Бачи Алекс. Малая солнечная энергетика

Малая солнечная энергетика - теория и практика

Тема автономного электроснабжения загородного дома фотоэлектрическими панелями в последние годы обрела столько явных поклонников и энтузиастов, что мне тоже захотелось поучаствовать в этом "празднике жизни", даже несмотря на понимание того, что солнечная энергия только в рекламных буклетах выглядит манной небесной, падающей на землю абсолютно даром. Очевидно, что плавающая в реке рыба - это ещё не уха, а пасущийся на лугу барашек - не шашлык и не шуба. Та же история и с "условно бесплатной" энергией Солнца, превращение которой в электричество требует не только финансовых вложений, но и чёткого понимания, что именно мы хотим построить, максимально эффективно потратив "свои кровные", далеко не лишние.

Казалось бы, что может быть проще - нужно только купить солнечные панели, прикрутить к крыше дома, сориентировав на юг, воткнуть в коробку подходящей мощности, снаружи которой висит розетка на 220 вольт, и готово! Собственно, в максимально упрощённом виде это действительно так. Следовательно, сочинять статьи на подобные темы, когда информации по солнечной энергетике воз и телега - пустая трата времени. Склонен согласиться...

И всё же, хочется верить, что кому-то будет интересно разобраться в этой теме чуть глубже, чтобы самостоятельно подобрать оптимальную конфигурацию, а не полагаться на "экспертное мнение" опытного менеджера по продаже соответствующего оборудования, цели и задачи которого очевидны.

Экономическая целесообразность постройки солнечной электростанции

Прежде чем перейти к основной части статьи, несколько слов о финансовой стороне мероприятия, ведь мы вкладываем деньги не для того, чтобы "закопать в землю", как это сделал Буратино в известной сказке, а для получения реальной выгоды, иначе вся наша возня превратится в банальное хобби, по определению поглощающее финансы и кроме морально-эстетического удовлетворения никаких гешефтов не несёт.

Со всей определённостью сразу сообщу - строительство автономной СЭС (солнечной электростанции) - мероприятие весьма затратное и любые расчёты показывают, что получить финансовую выгоду в обозримой перспективе вряд ли получится. Возможно, дети и внуки поблагодарят нас за реальные "бесплатные киловатты, падающие с неба", в противном случае нам самим придётся жить очень долго, чего всем желаю абсолютно искренне!

Собственно, именно такой вывод напрашивается по опыту эксплуатации моей солнечной системы в течении одного года.

Правда, следует оговориться, что я изначально строил систему, способную автономно работать без внешнего электроснабжения, поэтому основной упор сделан на высокую ёмкость аккумуляторной батареи, чтобы запасать электричество на случай пасмурной погоды в течение нескольких дней К тому же, в моём домашнем хозяйстве нет мощных потребителей электроэнергии, способных каким-то рациональным образом потратить излишки дневного солнечного света, а значит, выбор именно такой конфигурации в полной мере осознанный.

Практика показала, что при наличии яркого солнца на небе аккумуляторы небольшой ёмкости заряжаются всего за пару-тройку часов, после чего инвертор и панели работают на холостом ходу, не принося никакой пользы.

Получается, что домашняя СЭС, не использующая солнечный свет днём, изначально убыточна, а к моменту выхода её на самоокупаемость, потребует замены аккумуляторов, зарядно-разрядные циклы которых далеко не безграничны.

Тем не менее, вариант, при котором СЭС может окупиться и принести выгоду спустя сравнительно небольшой период эксплуатации, существует. Для этого нужно отказаться от дорогостоящих аккумуляторов и использовать сетевой инвертор, изначально не предназначенный для работы с аккумуляторами. То есть, это любой малый бизнес, работающий преимущественно днём - автомастерская, кофейня, небольшой частный ресторан с ярким освещением, электрическими плитами, водогрейными котлами и воздухогрейками зимой и кондиционерами летом. В этом случае конфигурация системы будет предельно простой, по сути, состоящая лишь из солнечных панелей и сетевого инвертора, подключенного к уже существующей электропроводке.

Но и в этом случае, прежде чем принимать решение о покупке оборудования, нелишним будет узнать о среднегодовом количестве солнечных дней в вашем регионе. Расчёты показывают, что цифра в 200 дней - тот самый рубеж, ниже которого инвестировать в "зелёную энергетику" пока рановато.

Если всё сказанное выше не испугало, а решение о постройке СЭС принято и обсуждению не подлежит, перейдём к основной части статьи.

