Поговорим о самом главном в автономном и резервном электроснабжении
Современный человек привык жить с комфортом и удобствами. Действительно, почему бы не пользоваться всеми благами цивилизации, которые даёт нам наука? Что можно «извлечь из природы» для блага своей семьи, если дом на природе стоит, что называется, в «чистом поле»? Насколько реально закрывает все потребности автономное электроснабжение от возобновляемых источников энергии?
Можно ли рассчитывать на настоящее подспорье в электроснабжении и тем кто имеет сетевое 220 В, но хочет иметь резервное электропитание на случай вполне вероятных катаклизмов (как местного масштаба, так и глобальных)? И при этом, пока нет «катаклизмов», такой предусмотрительный хозяин (а удача любит подготовленных!) просто желает использовать приоритетно солнечную энергию (а может и энергию ветра), обеспечивая зелёную экологию и почти забывая о счетах за электричество.
И самое главное, - какие конкретно решения применять наиболее эффективно?
В этой статье мы попробуем кратко ответить на эти вопросы, благо, наша компания (МикроАРТ) занимается разработкой, производством и продажей электронных устройств, необходимых для систем автономного электроснабжения, и имеет самый большой в России опыт по данной тематике (когда мы начинали, то долгие годы были здесь практически первыми и единственными).
Мы расскажем даже о том, о чём не знают, или не хотят знать (т.к. это требует дополнительных усилий при установке) профессиональные «установщики солнечных электростанций» из расплодившихся благодаря растущему спросу, как грибы, сотен новоиспечённых компаний.
Начнём с выдержки из письма реального человека:
Есть у меня дача. Когда 2 года назад мы ее покупали нам, как водится, обещали что буквально через месяц начнутся работы по установке столбов электричества и оно самое будет уже вот-вот... Но вот прошло уже 2 и обещания так и продолжаются. За прошлый сезон я построил на участке дом и почти доделал забор. Для всего этого приобрел генератор 2КW, который прекрасно справлялся с любым инструментом. Кроме сварки конечно. Жене очень понравилось, как я всё там сделал и этим летом она хотела бы там пожить с ребенком. Но вот самое плохое что холодильник от генератора очень расточительно питать. Расход около литра в час, это как-то слишком.
Многие рекомендовали мне заказать солнечных батарей. Это не очень дорого и летом от них есть толк. Куплю автомобильные аккумуляторы 2х100Aч. По расчетам на выходные должно хватать на освещение + холодильник с большим запасом.
А теперь, собственно вопрос - расскажите об опыте эксплуатации холодильника и др. электроприборов на солнечных батареях!
Действительно, шумный, с вредными выхлопными газами генератор, который постоянно «кушает» - это совсем не вершина научной мысли. Отдых по соседству с ним, может доставить неудовольствие не только хозяевам, но и соседям.
Хорошие решения на возобновляемых источниках энергии есть уже сегодня. Многое, конечно, зависит от бюджета, который выделяется, и совсем уж ужимать его – чревато. Как известно - «скупой платит дважды»! Можно конечно купить одну-две солнечных панельки, маленький и простенький солнечный контроллер к ним, маленький автомобильный аккумулятор (или вообще снять старый с авто), поставить дешёвенький маломощный автомобильный инвертор – и радоваться свету от светодиодных лампочек. Только это не обеспечит полноценного комфортного проживания, да и срок службы этих компонентов будет невысок. Мы будем рассматривать полноценные современные (причём лучшие!) решения, обеспечивающие комфорт не хуже, чем в городской квартире.
Опишем основные шаги по решению проблемы за счёт Солнца (тема по ветрогенераторам раскрыта в статьях на www.vetrogenerator.ru) и приведём примерные текущие цены (при курсе 1 долл = 36 руб).
