Системы бесперебойного питания с солнечными батареями для загородного дома: плюсы и особенности использования
Природная энергия, которая может стать альтернативой современной искусственной энергетике в недалеком будущем, доступна уже сейчас каждому желающему. Это практичный и естественным выбор в случаях, когда требуется электричество маломощному потребителю, расположенному в безлюдном, далеком от цивилизации месте.
Частный дом тоже можно отнести к маломощному потребителю. Если он был спланирован и построен с соблюдением всех требований по энергосбережению, можно запитать все точки энергией солнечной системы, дополнив ее ветрогенератором и дизельным или газовым генератором (если все рассчитано верно, последний вариант будет включаться очень редко). Такой вариант может оказаться дешевле, чем индивидуальное подключение к линии электропередач.
В России отсутствие «массового» электроснабжения обычно является причиной появления интереса к альтернативных источникам питания. Есть множество других причин, которые ставят «зеленые» солнечные системы на уровень выше общеизвестных 220 вольт.
К сожалению, электропитание нестабильно даже в Подмосковье, тем более за пределами менее крупных городов. Многие дачные поселки сегодня снабжены петляющей по лесам и полям, от села к селу высоковольтной линией, которая нередко повреждается падающими во время сильного дождя или ветра деревьями. Сильная гроза бывает как минимум раз в сезон, и после нее около недели уходит на восстановление линии. Учитывая это, а также постоянные кратковременные отключения электроэнергии, многим хочется иметь свой собственный источник автономной энергии. Бензиновый или дизельный варианты мною были сразу отсеяны из-за шума и неприятного запаха: в загородном доме хочется расслабиться и наслаждаться ароматами природы, в противном случае нет смысла менять квартиру на дом или дачу.
Особенность любого летнего дома заключается в том, что семья обычно обитает там в летний период, когда солнечная активность достаточно высока даже для тех районов, где круглый год стоит пасмурная погода. Деревья падают на общественные линии тоже преимущественно летом. Обычно так и происходит, что после грозы появляется солнце, а электричество как раз исчезает.
С того момента, как наша семья приобрела солнечный коллектор для подогрева воды, начался наш интерес к энергии солнца. Коллектор имеет небольшие размеры, он очень удобен, состоит из 12 трубок по 1,8 м. Он успешно продлевает купальный сезон в бассейне на целый месяц (если сравнивать с естественным нагреванием).
Давайте узнаем все про основные компоненты для солнечной системы.
Солнечные панели
Начнем с солнечных батарей. Если говорить о них в порядке снижения стоимости и эффективности, то, сперва, будут батареи на основе монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния. Большое количество известных батарей относят к первому, наиболее долговечному виду (его ячейки будут деградировать меньше всего).
Если дом небольшой, и нет сарая, имеющего большой скат и хорошее месторасположение, то в итоге может выясниться, что располагать батареи негде. Возможно, придется брать модель, обладающую самым большим КПД на одну единицу площади, если, конечно, на самом деле нужна система с довольно высокой энергоотдачей. Батареи необходимо размещать на южном скате крыши, желательно под углом в 45 градусов.
По способу монтажа батареи подразделяются на монтируемые в крышу по типу мансардных окон (в основном, только у фирмы Roto за высокую цену). Второй вид – это обычные панели, встраиваемые в алюминиевые рамы, которые крепятся к накладным рейлингам. Недостаток такой конструкции в том, что крышу придется сверлить. Не каждое покрытие может выдержать такое обращение, возможны протечки и иные проблемы, но это единственный вариант, и именно он и был выбран.
Если говорить о самих батареях, то выигрышный вариант, сочетающий качество и цену, - зеленоградские монокристаллические батареи. Их с удовольствием приобретают и за границей, например, в Германии. Тем более, живя на территории Российской Федерации, логично и вполне здраво выбрать отечественного производителя, предлагающего качественную продукцию, что становится редкостью в наши дни.
Мы купили три экземпляра (TCM-170B), мощность каждого по 170 Вт, размер -158 на 82 см. Расчет был следующий: получение хорошего зарядного тока в облачную погоду, вечером, утром, чтобы баланс энергии позволял работать нашему холодильнику сколько угодно. Это по минимуму. Так как потребление нашего холодильника составляет в среднем 100-200 Вт, а работает он с перерывами, то такая нагрузка в нашем случае вполне реальна, но при условии наличия буферных аккумуляторов.
В нормальных условиях, когда светит солнце, а в доме живут люди, энергии хватит также на то, чтобы подкачивать воду, использовать бытовые приборы и тому подобное. Это все возможно даже при длительном отсутствии основного электроснабжения. Без лишних возможностей, но и без экономии. Я изначально вел такой расчет, что в итоге и подтвердилось на практике.
Солнечный контроллер
Напряжение, которое требуется для поддержания заряда аккумуляторов, и стандартное напряжение солнечных панелей не совпадают. То есть напряжение при выходе из солнечной панели меняется от 0 до максимального, что зависит от освещенности. Тут точно требуется промежуточное преобразование. В самом лучшем случае требуется контроллер, который отвечал бы за отключение аккумуляторов, когда бы их заряд достигал максимального уровня, и подключал бы обратно, когда требуется подзарядка (в первом случае) или когда выходное напряжение всего массива батарей соответствует нормальному требуемому заряду (во втором случае). Однако это неэффективно.
Именно поэтому в современных доступных по цене контроллерах используют ШИМ-модуляцию. Она позволяет получать нужное напряжение и ток заряда с большим входным диапазоном. Но есть и недостаток: надо хотя бы приблизительно совмещать напряжение массива аккумуляторов с выходным напряжением всего массива солнечных батарей.
А вот самый эффективный и универсальный метод предлагается MPPT-контроллерами, которые могут преобразовывать напряжение в большем диапазоне, а во время работы отслеживать точку максимальной мощности. Таким образом, они дают возможность снять максимум энергии, обеспечивая зарядку с раннего утра до самых сумерек. Для меня идеальным вариантом стал именно такой контроллер, так как при наличии трех солнечных батарей напряжение было нестандартное, независимо от соединения. А с таким контроллером вполне возможно соединить последовательно, что будет удобнее: и проводов меньше, и потерь меньше при передаче, так как такая же мощность будет передаваться при максимальном напряжении, соответственно, меньшем токе. Это очень важно, особенно если высокий дом и от электроники до солнечных панелей и аккумуляторов идет 10 или больше метров кабеля.
Наиболее известные и пользующиеся спросом MPPT-контроллеры – это те, которые производят в MorningStar. Мной была выбрана модель, которая рассчитана на ток заряда 45 А (TriStar-MPPT-45). Хотя это избыточно, но маломощных MPPT-контроллеров почти не найти, да и стандарты NEC учитывают запас в 25 процентов по току. Получается, что реально необходимый ток получится не выше, чем 36 А, то есть заряжать подобным контроллером можно аккумуляторную батарею в пределах 360 А/ч.
Напряжение батарей аккумуляторов можно свободно выбрать из 12, 24, 48, 36 В. И надо заметить, что входное напряжение от солнечных батарей должно колебаться в пределах 150 В. Конечно, при таких характеристиках не будет никаких проблем.
Инвертер + зарядное устройство
Когда батареи соединены с аккумуляторами, то надо подумать и об остальной части цепи. Нам теперь никак не обойтись без питания аккумуляторами внешней сети, и их надо как-то заряжать от этой же сети.
Наиболее общий случай требует зарядного устройства, инвертора, реле, которое должно переключать нагрузку, когда будет исчезать входное напряжение. В продаже имеются такие виды инвертеров, которые объединяют данные функции, а это очень важно, если надо прийти к полностью необслуживаемой и автоматической работе. Ведь некоторые инверторы требуют перезапуска вручную, когда они уже исчерпали все ресурсы батареи и выключились и в некоторых иных случаях.
Очень важно обращать внимание на алгоритм работы, выбирая универсальное устройство. Необходимо, чтобы оно начинало заряд аккумуляторов автоматически после того, как появится напряжение в сети. Еще нужно, чтобы напряжение отключения нагрузки для инвертора выставлялось выше, чем напряжение отключения нашего солнечного контроллера. В этой ситуации аккумуляторы начнут свою подзарядку сразу или когда будет подан ток или же когда придет утро.
Так как качественные модели инвертеров обладают обычно 2-3 кратным запасом пускового тока в штатном режиме работы, вполне разумно выбирать номинальную мощность, соответствующую реальному максимуму, который в данной ситуации требуется. Чтобы вычислить, нужно сложить мощность компрессора холодильника с мощностью скважинного насоса в его постоянном режиме работы, плюс 20-30 процентов «про запас» на бытовую технику, лампочки, которые будут подключены к резервной линии.
Естественно, необходимо иметь в виду, что резервную линию следует прокладывать отдельным кабелем. Также нужно обозначить розетки, потому что в них в итоге может оказаться включенным какой-либо мощный предмет бытовой техники. И следует подумать над тем, чтоб одновременная нагрузка была наименьшей. Это нужно для ресурса аккумуляторов. Ведь если оптимальный ток аккумулятора будет превышен разрядным, то реальная емкость аккумулятора может стать значительно меньше, чем заявленная. А для нас это совершенно не нужно.
У меня получилось 700 плюс 200 ВА. Учитывая, что насос со временем мне может понадобиться более мощный, то для резервной линии было наиболее выгодно выбрать модель, мощность которой составляет в пределах 1500 ВА.
В итоге я выбрал OutBack GFX1424E мощностью 1400 ВА. Его цена дорога для данного показателя, но для резервной линии искать больше мощности бессмысленно. Не думаю, что кто-то поставит необходимую батарею аккумуляторов, чтобы действительно получить возможность нагрузить их специально 2-3 киловаттами. В данном случае более выгодно отдать деньги за дополнительные функции и качество. Также важны характеристики самого устройства, ведь ему будет необходимо работать сутками в отдельной комнате без моего присмотра. Вот что мне понравилось более всего в этом экземпляре:
- Произведен в США. Многие считают, что самая надежная продукция производится в Германии, люди постоянно повторяют о немецком качестве и верят в него. Но надо заметить, что продукция, сделанная в Америке, очень часто выглядит и работает лучше, служит дольше, так как технологии производства этой страны не уступают другим государствам, и при этом нет жесткой экономии на материалах, что практикуется в Европе. Так что для меня «сделано в США» - это знак качества и показатель надежности.
- Устройство работает очень тихо. Инвертор не абсолютно бесшумен, в некоторых режимах слышится писк высокой частоты, также внутри имеется тихоходный вентилятор, хотя у устройства и герметичный корпус, исполняющий роль радиатора. Этот вентилятор иногда работает для перегонки воздуха от самых нагретых деталей к радиатору. И даже если наблюдается максимальная нагрузка, то шум не будет выше 40 дБА. В процессе зарядки батарей в дежурном режиме уровень шума составляет не более 35 дБА. Это совсем мало, ведь даже настольные компьютеры шумят громче при работе, а обычные инверторы с вентиляторами создают еще больший шум.
- Чистая синусоида. Вообще приборы, чувствительные к форме питающего напряжения, иногда могут стерпеть аппроксимированную синусоиду. Тем более, когда мы говорим о двигателях, надо учесть, что в режиме резервного питания они будут работать недолго. Но все-таки правильная форма синуса является именно той функцией, за которую нужно доплатить. Надо заметить, что в этой ситуации я исхожу из обратного. Ведь инверторы с аппроксимацией – это самый начальный нижний уровень на современном рынке, они обладают множеством недостатков конструктивного свойства, кроме своей формы напряжения. Думать, что такие изделия способны на длительную и продуктивную работу, нельзя.
- Герметичный корпус. Естественно, прибор защищен от влаги, пыли, насекомых. Конечно, в доме всегда чистота, но никто не будет внутри дома ставить стойку с электрической техникой. Это не разумно и не удобно. Для этих целей более всего подойдет подвал или гараж. Обычное устройство стандартной комплектации с вентиляционными решетками в любом случае «надует» своим вентилятором мошек, пыльные частицы. Это может произойти не сразу, но в течение года-двух вполне реально. А еще внутрь может заползти насекомое (это может привести к аварийной ситуации), так что пренебрегать герметичностью ни в коем случае нельзя.
- Еще один плюс – низкая потребляемая мощность. 6 Вт в StandBy и 18 Вт в режиме простоя. Надо обратить внимание, что можно использовать спящий режим, если в доме не имеются маломощные потребители электроэнергии, которые требуют постоянного питания. Например, этого требует система охраны дома (так называемая сигнализация).
- Самая интересная функция, которая сразу же сподвигла меня приобрести прибор – это экспорт электрической энергии. Она заключается в том, что когда аккумуляторы будут заряжены полностью, будет включен инвертор. После этого лишняя энергия, которая поступает от солнечных батарей или иных альтернативных источников энергии, подключенных к контуру цепи наряду с батареями (параллельно), будет поступать во внешнюю цепь. Получается, что сперва будет компенсирован внутренний расход энергии, а если останется запас еще для своих соседей, то можно будет увидеть картину, как счетчик начнет крутиться в обратную сторону. Это очень приятно, потому что собирать подобную систему только для резервирования неинтересно, ведь большую часть времени внешняя сеть исправно работает. Так что можно пользоваться своей энергией.
Хочется добавить, что даже те инверторы, которые сблокированы с зарядным устройством, могут не иметь функции экспорта. А если собрать всю систему из отдельных деталей, то надо будет купить еще один дополнительный контроллер, а также долго возиться с настройкой и программированием. Здесь есть смысл в подобной обвязке только при условии, что была собрана довольно серьезная альтернативная электростанция.
В этой ситуации я не был до конца уверен в том, что все будет получаться автоматически. Солнечный контроллер был взят у другого производителя, а оба устройства должны быть запрограммированы. С инвертором идет отдельная панель, солнечный контроллер подключают через COM-порт. Можно выбрать пороговые напряжения для режима экспорта и заряда аккумуляторов.
Так как сборка системы заняла много времени и продолжалась до полуночи, мне пришлось отложить программирование и настройку до утра. Утром выяснилось, что заряд у аккумуляторов уже закончен, а так как в доме на тот момент ничего серьезного не было включено, то счетчик отматывался в обратную сторону. Все стало работать, как нужно.
О замерах я расскажу чуть позже, хочу только добавить, что возможность экспортировать энергию была протестирована с использованием электромеханического счетчика с вращающимся диском. Электронные модели могут эту ситуацию не отработать как положено. То есть получится, что ток вы будете отдавать, но только в качестве благотворительности. Теперь хочу сказать несколько слов о том, как выбрать аккумуляторы.
Аккумуляторы
Для того чтобы построить домашнюю систему автономного снабжения энергией, обычно используют аккумуляторы свинцово-кислотные, относящиеся к закрытому типу. VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) обладают клапанным регулированием газов. Бывают два вида подобных аккумуляторов: гелиевые и AGM, то есть Absorbed Glass Mat, где в стеклопластиковых капсулах между пластинами расположен электролит. В гелиевых экземплярах в электролит добавляют загустители, в процессе производства данный электролит намазывают на пластины.
В компактных источниках бесперебойного питания, в основном, применяют гелевые аккумуляторы, а для систем с большой емкостью сейчас наиболее популярные AGM-модели, которые я и выбрал.
Так как бюджет поджимал, то я приобрел два доступных по цене аккумулятора от недорогого производителя. Это Leoch DJM12-200, емкость каждого составляла 200 А•ч. Подобный большой запас мне необходим, чтобы кратковременная нагрузка с высокой мощностью, например, насос, создавала бы ток в рамках благоприятного режима для самих аккумуляторов.
На диаграмме видно, что для того чтобы время резервирования на самом деле составляло часы, а не минуты, нужно, чтоб в низковольтной цепи ток не был выше 0,2 С, то есть пятой части емкости. Аккумуляторы я соединил последовательно, потому что инвертор я выбрал поддерживающий 24-вольтовую цепь. Это очень удачно, так как снижает потери в соединениях.
Соединяем всю систему
Здесь все довольно просто. Действует одно общее правило – минимизация длины низковольтных цепей. Именно поэтому инвертор, аккумуляторы и солнечный контроллер надежней всего размещать на одной стойке или же просто рядом.
В моей ситуации получилось таким образом: от соединенных последовательно солнечных панелей провода были подключены к солнечному контроллеру. Лучше взять провода потолще, от 6 до 10 мм. Это идеальный вариант, если дом высокий, а электроника будет размещена где-нибудь в подвале. Выход инвертора и выход солнечного контроллера подключаются к аккумуляторам. Последние соединены последовательно. В цепи аккумуляторов важно поставить автомат постоянного тока, который будет защищать инвертор и служить для удобного отключения системы, если это понадобится.
В роли шин для отрицательного и положительного полюса очень удобно применять выходы инвертора. Не лишним сюда прицепить ветрогенератор, а также остальные источники энергии, если в дальнейшем вы начнете активно увлекаться альтернативной энергетикой, и это станет вашим основным хобби. Как я уже говорил ранее, балласт не нужен, аккумуляторы не будут перезаряжаться, ведь инвертор начнет отдавать избыток электрической энергии во внешнюю сеть.
Некоторые тесты
Для начала я хочу отметить, что важно поставить себе цель. Для меня это не терпеть все недостатки отсутствия электричества из-за кратковременных отключений на несколько часов, не страдать весь день из-за ночной грозы, повредившей провода. А ведь бывают отключения из-за поломок и на неделю. Как-то раз, когда семьи не было дома, так и случилось. Раньше мы бы по возвращении нашли разморозившийся и потекший холодильник, испорченные в морозилке продукты, где хранится большая часть урожая. Благодаря солнечным панелям такого не произошло: я получил отличный результат. У меня всегда есть электроэнергия, даже в самых сложных ситуациях.
Очень интересно было бы посмотреть, сколько же вырабатывается электроэнергии в разных погодных условиях. Если замерять мгновенную мощность, когда стоит счетчик, то в условиях, которые близки к идеальным (температура около 25 градусов, полдень, малооблачно), удается подпитывать нагрузку в 300 ВА. Это, конечно, меньше, чем заявленный в теории максимум, но, например, холодильник свободно сможет работать от батарей. И даже в облачную погоду счетчик медленно, но верно скручивается, а это уже хороший показатель. Наблюдения велись в течение недели и снимались показания счетчика. В итоге получается 4,5 кВт. Так как все это время работал ноутбук, холодильник, освещение энергосберегающими лампами в вечернее время, скважинный насос функционировал по 30-40 минут в день, то общее потребление составляло 7,2 кВт.
| Выработка, Вт | |
| 18 мая (облачно) | 730 |
|---|---|
| 19 мая (облачно) | 750 |
| 20 мая (малооблачно) | 900 |
| 21 мая (солнечно) | 1300 |
| 22 мая (облачно) | 600 |
| 23 мая (пасмурно) | 220 |
Получается, что половину расходов, учитывая не самые лучшие природные условия, солнечные панели компенсировали, что очень радует. Хочу подчеркнуть, что это дополнительный бонус, так как у меня не было цели экономить на электроэнергии. Но если говорить об экономии, то стоит присмотреться к альтернативной энергетике. Ведь можно нагрев воды, что является самой затратной категорией, перевести с электричества на прямой источник тепла. Если разговаривать об экономии подробнее и делать привязку к использованию солнечной энергии, то лучшим решением будет начинать с обычного солнечного коллектора. Если вам по душе такой опыт, то, наверное, еще захочется попробовать какой-либо другой источник альтернативной энергии. Это достаточно интересное и увлекательное занятие.