Для правильного выбора "архитектуры", наиболее подходящей для конкретного домовладения, обсудим некоторые специфические особенности используемого оборудования, его технические характеристики, и как следствие - возможные ограничения, о которых лучше знать заранее.

Начинаем!

Солнечные панели

Несмотря на единые базовые принципы преобразования солнечного света в электричество, фотоэлектрические панели разных производителей довольно сильно отличаются друг от друга не только по размерам, но и по мощности, напряжению, току и другим специфическим признакам. Общее для них - материал, из которого изготовлены фотоэлектрические ячейки - во всех случаях это кремний, но его агрегатное состояние разное. В одном варианте - это аморфный кремний, в другом - поликристаллический, в третьем - монокристаллический.

Панели из аморфного кремния лёгкие, гибкие и относительно дёшевы, но эффективность выработки электричества с квадратного метра площади у них самая низкая. Соответственно, оптимальное применение для них - различные мобильные системы - это "дома на колёсах" (трейлеры и кемперы), катера, яхты, а также автомобильный, велосипедный, и даже пеший туризм. Достаточно тонкие листы пластика можно сложить стопкой или скрутить в рулон, и они займут мало места в багажном отсеке автомобиля, а по прибытии на место - просто разложить на крыше/траве/песке и соединить в батарею нужной мощности. Для зарядки телефона, ноутбука и яркого фонаря в палатку достаточно одного такого листа, который потом сворачивается в трубу или складывается гармошкой, после чего прячется в рюкзак.

С учётом вышеизложенного, нетрудно вынести вердикт:

Для стационарной установки гибкие панели - Плохой вариант!

И это будет ошибкой, поскольку у панели из аморфного кремния имеется весьма уникальная способность работы в среднем диапазоне освещённости с незначительным снижением тока отдачи, тогда как у его "старших товарищей" вольт-амперная характеристика практически линейно зависит от яркости падающего на фотоэлектрические ячейки излучения. Другими словами, панели из аморфного кремния заметно выигрывают в неприхотливости, как по количеству света, так и в позиционировании, не требуя высокой точности азимута и угла наклона. И в тот момент, когда бегущие по небу облака периодически прикрывают солнце, ток в системе меняется не столь значительно, как с использованием более дорогих собратьев, что позволяет сэкономить на ёмкости аккумуляторов, переводящих мобильную электрическую систему в разряд полноценной электростанции малой мощности. К счастью, современный PowerВank на литиевых аккумуляторах совсем не тяжёлый и занимает мало места, а его наличие позволяет не слишком обращать внимание на погоду.

Предварительный итог:

Исключать вариант стационарной установки панелей из аморфного кремния не станем, ведь на их покупке можно серьёзно сэкономить, а если погода в конкретном регионе не слишком балует солнечными днями, то и получить электричество даже в пасмурную погоду, когда дорогие панели едва ли способны что-то выработать.

Среднестатистический дачный домик не приспособлен для круглогодичного проживания и используется лишь в садово-огородный сезон, поэтому панели из аморфного кремния - наилучший вариант, ведь их можно не устанавливать стационарно, а привязать к крыше или к забору прочной верёвкой на случай сильного ветра. При определённой сноровке такая система монтируется за полчаса-час и так же быстро разбирается, учитывая низкий вес и гибкость каждой отдельной панели.

И всё же, для стационарной установки лучше подходят панели из поликристаллического или монокристаллического кремния, поскольку они имеют прочную алюминиевую раму и достаточно твёрдое покрытие, защищающее фотоэлектрические ячейки от механического воздействия. В зависимости от используемой технологии эффективность выработки электричества у них отличается, но не так значительно. При этом, монокристаллические заметно дороже поликристаллических. Долговечность и деградация (естественное снижение мощности с течением времени) у них примерно одинаковые. Другими словами, монокристаллические панели актуально покупать лишь в случае жёстких ограничений по площади крыши дома или участка. Когда подобных лимитов нет, экономическая целесообразность указывает на панели из поликристаллического кремния, пребывающих в среднем ценовом сегменте, где конкуренция не только производителей, но и продавцов бывших в употреблении панелей, наиболее жёсткая. А значит, можно не только выбрать подходящий для себя вариант, но и поторговаться, к примеру, взяв "бонус-скидку" не деньгами, а дополнительными панелями.

