Obecnie ok. 30 proc. mieszkańców Ziemi nie ma dostępu do elektryczności. Sytuacja ta w połączeniu z rosnącymi potrzebami energetycznymi ludzkości i zmniejszającymi się zasobami paliw kopalnych powoduje coraz szersze wykorzystanie wytwarzania energii elektrycznej w oparciu o odnawialne źródła energii.

Dotychczas dla odbiorców oddalonych od sieci energetycznych, najpowszechniej stosowanym źródłem zasilania w energię elektryczną był generator napędzany silnikiem spalinowym. Taki system jest jednak nieekonomiczny w przypadku obciążeń zmieniających się szybko i w szerokim zakresie, jak odbiorcy komunalno-bytowi czy przemysłowi, z uwagi na trudność w ustaleniu optymalnego punktu pracy silnika napędowego. Wraz z rozwojem technologii wykorzystujących odnawialne źródła energii, pojawiły się nowe rozwiązania, zastępujące dotychczas stosowane. W systemach zasilania odbiorców autonomicznych popularne stały się układy mieszane (hybrydowe), wykorzystujące dwa lub więcej źródeł energii. Ze względu na duże wahania mocy dostarczanej przez źródła odnawialne (jak np. wiatr), stosuje się w układach hybrydowych dodatkowe akumulatory. Umożliwiają one gromadzenie nadwyżek energii pochodzących ze źródeł w okresach zmniejszonego poboru oraz na oddawanie odbiorcy zgromadzonej energii w wypadku zwiększonego zapotrzebowania.

Powszechnie stosowanym standardem w hybrydowych systemach zasilających jest łączenie energii słonecznej i wiatrowej. Prowadzone na świecie obserwacje meteorologiczne wskazują bowiem, iż w porze największego nasilenia wiatrów (okres jesienno-zimowy dla półkuli północnej) promieniowanie słoneczne jest słabe. Natomiast w porze wiosenno-letniej, kiedy natężenie promieniowania słonecznego jest najsilniejsze, spada średnia prędkość wiatru. Zatem połączenie ze sobą energii słonecznej i wiatrowej daje, w pewnym przybliżeniu, stały dopływ energii do odbiorcy w ciągu roku. Umożliwia to optymalny dobór akumulatora, a zatem i kosztu całej instalacji. Dzięki wykorzystaniu dodatkowego źródła energii, jakim jest elektrownia wiatrowa, panel fotowoltaiczny w systemie hybrydowym może być mniejszy niż w równoważnym systemie opartym wyłącznie na energii słonecznej. Dlatego też, mimo swojego skomplikowania, system hybrydowy może być w wielu aplikacjach najefektywniejszym rozwiązaniem.

Schemat blokowy typowej autonomicznej elektrowni słoneczno-wiatrowej przedstawiono na rysunku 1. Zasadniczym jej elementem jest szyna napięcia stałego, do której podłączane są równolegle wszystkie składniki systemu. Są to źródła energii – wiatrowe, słoneczne i bateria akumulatorów, włączane poprzez odpowiednie przekształtniki energoelektroniczne, oraz falownik wyjściowy dostarczający napięcia zasilającego odbiorców. Dodatkowo można zastosować generator spalinowy automatycznie załączany w przypadku deficytu energii dostarczanej ze źródła lub rozładowania akumulatora.

W omawianych urządzeniach panel fotowoltaiczny jest projektowany do średniorocznej wartości natężenia promieniowania. Przy dobieraniu go do wielkości promieniowania w sezonie wiosenno-letnim kiedy jest ono największe, a zatem powierzchnia baterii mniejsza, konieczne jest odpowiednie zwymiarowanie elektrowni wiatrowej, aby dostarczyła ona wymaganą ilość energii w czasie niedoboru energii słonecznej w pozostałych porach roku. Ze wspólną szyną napięcia stałego łączy się go za pomocą przekształtnika DC/DC, standardowo wyposażonego w układ śledzenia mocy maksymalnej źródła (ang. MPP), co poprawia ekonomiczne wykorzystanie całego urządzenia.

W elektrowniach wiatrowych pracujących w systemach hybrydowych można stosować różne rodzaje generatorów. Najpopularniejsze obecnie są prądnice synchroniczne ze wzbudzeniem od magnesów trwałych. Rozwój tej technologii i zastąpienie uzwojenia wzbudzenia przez magnes uprościło konstrukcję maszyny, co znacznie podniosło jej niezawodność. Napięcie trójfazowe o zmiennej częstotliwości wytwarzane przez generator takiej elektrowni jest prostowane i stabilizowane przez przekształtnik do wartości napięcia wspólnej szyny prądu stałego.
Bateria akumulatorów jest dobierana w zależności od wymagań użytkownika systemu, przy czym standardowo czas podtrzymania zasilania wynosi dwa do trzech dni. Najpopularniejsze, ze względu na małe wymagania dotyczące bieżącego utrzymania, są akumulatory z elektrolitem żelowym oraz akumulatory AGM.

Jako falowniki wyjściowe stosowane są klasyczne urządzenia z modulacją PWM. W układach z generatorem spalinowym spotykane są ponadto inwertery bimodalne. W trybie normalnej pracy elektrowni dostarcza on napięcia do sieci lokalnej pracując jak falownik. W przypadku gdy np. wskutek długotrwałego niedoboru energii ze źródeł następuje włączenie generatora spalinowego jako źródła awaryjnego, a przekształtnik pracuje jako prostownik ładując akumulatory elektrowni…

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę