Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8996| Title: | Дослідження ефективності використання енергетичних комплексів на основі відновлюваних джерел енергії для заряджання електротранспорту |
| Authors: | Яценко, Ірина В'ячеславівна Федорчук, Ярослав Олександрович |
| Keywords: | відновлювані джерела енергії;гібридні енергетичні комплекси;математична модель;електротранспорт |
| Issue Date: | Dec-2024 |
| Abstract: | В кваліфікаційній роботі магістра проаналізовано існуючі наукові дослідження та тенденції розвитку в галузі зарядної інфраструктури для електротранспорту у світі та в Україні, зроблено висновки щодо подальших досліджень у цій сфері, сформульовано мету кваліфікаційної роботи магістра та поставлені завдання, що вимагають рішення. Досліджено структурно-функціональну схему гібридного енергетичного комплексу, що включає в себе генеруючі електроустановки на основі відновлюваних джерел енергії, зарядні станції або станції заміни акумуляторних батарей та інші елементи. Проведено аналіз існуючих математичних моделей надходження ресурсів різних видів ВДЕ (сонячна та вітрова енергія) та математичних моделей електроустановок на основі ВДЕ, внаслідок чого були обрані найбільш придатні для даної роботи моделі. Сформульовано кілька типів зарядних станцій швидкого заряджання. Сформульовано декілька типів станцій заміни акумуляторних батарей. Для кожного із сформульованих типів станцій підзарядки досліджено свою математичну модель. Досліджена математична модель гібридного енергетичного комплексу, що дозволяє моделювати різні режими роботи типів ГЕК, що включають зарядні станції; досліджена математична модель ГЕК, що дозволяє моделювати різні режими роботи типів комплексів, що включають станції заміни АКБ. Проведений аналіз досліджень ефективності використання енергетичних комплексів на основі відновлюваних джерел енергії для заряджання електротранспорту. Проведене дослідження режимів ГЕК з енергопостачанням лише від мережі або лише від дизельних електроустановок; ГЕК із енергопостачанням від сонячної фотоелектричної станції (резервне енергопостачання – від мережі чи дизельних електроустановок); ГЕК з енергопостачанням від вітряної електростанції (резервне енергопостачання – від мережі чи дизельних електроустановок). |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8996 |
| Appears in Collections: | 141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Федорчук_КМР.pdf Restricted Access | 5.7 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(назва факультету)
Кафедра електротехнічних систем
(повна назва кафедри)
«До захисту допущено»
Завідувач кафедри ЕТС
Олександр СИТНИК
______________________
“_____” __________2024 р.
Кваліфікаційна робота
на здобуття ступеня вищої освіти магістра
на тему:
«Дослідження ефективності використання енергетичних комплексів
на основі відновлюваних джерел енергії для заряджання
електротранспорту»
Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу, групи мЕСЕ–34
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
Федорчук Ярослав Олександрович ____________
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис)
Науковий керівник д.т.н., професор Ірина ЯЦЕНКО ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)
Нормоконтроль к.т.н., доцент Костянтин КЛЮЧКА ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)
Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших авторів
без відповідних посилань.
Здобувач вищої освіти ______________
(підпис)
Черкаси 2024 р.
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ
ТА МАШИНОБУДУВАННЯ
Кафедра електротехнічних систем
Рівень вищої освіти – другий (магістерський)
Спеціальність 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(код і назва)
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри ЕТС
Олександр СИТНИК
______________________
“_____” __________2024 р.
ЗАВДАННЯ
на магістерську кваліфікаційну роботу здобувачу вищої освіти
Федорчуку Ярославу Олександровичу
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема магістерської роботи
«Дослідження ефективності використання енергетичних комплексів на основі
відновлюваних джерел енергії для заряджання електротранспорту»
науковий керівник д.т.н., професор Яценко Ірина В’ячеславівна
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом по університету від «16» вересня 2024р. № 272/04
2. Термін подання студентом роботи_____________________________
3. Об’єкт дослідження – енергетичні комплекси на основі ВДЕ
4. Предмет дослідження – використання генеруючих установок на основі ВДЕ для
енергопостачання станцій підзарядки засобів електричного транспорту.
5. Перелік завдань, які потрібно розробити:
- проаналізувати принципи роботи зарядних станцій та станцій заміни АКБ засобів
електричного транспорту та існуючі методики їхнього математичного моделювання;
- дослідити математичну модель ГЕК, що включає в себе генеруючі
електроустановки на основі сонячної та вітрової енергії, що працюють паралельно з
електричною мережею та на автономного електроспоживача, та зарядні станції або станції
заміни АКБ засобів електричного транспорту;
- дослідити вплив складу та параметрів досліджуваного ГЕК на режими його
роботи; оцінити ефективність використання генеруючих установок на основі ВДЕ для
енергопостачання станцій підзарядки засобів електричного транспорту для різних
споживачів.
6. Перелік ілюстративного матеріалу − у вигляді презентації
7. Перелік публікацій – у вигляді статті чи тез доповіді на конференції
8. Дата видачі завдання «17» вересня 2024 р.
Календарний план
Термін виконання
№ Назва етапів виконання
етапів магістерської Примітка
з/п магістерської роботи
роботи
1 Аналіз літератури по темі магістерської роботи 17.09.2024–01.10.2024
Складання попереднього плану і структури 02.10.2024–08.10.2024
2
магістерської роботи. Узгодження з керівником
3 Вступ. Підготовка матеріалів по розділу 1 09.10.2024–20.10.2024
4 Підготовка матеріалів по розділу 2 21.10.2024–01.11.2024
Підготовка матеріалів по розділу 3 02.11.2024–16.11.2024
5 Підготовка матеріалів по розділу 4 17.11.2024–25.11.2024
Підготовка остаточної версії магістерської 26.11.2024–29.11.2024
6
роботи. Узгодження з керівником
Підготовка доповіді і презентації. Підготовка до 30.11.2024–15.12.2024
7
захисту
8 Захист магістерської роботи 16.12.2024–18.12.2024
Здобувач вищої освіти Ярослав ФЕДОРЧУК
(підпис) (Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ)
Науковий керівник роботи Ірина ЯЦЕНКО
(підпис) (Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ)
РЕФЕРАТ
Повний обсяг кваліфікаційної магістерської роботи складає 1_1_8_ сторінок,
52 рисунки, 5 таблиць, список використаних джерел, що містить _6_0_
найменувань.
Метою роботи є дослідження ефективності використання спеціалізованих
гібридних енергетичних комплексів (ГЕК) на основі відновлюваних джерел
енергії для живлення зарядних станцій засобів електричного транспорту.
Для досягнення поставленої мети необхідно: проаналізувати принципи
роботи зарядних станцій та станцій заміни АКБ засобів електричного транспорту
та існуючі методики їхнього математичного моделювання; дослідити
математичну модель ГЕК, що включає в себе генеруючі електроустановки на
основі сонячної та вітрової енергії, що працюють паралельно з електричною
мережею та на автономного електроспоживача, та зарядні станції або станції
заміни АКБ засобів електричного транспорту; дослідити вплив складу та
параметрів досліджуваного ГЕК на режими його роботи; оцінити ефективність
використання генеруючих установок на основі ВДЕ для енергопостачання
станцій підзарядки засобів електричного транспорту для різних споживачів.
В кваліфікаційній роботі магістра проаналізовано існуючі наукові
дослідження та тенденції розвитку в галузі зарядної інфраструктури для
електротранспорту у світі та в Україні, зроблено висновки щодо подальших
досліджень у цій сфері, сформульовано мету кваліфікаційної роботи магістра та
поставлені завдання, що вимагають рішення. Досліджено структурно-
функціональну схему гібридного енергетичного комплексу, що включає в себе
генеруючі електроустановки на основі відновлюваних джерел енергії, зарядні
станції або станції заміни акумуляторних батарей та інші елементи. Проведено
аналіз існуючих математичних моделей надходження ресурсів різних видів ВДЕ
(сонячна та вітрова енергія) та математичних моделей електроустановок на
основі ВДЕ, внаслідок чого були обрані найбільш придатні для даної роботи
моделі. Сформульовано кілька типів зарядних станцій швидкого заряджання.
Сформульовано декілька типів станцій заміни акумуляторних батарей. Для
кожного із сформульованих типів станцій підзарядки досліджено свою
математичну модель. Досліджена математична модель гібридного енергетичного
комплексу, що дозволяє моделювати різні режими роботи типів ГЕК, що
включають зарядні станції; досліджена математична модель ГЕК, що дозволяє
моделювати різні режими роботи типів комплексів, що включають станції заміни
АКБ. Проведений аналіз досліджень ефективності використання енергетичних
комплексів на основі відновлюваних джерел енергії для заряджання
електротранспорту. Проведене дослідження режимів ГЕК з енергопостачанням
лише від мережі або лише від дизельних електроустановок; ГЕК із
енергопостачанням від сонячної фотоелектричної станції (резервне
енергопостачання – від мережі чи дизельних електроустановок); ГЕК з
енергопостачанням від вітряної електростанції (резервне енергопостачання – від
мережі чи дизельних електроустановок).
Ключові слова: відновлювані джерела енергії, гібридні енергетичні
комплекси, математична модель, електротранспорт.
ЗМІСТ
Перелік умовних позначень, символів, скорочень і термінів………………
ВСТУП...............................................................................................................
РОЗДІЛ 1 СТАН І ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТУ І
ЙОГО ЕЛЕКТРОЗАРЯДНОЇ ІНФРАСТРУКТУРИ………………………...
1.1 Електричні транспортні засоби та їх електрозарядна
інфраструктура…………………………………………..………………..
1.1.1 Загальні положення……………………………………………
1 .1.2 Електромобілі та гібридні автомобілі у світі: сучасний стан
та перспективи розвитку………………………………………
1 .1.3 Електрозарядна інфраструктура у світі………………………
1 .1.3.1 Зарядні станції………………………………………………….
1 .1.3.2 Станції заміни АКБ…………………………………………….
1 .1.3.3 Стимулювання розвитку зарядної інфраструктури зі сторони
держави та приватних компаній……………………………….
1 .1.3.4 Зарядна інфраструктура: сучасний стан та перспективи
розвитку………………………………………………………….
1 .1.4 Зарядні станції, що працюють від відновлюваних джерел
енергії…………………………………………………………….
1 .1.4.1 Сонячні зарядні станції………………………………………….
1 .1.4.2 Вітряні зарядні станції…………………………………………..
1 .1.5 Електричні транспортні засоби та електрозарядна
інфраструктура в Україні……………………………………….
1.2 Поняття гібридного енергетичного комплексу…………………………
Висновки по розділу 1………………………………………………………
РОЗДІЛ 2 МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГЕК
2.1 Загальні положення……………………………………………………….
2.2 Побудова структурно-функціональної моделі ГЕК…………………….
2.3 Побудова ресурсної моделі ГЕК
2.3.1 Ресурсна модель приходу сонячного випромінювання ……
2 .3.2 Ресурсна модель зміни швидкості вітру ………………………
2.4 Побудова технічної моделі ГЕК…………………………………………
2 .4.1 Технічна модель СФЕУ…………………………………………
2 .4.2 Технічна модель ВЕУ………………………….………………..
2 .4.3 Технічна модель ДЕУ………………………….………………..
2 .4.4 Технічна модель споживачів енергії…………………………..
2 .4.4.1 Технічні моделі зарядних станцій………………………………
2 .4.4.2 Технічні моделі станцій заміни акумуляторних батарей……..
2.5 Побудова економічної моделі ГЕК……………………………………..
Висновки по розділу 2………………………………………………………...
РОЗДІЛ 3 ЗАГАЛЬНА МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ГЕК
3.1 Загальні положення……………………………………………………….
3.2 ГЕК, що включають до свого складу зарядні станції…………………..
3.3 ГЕК, що включають до свого складу станції заміни акумуляторних
батарей……………………………………………………………………..
Висновки по розділу 3………………………………………………………...
РОЗДІЛ 4 АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ПРОВЕДЕНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ……..
4.1 Загальні положення……………………………………………………….
4.2 Розрахунок режимів роботи ГЕК………………………………………..
4.3 Оцінка ефективності ГЕК………………………………………………...
Висновки по розділу 4…………………………………………………………
ВИСНОВКИ…………………………………………………………………...
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………..
Перелік умовних позначень, символів, скорочень і термінів
АКБ – акумуляторні батареї;
ВДЕ – відновлювані джерела енергії;
ВЕС – вітроелектростанція;
ВЕУ – вітроенергетична установка (вітрогенераторна установка);
ГЕК – гібрідні енергетичні комплекси;
ГЕУ – гідроелектрична установка,
ДЕУ – дизельна електроустановка;
ЕМ – електромобіль;
ККД – коефіцієнт корисної дії;
НКРЕКП - Національна комісія, що здійснює державне регулювання у
сферах енергетики та комунальних послуг;
ОРДЛО - тимчасово окуповані території України;
СМ – сонячний модуль;
СФЕУ – сонячна фотоелектрична установка;
УВЕА - Українська вітроенергетична асоціація;
ФЕУ – фотоелектрична установка;
ЧДД – чистий дисконтований дохід.
ВСТУП
Актуальність теми
З кожним роком кількість автотранспортних засобів, як у світі в загалом, і
в Україні зокрема, поступово збільшується. Наслідком цього є зростання
споживання бензину та забруднення атмосфери вихлопними газами автомобілів.
У зв'язку з цим дуже гостро ставиться питання про розроблення комплексу
заходів щодо економії рідкого палива та зменшення вмісту токсичних речовин в
атмосфері. На сьогоднішній день день вирішення цих проблем йде за кількома
напрямками, одним з яких є розробка практично нетоксичних електричних
транспортних засобів, їх популяризація, інтеграція у повсякденне життя та
поступовий перехід на них із звичайних автомобілів. Однак при цьому виникає
інша проблема, пов'язана з експлуатацією таких автомобілів, а саме – для того,
щоб користуватись електричними транспортними засобами було комфортно,
необхідна відповідна електрозарядна інфраструктура, яка обов'язково повинна
включати в себе зарядні мережі станцій та/або станцій заміни акумуляторних
батарей (АКБ).
Сьогодні у світі розвиток інфраструктури станцій підзарядки, працюючих
від електричної мережі, ведеться чималими темпами. З згаданих вище двох типів
станцій найбільшого поширення отримали звичайні зарядні станції. Що
стосується станцій заміни АКБ, то їх зараз менше, проте згодом ця ситуація має
змінитися. Крім цього у багатьох країнах світу почали з'являтися зарядні станції,
що працюють від відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), а саме – від енергії сонця
та вітру.
Енергопостачання станцій підзарядки електротранспорту від ВДЕ в даний
час дуже актуально, в першу чергу при врахуванні екологічних факторів Так,
при підзарядці на мережевих станціях, яких зараз більшість, ефект від зниження
рівня викидів за рахунок заміщення автомобілів електромобілями частково
компенсує зростанням викидів теплових електростанцій (ТЕС), які забезпечують
зростання потужності цього нового типу споживачів. Таким чином виходить, що
електричні транспортні засоби сприяють покращенню екологічної обстановки
тільки в тих районах, де вони використовуються, тоді як у районах, де
розташовані ТЕС, навпаки, спостерігається зростання забруднення атмосфери.
Станції, що працюють від генеруючих установок на основі ВДЕ, такого недоліку
практично позбавлені, оскільки в цьому у разі електроенергія, необхідна для їх
роботи, виробляється з використанням місцевих екологічно чистих
енергоресурсів (енергії сонця, вітру та ін). Крім цього енергетичні комплекси, що
включають себе установки на основі ВДЕ, зарядні станції та/або станції заміни
АКБ дозволяють ефективно економити викопне паливо за рахунок заміщення
електроенергії, що виробляється на ТЕС, для зарядки електротранспорту.
Крім екологічної та паливної складових використання енергокомплексів на
основі ВДЕ та станцій підзарядки дозволяє також підвищити енергобезпеку та
енергонезалежність енергорайонів країни. З погляду енергобезпеки будівництво
таких комплексів привнесе в енергобаланс цих районів та регіонів ще один чи
кілька нових об'єктів генерації електроенергії на основі ВДЕ. У разі виходу з ладу
традиційних об'єктів генерації (електростанцій, дизельних електроустановок та
ін.) або об'єктів передачі та розподілу електроенергії, комплекси на основі ВДЕ
зможуть постачати електроенергію як станції підзарядки електромобілів, а й інші
об'єкти. У свою чергу для районів, віддалених від ліній електропередачі (ЛЕП)
комплекси на основі ВДЕ дозволять знизити залежність від постачання викопних
видів палива.
Наукова проблема полягає у забезпеченні ефективного використання
генеруючих установок на основі ВДЕ для енергопостачання станцій підзарядки
засобів електричного транспорту для різних споживачів.
Метою роботи є дослідження ефективності використання спеціалізованих
гібридних енергетичних комплексів (ГЕК) на основі відновлюваних джерел
енергії для живлення зарядних станцій засобів електричного транспорту.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:
проаналізувати принципи роботи зарядних станцій та станцій заміни АКБ
засобів електричного транспорту та існуючі методики їхнього математичного
моделювання; дослідити математичну модель ГЕК, що включає в себе генеруючі
електроустановки на основі сонячної та вітрової енергії, що працюють
паралельно з електричною мережею та на автономного електроспоживача, та
зарядні станції або станції заміни АКБ засобів електричного транспорту;
дослідити вплив складу та параметрів досліджуваного ГЕК на режими його
роботи; оцінити ефективність використання генеруючих установок на основі
ВДЕ для енергопостачання станцій підзарядки засобів електричного транспорту
для різних споживачів.
Об'єктом дослідження є енергетичні комплекси на основі ВДЕ.
Предметом дослідження є використання генеруючих установок на основі
ВДЕ для енергопостачання станцій підзарядки засобів електричного транспорту.
Методи дослідження
У дослідженні застосовувалися широко відомі методи математичного
моделювання та фінансово-економічної оцінки проекту.
Елементи наукової новизни:
- досліджено математичні моделі зарядних станцій та станцій заміни АКБ
засобів електричного транспорту, що імітують роботу цих станцій у
різних умовах експлуатації;
- досліджено математичну модель ГЕК, що включає в себе генеруючі
електроустановки на основі сонячної та вітрової енергії, типові
акумулятори або акумуляторні батареї електромобілів для накопичення
надлишкової електроенергії та зарядні станції або станції заміни АКБ
засобів електричного транспорту із резервуванням енергопостачання
від електричної мережі або дизельних електроустановок (ДЕУ).
У першому розділі проаналізовано існуючі наукові дослідження та
тенденції розвитку в галузі зарядної інфраструктури для електротранспорту у
світі та в Україні, зроблено висновки щодо подальших досліджень у цій сфері,
сформульовано мету кваліфікаційної роботи магістра та поставлені завдання, що
вимагають рішення.
У другому розділі досліджено структурно-функціональну схему
гібридного енергетичного комплексу, що включає в себе генеруючі
електроустановки на основі відновлюваних джерел енергії, зарядні станції або
станції заміни акумуляторних батарей та інші елементи. Проведено аналіз
існуючих математичних моделей надходження ресурсів різних видів ВДЕ
(сонячна та вітрова енергія) та математичних моделей електроустановок на
основі ВДЕ, внаслідок чого були обрані найбільш придатні для даної роботи
моделі. Сформульовано кілька типів зарядних станцій швидкого заряджання.
Сформульовано декілька типів станцій заміни акумуляторних батарей. Для
кожного із сформульованих типів станцій підзарядки досліджено свою
математичну модель.
У третьому розділі досліджена математична модель гібридного
енергетичного комплексу, що дозволяє моделювати різні режими роботи типів
ГЕК, що включають зарядні станції; досліджена математична модель ГЕК, що
дозволяє моделювати різні режими роботи типів комплексів, що включають
станції заміни АКБ.
У четвертому розділі проведений аналіз досліджень ефективності
використання енергетичних комплексів на основі відновлюваних джерел енергії
для заряджання електротранспорту. Проведене дослідження режимів ГЕК з
енергопостачанням лише від мережі або лише від дизельних електроустановок;
ГЕК із енергопостачанням від сонячної фотоелектричної станції (резервне
енергопостачання – від мережі чи дизельних електроустановок); ГЕК з
енергопостачанням від вітряної електростанції (резервне енергопостачання – від
мережі чи дизельних електроустановок).
Результати досліджень були оприлюднені на XXІІІ Міжнародна науково-
технічній конференції “ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи”, 14-15
травня 2024 року, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Київ, Україна, с. 87-89. ( отримано
сертифікат 0,6 кредитів ЄКТС).
РОЗДІЛ 1
СТАН І ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТУ І ЙОГО
ЕЛЕКТРОЗАРЯДНОЇ ІНФРАСТРУКТУРИ
1.1 Електричні транспортні засоби та їх електрозарядна
інфраструктура
1.1.1 Загальні положення
За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ), забруднення
повітря є одним з основних факторів ризику для здоров’я, пов’язаних із
навколишнім середовищем. Високий рівень захворюваності і смертності коштує
бюджетам країн-учасниць Організації економічного співробітництва і розвитку
(ОЕСР) приблизно 3,5 трильйона доларів США на рік, і цей показник в світі
щорічно має тенденцію до зростання. За даними World Energy Council, близько
17% глобального викиду парникових газів потрапляє до навколишнього
середовища через роботу автотранспорту. В Україні її на автотранспорт
припадає приблизно 40% забруднень, причому у великих містах ця цифра може
досягати 90% [3]. Автомобільний транспорт у процесі своєї діяльності щомиті
викидає в атмосферу високотоксичні речовини: оксид вуглецю (CO), діоксид
вуглецю (CO2), оксиди азоту (NOх), двоокис сірки (SO2), озон, бензол, а також
дрібнодисперсійні тверді частинки. Транспорт, що включає крім автомобільного,
авіаційного, залізничний та водний, є одним з найбільших постачальників
викидів діоксиду вуглецю (СО2) в атмосферу. За інформацією Європейської
асоціації Eurelectric, електричний автомобіль виробляє 66 г CO2 на кожен
кілометр подоланої дистанції, у порівнянні з 124 г у традиційного автомобіля,
що працює на бензині. Це представляє собою перший природоохоронний ефект
переходу від класичних видів палива до електроенергії. Такий тренд уже
фіксується і в Україні. Протягом періоду з 2014 по 2018 рік, обсяг викидів
зменшився на 6,05% [4]. Окрім екологічного вигоди, у електромобілів також є
економічний аспект. Наприклад, Nissan Leaf витрачає приблизно 10,5 кВт-год
або 17,64 гривні на кожні 100 км подоланої дистанції. На порівняння, автомобіль
з ДВЗ Versa Note SR споживає близько 8 літрів бензину на 100 км або 234 гривень
за цінами на 30,79 грн за літр (станом на 30.11.2019).Загазоване повітря чинить
прямий негативний вплив на здоров'я людини, отруйні речовини проникають в
органи, порушують їх нормальну роботу і призводять до розвитку різних
захворювань дихальної системи, а також є одним із факторів ризику розвитку
ракових пухлин [4 -7].
Крім забруднення атмосфери відпрацьованими газами автотранспорт
також є основним джерелом шумового забруднення. Так шум має вкрай
неприємну особливість - він впливає не тільки на орган слуху, а й на весь
організм, викликаючи при тривалому впливі погіршення пам'яті, підвищення
кров'яного тиску, нервовий розлад та низку інших захворювань.
Таким чином, зростаючий рівень забруднення великих міст дуже гостро
ставить питання щодо розробки комплексу заходів щодо зменшення змісту
токсичних речовин в атмосфері та зниження рівня шуму. На сьогоднішній день
вирішення цих проблем йде за кількома напрямками, одним з яких є розробка
практично нетоксичних та безшумних засобів. До таких засобів відносяться
електромобілі та гібридні автомобілі. Під гібридними автомобілями надалі
маються на увазі тільки такі автомобілі, які використовують електродвигун як
одне з джерел енергії для приводу провідних коліс. Як накопичувач енергії,
необхідний для роботи електродвигуна, у складі таких автомобілів
розглядаються акумуляторні батареї.
1.1.2 Електромобілі та гібридні автомобілі у світі: сучасний стан та
перспективи розвитку
Електромобілі та гібридні електромобілі сьогодні вже не екзотика, а
справжня чи завтрашня виробнича програма будь-якого автоконцерну [1, 2]. З
кожним роком кількість таких транспортних засобів у світі неухильно зростає.
За 2012 рік, наприклад, у світі було продано близько 120 тисяч електромобілів та
гібридних електромобілів. Частка електромобілів та гібридів у структурі
продажів нових легкових авто у США збільшилася у другому кварталі до 18,7%
з 17,8% р, зафіксованих у першому кварталі 2024 року, повідомляє Управління
енергетичної інформації (EIA) з посиланням на Wards Intelligence. Європа є
другим за величиною споживачем електромобілів та гібридів: у 2021 році у них
було реалізовано 2,3 мільйона одиниць порівняно з 1,4 мільйонами у 2020 році.
Кількість електромобілів у КНР на липень 2024 р. склала 24,7 млн., повідомило
міністерство громадської безпеки КНР, пише Xinhua. З початку року в країні
було зареєстровано 4,397 млн. нових електромобілів, що є рекордним
показником. Глобальні світові продажі повністю електричних та гібридних
автомобілів (PHEV) зросли на 31% у 2023 році порівняно з 60% зростанням у
2022 році. У багатьох країнах кількість електромобілів вже налічує кілька сотень
і навіть тисяч одиниць, а в країнах, де до досі був такий вид транспорту,
електромобілі починають поступово з'являтись [14-16].
На кінець 2020 року у світі в цілому зареєстровано 9,9 млн електромобілів.
Аналітики мюнхенського виставкового майданчика IAA Mobility склали
світовий рейтинг електромобілів за кількістю реєстрацій. Станом на кінець 2020
року у світі було заєстровано 9,9 млн електромобілів (батарейні та гібридні), з
них 4,2 млн у Китаї. Таким чином, по китайських дорогах їздять майже 46% всіх
гібридних та повністю електричних автомобілів світу. Ця країна утримує
лідерство за кількістю реєстрацій у світі з 2010 року, але перевага Китаю над
іншими світовими ринками скорочується [14-16].
За даними IAA Mobility, на європейський ринок, який включає членів
Європейської асоціації вільної торгівлі (EFTA), крім Європейського союзу, в
цілому припадає 3,2 млн електромобілів. На третьому місці – США, де реєстрації
гібридів та електромобілів досягли 1,7 млн.[16]
Рисунок 1 [14]
Серед європейських країн лідирує Німеччина – 702 981 од. й це четвертий
результат у світі. Далі йдуть Велика Британія (447 486 од.), Норвегія (433 609
од.) та Франція (413 212 од.). Разом на ці чотири країни припадає більше
половини електромобілів, які на даний час знаходяться на дорогах країн
європейського ринку [16, 17].
Світовим лідером за кількістю електромобілів на 1000 населення являється
Норвегія – 81 автомобіль. На другому місці Ісландія – 36,8 од., на третьому
Швеція – 20,6 од. У Німеччині на 1000 населення доводиться 8,5 електромобілів.
В цілому у Європі середній показник кількості електромобілів на 1000 населення
становить 6,1 од., в США – 5,2 од., а у Китаї – 3,0 од.
До 2020 року у США на автомобілі з повністю електричними силовими
установками припадало 79% нових електрифікованих транспортних засобів, у
Китаї – 80%, а у Європі – 54%. При цьому середній світовий показник – 68%.
Досягти такого рівня електрифікації урядам США, Китаю та європейських країн
вдається за рахунок державних субсидій, про які українцям залишається тільки
мріяти.
Варто виділити 3 виробників електромобілів у світі:
Tesla – лідер продажів
BYD – китайський виробник
Nissan – перший виробник електромобілів у масовому виробництві
За даними сайту https://www.statista.com/
Однією з головних причин зростання продажів електромобілів є екологічна
чистота. При роботі електромобілів не виділяються шкідливі викиди, що робить
їх екологічно безпечнішими, ніж автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння.
Крім того, багато урядів надають податкові пільги та інші заходи підтримки для
електромобілів, що робить їх економічно вигідними для покупців.
Розвиток технологій. Ще однією причиною зростання продажів
електромобілів є розвиток технологій, пов’язаних із виробництвом батарей та
компонентів електромобілів. Зниження вартості батарей та інших компонентів
робить електромобілі доступнішими для споживачів, що призводить до
зростання продажів.
Світові тренди. Ще однією причиною зростання продажів електромобілів
є світові тренди, пов’язані з екологічно усвідомленішим способом життя. Багато
людей все більше звертають увагу на шкідливість викидів і прагнуть знизити свій
вуглецевий слід, що робить електромобілі привабливішими [3, 6, 7].
1.1.3 Електрозарядна інфраструктура у світі
Як уже було сказано для комфортної експлуатації електромобілів та
гібридних автомобілів необхідна відповідна зарядна інфраструктура, яка
повинна включати ряд елементів, основними з яких є станції обслуговування
електричних транспортних засобів. На сьогоднішній день існує два типи таких
станцій, принципи роботи яких кардинально відрізняються один від одного.
Мова тут йдеться про зарядні станції та станції заміни акумуляторних батарей.
1.1.3.1 Зарядні станції
Зарядна станція – це електротехнічний пристрій, оснащений необхідними
для підключення електромобілів роз'ємами та конекторами і дозволяє проводити
зарядку електромобілів у різних режимах [22, 24]. Приклад такої станції
наведено на Рисунку 2.
Рисунок 2 - Зарядна станція бренду Ensto [19]
За швидкістю зарядки такі станції поділяються на два типи, а саме:
- станції стандартної зарядки. Заряджання здійснюється змінним
струмом. Час заряджання становить від 4 до 14 год залежно від режиму
зарядки та ємності акумуляторної батареї електричного транспортний
засіб [20]. Даний тип зарядних станцій дозволяє підключити не більше
двох електромобілів і найчастіше використовується на парковках, біля
торгово-розважальних та офісних центрів, фітнес-клубів та в інших
громадських місцях, де люди проводять багато часу;
- станції швидкої (експрес) зарядки (стандарт CHAdeMo) забезпечують
менш тривалу зарядку електромобіля (біля 15-40 хв.), ніж станції
стандартної зарядки. Заряджання електромобілів від цього типу станцій
здійснюється постійним струмом силою до 125 А при напрузі до 550 і
потужності до 50 кВт. Зарядні станції стандарту CHAdeMo дозволяють
заряджати до 4 електромобілів одночасно [20].
Режими підзарядки
З розвитком електротранспорту європейські та американські виробники
електротехнічного обладнання розпочали виробництва пристроїв, необхідних
зарядки електромобілів. Для уніфікації та створення стандартизованих роз'ємів
та режимів зарядки акумуляторних батарей електромобілів було ухвалено
рішення розробити ряд стандартів, що характеризують режим та спосіб зарядки
електромобіля. У створенні таких стандартів взяла участь Міжнародна
електротехнічна комісія (International Electrotechnical Commission, IEC).
Результатом роботи комісії став перелік міжнародних стандартів,
систематизують та регулюють способи підключення зарядних пристроїв до
електромобіля (види конекторів), а також описують допустимі режими
заряджання електромобілів [20].
Власне останні як раз і описані у стандарті ДСТУ EN IEC 61851-1:2021,
згідно з яким можливі такі варіанти підзарядки [24]:
- Mode 1 – повільне заряджання змінним струмом від побутової мережі.
Клас стандартних побутових розеток варіюється у різних районах світу.
У більшості європейських країн стандартні розетки часто розраховані
на напругу 230, силу струму 16 A і видають потужність до 3,7 кВт.
Заряджання при такому режимі може зайняти від 8 до 14 год [25];
- Mode 2 – повільна зарядка змінним струмом від побутової мережі
використанням системи захисту від ураження електричним струмом,
розташованої усередині кабелю [20, 24];
- Mode 3 – повільна або швидка зарядка змінним струмом з
використанням спеціального роз'єму, в якому реалізовано систему
захисту та контролю за ходом зарядки електромобіля. У цьому випадку
зарядка проводиться змінним струмом до 32 А при напрузі до 380 В та
потужності до 22 кВт. Час зарядки може становити від 4 до 5 год [25];
- Mode 4, він же стандарт CHAdeMo – швидка зарядка постійним струмом
силою до 125 А при напрузі до 550 В та потужності до 50 кВт із
використанням зовнішнього джерела живлення. Час зарядки - 15-40 хв.
[20].
1.1.3.2 Станції заміни АКБ
Станція заміни акумуляторних батарей на відміну від зарядної станції є
невеликою будовою, оснащеною засобами заміни, зарядки та зберігання
акумуляторів електричних транспортних засобів. На таких станціях проводиться
заміна розряджених акумуляторних батарей на повністю заряджені батареї.
Приклад існуючих станцій наведено Рисунку 3.
Рисунок 3 – Станції заміни акумуляторних батарей компанії Better Place
(Ізраїль).
Станції заміни акумуляторів електромобілів – це засоби, які дозволяють
власникам електромобілів швидко та зручно замінити розряджений акумулятор
на повністю заряджений. Концепція подібна до звичайних заправних станцій, де
водії можуть зупинитися, замінити свій розряджений акумулятор на повністю
заряджений і бути в дорозі за лічені хвилини. Ці станції зазвичай оснащені
передовими роботизованими системами, які можуть автоматично виймати та
замінювати батареї, що робить процес ефективним і зручним для користувача.
Однією з ключових переваг станцій заміни акумуляторів є усунення
тривалого часу зарядки. У той час як традиційні методи заряджання можуть
зайняти кілька годин, щоб повністю зарядити електромобіль, заміна акумулятора
може бути завершена за лічені хвилини. Це не тільки зменшує незручності для
водіїв, але й сприяє підвищенню загальної ефективності електромобілів. Крім
того, станції обміну можна стратегічно розмістити вздовж популярних
маршрутів і в міських районах, забезпечуючи кращу доступність для власників
електромобілів.
Концепція станцій заміни акумуляторів електромобілів не нова, і різні
компанії експериментували з різними підходами, щоб зробити це життєздатним
варіантом для власників електромобілів. Деякі компанії запропонували
стандартизовані конструкції акумуляторів для забезпечення сумісності між
різними моделями транспортних засобів, а інші зосередилися на розробці
ефективних технологій заміни акумуляторів. Оскільки технологія продовжує
розвиватися, станції заміни акумуляторів можуть зіграти значну роль у
широкому впровадженні електромобілів.
Компанія Better Place розробила та випробувала можливість гарячої заміни
батарей, завдяки чому процес заміни займає близько п'яти хвилин. А щоб не
виникало дефіциту змінних батарей, у компанії також придумали технологію
їхньої перезарядки, яка займає близько 30-60 хв. (Заряджання здійснюється
потужністю до 50 кВт). За такої швидкості зарядки батареї можуть перегрітися
та зіпсуватися, тому їх примусово охолоджують [26]. Сам процес заміни
акумуляторних блоків проілюстровано Рисунку 4.
Рисунок 4 – Процес заміни акумуляторних блоків на станції заміни Better
Place: 1 – швидке очищення та сушіння дна автомобіля; 2 – виїмка розрядженого
акумулятора; 3 – транспортування розрядженого акумулятора; 4 – зона
підзарядки акумуляторів; 5 – сховище заряджених акумуляторів; 6 -
транспортування заряджених акумуляторів; 7 – встановлення зарядженого
акумулятора; 8 – від'їзд автомобіля.
Таким чином, якщо судити за часом обслуговування електромобіля, можна
зробити висновок, що станції заміни АКБ є зручнішими для власників
електричних транспортних засобів ніж зарядні станції.
1.1.3.3 Стимулювання розвитку зарядної інфраструктури зі сторони
держави та приватних компаній
За останні кілька років прагнення влади різних країн розвивати
електротранспорт призвело не тільки до збільшення кількості електромобілів та
гібридних автомобілів у світі, але також до введення в експлуатацію великого
кількості зарядних станцій та кількох станцій заміни акумуляторних батарей.
Так, влада виразно усвідомлює, що для успішної реалізації планів щодо
збільшення кількості електромобілів необхідна відповідна зарядна
інфраструктура, тому сьогодні на будівництво такої інфраструктури виділяються
великі кошти та надаються різноманітні гранти. Крім того, до будівництва
зарядних станцій для електричних транспортних засобів починають
підключатиметься і багато електроенергетичних компаній, адже для них
створення зарядної інфраструктури означає суттєве збільшення корисної
відпустки електроенергії і, як наслідок, зростання доходів галузі загалом. Те,
яким чином уряд різних країн та різні компанії роблять свій внесок у будівництво
такої інфраструктури, можна спостерігати у наведених нижче прикладах:
1. У Франції, щоб створити свою зарядну інфраструктуру, місцева
електроенергетична компанія Électricité de France (EDF) підписала з
компанією Toyota, а згодом і з альянсом RenaultNissan, угоду про
просування електричних транспортних засобів із нульовим рівнем викидів.
Мета угоди – встановлення зарядних станцій та постачання електромобілів
[27, 28];
2. Уряд Італії має на меті інвестувати близько 1 мільярда доларів, щоб
заохотити автомобілістів у подальшому відмовитися від своїх авто з ДВЗ
та пересісти на електромобілі. Bloomberg повідомляє, що міністерство
промисловості Італії обмірковує план вкладення 930 мільйонів євро у
привабливі фінансові стимули, щоб спонукати водіїв вибирати
електромобілі. У цю суму включений заохочувальний бонус у розмірі
понад 13 750 євро, яка дозволить громадянам Італії з річним доходом
менше 30 000 євро замінити старі моделі екологічного стандарту Euro 2 на
нові електромобілі. Останнім часом продажі в Італії стрімко зростають,
реєстрація нових автомобілів минулого року зросла на 19% до 1,57
мільйона штук. Але бензинові автомобілі лідирують, завойовуючи понад
29% ринку. Частка електромобілів становить лише 3,9% [12].
3. В Естонії з цією ж метою місцевий уряд вступив до співробітництво з
автовиробником Mitsubishi та компанією ABB [20, 27];
4. За останні роки Китай суттєво наростив присутність на ринку
електромобілів і як виробник, і як споживач. Як свідчать дані
дослідницької групи LMC Automotive, у Китаї у 2022 році на електромобілі
припадали 19% продажів нових авто. У Євросоюзі цей показник становив
11%, у США – 5,8%. За 2022 рік у другій економіці світу продали 4,4 млн
авто, двигуни яких живляться повністю від батареї, та 1,5 млн гібридних
електромобілів з підзарядкою від електромережі. Таким чином, на Китай
припадає понад половину всіх проданих електрокарів у світі. Міністерство
промисловості й технологій Китаю, яке відповідає за автомобільну
промисловість, планує до 2030 року збільшити частку продажу
електромобілів до 40% [14, 15, 17].
5. Уряд Іспанії заявив, що інвестує 4,3 млрд євро у виробництво
електромобілів і акумуляторів в рамках своєї великомасштабної
національної програми, що фінансується в основному за рахунок коштів
Європейського союзу (ЄС), виділених на відновлення після пандемії
коронавірусу. Після Німеччини Іспанія є другим за величиною
виробником автомобілів в Європі і восьмим за величиною в світі.
Нагадаємо: раніше цього місяця автовиробник Stellantis оголосив про
плани інвестувати понад 30 млрд євро до 2025 року в електрифікацію свого
асортименту продукції.
6. У Данії для будівництва відповідної інфраструктури та введення нових
електромобілів об'єдналися електроенергетична компанія Dong Energy та
компанія Better Place. На реалізацію спільного проекту було виділено 103
млн. євро [29];
7. Цього року у Великій Британії спостерігаються значні показники продажів
на ринку електромобілів, що підключаються до електромережі. Було
зареєстровано понад 107 000 нових легкових електромобілів, що на 15
відсотків більше, ніж у попередньому році. На ці продажі припадає більше
однієї п’ятої всього ринку, що свідчить про зростання популярності та
впровадження електромобілів у країні. Це значне зростання означає явний
зсув у бік екологічно чистішого транспорту та зміцнює позицію
Великобританії як лідера у переході до стійкої мобільності. Уряд Великої
Британії відіграв вирішальну роль у сприянні цим змінам, запровадивши
допоміжні заходи. Завдяки заохоченням, грантам і далекоглядній політиці
уряд створив структуру, яка резонує з масами. Ці ініціативи не тільки
зробили електромобілі доступнішими, але й об’єднали націю у зниженні
викидів і сприянні екологічній революції. Хвиля продажів електромобілів
впливає не лише на навколишнє середовище, а й на економіку. Зростання
попиту на електромобілі призвело до створення нових виробничих
потужностей, створюючи робочі місця та сприяючи економічному
зростанню. Крім того, розвиток зарядної інфраструктури відкриває значні
інвестиційні можливості, сприяючи інноваціям і підприємницьким
починанням, які відповідають процвітанню.
8. В рамках плану з розвитку інфраструктури США на $2 трлн адміністрація
президента Джо Байдена витратить $174 млрд бюджетних коштів на
підтримку американських виробників електромобілів і постачальників
супутніх послуг. Виділені кошти торкнуться всіх галузей, пов'язаних з
виробництвом і реалізацією електромобілів. Мета програми – як мінімум
наздогнати в розвитку ринку електротранспорту Китай, пише HighTech
Plus з посиланням на TechCrunch.
Зі сказаного вище видно, що у розвитку зарядної інфраструктури сьогодні
зацікавлена безліч сторін, тож згодом кількість зарядних станцій та станцій
заміни АКБ у світі буде лише зростати. Однак оскільки кількість таких станцій
поки не йде в жодне порівняння зі звичайними автозаправними станціями, для
того, щоб власникам електричних транспортних засобів було зручніше за них
користуватися, необхідні спеціальні бази даних та карти, що містять інформацію
про місцезнаходження станцій.
1.1.3.4 Зарядна інфраструктура: сучасний стан та перспективи розвитку
Інфраструктура для електромобілів продовжує стрімко розвиватись, і тепер у
світі налічується більше мільйона зарядних станцій. За даними BloombergNEF,
ця позначка була досягнута ще у травні. Водночас, кількість чарджерів
подвоїлась лише за останні три роки - ще у 2017-му їх було “всього лиш” 500 000
у світі [12].
Значна частина нової інфраструктури побудована в Китаї та Європі. З
чималим відставанням на третьому місці розташувалися США. Однак
прийдешній вихід електричних пікапів Ford, Rivian і Tesla може серйозно
прискорити появу нових електрозарядних станцій і в Америці.
Найбільш агресивну політику щодо розвитку електромобілів проводить
Китай. На нього припадає понад половини усіх світових зарядок. У Європі з
інвестицій в електромобільну інфраструктуру лідирує Франція. Нещодавно
Євросоюз оголосив про готовність побудувати мільйон громадських зарядних
станцій до 2025 року.
На четвертому і п'ятому місцях у глобальному рейтингу за кількістю
«розеток» розташувалися Японія і Південна Корея відповідно. BloombergNEF
вважає, що у 2025 році одна з десяти нових машин буде повністю електричною,
а до 2040-го світовий ринок потребуватиме 12 млн зарядних станцій, на які
доведеться витратити $400 млрд [12, 14-17].
Рисунок 5 - Кількість зарядних станцій у різних країнах [12, 14].
Рисунок 6 - Темпи зростання кількості станцій у 2017-2020 роках [12, 14].
1.1.4 Зарядні станції, що працюють від відновлюваних джерел енергії
Як вже було зазначено раніше, використання електромобілів та гібридних
автомобілів дозволяє знизити викиди вихлопних газів та рівень шумового
забруднення у містах. Однак, незважаючи на це, зниження рівня викидів
автомобілями частково компенсуватиметься зростанням викидів теплових
електростанцій, які забезпечують переважно зростання електричного
навантаження цього нового типу споживачів. Для того, щоб цей ефект від
використання електромобілів не викликав непрямого зростання забруднення
атмосфери зарядку електротранспорту потрібно здійснювати з використанням
електроенергії, що виробляється сонячними, вітро-, гідро або атомними
електростанціями. У зв'язку з цим зовсім не дивно, що компанії-виробники
сонячних та вітроелектричних установок, а також компанії, що займаються
розробкою та установкою зарядних станцій, звернули увагу на можливість
використання відновлюваних джерел енергії для енергопостачання таких станцій
екологічно чистою та дешевою енергією.
На сьогоднішній день станцій, що працюють від відновлюваних джерел
енергії, у світі вже чимала кількість, і всі вони відносяться до зарядним станціям.
Залежно від використовуваного ресурсу такі станції поділяються на два типи, а
саме на сонячні та вітряні зарядні станції. Причому найширше поширення
останнім часом отримали саме зарядні станції, які працюють від енергії сонця.
1.1.4.1 Сонячні зарядні станції
Сонячні зарядні станції найчастіше представляють собою звичайні навіси
для автомобілів, під чи неподалік від яких встановлено зарядні пристрої. На цих
навісах або на дахах сусідніх будівель монтуються фотоелектричні панелі, які й
виробляють необхідну для заряджання електромобілів електроенергію.
Встановлена потужність сонячних зарядних станцій може змінюватись у досить
широких межах – від 500 Вт до 100 кВт та більше. А оскільки енергія сонця не
постійна в часі, багато з цих станцій мають підключення до електричної мережі,
а деякі навіть обладнані акумуляторними батареями для перерозподілу енергії у
часі.
Як уже було сказано раніше, зарядних станцій такого типу у світі вже
досить багато, а найбільша їх кількість, зараз розташоване у Китаї, США та
Німеччині. Також достатньо таких станцій є в Японії, Італії, Великій Британії та
ін. Крім кілька прикладів таких станцій представлені на Рисунках 7 та 8.
Рисунок 7 – Сонячна зарядна станція Yana (Німеччина, Італія) (ліворуч) та
зарядна станція компанії Honda (Японія) (праворуч).
Рисунок 8 – Сонячна зарядна станція компаній Mitsubishi Electric та
Mitsubishi Motors (США, штат Каліфорнія).
Очікується, що ринок Solar Carport Market розшириться з4 81,5 млн дол у
2023 році до 1816,6 доларів США мільйонів до 2033 року за річними темпами
зростання(CAGR) 10,2%.Цей ринок охоплює розробку, виробництво та
встановлення навісів для автомобілів, обладнаних сонячними батареями, що
пропонує подвійний функціональний підхід до використання паркувальних
місць як для укриття транспортних засобів, так і для виробництва сонячної
енергії. Навіси для автомобілів на сонячних батареях набувають популярності в
різних сферах, зокрема в житловому, комерційному та державному секторах,
головним чином завдяки їхньому внеску в досягнення цілей стійкої енергетики
та ефективного землекористування [30, 31].
Зростання цього ринку в першу чергу викликане ескалацією глобального
переходу до відновлюваних джерел енергії та зростаючої інфраструктури для
електромобілів (EV), де сонячні навіси також служать зарядними станціями.
Крім того, фінансові стимули, такі як податкові кредити та гранти, надані
різними урядами, підвищують економічну доцільність цих установок. Однак
проблеми залишаються, включаючи високі початкові витрати на налаштування
та вимоги до простору, які можуть обмежити впровадження в районах з
обмеженими можливостями паркування.
Останні події в цьому секторі включають прогрес у фотоелектричних
технологіях та інтеграцію сонячних навісів для автомобілів із системами
розумних електромереж, які підвищують енергоефективність. Модульна
конструкція цих навісів також спрощує та прискорює процеси встановлення. Зі
зниженням вартості сонячних технологій і зростанням усвідомлення їх переваг
ринок готовий до значного розширення. Це зростання особливо виражене в
регіонах з високим сонячним опроміненням і сприятливою нормативною базою,
що вказує на надійне майбутнє індустрії сонячних навісів.
Рисунок 9 [ 30, 31]
Технологічні досягнення: Інтеграція передових фотоелектричних (PV)
технологій є основною тенденцією. Інновації в фотоелектричних модулях, такі
як більш висока ефективність і двосторонні панелі, які вловлюють сонячне світло
з обох сторін, підвищують загальну продуктивність сонячних навісів для
автомобілів. Ці досягнення дозволяють отримати більше енергії з тієї ж площі
поверхні, що робить сонячні навіси для автомобілів більш ефективними та
привабливими для інвесторів і споживачів.
Інтеграція Smart Grid: Сонячні навіси все більше інтегруються з
технологіями розумних мереж. Ця інтеграція дозволяє краще керувати
виробництвом і споживанням енергії, дозволяючи коригувати в режимі
реального часу для оптимізації ефективності та зниження витрат. Розумні
електромережі також полегшують використання сонячних навісів для
забезпечення резервного живлення та покращення стабільності мережі, що має
вирішальне значення для регіонів з високим попитом на енергію або
нестабільним постачанням електроенергії [32].
Модульні конструкції: Тенденція до модульних конструкцій сонячних
навісів робить установку швидшою та рентабельнішою. Ці конструкції
дозволяють збирати готові компоненти на місці, скорочуючи час будівництва та
витрати на робочу силу. Модульні навіси можна легко збільшити або зменшити
відповідно до конкретних потреб, забезпечуючи гнучкість для різних
застосувань, від невеликих житлових установ до великих комерційних проектів.
Державні стимули: Урядова політика та стимули значною мірою
стимулюють впровадження сонячних навісів для автомобілів. Такі програми, як
податкові пільги, гранти та сприятлива політика чистого вимірювання, роблять
інвестиції в сонячну енергетику більш привабливими. Наприклад, Закон
Сполучених Штатів про зниження інфляції (IRA) і спеціальні програми штату,
такі як Каліфорнійська сонячна стимуляція, заохочують більше компаній і
домовласників інвестувати в сонячні навіси для автомобілів [40].
Екологічні та економічні переваги: Сонячні навіси пропонують подвійні
переваги: вони забезпечують притулок для транспортних засобів, виробляючи
чисту енергію, що допомагає зменшити викиди парникових газів. Вони особливо
корисні в міських районах, де землі мало, оскільки вони використовують наявні
паркувальні місця, не вимагаючи додаткової землі. Таке ефективне
землекористування в поєднанні зі зниженням вартості сонячних технологій
робить сонячні навіси економічно ефективним рішенням для сталого
виробництва енергії.
Варіації регіонального зростання: Зростання ринку сонячних навісів для
автомобілів залежить від регіону, зумовленого такими факторами, як вартість
електроенергії, погодні умови та місцева політика. Регіони з високими цінами на
електроенергію та сильними стимулами для використання сонячної енергії, такі
як північний схід і південний захід Сполучених Штатів, спостерігають більш
швидке впровадження сонячних навісів для автомобілів. І навпаки, регіони з
менш сприятливою політикою або нижчими витратами на енергію розвиваються
повільніше.
Відомі проекти: Кілька значних проектів сонячних навісів нещодавно
завершені або знаходяться на стадії реалізації. Наприклад, Нідерланди запустили
навіс для автомобіля потужністю 35 МВт із сонячною енергією, найбільший у
своєму роді у світі, демонструючи потенційний масштаб цих установок.
Подібним чином, система сонячних навісів для автомобілів Ford у Південній
Африці потужністю 5 МВт зараз забезпечує 35% потреб заводу в електроенергії,
демонструючи, як промислові підприємства можуть використовувати сонячні
навіси для автомобілів для досягнення цілей сталого розвитку.
1.1.4.2 Вітряні зарядні станції
На жаль, ситуація зі станціями, що працюють від енергії вітру, поки що не
так однозначна як у випадку із сонячними зарядними станціями. Так, у країнах,
де багато мережевих вітроелектростанцій (ВЕС), прийнято вважати, що
електромобілі заряджаються за рахунок енергії вітру, що є не зовсім вірним, тому
що енергопостачання зарядних станцій у цьому випадку здійснюється від
електричної мережі, а не безпосередньо від вітроелектричних установок (ВЕУ).
Така ситуація, наприклад, спостерігається в Данії, Австралії, а з деяких пір і у
Великій Британії. У у зв'язку з цим вітряна зарядна станція під назвою Sanya
SkyPump виробництва компаній Urban Green Energy (США, штат Нью-Йорк) та
GE Energy (США, штат Джорджія), яка з недавнього часу випускається серійно,
є свого роду унікальним випадком.
Рисунок 10 – Вітряна зарядна станція Sanya SkyPump (Іспанія) [33].
До складу цієї станції входить вітроелектрична установка вертикальною
віссю обертання UGE-4K виробництва компанії Urban Green Energy (встановлена
потужність 4 кВт) та зарядний пристрій WattStation (також може бути
використаний пристрій DuraStation) компанії General Electric [33]. Технічні
характеристики цієї станції наведені в таблиці 1.
Таблиця 1
Технічні характеристики зарядної станції Sanya SkyPump [33-34]
ВЭУ UGE-4K Станція WattStation Станція DuraStation
Потужність, Мін. Ном. Режим Потужність, Режим Потужність,
кВт швидкість швидкість заряду кВт заряду кВт
вітру, м/с вітру, м/с
240 В,
4 3,5 12 240 В, 7,2 16 А; 3,6; 22
30 А Mode3 (400
В, 32 А)
Станція Sanya SkyPump є однією першою у світі вітряною зарядною
станцією для електромобілів, де заряджання здійснюється безпосередньо від
ВЕУ. У серпні 2011 року одну таку станцію було встановлено в Барселоні
(Іспанія), а до кінця року кілька таких станцій мали бути встановлено ще в
Австралії та США.
1.1.5 Електричні транспортні засоби та електрозарядна
інфраструктура в Україні
Україна входить в десятку лідерів за темпами приросту електромобілів. На
початку 2019 року в Україні було 12 333 електрокарів, лише у 2018 році українці
придбали 5,3 тисячі електромобілів, що майже вдвічі більше, ніж роком раніше.
Український ринок електромобілів протягом 2018 року продемонстрував
безперервне зростання у даній сфері, цьому сприяв пільговий період на імпорт
електричних автомобілів без мит і ПДВ, термін дії якого був розрахований на 12
місяців. Завдяки зазначеним пільгам ринок активізувався і продажі 13
електромобілів збільшувалися щомісяця. Отже, на позитивні зрушення
вплинули, як політичні рішення, так і активні дії бізнесу. Зокрема, Укренерго,
ДТЕК та сервіси таксі (Uber), які на власному прикладі демонстрували
актуальність електрокарів в Україні [2, 35 - 37].
Лідером з продаж на українському ринку електромобілів за 2018 рік був
вищезгаданий Nissan Leaf (3378 автомобілів), на другому місці BMW (352
автомобілі), третім за популярністю став Tesla (259 авто), на четвертому місці
знаходиться Mercedes-Benz B-Class Electric Drive (168 шт.) і на п’ятому місці –
Renault Zoe (142 шт.). Слід зауважити, що українці купували електрокари весь
2018 рік без податків [35].
Структура продажів виробників електрокарів в Україні станом на
01.01.2019 р. згідно Британської аналітичної фірми JATO Dynamics : веб-сайт.
URL : https://twitter.com/JATO_Dynamics (дата звернення: 25.09.2019).
Nissan Leaf – 79%;
BMW – 8%;
Tesla – 6%;
Mercedes-Benz B-Class Electric Drive – 4%.
Renault Zoe – 3%.
Здійснивши аналіз територіального розподілу електрокарів по всій
території України, визначено, що найбільша концентрація автомобілів є в Києві
та Київській обл. (35,02%), на другому місці – Одеська обл. (16,16%), на третьому
місці – Харківська обл. (11,51%). Ще помітну питому вагу зареєстрованих
електрокарів займає Дніпропетровська обл. (5,77%) та Львівська обл. (5,73%).
Останні 25,81% розсіяні по території України. Найменшу кількість
електромобілів та гібридів зареєстровано у Луганській обл. – всього 22 шт.[ 2,
10, 11, 35]
Згідно зі статистикою сервісу, зарядні станції в Україні представлені в 3
категоріях: побутові (для домашнього використання); публічні (для суспільно
доступу); з обмеженим доступом (для корпоративного сектора). Інфраструктура
для електрокарів в Україні на даний момент складається зі станцій з роз'ємами
Type 1 (J1772) і розетками Type 2 (Mennekes) для прискореної зарядки змінним
струмом, а також стандартом CHAdeMO для швидкої зарядки. В Україні
офіційно вже продаються деякі електрокари таких брендів як BMW, Hyundai,
Renault і Jaguar, які мають на борту Type 2 / CCS Combo 2, та ймовірно, в
майбутньому їх кількість буде зростати. Точних цифр, скільки зарядних станцій
є в містах України та за їх межами, поки, на жаль немає. Власники електрокарів
в основному користуються або онлайн-картами, обновлюваними в режимі
реального часу, або спеціальними мобільними додатками. Найпопулярніший з
відкритих ресурсів – PlugShare. На сьогоднішній день в Україні налічується: 172
побутові (207 точок доступу); 1 773 публічні зарядні станції (3 685 пунктів); 109
з обмеженим доступом (177 пунктів). Статистика зарядних станцій в Україні з
2014 року і по 2019 р. представлена (за даними сервісу PlugShare) [15, 18, 35].
Починаючи з 2014 року, Україна ілюструє стабільну динаміку зростання
кількості станцій для зарядки електрокарів, на рівні передових європейських
країн. Так, в 2014 році в Україні нараховувалося всього 35 зарядних станцій всіх
типів (33 публічні) з 38 точками підключення. За 5 років кількість зарядних
станцій в Україні примножилася майже більш ніж 60 раз. Зважаючи на
статистику українського ринку електромобілів станом на 01.01.2019 р. (19884
BEV + PHEV), то на 1 зарядну станцію в Україні припадає 9 електромобілів або
гібридів або 4,9 на кожну зарядну точку [35, 36].
За даними міністерства інфраструктури України, українська зарядна
мережа для електромобілів станом на 1 листопада 2021 року налічує 3244 станції,
що оперують 7661 терміналом. З них швидкісних, з потужністю понад 22 кВт, –
1835 од., або 24%. Решту 76% становлять звичайні термінали потужністю до 22
кВт., таких в Україні 5826 од
Кожен термінал обслуговує 4 електромобілі, зазначає: відношення
кількості електромобілів 31 187 до кількості точок зарядки 7 757 – рівняється 4,
це дуже достойний показник, на рівні кращих європейських показників. Такий
як у Нідерландах (4) та значно кращий за показник Польщі (7) [35 - 40].
1.2 Поняття гібридного енергетичного комплексу
По суті, коли йдеться про розробку зарядних станцій або станцій заміни
акумуляторних батарей, що працюють від ВДЕ, це повинно передбачати під
собою розробку гібридних енергетичних комплексів. Згідно з [61] гібридним
енергетичним комплексом називається сукупність взаємопов'язаного
обладнання та споруд, призначених для виробництва, перетворення енергії на
інші види (механічну, теплову, електричну та ін.), розподілу та споживання у
межах взаємозалежного технологічного процесу. ГЕК включає споживачів,
виробників і передавачів різних видів енергії, які забезпечують автономність
його функціонування. Однак тут слід зазначити той факт, що склад ГЕК чітко не
визначено. Так під гібридними енергокомплексами часто мають на увазі:
- об'єднання енергоустановок різного типу, у тому числі на основі
відновлюваних джерел енергії;
- об'єднання генераторів, споживачів та об'єктів транспортно -
комутаційної мережі локального об'єкта [1, 21 23].
Для уточнення поняття гібридного енергокомплексу в виділяються такі
його системні властивості:
- залежність ефективності використання генераторів (перетворювачів
енергії різних видів первинної енергії в тепло та електроенергію) від
типів споживачів електроенергії;
- необхідність гнучкого взаємозв'язку генераторів, що працюють на
різних видах первинної енергії та споживачів різного типу та
призначення за допомогою розвиненої (розумної) мережі типу Micro-
Grid [41];
- залежність параметрів генераторів кожного типу від співвідношення
параметрів споживачів та графіка надходження енергетичних ресурсів,
необхідних для балансування генерації та споживання потужності та
енергії елементів ГЕК.
Таким чином, у результаті можна сказати, що гібридні енергетичні
комплекси являють собою технічну систему, що об'єднує в рамках єдиного
технологічного процесу генератори електричної та теплової енергії різних типів,
акумулятори енергії різних типів, засоби комутації та передачі електричної та
теплової енергії, засоби перетворення електричної та теплової енергії на вигляд,
придатний для використання споживачами електричної та теплової
електроенергії.
Висновки по розділу 1
На сьогоднішній день зарядні станції та станції заміни акумуляторних
батарей, що працюють від відновлюваних джерел енергії, потребують
подальшого розвитку. Однак у майбутньому, по мірою ще збільшення числа
електричних транспортних засобів, введення таких станцій в експлуатацію
дозволить не лише суттєво покращити екологічну обстановку, але також
підвищити енергобезпеку та енергонезалежність регіонів країни та збільшити
частку ВДЕ у енергобалансі України. До того ж із зростанням цін на
електроенергію та паливо економічна ефективність станцій підзарядки на основі
відновлюваних джерел лише зростатиме, особливо це стосується станцій, які
будуть розташовані віддалено від населених пунктів та ліній електропередач.
Таким чином, такі станції та відповідна їм інфраструктура є актуальними не
лише для зарубіжних країн, а й в Україні.
1. На сьогоднішній день, як у світі, так і в Україні досить інтенсивно
розвивається інфраструктура станцій підзарядки акумуляторних
батарей електричних транспортних засобів, а кількість проданих
електромобілів та гібридних автомобілів з кожним роком тільки
зростає;
2. Збільшення частки електромобілів та гібридних автомобілів від
загальної кількості авто дозволить знизити рівень шуму та зміст
токсичних речовин у атмосфері великих міст. У свою чергу, для того,
щоб ефект від їх використання був відчутним, підзарядки акумуляторів
електричних транспортних засобів доцільно використовувати
електроенергію, що виробляється відновлюваними джерелами енергії;
3. Збільшення частки електричних транспортних засобів також дозволить
заощадити рідке паливо, яке використовується на звичайних
автомобілях, а використання ВДЕ для підзарядки АКБ електромобілів
сприятиме економії таких видів палива як вугілля та газ
(використовуються на теплових електростанціях), які інакше довелося
б витрачати на вироблення електроенергії для енергопостачання
мережевих станцій підзарядки;
4. Використання на території України гібридних енергетичних комплексів
на основі відновлюваних джерел енергії, включають станції підзарядки
акумуляторних батарей електромобілів, дозволить підвищити
енергобезпеку та енергонезалежність регіонів країни, а також
збільшити частку ВДЕ в енергобалансі України;
5. З поширених на сьогоднішній день у світі типів станцій підзарядки
найперспективнішими є зарядні станції швидкої зарядки та станції
заміни акумуляторних батарей. Заряджання електромобіля на станціях
першого типу займає близько 15-40 хв., а заміна акумуляторної батареї
електромобіля на станціях другого типу – близько 5 хв.;
6. У 1 розділі проаналізовано існуючі наукові дослідження та роботи в
галузі зарядної інфраструктури для електротранспорту, зроблено
висновки щодо подальших досліджень у цій сфері, у світі і в Україні
сформульовано мету кваліфікаційної роботи магістра та поставлені
завдання, що вимагають рішення.
РОЗДІЛ 2
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГЕК
2.1 Загальні положення
Зазвичай розробка проектів проходить у кілька етапів, перші яких пов'язані
з розробкою ідеї, оцінкою її реалізованості, плануванням та отриманням техніко-
економічної оцінки цих проектів. Проектування гібридних енергетичних
комплексів також здійснюється в кілька етапів, в ході яких може знадобитися
розробка математичних моделей як елементів ГЕК, так і самих ГЕК в цілому.
Для досягнення мети кваліфікаційної роботи, необхідно дослідити ряд
математичних моделей, а саме:
- віртуальну модель – структурно-функціональну модель комплексу, що
включає всі можливі елементи ГЕК, а також перелік завдань, які мають
бути вирішені для задоволення головної мети досліджень;
- ресурсну модель, яка є динамічною моделлю надходження
енергоресурсів;
- технічну модель – конкретні технічні рішення, що дозволяють
реалізувати функцію, визначену у структурно-функціональній моделі;
- економічну модель, яка дозволить оцінити економічну реалізованість
проекту.
Надалі з використанням цих математичних моделей розробляється
загальна модель гібридного енергетичного комплексу, а на її основі - програма,
що дозволяє виробляти автоматизовані розрахунки. Ця програма повинна мати
модульний принцип побудови для того, щоб окремі його елементи (математичні
моделі) можна було змінювати, модернізувати, а за відсутності необхідності не
використовувати.
2.2 Побудова структурно-функціональної моделі ГЕК
У роботі структурно-функціональна модель гібридного енергетичного
комплексу представлено відповідною схемою (Рисунок 11). Дана схема була
отримана в результаті аналізу структури та принципів роботи існуючих на
сьогоднішній день зарядних станцій та станцій заміни АКБ (як мережевих, так і
працюючих від відновлюванихиджерел енергії), і актуальна для ГЕК, що
включають один із цих типів станцій підзарядки.
ВЕУ
ГЕУ
ДЕУ
Мережа АБО
І ін.
ЗП1 ЗП2
ФЕУ
і ін. АБО ЕМ
Рисунок 11 – Структурно-функціональна схема гібридного енергетичного
комплексу: ВЕУ – вітроелектрична установка, ГЕУ – гідроелектрична
установка, ДЕУ – дизельна електрична установка, ФЕУ – фотоелектрична
установка, МП – пристрій відбору максимальної потужності, АКБ –
акумуляторна батарея, ВН – власні потреби ГЕК, ЗП – зарядний пристрій, ЕМ –
електромобіль.
У структурно-функціональній схемі основними генеруючими елементами
ГЕК є установки, що працюють від ВДЕ. Так як використання таких установок
ускладнено відсутністю у них можливості забезпечення гарантованого
енергопостачання, то для подолання цього ускладнення у схемі присутні
акумулятори енергії, а саме типові акумуляторні батареї для зарядних станцій та
акумуляторні батареї електромобілів для станцій заміни АКБ. Крім цього
надійність електропостачання також забезпечується за рахунок наявності
резервних джерел живлення: електричної мережі та окремих дизельних
електроустановок. Що ж до самих станцій підзарядки, то тут вони не позначені,
а показані лише їх основні елементи, а саме: зарядні пристрої, за допомогою яких
здійснюється підзарядка акумуляторів електричних транспортних засобів, та, у
випадку зі станціями заміни, деякий запас акумуляторних батарей
електромобілів, необхідний для нормальної роботи станцій.
Особливістю схеми, представленої Рисунку 11, є те, що вона враховує всі
можливі елементи, параметри яких можуть змінюватись від 0 до заданого
ненульового значення. Таким чином, якщо, наприклад, у складі енергокомплексу
з генеруючих установок присутні тільки ВЕУ і ФЕУ, то це свідчить, що їхня
потужність відмінна від нуля. Що ж до іншого обладнання, то його потужність
дорівнюватиме нулю, що дозволяє на похідних схемах його не показувати.
2.3 Побудова ресурсної моделі ГЕК
Ресурсна модель є математичною моделлю джерел первинної енергії, що
мають у точці передбачуваного розміщення гібридного енергокомплексу
значення, відмінні від нуля. Зазвичай ресурсна модель будується на підставі
даних про значення параметрів ресурсів у цій точці, що спостерігаються. Однак,
у випадку, коли для розглядуваних координат такі дані відсутні, модель допускає
перерахунок даних за цими значеннями на найближчих до розглянутої точки
метеостанціях.
У рамках цієї роботи найбільший інтерес становлять енергії вітру та сонця,
тому надалі розглядаються лише ці два типи відновлюваних джерел енергії.
2.3.1 Ресурсна модель приходу сонячного випромінювання
Вихідну інформацію для геліоенергетичних розрахунків сьогодні можна
отримати із різних джерел. Це може бути Кадастр з клімату України [42],
метеорологічна база даних NASA [43] тощо. В даній роботі вихідні дані, а саме
значення потоку сумарного і дифузного сонячного випромінювання (СВ) для
кожної години року, були отримані із швейцарської бази даних (БД) про місцеві
ресурси під назвою "Meteonorm" [44]. Ця БД дозволяє отримати для будь-якої
точки на поверхні Землі середньомісячні, середньодобові та середньогодинні
значення приходу СВ за період в 1 рік. Однак слід зазначити, що дані, отримані
за допомогою Meteonorm, засновані не на спостереженнях, а інтерполюються
програмою за закладеними закритими алгоритмами. В якості вихідної інформаціі
для інтерполювання тут використовуються дані про прихід СВ для більш ніж
8000 точок на поверхні Землі.
Далі значення потоку сумарного та дифузного сонячного випромінювання
перераховувалися для приймального майданчика, розташованого під
оптимальним кутом. Так, сьогодні відомо безліч моделей, призначених для
цього.
2.3.2 Ресурсна модель зміни швидкості вітру
Вихідна інформація для вітроенергетичних розрахунків також може бути
одержана з різних джерел. В роботі використовувалася метеорологічна база
даних “Meteonorm”. За допомогою БД "Meteonorm" для кожної години року були
отримані значення швидкості вітру на висоті 10 м, які надалі потрібно було
перерахувати на висоту розміщення вітроколеса аналізованої вітроенергетичної
установки. Так, зміна швидкості вітру по висоті залежить від безлічі факторів:
шорсткості місцевості, рельєфу, наявності штучних перешкод тощо. Під час
проведення вітроенергетичних розрахунків велике значення має вибір
залежності швидкості вітру від висоти, яка апроксимується, як правило,
степеневою або логарифмічною функціями [45]. Вертикальний профіль
швидкості вітру у цій роботі представлений емпіричною залежністю степеневого
вигляду:
де m - показник степеня, що залежить від безлічі факторів [88, 89], в роботі
приймається рівним 0,2.
2.4. Побудова технічної моделі ГЕК
Технічна модель є описом технічних рішень, що дозволяють реалізувати
певні функції. В даному випадку технічна модель містить основні залежності, які
відображають зв'язок вихідної потужності з потужністю вхідного (ресурсного)
потоку, а також враховує різні технічні рішення щодо побудови окремих
установок, що входять до складу ГЕК.
2.4.1 Технічна модель сонячної фотоелектричної установки
Розрахунок вироблення сонячної фотоелектричної установки для кожної
години року в роботі здійснюється за допомогою наступної формули:
де і – година року;
- сумарний прихід сонячного випромінювання на
приймальний майданчик, розташований під оптимальним
кутом нахилу до горизонту β , з азимутом γ , Вт·год/м2. Кути
установки постійні протягом року;
FCM - площа сонячного модуля, м2;
m – кількість сонячних модулей, шт.;
τ - коефіцієнт світлопропускання захисного сонячного покриття модуля,
від.од.;
СМ - номінальний ККД сонячного модуля, від.од.. За умови використання
контролера відбору максимальної потужності ККД сонячного модуля
постійний і дорівнює його номінальному значенню;
КЗап. - коефіцієнт заповнення сонячними елементами всієї площі
сонячного модуля, від. од..;
N - визначає собою втрати потужності при послідовному з'єднанні
сонячних модулів. У роботі приймається рівним 0,97 від.од.;
Кt - коефіцієнт, що враховує вплив сонячної температури модуля з його
ККД, від.од.. Визначається за наступною формулою для заданої
температури:
де α - градієнт зміни ККД сонячного модуля від температури, від.од.. Для
кремнієвих сонячних елементів можна приймати рівним º
СМ/20 .
2.4.2 Технічна модель вітроелектричної установки
Визначення потужності, що видається вітроелектричною установкою в
роботі проводиться за допомогою залежності потужності ВЕУ від швидкості
вітру на висоті розміщення вітроколеса:
Ця залежність є основною технічною характеристикою для кожної
вітроелектричної установки та входить до її паспортних даних. Приклад
технічної характеристики ВЕУ наведено Рисунку 12.
Швидкість вітру, м/с
Рисунок 12 – Технічна характеристика ВЕУ PW-30/14 (АВЕУ-30)
2.4.3 Технічна модель дизельної електроустановки
Технічна модель дизельної електроустановки у роботі представлена її
робочою потужністю. Робоча потужність ДЕУ – це максимальна потужність, яку
установка може розвивати за безперервної роботи на змінному навантаженні
необмежений час. Мінімальна потужність ДЕУ у цій роботі не обмежена.
2.4.4 Технічна модель споживачів енергії
Потужність ВЕУ, кВт
Технічна модель споживачів електричної та теплової енергії
представляється графіками електро- та теплоспоживання або значеннями
середньодобової потужності, необхідної для роботи відповідного споживчого
комплексу. У цій роботі зарядні станції та станції заміни акумуляторних батарей
виступають у ролі споживачів електроенергії. Проте принцип роботи станції
заміни АКБ досить сильно відрізняється від принципу роботи зарядної станції,
технічна модель першої, окрім графіка електроспоживання, буде представлена
ще й графіком надходження розряджених акумуляторів на станцію.
Графіки енергоспоживання, що моделюють станції підзарядки, у роботі
визначаються ємністю акумуляторних батареї електромобілів, а також власними
потребами станцій. Однак для того, щоб побудувати такі графіки необхідно
спочатку визначити кількість електромобілів, яке обслуговується на одній такій
станції протягом доби, а потім отримати графіки надходження цих
електромобілів на аналізовані типи станцій протягом доби, тижня та ін. У зв'язку
з цим проводиться аналогія із звичайними автозаправними станціями (АЗС).
Зробимо припущення, що кількість електромобілів, яка обслуговується на
одній станції за добу, також дорівнює 10% кількості автомобілів, що щодня
заправляється на одній АЗС. Таким чином, за добу на одній станції підзарядки
може відвідати 30-50 електромобілів. Для подальших розрахунків береться
середнє значення – 40 електромобілів на добу.
2.4.4.1 Технічні моделі зарядних станцій
На території Сполучених Штатів Америки діють два великі проекти з
впровадження електромобілів та зарядної інфраструктури. Перший їх
називається “The EV Project”, та очолює його компанія ECOtality North America
у партнерстві з компаніями Nissan North America, General Motors, різними
регіональними урядами та урядами штатів, а також електроенергетичними
компаніями та іншими організаціями. Метою проекту є введення в експлуатацію
близько 14 300 зарядних станцій (режим зарядки Mode 3 та Mode 4, див.
п.1.1.3.1), постачання близько 8300 електромобілів Nissan Leaf та Chevrolet Volt,
їх спільне тестування, а також збирання інформації про роботу зарядних станцій.
Збором та аналізом такою інформацією займається Національна Лабораторія
штату Айдахо (Idaho National Laboratory, INL) [46, 47].
Раз на квартал INL публікує звіти, які містять вичерпну інформацію з
експлуатації зарядних станцій та електромобілів. У цьому випадку
найважливішою інформацією є дані щодо зарядних станцій. Так у звітах [48-50]
усі зарядні станції діляться на кілька типів, а саме:
- зарядні станції з режимом заряду Mode 3, розташовані за місцем
проживання користувачів (Residential Level 2). Під цим типом маються
на увазі такі станції, які встановлені недалеко від житлових будинків.
Як видно з Рисунку 13, підзарядка електромобілів на таких станціях
здійснюється переважно увечері та вночі, коли автовласники
перебувають удома. Вдень же, коли більшість людей знаходиться на
роботі, електромобілів, що заряджаються набагато менше. У рамках цієї
роботи такий тип станцій був названий нічними зарядними
станціями;
Рисунок 13 – Нічні зарядні станції з режимом заряду Mode 3. Частка
електромобілів, що заряджаються на станціях, залежно від часу доби (для
робочого та вихідного дня відповідно). Кольоровими лініями на графіку
відзначені максимальні, середні та мінімальні значення [48-50].
- громадські зарядні станції (Publicly Available Level 2 та DC Fast), які у
свою чергу діляться на зарядні станції з режимом заряду Mode 3 та
станції швидкої зарядки постійним струмом. Під громадськими
станціями тут маються на увазі станції, які розташовані поблизу
громадських місць, таких як торгові центри, аеропорти і т.д., а також на
парковках неподалік місць, де працюють люди. Таким чином, більшість
електромобілів заряджається на зарядних станціях вдень, коли
автокористувачі перебувають на роботі, роблять покупки тощо.
(Рисунок 14). Надалі у цій роботі такі станції називаються денними
зарядними станціями.
Рисунок 14 – Денні зарядні станції з режимом заряду Mode 3. Частка
електромобілів, що заряджаються на станціях, залежно від часу доби (Для
робочого та вихідного дня відповідно) [48-50].
Другий проект із впровадження зарядної інфраструктури в США
називається ChargePoint America, і його спонсорує компанія Coulomb
Technologies. Метою проекту є введення в експлуатацію 4600 домашніх
(встановлених у приватних будинках автовласників) та громадських зарядних
станцій ChargePoint. Збором та аналізом інформації по проекту тут також
займається Національна Лабораторія штату Айдахо [51].
Звіти з ChargePoint America публікуються раз на квартал. Усі зарядні
станції тут також поділяються за типами. Крім розглянутих вище типів станцій,
у цьому проекті додався ще один тип, який називається "Комерційні зарядні
станції" (Commercial Charging Stations) [52]. Цей тип станцій є чимось середнім
між іншими двома. Як видно з Рисунка 15 у цьому випадку кількість
електромобілів, що заряджається рівномірно розподілено протягом доби.
Рисунок 15 – Комерційні зарядні станції з режимом заряду Mode 3. Частка
електромобілів, що заряджаються на станціях, залежно від часу доби (Для
робочого та вихідного дня відповідно) [52].
На закінчення також варто відзначити ще один проект, який отримав назва
“The U.S. Department of Energy's Advanced Vehicle Testing Activity” (“Захід
Департаменту електроенергії США з тестування транспортних засобів”).
Керувала проектом Національна Лабораторія штату Айдахо спільно з
Університетом Каліфорнії (University of California) та Інститутом Транспортних
Досліджень імені Девіса (Davis's Institute for Transportation Studies). Мета його
полягала у тестуванні у польових умовах близько 290 гібридних електромобілів
та у зборі відповідної інформації. У ході тестування частину електромобілів було
надано традиційним сім'ям, а частина – комерційним організаціям. За
результатами експерименту були отримані графіки залежності кількості
підключених електромобілів від часу доби та дня тижня як для електромобілів,
які були у розпорядженні звичайних громадян, так і для тих, що були надані
комерційним організаціям [53]. Приклад таких графіків наведено Рисунку 16.
Рисунок 16 – Гібридні електромобілі, які були у розпорядженні звичайних
громадян (ліворуч) та у розпорядженні комерційних організацій (праворуч).
Частка електромобілів, що заряджаються на станціях, залежно від часу доби та
дня тижня [ 53 ].
З наведених вище графіків видно, що форми залежностей кількості
підключених до зарядних станцій електромобілів від часу доби для відповідних
типів зарядних станцій за всіма трьома розглянутим проектам схожі між собою.
У зв'язку з цим було вирішено використовувати цю інформацію для того, щоб
розглянути в роботі аналогічні три типи зарядних станцій, а саме:
- нічну зарядну станцію. Цей тип станцій має на увазі розміщення на
громадських чи приватних автостоянках, розташованих неподалік
житлових будинків та нічних закладів (бари, клуби та ін). Пік попиту на
заряджання від станцій такого типу припадає на вечірній-нічний час;
- денну зарядну станцію. У роботі передбачається, що такий тип станцій
розміщуватиметься на громадських автостоянках неподалік від
муніципальних установ (поліклініки, лікарні, школи, університети та
ін.), торгових центрів, зон відпочинку (парки, зоопарки, парки розваг та
ін.), аеропортів, вокзалів тощо. Пік попиту на підзарядку у разі посідає
денний час;
- комерційну зарядну станцію Цей тип станцій імовірно входитиме до
складу звичайних автозаправних станцій (АЗС) або розміщуватись на
приватних автостоянках поблизу офісних центрів. Пік попиту на
підзарядку електромобіля в цьому випадку також припадає на денний
час.
Крім цього було зроблено припущення, що на станціях цих типів
використовуватимуться зарядні пристрої постійного струму (Mode 4, див. п.
1.1.3.1), кожне з яких здатне за годину підзарядити 2 електромобілі. Надалі
використовуючи наявні графіки, а також інформацію про те, що за добу на одній
зарядній станції заряджається 40 електромобілів, були отримані графіки
залежності кількості електромобілів, що заряджаються від часу доби. Приклад
таких графіків наведено на Рисунках 17-19.
Рисунок 17 – Нічна зарядна станція. Кількість електромобілів, що
заряджаються залежно від часу доби (для робочого дня).
Рисунок 18 – Комерційна зарядна станція. Кількість заряджається
електромобілів залежно від часу доби (для робочого дня)
Рисунок 19 – Денна зарядна станція. Кількість електромобілів, що
заряджаються залежно від часу доби (для робочого дня).
Для того щоб з графіків залежності кількості електромобілів, що
заряджаються, від часу доби отримати графіки навантаження станцій цій роботі
робиться ще кілька припущень. Перше припущення полягає в тому, що
вищезазначені зарядні станції розглядаються до використання лише у населених
пунктах. Це рішення пов'язане з тим, що підзарядка електричного транспортного
засобу на зарядних станціях може займати досить тривалий час (у кращому у разі
15-40 хв. при зарядці на станції швидкої зарядки), а якраз у населених пунктах
зазвичай є безліч різних місць, де цей час можна провести. У свою чергу, в
районах, віддалених від населених пунктів, місця для проведення зустрічаються
досить рідко, якщо взагалі зустрічаються, то час зарядки електромобіля тут має
значно більше значення – для таких районів краще підходять станції заміни
акумуляторних батарей (процес заміни АКБ займає менше 5 хв.), але про них
йтиметься трохи пізніше.
У другому припущенні приймається, що у складі розглянутих зарядних
станцій не потрібні різні супутні послуги (автомайстерні, автомийки, магазини,
кафе тощо), або зарядні станції самі входять до складу звичайних автозаправних
станцій, де ці супутні послуги вже є. Таким чином, енергопостачання супутніх
сервісів та АЗС не входить у завдання. Єдиним же будовою, яка відноситься до
зарядних станцій, є приміщення, якому розташовуються акумуляторні батареї
станцій.
Таблиця 2
Основні технічні характеристики акумулятора RA12-260
Номінальна ємність, А·год 260
Габаритні розміри, мм 520x225x268
Температурні умови роботы АКБ, °С:
Розряд -20… +60
Заряд 0… +50
Оптимальна робоча температура 25
Таблиця 3
Основні технічні характеристики акумулятора LG Chem (використовується в
гібридному електромобілі Chevrolet Volt)
Ємність, А·год 45
Енергія, кВт·год 16
Температурні умови роботы АКБ, -30… +55
°С
У таблицях 2 -3 наведено основні технічні характеристики типових
акумуляторів та акумуляторних батарей електромобілів, які у роботі
використовуються на зарядних станціях та станціях заміни АКБ відповідно (інші
технічні характеристики див. Додаток 5). Відповідно до цієї інформації
оптимальна температура роботи обох типів АКБ приймається рівною 25°С.
Таким чином, приміщення, де розташовуються акумулятори, взимку потрібно
якось опалювати, а влітку - охолоджувати. У роботі розглядається різна кількість
акумуляторних батарей, у зв'язку з чим робиться припущення, що для їхнього
розміщення буде достатньо приміщення площею 20 м2. У свою чергу для
опалення та кондиціювання цього приміщення були розглянуто кілька видів
відповідного обладнання, на основі споживаної потужності яких приймається,
що протягом зими на опалення витрачається 3 кВт потужності, протягом літа на
кондиціювання приміщення - близько 2 кВт.
На закінчення залишається лише враховувати ємність АКБ електромобілів.
Так акумулятор електромобіля Nissan Leaf має найбільшу ємність (24 кВт · год),
у зв'язку з чим робиться чергове припущення, що саме такі електромобілі будуть
заряджатися на розглядуваних у цьому пункті зарядних станцій. Надалі,
перемноживши ємність акумуляторної батареї електромобіля та кількість
електромобілів, заряджаються, за досліджуваний проміжок часу, а також
враховуючи навантаження власних потреб, були побудовані графіки
навантаження досліджуваних типів станцій. Приклад таких графіків наведено на
Рисунках 20 -22.
Рисунок 20 – Нічна зарядна станція. Зимовий графік навантаження (для
робочого дня).
Рисунок 21 – Комерційна зарядна станція. Зимовий графік навантаження
(для робочого дня).
Рисунок 22 - Денна зарядна станція. Зимовий графік навантаження (для
робочого дня).
2.4.4.2 Технічні моделі станцій заміни акумуляторних батарей
Як уже було зазначено раніше, станції заміни акумуляторних батарей
насамперед відмінно підходять для використання на видаленні від населених
пунктів та ліній електропередачі (ЛЕП). Так, обслуговування електромобілів на
таких станціях займає дуже мало часу - приблизно 5 хвилин (на відміну від
зарядних станцій, де у кращому випадку час зарядки складає 15-40 хв.) - а це в
свою чергу є дуже суттєвим для тих автовласників, які люблять подорожувати
чи яким досить часто доводиться перебувати у роз'їздах. По-друге, станції заміни
АКБ добре підходять для обслуговування автомобільних парків різних компаній,
підприємств та ін. Як правило, у такі автопарки входять однотипні автомобілі і,
таким чином, можна не турбуватися про те, що змінні акумуляторні батареї не
підійдуть до деяких авто.
У цій роботі пропонується розглянути кілька типів станцій заміни АКБ, а
саме:
1. Станцію заміни, що обслуговує таксомоторний автомобільний парк
компанії. Цей вибір було зроблено тому, що попит на послуги
таксомоторних компаній, як правило, сильно нерівномірний протягом
діб і, отже, такими ж нерівномірними будуть і відповідні графіки
(графіки залежності кількості електромобілів-таксі, що
обслуговуються, від часу, графіки навантаження і т.д.). Ця особливість
і відрізняє даний варіант від інших, а також робить його цікавим для
подальшого розгляду;
2. Станцію заміни АКБ, що обслуговує автопарк промислового
підприємства. Цей вибір пов'язаний з тим, що для промислових
підприємств електричні транспортні засоби просто необхідні –
внаслідок відсутності у електромобілів шкідливих вихлопів, вони
можуть успішно використовуватися як на відкритій території
підприємства, а також у його закритих приміщеннях;
3. Станцію заміни АКБ, яка обслуговує парк автомобілів, що належить
зоні відпочинку. У цьому випадку екологічно чисті електромобілі також
необхідні, а отже необхідні і відповідні станції обслуговування;
4. Повністю автономну станцію заміни АКБ. Цей тип станцій передбачає
розміщення вздовж автотранспортних доріг, магістралей або у
населених пунктах, віддалених від ліній електропередач.
Станція заміни АКБ для таксопарку електромобілів
Як і у випадку із зарядними станціями, для того, щоб отримати графіки
надходження розряджених акумуляторів на станцію заміни АКБ спочатку
необхідно визначити кількість електромобілів, яка буде обслуговуватись на такій
станції за добу. Таксомоторні компанії бувають:
- малі – мають у своєму розпорядженні невеликий таксопарк (10-20
автомобілів, рідше до 50);
- середні – мають у своєму таксопарку від 50 до 100 машин;
- великі – мають у своєму розпорядженні великий парк автомобілів
(понад 100 шт.).
На основі цієї інформації, було вирішено розглянути в роботі станцію, яка
обслуговує автопарк невеликої таксомоторної компанії, що складається із 20
електромобілів. У свою чергу щоб визначити скільки разів на добу ці
електромобілі користуються послугами станції заміни АКБ та побудувати
відповідний графік необхідно зробити пару припущень. Так, перше припущення
полягає в тому, що один електромобіль за зміну здійснює заміну АКБ 4 рази. Це
рішення прийнято виходячи з досвіду експлуатації вищезазначеного таксопарку
електромобілів у Японії, де водії за зміну здійснюють заміну батарей від 4 до 5
разів [54]. Друге припущення ґрунтується на тому, що кожен автомобіль
закріплюється за одним водієм і, отже, використовується позмінно. З
урахуванням цих моментів у результаті було отримано, що за добу на станції
заміни АКБ електромобілі таксомоторної компанії обслуговуються 80 разів.
Зміна, як правило, дорівнює 8 годин, з чого випливає, що електромобілі
змінюють акумуляторні батареї кожні 2:00. На базі цієї інформації, а також того,
що за добу на станції заряджається 80 АКБ, в результаті було отримано
наступний графік:
Рисунок 23 - Станція заміни АКБ для таксопарку електромобілів. Кількість
замін АКБ залежно від часу доби.
Далі, щоб побудувати графік навантаження, як і у випадку із зарядними
станціями, слід врахувати власні потреби (опалення та кондиціювання
приміщення з АКБ) та ємність акумуляторних батарей, які
використовуватимуться на станції. У роботі приймається, що на станціях заміни
АКБ використовуватимуться акумуляторні батареї електромобіля Chevrolet Volt,
ємність яких складає 16 кВт · год. Цей вибір насамперед пов'язаний з тим, що
АКБ, що використовуються в Volt, можуть бути встановлені практично на будь-
яку іншу машину. Крім цього також робиться припущення, що зарядка
розряджених акумуляторних батарей, замінених на заряджені за поточну годину,
здійснюється в наступну годину (Рисунок 24). Приклад отриманого в результаті
графіка навантаження (для зими) наведено Рисунку 25.
Рисунок 24 – Станція заміни АКБ для таксопарку електромобілів. Кількість
АКБ, що заряджаються, в залежності від часу доби.
Рисунок 25 - Станція заміни АКБ для таксопарку електромобілів. Зимовий
графік навантаження.
Крім свого основного призначення, акумулятори електромобілів можуть
використовуватись і для зберігання надлишкової енергії відновлюваних джерел.
У зв'язку з цим максимальна кількість АКБ на розглядуваній станції заміни може
бути практично будь-яким, але не менше деякого мінімального значення, яке
необхідне для її нормальної роботи. Ця мінімальна кількість є запасом повністю
заряджених акумуляторів, який постійно присутній на станції на випадок
відсутності можливості підзарядки потрібної кількості АКБ (внаслідок
недостатнього вироблення ВДЕ, або через те, що частина зарядних пристроїв
використовується для інших потреб).
Визначення мінімальної кількості акумуляторних батарей здійснюється за
допомогою графіка залежності кількості замін АКБ від часу доби (Рисунок 23).
Для цього за графіком вибирається двогодинний інтервал, сумарна кількість
замін за який є максимальним із усіх можливих випадків. Цей вибір, пояснюється
тим, що завжди можливий випадок, коли наприкінці поточної години і на
початку наступної практично одночасно буде проведено заміну n-ого кількості
АКБ, властивого для цих годин. У свою чергу, загальна кількість замін АКБ, що
Потужність, кВт
відповідає обраному проміжку, та буде шуканою мінімальною кількістю
повністю заряджених акумуляторних батарей, потрібних на станції. Так, у
розглядуваному варіанті з таксопарком електромобілів мінімально допустима
кількість АКБ на станції заміни становить 12 шт. (відповідає часовим інтервалам
з 21.00 до 23.00, з 22.00 до 0.00 та з 23.00 до 1.00).
В результаті залишається визначити кількість зарядних пристроїв. Для
цього, як і у випадку із зарядними станціями, робиться припущення, що на
станції використовуватимуться зарядні пристрої постійного струму (Mode 4, див.
п. 1.1.3.1), кожне з яких здатне за годину підзарядити 2 електромобіля. Як видно
з Рисунку 24 максимальна кількість АКБ , що одночасно заряджаються за годину
становить 6 шт., таким чином, на станції заміни АКБ повинно бути як мінімум 3
зарядні пристрої.
Станція заміни АКБ для автопарку промислового підприємства
В даному випадку, для того, щоб побудувати графіки залежності кількості
замін АКБ від часу доби, приймаються наступні припущення:
- промислове підприємство працює у три зміни, без вихідних днів;
- в автопарк входить 10 електромобілів. Передбачається, що цієї кількості
достатньо для нормальної роботи підприємства;
- електромобілі працюють також у три зміни. Кожен електромобіль за
зміну здійснює заміну АКБ 4 рази (за аналогією з електромобілями таксі
з попереднього варіанту).
З урахуванням цих припущень було отримано, що за добу на станції заміни
акумуляторних батарей електромобілі автопарку обслуговуються 120 разів.
Відповідний графік представлений Рисунку 26.
Рисунок 26 - Станція заміни АКБ для автопарку промислового
підприємства. Кількість замін АКБ в залежності від часу доби.
Щоб з графіка Рисунку 26 отримати графік навантаження слід врахувати
ємність акумуляторних батарей електромобілів, а також енергоспоживання на
охолодження та обігрів приміщення, в якому вонибудуть розташовуватися. Що
ж до безпосередньо ємності АКБ електромобілів, то в даному випадку, як і у
варіанті з таксомоторною компанією приймається, що на підприємстві
використовуються Chevrolet Volt або інші електромобілі, ємність АКБ яких
становить 16 кВт·год. Приклад отриманого графіка навантаження (для зими)
наведено Рисунку 27.
Рисунок 27 - Станція заміни АКБ для автопарку промислового
підприємства. Зимовий графік навантаження.
За аналогією зі станцією заміни для таксопарку визначається і кількість
зарядних пристроїв, яка в даному випадку дорівнює 3 шт., та мінімально
допустима кількість АКБ, що дорівнює 10 шт.
Станція заміни АКБ для автопарку зони відпочинку
Зроблені припущення:
1. автопарк зони відпочинку працює у дві зміни (з 8.00 до 0.00), без
вихідних днів;
2. до автопарку входить 10 електромобілів;
3. електромобілі працюють також у дві зміни. Кожен електромобіль за
зміну здійснює заміну АКБ 4 рази (кожні 2 години, за аналогією з
електромобілями з автопарку таксомоторної компанії).
З урахуванням цих припущень було отримано, що за добу на станції заміни
акумуляторних батарей електромобілі автопарку обслуговуються 80 разів.
Відповідний графік представлений Рисунку 28.
Рисунок 28 - Станція заміни АКБ для автопарку зони відпочинку. Кількість
замін АКБ у залежно від часу доби.
Далі, зсунувши отриманий графік на годину вправо (зарядка розряджених
акумуляторних батарей здійснюється в наступну годину), а також врахувавши
власні потреби станції заміни АКБ (енергоспоживання на охолодження та обігрів
приміщення з акумуляторними батареями) та ємності електромобілів автопарку
(Chevrolet Volt, ємність АКБ – 16 кВт·год) були отримані наступні графіки:
Рисунок 29 – Станція заміни АКБ для автопарку зони відпочинку.
Кількість АКБ, що заряджаються, в залежності від часу доби.
Рисунок 30 - Станція заміни АКБ для автопарку зони відпочинку. Зимовий
графік навантаження.
Мінімально допустима кількість АКБ на станції заміни для автопарку зони
відпочинку не повинно бути менше 10 шт. Кількість зарядних пристроїв – 3 шт.
Повністю автономна станція заміни АКБ
Кількість електромобілів, що обслуговуються за добу, на автономній
станції заміни у роботі приймається таким самим, як і у випадку із зарядними
станціями, а саме рівним 40 шт. Що ж до графіка залежності кількості замін АКБ
від часу доби (Рисунок 31), то він був побудований виходячи з припущення, що
вдень заряджається більше електромобілів, ніж у нічний.
Рисунок 31 - Кількість замін АКБ в залежності від часу доби.
Власні потреби такої станції включають не тільки навантаження на
опалення та кондиціювання приміщення, в якому розміщуються змінні
акумуляторні батареї, але також навантаження АЗС та супутніх сервісів. Це
пов'язано з тим, що автономна станція заміни розташовується на значній відстані
від ЛЕП. Таким чином вводити її до складу вже будь-яких діючих автозаправних
станцій, як це було із зарядними станціями, немає сенсу. Так, до складу
придорожніх АЗС зазвичай входять такі супутні послуги:
- туалетні кімнати;
- компресори для підкачування шин;
- цілодобові магазини повсякденного попиту;
- закусочні швидкого харчування.
Найчастіше до складу придорожніх АЗС нині входять магазини
повсякденного попиту, навантаження яких значно вище навантаження інших
послуг. Так типовий цілодобовий магазин у США протягом місяця може
споживати від 15000 до 50000 кВ·год [55, 56]. На на підставі цієї інформації
робиться припущення, що до складу станції заміни крім АЗС також входять
цілодобовий магазин та інші сервіси, навантаження яких мале порівняно з
навантаженням магазину. Сумарне навантаження АЗС та магазину приймаємо
рівним 20 кВт·год.
Крім цього, на станції, як резерв, використовуються дизельні
енергоустановки. У цій роботі власні потреби ДЕУ складаються з навантаження
за періодичним електроопаленням контейнера в зимових умовах (2 кВт·год) та
підігріву робочої рідини агрегату протягом усього року (3 кВт·год). Ці системи
включаються по черзі на одну годину через кожну годину, що дозволяє більш
рівномірно розподілити навантаження в часі. Що ж до змінних акумуляторних
батарей, то в цьому випадку на автономній станції заміни АКБ також
використовуються акумулятори Chevrolet Volt. Приклад отриманого в результаті
графіка навантаження (для зими) наведено Рисунку 33.
Рисунок 32 – Повністю автономна станція заміни АКБ. Кількість АКБ, що
заряджаються, в залежності від часу доби.
Рисунок 33 - Повністю автономна станція заміни АКБ. Зимовий графік
навантаження.
Мінімальна кількість АКБ, яка має бути на станції, складає 4 шт. Кількість
зарядних пристроїв – 1 шт.
2.5 Побудова економічної моделі ДЕК
Економічна модель дозволяє оцінити економічну реалізованість проекту і
має розглядати економічні оцінки варіантів та окремих технічних рішень з
використанням різних критеріїв ефективності. На основі економічної моделі
згодом будується техніко-економічне обґрунтування (ТЕО) проекту, яке повинно
включати обґрунтування числа елементів комплексу та їх склад, а також має
визначити оцінку доцільності споруди розглядуваного комплексу у вибраному
місці або дати порівняння варіантів місць передбачуваного будівництва. При
отриманні негативних економічних оцінок за існуючими методиками економічна
модель може розглянути можливі шляхи підвищення інвестиційної
привабливості проекту рахунок залучення коштів бюджетів різного рівня,
одержання податкових пільг тощо.
У магістерській роботі процедура техніко-економічного обґрунтування
гібридного енергетичного комплексу засноване на послідовному звуженні
безлічі варіантів вибору структури та параметрів ГЕК з отриманням у результаті
одного чи кількох альтернативних варіантів складу енергокомплексу, причому в
різних варіантах структури параметри елементів енергокомплексу можуть бути
різними [57, 58]. Оптимізація параметрів енергокомплексу проводиться шляхом
прямого перебору варіантів. У свою чергу оцінка ефективності гібридного
енергетичного комплексу зводиться до визначення чистого дисконтованого
прибутку (ЧДД). Розглянутий комплекс буде вважатися ефективним у тому
випадку, коли чистий дисконтований дохід за розрахунковий період буде
позитивним:
ЧДД 0 .
Якщо ЧДД негативний або кілька ГЕК мають позитивний ЧДД, тоді
економічним критерієм вибору найбільш ефективного енергокомплексу та
складу його обладнання є максимум чистого дисконтованого доходу за
розрахунковий період.
Крім ЧДД порівняння різних ГЕК та вибір кращого з них може бути
зроблений з використанням наступних показників:
- індекс прибутковості (ІД);
- термін окупності капітальних вкладень (TОК ).
Вихідні дані, необхідні для розрахунку економічних показників гібридного
енергетичного комплексу:
1. тип, вартість, термін служби обладнання, що входить до складу
комплексу (дані беруться відповідно до ринкових цін поточного
періоду), та кількість цього обладнання;
2. Середньорічні значення:
- енергоспоживання на власні потреби ДЕК;
- вироблення генеруючих установок відновлюваної енергетики;
- вироблення дизельних електроустановок;
- енергоспоживання з мережі в денний та нічний час доби;
- надлишкової енергії, що виробляється установками відновлюваної
енергетики;
- витрати дизельного палива на ДЕС;
- витрати олії на ДЕС;
3. Тарифи на електроенергію, диференційовані за зонами доби: денний,
нічний;
4. Вартість дизельного палива та олії для ДЕУ;
5. Коефіцієнт дисконтування – 10%;
6. Податок на майно (2% від вартості ДЕК) та на прибуток (18%);
7. Експлуатаційні витрати – 5% вартості комплексу;
8. Коефіцієнт інфляції на дизельне паливо – 8% на рік;
9. Розрахунковий період приймається рівним 20 років.
Допущення, прийняті під час розрахунку:
1. Усі капітальні вкладення здійснюються у перший рік розрахункового
періоду;
2. Продаж електроенергії споживачам починається з другого року;
3. Податок на майно та амортизація нараховуються з року введення
енергокомплексу в експлуатацію.
Щодо амортизаційних відрахувань, слід зазначити, що коефіцієнт
амортизації у роботі розраховується для кожному варіанта ГЕК та для кожного
складу обладнання окремо таким чином, щоб цих відрахувань у результаті було
достатньо для заміни обладнання при закінчення його терміну служби. В
середньому по всіх розглянутих варіантах коефіцієнт амортизації становить
приблизно 10% вартості ГЕК. Амортизаційні відрахування протягом усього
розрахункового періоду приймаються незмінними.
Розрахунок економічних показників
Чистий дисконтований дохід (ЧДД) при розрахунку у поточних (базисних)
цінах та постійній нормі дисконту визначається за наступною формулою:
де t – порядковий номер року;
Tрозр – розрахунковий період ;
– коефіцієнт дисконтування;
Rt – результати, що досягаються на t-му кроці розрахунку реалізації
проекту;
Зt – витрати, що здійснюються на t-му кроці розрахунку;
Kt – капітальні вкладення на t-му кроці розрахунку.
У роботі сумарні капіталовкладення за перший рік розрахункового періоду
визначаються так:
де S - вартість обладнання (вітроелектричної установки, сонячного модуля,
дизельної електричної установки, акумуляторної батареї, пристрої відбору
максимальної потужності для сонячних модулів, зарядного пристрою);
n – кількість цього устаткування на станції.
Різниця Rt та Зt визначає грошовий потік (ГП) за операційною діяльності
(ефект), що досягається на t-му етапі розрахунку [57, 58]. ГП розраховується так:
ДПt = ЧПt + At, (2.7)
де ЧПt - чистий прибуток від продажу електроенергії споживачам;
At - амортизаційні відрахування з ГЕК.
Чистий прибуток ЧПt визначається як різниця балансового прибутку БПt
та податку на прибуток ППt :
ЧПt = БПt - ППt, (2.8)
Величина податку на прибуток залежить від ставки податку. Згідно
вихідним даним податок на прибуток буде розраховуватися як:
ППt = 0,18· БПt, (2.9)
Балансова прибуток визначається так:
БПt = Rt – Ct – ПМt (2.10)
де ПМt - податок на майно,
Ct - собівартість продукції на t-му етапі розрахунку.
У роботі результати Rt для ГЕК формуються як прибуток від продажу
електроенергії споживачам. Виручка приймається постійною протягом всього
розрахункового періоду, і визначається як:
R2 = (EВЕС + ЕСФЕС + ЕДЕС + Емережі - ЕВП – ЕНадл.)·SЕл.ен., (2.11)
де EВЕС, ЕСФЕС, ЕДЕС - річне вироблення ВЕС, СФЕС та ДЕС;
Емережі - річне енергоспоживання із мережі;
ЕВП - енергія, що споживається власними потребами станції протягом року;
ЕНадл. - надлишкова енергія ВДЕ протягом року;
SЕл.ен. - вартість електроенергії, що продається.
Собівартість продукції даній роботі включає у собі витрати на мережеву
електроенергію ВЕл.ен. (якщо резервне енергопостачання станції здійснюється від
мережі), на дизельне паливо ВТопл. та масло ВМасло (Резервне енергопостачання від
ДЕУ), а також експлуатаційні витрати ЕВt та амортизаційні відрахування:
Ct = ВЕл.ен. + ВТопл. + ВМасло - ЕВt – At, (2.12)
Відповідно до вихідної інформації податок на майно визначається як:
ПМt = 0,02·КОст.t, (2.13)
Залишкова вартість станції КОст.t розраховується як різниця залишкової
вартості за попередній розрахунковий рік та амортизаційних відрахувань:
КОст.t = КОст.t-1 - At, (2.14)
Після закінчення терміну служби обладнання станції здійснюється
введення нового обладнання за рахунок амортизаційних відрахувань, вартість
якого також враховується у значенні КОст.t.
Індекс прибутковості (ІП) визначається ставленням суми наведених
ефектів до величини дисконтованих капітальних вкладень [59, 60]:
ІП
Термін окупності інвестицій (TОк.) є тимчасовим інтервал (від початку
здійснення проекту), за межами якого інтегральний ефект стає позитивним.
Іншими словами, це період (місяць, роки), протягом якого початкові
капіталовкладення за інвестиційним проектом покриваються сумарним ефект від
його здійснення [59, 60]. Він визначається за умови:
Висновки по розділу 2
1. У розділі досліджено структурно-функціональну схему гібридного
енергетичного комплексу, що включає в себе генеруючі
електроустановки на основі відновлюваних джерел енергії, зарядні
станції або станції заміни акумуляторних батарей та інші елементи;
2. Проведено аналіз існуючих математичних моделей надходження
ресурсів різних видів ВДЕ (сонячна та вітрова енергія) та математичних
моделей електроустановок на основі ВДЕ, внаслідок чого були обрані
найбільш придатні для даної роботи моделі;
3. Сформульовано кілька типів зарядних станцій швидкого заряджання:
а. нічна зарядна станція – передбачає розміщення на громадських чи
приватних автостоянках, розташованих неподалік від житлових
будинків та нічних закладів (бари, клуби та ін);
б. денна зарядна станція – передбачає розміщення на громадських
автостоянках неподалік муніципальних установ (поліклініки, лікарні,
школи, університети та
ін), торгових центрів, зон відпочинку (парки, зоопарки, парки розваг та
ін), аеропортів, вокзалів тощо;
в. комерційна зарядна станція - передбачає розміщення в складі
звичайних автозаправних станцій або на приватних автостоянках
поблизу офісних центрів;
4. Сформульовано декілька типів станцій заміни акумуляторних батарей:
а. станція заміни АКБ для автопарку таксомоторної компанії;
б. станція заміни АКБ для автопарку промислового підприємства;
в. станція заміни АКБ для автопарку зони відпочинку;
г. повністю автономна станція заміни АКБ – мається на увазі
розміщення вздовж автотранспортних доріг, магістралей чи населених пунктах,
віддалених від ліній електропередач;
5. Для кожного із сформульованих типів станцій підзарядки досліджено
свою математичну модель.
РОЗДІЛ 3
ЗАГАЛЬНА МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ГЕК
3.1 Загальні положення
Одним із пунктів досягнення мети роботи, є дослідження математичної
моделі гібридного енергетичного комплексу. Математичні моделі елементів
такого ГЕК вже були розглянуті у Розділі 2, однак для того, щоб створити
загальну модель комплексу також необхідно зв'язати ці моделі та описати режим
роботи гібридного енергокомплексу.
У магістерській роботі розглядаються ГЕК із різним складом обладнання,
тому їх структурно-функціональні схеми можуть відрізнятиметься від схеми,
наведеної на Рисунку 11 (Розділ 2). Нижче наводяться різні схеми ГЕК, які є
похідними структурно-функціональної схеми з Рисунку 11, та розглядаються
алгоритми розрахунку режимів роботи цих комплексів.
3.2 ГЕК, що включають до свого складу зарядні станції
Вихідна інформація для розрахунків:
1. Технічні характеристики акумуляторних батарей, сонячних батарей
модулів та вітроелектричних установок (основні характеристики представлені в
таблиці 4) та їх кількість;
2. ККД випрямлячів, перетворювачів напруги та інверторів (у роботі
приймаються рівними 90%);
3. Середньогодинні дані щодо приходу сонячного випромінювання на
майданчик з оптимальним кутом нахилу, температурі повітря та швидкості вітру
на висоті флюгера (див. 2.3.1 та 2.3.2);
4. Графіки навантаження зарядних станцій (див. 2.4.4.1).
Таблиця 4
Технічні характеристики обладнання
Вітроелектричні установки
PW-30/14
Марка ВЕУ TW 60 PK-10
(АВЭУ-30)
З горизонтальною З горизонтальною З вертикальною
Тип ВЕУ
віссю обертання віссю обертання віссю обертання
Номінальна потужність
30 60 12
установки, кВт
Висота вежі, м 15 35 5,5
Швидкість вітру вмикання,
2,5 2,5 4
м/с
Розрахункова швидкість вітру, 10 12 12
м/с
Швидкість вітру вимикання
30 25 25
м/с
Сонячні модулі
Марка СМ ТСМ-200В
Потужність (пікова), Вт 200
Номінальний ККД 0,15
Габаритні розміри, мм 1310x996x43
Дизельні електроустановки
Марка ДЕУ ДГУ АД-30 ДГУ АД-60
Основна потужність
30 60
установки, кВт
Питома витрата
0,34 0,23
палива,л/кВт·год
Питома витрата олії, л/год 0,04 -
Питома витрата олії, % від
- 0,04
витрати палива
АКБ
Марка АКБ RA12-260
Номінальна ємність, А·год 260
Габаритні розміри, мм 520x225x268
Акумуляторні батареї електромобілей
Електромобіль Nissan Leaf Chevrolet Volt
Automotive Energy Supply
Виробник АКБ LG Chem
Corporation
Ємність, А·год - 45
Енергія, кВт·год 24 16
Зроблені припущення:
1. Типові акумуляторні батареї постачаються повністю зарядженими;
2. Максимальна глибина розряду акумуляторів приймається рівною 30% від їхньої
ємності. Це пов'язано з тим, що експлуатація акумуляторних батарей при
глибшому розряді призводить до зниження числа циклів розряду-заряду АКБ
(Рисунок 34) і, відповідно, до необхідності їх частішої заміни. Наслідком цього
своє чергу є подорожчання системи;
Рисунок 34 - Залежність ємності акумулятора від кількості відпрацьованих
циклів.
3. Термін служби акумуляторних батарей приймається рівним зазначеному
у паспорті, тобто кількість циклів розряду-заряду не враховується;
4. Акумулятори проходять повний цикл розряду-заряду, тобто поки що
АКБ перебувають у стадії розряду, заряджатися вони не можуть. Аналогічно зі
стадією заряду;
5. Втрати в лініях електропередачі, що з'єднують елементи ГЕК, не
враховуються;
6. Якщо енергія ВДЕ надмірна, відбувається відключення деякої кількості
генеруючих установок. Причому спочатку відключаються сонячні модулі, та
потім ВЕУ. Якщо ж і після цих заходів залишається невелика надмірна
потужність, то вона прямує на баластне навантаження.
ГЕК з однією системою АКБ та енергопостачанням від мережі
Рисунок 35 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-
функціональна схема: АКБ – акумуляторна батарея, ВП – власні потреби станції,
ЗП – зарядний пристрій, ЕМ – електромобіль.
У цій схемі типові акумуляторні батареї гібридного енергокомплексу
використовуються для акумуляції дешевої нічної електроенергії (з 23.00 до 6.00,
коли тариф на неї нижчий) та подальшого її використання у денний час доби для
енергопостачання зарядної станції та потреб ГЕК.
Залежно від того, яка кількість акумуляторних батарей є у складі ДЕК,
можливі 2 варіанти режиму роботи:
1. Кількість АКБ дорівнює 0, тоді в кожний момент часу баланс
потужності виконується за рахунок споживання електроенергії з
електричної мережі:
NМережі t P ГЕК t , (3.1)
де NМережі(t) - потужність, що споживається з мережі, кВт;
P ГЕК t - графік навантаження комплексу, кВт.
2. Кількість АКБ більше 0. У цьому випадку можливі такі варіанти:
2.1 Діє нічний тариф на електроенергію, тобто t = 23.00-6.00.
Енергопостачання комплексу здійснюється за допомогою
електромережі. Якщо акумулятори ГЕК перебувають у стадії
заряду, то електроенергія для їх підзарядки також береться з
мережі:
N (t) = P (t) + N Зар.
Мережі ГЕК АКБ /ƞВипр, (3.2).
де N Зар
АКБ - потужність, що йде на заряд АКБ, кВт;
ƞВипр – ККД випрямляча.
Якщо АКБ перебувають у стадії розряду, то:
NМережі t P ГЕК t .
2.2 Чинний денний тариф на електроенергію, тобто. t = 6.00-23.00 . Якщо
акумуляторні батареї знаходяться в стадії розряду енергопостачання
ГЕК здійснюється насамперед за допомогою енергії АКБ:
N Розр.
АКБ = PГЕК(t)/ ƞІнв., (3.3)
де N Розр.
АКБ - потужність розряду, що видає АКБ, кВт;
ƞІнв. – ККД інвертора.
Якщо ж енергії акумуляторів недостатньо для енергопостачання зарядної
станції та власних потреб гібридного енергокомплексу, нестача енергії
компенсується за рахунок енергоспоживання з електричної мережі:
NМережі t P ГЕК t N
Розр.max
АКБ · ƞВипр, (3.4)
де N Розр.max
АКБ - максимальна потужність розряду, яку можуть видати АКБ,
кВт.
Якщо АКБ перебувають у стадії заряду, то:
NМережі t P ГЕК t .
ГЕК із двома системами АКБ та енергопостачанням від мережі
Рисунок 36 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-функціональна
схема: АКБ – акумуляторна батарея, ВП – власні потреби станції, ЗП – зарядний
пристрій, ЕМ – електромобіль.
У цьому варіанті загальна кількість акумуляторних батарей, що входять до
складу енергокомплексу, умовно розбито на 2 системи АКБ (групи розряду та
заряду). Таким чином, поки що одна система акумуляторів розряджається вдень,
інша система може заряджатися від мережі вночі. Це дозволяє більш повно
використовувати дешеву нічну енергію. Як і в попередньому випадку, підзарядка
АКБ у денний час доби та їх розрядка у нічний час не допускаються.
Алгоритм розрахунку режиму роботи гібридного енергетичного комплексу з
2 системами АКБ аналогічний алгоритму розрахунку з одного системою за
винятком наступних моментів:
1. Оскільки систем АКБ у комплексі дві, то передбачається, що вони будуть
працювати у «протифазі», тобто поки що одна система перебуває в стадії
заряду, інша має перебувати у стадії розряду;
2. Незважаючи на те, що сказано в пункті 1, все ж таки можуть зустрічатися
випадки, коли обидві системи знаходяться або у стадії заряду, або у стадії
розряду. У такому разі, якщо обидві системи АКБ перебувають у стадії
заряду, спочатку здійснюється підзарядка тієї системи, рівень заряду якої
найбільший, а вже потім заряджається друга система АКБ. В іншому
випадку, спочатку розряджається система акумуляторів із найменшим
рівнем заряду. Якщо її енергії недостатньо для виконання балансу
потужності, тоді підключається друга система. Нестача електроенергії,
якщо такий має місце, компенсується за рахунок енергії електричної
мережі лише тоді, коли обидві системи досягли мінімального рівня
розряду.
ГЕК з однією системою АКБ та енергопостачанням від відновлюваних
джерел енергії (резервне енергопостачання – від мережі)
Рисунок 37 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-
функціональна схема: ВЕУ – вітроелектрична установка, ФЕУ - фотоелектрична
установка, МП - пристрій відбору максимальної потужності, АКБ –
акумуляторна батарея, ВП – власні потреби станції, ЗП – зарядний пристрій, ЕМ
– електромобіль.
Типові акумуляторні батареї, що входять до складу такого комплексу, що
використовуються тільки для перерозподілу енергії відновлюваних джерел
енергії у часі. Підзарядка акумуляторів від мережі не допускається.
Залежно від того, яка кількість акумуляторних батарей є, можливі 2
варіанти режиму роботи ГЕК:
1. Кількість АКБ на станції дорівнює 0. Тоді залежно від співвідношення
потужностей P ГЕК t и NВДЕ t можливе наступне:
1.1 PГЕК t Інв. NВДЕ t Перетв. , (3.5)
де NВДЕ t) - потужність, що виробляється ВДЕ, кВт;
Перетв. – ККД перетворювача.
Тут навантаження ГЕК в першу чергу забезпечується електроенергією, що
виробляється установками ВДЕ, а нестача енергії компенсується
енергоспоживанням із мережі:
NМережі t P t NВДЕ t
ГЕК Перетв. Інв. , (3.6)
1.2 PГЕК t Інв. NВДЕ t Перетв. . (3.7)
Тут комплекс постачається електроенергією тільки від відновлюваних джерел
енергії. Потужність, що споживається з мережі, дорівнює 0:
NМережі t 0 .
У випадку, якщо енергія, що виробляється відновлюваними джерелами сильно
перевищує потреби ГЕК, тоді виконується вимкнення зайвих енергоустановок.
Надмірна потужність, що залишилася після відключення генеруючого обладнання,
спрямовується на баластне навантаження:
N Повн.(t) = NВДЕ t Перетв.PГЕК t
Надм. Інв. (3.8)
Факт. N Факт.
N (t) = ВДЕ t Перетв.PГЕК t
Надм. Інв. (3.9)
де N Повн.
Надм. (t) - надмірна потужність, яка має місце при роботі всіх генеруючих
установок, кВт;
N Факт.
Надм. (t) - надмірна потужність, що залишилася після відключення деякої
кількості установок, кВт;
N Факт.
ВДЕ (t) - фактична потужність, що виробляється рештою установками, кВт.
2. Кількість АКБ на станції більше 0. Залежно від співвідношення потужностей
РГЕК(t) та NВДЕ(t), а також від потужності, яку може видати при розряді
N Розр.max
АКБ або спожити при заряді N Зар.max
АКБ група акумуляторних батарей,
можливі наступні варіанти роботи енергокомплексу:
2.1 P ГЕК t Інв. NВДЕ t Перетв .
В цьому випадку баланс потужності насамперед виконується за рахунок ВДЕ.
Якщо акумуляторні батареї ГЕК станції перебувають у стадії розряду, вони також
беруть участь в енергопостачанні навантаження ГЕК. У зв'язку з цим розглянемо два
випадки:
2.1.1 Енергії АКБ достатньо для поповнення нестачі енергії. У цьому у разі
потужність, що споживається з мережі, дорівнює 0.
NМережі t 0 .
2.1.2 Енергії АКБ або мало для поповнення нестачі енергії, або максимальна
потужність, яку може видати група акумуляторів при розряді менше
необхідної потужності.Таким чином, нестача енергії поповнюється за
рахунок енергії з мережі:
N t P t NВДЕ t Розр.
Мережі ГЕК Перетв. N
АКБ (t) Інв (3.10).
АБО
N t P t NВДЕ t
Мережі ГЕК Перетв. N Розр.max(t)
АКБ Інв (3.11).
Якщо ж акумуляторні батареї перебувають у стадії заряду, тоді баланс
потужності виконуватиметься за участю тільки електричної мережі:
N N t
Мережі t P ГЕК t ВДЕ Перетв. Інв
2.2 PГЕК t Інв. NВДЕ t Перетв
Енергопостачання гібридного енергетичного комплексу виконується від
відновлюваних джерел енергії. Потужність, споживана з мережі, що дорівнює 0:
NМережі t 0 .
Якщо система акумуляторних батарей перебуває в стадії заряду, тоді
можливо наступне:
2.2.1 Надмірної потужності ВДЕ достатньо для підзарядки АКБ, і
вона не перевищує максимальну потужність заряду АКБ. У
такому разі вся надмірна потужність спрямовується на
підзарядку акумуляторних батарей та відключення
енергоустановок не потрібно:
2.2.2 Надмірна потужність ВДЕ перевищує максимальну
потужність заряду АКБ. Таким чином, проводиться
заряджання акумуляторів, а надмірна потужність знижується
за рахунок відключення кількох генеруючих установок:
N Зар.
АКБ (t)= N Зар.max
АКБ (t) (3.13)
N Повн.(t)= NВДЕ t Перетв. N Зар.max
Над. АКБ (t) - P ГЕК t Інв (3.14)
Факт.
N Факт.(t)= N t N Зар.max
Над. ВДЕ Перетв. АКБ (t) - P ГЕК t Інв (3.15)
Якщо ж система АКБ – у стадії розряду, а енергія, що виробляється
відновлюваними джерелами, перевершує потребу станції, тоді також необхідно
відключення зайвих енергоустановок:
N Повн. N t
Над. (t)= ВДЕ Перетв. P ГЕК t Інв ;
N Факт. Факт.
(t)= N ВДЕ t
Над. Перетв. P
ГЕК t Інв .
ГЕК із двома системами АКБ та енергопостачанням від
відновлюваних джерел енергії (резервне енергопостачання – від мережі)
Рисунок
Рисунок 38 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-
функціональна схема: ВЕУ – вітроелектрична установка, ФЕУ – фотоелектрична
установка, ММ – пристрій відбору максимальної потужності, АКБ –
акумуляторна батарея, ВП – власні потреби станції, ЗП – зарядний пристрій, ЕМ
– електромобіль.
Поділ загальної кількості акумуляторних батарей енергокомплексу на дві
системи АКБ дозволяє більш повно використовувати енергію відновлюваних
джерел, а також знизити кількість вимушених відключень генеруючого
обладнання та зменшити потужність, що видається на баластове навантаження.
Підзарядка акумуляторів від мережі у разі також не допускається.
Алгоритм розрахунку режиму роботи комплексу аналогічний
попередньому алгоритму розрахунку режимів роботи ГЕК (ГЕК з однією
системою АКБ та енергопостачанням від ВДЕ). Винятком тут є лише те, що
періодично можливі випадки, коли обидві системи АКБ будуть у стадії заряду чи
розряду:
1. Обидві системи АКБ перебувають у стадії заряду. Спочатку
здійснюється підзарядка системи, рівень заряду якої є найбільшим.
Після повного заряду першої системи здійснюється підзарядка другої
системи, але тільки в тому випадку, якщо енергії ВДЕ для цього
достатньо. Коли обидві системи повністю заряджені, але все ще
залишається деякий надлишок енергії, тоді відбувається відключення
зайвих генеруючих установок;
2. Обидві системи АКБ у стадії розряду. Спочатку розряджається система
з найменшим рівнем заряду. Якщо цієї енергії недостатньо для
виконання балансу потужності, тоді підключається друга система.
Після розряду обох груп акумуляторів для виконання балансу
потужності використовується енергія електричної мережі.
В решту часу системи акумуляторних батарей енергокомплексу працюють
у «протифазі».
3.3 ГЕК, що включають до свого складу станції заміни акумуляторних
батарей
Вихідна інформація для розрахунків:
1. Технічні характеристики акумуляторних батарей, сонячних батарей
модулів та вітроелектричних установок (основні характеристики
представлені в таблиці 4) та їх кількість;
2. Тип, параметри дизельних електроустановок (основні характеристики
представлені в таблиці 4) та їх кількість;
3. ККД випрямлячів, перетворювачів напруги та інверторів (у роботі
приймаються рівними 90%);
4. Середньогодинні дані щодо приходу сонячного випромінювання на
майданчик з оптимальним кутом нахилу, температурі повітря та
швидкості вітру на висоті флюгера (див. 2.3.1 та 2.3.2);
5. Графіки залежності кількості замін АКБ від часу доби (див. п. 2.4.4.2);
6. Графіки залежності кількості акумуляторів, що заряджаються від часу
доби (див. п. 2.4.4.2).
7. Графіки навантаження станцій заміни АКБ (див. п. 2.4.4.2).
Зроблені припущення:
1. Акумуляторні батареї електромобілів постачаються повністю
зарядженими;
2. Акумулятори проходять повний цикл розряду-заряду, тобто поки що АКБ
перебувають у стадії розряду, заряджатися вони не можуть. Аналогічно зі
стадією заряду;
3. У кожен момент часу кількість повністю заряджених акумуляторів на
станції має бути більшим або рівним мінімально допустимій кількості
АКБ;
4. У разі, коли кількість АКБ на станції дорівнює мінімальному, не
допускається використовувати їхню енергію для покриття власних потреб
ГЕК;
5. Підзаряджання розряджених акумуляторних батарей, замінених на
заряджені за поточну годину, що здійснюється у наступну годину;
6. Якщо енергопостачання гібридного енергокомплексу здійснюється від
кількох ДЕУ, то сумарне навантаження розподіляється за установками
рівномірно;
7. Втрати в лініях електропередачі, що з'єднують елементи ГЕК, не
враховуються;
8. Якщо енергія ВДЕ надмірна, відбувається відключення деякої кількості
генеруючих установок. Причому спочатку відключаються сонячні модулі,
та потім ВЕУ. Якщо ж і після цих заходів залишається невелика надмірна
потужність, то вона прямує на баластне навантаження.
У роботі, для зручності моделювання режимів роботи таких комплексів,
загальна кількість акумуляторних батарей електромобілів ділиться на кілька
типів, а саме:
- повністю заряджені АКБ - сумарна кількість заряджених до номінальної
ємності акумуляторних батарей, наявних на станції заміни;
- АКБ, що заряджаються (повна зарядка) – кількість акумуляторних
батарей, які за поточну годину будуть заряджені до своєї номінальної
ємності;
- АКБ, що заряджаються (часткова зарядка) – кількість акумуляторних
батарей, які будуть частково заряджені (не до номінальної ємності) за
поточну годину. Ця кількість може бути рівна або нулю, чи одиниці;
- АКБ, що розряджаються, – кількість акумуляторних батарей, які
використовуються для енергопостачання власних потреб ГЕК;
- очікувані зарядки АКБ – сумарна кількість акумуляторних батарей, які
чекають на зарядку на станції.
ГЕК з енергопостачанням від мережі
Рисунок 39 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-
функціональна схема: АКБ – акумуляторна батарея, ВП – власні потреби станції,
ЗП – зарядний пристрій.
Як і у випадку з гібридним енергокомплексом, що включає зарядну
станцію, наявність зайвої кількості акумуляторних батарей електромобілів у
складі аналізованого ГЕК дозволяє використовувати їх для акумулювання
мережної енергії у нічний час доби (з 23.00 до 6.00) та енергопостачання станції
заміни та потреб комплексу в денний час.
Залежно від того, яка кількість акумуляторів є в складі ГЕК, можливі 2
варіанти режиму роботи:
1. Кількість АКБ дорівнює мінімальному значенню. У цьому випадку
розрахунок режим роботи ГЕК полягає у виконанні балансу потужності
за кожен момент часу, оскільки за умовою кількість заряджених АКБ на
станції заміни може бути менше мінімального, тобто не допускається
використовувати енергію АКБ для постачання власних потреб.
Енергопостачання станції тут здійснюється від електричної мережі:
NМережі t P ГЕК t .
2. Кількість АКБ більша за мінімальну. У цьому випадку можливі такі
варіанти:
2.1 Діє нічний тариф електроенергію, тобто t = 23.00-6.00. Заміна
акумуляторних батарей виконується відповідно до графіка
залежності кількості замін АКБ від часу доби. Енергопостачання
власних потреб комплексу та зарядка повністю розряджених АКБ
здійснюється за рахунок енергії мережі, причому кількість
акумуляторів, що заряджаються, залежить від числа зарядних
пристроїв на станції заміни, та від кількості АКБ, яку вони можуть
одночасно заряджати.
Якщо на станції є частково заряджений акумулятор, то:
NМережі(t)= NВП(t)+n Зар. Т
АКБ (t)· NАКБ+( NАКБ- NАКБ (t)), (3.16)
де NВП(t) - енергія на власні потреби ГЕК, кВт;
n Зар.
АКБ (t) - кількість АКБ, що заряджаються (повна зарядка), шт.;
NАКБ - повна енергія АКБ, кВт·год;
N Т
АКБ (t) - рівень заряду частково зарядженого АКБ, кВт.
Інакше:
NМережі(t)= NВП(t)+n Зар.
АКБ (t)· NАКБ. (3.17)
2.2 Чинний денний тариф на електроенергію, тобто t 6.00 23.00 .
Заміна акумуляторних батарей також здійснюється відповідно до
графіком залежності кількості замін АКБ від часу доби.
Енергопостачання власних потреб гібридного енергокомплексу
здійснюється за рахунок енергії заряджених акумуляторних
батарей. Так триває доти, доки не настане 23.00 або поки що
кількість повністю заряджених АКБ не буде рівна мінімально
допустимому. У першому випадку див. пункт 2.1, у другому –
енергопостачання власних потреб буде вже здійснюватись за
рахунок мережі. Також від мережі будуть заряджатися і необхідні
для подальшої заміни акумулятори електромобілів:
NМережі(t)= N Зар.
ВП(t)+nАКБ (t)· NАКБ
АБО
NМережі t P ГЕК t .
ГЕК з енергопостачанням від дизельних електроустановок
Рисунок 40 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-
функціональна схема: ДЕУ – дизельна електрична установка, АКБ –
акумуляторна батарея, ВП – власні потреби станції, ЗП – зарядний пристрій.
Залежно від кількості акумуляторів на станції заміни АКБ, можливі 2
варіанти режиму роботи:
1. Кількість АКБ дорівнює мінімальному значенню. Тут все повністю
аналогічно попередньому варіанту ГЕК (ГЕК з енергопостачанням від
мережі), за тим лише винятком, що баланс потужності виконується за
рахунок енергії, що виробляється дизельною електроустановкою:
NДЕУ t P ГЕК t , (3.18)
де NДЕУ t - потужність, що виробляється ДЕУ, кВт.
2. Кількість АКБ більша за мінімальну. Даний варіант є сумнівним, тому
що за наявності ДЕУ сенс у тому, щоб мати складі енергокомплексу
надмірну кількість АКБ для перерозподілу енергії в часі, відсутній.
Однак цей варіант все ж таки розглядається.
Так, згідно з прийнятими припущеннями, акумуляторні батареї
електромобілей поставляються на станцію повністю зарядженими. У зв'язку з
цим заміна АКБ проводитиметься відповідно до графіка залежності кількості
замін АКБ від часу доби, а енергопостачання власних потреб комплексу
здійснюватиметься за рахунок заряджених акумуляторних батарей. Це
триватиме доти, доки
кількість повністю заряджених АКБ не буде рівною мінімально допустимому.
Надалі енергопостачання ГЕК (заряджання необхідної кількості АКБ та
постачання електроенергією власних потреб) буде здійснюватись з
використанням ДЕУ відповідно до графіка навантаження:
NДЕУ(t)= NВП(t)+n Зар.
АКБ (t)· NАКБ (3.19)
АБО
NДЕУ t P ГЕК t .
ГЕК з енергопостачанням від відновлюваних джерел енергії (Резервне
енергопостачання - від мережі)
Рисунок 41 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-функціональна
схема: ВЕУ – вітроелектрична установка, ФЕУ - фотоелектрична установка, МП -
пристрій відбору максимальної потужності, АКБ – акумуляторна батарея, ВП –
власні потреби станції, ЗП – зарядний пристрій.
Акумуляторні батареї електромобілів, що входять до складу такого
комплексу, використовуються тільки для перерозподілу енергії відновлюваних
джерел у часі. Підзарядка акумуляторних батарей від мережі не допускається.
Залежно від кількості акумуляторних батарей, можливі 2 варіанти режиму
роботи гібридного енергокомплексу:
1. Кількість АКБ дорівнює мінімальному значенню. У цьому випадку
розрахунок режим роботи ГЕК полягає у виконанні балансу потужності за
кожний момент часу. Залежно від співвідношення потужностей P ГЕК t та
NВДЕ(t) можливі наступні варіанти роботи енергокомплексу:
1.1 P ГЕК t NВДЕ t Перетв. , (3.20)
Навантаження ГЕК в першу чергу забезпечується енергією, що виробляється
установками ВДЕ, а нестача енергії компенсується енергоспоживанням із мережі:
NМережі t PГЕК t NВДЕ t Перетв. . (3.21)
1.2 P ГЕК t NВДЕ t Перетв. . (3.22)
Тут енергопостачання станції заміни та власних потреб комплексу
виконується за допомогою відновлюваних джерел енергії. Потужність, споживана з
мережі, дорівнює 0:
NМережі t
Якщо енергія, що виробляється відновлюваними джерелами, сильно
перевищує потреби ГЕК, тоді відбувається вимкнення зайвих енергоустановок.
Надмірна потужність, що залишилася після відключення генеруючого
обладнання, спрямовується на баластне навантаження:
N Повн.(t)= NВДЕ t Перетв. - P ГЕК t (3.23)
Надм.
N Факт.(t)= N Факт.
ВДЕ t Перетв. - P ГЕК t (3.24)
Надм.
2. Кількість АКБ більша за мінімальну. Тоді залежно від співвідношення
потужностей P ГЕК t та NВДЕ(t), можливі наступні варіанти:
2.1 P ГЕК t NВДЕ t Перетв. .
Тут енергопостачання власних потреб гібридного енергокомплексу може
здійснюватися по-різному:
2.1.1. Потужності ВДЕ недостатньо для енергопостачання власних
потреб:
NВП t NВДЕt Перетв . (3.25)
В цьому випадку частина навантаження власних потреб забезпечується
енергією відновлюваних джерел, а частина, якщо є частково розряджений
акумулятор – енергією цього АКБ. Якщо частково розряджених АКБ немає або
їх енергії недостатньо для енергопостачання частини навантаження власних
потреб, тоді використовуються чи інші заряджені акумуляторні батареї або
нестача енергії компенсується з мережі. До того ж перший варіант (використання
інших заряджених АКБ) можливий лише у тому випадку, якщо кількість
повністю заряджених АКБ на станції заміни в даний час більше мінімально
допустимого. Таким чином, є обмеження за кількістю АКБ, які можна
використовувати:
n Доступ. (t)= n Повн.зар. (t) - n min.
АКБ АКБ АКБ(t), (3.26)
де n Доступ.
АКБ(t) - кількість АКБ, які можна використовувати для
енергопостачання власних потреб ГЕК, шт.;
n Повн.зар.
АКБ(t) - кількість повністю заряджених АКБ, шт.;
n min.
АКБ(t) - мінімально допустима кількість АКБ, шт.
Якщо кількості n Доступ.
АКБ(t) достатньо для виконання балансу потужності,
то:
NМережі t 0 .
Якщо ж і цієї кількості недостатньо, то недостатня частина навантаження
власних потреб забезпечується електроенергією з мережі:
NМережі(t) = NВП(t)- NВДЕ(t) Перетв - n Част.Розр..
АКБ(t)· N Т Доступ.
АКБ(t)- n АКБ(t)·
·NАКБ, (3.27)
де n Част.Розр..
АКБ(t) - кількість частково розряджених АКБ, шт.;
N ТАКБ(t)- рівень заряду частково розрядженої АКБ, кВт;
NАКБ - повна енергія АКБ, кВт·год.
Що стосується другого варіанта, то якщо кількість повністю заряджених
акумуляторів на станції заміни дорівнює мінімально допустимій кількості АКБ,
маємо:
NМережі(t) = NВП(t)- NВДЕ(t) - n Част.Розр..
Перетв АКБ(t)· N ТАКБ(t), (3.28)
Якщо ж ця кількість менша від мінімально допустимого значення, то
мережа постачає електроенергією не лише на власні потреби енергокомплексу,
але також заряджає і розряджені АКБ. Необхідна кількість акумуляторних
батарей, яка має бути заряджена, визначається так:
n Зар. (t)= n min. (t)- n Повн.зар..
АКБ АКБ АКБ(t), (3.29)
У цьому випадку потужність, що споживається з мережі, визначається як:
NМережі(t) = NВП(t)- N (t) - n Част.Розр..
ВДЕ Перетв АКБ(t)· N ТАКБ(t)+
+n Зар.
АКБ(t)· NАКБ , (3.30)
2.1.2 Потужність ВДЕ достатня для енергопостачання власних потреб
станції:
NВП t NВДЕ t Перетв. . (3.31)
В цьому випадку навантаження власних потреб забезпечується енергією
відновлюваних джерел, а надлишок електроенергії йде на повне або часткове
підзаряджання розряджених або частково заряджених акумуляторів. Причому кількість
акумуляторів, що заряджаються, залежить від числа зарядних пристроїв на станції
заміни, та від кількості АКБ, яку вони можуть одночасно заряджати. Якщо після цих
заходів все ж залишиться якась надмірна потужність ВДЕ або якщо кількість
розряджених або частково заряджених АКБ дорівнює 0, тоді робиться відключення
зайвих генеруючих установок. Надмірна потужність, що залишилася після відключення
генеруючого обладнання, направляється на баластне навантаження:
N Повн.(t)= NВДЕ t Зар.
Надм. Перетв. - NВП(t)- n АКБ(t)· NАКБ -
- n Част.Розр..
АКБ(t)·(N Т
АКБ- N АКБ(t)), (3.32)
АБО
N Повн. N t
Надм. (t)= ВДЕ Перетв. - NВП(t), (3.33)
N Факт.(t)= N Факт.
ВДЕ t
Надм. Перетв. - NВП(t)- n Зар.
АКБ(t)· NАКБ -
- n Част.Розр..
АКБ(t)·(N Т
АКБ- N АКБ(t)), (3.34)
АБО
Факт.
N Факт.
Надм. (t)= N ВДЕ t Перетв. - NВП(t), (3.35)
де n Зар.
АКБ(t) - кількість АКБ, що заряджаються (повна зарядка), шт.;
n Част.Розр..
АКБ(t) - кількість АКБ, що частково заряджаються, шт.;
N ТАКБ(t) - рівень заряду частково зарядженого АКБ, кВт.
Якщо сумарна кількість повністю заряджених акумуляторних батарей та
акумуляторів, що заряджаються повністю або частково за поточну годину,
менша за мінімально допустиму, то недостатня кількість АКБ заряджається від
мережі. Причому насамперед йде дозаряд частково заряджених АКБ. Таким
чином, кількість акумуляторів, що заряджаються за поточну годину:
n Зар. min. Повн.зар..
АКБ Ʃ (t)= n АКБ(t)- n АКБ(t).
Потужність, що споживається з мережі, визначатиметься як:
N (t) = n Зар. (t)· N + N (t)- NВДЕ t
Мережі АКБ Ʃ АКБ ВП Перетв., (3.36)
2.2 P ГЕК t NВДЕ t Перетв. . У цьому випадку рішення аналогічне до пункту 2.1.2.
ГЕК з енергопостачанням від відновлюваних джерел енергії (резервне
енергопостачання – від дизельних електроустановок)
Рисунок 42 - Гібридний енергетичний комплекс - структурно-
функціональна схема: ВЕУ – вітроелектрична установка, ФЕУ - фотоелектрична
установка, МП - пристрій відбору максимальної потужності, ДЕУ – дизельна
електрична установка, АКБ – акумуляторна батарея, ВП – власні потреби станції,
ЗП – зарядний пристрій.
Алгоритм розрахунку режиму роботи гібридного енергетичного
комплексу на основі ВДЕ з резервним енергопостачанням від ДЕУ повністю
аналогічний алгоритму розрахунку ГЕК на основі ВДЕ з резервним
енергопостачання від мережі.
Висновки по розділу 3
1. Досліджена математична модель гібридного енергетичного комплексу,
що дозволяє моделювати режими роботи наступних типів ГЕК, що
включають зарядні станції:
- ГЕК з однією системою АКБ та енергопостачанням лише від мережі;
- ГЕК з двома системами АКБ та енергопостачанням тільки від мережі;
- ГЕК з однією системою АКБ та енергопостачанням від ВДЕ (резервне
енергопостачання - від мережі);
- ГЕК із двома системами АКБ та енергопостачанням від ВДЕ (резервне
енергопостачання - від мережі);
2. Досліджена математична модель ГЕК, що дозволяє моделювати режими
роботи наступних типів комплексів, що включають станції заміни АКБ:
- ГЕК з енергопостачанням лише від мережі;
- ГЕК з енергопостачанням тільки від ДЕУ;
- ГЕК з енергопостачанням від ВДЕ (резервне енергопостачання – від
мережі);
- ГЕК з енергопостачанням від ВДЕ (резервне енергопостачання – від
ДЕУ).
РОЗДІЛ 4
АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ПРОВЕДЕНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
4.1 Загальні положення
У загальному вигляді процес розрахунку режимів роботи гібридних
енергетичних комплексів та їх економічних показників можна представити
наступною блок-схемою:
Рисунок 43 - Алгоритм структури та параметрів гібридного енергетичного
комплексу.
В програмному середовищі Microsoft Office Excel була розроблена
програма для розрахунку режимів роботи ГЕК. Програма ґрунтується на
математичних моделях та алгоритмах, розглянутих у пунктах 2.2-2.4 та Розділі
3, та має модульну структуру, що дозволяє змінювати, модернізувати та при
відсутності необхідності не використовувати окремі її елементи.
Виходячи з алгоритму, представленого на Рисунку 43, у роботі
розглядаються:
1. Декілька варіантів ресурсів відновлюваних джерел енергії
(висвітлюються лише ресурси сонця та вітру).
Для цього за допомогою інформації щодо розподілу приходу сонячного
випромінювання та середньорічних значень швидкості вітру по території
України [61], було обрано кілька міст (Таблиця 5). Для них були отримані
середньогодинні значення приходу сумарного та дифузного сонячного
випромінювання на горизонтальний приймальний майданчик та
середньогодинні значення температури повітря та швидкості вітру. Далі, згідно
з п. 2.3.1 та 2.3.2 були розраховані середньорічні значення приходу сонячного
випромінювання на приймальний майданчик, розташований під оптимальним
кутом, та середньорічні значення швидкості вітру (подано у таблиці 5).
Таблиця 5
Середньорічні значення приходу сонячного випромінювання на приймальний
майданчик, розташований під оптимальним кутом, та середньорічні значення
швидкості вітру для різних міст України
Місто Е Рік , Вт/м2 V Рік , м/с
Вінниця 125,2 2,57
Полтава 182 3,39
Миколаїв 167,3 3,49
Тернопіль 130,1 4,39
Суми 166,9 4,43
2. Декілька варіантів складу та параметрів ГЕК.
Для цього в ході розрахунків змінюються тип та кількість генеруючих
установок, кількість типових акумуляторних батарей та акумуляторних батарей
електромобілів, а в якості споживачів електроенергії розглядаються різні типи
зарядних станцій та станцій заміни акумуляторних батарей. Для того, щоб
підсумкова кількість варіантів ГЕК не вийшла занадто великою, у роботі
робиться припущення, що середньорічне вироблення генеруючих установок,
працюючих від ВДЕ, не повинна перевищувати подвоєного значення
максимального навантаження споживача.
4.2 Розрахунок режимів роботи ГЕК
Для того щоб оцінити ефективність гібридного енергетичного комплексу
спершу необхідно визначити такі його економічні показники, як чистий
дисконтований дохід, індекс прибутковості та термін окупності. Для цього, в
свою чергу, потрібні свої вихідні дані. Мета розрахунку режимів роботи різних
варіантів гібридних енергокомплексів полягає в тому, щоб отримати такі
проміжні дані, які надалі можуть бути використані як вихідні для розрахунку
економічних показників цих варіантів ГЕК. Сам розрахунок в магістерській
роботі здійснюється за допомогою відповідної програми (див. п. 4.1).
Результати розрахунку режимів роботи ГЕК та їх аналіз
Подані нижче залежності дозволяють оцінити те, яким чином, склад
обладнання комплексу впливає на такі показники, як енергоспоживання з мережі
або вироблення ДЕС. Це своє чергу дозволяє визначити оптимальне з погляду
мінімуму мережевого енергоспоживання чи економії дизельного палива
кількість обладнання різного типу.
ГЕК з енергопостачанням лише від мережі або лише від дизельних
електроустановок
Оскільки за подвійним тарифом, що розглядається в роботі, вдень ціна на
електроенергію вища, ніж уночі, то у випадку з гібридними енергетичними
комплексами, що працюють лише від мережі, їх ефективність можна підвищити
за рахунок зниження денного мережного енергоспоживання. Для цього
необхідно ввести до складу цих комплексів акумуляторні батареї (для ГЕК із
зарядними станціями) або додаткові АКБ електромобілів (для ГЕК зі станціями
заміни), які б дозволили акумулювати електроенергію вночі та використовувати
її вже вдень. На Рисунках 44 та 45 представлені залежності, що відображають
зміну денного енергоспоживання від кількості АКБ та типів зарядних станцій або
станцій заміни, що входять до складу ГЕК.
Рисунок 44 - Залежність енергії, що споживається ГЕК у денний час доби
протягом року, від типу зарядної станції та кількості АКБ.
Загалом можна зазначити, що з комплексів з будь-якими типами зарядних
станцій найбільше зниження у денному енергоспоживання спостерігається при
кількості АКБ, що змінюється від 0 до 700 шт. Кожне збільшення кількості АКБ
на 100 шт. у цьому випадку знижує річне денне енергоспоживання в середньому
на 32 МВт·год (до 37% при 500 АКБ порівняно з 400 АКБ для нічної станції та
при 700 АКБ у порівнянні з 600 АКБ для денної та комерційної станції). При
цьому для ГЕК із нічною зарядною станцією при кількості акумуляторних
батарей, що змінюється від 0 до 520 шт., найкраще використовувати одну
систему АКБ, а при кількості від 520 до 700 шт. - дві системи заряду-розряду.
Для ДЕК з денною або комерційною зарядною станцією на всьому діапазоні від
0 до 700 АКБ найефективніше використовувати лише одну систему заряду-
розряду.
Рисунок 45 - Залежність енергії, що споживається ГЕК у денний час доби
протягом року, від типу станції заміни та кількості АКБ.
У даному випадку збільшення кількості акумуляторних батарей до 50 шт.
дозволяє знизити денне енергоспоживання з мережі до 35%, 10% та 45% для ГЕК
зі станціями заміни АКБ, обслуговуючими таксопарк, автопарк промислового
підприємства та автопарк зони відпочинку відповідно.
Подальше зниження енергоспоживання на дільниці від 50 до1500 АКБ
пов'язані з прийнятим раніше припущенням, що акумулятори поставляються на
станції заміни повністю зарядженими, тобто спочатку вже є певний запас
електроенергії, який і використовується. Таким чином, чим більше кількість
акумуляторів електромобілів у складі комплексів, тим більше початковий запас
електроенергії і тим менше річне енергоспоживання з мережі, зокрема в денний
час доби. Те саме стосується зниження вироблення дизельної електростанції
витрати палива, що споживається на ДЕС, зі збільшенням кількості
акумуляторних батарей у складі автономного ГЕК зі станцією заміни АКБ
(Рисунки 46 та 47).
Рисунок 46 – Залежність річного вироблення ДЕС, що входить до складу
автономного ГЕК із станцією заміни АКБ.
Рисунок 47 - Залежність річної витрати палива від типу та кількості ДЕУ,
що входять до складу автономного ДЕК зі станцією заміни АКБ (-------- - 1 ДЕУ
60 кВт; - 2 ДЕУ 30 кВт)
В цілому для гібридних енергетичних комплексів, що працюють від
електричної мережі, мати на станціях заміни більше 50 акумуляторних батарей
не доцільно. Так, кожна сотня додаткових акумуляторів у цьому випадку знижує
річне денне енергоспоживання з мережі всього лише на 1,6 МВт·год.
Що ж до автономного ГЕК, то для нього оптимальною кількістю АКБ є
мінімально допустима, а саме – 4 шт. Кожна наступна сотня АКБ тут знижує
вироблення ДЕС також лише на 1,6 МВт·год на рік. Крім цього для такого
енергопостачання комплексу, згідно з Рисунком 47, набагато ефективніше з
погляду економії дизельного палива використовувати одну дизельну
електроустановку великої одиничної потужності (у роботі розглядалася (ДЕУ
потужністю 60 кВт), ніж використовувати кілька ДЕУ меншою одиничної
потужності (2 ДЕУ 30 квт). Економія в цьому випадку може досягатиме 35%.
Збільшення кількості зарядних пристроїв на станції заміни акумуляторних
батарей дозволяє значно зменшити енергоспоживання з мережі в денний час за
рахунок перерозподілу мережної електроенергії протягом доби. При
використанні 6 ЗУ та 100 АКБ і більше, денне енергоспоживання знижується на
100%.
ГЕК із енергопостачанням від сонячної фотоелектричної станції
(резервне енергопостачання – від мережі чи дизельних електроустановок)
У випадку з гібридними енергетичними комплексами, які працюють від
відновлюваних джерел енергії, їх ефективність може бути підвищена за рахунок
зниження енергоспоживання з мережі (мережеві ГЕК) або вироблення дизельної
електростанції (автономні ДЕК). Для цього слід або збільшити частку
генеруючих установок на основі ВДЕ, або ввести в склад цих комплексів
акумуляторні батареї (для ГЕК із зарядними станціями) або додаткові АКБ
електромобілів (для ГЕК зі станціями заміни), які б дозволили перерозподіляти
енергію відновлюваних джерел у часі. На Рисунках, наведених нижче,
представлені залежності, що відображають зміну мережевого енергоспоживання
або вироблення ДЕС від типу та кількості генеруючих установок відновлюваної
енергетики, кількості акумуляторних батарей та типу зарядної станції або станції
заміни, що входять до складу ДЕК.
Рисунок 48 – Гібридний енергетичний комплекс із нічною зарядною
станцією.
Е Рік=125 Вт/м2 Залежність енергії, що споживається з мережі протягом
року, від кількості сонячних модулів та АКБ.
Рисунок 49 – Гібридний енергетичний комплекс із денною зарядною
станцією.
Е Рік=125 Вт/м2 . Залежність енергії, що споживається з мережі протягом року, від
кількості сонячних модулів та АКБ.
Рисунок 50 - Гібридний енергетичний комплекс із нічною зарядною
станцією.
Е Рік=191 Вт/м2 Залежність енергії, що споживається з мережі протягом року, від
кількості сонячних модулів та АКБ.
Згідно з графіками на Рисунках 48 та 49, при однаковому попиті на
підзарядку протягом доби (40 електромобілів на добу), гібридний енергетичний
комплекс із нічною зарядною станцією споживає за рік більше електроенергії з
мережі, ніж ГЕК із денною зарядною станцією. Це пояснюється тим, що пік
енергоспоживання для денної станції доводиться на денний час доби і практично
збігається з піком приходу сонячного випромінювання і, відповідно, із
виробленням СФЕС. Таким чином, цьому комплексу для виконання балансу
потужності потрібно менше мережевої електроенергії.
Таким чином, наведені результати говорять про те, що з точки зору
мінімуму мережного енергоспоживання у складі комплексів із СФЕС найкраще
використовувати зарядні станції, пік енергоспоживання яких посідає у денний
час. До того ж, якщо ще існує і необхідність у великій кількості акумуляторних
батарей, то їх загальну кількість краще ділити на дві групи заряду-розряду, ніж
використовувати як одну.
Загалом щодо кількості акумуляторних батарей у складі розглянутих
енергокомплексів, згідно з отриманими результатами (Рисунки 48-50) можна
відзначити, що для ДЕК з:
1. Нічною зарядною станцією при кількості СМ, що дорівнює:
- 500 шт. найбільше зниження у мережному енергоспоживання
спостерігається при кількості АКБ, що змінюється від 0 до 100 шт. Так
воно може досягати 16 МВт·год за рік (5% при 100 АКБ порівняно з 0
АКБ). При цьому тут краще всього використовувати дві системи
акумуляторних батарей. Подальше збільшення кількості АКБ не
призводить до такого сильного зниження – максимум на 5 МВт·год на
рік на 100 АКБ.
- 1000 та 2000 шт. найбільше зниження спостерігається на ділянці від 0 до
500 АКБ. Тут воно може досягати 24 та 30 МВт·год на рік відповідно (9%
та 12% при 100 АКБ порівняно з 0 АКБ). Причому на ділянці від 0 до 100
АКБ краще використовувати одну систему АКБ, але на ділянці від 100
до 500 АКБ - дві системи. При подальшому збільшенні кількості АКБ
зниження енергоспоживання – не більше ніж на 5 та 10 МВт·год за рік
(для 1000 та 2000 ММ) на 100 АКБ;
2. Комерційною зарядною станцією при кількості сонячних модулів
рівному:
- 500 шт. найбільше зниження у мережному енергоспоживання – на
ділянці від 0 до 100 АКБ. Максимум – 7 МВт·год на рік (3% при 100 АКБ
порівняно з 0 АКБ). Найкраще використовувати дві системи АКБ. При
подальшому збільшенні кількості АКБ зниження енергоспоживання – не
більше ніж на 2 МВт·год за рік на 100 АКБ;
- 1000 та 2000 шт. найбільше зниження – на ділянці від 0 до 500 АКБ.
Максимум – 20 та 28 МВт·год за рік відповідно (9% та 14% при 100 АКБ
порівняно з 0 АКБ). на ділянці від 0 до 100 АКБ краще використовувати
одну систему АКБ, а на ділянці від 100 до 500 АКБ – дві системи. При
подальшому збільшення кількості АКБ зниження енергоспоживання – не
більш ніж на 2 та 8 МВт·год за рік (для 1000 та 2000 см) на 100 АКБ;
3. Денною зарядною станцією при кількості сонячних модулів рівному:
- 500 шт. найбільше зниження у мережному енергоспоживання – на
ділянці від 0 до 100 АКБ. Максимум – 3 МВт·год на рік (1% при 100 АКБ
порівняно з 0 АКБ). Найкраще використовувати дві системи АКБ. При
подальшому збільшенні кількості АКБ зниження енергоспоживання – не
більше ніж на 0,2 МВт·год за рік на 100 АКБ;
- 1000, 2000 та 5000 шт. найбільше зниження – на ділянці від 0 до 500 АКБ.
Максимум – 18, 26 МВт·год за рік (9% та 14% при 100 АКБ порівняно з
0 АКБ при 191 Вт/м2) та 30 МВт·год за рік (19% при 100 АКБ порівняно
з 0 АКБ, при 167 Вт/м2). На ділянці від 0 до 100 АКБ краще
використовувати одну систему АКБ, але в ділянці від 100 до 500 АКБ –
дві системи. При подальшому збільшенні кількості АКБ зниження
енергоспоживання – не більше ніж на 1, 6 та 4,5 МВт·год за рік (для 1000,
2000 та 5000 см) на 100 АКБ.
Що ж до гібридних енергетичних комплексів на основі СФЕС, до складу
яких входять станції заміни акумуляторних батарей, їм характерно все те, що було
раніше сказано про аналогічні ГЕК, але працюючі тільки від мережі чи ДЕС.
У свою чергу для автономного гібридного енергокомплексу все ж таки
оптимальною кількістю акумуляторних батарей є мінімально допустиме, а саме –
4 шт.
ГЕК з енергопостачанням від вітряної електростанції (резервне
енергопостачання – від мережі чи дизельних електроустановок)
При енергопостачанні від ВЕС гібридних енергетичних комплексів з
нічною, комерційною та денною зарядними станціями мережеве
енергоспоживання цих комплексів майже не залежить від типу станцій (Рисунки
51 та 52). Це пов'язано з тим, що вітер є практично завжди, і величина його
швидкості мало залежить від часу доби, чого не можна сказати про надходження
сонячного випромінювання.
Рисунок 51 – Гібридний енергетичний комплекс із нічною зарядною
станцією. Встановлена потужність ВЕУ – 30 кВт. V Рік 2,6 м/с. Залежність
енергії, що споживається з мережі протягом року, від кількості
вітроенергетичних установок та АКБ.
Рисунок 52 - Гібридний енергетичний комплекс із денною зарядною
станцією. Встановлена потужність ВЕУ – 30 кВт. V Рік 2,6 м/с. Залежність
енергії, що споживається з мережі протягом року, від кількості
вітроенергетичних установок та АКБ.
Що ж до впливу різної кількості акумуляторних батарей, а також двох
систем АКБ, на режими роботи цих комплексів, так як ВЕС зазвичай
виробляє електроенергію протягом усієї доби, цей вплив вже не такий
суттєвий і також практично не залежить від типу станції у складі комплексу.
Для комплексів з нічною, комерційною та денною зарядними
станціями використання двох систем акумуляторних батарей дозволяє
знизити річне енергоспоживання з мережі порівняно з використанням однієї
системи АКБ максимум на:
- 23 МВт⋅год (16% при 30 ВЕУ, 1500 АКБ та Vрік≈2,6 м/с), 20 МВтгод (11%
при 20 ВВУ, 1500 АКБ та Vрік≈2,6 м/с), 20 МВтгод (16% при 40 ВЕУ, 1500
АКБ та Vрік≈2,6 м/с) відповідно – енергопостачання ГЕК здійснюється від
ВЕУ із встановленою потужністю 30 кВт;
- 18, 17 МВт·год (13% и 14% при 10 ВЕУ, 1500 АКБ та Vрік≈2,6 м/с) та 23
МВт·год (27% при 20 ВЕУ, 1500 АКБ та Vрік≈2,6 м/с) відповідно – ВЭУ з
встановленою потужністю 60 кВт;
- 17 МВт·год (7% при 100 ВЕУ, 1500 АКБ та Vрік≈2,6 м/с), 14 и 15 МВт·год
(8% и 9% при 100 ВЕУ, 1500 АКБ та Vрік≈2,6 м/с) відповідно – ВЭУ з
встановленою потужністю 12 кВт.
Ці результати також підтверджують той факт, що якщо існує необхідність у
великій кількості акумуляторних батарей, то їх загальну кількість краще ділити на
дві групи заряду-розряду, ніж використовувати одну.
Згідно досліджень встановлено, що за однакової потужності ВЕС (наприклад,
2 ВЕУ 60 кВт та 10 ВЕУ 12 кВт) для енергопостачання ГЕК ефективніше
використовувати невелику кількість ВЕУ з великою встановленою потужністю, ніж
велику кількість ВЕУ з меншою встановленою потужністю. Це дозволяє значно
знизити річне енергоспоживання з мережі.
Що ж стосується того, як кількість акумуляторних батарей у складі
розглянутих енергетичних комплексів впливає на режими роботи цих комплексів,
то відповідні результати наведені нижче, але тільки для ГЕК з вітроелектричними
установками із встановленою потужністю 60 кВт. Це рішення пов'язане з тим, що,
згідно раніше наведеної інформації, за однакової потужності ВЕС використовувати
ВЕУ 60 кВт з точки зору зниження мережного енергоспоживання більш ефективно,
ніж ВЕУ 30 кВт чи ВЕУ 12 кВт.
Для гібридних енергокомплексів на основі ВЕС, до складу яких входять
станції заміни акумуляторних батарей, характерно все те, що було раніше сказано
про аналогічні ГЕК, але працюючих тільки від мережі або ДЕС.
Що ж до автономного гібридного енергокомплексу зі станцією заміни АКБ
та ВЕУ із встановленою потужністю 60 кВт, то для нього при кількості ВЕУ, що
дорівнює 1, 2, 5, 10 та 15 шт. найбільше зниження в вироблення ДЕС
спостерігається при кількості АКБ, що змінюється від 4 до 50 шт. Так може
досягати 6, 22 МВтгод за рік (3% и 17% при 50 АКБ в порівнянні з 4 АКБ, Vрік
7,2 м/с), 22 МВтгод за рік (14% при 50 АКБ в порівнянні з 4 АКБ, Vрік 4,5 м/с), 13
та 16 МВтгод за рік (5% і 7% при 50 АКБ в порівнянні з 4 АКБ, Vрік 2,6 м/с)
відповідно. При подальшому збільшенні кількості АКБ зниження вироблення ДЕС
– не більше ніж на 1,6 МВт·год на рік на 100 АКБ.
4.3 Оцінка ефективності ГЕК
З погляду максимального значення чистого дисконтованого доходу (ЧДД)
для енергетичних комплексів, розташованих неподалік від ліній електропередачі,
найбільш ефективними є ті варіанти, в яких енергопостачання ГЕК здійснюється
лише від мережі. Це пояснюється найменшими капіталовкладеннями. Далі по
ефективності йдуть комплекси, які працюють від вітроелектричних станцій та для
яких електрична мережа – резервне джерело живлення, а за ними – ГЕК,
працюючих від сонячних електростанцій.
У свою чергу, якщо окремо розглянути варіанти з гібридними
енергетичними комплексами на основі ВЕС, що складаються з
вітроелектритичних установок з різною потужністю, то можна відзначити, що за
однієї і тієї ж сумарної потужності ВЕС для енергопостачання енергокомплексів
ефективніше використовувати невелику кількість ВЕУ з великою встановленою
потужністю (1 ВЕУ 60 кВт), ніж велика кількість ВЕУ з меншою встановленою
потужністю (2 ВЕУ 30 кВт або 5 ВЕУ 12 кВт). Також це стосується і автономних
комплексів, що включають дизельні електростанції з установками різної
встановленої потужності.
Крім того, ефективність ГЕК так само залежить і від того, який тип станції
підзарядки входить до його складу. Для комплексів, що мають підключення до
мережі, при однаковому попиті на підзарядку протягом доби (40 електромобілів
на добу), найменш витратними з точки зору великих значень ЧДД є комплекси,
які у своєму складі мають нічну зарядну станцію. Це пов'язано з тим, що у таких
станцій пік енергоспоживання припадає на нічний час, таким чином, комплекси,
що їх включають, споживають більшу частину мережевої електроенергії вночі за
мінімальним тарифом. У свою чергу ГЕК з комерційною та денною станціями
більше електроенергії споживають вдень за підвищеним тарифом, у зв'язку з чим
значення ЧДД у цих комплексів менше.
Що ж до гібридних енергокомплексів зі станціями заміни акумуляторних
батарей, то порівнювати їх з ГЕК, що включають зарядні станції, не можна, тому
що попит на обслуговування електромобілів у цьому випадку різний. Єдине тут
можна порівняти між собою ГЕК, зі станціями заміни, що обслуговують таксопарк
та автопарк зони відпочинку, оскільки в обох випадках на станціях заряджається
однакова кількість акумуляторів, а саме 80 АКБ на добу. Так ГЕК, що працює на
таксопарк, споживає в нічний час доби більше мережевої електроенергії, а вдень
менше, ніж ГЕК, що працює на зону відпочинку. У зв'язку з цим, за аналогією із
зарядними станціями, у першого комплексу значення ЧДД вище, ніж у другого.
На підставі проведених досліджень можна відзначити, що в районах,
охоплених мережею централізованого електропостачання, найвигідніше
заряджати електромобілі на зарядних станціях ГЕК, що працюють тільки від
мережі – вартість зарядки у разі мінімальна. Однак, незважаючи на очевидну
ефективність мережної підзарядки, у таких районах можуть бути також ефективні
і енергетичні комплекси, що працюють від відновлюваних джерел енергії. Так,
навіть за невеликої середньорічний швидкості вітру (від 2,5 м/с), підзарядка
електромобіля на зарядній станції ГЕК на основі ВЕС обійдеться значно дешевше,
ніж заправка звичайного автомобіля на автозаправній станції. У свою чергу при
швидкості вітру понад 7 м/с такі комплекси можуть навіть скласти конкуренцію
мережним зарядним станціям.