Далее обсудим основные технические характеристики фотоэлектрических панелей:

Мощность

Для примерного расчёта производительности наиболее удобный параметр - максимальная (пиковая) мощность, которая всегда указывается на обратной стороне панели наряду с другими характеристиками. Она представляет собой "идеальный случай", замеренный на специальном стенде и в реальности недостижимый. То есть, доступная мощность солнечных панелей колеблется в диапазоне 50-80 процентов от той, что означена на табличке с техническими характеристиками. И дело вовсе не в честности производителя.

Тут действуют несколько объективных факторов, не позволяющих панели реализовать свой потенциал на 100%. Это не только географическое расположение объекта, но и изменение плотности солнечного потока в зависимости от сезона и времени суток, разное содержание в воздухе водяного пара, препятствующего прохождению солнечных лучей сквозь атмосферу, наличие или отсутствие облаков.

Важный параметр - температура фотоэлектрических ячеек, которая также указывается в спецификации и составляет обычно 25 градусов Цельсия, поскольку при нагреве свыше 50 градусов эффективность выработки электричества снижается, иногда весьма значительно. И если зимой охлаждение происходит естественным образом, то летом при заметно большей освещённости вся система может работать хуже по причине банального перегрева.

Отсюда рекомендация по монтажу панелей - необходимо предусмотреть достаточный зазор с крышей, оставляя возможность их естественной вентиляции. Также отметим естественные ограничения на установку панелей в реальном домовладении - это угол наклона, целиком зависящий от конструкции крыши, позиционирование по сторонам света и другие специфические, индивидуальные для каждого конкретного объекта, к примеру, наличие стоящих неподалёку высоких деревьев и т.п.

Суммируем вышеизложенное:

Заявленная производителем мощность в реальных условиях недостижима по множеству вполне объективных причин, поэтому при проектировании домашней СЭС следует закладывать определённый запас - двукратный или даже трёхкратный, чтобы получить необходимое количество электрической энергии. Особенно в случаях, когда загородный дом не подключен к электрической сети и полностью автономен. Именно поэтому нужно иметь какую-то альтернативу солнцу на случай затянувшихся дождей и пасмурной погоды. Электрогенератор и запас бензина помогают справиться с подобного рода трудностями.

Напряжение и ток

Поскольку разные производители часто ориентируются на известные им модели преобразователей, инверторов и контроллеров, рекомендуемых к установке совместно с их панелями, то и параметры тока и напряжения выбирают согласно своим представлениям о конечной конфигурации системы. Никаких строгих стандартов напряжения и тока для подобных систем не существует, поэтому, вооружившись обычным калькулятором, нетрудно посчитать, каким образом соединять массив панелей - параллельно или последовательно, чтобы не превысить предельных значений по току и напряжению. Соответственно, смотрим на этикетку с рабочими параметрами инвертора и собираем оптимальную систему.

В современных инверторах используется т.н. "технология поиска точки максимальной эффективности" (именуемая MPPT), поэтому низкое напряжение массива панелей не позволит получить максимальный ток, а слишком высокое приведёт к выходу из строя преобразователей. Следовательно, обращаем внимание не только на номинальной напряжение панели, но и на максимальное. С током проще - лишнего не возьмёт сам инвертор.

Соединительные провода

Из школьного курса физики мы что-то помним про закон Ома, описывающий зависимость тока от напряжения через сопротивление, а также формулу мощности как их произведение. Для определения сечения используемых проводов этой информации вполне достаточно. То есть, для построения низковольтной системы (20-100 вольт) мы берём толстые провода, такие, что используются в автомобильной проводке, где нормальные рабочие токи находятся в диапазоне 10-100 Ампер, а высоковольтной (100-900 вольт) - обычные, рассчитанные на токи до 10 Ампер, то есть, не толще кабеля питания телевизора.

Угол наклона и азимут

Очевидно, что при отсутствии механической системы слежения за положением солнца стационарный массив панелей должен устанавливаться соответствующим образом. С азимутом предельно просто - местонахождение солнца в точке, где ток панелей максимальный. В большинстве случаев это промежуток с 11 до 14 часов, а значит, большая удача, если крыша дома, куда планируется установить солнечные панели, изначально проектировалась с учётом сторон света. Также мы помним, что в зависимости от сезона солнце по небосклону ходит на разной высоте - летом вблизи зенита, зимой ближе к горизонту. Соответственно, угол наклона панелей по отношению к земле выбирается исходя из некоего среднеарифметического значения, либо весь массив делится пополам и часть его "глядит вдаль", а другая "на небо". Это крайне удобно, если к дому пристроена веранда или стоянка для автомобиля, крыши которых состоят из солнечных панелей, ведь металлочерепица и любые подобные материалы в нынешние времена стоят немногим дешевле фотоэлектрических панелей. В этом случае можно сэкономить немного денег, чтобы потратить их с большей пользой на что-то действительно нужное и полезное.

