Проблема
До недавнего времени рост сегмента солнечной энергетики тормозился высокой стоимостью оборудования и, как следствие, высокой стоимостью вырабатываемой энергии. В последнее время разработки в этой области значительно снизили стоимость фотоэлектрических панелей, что вызвало рост количества установок и рост доли солнечной энергетики в общем объёме производимой энергии. К сожалению, в России изменения курса рубля, пришедшие как раз на этот период, практически нивелировали это преимущество, но, тем не менее, общая тенденция налицо.
Солнечная энергетика имеет свои особенности в виде неравномерности генерации электроэнергии. Неравномерность выработки энергии купируется её накоплением в периоды пика генерации и последующем использованием в периоды пиков потребления. Для полноценного использования возможностей накопления или перераспределения энергии, требуются данные о потребителях энергии, статистике их потребления и возможность предсказания будущей нагрузки, что выводит солнечную энергетику на новый уровень и позволяет интегрировать солнечные электростанции в глобальные умные сети (>Smart Grid).
Для этого, проектируемым сейчас системам электроснабжения с использованием солнечных панелей требуется эффективные, надежные решения, связывающие систему генерации, накопления и распределения электроэнергии с потребителями с возможностью поддержки технологии промышленного интернета вещей (>IIoT).
На сегодняшний день большинство решений для управления распределением электроэнергии относятся к категории информационных приложений, информирующих пользователей о текущем состоянии энергосистемы, либо позволяющих управлять элементами системы. Внедрение предиктивных технологий в России только-только начинается и каждый новый проект, в котором требуется увязать данные получаемые в рамках промышленного интернета вещей (>IIoT) или анализа статистики энергопотребления объектом ранее, с генерацией и распределением энергии, сталкиваются рядом технических сложностей, готового решения которых в российской практике автоматизированного управления электропитанием ещё не выработано.
Давайте рассмотрим несколько основных тенденций на рынке возобновляемой энергии и обсудим как мы можем извлечь выгоду из новых технологий, которые появляются на рынке.
Тренды
Основным трендом можно назвать ускорение замены ископаемых источников энергии возобновляемыми, вследствие быстрого снижения стоимости возобновляемой энергии для потребителя. Заметный перелом ситуации произошёл 3-4 года назад, когда мощности генерации электроэнергии увеличивались на 228 ГВт в 2015 году и на 303 ГВт в 2016 году. Как уже было сказано выше, в России этот перелом прошёл незамеченным. Появление на рынке электроэнергии большого количества небольших генерирующих объектов, имеющих излишки энергии в пиковые часы генерации, поставило вопрос о необходимости предсказания появления в сети этих дополнительных мощностей и автоматического их перераспределения другим потребителям, замещая чистой, возобновляемой энергией традиционную энергию, получаемую из углеводородов.
В России пока нет действующего закона, регламентирующего возможность отдачи энергии в общую сеть частным домохозяйством, поэтому мы сейчас можем только рассматривать мировой опыт, к которому со временем мы, надеюсь, придём. Электрические сети по всему миру модифицируются, чтобы упростить децентрализованную выработку электроэнергии небольшими домохозяйствами и объектами. К нескольким крупным производителям в рамках электросети добавилось огромное количество небольших локальных производителей, поставляющих в сеть электроэнергию в пиковые часы генерации и потребляющих энергию из сети в остальное время.
Солнечная энергетика в частных домах
Поиск альтернативных источников электроэнергии привёл к тому, что в небольших домохозяйствах и предприятиях стали появляться системы фотоэлектрических панелей в качестве дополнения традиционного сетевого подключения. Со снижением стоимости панелей к чистоте энергии и бесшумности работы добавилась ещё и относительно невысокая стоимость оборудования, дополняемая во многих странах государственными компенсациями расходов на монтаж и обслуживание систем солнечной энергетики. Именно этими факторами объясняется постоянный рост доли возобновляемой энергетики в жилом секторе. Вторым фактором для России является возможность производить энергию непосредственно на объекте, что важно для удалённых регионов, куда не проложены сети, а доставка топлива осуществляется только в период навигации. К настоящему моменту сложилось две основные архитектуры бытовых систем генерации солнечной энергии:
Традиционное решение
В традиционных, наиболее простых солнечных электрических системах, потребитель получает электроэнергию как от основной электросети, так и от собственной фотоэлектрической установки. Такая архитектура позволяет дополнять сетевую электроэнергию собственной фотоэлектрической, а западные домовладельцы могут даже в периоды пиков генерации отдавать излишки электроэнергии в сеть, зарабатывая на этом.
