Зелена енергетика для базових станцій та всього до 2 кВт.
Приблизно 3 роки тому ми почали експеримент із забезпечення базових станцій енергією з джерел на місці. але головна проблема — над отриманні енергії, а її перетвореннях і накопиченні.
Розповім про зламані вітряки і те, що ми зрозуміли за три роки, та унікальний геозонд для охолодження стійки з обладнанням зв'язку.
Експеримент
Тестові базові станції розташовуються в Самарі та Мурманську. У Самарі базова станція працює від альтернативної енергії та підстраховується звичайним промисловим введенням від «міста». У разі припинення живлення від нашої установки базова станція переключається на міську мережу та продовжує роботу. Другий об'єкт на узбережжі Баренцевого моря одразу робився автономним, міської мережі там не було. На випадок припинення харчування було встановлено ДДУ з добовим запасом палива та контролер, що дозволяє запускати його віддалено.
У Самарі ми пробурилися на 25 метрів вниз і поставили геозонд, що дозволяє отримувати хорошу різницю температур з поверхнею.
За підсумками трьох років можна сказати, що працює все досить стабільно, але, щоб вийти на цю стабільність, знадобилося багато граблів, досвіду і доробок. Відразу скажу про окупність — у Самарі система виходить у плюс через п'ять років порівняно з роботою від ДГУ, у Мурманську значно швидше — за 3 роки.
Устаткування
Нагадаю, ми поставили на об'єктах датчики та збирали дані, плюс користувалися статистикою. Отримані результати трохи розійшлися із наступною практикою, але некритично. Вийшло ось що: у Самарі середньодобове споживання 19,2 кВт * год, середньорічна швидкість вітру 5,2 м / с, прихід сонячної радіації 4,5 кВт * год на квадратний метр на день. У Мурманці середньодобове споживання 26,4 кВт*год., середньорічна швидкість вітру 6,5 м/с, прихід сонячної радіації 3 кВт*год. на квадратний метр на день.
У Самарі ми встановили вітрогенератор на 4 кВт та 6 сонячних панелей по 200 Вт. Базова станція була на пагорбі, вітри по регіону в середньому непогані. Перша проблема була із ізраїльським вітряком, який, мабуть, був розрахований на особливий ізраїльський вітер. Загалом він був дуже розумним і функціональним, але не видавав заявлені характеристики. Зате голландський вітряк був простий і надійний як автомат Калашнікова (і з приблизно порівнянною кількістю автоматики, «флюгер» з пасивною системою орієнтації на вітер), натомість видавав те, що обіцяно. Весь час поки одну з лопатей буквально недавно не вирвало нетиповим для регіону майже ураганом. Такі ж вітряки використовують в Африці, і там вони добре зарекомендували себе навіть в умовах маси абразивів у повітрі.
У Самарі горизонтально-осьовий вітродвигун, розрахункова швидкість вітру – 12 м/с, номінальна потужність – 4 кВт, діаметр ротора – 4,2 м, робочий діапазон до 55 м/с, ККД 43%, середньодобовий виробіток до 12,5 кВт* год.
У Мурманську теж горизонтально-осьовий вітродвигун, розрахункова 12 м/с, номінал 4 кВт, діаметр ротора більше – 5 м, робочий діапазон швидкостей до 60 м/с, ККД 45%, середньодобовий виробіток цілих 38,6 кВт*год.
У Мурманську вітер, у Самарі – сонце. Вітряк починає давати достатній струм лише тоді, коли вітер сильний. Там майже кубічна залежність від швидкості вітру, тому реально гарний він тільки в похмурі дні, коли сонця немає, а вітер ого-го який. Але без цього ніяк — у такі дні інакше не зарядишся.
Сама базова станція споживає близько 500 Вт, у середньому стільки ж забирає систему охолодження. Внизу, на глибині приблизно між 30 і 50 метрами, тепло і принадно: там незалежно від пори року тримається температура від +4 до +8. Якщо копати на кілометр, можна зустріти зовсім гарячі місця, але такі геозонди роблять для ЦОДів в Ісландії, наприклад. У нас же система зворотна - ми опускаємо воду вниз, чекаємо, поки вона стане приблизно +10, потім піднімаємо нагору охолоджувати обладнання. Замість 500 Вт на кондиціонер, ми отримали 15 Вт на насос. Потужність охолодження – 2600 Вт, споживання електроенергії – 35 Вт (разом із додатковими системами), свердловина – 25 метрів.
У Мурманці з геозондом не встромитись — ґрунт кам'янистий, і в серію таке рішення точно не увійде. Навіть у Самарі у нас два бури застрягло, поки все зробили. У Мурманську такий добрий вітер на узбережжі, що погнуло щоглу одного з тестових вітрогенераторів ще на початку проекту.
Оптимізація системи
По-перше, обладнання базової станції споживає 48 В. На першій стадії ми врізалися до введення в контейнер базової станції. Вийшло так: ми віддаємо постійний струм, його треба перетворити на 220 для стандартного інтерфейсу введення БС(розрахованого на міську мережу), а потім знову отримати 48 для живлення обладнання. Лізти в типову конфігурацію базової станції таки довелося — на цих зайвих перетвореннях ми заощадили приблизно 9%. Щоправда, 220В на БС все одно потрібне — це обладнання моніторингу та інші допоміжні речі, але вони споживають мало. Щоб так працювати, потрібно монтувати обладнання в одному контейнері (термобоксі) із самої БС — спочатку саме на тій БС наш контейнер був окремим.
