Александр Лавренов, основатель и технический директор компании Сорокопут (http://40put.ru)
Системы спутниковой связи за последние годы превратились из разряда редких технических решений в необходимый элемент для организации работы и жизни. Процесс внедрения и эксплуатации давно отлажен, и в любом регионе РФ существует достаточное количество специализированных компаний, предлагающих свои услуги в данной области. Задача энергообеспечения спутниковых станций сводится к реализации бесперебойного питания от сетевого источника энергии и не требует каких-либо специальных знаний и опыта. Однако на территориях, отдаленных от крупных промышленных центров, коммуникаций и электросетей, все еще есть поле для поиска оптимального решения.
В данном обзоре речь пойдет об энергообеспечении автономных систем спутниковой связи, абонентских ЗССС, расположенных в труднодоступных местах. Именно на автономных объектах требования к стабильности работы наиболее высоки. Не менее важна и экономическая составляющая, поскольку доставка оборудования и топлива на автономный объект в большинстве случаев является одной из главных расходных статей в процессе строительства и эксплуатации. Современный заказчик стремится снизить стоимость эксплуатации объекта, сохранив при этом достаточную надежность. Все чаще начинают применяться гибридные системы энергообеспечения, а в последние годы массово внедряются системы на базе альтернативных источников энергии, зачастую обеспечивая энергией не только оборудование связи, но и весь автономный объект в целом.
Типовой комплект ЗССС в рабочем режиме потребляет от 60 (при использовании ODU мощностью 2 Вт) до 200 Вт (при использовании 5-ваттного приемопередатчика) электроэнергии. В зависимости от режима работы суточная потребность в электроэнергии составляет от 0,3 до 5 кВт·ч. В 100% случаях станция обеспечивает канал связи для другого оборудования, которое питается от того же источника питания. Как показывает практика, следует рассчитывать на минимальное энергопотребление от 0,6 кВт·ч в сутки только на систему связи и связанное с ней телекоммуникационное оборудование. Эта малая потребность, о которой обычно не задумываются в городских условиях, создает множество проблем в местах, где отсутствует сетевая электроэнергия.
На что необходимо обратить внимание при выборе (расчете) источника энергии ЗССС? В первую очередь на суммарное энергопотребление, время и часы работы станции (в случае периодического включения). От этих параметров зависит необходимая мощность возобновляемого источника, а также размер аккумуляторного банка. Энергопотребление различных моделей ЗССС сильно отличается. К примеру, типовой комплект iDirect с 2-ваттным приемопередатчиком, работающим в Ku-диапазоне, потребляет до 50 Вт в режиме передачи, а 5-ваттный аналог уже потребует источник мощностью до 200 Вт, без учета энергопотребления абонентского оборудования. Периодическое включение ЗССС потребует намного меньше энергии, чем круглосуточная эксплуатация, а при исключительно дневной работе ЗССС можно вообще обойтись небольшим буферным аккумулятором. Поэтому следует учитывать, что точная проработка моделей оборудования и режима эксплуатации является ключевым условием при расчете энергосистемы и сильно влияет на итоговую стоимость проекта. Во вторых, важное значение имеет способ эксплуатации системы. В случае полностью автономной работы без присутствия человека дополнительно возникает задача удаленного мониторинга и управления энергетикой и, как следствие, увеличение цены проекта. Ежедневный контроль «на месте» упрощает задачу, но, с другой стороны, создает дополнительные требования к квалификации персонала и увеличивает влияние человеческого фактора на работу электроники. Грубо формат работы ЗССС можно разделить натри варианта.
- Обеспечение связи на полностью автономных объектах без присутствия людей, передача телеметрии и круглосуточное удаленное управление.
- Периодическое включение системы связи по заданному расписанию.
- Обеспечение круглосуточной работы ЗССС на удаленном объекте
Расчет энергосистемы для обеспечения гарантированной работы в рамках первого варианта является самым сложным и требует сбора большого количества информации для правильного выбора технического решения. Например, отсутствие реальной статистической информации о метеоусловиях за последние 3–5 лет обязательно приведет к ошибкам в расчетах, а их исключение – к конечному удорожанию проекта ввиду обеспечения избыточного запаса средств генерации и хранения электроэнергии (чего можно было бы избежать при наличии оператора на месте установки ЗССС). Обязательным требованием к такой энергосистеме является наличие инструментов удаленного управления по цифровым каналам связи, а также возможность холодного перезапуска по команде оператора, полученной через спутниковый канал. На текущий момент все ведущие производители оборудования для возобновляемой энергетики, представленные на российском рынке (Outback Power Systems, Schneider Electric (выкупивший компанию Xantrex), Victron Energy), имеют в своем ассортименте модули как для локального, так и удаленного управления по IP-сети. Однако следует отметить: для систем мощностью менее 1 кВт таких средств управления не существует, что сказывается на конечной цене оборудования. Расчет энергосистем для второго и третьего варианта эксплуатации допускает больше вольностей, поскольку ошибки расчета могут быть в дальнейшем компенсированы на месте, в процессе эксплуатации систем без особого влияния на результат. Расчет энергосистемы во всех случаях сводится к получению величины необходимой гарантированной суточной выработки электроэнергии для обеспечения работы ЗССС. В первом и третьем случае это значение может варьироваться от 1,2 до 5 кВт·ч, а во втором случае – от 0,25 до 1 кВт·ч в сутки.