Решение с аккумулированием электроэнергии
Другим типом солнечной электростанции является энергосистема с аккумулированием выработанной электроэнергии, позволяющая повысить автономность дома. Такой тип системы на западе встречается не очень часто и в большинстве случаев в отдаленных местах, где стоимость подключения домов к основной сети чрезмерно высока. В России же наоборот, аккумуляторный шкаф ставится практически в каждой системе. Вырабатываемая панелями мощность используется для зарядки батареи, которая, в свою очередь, питает потребителей внутри дома. Аккумуляторные батареи используются даже в «гибридных» системах, в которых дом подключён и к солнечной электростанции и к основной сети. При такой архитектуре аккумуляторы используются для хранения избыточной энергии в часы пиковой генерации и последующем её использовании в период пикового потребления.
Оптимизация распределения электроэнергии
С увеличением количества небольших локальных производителей электроэнергии (частных домохозяйств и небольших предприятий с фотоэлектрическими установками), сложность учёта и распределения энергии возросла. Теперь уже нет ограниченного количества больших генерирующих электростанций типа Днепрогэса, выдающих в сеть прогнозируемые сотни мегаватт в заданное время. Объём энергии, поступающей в общую сеть от огромного количества небольших поставщиков меняется ежеминутно и надо уметь её учитывать, перераспределять и прогнозировать как объём её генерации, так и объём её потребления.
Сравнение кривых генерации электроэнергии и её потребления приводит к снижению затрат на электроэнергию и оптимизации нагрузки на систему (электросеть). Данные о текущем потреблении и, возможно, предстоящем планируемом потреблении электроэнергии, полученные через IIoT поступают в систему управления распределением электроэнергии и позволяют осуществлять автоматизированное управление распределением энергии и планировать предстоящие нагрузки на элементы системы.
Использование IIoT-платформы в энергосистеме, включающей в себя солнечные электростанции может дать ряд преимуществ как производителям электроэнергии, так и её потребителям:
- Становятся доступны инструменты визуализации, анализа данных для эффективного управления потреблением электроэнергии.
- Появляется возможность использовать различные инструменты для оптимизации энергоснабжения за счет управления временем включения и используемой мощностью местными потребителями, а также объёмами электроэнергии, запрашиваемой из внешней сети в дополнение к генерируемой на месте солнечными электростанциями.
- Появляется дополнительный доход за счёт продажи избыточной накопленной энергии в периоды низкого потребления.
Сложности интеграции
Управление устройствами в распределенных энергетических системах
Централизованное управление солнечными станциями в рамках больших систем является достаточно сложной задачей. В Российских реалиях это, в первую очередь, не однотипные системы. Большая часть из них собрана без проекта, на основе представлений владельца, полученных на профильных форумах. Комплектующие небольших солнечных электростанций куплены как правило на Aliexpress или у наших отечественных «производителей» и случайно внешне напоминают аналогичные устройства с Aliexpress. Разные протоколы, разные стандарты, отсутствие каких-либо протоколов или стандартов, в используемых инверторах и контроллерах.
Это только часть проблем, с которыми предстоит столкнутся в ходе построения энергосистемы, объединяющей в себе как централизованные электросети и крупные генерирующие мощности, так и небольшие солнечные электростанции. Кроме того, небольшие солнечные электростанции часто расположены в труднодоступных местах, что также создаст трудности при эксплуатации, обслуживании и настройке оборудования этих станций внешними специалистами.
Часть предстоящих проблем можно решить уже на стадии проектирования небольших солнечных электростанций, заложив в них локальные системы управления и распределения электроэнергии, обменивающиеся данными с вышестоящей энергосистемой. В такой двухуровневой системе управления электроэнергией данные с устройств, подключённых к интернету вещей, будут приниматься и обрабатываться локальной системой, а вышестоящая система управления получит только обобщённые данные о предстоящем потреблении или генерации. Большинство потребностей локальной системы управления могут быть уже сейчас решены за счёт функционала современных инверторов или контроллеров солнечных панелей.
