Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii do produkcji energii elektrycznej polega na przetwarzaniu pierwotnych źródeł energii występujących w postaci słońca, wiatru, wody itp. w energię elektryczną. Podstawową zaletą tych źródeł jest możliwość wykorzystania darmowej energii, ale wadą jest duża zależność ilości produkowanej energii, która jest uzależniona od zmienności tej energii związanej z aktualnymi warunkami pogodowymi. Aby zwiększyć możliwości efektywnego wykorzystania tych źródeł zaczęto budować elektrownie hybrydowe, które są kombinacją dwóch lub kilku technologii pozyskiwania energii elektrycznej, często łączonych także z zasobnikiem energii.
Pod pojęciem elektrowni hybrydowej, rozumie się jednostkę produkcyjną, wytwarzającą energię elektryczną lub energię elektryczną i ciepło, w której w procesie wytwarzania energii wykorzystywane są dwa lub więcej odnawialne źródła energii lub źródła energii inne niż odnawialne. Połączenie dwóch źródeł energii ma na celu wzajemne ich uzupełnianie się, dla zapewnienia ciągłości dostaw energii elektrycznej. Idealną byłaby sytuacja, gdyby oba źródła energii wchodzące w skład elektrowni hybrydowej, w sposób ciągły pokrywały całkowite zapotrzebowanie na energię odbiorników.
Niestety – tak jak to już wspomniano – z uwagi na krótko i długoterminową zmienność warunków atmosferycznych, taki bilans jest nieosiągalny. Przy wykorzystywaniu tak mało przewidywalnych i nieciągłych źródeł energii jakimi są słońce i wiatr pożądane jest dołączenie do systemu energetycznego zasobników energii elektrycznej, które gromadzą nadmiar energii w czasie nadprodukcji, a oddają ją gdy warunki atmosferyczne nie sprzyjają wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych, z których najpopularniejsze są akumulatory chemiczne. W przypadku elektrowni hybrydowych dużej mocy nie stosuje się systemów magazynowania energii, natomiast rolę tę pełni pośrednio sieć energetyczna.
Rodzaje elektrowni hybrydowych
Można wyróżnić następujące klasyfikację elektrowni hybrydowych, w trzech płaszczyznach podziału.
Ze względu na rodzaj stosowanych nośników energii:
- elektrownie wykorzystujące jedynie nośniki odnawialne (np. elektrownia wiatrowa-elektrownia słoneczna),
- elektrownie wykorzystujące nośniki odnawialne jak i nieodnawialne (np. elektrownia wiatrowa-elektrownia gazowa).
Ze względu na ilość używanych nośników energii:
- dwuskładnikowe (np. elektrownia wiatrowa-elektrownia słoneczna),
- wieloskładnikowe (np. elektrownia wiatrowa-elektrownia słoneczna-agregat prądotwórczy).
Ze względu na sposób zachowania ciągłości dostaw energii (jeżeli zastosowane nośniki energii tego wymagają):
- elektrownie hybrydowe bez magazynowania energii (np. elektrownia wiatrowa-elektrownia słoneczna),
- elektrownie hybrydowe z magazynowaniem energii (np. elektrownia wiatrowa-elektrownia szczytowo-pompowa).
W rzeczywistości można spotkać praktycznie wszystkie kombinacje elektrowni hybrydowych
Połączenie dwóch źródeł energii ma na celu wzajemne ich uzupełnianie się, dla zapewnienia ciągłości dostaw energii elektrycznej. Istnieje wiele płaszczyzn klasyfikacji elektrowni hybrydowych. Jedną z nich jest podział elektrowni hybrydowych na:
- elektrownie bez magazynowania energii,
- elektrownie z magazynowaniem energii.
Ten podział jest ściśle związany z charakterem wykorzystywanych źródeł energii oraz wielkości jednostki wytwórczej [1].
Idealną byłaby sytuacja, gdyby oba źródła energii wchodzące w skład elektrowni hybrydowej, w sposób ciągły pokrywały całkowite zapotrzebowanie na energię odbiorników (rys.1). W tym przypadku wystarczyłoby zainstalowanie elektrowni słonecznej oraz wiatrowej o mocach niewiele większych od mocy odbiorników.