Дополнительная информация
В обязательном порядке хочу отметить, что устройство, экспортирующее мощность, никакой опасности в себе не несет. Особенно это важно для «начинающих электриков». Несложно догадаться, что выдача мощности в сеть будет прекращена, если внешнее напряжение будет отсутствовать (вернее, после его снижения в соотношении с запрограммированным минимальным порогом). В этой ситуации инвертор будет переходить в режим работы автономно, и под напряжением останется резервная линия, то есть только то оборудование, которое будет к ней подключено. В течение года эксплуатации было очень много различных сбоев и отключений, у меня претензий к корректности отработки подобных состояний инвертором нет.
Сами батареи не нуждаются ни в каком обслуживании. С ними надо обращаться так, как с обычными стеклами. То есть если мансардное окно нужно помыть, хорошо бы не забыть протереть и солнечные панели. Если дом расположен в экологически чистом месте, вдали от трасс, то уборка будет требоваться не чаще, чем один раз в год. Это лучше делать в конце весны, после того, как отцветут деревья. Но хочу сказать, что в этом году из-за обилия осадков нам не пришлось мыть даже окна: в отличие от вертикальных окон, наклонные панели очень хорошо очищает дождь. Зимой солнечные батареи неплохо себя чувствуют под снегом, по этому поводу я разговаривал со многими пользователями. Проблем никаких не возникает. Но, конечно, если вы хотите снимать напряжение зимой, то лучшим решением будет размещение батарей под большим углом или на каком-либо поворотном кронштейне. Так снег не будет задерживаться.
Если будете выбирать инвертор, то хочу вам порекомендовать смотреть на спецификации по стартовым токам. У хороших моделей они в несколько раз будут превышать штатную мощность. И, конечно, не нужно доверять своим ощущениям или же советам тех, кто хотел бы продать оборудование, имеющее «запас». Он будет необходим, но надо рассчитывать его по измерениям, а не по каким-либо «ощущениям».
Солнечные батареи, на мой взгляд, - это не только удобно, но и практично, выгодно, экономно. К примеру, за границей уже многие люди переходят на использование солнечных батарей, целые производства функционируют при помощи солнечных панелей. Это не случайно. Это энергия будущего, только сейчас она начинает свое активное развитие. Если есть желание, то можно целые многоквартиные дома перевести на такой вид обслуживания. При помощи солнечной энергии и других альтернативных источников получения энергии можно отапливать помещения, освещать, обеспечивать работу техники, нагревать воду и так далее.
Но почему-то в нашей стране это сложно доказать людям. А надо ли? Отдельные семьи постепенно переходят на такой способ получения энергии на дачах, в частных домах. А для многоквартирных домов это сложно сделать, потому что если основная масса жителей согласится, то обязательно найдется один-двое товарищей, которые будут категорически против устанавливать солнечные панели, они начнут тут же приводить кучу отрицательных моментов, строчить жалобы и так далее. Так что установка солнечных панелей - это сейчас удовольствие только для тех, у кого есть свое частное домовладение.
Солнечные батареи можно устанавливать на госучреждения, больницы, детские сады, но выгодно ли это будет тем, кто поставляет электроэнергию обычным способом? Очевидно, нет. Именно поэтому установка солнечных панелей в нашей стране не развивается активно и не рекламируется широко.
Хотел бы отметить, что на днях ударила сильная гроза. Она «удивила» наших подмосковных энергетиков тем, что стали внезапно падать сосны. И не куда-либо, а на линии электропередач… Соответственно, электричества не было около суток. А на следующее утро приятно светило яркое солнышко, которое выполняло очень полезную работу для моей семьи.
Независимость от внешних факторов, связанных с коммунальщиками, очень греет душу и позволяет себя ощущать свободным, никому ничем не обязанным. Это незабываемое чувство, и его стоит испытать. К сожалению, немногие люди в нашей стране обращают внимание на альтернативные источники получения энергии. А это очень интересно, поверьте.
Источник: ixbt.com
Смотрите также:
