Быстрое развитие электрического транспорта является одной из ключевых тенденций мировой энергетики [1]. Расширение парка электромобилей требует создания надёжной и доступной зарядной инфраструктуры, которая, в свою очередь, создаёт новые вызовы для существующих энергосистем [2]. В России развитие электромобильного транспорта находится на начальной стадии, однако его потенциал высок, особенно в южных регионах страны, где климатические условия позволяют эффективно использовать солнечную энергию. Большинство зарядных станций в настоящее время работают от централизованных сетей. Это ограничивает их применение в отдалённых районах и повышает нагрузку на существующие энергосети. В таких условиях целесообразно использование автономных систем, функционирующих на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Фотоэлектрические преобразователи обеспечивают экологически чистое и устойчивое энергоснабжение, позволяя создавать независимые зарядные станции [3]. Применение солнечных систем особенно актуально для Краснодарского края, где уровень солнечной радиации превышает 1300 кВт·ч/м² в год [4, 5]. Это делает регион оптимальной площадкой для проектирования и реализации автономных зарядных комплексов нового поколения.

Цель исследования — разработка проекта и технико-экономического обоснования (ТЭО) автономной зарядной станции для электромобилей, работающей исключительно на солнечной энергии.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Определены требования к мощности и режимам работы станции исходя из количества обслуживаемых электромобилей.

2. Подобрано оборудование — зарядные станции, инверторы, аккумуляторы и контроллеры заряда.

3. Разработаны схематические решения для работы системы в автономном режиме.

Методы и материалы проектирования

Расчёты основаны на данных о количестве электромобилей в эксплуатации на 2023 год [6] и типовых ёмкостях их аккумуляторных батарей (в среднем 46,8 кВт·ч).

Приняты климатические параметры города Краснодара (45°02ʹ07ʺ с.ш., 38°58ʹ31ʺ в.д.), где годовой потенциал солнечного излучения составляет около 1350 кВт·ч/м² [4, 5]. При проектировании станции учитывались условия круглосуточной работы, требующие накопления дневной выработки энергии для зарядки в ночное время. Базой для расчёта послужило следующее условие: станция должна обеспечивать зарядку 100 электромобилей в день при уровне зарядки 50% ёмкости батарей, что соответствует суточному энергопотреблению 2341,35 кВт·ч.

Применены методы системного анализа и расчётные модели энергетического баланса. Особое внимание уделено деградации аккумуляторов (20%), коэффициентам потерь в инверторах и эффективной глубине разряда.

Для обоснования проектных решений выполнено сравнение различных структурных конфигураций автономных систем постоянного и переменного тока. Каждая схема отражает определённый этап формирования единой энергосистемы станции, от базового принципа параллельного соединения инверторов до интегрированной архитектуры с общей шиной постоянного тока и аккумуляторными массивами большой ёмкости.

1. На первом этапе рассматривалась базовая схема параллельного подключения однофазных инверторов (рис. 1), позволяющая синхронизировать их работу через модули параллельного подключения (МПП) и формировать трёхфазное питание с необходимым сдвигом фаз.


Рис. 1. Схема параллельного подключения инверторов

Преимущество этого варианта заключается в равномерном распределении нагрузки между инверторами при неравномерной радиации. Однако небольшая единичная мощность таких инверторов и необходимость их большого количества повышают стоимость и сложность системы, поэтому эта схема использовалась как отправная модель для дальнейших расчётов.

2. На основании результатов анализа базовой схемы была разработана структура с использованием трёхфазных гибридных инверторов, способных работать в автономном режиме без подключения к сети. Для обеспечения питания зарядных станций выбраны трёхфазные гибридные инверторы Sila Pro 15000MH [7] номинальной мощностью 15 кВт, которые способны работать вне электросети. Эта конфигурация стала основой для формирования автономной системы электроснабжения станции.

3. Далее проанализирована базовая автономная схема, в которой фотоэлектрические модули (ФЭМ) подключаются к инвертору, а аккумуляторная батарея (АКБ) служит буфером между генерацией и нагрузкой (рис. 2). Такая структура проста и эффективна при стабильной радиации, но чувствительна к колебаниям солнечного потока: при снижении выработки энергии уровень заряда АКБ уменьшается, что может приводить к нехватке мощности для зарядных станций. Эти ограничения обусловили необходимость перехода к более комплексной схеме с распределением потоков энергии через общую шину постоянного тока.


Рис. 2. Стандартная схема подключения фотоэлектрического модуля и АКБ к инвертору

4. Финальным этапом проектирования стало формирование интегрированной схемы, в которой все инверторы подключаются к единой шине постоянного тока (рис. 3). К ней через контроллеры заряда подключаются два аккумуляторных массива (АКБ-1 и АКБ-2), работающие в чередующемся режиме: пока один массив разряжается, второй заряжается от фотоэлектрических модулей.