Следующий шаг - выбор подходящего преобразователя напряжения.

Инвертор

Для солнечной энергетики современный рынок предлагает широчайший ассортимент приборов преобразования электроэнергии, и на первый взгляд все они похожи друг на друга, отличие лишь в мощности. В реальности существует лишь два типа инверторов - сетевые и автономные, принцип работы которых различается фундаментально.

Что называется - Не родственники и даже не однофамильцы!

Гибридный инвертор по своей "архитектуре" может оказаться, как сетевым инвертором (On-Greed), так и автономным (On/Off-Greed), где различные измерительные приборы, кнопки, переключатели и реле интегрируются в единое устройство, позволяя всю систему сделать более компактной, удобной для установки и управления. Соответственно, рассматривать "Гибрид" в качестве какого-то самостоятельного типа инверторов бессмысленно, поскольку под этим словом понимается лишь мультифункциональность устройства без какой-либо конкретики.

Начнём с первого типа:

Сетевой инвертор

Судя по названию, этот тип преобразователей энергии специально предназначен для работы с существующей электрической сетью (Greed либо On-Greed).

Вполне естественно, при отключении электричества по каким-то причинам природного или технологического свойства, вы тоже останетесь без света, независимо от того, на улице яркий солнечный день или тёмная ночь. Такое поведение сетевого инвертора ни в коем случае не является конструктивной недоработкой или недостатком. Причина иная - законодательно установленная норма для всех сетевых инверторов - принудительное отключение в случае аварии на электросетях. Требование вполне разумное, ведь ремонтная бригада состоит из живых людей, и получить удар током от обесточенного провода - тот ещё сюрприз, не правда ли?

В максимально простом изложении работа сетевого инвертора заключается в "подмешивании" дополнительного электричества с солнечных панелей в уже существующую сеть таким образом, чтобы заставить электросчётчик крутиться в обратном направлении. Если он электромеханический, то алюминиевый диск начнёт "сматывать киловатты" в обратную сторону, а электронный не только покажет направление движения переменного тока, но и посчитает, какое количество киловатт сетевая компания должна вычесть из вашего счёта на оплату электроэнергии. Конечно, при наличии соответствующих договорных отношений.

Здесь существуют свои нюансы, о которых лучше знать заранее, а именно:

Энергетическая компания не заинтересована в том, чтобы её клиенты платили меньше за потреблённые киловатты, поэтому "услугу хранения электричества", выработанного сторонними домохозяйствами, обычно делает платной. Либо "возвращает" киловатты по более дешёвому "ночному тарифу" - то же самое, но в профиль. Другими словами, условно "собственное" электричество компания продаёт всегда дороже, чем принятое на хранение, которое потом вычитает из счёта на оплату. Именно поэтому люди часто удивляются тому, что установка собственных солнечных панелей не сильно отразилась на их благополучии. И дело вовсе не в жадности сбытовой компании, а в разнице стоимости полученной от поставщика энергии - она намного дешевле, чем та цена, которую платит конечный потребитель, ведь именно он оплачивает зарплату офисных сотрудников, выписывающих счета, техников, проверяющих показания счётчиков, монтажников и ремонтников, а также, вышедшее из строя оборудование и порванные ветром провода. Соответственно, платить за произведённое частником электричество дороже, чем за полученное по проводам от обычной электростанции, сбытовая компания готова только при условии, что разницу ей возместят по какой-нибудь программе поддержки зелёной энергетики. Что называется - ничего личного, это бизнес!

И всё же, следует признать, что плюсы от использования сетевого инвертора нередко перекрывают все минусы, поскольку такая архитектура не подразумевает использования дорогостоящих аккумуляторов для хранения энергии, а установка и монтаж - довольно простое дело, не требующее специальных знаний и квалификации. Не нужно портить стены для прокладки новых проводов - существующие вполне сгодятся. Никаких строительных и отделочных работ с их вечными спутниками - пылью и мусором. Красота!