[1] Ireneusz Soliński, Jacek Ostrowski, Bartosz Soliński, Wiatrowo-gazowe elektrownie hybrydowe, Polityka Energetyczna 2008
Rys. 1. Bilans energetyczny w przypadku idealnym
Niestety z uwagi na krótko i długoterminową zmienność warunków atmosferycznych, taki bilans jest nieosiągalny. Przy wykorzystywaniu tak mało przewidywalnych i nieciągłych źródeł energii jakimi są słońce i wiatr pożądane jest dołączenie do systemu energetycznego zasobników energii elektrycznej, które gromadzą nadmiar energii w czasie nadprodukcji, a oddają ją gdy warunki atmosferyczne nie sprzyjają wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych.
Teoretycznie możliwe jest wtedy uzyskanie systemu zbilansowanego energetycznie, co pokazano na rysunku 2.
Rys. 2. Zbilansowana elektrownia hybrydowa z gromadzeniem energii elektrycznej
Istnieją różne metody magazynowania energii.
Krótkookresowe (minuty do godziny):
- bateria akumulatorów, małej pojemności,
- super kondensatory,
- akumulatory kinetyczne.
Długookresowe (godziny- dni):
- elektrownie wodne, szczytowo-pompowe,
- duże baterie akumulatorów,
- magazynowanie sprężonego powietrza (Compressed-Air Energy Storage- CAES),
- ogniwo paliwowe.
Systemy on-grid i off-grid
Elektrownie hybrydowe pracujące w systemach:
- On-Grid,
- Off-Grid,
- w systemach mieszanych.
Elektrownie On-Grid i Off-Grid
Instalacje przyłączane do sieci to inaczej systemy On-Grid. Energia elektryczna wyprodukowana przez elektrownię hybrydową jest w inwerterze sieciowym zamieniana na prąd przemienny o napięciu i częstotliwości zgodnymi z siecią elektroenergetyczną, z którą współpracują. Inwerter musi spełniać wszystkie normy pod względem parametrów i jakości prądu przekazywanego do sieci. Dwukierunkowy licznik energii dokonuje pomiaru energii przekazanej do sieci oraz z niej pobieranej. Na tej podstawie dokonywane mogą być rozliczenia sprzedaży wyprodukowanego prądu z operatorem systemu energetycznego. Uproszczony schemat elektryczny instalacji On-Grid wykorzystującej specjalny inwerter dostosowany do współpracy z elektrownią hybrydową pokazuje rysunek 3.
Rys. 3. Połączenia elektryczne systemu On-Grid
Elektrownie Off-Grid
Instalacje energetyczne nie przyłączane do sieci to inaczej systemy Off-Grid. Nazywa się je instalacjami autonomicznymi. Instalacje te mogą pracować niezależnie od sieci energetycznej. Z reguły służą do zasilania obiektów, do których prowadzenie przyłącza elektroenergetycznego okazuje się nieopłacalne, na przykład: schroniska górskie, sygnalizacja drogowa (przejścia dla pieszych), gdzie nie ma dostępu do sieci energetycznej, itp. Systemy takie wymagają jednak magazynowania energii np. w akumulatorach. Schemat ideowy połączeń systemu Off-Grid pokazuje rysunek 4.
Rys. 4. Połączenia elektryczne systemu Off-Grid
Na rysunku zaprezentowano system Off-Grid bez magazynowania energii. Rezerwowe źródło zasilania stanowi w tym przypadku sieć energetyczna.
Elementy składowe hybrydowej elektrowni wiatrowo-słonecznej
W ostatnich latach najbardziej popularnymi ekologicznymi elektrowniami hybrydowymi stały się zespoły wytwórcze wykorzystujące wiatr i energię słoneczną. Intuicyjnie oba te źródła energii powinny się nawzajem uzupełniać. Jednak nie są one w stanie zapewnić ciągłej dostawy energii elektrycznej W związku z tym w proponowanych na rynku zestawach hybrydowych, zawsze uwzględniane jest magazynowanie energii elektrycznej w akumulatorach. W skład takiego typowego zestawu wchodzą, poza elektrownią wiatrową o pionowej lub poziomej osi obrotu i zestawem paneli fotowoltaicznych, urządzenia służące do przekształcania prądu elektrycznego oraz jego magazynowania. Są to:
- Regulatory ładowania akumulatorów, służące do kontroli i ładowania akumulatora napięciem stałym. Z reguły przystosowane do współpracy ze źródłami napięcia stałego 12V lub 24V lub 48V. Urządzenia dostępne są w całych typoszeregach o różnym maksymalnym prądzie ładowania od 10A do 140A i więcej. Posiadają zabezpieczenia przed przeładowywaniem i nadmiernym rozładowaniem akumulatorów, odwrotną polaryzacją i automatycznie wykrywają napięcie pracy systemu. Niektóre modele wyposażone są w wyświetlacze umożliwiające kontrolę napięć i prądów, interfejsy do programowania parametrów pracy urządzenia, możliwość sterowania oświetleniem zmierzchowym, bez konieczności wykorzystywania dodatkowych układów sterujących. Najbardziej znanymi producentami tego typu wyposażenia są Steca Electornic GmbH, Victron Energy, Phoenix Solar AG.