Классическая энергосистема на базе возобновляемых источников состоит из трех основных блоков – непосредственно источника энергии, электронного блока управления, массива аккумуляторных батарей. Источник энергии альтернативной энергосистемы выбирается на основании статистической информации о метеоусловиях, а также необходимости периодического обслуживания. На практике в большинстве случаев целесообразно использовать фотоэлектрические системы – данный тип оборудования требует наименьшего внимания в процессе работы. При наличии людей на объекте возможно использовать и гибридные системы, включающие в себя кроме солнечных модулей и ветрогенераторы. Однако стоит учитывать, что в районах со сложными метеоусловиями, где зачастую и расположены объекты с ЗССС, ветрогенераторы требуют особого внимания и при недостаточном уходе могут быстро выйти из строя. Важно понимать, что альтернативные источники энергии не гарантируют постоянной выработки электроэнергии и напрямую зависят от текущих погодных условий. Именно поэтому в состав энергосистем включаются массивы аккумуляторов. К сожалению, на текущем этапе аккумуляторные батареи являются наиболее уязвимым элементом альтернативного источника энергии. Именно аккумуляторы имеют самый короткий срок службы, требуют особых температурных условий для нормальной работы, что является основной проблемой при работе систем в условиях Крайнего Севера. В последнее время ведутся работы по разработке аккумуляторов, работающих при отрицательных температурах, в первую очередь на базе литиевых элементов. Но, к сожалению, до сих пор не найдено решения, гарантированно работающего в суровых российских условиях. Поэтому при подготовке объекта обязательно следует учитывать наличие положительной температуры в месте установки АКБ, особенно важно учесть температурные условия при круглогодичной автономной работе ЗССС. В ряде случаев достаточно поместить массив аккумуляторов, упакованный в специальный герметичный бокс, ниже точки промерзания грунта, однако такой способ вряд ли допустим в условиях вечной мерзлоты или территорий со сложной гидрологией. В таких ситуациях приходится применять дорогостоящий и малоэффективный самообогрев, заниматься снижением теплопроницаемости помещения с энергосистемой, а при возможности использовать классические системы подогрева. На фотографии показан один из вариантов автономных круглогодичных систем. В данном конкретном случае энергосистема установлена в термоконтейнер, обеспечивающий разницу температур в 25° с внешней средой. Система предназначена для обеспечения работы системы связи и цифровых камер видеонаблюдения в рамках проекта онлайн-трансляции из Байкальского заповедника (http://www.baikal-zapovednik.ru/), полностью автономна, оснащена средствами удаленного управления и подразумевает техническое обслуживание не более двух раз в год. Источником энергии является массив солнечных модулей мощностью 1,6 кВт, емкость банка аккумуляторных батарей – 600 А·ч 48 В, потребителями энергии являются сетевое оборудование суммарной мощностью 110 Вт и система зимнего подогрева мощностью 50 Вт.
Альтернативные источники энергии для питания ЗССС_1
Третий элемент энергосистемы состоит из контроллеров заряда, системы мониторинга и преобразователей напряжения (инверторов). В простейшем случае источник энергии (солнечные модули) подключается непосредственно к массиву аккумуляторных батарей через контроллер заряда и непосредственно к аккумуляторам подключается оборудование VSAT (большинство систем имеют возможность работы от источника постоянного тока 24 В). Контроль за состоянием батарей и аварийным отключением потребителей осуществляется непосредственно на контроллере заряда (такой функционал имеют даже самые простые модели устройств). Бюджет простейшей энергоустановки складывается из стоимости солнечных модулей, контроллера заряда, аккумуляторных батарей и расходных материалов (кабелей, электроавтоматики и т. д.). Причем на аккумуляторные батареи приходится от 40 до 70% стоимости системы. На текущий момент рыночная стоимость системы, позволяющей обеспечить 5-часовую ежедневную работу ЗССС с суммарным энергопотреблением до 0,25 кВт·ч, составляет около 40 тыс. рублей, а для круглосуточной работы станции с 5-ваттным приемопередатчиком в С-диапазоне потребуется энергосистема ценой около 360 тыс. рублей (стоимость АКБ – 210 тыс. рублей). Учитывая текущую стоимость топлива (даже без включения логистических расходов), цена эксплуатации системы с альтернативным источником энергии менее чем за год станет выгоднее классического источника питания (генераторная установка).
Срок службы систем на базе альтернативных источников энергии напрямую зависит от правильного режима эксплуатации аккумуляторных батарей. При правильном подходе энергосистема проработает не менее 5–7 лет до первой замены аккумуляторов, а общий срок службы оборудования составит не менее 15–20 лет, после чего электронные компоненты потребуют замены части элементов и продолжат свою работу. Современные солнечные модули проработают еще дольше – не менее 30 лет, но даже спустя такой срок их эффективность упадет не более чем на 20–30%. Учитывая указанные факторы, владельцу автономной энергосистемы необходимо наладить процесс долговременного финансового планирования, чтобы к моменту плановой замены одного из компонентов иметь достаточный бюджет для модернизации системы. К сожалению, как показывает практика, простая, на первый взгляд, задача многолетнего планирования сталкивается с серьезными трудностями при реализации и требует серьезной доработки бизнес-процессов внутри организации.
Так или иначе, текущий уровень развития альтернативной энергетики в России позволяет говорить о целесообразности применения альтернативных источников энергии для питания оборудования спутниковой связи, а также для энергообеспечения автономных объектов в целом. При этом в случае автономных решений не имеет никакого значения, энергосистемы какого масштаба заменяются на альтернативные. Будь то система 0,5 кВт для обеспечения энергией малого домовладения или установка мощностью 100 кВт для питания поселка с населением 2,5 тыс.и жителей – различаются лишь сроки схождения стоимости эксплуатации классических энергосистем и станций на базе ВИЭ. Ведь при самом пессимистичном расчете экономическая выгода от применения альтернативных источников наступит не позднее 3,5 лет с момента установки энергосистемы на объекте.