Чуть сложнее о принципе работы сетевого инвертора:

Сетевой инвертор сам по себе не формирует синусоидальный переменный ток, он лишь добавляет мощности для каждой фазы сети, немного повышая амплитуду при активной нагрузке, либо выравнивая фазовый сдвиг (cos Ф, PF) для реактивной нагрузки. Соответственно, такая система легко масштабируется - в случае необходимости увеличения мощности, новый массив панелей подключаем к следующему инвертору, фазные выходы которого соединяем с уже существующей сетью в произвольном порядке - не нужно ничего согласовывать, измерять, выравнивать, выпрямлять-формировать и регулировать - сетевой инвертор всё сделает сам. Количество включенных параллельно инверторов может быть каким угодно, хотя производитель нередко перестраховывается и рекомендует использовать не более 8-12. Имеющийся внутри любого сетевого инвертора MPPT-контроллер постарается выжать из панелей максимум мощности, чтобы отдать сетевой компании. Единственный способ не позволить счётчику крутиться в обратную сторону - постараться потратить как можно больше электричества самостоятельно, установив дополнительные кондиционеры, водогрейные котлы, электронасосы и лампочки. Соответственно, наибольшую выгоду от использования сетевого инвертора получит тот, кто расходует энергию преимущественно днём, о чём уже упомянуто в начале статьи.

Гибридный сетевой инвертор - довольно редкий и дорогой зверь, поскольку помимо основной схемы имеет внутри себя устройство аварийного электроснабжения различной мощности для питания критически важного оборудования, для чего к нему подключается аккумуляторная батарея.

Если речь идёт о жилом доме, где основное потребление электричества преимущественно происходит вечером, то существует альтернатива:

Автономный инвертор

Как следует из названия, такой инвертор не требует обязательного подключения к сети, вырабатывая электричество днём от солнечных панелей, а вечером и ночью, работая от аккумуляторов. В случае ненастной погоды и отсутствия солнечного света в необходимом количестве, можно использовать бензиновый генератор.

Конечно, такая система обойдётся заметно дороже, поскольку требует использования аккумуляторов, чем больше, тем лучше. Добавим к этому электрические провода, ведь не всегда возможно интегрировать новое оборудование в уже существующую в доме систему, планы и чертежи на которую утеряны или их вообще никогда не существовало. Проще проложить новую проводку, чем пытаться подключиться к существующей. Но, не только это...

Получить высокую мощность (более 3 кВатт) от фотоэлектрических панелей, включенных по высоковольтной схеме (100-800 вольт) не так чтобы очень сложно. Но когда питание инвертора происходит от аккумуляторных батарей с напряжением 24-48 вольт, получение каждого следующего киловатта становится довольно сложной инженерной задачей. Проблема в высоких токах коммутации, требующих применения большого количества мощных транзисторов и хорошего согласования их работы. Солидные фирмы имеют возможность совместить мощность и надёжность в оборудовании, предназначенном для работы в таких "экстремальных" условиях, но это обязательно скажется на конечной цене. Производителям менее именитым проще ограничить мощность инвертора 2-3 киловаттами, чтобы не нести дополнительных издержек на гарантийное обслуживание и не получать множество гневных отзывов от потребителей.

Соответственно, большинство предлагаемых рынком автономных инверторов имеют высокую (до 5-6 кВатт) мощность при работе от панелей и довольно низкую (до 3 кВатт, реальную, долговременную, а не пиковую) при переходе на аккумуляторное питание. Как следствие - производители, кто не только обещает, но и гарантируют высокую мощность автономного инвертора, все возможные риски закладывают в цену, что выглядит вполне разумно.

В отличие от сетевых инверторов, автономные лишь в очень редких случаях можно соединять параллельно для увеличения мощности, поскольку синхронизация переменного тока 220 вольт по напряжению и фазе - тоже довольно сложная инженерная задача. Это значит, что при недостатке мощности от уже купленного и установленного инвертора, изменить её в сторону увеличения без серьёзного изменения всей конфигурации системы вряд ли получится.

Вот и получается, что автономная СЭС высокой мощности - сплошное поле компромиссов - либо мы покупаем больше аккумуляторов в батарею, чтобы повысить её напряжение, либо дорогое оборудование преобразования, либо рационализируем единовременное потребление электричества на уровне не более 2500-3500 Ватт/час, учитывая, что домашняя техника лишь в редких случаях потребляет больше, на что самым наглядным образом указывает надпись 16А на автомате, защищающем проводку в доме. Нетрудно посчитать, что перемножение напряжения 220 вольт на ток 16А как раз и даст те самые три с половиной киловатта.

