Такое будущее не произойдет — в Форт-Коллинзе или где-либо еще — без преодоления серьезных проблем. К ним относятся не только технологические, но и политические и нормативные вопросы. Сегодня каждый раз, когда домовладелец устанавливает фотоэлектрические панели на крыше и начинает вращать счетчик электроэнергии в обратном направлении, каждый раз, когда владелец подключаемого гибрида решает зарядить автомобильные аккумуляторы, и каждый раз, когда начинает вращаться новая ветряная турбина, она выходит из строя. сетки.Хотя эти индивидуальные возмущения могут быть незначительными, поскольку они начинают исчисляться сотнями тысяч или даже миллионами, нагрузка на сеть, не предназначенную для их обработки, станет потенциально катастрофической.

В электроэнергетике происходят те же фундаментальные изменения, которые уже изменили телекоммуникации и вычислительную технику, — говорит Кларк Геллингс, научный сотрудник Исследовательского института электроэнергетики (EPRI) в Пало-Альто, Калифорния. Вспомните время расцвета телефона. стационарный телефон, когда монополия предоставляла надежную услугу без всяких звонков и свистков.Сегодня множество поставщиков услуг связи предлагают больше возможностей и услуг проводной и беспроводной связи, чем, честно говоря, большинство людей думают. Под компьютерами также понимались гигантские мэйнфреймы, к которым можно получить доступ через удаленные терминалы. Но когда процессоры и память стали достаточно дешевыми и мощными, люди могли владеть своими компьютерами, получать доступ к информации и обмениваться ею через Интернет, а также использовать возможности распределенных вычислений в облаке.

Больше пива, меньше ватт: солнечные батареи на New Belgium Brewing Co.в Форт-Коллинзе, штат Колорадо, поставляют 3% электроэнергии станции. Пивоварня участвует в долгосрочных планах города по созданию центра города с нулевым потреблением энергии и с нулевым уровнем выбросов углерода к середине века. Фото: New Belgium Brewing

Геллингс представляет аналог электричества, который он называет ElectriNet: тесно взаимосвязанная и интерактивная сеть энергетических систем, которая также объединяет телекоммуникации, Интернет и электронную коммерцию. (Геллингс впервые представил тогдашнее еретическое понятие потребителей электроэнергии, управляющих своим потреблением — концепцию, которую он назвал «управление нагрузкой на стороне спроса» — в декабрьском выпуске журнала IEEE Spectrum за 1981 год.) Такая сеть позволит традиционным коммунальным предприятиям разумно связываться с отдельными домохозяйствами, поставщиками услуг и пока еще непредвиденными игроками в сфере электроэнергетики, стимулируя миллиарды ежедневных «транзакций» с электроэнергией, которые будут происходить между производителями и потребителями. Умные бытовые электроприборы смогут автоматически реагировать на изменения цен на электроэнергию, например, выключаться или включаться при повышении или понижении цен. ElectriNet также позволит обеспечить домашнюю безопасность, услуги передачи данных и связи и тому подобное.[Послушайте подкаст-интервью с Геллингсом о будущем энергосистемы.]

Кроме того, по словам Геллингса, современные датчики, развернутые по всей сети, позволят операторам сетей визуализировать энергосистему в режиме реального времени, что является ключевой возможностью для обнаружения неисправностей, физических атак и кибератак, а также для предотвращения или, по крайней мере, снижения последствий сбоев.

В то время как распределенная генерация уже завоевывает популярность во многих местах, отмечает Геллингс, «мы должны двигаться к действительно интегрированной энергосистеме.Это система, которая наилучшим образом использует распределенные и централизованные ресурсы, потому что централизованная выработка электроэнергии никуда не исчезнет, ​​хотя она может измениться по форме и форме ». [Подробнее о нежелательности отказа сети см. На боковой панели «Медленная смерть сети».]

Высокоинтеллектуальная и гибкая сеть, способная обрабатывать мириады транзакций, происходящих между сотнями тысяч или даже миллионами отдельных производителей и потребителей энергии, не просто желательна, говорят эксперты.Это должно произойти, потому что альтернатива будет мрачной.

Просто спросите у немцев. Щедрые субсидии на возобновляемые источники энергии, называемые льготными тарифами, привели к тому, что страна добавила 30 гигаватт солнечной и 30 гигаватт ветровой энергии всего за несколько лет. В ясный свежий полдень на возобновляемые источники энергии может приходиться более половины вырабатываемой в Германии электроэнергии.

«Звучит неплохо, но для коммунального предприятия это выглядело как огромная отрицательная нагрузка», — отмечает Бенджамин Кропоски, директор по интеграции энергетических систем в Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Голдене, штат Колорадо.Когда вырабатывается большое количество возобновляемой энергии, мощность обычных центральных электростанций соответственно снижается, чтобы поддерживать систему в сбалансированном состоянии. Но если происходит локальный сбой, скачок напряжения или какое-либо другое нарушение в сети, схема защиты быстро отключает инверторы фотоэлектрических элементов. (Инверторы — это системы на основе полупроводников, которые преобразуют постоянный ток от солнечных элементов в переменный.) А это, в свою очередь, может привести к каскадной нестабильности в масштабах всей системы.