Основным требованием для функционирования такой двухуровневой системы мониторинга и управления электроэнергией является надёжное Интернет-соединение, без которого передача данных с локальных объектов в глобальную сеть станет невозможна или потеряет всякий смысл. Для того, чтобы локальная солнечная электростанция удовлетворяла этому требованию, она должна иметь несколько резервных каналов доступа к сети Интернет, такими как проводной доступ, передача данных через сотовую связь, спутниковый доступ. Чтобы при сбое основного проводного подключения, локальная система управления солнечной станцией сможет передать данные через другой резервный канал (сотовый интернет).
Особенности объединения интернета вещей с системами управления небольших солнечных электростанций
Простое объединение устройств друг с другом в рамках одной сети не обязательно приведёт к полезному взаимодействию между этими устройствами и положительному эффекту в виде снижения нагрузки на сеть и суммы ежемесячного счёта за электричество. Выдаваемыми в созданное облако данными надо ещё как-то управлять. Для этого нужна платформа, собирающая и управляющая данными в рамках интернета вещей. Она должна обеспечивать взаимодействие, совместную работу и интеграцию между системами управления локальными солнечными электростанциями и потребителями. На рынке существует несколько платформ по управлению данными в рамках промышленного интернета вещей, но если говорить о промышленных устройствах, то предпочтительным выглядит платформа >ThingsPro от одного из лидеров производства устройств для промышленных коммуникаций, компании MOXA.
Пример решения
В предложенном решении встраиваемый компьютер Moxa UC-8100 на RISC-процессоре, как головное устройство, обеспечивает сбор данных с устройств IIoT внутри локальной солнечной электростанции через устройство удалённого ввода/вывод ioLogik, последовательные интерфейсы и/или беспроводную сеть и управляет подключёнными к нему устройствами на основе заданной пользователем логики. Для пользователей доступна как наглядная визуализация текущего процесса или аналитики, так и управление всеми подключёнными устройствами через визуальный интерфейс.
Компьютер UC-8100 может быть в модификациях с одним или двумя последовательными портами RS-232/422/485 и двумя Ethernet-портами 10/100 Мбит / с, а также с мини-разъемом PCIe для поддержки сотовых модулей. Таким образом мы имеем достаточно универсальное головное устройство, которое можно адаптировать к различным коммуникационным потребностям и условиям работы.
Вторым большим плюсом UC-8100 от Moxa является возможность использования Modbus для интеграции с удаленными устройствами ввода-вывода через которые в систему будут поступать данные с датчиков об:
- уровне заряда и режиме работы аккумуляторов;
- температуре панелей и помещения с оборудованием;
- возникновении критических ситуаций;
- уровне текущего потребления и генерации;
- влажности в помещении;
- проникновении на объект посторонних лиц.
В целом, платформа для управления устройствами в рамках промышленного интернета вещей >ThingsPro от >Moxa имеет масштабируемую конфигурацию и может быть легко настроена как частным пользователем для небольшого «облака» в рамках локальной солнечной электростанции, так инженером системного интегратора для целой сети солнечных электростанций в рамках большой сети с использованием элементов визуализации и предиктивной аналитики.
К сожалению, в России отсутствие работающего механизма отдачи излишков сгенерированной солнечной электростанцией энергии в общую сеть пока тормозит развитие альтернативной энергетики и интеграцию общей энергосистемы с небольшими генерирующими мощностями. В наших условиях наиболее востребованы небольшие гибридные электростанции с аккумуляторными ёмкостями для согласования пиков генерации и потребления друг с другом.
Но даже в таком промежуточном варианте использования, в рамках локальной системы электропитания, возможности промышленного интернета вещей IIoT позволяют значительно расширить удобство работы с системой и снизить ежемесячные затраты на покупку недостающей энергии из внешней сети за счёт прогнозирования объёмов потребления или перераспределения планируемой нагрузки на время с наибольшим запасом энергии в аккумуляторах или периоды с минимальной ценой за кВт.
