Во многих регионах, где работают литейные заводы — в странах Африки к югу от Сахары, Южной Азии, некоторых частях Ближнего Востока — электросеть либо недоступна, либо ненадежна. Литейный завод, подключенный к слабой сети, может столкнуться с просадками напряжения, колебаниями частоты и незапланированными отключениями электроэнергии, что делает индукционную плавку невозможной без резервного источника энергии. Традиционным решением были дизельные генераторы, но дизельное топливо стоит 0,25–0,50 доллара за кВт·ч с учетом топлива, технического обслуживания и амортизации генератора, что делает стоимость плавки непомерно высокой.
Компания MONTE INTELLIGENCE работает над гибридными солнечно-дизельными энергетическими системами для индукционных плавильных установок. Концепция проста: солнечные фотоэлектрические панели обеспечивают базовую электрическую нагрузку в дневное время, а дизельные генераторы — резервное питание в пасмурную погоду и при ночной работе. Система снижает потребление дизельного топлива на 40-60% — этого достаточно, чтобы окупить инвестиции в солнечную энергетику за 3-5 лет при типичных ценах на дизельное топливо.
Архитектура системы состоит из пяти основных компонентов. Во-первых, это солнечная фотоэлектрическая батарея — наземные или кровельные панели, размеры которых подобраны таким образом, чтобы обеспечивать целевую долю суточного энергопотребления печи. Для индукционной печи мощностью 1 МВт, работающей 8 часов в день, суточное энергопотребление составляет приблизительно 8 МВт·ч (при условии 1000 кВт·ч/тонну для плавки железа и переработки 8 тонн в день, или, альтернативно, при работе на пониженной мощности для плавки меньших объемов). Солнечная батарея, обеспечивающая 50% этой энергии, должна генерировать 4 МВт·ч в день.
Расчет размера фотоэлектрической батареи зависит от солнечной энергии на данном участке. В местности с 5 пиковыми солнечными часами в день (типично для многих тропических и субтропических регионов) фотоэлектрическая батарея мощностью 1 МВт (постоянного тока) генерирует приблизительно 5 МВт·ч в день, с учетом потерь в системе в размере 15-20% из-за КПД инвертора, проводки, загрязнения и снижения номинальной мощности из-за температуры. Для установки батареи требуется приблизительно 1,2-1,5 гектара земли на 1 МВт, или 0,6-0,8 гектара, если она установлена на крыше литейного цеха.
Во-вторых, система накопления энергии на основе батарей (BESS) обеспечивает буфер между переменной выработкой фотоэлектрической энергии и нагрузкой индукционной печи. Индукционная плавка — это мощная переменная нагрузка: печь может потреблять 1 МВт во время плавки и 100-200 кВт во время выдержки. Батарея должна обеспечивать или поглощать разницу между выработкой фотоэлектрической энергии и нагрузкой печи ежесекундно, поддерживая стабильность напряжения шины постоянного тока, необходимую инвертору. Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи являются предпочтительным типом батареи из-за их длительного срока службы (4000-6000 циклов при 80% глубине разряда), хороших характеристик безопасности и снижения стоимости (в настоящее время около 80-120 долларов США за кВт·ч на уровне батарейного блока в 2026 году).
Емкость аккумулятора рассчитана на максимально возможный период низкой выработки солнечной энергии во время плавильной смены — обычно 2-4 часа работы на полной нагрузке для системы, рассчитанной на высокую надежность. Для печи мощностью 1 МВт аккумулятор емкостью 4 МВт·ч обеспечивает 4 часа работы на полной мощности без солнечного излучения, что покрывает большинство облачных периодов и позволяет оператору завершить плавку, не прерывая ее. Аккумулятор можно заряжать в периоды, когда выработка фотоэлектрической энергии превышает потребность печи, или ночью от дизель-генератора, если на следующий день ожидается облачная погода.
В-третьих, гибридный инвертор — силовая электроника, преобразующая постоянный ток от фотоэлектрической батареи и аккумулятора в переменный ток для печи. Это не стандартный солнечный инвертор; он должен учитывать характеристики нагрузки индукционной печи, которые включают низкий коэффициент мощности (0,15-0,25 только для индукционной катушки, скорректированный до 0,95+ конденсаторной батареей печи) и высокое содержание гармоник от среднечастотного источника питания. Инвертор должен быть рассчитан на потребляемую мощность в кВА, а не только в кВт, и должен включать фильтрацию гармоник, чтобы предотвратить обратную передачу гармоник печи в фотоэлектрическую систему и срабатывание защиты инвертора.
В-четвертых, дизель-генератор — его мощность должна быть рассчитана на обеспечение полной мощности печи, когда ни солнечная энергия, ни аккумулятор не могут удовлетворить спрос, как правило, в течение длительных периодов облачности или при работе в ночное время. Номинальная мощность генератора должна быть примерно в 1,2–1,5 раза больше номинальной мощности печи, чтобы учесть пусковой ток и коэффициент мощности. Для печи мощностью 1 МВт обычно используется генератор мощностью 1,5 МВА. Генератор работает только тогда, когда это необходимо — гибридный контроллер запускает и останавливает его автоматически в зависимости от уровня заряда батареи и прогнозируемой выработки солнечной энергии.
В-пятых, гибридная система управления энергией (СУЗ) — контроллер, который ежесекундно определяет, как распределять энергию между фотоэлектрической батареей, аккумулятором, генератором и печью. Логика СУЗ включает в себя: если выработка фотоэлектрической энергии превышает потребность печи, зарядить аккумулятор; если потребность печи превышает выработку фотоэлектрической энергии, разрядить аккумулятор; если уровень заряда аккумулятора падает ниже 20%, запустить генератор; если прогноз погоды предсказывает длительную облачность, запустить генератор раньше, чтобы сохранить емкость аккумулятора; если становится доступна электроэнергия из сети (для систем, подключенных к сети), использовать сеть в качестве дополнительной.
Экономический анализ гибридной солнечно-дизельной системы прост: сравните приведенную стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями (включая стоимость цикла работы батареи), с предельными издержками производства электроэнергии дизельными батареями. Приведенная стоимость электроэнергии для гибридной системы, включая замену батареи каждые 8-10 лет, составляет приблизительно 0,06-0,10 долл. США за кВт·ч. Стоимость производства электроэнергии дизельными батареями составляет 0,25-0,50 долл. США за кВт·ч. Экономия на кВт·ч солнечной энергии составляет 0,15-0,44 долл. США. Для системы, вырабатывающей 1500 МВт·ч солнечной электроэнергии в год, ежегодная экономия составляет 225 000-660 000 долл. США, что окупает инвестиции в систему в размере 1,5 миллиона долларов США за 2,3-6,7 года.
Компания MONTE INTELLIGENCE занимается проектированием гибридных солнечно-дизельных систем для индукционных плавильных установок, включая оценку солнечных ресурсов, расчет размеров системы и интеграцию с нашими комплектами индукционных печей.
Для проведения технико-экономического обоснования гибридной солнечно-дизельной системы для вашего литейного производства свяжитесь с helenxu@cnlymonte.com.