«Если вы потеряете 30 гигаватт всего за 10 циклов» — то есть за две десятых секунды — «вы не сможете достаточно быстро увеличить мощность обычных генераторов, чтобы компенсировать это», — отмечает Кропоски.Поэтому немцам пришлось потратить эквивалент сотен миллионов долларов на более умные инверторы и каналы связи, которые позволили бы фотоэлектрическим массивам автоматически преодолевать любые помехи, а не просто отключаться.

Клиенты дорого платят за эти обновления: тарифы на электроэнергию в Германии с 2002 года выросли вдвое, примерно до 40 центов США за киловатт-час. Это более чем в четыре раза дороже электричества в Иллинойсе. Многие другие страны сейчас учатся на этом опыте, добавляет Кропоски, «чтобы убедиться, что солнечные и ветровые системы интегрируются с энергосистемой таким образом, чтобы способствовать общей стабильности системы.”

Вт там, где ничего не было: переосмысленное энергетическое будущее с более распределенной генерацией, хранением и микросетями предназначено не только для жителей богатых стран. В него также войдут те, у кого нет доступа к электричеству — это почти 1,3 миллиарда человек на данный момент. Действительно, это уже происходит. SharedSolar, проект, начатый Колумбийским университетом Виджай Моди и некоторые из его учеников внедряют небольшие фотоэлектрические батареи, соединенные микросетью, в деревнях по всей Африке к югу от Сахары.Домохозяйства и предприятия вносят предоплату за электроэнергию почти так же, как они могут предоплату за услуги мобильной связи. Фото: SharedSolar

Крупный японский эксперимент использует такой комплексный подход. В 30 минутах езды на поезде от центра Токио застройщик превращает старое поле для гольфа в запланированный умный город под названием Кашиваноха. Энергия, вода и другие общественные услуги для конечного населения в 26 000 человек разумно управляются во всех масштабах, от отдельных домохозяйств до предприятий и заводов до общегородских сетей.

Концепция «умного города» существует уже давно. Но на самом деле это не произошло в Японии до катастрофы на Фукусиме в марте 2011 года, — говорит Акихико Тобе, генеральный менеджер подразделения Hitachi по проектам умного города, которое поставляет системы управления энергопотреблением для Кашиваноха. «Землетрясение все изменило, — говорит Тобе. «Многим городам был нанесен большой ущерб из-за отключений электричества и воды. В высоких зданиях пожилые люди оказались в ловушке на верхних этажах из-за того, что лифты перестали работать.”

Итак, система электроснабжения Кашиваноха предназначена для обеспечения бесперебойного обслуживания критически важных систем, таких как лифты, водяные насосы и больницы в случае возникновения чрезвычайной ситуации. Для этого он использует несколько хранилищ аккумуляторов, а также микросеть, которая облегчает совместное использование электроэнергии и может работать изолированно от основной сети. Командный центр на втором этаже гостиницы и многоквартирного дома наблюдает за микросетью и отслеживает, где именно потребляется и генерируется электроэнергия.Во время нормальной работы клиентам также рекомендуется отслеживать собственное потребление энергии с помощью сенсорных мониторов в своих домах и на работе. Тем, кто особенно хорошо сокращает свое потребление, начисляются «экологические баллы», которые они могут обменять на товары и услуги в местном торговом центре LaLaPort.

«Хорошее будущее электричества будет зависеть от каждой новой технологии, о которой вы только можете подумать»

Со временем, говорит Тобе, будет добавлено больше домашней автоматизации, например, датчики, которые автоматически отключают свет при открытии шторы.Также будет предложен мониторинг состояния здоровья, чтобы отслеживать такие вещи, как количество упражнений и количество потребляемых калорий. «Люди, которые переезжают в Кашиваноху, понимают, что этот город представляет собой разрыв с прошлым», — говорит Тобе. «Их образ мышления таков, что они создают новую культуру, и они очень заинтересованы в том, чтобы участвовать в улучшении жизни».

Если предположить, что перспективных городов, таких как Форт-Коллинз и Кашиваноха, достигнут своих энергетических целей, можно ли повторить этот успех? «Хорошее будущее электричества будет зависеть от каждой новой технологии, о которой вы только можете подумать», — говорит Геллингс из EPRI.«Накопление энергии, эффективность устройств, более совершенные способы добычи угля и природного газа, сетевые датчики, более совершенное поколение». По его словам, если какая-либо из этих технологий не будет развиваться так, как теперь предполагают эксперты, это может помешать работе. Регулирующие органы и политики также должны быть убеждены в необходимости крупных инвестиций в инфраструктуру, которые потребуются более умной интегрированной сети.

Даже если все эти изменения произойдут, сетка 2064 года по-прежнему будет во многом похожа на сегодняшнюю сетку.Например, крупные угольные электростанции останутся значительной частью энергобаланса. Согласно данным International Energy Outlook 2013 Управления энергетической информации США, США, Австралия и многие другие страны выведут из эксплуатации свои устаревшие угольные электростанции, но другие страны продолжат строительство новых. В докладе прогнозируется, что Китай, уже являющийся ведущим мировым потребителем угля, добавит к 2040 году около 530 гигаватт угольных мощностей. Таким образом, доля угля в производстве электроэнергии во всем мире в 2040 году, вероятно, будет всего на несколько процентных пунктов ниже, чем в 2010 году.

