Studium przypadku 140-kW hybrydowego systemu wiatrowo-słonecznego w Wielkiej Brytanii

Tło klienta i jego wymagania:

Klient pochodzi z Wielkiej Brytanii i jest właścicielem firmy zajmującej się meblami. Zakład klienta zużywa bardzo dużo energii elektrycznej – 300 kWh dziennie. Obecnie klient posiada już sieciowy system paneli fotowoltaicznych o mocy 40 kW, jednak jest oczywiste, że nie jest on w stanie zaspokoić zapotrzebowania klienta na energię elektryczną. Obecna koncepcja klienta zakłada zainstalowanie turbin wiatrowych, paneli fotowoltaicznych oraz akumulatorów do magazynowania energii w celu utworzenia hybrydowego systemu wiatrowo-fotowoltaicznego, który umożliwi samodzielną produkcję i zużycie energii przez większość czasu. Nawet w okresie długotrwałych deszczów system ten pozwoli na pobieranie energii z sieci w nocy (gdy cena energii jest niższa) oraz wykorzystywanie energii zmagazynowanej w akumulatorach w ciągu dnia.

Analizy

Po pierwsze sprawdziliśmy prędkość wiatru u klienta na wysokości 15 metrów. Średnia prędkość wiatru u klienta wynosi 6,5 m/s, co jest bardzo odpowiednie dla turbin wiatrowych. Oznacza to, że możemy często pracować z pełną mocą. Dlatego zalecamy zastosowanie hybrydowego systemu wiatrowo-fotowoltaicznego. 20 kW Turbina wiatrowa DK spodziewano się, że wygeneruje ono ponad 150 kWh dziennie. Oszacowano ostrożnie, że obecny system generacji energii o mocy 40 kW u klienta wytwarza rocznie 35 000 kWh energii elektrycznej. Dzienne wytwarzanie energii wynosi zatem około 95 kWh. Dlaczego jest ono tak niskie? Wynika to z faktu, że w Wielkiej Brytanii pada deszcz przez około 150 dni w roku, co powoduje niewystarczające dzienne wytwarzanie energii elektrycznej. Dlatego należy omówić ten temat szczegółowo. Gdy istnieje już turbina wiatrowa o mocy 20 kW oraz wystarczająca ilość światła słonecznego, w ciągu 8-godzinnego okresu roboczego w dzień turbina wiatrowa oraz panele fotowoltaiczne o mocy 40 kW powinny dostarczyć 170 kWh energii. Pozostałą lukę energetyczną wynoszącą 130 kWh można pokryć za pomocą akumulatorów lub sieci elektroenergetycznej. W przypadku deszczu panele fotowoltaiczne o mocy 40 kW praktycznie nie będą wytwarzać energii. Turbina wiatrowa może dostarczyć 40 kWh energii w ciągu 8 godzin, więc nadal trzeba będzie uzyskać 260 kWh energii z akumulatorów lub sieci elektroenergetycznej. W wyjątkowej sytuacji, gdy jednocześnie pada deszcz i brak wiatru, całe zapotrzebowanie na 300 kWh energii musi zostać pokryte z akumulatorów lub sieci elektroenergetycznej.

Biorąc pod uwagę, że głębokość rozładowania akumulatora wysokonapięciowego wynosi 95%, pojemność akumulatora musi wynosić co najmniej 315 kWh. Klient zaplanował już zakup dwóch zestawów litowych akumulatorów o pojemności 240 kWh każdy, więc ta pojemność akumulatora jest wystarczająca. Należy zatem obliczyć, jak w pełni naładować akumulator o pojemności 480 kWh w warunkach dostępności światła słonecznego oraz zminimalizować prawdopodobieństwo zakupu energii elektrycznej z sieci. Energia wytworzona przez turbinę wiatrową w ciągu 24 godzin wynosi około 150 kWh. Pozostaje więc jeszcze 330 kWh wolnej przestrzeni. Dodając do tego 300 kWh zużywane w ciągu 8 godzin, potrzebne są panele fotowoltaiczne o mocy co najmniej 120 kW, a więc wymagane jest dodatkowo 80 kW paneli fotowoltaicznych.

Średnie dzienne zużycie energii elektrycznej przez klienta wynosi 300 kWh w ciągu 8 godzin. Biorąc pod uwagę takie czynniki, jak obciążenia indukcyjne, moc falownika powinna być większa niż 60 kW.

Rozwiązanie

Po powyższej analizie naszym początkowym planem jest zastosowanie falownika o mocy 140 kW hybrydowy system wiatrowo-słoneczny 20-kW-turbina wiatrowa DK wraz z 120 kW paneli słonecznych, dwoma akumulatorami o pojemności 240 kWh oraz falownikiem Solis S6-EH3P(75–125)K10-NV-YD-H. Ten falownik posiada 10 portów wejściowych MPPT, a pojedynczy port wejściowy może obsługiwać napięcie stałe (DC) o mocy do 20 kW. Dlatego też sterownik naszej turbiny wiatrowej można bezpośrednio podłączyć do tego falownika.

Klient wyraził wysoką aprobatę dla tej propozycji rozwiązania hybrydowego systemu wiatrowo-fotowoltaicznego o mocy 140 kW. Jednak ze względu na lokalne przepisy oraz ograniczenia wynikające z miejsca instalacji klient poinformował nas, że potrzebuje również alternatywnego rozwiązania czysto fotowoltaicznego.

W kolejnej fazie możemy przeprowadzić obliczenia dotyczące czystego systemu paneli fotowoltaicznych.