По-друге, треба було скидати надлишки енергії за певних обставин. Ми змонтували невеликі ТЕНи зовні контейнера, щоб гріти навколишнє повітря, якщо не потрібно перезаряджати батарею.
По-третє, виявилося, що потрібний ще один ТЕН усередині контейнера. Справа в тому, що одного разу температура всередині опустилася до +5. Телеком-стійкі добре, а ось батареям (наший та ДБЖ БС) - не дуже. Але це краще, ніж нагрівання до +35, коли акумулятори старіють на очах і з кожним новим градусом прямо пливе термін служби. Так ось, витрачати енергію на нагрівання термобоксу ефективніше, ніж втрачати ємність через холод.
По-четверте, ми поставили перші сонячні батареї з розрахунку "скільки влізе на контейнер". Зараз до серійних проектів увійде не 6, а 12 штук — вони не дуже дорогі, а прибуток дуже хороший від такого подвоєння. До речі, самі батареї із Зеленограда показали себе чудово - нарікань до них немає з першого дня, струм на виході стабільний і не падає вже 3 роки.
По-п'яте, дуже важливою виявилася робота з контролером заряду. Більш складний алгоритм обчислення оптимального струмузаряду та оптимального використання енергії з вітряка та батарей у різних режимах дозволив чітко знаходити оптимальну точку за кривою характеристики заряду. Ми постійно коригували його на основі даних, що збираються, і тепер у нас є дуже хороша евристика, яка застосовна в будь-якому регіоні крім крайньої півночі (але там справа місяця-двох отримати потрібні дані).
По-п'яте, наше вузьке місце – акумуляторна батарея. Вона найдорожча, зокрема, тому вимагає регулярної заміни раз на кілька років. Перша сольова батарея підвищеної ємності із сольовим розплавом усередині була ідеальною, але фантастично дорогою. До серії увійдуть звичайні свинцеві елементи. І тут ще є важливий момент — на БС і так стоять батареї, це блоки ДБЖ, яких вистачає на кілька годин мовлення станції. Наша АКБ на 800 ампер-годин, наявний на БС масив - 500 ампер-годин. На одній із БС оператор запропонував об'єднати наші АКБ та їх, щоб отримати масив більшої ємності. Так зазвичай з різними типами батарей не роблять (це знижує термін експлуатації), а й оператору, і нам було важливо отримати експериментальні дані від збільшення ємності. Поєднали. У серію вводитимемо такі батареї, щоб акумуляторний банк був загальним. Після випрямлячів стоять наші контролери – вони роблять відбір потужності на наші акумулятори та акумулятори БС. Це також дало оптимізацію у тому випадку, якщо все-таки через негоду довелося заводити ДДУ.
По-шосте, ми одразу зробили гарний моніторинг. Він зажадав незначних доробок, що було важливо — поставити новий контактор управління ДДУ, щоб перевести дизель у ручний режим, запускати та зупиняти. Спочатку частодоводилося змінювати пороги запуску дизеля при низькій напрузі акумулятора, потім знову набрали потрібний досвід. В результаті датчики стоять на всіх джерелах і споживачах, ми бачимо, скільки йде з сонячних батарей, яка вироблення з вітрогенератора, напруга на всіх ділянках ланцюга, споживання. Стоять погодні датчики (температура-вітер), дві камери для зовнішнього та внутрішнього спостереження (зручно дивитися на стійку через камеру).
По-сьоме, у Мурманську замість геозонду була система фрикулінгу. Із нею виникла складність. Проблема в тому, що клапан для гарячого повітря був у стіні контейнера на протилежному боці холодного паркану. Так от, при сильних вітрах цей клапан (що виглядає як шторка) просто вигинало і відкривало у зворотний бік. Не було іноземців такого досвіду. А наш вітчизняний виробник пообіцяв уже інший хитрий клапан, який так поводитися не буде, зараз якраз монтуємо.
Зараз на підході заміна акумуляторної батареї спробуємо ще варіант.
Регламентні роботи: - Два рази на рік візуальний огляд, видалення пилу та перевірка натягу розтяжок щогли. — Щороку опускання щогли вітрогенератора, протяжка різьбових з'єднань, розкручування кабелю вітрогенератора, перевірка акумуляторних батарей.
Результати
Наші рішення дуже сподобалися службі експлуатації мережі. Справа в тому, що кількість виїздів скоротилася у 10–12 разів. Раніше їздили на заправку ДДУ як на чергування. У середньому 90-95% часу в нашому харчуванні, 5-10% від дизеля можна отримати майже на будь-якій БС. Відповідно, техобслуговування дизеля теж робитьсярідше - у нього ТТО по мотогодин. До речі, особливо сподобалося експлуатаційникам, що коли поряд впала ЛЕП, наша БС не зійшла з мережі.
Останній рік тестів після оптимізації результати. Самара: зниження споживання БС на 30%, коефіцієнт автономії – 81%, коефіцієнт використання альтернативних джерел – 60%. Мурманськ: зниження споживання БС на 15%, коефіцієнт автономії – 100% (пощастило з погодою, могло бути близько 97%), коефіцієнт використання від альтернативних джерел – 100%.