И как только эти новые заводы войдут в строй, их будет трудно сдвинуть с места. «Это очень инерционное поле», — говорит Вацлав Смил, изучавший медленные темпы изменений в электроэнергетике. «Строительство одной электростанции обходится примерно в миллиард долларов. Как только вы установите его на место, вам не захочется оторвать его и начать заново. Так что инновации будут происходить в основном на периферии ».

Незначительные инновации могут привести к глубоким изменениям в будущей энергосистеме, если такие города, как Форт-Коллинз и Кашиваноха, сделают это правильно.Через пятьдесят лет, говорит Стив Катанах, менеджер по свету и электричеству Fort Collins Utilities, две угольные электростанции, на которых город получает 80 процентов электроэнергии, больше не будут работать. Их место займут новые парогазовые турбины, но также увеличится доля распределенной генерации. В наши дни коммунальное предприятие активно поощряет инвестиции в ветряную и солнечную энергию с помощью нового зеленого тарифа, который позволит потребителям продавать свою электроэнергию обратно в сеть по гарантированной ставке.Более широкое использование механизмов спроса и реакции позволит клиентам сократить их использование в периоды пикового спроса. И когда хранение энергии станет доступным, добавляет Катанах, «мы будем использовать это, чтобы сбалансировать изменчивость возобновляемых источников энергии».

В то время как некоторые отраслевые эксперты ломают руки над надвигающейся «спиралью смерти» для сегодняшних коммунальных предприятий, Катанаху удается с оптимизмом смотреть в будущее. «Форт-Коллинз — прекрасное место для жизни, и здесь всегда горит свет», — говорит он. Он почти уверен, что через 50 лет люди все еще смогут говорить то же самое.

Как работает электросеть

Что составляет электросеть?

Электросеть нашей страны состоит из четырех основных компонентов, каждый из которых подробно описан ниже.

Индивидуальные генераторы

Электроэнергия вырабатывается различными предприятиями, включая электростанции, работающие на угле и природном газе, плотины гидроэлектростанций, атомные электростанции, ветряные турбины и солнечные батареи. Расположение этих электрогенераторов и их удаленность от конечных потребителей сильно различаются.

Эти технологии также физически отличаются от , и в результате они по-разному используются и управляются в энергосистеме. Например, некоторые типы электростанций, такие как угольные и атомные электростанции, имеют небольшую краткосрочную гибкость в регулировании выработки электроэнергии; увеличение или уменьшение выработки электроэнергии занимает много времени [1].

Другие установки, такие как установки, работающие на природном газе, могут быть быстро расширены и часто используются для удовлетворения пикового спроса.Более разнообразные технологии, такие как ветровая и солнечная фотоэлектрическая энергия, обычно используются всякий раз, когда они доступны, в значительной степени потому, что их топливо — солнечный свет и ветер — является бесплатным.

В любой момент времени также всегда существует «резервный запас», определенный объем резервных генерирующих мощностей, которые доступны для компенсации потенциальных ошибок прогнозирования или неожиданных остановов электростанции. Спрос на электроэнергию, ее предложение, запасы наценки и сочетание технологий производства электроэнергии постоянно контролируются и управляются операторами сети, чтобы обеспечить бесперебойную работу всего.

Электрогенераторы принадлежат электроэнергетическим компаниям или коммунальным предприятиям, которые, в свою очередь, регулируются Комиссией по коммунальным предприятиям штата (PUC) или Комиссией по коммунальным услугам (PSC). PUC и PSC — это независимые регулирующие органы, назначаемые законодательным собранием штата. Генераторы могут быть построены только с одобрения PUC или PSC, и эти агентства устанавливают соответствующие тарифы на электроэнергию в пределах своего штата, которые коммунальные предприятия должны соблюдать [2].

Линии передачи

Линии электропередачи необходимы для передачи электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния и соединения генераторов электроэнергии с потребителями электроэнергии.

Линии электропередачи представляют собой воздушные линии электропередач или подземные силовые кабели. Воздушные кабели не изолированы и уязвимы к погодным условиям, но их установка дешевле, чем подземные силовые кабели. Воздушные и подземные линии электропередачи выполнены из алюминиевого сплава и армированы сталью; подземные линии обычно изолированы [3].

Линии электропередачи находятся под высоким напряжением, потому что это снижает долю электроэнергии, теряемой при транспортировке, — в среднем около 6% в США [4].Когда электричество течет по проводам, часть его рассеивается в виде тепла в результате процесса, называемого сопротивлением. Чем выше напряжение на линии электропередачи, тем меньше электроэнергии она теряет. (Большая часть электрического тока протекает вблизи поверхности линии передачи; использование более толстых проводов минимально повлияет на потери при передаче.)

Напряжение на уровне передачи обычно составляет 110 000 вольт или 110 кВ или выше, при этом некоторые линии передачи имеют напряжение до 765 кВ [5].Однако генераторы вырабатывают электроэнергию при низком напряжении. Чтобы сделать возможной транспортировку электроэнергии высокого напряжения, электричество сначала необходимо преобразовать в более высокое напряжение с помощью трансформатора.