- Inwertery wyspowe inaczej przetworniki napięcia, falowniki, służące do zamiany prądu stałego na prąd przemienny o napięciu 230V. Napięcie wyjściowe z tych inwerterów jest czystosinusoidalne i może służyć do zasilania wszystkich powszechnie stosowanych urządzeń elektrycznych. Na rynku oferowane są urządzenia współpracujące z systemami energetycznymi na napięcie 12V lub 24V. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych inwertery te cechuje bardzo wysoka sprawność- do 90%, i małe gabaryty przy stosunkowo dużych mocach. Oferowane są inwertery na moce od 180W do 5kW i więcej. Urządzenia posiadają zabezpieczenia przed zwarciami, odwrotną polaryzacją napięcia, nadmiernym rozładowaniem akumulatora. Głównymi producentami są wymienione już powyżej firmy Steca i Phoenix [1].
- Inwertery sieciowe- służące do zamiany prądu stałego na prąd przemienny, ale ponadto mające zdolność synchronizowania się z siecią energetyczną, dzięki czemu mogą służyć do przekazywania energii wyprodukowanej w elektrowni hybrydowej do sieci energetycznej. Cechą charakterystyczną tego typu inwerterów jest stosunkowo wysokie napięcie wejściowe (powyżej 100V). Inwertery cechuje wysoka sprawność do 98% (Steca). Urządzenia dostępne są w różnych wersjach mocowych od 500W do 5kW a w wersjach trójfazowych do 24kW. Ze względu na współpracę z siecią energetyczną szczególną uwagę należy zwracać na jakość tych urządzeń. Brak odpowiedniej jakości energii elektrycznej (zniekształcenia sygnału sinusoidalnego, wahania napięcia, zmiany częstotliwości) może w sposób negatywny wpływać na sieć energetyczną i zasilane z niej urządzenia [2].
- Są to akumulatory konstruowane do pracy cyklicznej, bezobsługowe, żelowe, które mogą przepracować do 500 pełnych cykli pracy. Akumulatory żelowe wysokiej klasy, renomowanych firm, cechuje długa żywotność, małe samorozładowanie, duża ilość pełnych cykli pracy. Duży wpływ na te parametry mają: temperatura pracy, prąd ładowania, charakterystyka cykliczności. W skrajnie niekorzystnych warunkach producenci w folderach reklamowych gwarantują żywotność około 5 lat.
Wymienione powyżej urządzenia są dedykowane instalacjom fotowoltaicznym. W przypadku kontrolerów ładowania i inwerterów wyspowych w urządzeniach zapewniono optymalne wykorzystanie krzywej mocy panelu fotowoltaicznego, dla zapewnienia maksymalizacji produkcji energii elektrycznej. W przypadku elektrowni wiatrowych mamy do czynienia z reguły z urządzeniami konstruowanymi specjalnie dla danego modelu, w zależności od typu generatora, mocy itp. Zarówno małe jak i średnie elektrownie wiatrowe są wyposażone w generatory prądu stałego lub przemiennego jedno jak i trójfazowe. Z uwagi na to w przypadku każdej takiej konstrukcji opracowywany jest również układ elektroniczny umożliwiający np. ładowanie akumulatora czy też współpracę z siecią energetyczną.
Pozostałe wyposażenie elektrowni hybrydowej w części elektrycznej stanowią odpowiednie kable połączeniowe (odporne na działanie promieni UV oraz działania czynników atmosferycznych, oraz konektory połączeniowe. Ponadto w skład elektrowni hybrydowej wchodzi wyposażenie mechaniczne:
- systemy montażowe paneli fotowoltaicznych,
- maszt elektrowni wiatrowej,
- szafa rozdzielcza,
- ewentualnie system śledzenia słońca, który podnosi efektywność produkcji energii elektrycznej.
[1] www.steca.com, www. phoenixsolar.de
[2] www.victronenergy.com
