Перед энергосистемами современных городов и пригородов все острее стоит вопрос пиковых нагрузок. С каждым днем растет число и мощность приборов, которые могут включить люди, проснувшись, придя на работу или вернувшись домой. Миллионы компьютеров, телевизоров, СВЧ-печей, электробритв включаются одновременно, угрожая перегрузить всю систему.

«У каждой системы есть циклограмма потребления энергии, ― рассказывает доцент факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО Николай Поляков. ― Возьмем, к примеру, офисное здание. Туда все приходят более или менее одновременно, включают компьютеры, ставят кипятиться чайники ― в этот момент в здании резко возрастает потребление энергии. Вскоре этот пик может сгладиться, ведь кто-то начнет активно работать, а кто-то уедет по делам, кто-то выскочит за кофе, кто-то пойдет на совещание. Тем не менее, при проектировании традиционной системы всегда приходится делать расчет системы из условия работы на уровне пиковой нагрузки сети».

Это приводит к чрезмерным расходам на строительство энергетической инфраструктуры и большим тратам энергоресурсов. В теории можно было бы к обеду снижать выработку энергии на городской электростанции, но в реальности так сделать не получится. Необходимы другие решения.

Одним из шагов к изменению ситуации могло бы стать развитие микроэнергетических систем, когда отдельный дом или предприятие оборудуются комплексом интеллектуальных силовых преобразователей с накопителями энергии, датчиками и «умными» контроллерами, которые позволяют оптимально распределять нагрузку на сеть в зависимости от времени суток. Если же дополнить систему портативным ветрогенератором или маленькой солнечной батареей, то можно существенно снизить нагрузку на сеть, ведь количество электроэнергии, которое постоянно потребляет здание, можно чуть снизить, компенсируя пики нагрузки за счет накопленной энергии ветра или солнца.

Использование солнечной энергии. Источник: shutterstock.com
Использование солнечной энергии. Источник: shutterstock.com

Один дом ― одна система

Созданию такой «умной» микроэнергетической системы и посвящен интердисциплинарный проект, который в Университете ИТМО совместно реализуют сотрудники НПЦ «Прецизионная электромеханика» и Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники (Perolab).

«В настоящее время мы работаем над экспериментальными образцами интеллектуальных силовых преобразователей для микроэнергетической системы общей мощностью 15КВт ― эта мощность является достаточно типовой для потребления, например, в частном доме», ― поясняет Николай Поляков.

Система включает в себя несколько «умных» контроллеров и преобразователей. Она позволяет контролировать энергопотребление в доме, следить за пиковыми нагрузками и компенсировать «перерасход» энергии в сравнении с обычным состоянием системы за счет альтернативных источников энергии. Так, с помощью специального интеллектуального силового преобразователя ветровой энергии к электрической сети дома можно подключить ветрогенератор.

Компоненты силового инвертора. Иллюстрация предоставлена Николаем Поляковым
Компоненты силового инвертора. Иллюстрация предоставлена Николаем Поляковым

«Меня часто спрашивают, зачем вообще заниматься альтернативной энергетикой: в Петербурге солнца почти нет, ветрогенерация не сравнится по масштабам с выработкой АЭС ― так можно ли окупить установкой "ветряка" электроэнергию на дачном участке? Но постановка вопроса должна быть совсем другой, ― говорит Николай Поляков. ― Несмотря на энергию и мощность, которую способна обеспечить АЭС, в силу специфики работы невозможно управлять очень динамичными процессами изменения нагрузки/потребления только средствами самой АЭС. В Петербурге, например, кроме ЛАЭС около десятка ТЭС суммарной мощностью в несколько мегаватт (что соизмеримо с мощностью ЛАЭС). То есть дело не только в мощности выработки отдельной электростанции. При распределении нагрузки между АЭС и ТЭС до определенной степени рационализируется потребление энергетических ресурсов за счет управления выработкой энергии между уровнями пикового потребления и минимумами».

И именно эту функцию ― распределения, управления потоками энергии ― должны на качественно новом уровне решать гибридные энергетические системы нового поколения ― с альтернативными источниками энергии и собственными накопителями.

Силовой модуль на SiC транзисторах с драйвером. Фотография предоставлена Николаем Поляковым
Силовой модуль на SiC транзисторах с драйвером. Фотография предоставлена Николаем Поляковым

Потенциал таких систем можно раскрыть, если выйти за рамки представления о них, как об устройствах, обеспечивающих только автономное снабжение электроэнергией. Они могут служить для оптимизации энергопотребления целой системы, снижения максимальной нагрузки на инфраструктуру и сохранения резерва мощности при расширении энергосистемы, будь то частное хозяйство, здание или район города. Экономическая польза может быть не только за счет того, что вы используете «бесплатную» энергию солнца и ветра, но и за счет того, что, например, можете запасти энергию, купленную по дешевому «ночному» тарифу, а тратить ее днем. Не говоря уже о том, что так существенно можно повысить надежность электроснабжения.

Модуль умного окна

Прототипы модуля «умного» окна. Фотография предоставлена Николаем Поляковым
Прототипы модуля «умного» окна. Фотография предоставлена Николаем Поляковым

Однако ветрогенератор, который можно подключить к системе благодаря разработанным специалистами НПЦ «Прецизионная электромеханика» Университета ИТМО преобразователям, является не единственным альтернативным источником энергии. Также систему планируется оснастить так называемым МУО, или модулями умного окна.

«Идея этого устройства была предложена "Лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Perolab". Такое устройство должно выполнять три функции: пропускать солнечный свет как обычное окно, преобразовывать солнечный свет в электричество в дневное время суток и работать как светоизлучающий прибор с мягким диффузионным светом вечером и ночью, по желанию пользователя», ― поясняет Николай Поляков.

Впрочем, энергия может и не накапливаться на ночь. К примеру, вырабатываемое Умным окном электричество может поступать в сеть для освещения других помещений. За это отвечает еще один преобразователь ― солнечный инвертор (прибор, который преобразует постоянное напряжение от солнечных элементов в переменное). Все преобразователи разработаны в Университете ИТМО.

«В нашей разработке для силовых преобразователей мы использовали самые современные силовые транзисторы на карбиде кремния. Они обладают большим потенциалом с точки зрения частот коммутации, что положительно скажется на гармоническом составе токов, кроме того, такие силовые ключи обладают низкими коммутационными потерями. В силу этого, мы ожидаем высоких показателей КПД при достаточно большой мощности от нашего интеллектуального силового инвертора. При этом, поскольку потери нашего преобразователя невелики, там, где другой преобразователь потребовал бы активного охлаждения, мы можем обойтись пассивным. Кроме того, наша система ― модульная, ее можно масштабировать в достаточно большом диапазоне мощностей», ― поясняет Поляков.

Компоненты силового инвертора. Иллюстрация предоставлена Николаем Поляковым
Компоненты силового инвертора. Иллюстрация предоставлена Николаем Поляковым

Испытания

В настоящий момент инженеры работают над макетами систем для проведения испытаний. Уже готов макет преобразователя для подключения ветрогенератора. Этот этап работы завершен в мае.

Помимо самих систем, команда также должна подготовить испытательный стенд с набором измерительного оборудования для тестирования своей разработки ― эта работа должна быть закончена к концу года.

Далее на основе эскизных проектов и созданных макетов можно будет искать партнеров для создания промышленных образцов, которые могут лечь в основу серийной продукции.

Перейти к содержанию