Эти высокие напряжения также значительно превышают то, что вам нужно в вашем доме, поэтому, когда электричество приближается к конечным потребителям, другой трансформатор преобразует его обратно в более низкое напряжение, прежде чем оно попадет в распределительную сеть.

Линии электропередачи сильно взаимосвязаны для резервирования и повышения надежности электроснабжения, как показано на этой карте U.С. линий электропередачи показывает. В Соединенных Штатах есть три основные сети электропередачи: Западное межсетевое соединение, Восточное межсетевое соединение и Совет по надежности электроснабжения Техаса (ERCOT).

Как и генераторы электроэнергии, линии электропередачи должны быть одобрены государством (PUC или PSC) перед строительством. Однако оптовые сделки с электроэнергией, которые заключаются между региональными сетевыми операторами, регулируются национальным агентством, именуемым Федеральной комиссией по регулированию энергетики (FERC) [6].

FERC регулирует электросеть в более широком масштабе, чем PUC, и может разрешать споры между различными участниками рынка в сети. Сетями передачи иногда управляют коммунальные предприятия, но некоторые сети управляются отдельными объектами, известными как независимые системные операторы (ISO) или региональные передающие организации (RTO). Эти компании способствуют конкуренции между поставщиками электроэнергии и обеспечивают доступ к передаче путем планирования и мониторинга использования линий передачи.

Распределение

Распределительная сеть — это просто система проводов, которые собираются там, где заканчиваются линии передачи. Эти сети начинаются с трансформаторов и заканчиваются домами, школами и предприятиями. Распределение регулируется на уровне штата PUC и PSC, которые устанавливают розничные тарифы на электроэнергию в каждом штате.

Потребительское использование или «нагрузка»

Передающая сеть заканчивается, когда электричество наконец попадает к потребителю, позволяя включать свет, смотреть телевизор или запускать посудомоечную машину.Образцы нашей жизни складываются в меняющийся спрос на электроэнергию по часам, дням и сезонам, поэтому управление энергосистемой является сложным и жизненно важным для нашей повседневной жизни.

Электричество и как оно поступает в ваш дом

Что такое электросеть и как она работает?

Проще говоря, электросеть — это просто система транспортировки электронов. Это огромная централизованная сеть, состоящая из электростанций, трансформаторов и линий электропередач, которые соединены между собой, чтобы передавать электроэнергию от электростанции в ваш дом.

Электроэнергия может быть произведена различными способами, но когда дело доходит до сети, большая часть электроэнергии вырабатывается на крупных центральных станциях, таких как угольная электростанция, газовая установка или большая ветряная и солнечная электростанция. Все эти энергообъекты вырабатывают электричество одним и тем же способом — некоторые с загрязнением, а другие (например, с ветром) без каких-либо выбросов CO2.

Независимо от того, является ли начальная сила сжиганием угля или силой ветра, эти силы работают, чтобы вращать турбину, затем эта турбина вращает генератор.Движение генератора производит электроны, и поток этих электронов мы называем электричеством. Именно это электричество теперь должно поступать от электростанции в ваш дом. Он делает это, путешествуя по сетке.

Чтобы объяснить, как работает сетка, давайте проследим за электроном через систему. Для целей этой истории назовем нашего маленького электронщика Джо. Да, маленький Джо-электрон! Теперь Джо мог быть произведен из любого количества источников: ветряной электростанции, угольной электростанции и т. Д.Но независимо от того, где Джо был сгенерирован , он всегда будет выглядеть и действовать одинаково . Электрон — это электрон независимо от того, откуда он пришел, и у него нет атрибутов, которые делают его чистым, кроме того, где он возник. Для целей этой истории (и из любви к чистой энергии) допустим, что Джо был создан на ветряной электростанции без какого-либо дополнительного загрязнения!

После того, как он был создан из вращающейся ветряной турбины, Джо отправляется в следующую часть сети.Первый шаг для Джо и всех его друзей-электронов — пройти через трансформатор. Трансформаторы увеличивают напряжение проходящего электричества. Это помогает подготовить электроны к путешествию, особенно если им нужно путешествовать на большие расстояния.

После этого Джо направляется прямо к проводам питания, где он будет пропускать ток до вашего дома. Как только Джо подойдет достаточно близко к вашему дому, его отправят через другой трансформатор. Этот следующий трансформатор снизит напряжение проходящего электричества до приемлемого уровня.Это важно; ваш дом может выдержать только такое количество вольт.

После этого снова к проводам и прямо в ваш дом! Джо входит в ваш дом через розетку. После того, как прибор подключен к сети, он может пройти через шнур вашей лампы и запитать ваш свет. Тогда Джо официально выполнил свою работу, проведя электричество через сеть в ваш дом!

Если вы хотите узнать больше об этом процессе, посмотрите это короткое видео о электросети:

Чтобы узнать, как вы можете убедиться, что больше электронов поступает из чистых источников, посетите веб-сайт Arcadia.