А) Первое, что мы утверждаем, - для хоть какого-нибудь комфорта в загородном доме, самая минимальная суммарная мощность СП должна быть не менее 600 Вт. Например, 3 солнечные панели по 24 В 200 Вт (если панели высококачественные цена вопроса приблизительно 35000 руб). А правильней, для сезонного проживания, ставить - от 1000 до 2000 Вт СП. Если проживание будет и в осенне-зимний период – тогда от 2000 Вт, но лучше, если конечно позволяют финансовые возможности, - от 4000 Вт.
Б) Второе – необходимо обеспечить условия, чтобы солнечные панели работали и в пасмурную погоду. Для этого нужно соединить их так, чтобы их общее напряжение было высоким, если рассматривать номинальное напряжение АКБ и сборки солнечных панелей, то последняя должна иметь напряжение в 1,5 – 2 раза выше чем напряжение АКБ. Тогда и при затенении облаками всё равно напряжение от них будет достаточно высокое для заряда аккумуляторов (АКБ). Но отсюда вытекает требование и к солнечному контроллеру – он должен быть сделан по технологии МРРТ. И не просто МРРТ, а высококлассным, способным работать с высоким напряжением на входе (минимум 100 В, но ещё лучше 200 или 250 В). Естественно, высококлассный контроллер умеет работать с любыми АКБ на выходе, соединёнными на любые напряжения (12 В, 24 В, 48 В – самым оптимальным для наших целей является 48 В, тем более, что и эффективные ветрогенераторы обычно выполнены на это напряжение). И ещё потому, что стоимость солнечного контроллера зависит от силы тока, которую он способен обеспечить. Получается, что если контроллер до 50 А подключить к АКБ с напряжением 24 В, то он может выдать мощность до 50 А* 24 В = 1,2 кВт. А если этот же контроллер 50 А использовать в системе на 48 В, то уже 2,4 кВт.
Дальнейшее наращивание напряжения массива солнечных панелей (300 В и более) обычно нецелесообразно, т.к. ведёт к существенному уменьшению КПД. И так же монтаж СП становится всё более опасным. Даже 150 В постоянного напряжения опасно для жизни и требует тщательного соблюдения техники безопасности при монтаже панелей и подключению к контроллеру.
Такие солнечные контроллеры (например, мощный 100 А солнечный контроллер КЭС DOMINATOR МРРТ имеет возможность подключения массива солнечных панелей до 200 В или 250 В) обычно допускают подключение до нескольких киловатт солнечных панелей и стоят они дороже обычных (цена 25000 – 30000 руб). Сравнительный тест разных МРРТ контроллеров премиум-класса можно посмотреть здесь.
В) Далее приведём ещё одну цитату другого автономщика из г. Самары:
Итак, зима, опыт.
1. Вертикальное расположение СП себя оправдало. Липкий снег намерз на крышу кучей даже на южной стороне. Если б СП висели не на стене, то, минимум, неделю б они просто были закрыты от солнца! Чистить их от льда как не знаю - не пробовал. А с вертикальной плоскости все стекло до мороза, только внизу у перехода в рамку немного налипло - и СП работали.
2. Два направления (у меня, пока, - восток и юг), тоже хорошо себя показали. Солнце бывает утром, а днем - тучи, и наоборот. То есть солнце ловлю почти всегда, если оно есть.
Другой человек, из Питера, пишет:
Мои (панели) в мае 2011 года были переустановлены на юго-восток и юго-запад. Разницы в суммарной суточной выработке не заметил, а вот время генерации увеличилось и значительно. Был вынужден установить именно так из-за строительства забора. Работы начинались в районе 8-ми утра и к моменту начала приличной генерации при однонаправленной установке аккумуляторы успевали высосать до 48 В. После изменения азимута установки положение в корне изменилось.
Действительно, в средней полосе России и севернее, если речь идёт о круглогодичном проживании, солнечные панели разумней крепить вертикально и желательно с небольшой ориентацией по сторонам света (например, половину панелей отвернуть от южного направления на 30 градусов на юго-восток, а другую половину - на 30 градусов на юго-запад). Можно и по сторонам дома раскидать, если такие условия есть (не обязательно гнаться за точным соответствием углов).