Рис. 3. Альтернативная схема подключения ФЭМ и АКБ

Такое решение обеспечивает непрерывность энергоснабжения потребителя и сглаживает пики нагрузки. Общая мощность аккумуляторной системы составляет 2027,52 кВт·ч (по 1013,76 кВт·ч на каждый массив). Каждый массив включает 396 аккумуляторов Epever LFP 12–200 [8], соединённых по схеме «четыре модуля последовательно по 99 параллельно» (схема 99P4S), что формирует номинальное напряжение 48 В (рис. 4). Подключение по схеме 99P4S обеспечивает баланс между током заряда, надёжностью и сроком службы аккумуляторов.


Рис. 4. Схема подключения аккумуляторов для одного массива

Солнечные модули SilaSolar 580/725 Вт TOPCon [9] обеспечивают необходимую выработку энергии для подзаряда АКБ, в том числе в зимний период, и питание инверторов при пиковых нагрузках. Контроллеры заряда Epever Tracer-AN MPPT [10] выполняют функции распределения потоков мощности между аккумуляторными массивами и системой управления, поддерживая оптимальные режимы заряда и предотвращая перезаряд.

Основные результаты

В результате проектирования выбрана структура автономной энергосистемы, включающая три типа зарядных станций: Engy Energy CS6.2 (40 кВт) [11], Engy Energy 44 кВт (двухпортовая) [12], Energysplendor ACGD1 (11 кВт, 2 шт.) [13]. Совокупно комплекс обеспечивает зарядку 106 электромобилей в сутки, что превышает плановый показатель. Инверторное оборудование выбрано типа Sila Pro 15000MH (15 кВт) [7], гибридный трёхфазный солнечный инвертор (девять единиц). В качестве АКБ выбраны литий-железо-фосфатные (LiFePO4, LFP) аккумуляторные батареи Epever LFP 12–200 [8], общая ёмкость двух массивов составляет 2027,52 кВт·ч. Контроллеры заряда — Epever Tracer 10420AN (100 А) [10], солнечные модули — SilaSolar 580/725 Вт TOPCon [9] в количестве 3608 шт. Разработанная система обеспечивает питание всех станций в автономном режиме работы.

Предварительный расчёт показывает, что реализация проектируемой зарядной станции на фотоэлектрических модулях в городе Краснодаре позволит снизить выбросы углекислого газа примерно на 343–377 тонн CO2-эквивалента в год по сравнению с питанием от электрической сети (средний удельный выброс равен 0,441 кг CO2-экв/ кВт·ч [14]).

Обсуждение

Анализ показал, что технически проект реализуем, а выбранные решения обеспечивают высокую эффективность. Солнечная энергия в Краснодарском крае достаточна для стабильной работы даже в зимние месяцы. Использование литий-железо-фосфатных аккумуляторов с большим числом циклов «заряд-разряд» значительно повышает надёжность и срок службы системы.

Несмотря на высокие капитальные затраты, эксплуатационные преимущества очевидны: отсутствие затрат на сетевую электроэнергию, низкие эксплуатационные расходы и минимальный углеродный след. В перспективе, с учётом снижения стоимости аккумуляторов и фотоэлектрических модулей, срок окупаемости подобных установок существенно сократится.

Инженерная ценность проекта заключается также в применении альтернативной схемы подключения аккумуляторных массивов, позволяющей чередовать работу групп АКБ и тем самым увеличивать их ресурс. Введение «интеллектуальных» систем управления (Energy Management System, EMS) и дистанционного мониторинга создаёт возможности для гибридизации, интеграции с ветровыми и гидрогенераторами, а также для оптимизации режимов зарядки. С практической точки зрения предложенная схема может быть использована для электрификации удалённых территорий, придорожных комплексов и инфраструктуры аграрных регионов. Она может стать прототипом для малых энергетических кластеров и «умных» транспортных узлов.

Заключение

Разработан обоснованный проект автономной зарядной станции для электромобилей на основе фотоэлектрических модулей, инверторов и накопителей энергии. Проведены расчёты мощности и подобраны компоненты системы, обеспечивающие зарядку до 100 электромобилей в сутки. Ключевые выводы исследования:

1. Применение солнечной энергии и аккумуляторных систем обеспечивает автономность зарядных станций и снижает нагрузку на энергосети.

2. Использование современных литий-железо-фосфатных аккумуляторов и гибридных инверторов повышает надёжность и долговечность системы.

3. Экологический эффект заключается в полном отсутствии прямых выбросов CO2 и сокращении углеродного следа транспортного сектора.

4. Перспективным направлением дальнейших исследований является разработка интеллектуальных алгоритмов управления энергией и экономическая оптимизация жизненного цикла станции.

Таким образом, представленное исследование демонстрирует технологическую реализуемость и высокий потенциал автономных зарядных комплексов для южных регионов России, что способствует достижению национальных целей по устойчивому развитию энергетики и транспорта.