Строим сеть будущего, сегодня

Каждый вечер солнце опускается за горизонт и наступает тьма. И каждый вечер, хотя 6 миллиардов человек выходят на связь и включают свет, более 1,2 миллиарда остаются отключенными от сети [1]. Более 100 лет, с тех пор, как угольная электростанция Томаса Эдисона впервые осветила дома и офисы в центре Манхэттена, электричество для этого света — подавляющее большинство — доставлялось из электросети. Но электросеть в том виде, в каком она есть сегодня, не может решить задачу по доставке электроэнергии 1 миллиарду людей, которые остаются без нее.Для доставки электроэнергии к последнему миллиарду потребуется сеть будущего, объединяющая правительства, частный сектор и технологические инновации, которые революционизируют энергетическую отрасль в том виде, в каком мы ее знаем.

Проблема лучше всего иллюстрируется 650 миллионами африканцев, которые не имеют доступа к электричеству и живут в основном в отдаленных сельских районах. На данный момент электрификация этих сообществ нежизнеспособна по трем основным причинам.Первые два:

1. Стоимость: Стоимость подключения и текущие операционные расходы невероятно высоки из-за удаленности и низкой плотности населения.

2. Бедность: Большинство людей в этих сельских общинах не могут обеспечить доходы, необходимые для покрытия этих затрат.

Эти два фактора означают, что сельские потребители не могут платить за их подключение. Этот разрыв характерен не только для Африки. Это типично для истории электрификации сельских районов в каждой отдельной стране, начиная с Соединенных Штатов, первой страны, распределяющей электроэнергию через электрические сети.Проблемы, перечисленные в этом исследовательском отчете Конгресса 1926 года [2], можно было бы почти снять с отчета Всемирного банка о текущих усилиях в Африке:

Широкомасштабная электрификация сельских районов до настоящего времени сдерживалась финансовыми препятствиями на пути к прибыльному распределению энергии в сельскохозяйственных районах… Главными финансовыми препятствиями являются небольшой денежный доход фермера в сочетании с крупными единичными инвестициями, необходимыми в распределительные системы для обслуживания только несколько ферм на милю линии.

Президент Франклин Рузвельт устранил этот пробел в 1935 году, учредив Управление по электрификации сельских районов (REA). За первые 5 лет работы REA предоставило субсидируемые государством ссуды на сумму более 227 миллионов долларов (3,6 миллиарда долларов в сегодняшних долларах) на подключение сельских фермеров посредством прокладки распределительных линий, электропроводки в домах и даже строительства местных дизельных электростанций.

Этот принцип субсидирования подключения к основным сетям является общим для всех стран, добившихся всеобщей электрификации.Так почему же это не сработало в странах Африки к югу от Сахары?

Потому что сельские африканцы сталкиваются с еще одним важным препятствием, которого не было у сельских американцев в 1930-е годы:

3. Они живут в странах, правительства которых небогаты.

McKinsey прогнозирует, что к 2040 году 500 миллионов африканцев по-прежнему не будут иметь доступа к основной сети. [4] Исторически сложилось так, что странам требовалось в среднем 25 лет, чтобы перейти от уровня электрификации с 20 до 80 процентов [5]. Южная Африка является хорошим примером: она осуществила переход от 20 до 80 за 27 лет.Ключом к этому стал огромный рывок в конце 1990-х годов, когда правительство субсидировало 100 процентов капитальных затрат на каждое отдельное соединение. [6] Однако для стран, находящихся в начале этого перехода, таких как Танзания, например, даже 27 лет выглядят оптимистично. ВВП на душу населения в Танзании в семь раз меньше, чем в Южной Африке в тот же момент, когда проводились усилия по электрификации [7]. Если сельские жители Танзании будут ждать, пока правительство полностью профинансирует всеобщий доступ, они будут ждать очень долго.

Все три препятствия можно преодолеть, построив сеть будущего уже сегодня. Этот шаг объединяет существующее участие правительства с двумя новыми разработками.

Первым событием является рост четырех технологических тенденций, которые меняют известную нам энергетику:

1. Солнечные батареи и батареи — становятся все дешевле и лучше.

2. Интернет вещей (IoT) — распространение удаленного мониторинга и обслуживания.

3. Мобильные деньги — удобные платежные системы для не охваченных банковскими услугами.

4. Энергоэффективные приборы — светодиоды, телевизоры, холодильники, обеспечивающие те же услуги при меньших затратах энергии.

Эти четыре мегатенденции радикально меняют экономику энергоснабжения удаленных сельских потребителей.

Чтобы оживить масштабы этого преобразования, стоит вернуться в Нью-Йорк конца XIX века.К концу 1890 года, если вы были жителем Манхэттена ниже 59-й улицы, вы могли присоединиться к 1698 другим клиентам Edison Electric Illuminating Company и получать электроэнергию по цене «один цент за 16 центов. п. час лампы »[8], что эквивалентно 20 центам за киловатт-час (0,20 доллара США / кВтч). Как это по сравнению с сегодняшним днем? С поправкой на инфляцию, это эквивалентно примерно 5 долларам за киловатт-час, что примерно соответствует нормированной цене на энергию, которую домашняя солнечная система может поставлять сельскому потребителю в Африке.