Гібридні енергокомплекси на основі СФЕС також можуть бути ефективні в
районах централізованого енергопостачання, але тільки якщо для цих районів
характерні високі значення середньорічної парафії сонячного випромінювання
(від 190 Вт/м2) У цьому випадку вартість підзарядки електромобіля на зарядній
станції майже еквівалентна вартості заправки звичайного авто.
Для підзарядки акумуляторних батарей корпоративних електромобілів, що
входять до складу, наприклад, таксопарків, автопарків промислових підприємств,
зон відпочинку тощо, також найбільш вигідно використовувати комплекси, що
працюють лише від мережі. Причому чим більше добове навантаження таких
комплексів, тим менша підсумкова вартість підзарядки АКБ. Що ж до ГЕК на
основі ВЕС та ДЕК на основі СФЕС, то вони теж добре підходять для цих цілей
(особливо перші), навіть якщо і для місця їх розміщення характерні малі значення
середньорічної швидкості вітру та середньорічного приходу сонячного
випромінювання (від 2,6 м/с та від 125 Вт/м2 відповідно).
У свою чергу, для автономних енергокомплексів зі станцією заміни АКБ,
розташованих у районах, віддалених від ліній електропередачі використовувати
ВЕС вже зараз може бути ефективніше, ніж використовувати ДЕС.
На закінчення слід зазначити, що гібридні енергетичні комплекси на основі
станцій підзарядки електричних транспортних засобів та відновлюваних джерел
енергії, сьогодні поступово починають з'являтись. Їхня кількість у світі велика, а
в Україні таких комплексів обмежена кількість. Крім цього вони поки що менш
ефективні, ніж станції підзарядки, що працюють лише від мережі. Однак,
незважаючи на це, згідно з проведеними дослідженнями, підзарядка
акумуляторних батарей електромобілів на станціях, що працюють від ВДЕ,
обійдеться все ж таки значно дешевше, ніж заправка звичайних автомобілів на
АЗС, що в свою чергу не повинно завадити популяризації електричних
транспортних засобів. А з огляду на актуальність комплексів на основі станцій
підзарядки та ВДЕ з точки зору екології, економії копалин видів палива,
енергобезпеки та енергонезалежності, а також того, що згодом ціни на мережеву
електроенергію та дизельне паливо будуть зростати, а відповідні технології
розвиватися можна з упевненістю сказати, що такі ГЕК будуть ставати лише
привабливішими. Особливо це стосується районів, віддалених від населених
пунктів та ліній електропередач. До того ж слід також мати на увазі і підтримку з
боку держави, яка в результаті може сильно вплинути на розвиток таких
енергокомплексів.
Висновки по розділу 4
1. Для гібридних енергетичних комплексів, що працюють тільки від мережі
та включають станцію підзарядки, найбільше зниження в денному
енергоспоживання (за рахунок перерозподілу електроенергії протягом
доби) спостерігається при кількості акумуляторних батарей, що
змінюються від 0 до 700 шт. для зарядної станції та від мінімально
допустимої кількості до 50 АКБ для станції заміни акумуляторних
батарей;
2. Для мережевих (що мають підключення до електричної мережі)
енергетичних комплексів, що працюють від сонячної фотоелектричної
станції та включають станцію підзарядки, найбільше зниження в
енергоспоживання з мережі спостерігається при кількості
акумуляторних батарей, що змінюється від 0 до 500 шт. для зарядної
станції та від мінімальної допустимої кількості до 50 АКБ для станції
заміни АКБ. При цьому вказані діапазони не залежать від кількості
сонячних модулів у складі СФЕС та типу станції підзарядки. У свою
чергу для автономних гібридних енергокомплексів, працюючих тільки
від дизельної електростанції або від СФЕС та ДЕС та включають станцію
заміни акумуляторних батарей, оптимальною кількістю АКБ є
мінімально допустима кількість. Для розглянутого в цій роботі
автономного комплексу ця кількість дорівнює 4 АКБ;
3. Для мережевих енергокомплексів, що працюють від вітряної
електростанції та включають зарядну станцію, найбільше зниження в
енергоспоживання з мережі спостерігається за кількості акумуляторних
батарей, що змінюються від 0 до 100 шт. для однієї ВЕУ у складі ВЕС та
від 0 до 500 АКБ для двох і більше ВЕУ у складі ВЕС. При цьому вказані
діапазони не залежать від типу зарядної станції. У мережевих ДЕК із ВЕС
та станцією заміни АКБ, у свою чергу, енергоспоживання з мережі
сильно залежить як від кількості вітроелектричних установок у складі
ВЕС, так і від того, для потреб якого об'єкта використовується комплекс.
У зв'язку з цим найбільше зниження в мережевому енергоспоживання тут
може спостерігатися як при кількості акумуляторних батарей, що
змінюються в діапазоні від мінімально допустимої кількості АКБ до 50
шт., так і діапазоні з верхнею межею в 100 і навіть в 500 АКБ. Для
автономних ДЕК з ВЕС, ДЕС та станцією заміни АКБ оптимальна
кількість акумуляторних батарей з погляду зниження вироблення ДЕС і,
отже, витрати пального може змінюватися в діапазоні від 4 до 50 АКБ
незалежно від кількості ВЕУ у складі ВЕС.
4. При однаковій потужності вітряних або дизельних електростанцій для
енергопостачання гібридних енергокомплексів ефективніше
використовувати невелику кількість електроустановок з великою
встановленою потужністю, чим більша кількість електроустановок з
невеликою встановленою потужністю. Це дозволяє суттєво знизити
енергоспоживання з мережі або витрати дизельного палива та, отже,
зменшити собівартість виробленої електроенергії;
5. У складі енергокомплексів, що мають підключення до електричної
мережі, найбільш ефективно з точки зору максимуму ЧДД
використовувати зарядні станції або станції заміни акумуляторних
батарей, пік енергоспоживання яких припадає на вечірній-нічний час
доби. Станції підзарядки з піком енергоспоживання у ранковий-денний
час тут відповідно менш ефективні;
6. З погляду максимуму чистого дисконтованого доходу для районів,
охоплених мережею централізованого електропостачання, найбільш
ефективними є комплекси, що працюють лише від електричної мережі.
Далі за ефективністю йдуть комплекси, які працюють від ВЕС, а за ними
– ГЕК, що працюють від СФЕС. З точки зору максимуму ЧДД для
районів, розташованих на значному віддаленні від ліній електропередачі,
гібридні енергетичні комплекси, що працюють від ВЕС та які включають
станцію заміни акумуляторних батарей, можуть бути більш ефективні,
ніж ГЕК, що працюють тільки від ДЕС, вже при середньорічних
швидкостях, що перевищують 3 м/с. Для не дуже віддалених від ЛЕП
районів ГЕК на основі ВЕС стають актуальними вже за середньорічних
швидкостей вітру, рівних 4,5 м/с і більше.
ВИСНОВКИ
У межах кваліфікаційної роботи магістра було вирішено всі поставлені
завдання, що у результаті дозволило зробити наступні висновки щодо
використання гібридних енергетичних комплексів на основі відновлюваних
джерел енергії для енергопостачання зарядних станцій та станцій заміни
акумуляторних батарей засобів електричного транспорту:
1. На сьогоднішній день зарядні станції та станції заміни акумуляторних
батарей, що працюють від відновлюваних джерел енергії, потребують
подальшого розвитку. Однак у майбутньому, по мірою ще збільшення
числа електричних транспортних засобів, введення таких станцій в
експлуатацію дозволить не лише суттєво покращити екологічну
обстановку, але також підвищити енергобезпеку та енергонезалежність
регіонів країни та збільшити частку ВДЕ у енергобалансі України. До
того ж із зростанням цін на електроенергію та паливо економічна
ефективність станцій підзарядки на основі відновлюваних джерел лише
зростатиме, особливо це стосується станцій, які будуть розташовані
віддалено від населених пунктів та ліній електропередач. Таким чином,
такі станції та відповідна їм інфраструктура є актуальними не лише для
зарубіжних країн, а й в Україні;
2. Досліджено математичну модель ГЕК, що включає в себе генеруючі
електроустановки на основі сонячної та вітрової енергії, типові АКБ або
АКБ електромобілів та зарядні станції або станції заміни АКБ засобів
електричного транспорту з резервуванням енергопостачання від
електричної мережі чи ДЕС;
3. Дослідження впливу складу та параметрів ГЕК на режими його роботи
показало, що:
- для енергопостачання споживачів електроенергії вигідніше
використовувати малу кількість електроустановок з великою
встановленою потужністю, ніж велику кількість установок з невеликою
встановленою потужністю;
- у складі ГЕК, що мають підключення до електричної мережі, найбільш
ефективно з погляду зниження мережевого енергоспоживання
використовувати станції підзарядки, пік енергоспоживання яких
припадає на вечірній-нічний час доби;
- для ГЕК із підключенням до електричної мережі, що включають станцію
підзарядки та працюючих від ВДЕ або тільки від мережі, найбільше
зниження мережного енергоспоживання (для ГЕК, працюючих тільки від
мережі – вдень) спостерігається при кількості АКБ, що змінюється від 0
до 500 шт. для зарядної станції та від мінімально допустимої кількості до
50 АКБ для станції заміни АКБ;
- для автономних ГЕК, що включають станцію заміни АКБ та працюючих
від СФЕС та ДЕС або тільки від ДЕС, кількість АКБ на станції має бути
мінімальним;
- для автономних ГЕК, що включають станцію заміни АКБ та працюючих
від ВЕС та ДЕС, оптимальна кількість АКБ може змінюватися в діапазоні
від мінімально допустимої кількості до 50 АКБ;
4. З погляду максимуму чистого дисконтованого доходу для районів,
охоплених мережею централізованого електропостачання, найбільш
ефективними є комплекси, що працюють лише від електричної мережі.
Далі за ефективністю йдуть комплекси, які працюють від ВЕС, а за ними
– ГЕК, що працюють від СФЕС. З точки зору максимуму ЧДД для
районів, розташованих на значному віддаленні від ліній електропередачі,
гібридні енергетичні комплекси, що працюють від ВЕС та які включають
станцію заміни акумуляторних батарей, можуть бути більш ефективні,
ніж ГЕК, що працюють тільки від ДЕС, вже при середньорічних
швидкостях, що перевищують 3 м/с. Для не дуже віддалених від ЛЕП
районів ГЕК на основі ВЕС стають актуальними вже за середньорічних
швидкостей вітру, рівних 4,5 м/с і більше.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. ЗАКОН УКРАЇНИ Про деякі питання використання транспортних засобів,
оснащених електричними двигунами, та внесення змін до деяких законів
України щодо подолання паливної залежності і розвитку електрозарядної
інфраструктури та електричних транспортних засобів. Режим доступу:
https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2956-20#Text
2. Сучасний стан електромобільного транспорту та його перспективи в
Україні / В.С. Гірін / Криворізький національний університет / Гірничий
вісник, вип. 102, 2017. – с. 21-25.
3. ЕЛЕКТРИЧНІ АВТОМОБІЛІ: СУЧАСНИЙ СТАН ТА ПЕРСПЕКТИВИ
РОЗВИТКУ В УМОВАХ ЕКОЛОГІЧНИХ ВИКЛИКІВ / Л. Дзюбановська
в: Матеріали XІІ Міжнародної науково-практичної конференції молодих
учених та студентів «АКТУАЛЬНІ ЗАДАЧІ СУЧАСНИХ ТЕХНОЛОГІЙ»
– Тернопіль, 6-7 грудня 2023 року, с. 140-141.
4. Викиди забруднюючих речовин в атмосферне повітря. Державна служба
статистики України. Режим доступу: http://www.ukrstat.gov.ua/ (дата
звернення: 12.11.2023).
5. Global EV Outlook 2019. IEA webstore : веб-сайт. URL :
https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2019 (дата звернення:
12.11.2023).
6. Викиди забруднюючих речовин в атмосферне повітря. Державна служба
статистики України : веб-сайт. URL : http://www.ukrstat.gov.ua/ (дата
звернення: 12.11.2023).
7. Крючкова В. В., Марченко Ю. В., Гринь С. А. Електромобіль. Його
особливості та переваги з точки зору екології. Молодий вчений. 2016. №.
12. С. 44-46.
8. Статистичні дані по галузі автомобільного транспорту. Міністерство
інфраструктури України : веб-сайт. URL : https://mtu.gov.ua/
content/statistichnidanipo-galuzi-avtomobilnogo-transportu.html
9. Ширяєва Н. В., Клепіков Д. С. Дослідження ринку електромобілів та
перспективи його розвитку : дис. Центр фінансово-економічних наукових
досліджень, 2018.
10. СТАН І ДИНАМІКА РОЗВИТКУ РИНКУ АВТОМОБІЛІВ З
ЕЛЕКТРИЧНИМ ДВИГУНОМ В УКРАЇНІ / В. О. Терлецька. Вісник
Національного університету “Львівська політехніка”, № 2 (10), 2022. – с.
112-122.
11. Шевчук Я. В., Лалакулич М. Ю., Шевчук О. І. (2016). Перспективи
експлуатації та конкурентна спроможність електромобілів в Україні.
Науковий вісник Херсонського державного університету, Вип. 21 (2), 43–
46. Режим доступу: http://www.ej.kherson.ua/journal/economic_21/2/12.pdf
12. BloombergNEF. Режим доступу: https://about.bnef.com/
13. Review automotive industry. Офіційне видання Федерації роботодавців
автомобільної галузі України. № 3 (44) від 22.03.17 Режим доступу:
https://fra.org.ua/uploads/media/file/0001/03/c9e0fb89f27348031e9f75497b55
28 f089ffb002.pdf
14. Розвиток інфраструктури для електромобілів. Режим доступу:
https://eu4business.org.ua/success-stories/developingthe-infrastructure-for-
electric-cars/
15. Кількість електромобілів у світі та в Україні. Режим доступу: https://e-
auto.in.ua/kilkist-elektromobiliv-u-sviti-ta-ukra%D1%97ni-2023/
16. Перспективи ринку електромобілів. Режим доступу:
https://www2.deloitte.com/us/en/insights/focus/future-of-mobility/electric-
vehicle-trends-2030.html
17. Статистика продажів електромобілів у світі. Режим
доступу: https://www.statista.com/chart/26845/global-electric-car-sales/
18. Авторинок України 2021 / 2022. Режим доступу:
https://inventure.com.ua/analytics/investments/avtomobilnyj-rynokukrainy-
2021-2022
19. Режим доступу: https://metenergo.com.ua/ua/zaryadnaya-stantsiya-dlya-
elektromobiley-post-evolve-smart-s-2-kh-7.4kvt-230v-32a-type2-rozetka-s-
fiks.-odnovremen.-zaryad-stantsii-dlya-zaryada-elektromobiley/
20. Зарядна інфраструктура для електромобілів. Режим доступу:
https://energyup.com.ua/zariadna-infrastruktura-dlia-
elektromobiliv/?srsltid=AfmBOoqd1o8a1LCKpUHsvgEkOCxcZro1HASlg24u
9TtPhFgSAR4hHd2d
21. Гібридні автомобілі / О.В. Бажинов, О.П. Смирнов, С.А. Сєріков та ін.; за
заг. ред. О.В. Бажинова. – Х.: ХНАДУ, 2008. – 328 с.
22. Режим доступу: http://www.evworld.com/news. Venturi Streamliner Sets New
World Speed Record
23. Режим доступу: http://www.dw.com/ru 600-км-без-подзарядки-новые-
перспективы-развития-электромобилей
24. ДСТУ EN IEC 61851-1:2021 Система зарядки електричних транспортних
засобів.
25. Gianfranco Pistoia. Electric and Hybrid Vehicles. Power Sources, Models,
Sustainability, Infrastructure and the Market. First Edition. Elsevier, 2010;
26. Better Place. How It Works. Battery Switch Stations: [Електроний ресурс] //
Better Place, 2012. Режим доступу: URL: http://www.betterplace.com/How-
itWorks/battery-switch-stations;
27. Electric Vehicle Network: [Електроний ресурс] // Wikipedia, the Free
Encyclopedia. Режим доступу: URL:
http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle_network;
28. Renault-Nissan, EDF to Develop E-Cars and Infrastructure in France. Режим
доступу: URL: http://www.automotive-eetimes.com/en/renault-
nissan_edf_to_develop_ecars_and_infrastructure_in_france?cmp_id=7&news_
id=211100106;
29. Electric Car Use by Country: Wikipedia, the Free Encyclopedia. Режим
доступу: URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_car_use_by_country;
Сонячна зарядна станція для електромобіля Режим доступу:
https://onlysolar.in.ua/katalog/sonyachna-zaryadna-stanciya-dlya-
elektromobilya/ Solar Carport Market Size to Hit USD 1816.6 Mn, Globally, by
2033 Режим доступу: https://www.dsneg.com/info/solar-carport-market-size-
to-hit-usd-1816-6-mn-100087994.html; https://ua.dsisolar.com/info/solar-
carport-market-size-to-hit-usd-1816-6-mn-100673225.html
31. Технологічні орієнтири реалізації концепції Smart Grid в
електроенергетичних системах / С. П. Денисюк // Енергетика. - 2014. - №
1. - С. 7-21. Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/eete_2014_1_3
32. Sanya SkyPump EV Charging Station: Urban Green Energy. Режим доступу:
URL: http://www.urbangreenenergy.com/products/sanyaskypump;
33. WattStation and WattStation Connect – Fact Sheet: LilyPad EV. Режим
доступу: URL:
http://www.lilypadev.com/wpcontent/uploads/2012/08/DEQ178_WattStation_
FactSheet_v8.pdf;
34. Стан та перспективи розвитку ринку електрокарів в Україні. Режим
доступу: https://www.khadi.kharkov.ua/fileadmin/P_vcheniy_secretar
35. Статистичні дані по галузі автомобільного транспорту. Міністерство
інфраструктури України : веб-сайт. URL : https://mtu.gov.ua/
content/statistichnidani-po-galuzi-avtomobilnogo-transportu.html (дата
звернення: 12.09.2019).
36. Найпопулярніші електромобілі в світі. Британська аналітична фірма JATO
Dynamics : веб-сайт. URL : https://twitter.com/JATO_Dynamics (дата
звернення: 25.09.2019).
37. Структура продажів виробників електромобілів в Україні. Офіційний сайт
«Укравтопрому» : веб-сайт. URL : http://ukrautoprom.com.ua (дата
звернення: 27.09.2019).
38. Ширяєва Н. В., Клепіков Д. С. Дослідження ринку електромобілів та
перспективи його розвитку : дис. Центр фінансово-економічних наукових
досліджень, 2018.
39. Письменна У., Трипольська Г. Електромобілі та державна політика. URL:
https://dt.ua/business/elektromobili-ta-derzhavna-politika-
vrahovuyuchiracionalnist-ukrayinciv-mozhna-chekati-vidchutnogorozvitku-
rinku-elektromobiliv-ibez-osoblivoyi-pidtrimki-z-boku-derzhavi-_.html
40. Мережа MicroGrid тасистема резервного живлення Fronius. Режим
доступу: https://www.fronius.com/uk-ua/ukraine/sonyachna-
enerhiya/instalyatory-ta-partnery/produkty-ta-rishennya/avtonomni-ta-
rezervni-systemy-zhyvlennya/
41. Кадастр з клімату України. Режим доступу: http://cgo-
sreznevskyi.kyiv.ua/uk/klimatolohiia/pro-napriamok
42. Метеорологическая база данных NASA: URL: http://eosweb.larc.nasa.gov;
43. Метеорологическая база данных “Meteonorm”:URL: http://meteonorm.com;
44. Erik L. Petersen, Niels G. Mortensen, Lars Landberg, Jorden Hojstrup, Helmut
P. Frank. Wind Power Meteorology // Riso National Laboratory, Roskilde,
Denmark, 1997;
45. American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) – Light-Duty Electric Drive
Vehicle and Charging Infrastructure Testing. EV Project: Idaho National
Laboratory. URL: http://avt.inel.gov/evproject.shtml;
46. John Smart. Advanced Vehicle Testing Activity – Plug-in Electric Vehicle
Demonstration Results // Idaho National Laboratory;
47. EV Project Electric Vehicle Charging Infrastructure Summary Report // Idaho
National Laboratory and ECOtality North America;
48. Stephen Schey, Don Scoffield, John Smart. A First Look at the Impact of Electric
Vehicle Charging on the Electric Grid in The EV Project // EVS26 International
Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium;
49. Smart, J. and Schey S. Battery Electric Vehicle Driving and Charging Behavior
Observed Early in The EV Project // SAE Int. J. Alt. Power;
50. American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) – Light-Duty Electric
Drive Vehicle and Charging Infrastructure Testing. ChargePoint America
Vehicle Charging Infrastructure: Idaho National Laboratory. URL:
http://avt.inel.gov/chargepoint.shtml;
51. ChargePoint America Vehicle Charging Infrastructure Summary Report // Idaho
National Laboratory and ECOtality North America;
52. John Smart, Jamie Davies, Matthew Shirk, Casey Quinn, Kenneth S. Kurani.
Electricity Demand of PHEVs Operated by Private Households and Commercial
Fleets: Effects of Driving and Charging Behavior // The 25th World Battery,
Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition;
53. First All-Electric Taxi Fleet Could Hit Roads in US: Zee Media Corporation Ltd.
URL: http://zeenews.india.com/business/automobiles/automania/first-
allelectric-taxi-fleet-could-hit-roads-in-us_62781.html;
54. Filling Station: Wikipedia, the Free Encyclopedia. URL:
http://en.wikipedia.org/wiki/Filling_station;
55. Managing Energy Costs in Convenience Stores, E Source Companies LLC;
56. Ратнер С. В., Аксюк Т. Д. Зарубіжний досвід стимулювання мікрогенераціі
на основі відновлюваних джерел енергії: організаційноекономічні аспекти.
Науково-технічні відомості СПбДПУ. Економічні науки. 2017. № 4. С. 104-
113.
57. Ратнер С. В., Маслова С. С. Державне стимулювання розвитку ринку
електричних транспортних засобів: світовий досвід. Фінанси і кредит.
2017. № 22. С. 1281-1299;
58. С. О. Сафронов ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ КРИТЕРІЇВ ОЦІНКИ
ЕФЕКТИВНОСТІ ІНВЕСТИЦІЙНИХ ПРОЕКТІВ / Інвестиції: практика та
досвід № 13/2013. Режим доступу:
http://www.investplan.com.ua/pdf/13_2013/10.pdf;
59. Мамотенко Д.Ю. ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ІНВЕСТИЦІЙНИХ
ПРОЕКТІВ / Видавництво Львівської політехніки. Режим доступу:
https://vlp.com.ua/files/32_13.pdf;
60. Степаненко С. М., Польовий А. М., Лобода Н. С., та ін. К - 49 Кліматичні
зміни та їх вплив на сфери економіки України: [монографія] /колектив авт.:
С. М. Степаненко, А. М. Польовий, Н. С. Лобода [та ін.]; за ред. С. М.
Степаненка, А. М. Польового.– Одеса: Вид. „ТЕС” , 2015. – 520 с.