Вертикальная установка СП хороша для снежных зим (и вообще это благотворно влияет на срок службы панелей, который становится почти вечным, а так же на их чистоту, а значит - и большую отдачу). Главное же - ориентация панелей по сторонам света позволяет растянуть длительность поступления энергии в светлое время суток (это даёт возможность больше использовать электричества без расхода аккумуляторов, да и сами аккумуляторы, в этом случае, лучше заряжаются, т.к. они требуют длительных зарядов малыми токами).
И не надо слепо копировать Европу или Америку – они у себя правильно делают, ставя СП на пологие крыши и все направлением на юг. Широта у них другая и/или снега почти нет. И главное - для них важна максимальная мощность вырабатываемая СП. Причём там не важно, что она максимальна в полдень, когда потребителей электропитания очень мало. Потому что у них разрешена закачка энергии в сеть, что в корне меняет дело, ведь эта энергия не пропадёт (впрочем, об этом мы ещё поговорим в конце этой статьи).
Общее поступление энергии при вертикальном расположении панелей, а так же при их ориентации по сторонам света, будет немного меньше, чем при южной ориентации и под оптимальным углом для конкретного времени года на конкретной широте. Однако, этот переизбыток энергии приходился бы на 2 – 3 дневных часа, т.е. тогда, когда энергии и так полно, и когда её девать некуда, и толку от этого нет.
При выполнении условий Б) и В), получаем, что панелей всё же должно быть минимум две цепочки. Если для АКБ на 48 В, то по 3 шт (каждая на 24 В, а если панели по 12 В – то по 6 шт) соединённых последовательно. Т.е. мы получаем две разнонаправленные последовательные цепочки. Например, из панелей 24 В 200 Вт получается нужно минимум 600+600=1200 Вт. Если нужна ещё большая мощность, то цепочки внутри каждой группы надо подключать параллельно. Каждую группу солнечных панелей, если её мощность большая, можно подключить через свой солнечный контроллер на одну группу АКБ (т.е. получается два контроллера).
Два солнечных контроллера, в случае разнонаправленных групп панелей, могут быть так же полезны, т.к.:
- общий КПД будет немного выше, чем у одного;
- это позволят задействовать любое количество СП, которое может диктоваться конструкцией дома (крышей или стенами, на которые планируется повесить СП), например, установить 7 шт. (3 шт. на один канал, 4 шт. – на другой);
- повысится общая надёжность системы (выход из строя одного контроллера, или одного канала в контроллере, не будет так фатален).
Если солнечный контроллер будет всё же один, а СП направлены на разные стороны света, то их надо «развязать» друг от друга диодами.
Г) Панели лучше покупать крупные (мощностью от 200 Вт) и вешать их высоко. Это особенно важно, если речь идёт об участках, на которых возможно воровство (крупные панели украсть очень затруднительно). Кроме того, чем крупнее солнечная панель, тем чуть выше её КПД, но и тем труднее её перевозить, и, особенно, - монтировать на высоте.
Самые лучшие по КПД и по долговечности солнечные панели - это монокристаллические солнечные панели. Но и стоят они немного дороже поликристаллических. Ещё дороже чёрные моно панели (внутреннее заполнение имеет чёрный цвет, алюминиевая рама тоже анодирована в чёрный цвет). Казалось бы, эта красота приводит к лишнему нагреву СП, а значит к некоторому падению её эффективности (доли процента от общей эффективности). Тем не менее, при ярком солнце, энергии обычно всё равно переизбыток, а вот в осенне-зимний период, чёрные панели намного лучше самоочищаются от снега и обледенений.
Для обеспечения естественной вентиляции между панелями и основанием оставляют воздушный зазор 5 – 10 см (панели, например, можно крепить на алюминиевых уголках, которые прикручиваются к основанию через стойки с надетыми алюминиевыми трубками 5 – 10 см длиной).