Не стоит недооценивать, насколько это необычно. Теперь можно доставлять электроэнергию в отдаленные сельские районы в Африке с помощью автономной системы, которая помещается в картонную коробку, по той же цене за кВтч, что и угольная электростанция Эдисона в одном из крупнейших и наиболее густонаселенных городов страны. мир.

Второе событие — это появление частных энергетических компаний в сельской местности. Компании, занимающиеся домашними солнечными системами (SHS), такие как M-KOPA Solar и Mobisol, добились огромных успехов в предоставлении энергетических услуг, продав комплекты мощностью от 8 до 200 Вт с освещением, зарядкой для телефонов и телевизорами.Совсем недавно компании частного сектора, такие как PowerGen Renewable Energy, воспользовались преимуществами четырех технологических мегатенденций для создания и эксплуатации небольших версий основной электросети — мини-сетей, которые могут обслуживать сельских потребителей как более экономично, так и за много лет до этого. основная сетка прибывает.

Обычно расширение магистральной сети до сельского домохозяйства, не имеющего электросети [9], обходится национальной энергосистеме Танзании TANESCO в 2300 долларов [9] из-за высокой стоимости прокладки высоковольтных линий в отдаленные районы (более 30 000 долларов / км для линий> 66 кВ [ 10]).Новое обещание мини-сетей заключается в том, что вместо этого одно и то же домашнее хозяйство может быть подключено к мини-сетям за 500-1000 долларов (за счет более дешевых солнечных батарей и батарей и отключения высоковольтных линий), при условии постоянного предоставления услуг по энергоснабжению на высоком уровне. более низкая стоимость (за счет Интернета вещей, мобильных денег и энергоэффективных устройств), а также поддержка подъема по энергетической лестнице для использования энергии для охлаждения, фрезерования и орошения за счет неустанного внимания частных компаний к потребителю.

Частный капитал — это последняя часть решения трех препятствий на пути электрификации сельских районов.Привлечение частного капитала снизит нагрузку на национальные правительства. Долгосрочная государственная поддержка по-прежнему жизненно важна, но она значительно сокращена. Для правительства, привыкшего субсидировать 100 процентов подключения к мини-сетям в размере 1000–2000 долларов, субсидирование 50 процентов подключения к мини-сетям на сумму 500–1000 долларов является гораздо лучшим распределением ограниченных ресурсов.

Сетка будущего

Но — почему правительства должны поддерживать мини-сети? Разве они не временная остановка, инвестиция, которая становится невозвратной стоимостью, когда приходит основная сеть?

Сэм Слотер, генеральный директор и основатель PowerGen не согласен с этим: «Нет, мини-сети — это основная сеть, построенная более дешево, с использованием более разумных технологий и на годы опережая график.Когда основная сеть действительно достигает этих сообществ, появляется функционирующая распределительная сеть и клиентская база, к которой она может подключиться ». Локализованные генерация и хранение продолжают обеспечивать дополнительную мощность и надежность. Слотер утверждает, что мини-сети позволяют странам эффективно «строить сеть будущего извне внутрь», позволяя более бедным и удаленным людям подключаться быстрее и дешевле, чем это было возможно раньше.

Что нужно сделать, чтобы это произошло? К счастью, в мини-сетях, субсидируемой электрификации сельских районов или участии частного сектора нет ничего нового, поэтому мы можем изучить недавние примеры, чтобы извлечь уроки.

Должны произойти три вещи:

1. Экономика мини-сетей должна стать слишком убедительной, чтобы ее можно было игнорировать.

Мини-сети должны стать ответом на обещания политиков об универсальном доступе к энергии. Им необходимо обеспечить максимальное количество подключений на том же уровне энергоснабжения при минимальном государственном финансировании. Правительства африканских стран уже знакомы с мини-сетями: национальная коммунальная компания Кении KPLC управляет 19 мини-сетями, в основном на дизельном топливе. Однако их экономика неубедительна.Правительство Кении профинансировало 100% капитальных затрат сети, а стоимость топлива, используемого для производства электроэнергии, полностью перекладывается на всех клиентов KPLC. Вместо этого мини-сети частного сектора должны стать «слишком хорошим предложением, чтобы отказаться от него». — дешевле и лучше.

2. В сектор необходимо привлечь частный и государственный капитал, чтобы показать, что он работает в больших масштабах.

Правительствам нужны доказательства того, как мини-сети могут сочетать инновации в руках частного сектора со смешанным частным и государственным финансированием для обеспечения масштабной электрификации.Опять же, это не новость для Африки. Благодаря спонтанным концессиям на мини-сети снизу-вверх в Мали удалось обеспечить электроэнергией 78 000 сельских домохозяйств с момента начала программы в 2003 году. В стране действует более 250 таких мини-сетей, которыми управляют 68 частных предприятий. AMADER (агентство по электрификации сельских районов Мали) учредило фонд электрификации сельских районов, который обеспечивал операторов мини-сетей в среднем 75% капитальных вложений, остальная часть поступала от местных частных финансистов.

Для других стран, рассматривающих возможность субсидирования мини-сетей, нагрузка также меньше ожидаемой. Например, в недавнем отчете подсчитано, что дополнительный сбор, необходимый для поддержки расширения мини-сети в Кении, составляет 0,0006 долл. США / кВтч, что составляет менее 1% увеличения среднего тарифа [11].

