikėtinas metinis energijos gamybos grafikas pateiktas 2 paveikslėlyje.
2 pav. Saulės (geltona) ir vėjo (žalia) HME metinis pagaminamos energijos grafikas