Д) В случае, если на доме и на участке места мало, и если воровство маловероятно, свою максимально возможную выработку энергии солнечные панели могут выдать, если они установлены на трекер (он автоматически поворачивает СП вслед за Солнцем). Посмотреть подробнее и купить можно здесь.
 |
 |
И, кстати, смотрятся на трекере они вполне эстетично и даже несколько футуристично. На одном умещаются 4 панели по 200 - 250 Вт Можно поставить несколько трекеров, ориентировочная цена каждого – 70000 - 90000 руб (без учёта стоимости СП).
 |
 |
Другой возможный вариант установки солнечных панелей – прямо в заборе.
Причём и при таком варианте установки СП можно обеспечить разнонаправленность по сторонам света – надо просто сложить «гармошкой» все панели. Появляется дополнительная эффективность за счёт отражения света от одних панелей на другие.
Достаточно просто устанавливаются солнечные панели и на металлическом каркасе, который тоже, если позволяют условия, можно сделать немного разнонаправленным или установить на нём солнечные панели «гармошкой».
 |
 |
Мы уже позаботились о том чтобы «растянуть» световой день (расставив СП разнонаправлено по сторонам света), мы обеспечили поступление энергии и в пасмурную погоду (соединяя солнечные панели последовательно в высоковольтные цепочки и применяя высококлассный МРРТ солнечный контроллер). А теперь надо подумать, как сделать так, чтобы основная масса затратных потребителей включалась днём. Тогда оставшееся на вечер и ночь небольшое количество электроприборов (светодиодные лампочки, телевизор, компьютер и т.п.) не сумеют сильно разрядить аккумулятор и последний, именно благодаря этому, будет служить десятилетиями (тут конечно многое зависит от конструкции АКБ).
Понятно, что начинать стирку мы будем с 12, и делать уборку пылесосом примерно в тоже время. Но некоторые вещи можно и автоматизировать, что крайне важно.
Так, например, надо бы чтобы такое энергозатратное устройство как бойлер (водонагреватель для душа и т.п.) подключался к автономному электроснабжению 220 В лишь днём, когда светит солнце (или когда напряжение на АКБ ещё высоко, т.е. они не сильно разряжены). Ведь его бак изнутри изолирован от среды толстым слоем пенопласта и способен очень долго удерживать тепло (до глубокой ночи, как минимум). Так же удобно, чтобы кондиционер включался именно днём. А кому-то и обогреватель в дневные часы не помешает (например весной/осенью, если панелей много).
Ещё более важно автоматическое подключение и отключение от автономномного электричества холодильника. На первый взгляд может показаться, что холодильник потребляет мало энергии - всего 150 Вт (правда при пуске - до 1,5 кВт, но это секунды и они не в счёт). Однако холодильник работает сутки напролёт и в итоге является одним из самых энергозатратных бытовых устройств. Кроме того, работая ночью, он весьма заметно разряжает аккумуляторы, что во многом является причиной быстрой потери ими ёмкости. Какие же меры можно предпринять, чтобы всего этого избежать, но при этом не лишаться благ цивилизации?
А) Опять же – необходимо применение высококлассного солнечного контроллера с технологией МРРТ (или двух таких контроллеров), но уже по другой причине. Только в подобные премиум-контроллеры встроены мощные программируемые реле (220В 3,5 кВт). Через такое реле и надо подключить холодильник и запрограммировать солнечный контроллер так, чтобы реле включалось только когда есть энергия солнца (или когда напряжение на АКБ не будет ниже, допустим, 12,3 В на 1 АКБ, что соответствует его разряду на 20 – 30%).
Бойлер (для нагрева воды) лучше подключить через другое мощное реле (если их конечно в контроллере несколько), т.к. одно реле не справится по мощности одновременно и с пуском холодильника и с бойлером, да и приоритет у холодильника можно выставить выше. Когда будет пасмурно и на всех энергии не будет хватать, то контроллер оставит подключённым только холодильник.
О наличии в контроллере подобных программируемых реле можно узнать, например, из сравнительного теста разных МРРТ контроллеров премиум-класса, или посмотрев их паспорта с характеристиками. Разработанные нашими специалистами солнечные контроллеры КЭС DOMINATOR MPPT и КЭС PRO MPPT имеют 3 таких встроенных реле, причём все они рассчитаны на напряжение до 220 В и мощность подключаемых к каждому из них устройств до 3,5 кВт.