3. Государственная политика и регулирование должны поддерживать инновации.

Наконец, государственная политика и регулирование должны поддерживать развитие сети будущего, которая будет интегрированной сетью крупномасштабной генерации, потребителей и локальных распределенных генераторов и хранилищ, позволяющей потребителям как получать, так и отправлять электроэнергию.Нигерия недавно взяла на себя ведущую роль в построении мини-сетей в своем будущем энергетическом планировании, приняв некоторые из самых четких правил на континенте, в которых излагается, как мини-сеть интегрируется в основную сеть, когда она появляется.

Эти три изменения помогут создать энергосистему будущего уже сегодня. И эта сеть будущего — это то, что необходимо для реализации амбиций универсального доступа к энергии, отстаиваемых сегодня правительствами по всей Африке и впервые сформулированных компанией Edison Electric Illuminating Company 124 года назад:

При естественном росте бизнеса относительная стоимость производства тока должна неуклонно снижаться, и в недалеком будущем должно наступить время, когда станет возможным снизить стоимость тока для освещения, а также для других целей. и сделать электричество не просто роскошью в частных резиденциях, удобством и экономией на производственных предприятиях, но и общим служением общества.” [12]

Примечание : Эта статья отражает только точку зрения автора, а не Инициативу по развитию Африки.

конечные ноты

[1] Куплер А. (1926). Электрификация сельской местности в США. Отчеты редакционных исследований 1926 г. (Том III)

[2] Кухни и Фишбэк, Переверните переключатель: пространственное влияние администрации сельской электрификации 1935-1940, 2013

[3] Отчет McKinsey’s Brighter Africa, февраль 2015 г.

[4] там же

[5] Marquard et al: Программа электрификации Южной Африки: обзор и оценка, 2007 г.

[6] World Energy Outlook, 2016

[7] Всемирный банк — http: // data.worldbank.org (данные о ВВП с поправкой на инфляцию, но не на ППС)

[8] Edison Electric Illuminating Company of New York Annual Report, 1890

[9] Отчет McKinsey’s Brighter Africa, февраль 2015 г.

[10] Удельная стоимость инфраструктурных проектов в Африке к югу от Сахары, 2008 г., Всемирный банк

[11] Отчет ECA

[12] Edison Electric Illuminating Company of New York Annual Report, 1893

Как построить аккумуляторную батарею для солнечной энергосистемы, используя батареи глубокого цикла

Что такое солнечная энергетическая система?

существует 4 основных типа солнечных энергетических систем в зависимости от их применения — сетевые солнечные, внесетевые солнечные и гибридные солнечные энергосистемы.

1) В сети — солнечная ферма

Это солнечная электростанция, которую еще называют «солнечная ферма». Это огромная мега-ваттная солнечная энергосистема, работающая как электростанция, вырабатывающая электричество для общественного или частного использования. Солнечные панели подключаются к инвертору постоянного и переменного тока и отправляют электроэнергию в сеть переменного тока. В большинстве случаев батарея в качестве накопителя энергии не нужна, поскольку вся солнечная энергия направляется в сеть.

2) По сети — нетто-учет

Это солнечная система для дома или офиса.On Grid — система сетевого учета может сэкономить ваши счета за электроэнергию. Нагрузки переменного тока питаются напрямую от солнечной энергии, а не от сети. Когда солнечные панели производят больше электроэнергии, чем требуется нагрузкам переменного тока, эта избыточная солнечная энергия будет продаваться обратно в сеть.

3) Вне сети

Это независимая автономная солнечная энергосистема без подключения к сети переменного тока. Наша высокоэффективная гелевая солнечная батарея глубокого цикла LWI может обеспечить длительный срок службы автономных солнечных батарей.Автономная солнечная энергетическая система дает вам полностью автономную солнечную энергию в любое время и в любом месте.

4) Гибрид

Гибридная солнечная энергетическая система сочетает в себе преимущества сетевых измерений «в сети» и «вне сети». Нагрузки переменного тока питаются напрямую от солнечной энергии, излишки солнечной энергии можно использовать для зарядки батарей или продавать обратно в сеть. Батареи заряжаются от сети переменного тока в пасмурную погоду днем ​​и ночью. Батарею можно использовать для питания нагрузок переменного тока днем ​​или ночью, когда тариф на электроэнергию в сети слишком высок.Нагрузки переменного тока также обеспечиваются высококачественными гелевыми батареями глубокого разряда LWI при отказе сети (затемнение).

Что такое аккумуляторная батарея для солнечной энергосистемы?

Разобравшись с 4 основными типами солнечных энергетических систем, давайте поговорим о батарее. Аккумуляторная батарея означает несколько аккумуляторов с параллельным и последовательным подключением, установленных в аккумуляторную батарею, которые накапливают солнечную энергию от солнечной панели и обеспечивают электроэнергией нагрузки через инвертор постоянного и переменного тока. Аккумуляторная батарея является основным элементом солнечной энергосистемы в качестве накопителя энергии.

В чем разница между резервным аккумулятором и аккумулятором глубокого разряда?