При необходимости, какое-то из этих реле можно запрограммировать на автоматическое включение генератора, или на включение сигнализации.
Возможные алгоритмы программирования реле (кое-что из списка ниже в процессе доработки прошивки, которая, периодически обновляется на нашем сайте):
- эти реле должны включаться по определённому приоритету (есть критически важная нагрузка, а есть второстепенная);
- по напряжению АКБ;
- по мощности, которую могут в данный момент выдать солнечные панели;
- по времени;
- по тому, есть ли заряд АКБ от других источников (от генератора через МАП, или от ветрогенератора - для него у контроллера есть измерительное кольцо), или есть ли 220 В на входе МАП (т.е. если МАП транслирует к примеру 220 В от генератора, то почему бы холодильнику не работать?). Чтобы наш солнечный контроллер узнал, что на входе МАП появилось 220 В - мы соединяем его с нашим МАП дополнительным шнуром и они "общаются".
Б) Так как холодильники используют все и так как это один из самых много потребляющих электроприборов, поговорим о принципах их выбора для питания от солнечных панелей более детально.
Для условий автономии и малого потребления энергии, холодильник должен быть класса энергосбережения А+ + + (в крайнем случае - А+ +) и стоять в прохладном месте (и радиатор сзади холодильника должен свободно проветриваться).
Подходящий объем и способность поддержания необходимой минусовой температуры – это главные критерии для морозильной камеры. При разной температуре продукты могут храниться довольно долгий промежуток времени чтобы сохранить продукты в течении недели нужна температуры -6° С. Если морозильная камера поддерживает температуру -12° С, то это гарантируемое сохранение продуктов питания сроком до одного месяца. Если температурный режим -18° С - продукты могут храниться в холодильнике около трех месяцев.
Ну, а если может поддерживаться температура -24° С, то возможно хранение продуктов 6-12 месяцев. Нам лучше всего подходит последний вариант холодильника.
За счёт качественной термоизоляции многие холодильники способны сохранять достаточно низкую температуру внутри даже при отключении электроэнергии. Время сохранения холода – важнейший параметр холодильников. Это время, в течении которого, в случае отключения питания, в холодильнике будет сохраняться температура, достаточно низкая для того, чтобы скоропортящиеся продукты нормально сохранились. Чем больше это время – тем лучше термоизоляция холодильника и тем больше он подходит для условий, в которых возможны перебои с электроснабжением.
Конечно, в холодильнике надо установить самые низкие температуры и в морозилке и в общей камере, какие только возможны. Это позволит продержаться холоду внутри может и не одну ночь.
Если вы будете соблюдать несколько простых правил эксплуатации холодильника, он будет потреблять меньше электроэнергии. Не ставьте в него продукты, которые выше комнатной температуры. Старайтесь не оставлять открытыми двери. И выберите место для своего холодильника как можно дальше от батареи и кухонной плиты. Желательно что бы прямые солнечные лучи на него не попадали.
Для примера, рассмотрим три почти идеальных для автономии (и не только) холодильника:
Liebherr CTPsl 2541 |
Electrolux EN 3613 AOX |
Bosch KGE 49AI40 |
В) А если солнца не будет несколько дней или недель, и энергии станет катастрофически не хватать, что тогда делать? Тогда для нашего чудо-холодильника есть запасной вариант, ему надо открыть, так сказать «второе дыхание».
Первое что приходит на ум – хранить в морозилке несколько килограмм свинца. Масса у него большая, холода при -24° С должен набрать много… И отдавать его, медленно нагреваясь в хорошо изолированной морозилке он тоже будет долго.
Но вот беда - свинец вредно хранить рядом с продуктами, как-то это негигиенично, если не сказать - токсично.