Во-первых, стоит поговорить о применении аккумулятора. Вообще говоря, есть два основных применения промышленных аккумуляторов: использование в режиме ожидания и циклическое использование.

• Использование в режиме ожидания — аварийное резервное питание для ИБП, базовой станции связи и системы безопасности. Батарея всегда полностью заряжена и находится в режиме ожидания в качестве резервного источника питания, батареи используются только при сбое электросети, питание от батареи перем. Тока нагружается через инвертор DC-AC во время отключения электроэнергии.

  Батареи такого типа, технически называемые «разряженными», используются только несколько раз в год, большую часть времени они просто ждут и ждут. Когда аккумулятор используется в качестве резервного источника питания, он обычно не сильно разряжается. Люди больше внимания уделяют его «жизни в режиме ожидания», чем «жизненному циклу»

VRLA AGM и VRAL GEL предназначена для использования в режиме ожидания.

Гелевая батарея особенно хорошо известна своим более длительным сроком службы в режиме ожидания в экстремальных погодных условиях.

• deep Cycle use — источник энергии для электронного скутера, электромобиля, электронного велосипеда и возобновляемых источников энергии

  Аккумулятор всегда используется каждый день в качестве источника энергии. Мы называем это «одним циклом», когда аккумулятор полностью заряжается и один раз глубоко разряжается.

  Этот тип батареи в качестве источника питания должен обеспечивать максимально возможное количество энергии для увеличения времени использования, поэтому обычно она глубоко разряжается для обеспечения большей мощности. Люди больше внимания уделяют его «циклической жизни», чем «резервной жизни».Эти батареи, предназначенные для приложений с глубоким циклом, называются батареями глубокого цикла.

VRLA AGM, батарея глубокого разряда VRAL GEL и трубчатая батарея глубокого разряда предназначены для приложений глубокого разряда.

Гелевая батарея особенно хорошо известна своим более длительным сроком службы в режиме ожидания в экстремальных погодных условиях.

Трубчатая батарея названа за счет использования трубчатой ​​положительной пластины для более длительного срока службы, что почти в три раза больше, чем у AGM и гелевой батареи глубокого разряда

Почему мы должны использовать батарею глубокого цикла для солнечной энергосистемы?

Очевидно, батарея в солнечной энергетической системе заряжается днем ​​на солнце и разряжается в пасмурную погоду днем ​​или ночью.Батарея действует как накопитель солнечной энергии, она резервирует солнечную энергию в солнечное время и обеспечивает питание в дождливое время или ночью. Таким образом, солнечная батарея всегда полностью заряжена и сильно разряжена. Для аккумуляторной батареи солнечной энергосистемы следует выбрать аккумулятор глубокого разряда.

Сколько батарей мне нужно для моей солнечной энергосистемы?

зависит от того, сколько переменного тока нагрузки, которыми обычно являются бытовые электроприборы, и как долго они будут питаться от батарей.Например, если у вас есть нагрузка переменного тока мощностью 1500 Вт, и вам необходимо работать от батарей в течение 3 часов. Расчет таков:

1500 Вт x 3 часа = 4500 Вт · ч, что означает, что вам нужна емкость аккумулятора 4500 Вт · ч. Если мы используем гелевый аккумулятор глубокого разряда 12 В, 150 Ач, (гелевая ссылка) Емкость одной батареи составляет 12 В x 150 Ач = 1800 Втч. 4500 Втч / 1800 Втч = 2,5, поэтому нам понадобится как минимум 3 аккумулятора для поддержки нагрузок переменного тока.

Тем не менее, система солнечного инвертора для домашнего использования обычно составляет 48 В, Это означает, что солнечная панель и аккумуляторная батарея должны быть 48 В.Одиночная гелевая батарея глубокого разряда составляет 12 В, поэтому нам нужно несколько единиц из 4, которые превращаются в систему на 48 В при последовательном подключении. В приведенном выше случае нам нужно использовать 4 аккумулятора 12 В 150 Ач для аккумуляторного блока

На что следует обратить внимание перед выбором аккумулятора?

Есть несколько факторов, которые следует учитывать при определении общей стоимости в течение срока службы батареи.

• Батарея Цена: низкая цена всегда привлекательна, но если низкая цена достигается за счет качества и срока службы батареи, необходимость частой замены батареи может со временем повысить стоимость.

• Емкость аккумулятора. Емкость важна, потому что это мера количества энергии, хранящейся в аккумуляторе.

• Напряжение аккумуляторной батареи: необходимо учитывать напряжение аккумуляторной батареи, чтобы обеспечить его соответствие системным требованиям. Напряжение аккумуляторной батареи часто определяется спецификациями инвертора при установке системы постоянного тока в переменный или напряжением нагрузок в системе постоянного тока.

• Срок службы батареи: наиболее важным фактором является срок службы, который обеспечивает количество циклов разрядки / зарядки, которое может обеспечить аккумулятор, прежде чем емкость упадет до определенного процента от номинальной емкости.Батареи разных производителей могут иметь одинаковую емкость и энергоемкость, а также вес. Но дизайн, материалы, процесс и качество влияют на продолжительность цикла батареи.