Золото – вот гораздо лучший вариант! Оно тяжелее свинца и совершенно безопасно в санитарном плане. Так что если вы раздумываете, куда бы пристроить пару другую слитков золота (чем больше, тем лучше) – в морозилке им самое место. И воры никогда не догадаются!
Однако, к сожалению, не у всех имеются свободные слитки золота, поэтому придётся довольствоваться тем, что уже предлагается для сумок холодильников.
Нет, сухой лёд нам не нужен. Да и устарел он уже морально.
Различают несколько видов современных аккумуляторов холода (они продаются в пластиковых ёмкостях или в герметичных пакетах, срок их эксплуатации не ограничен):
гелевый – поддерживает температуру от -70° С до +80° С, представляет собой гелевый раствор, запаянный в герметичный прочный полимерный пакет (до -20° С), или твёрдую ёмкость (до -70° С); |
водно-солевой – наиболее распространенный, стандартный вариант – пластиковые брикеты с солевым раствором, перед использованием помещающиеся в морозильную камеру и способны поддерживать температуру от -20° С до +8° С; |
силиконовый – поддерживает температуру от 0° С до -2° С, зато в течение 7 дней. Основное преимущество силиконовых аккумуляторов перед водно-солевыми и гелевыми – способность поддерживать постоянную температуру около нуля в течение длительного периода (до 7 дней). |
Стоят эти аккумуляторы холода недорого – от 100 до 1000 руб. Гелевые хладоэлементы, по сравнению с солевыми, обладают значительно большей теплоемкостью и способны работать при очень низких отриательных температурах. Зато солевой элемент можно приготовить и самостоятельно. При этом, чем концентрированней будет соляной раствор, тем ниже будет его минусовая точка таяния. Максимальная концентрация соответствует – 20° С (ниже - соль выпадает в осадок). Именно точка таяния, т.е фазового перехода из твёрдого состояния в жидкое, является точкой «упора», т.к. для фазового перехода необходимо много энергии. Эта температура и является точкой «удержания» хладагента.
Силиконовый хладагент – самый эффективный и долгоиграющий. Но его температура удержания (от 0° С до -2° С) скорее имеет смысл в общей камере, чем в морозилке.
Итак, в условиях автономии, помимо всего вышеперечисленного, в хорошем холодильнике, в морозилке необходимо всегда держать несколько брикетов гелевого хладагента (модель до -70° С) и несколько – силиконового. В случае длительной нехватки энергии силиконовые брикеты надо переложить в общую камеру, а гелевые оставить в морозилке.
После подачи энергии (появлении Солнца или включении генератора или др.), силиконовые брикеты следует опять переложить в морозилку.
Напоследок отметим, что существуют и холодильники, работающие от постоянного напряжения 12 В и/или 24 В, а так же холодильники, работающие от газовых баллонов с пропан-бутановой смесью. Однако оба эти решения не экономичны, имеют весьма низкий КПД (т.к. работают от низких напряжений и/или основаны на адсорбционном методе охлаждения), обладают слабыми параметрами самих холодильников и высокой стоимостью (особенно работающие от газа – 45000 руб за небольшой холодильник с общим объёмом 285 л).
Когда-то очень давно, адсорбционные холодильники выпускались и просто для семьи, для дома. Однако были вытеснены компрессорными, т.к. проигрывали по всем параметрам, кроме бесшумности. Да и бегать, пусть и раз в 3 недели, с газовыми 50 л баллонами, комфортным времяпровождением не назовешь. Впрочем, когда другого выхода нет, допустим в походных условиях, тогда и такой холодильник подойдёт.
Итак, для начала сравним на графиках работу обычной солнечной системы и «правильной» солнечной системы с установленной мощностью СП 1500 – 2000 Вт в жаркий июньский солнечный день.
 |
 |
А). В обычной солнечной системе (график А) все СП установлены под углом 45 градусов к горизонту направлением на юг и соединены в соответствии с напряжением АКБ (т. е. серьёзного превышения напряжения СП над напряжением АКБ - нет). Никаких управляющих нагрузками реле в солнечном контроллере тоже нет.
На графике мы видим, что пиков