В качестве примера - максимальное потребление в Ваттах для наиболее "прожорливых" бытовых приборов:

Электрочайник - 1500-2200, стиральная машина - 2500, микроволновка - 800-1200, электродуховка - 800-2500, кондиционер или накопительный водонагреватель - 800-2000. Если не включать такие устройства одновременно, то все остальные - холодильник, телевизор, компьютер и различные осветительные приборы можно использовать без каких-либо ограничений, ведь их суммарная потребляемая мощность едва ли превысит 300-400 Ватт.

Впору вспомнить шутливое выражение:

Наша компания предлагает высокое качество, короткие сроки и низкие цены, но в связи с загруженностью персонала мы можем исполнить лишь два условия из трёх.

Подытожим плюсы и минусы использования различных типов инверторов:

Сетевой легко интегрируется в уже существующую систему электроснабжения, позволяет добавлять мощность без изменения основной "архитектуры", серьёзно экономит затраты на электроснабжение при сравнительно невысокой стоимости оборудования, что позволяет надеяться на окупаемость, пускай и не очень скоро. Такая система актуальна для малого и среднего бизнеса, где тариф на электроэнергию обычно выше, чем для "частников", поэтому составляет значительную часть расходов. Единственный недостаток сетевого инвертора - необходимость его подключения к уже существующим электрическим сетям.

Автономная система электроснабжения лишена практически всех достоинств сетевой, но даёт ощущение независимости, что дорогого стоит - в самом прямом смысле. Соответственно, окупаемость её сомнительна, даже при условии, что какую-то часть оборудования удастся найти по сходной цене и бывшее в употреблении. Основные затраты всё равно лягут на покупку аккумуляторов, а они никогда дешёвыми не были. Такова реальность!

Далее несколько слов о форме переменного тока в розетке. Что такое "чистый синус" и каковы его отличия от других "видов синуса"?

COS Ф (косинус фи)

Современный человек, хотя бы немного интересующийся электротехникой прекрасно знает, что переменный ток в розетке обычно имеет напряжение 220-230 Вольт и частоту 50 Герц. Связанные с энергетикой и электромоторами специалисты прекрасно знают о существовании ещё одного важного параметра, называемого "косинусом фи" (cos Ф), в технической документации также именуемым PF (Power Factor) либо "коэффициент нелинейных искажений" в русскоязычной интерпретации. Поскольку форма переменного тока важна лишь для приборов, имеющих в своём составе индуктивные силовые элементы - катушки, трансформаторы и дросселя, потребляющие т.н. реактивную составляющую переменного тока, информация о косинусе фи не является предметом первой необходимости. Особенно сейчас, когда тяжёлые железные трансформаторы и электромоторы активно вытесняются более лёгкими импульсными аналогами, для которых форма переменного тока в розетке вообще не играет никакой роли. Просто потому, что современным блокам питания, инверторным холодильникам и стиральным машинам вообще не нужен переменный ток, так как на первом же каскаде он выпрямляется в постоянный, и с помощью импульсных схем преобразуется тем или иным образом.

Тем не менее, существует значительное количество бытовой техники, верой и правдой служащей по сей день - газовые котлы, микроволновки, холодильники и другие бытовые приборы, где есть катушки, трансформаторы, электромоторы, для которых форма переменного тока важна. Именно поэтому при выборе инвертора следует обращать внимание на приборы с "чистым синусом", форма переменного тока которых максимально похожа на ту, что присутствует в бытовой электрической розетке.

Пожалуй, последняя тема, требующая внимания в теоретической части данного обзора - выбор устройства хранения электричества. А именно:

Аккумулятор

Как уже сказано выше по тексту, сетевой инвертор не требует подключения к нему аккумуляторов, он экономит расходы на электричество в те дни, когда светит солнце, а ночью и в пасмурную погоду целиком использует внешний источник. В случае, когда фотоэлектрические панели подключены к автономной системе электроснабжения, использование аккумуляторных батарей обязательно.

Далее небольшой обзор ситуации на этом рынке:

Ещё сравнительно недавно автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор являлся основным устройством хранения электричества, поскольку его производство обходилось заметно дешевле других типов аккумуляторов, используемых в бытовой, промышленной и военной технике. Добыть что-то кроме него для обычного человека, далёкого от заводских и военных складов, считалось настоящим чудом.

Несмотря на то, что с момента изобретения первого никель-кадмиевого NiCd аккумулятора прошло уже более 100 лет, за всё это время аккумуляторы на основе никеля каких-то особых изменений не претерпели, и лишь в самом конце прошлого столетия обрели новое дыхание, став тем, что сейчас мы понимаем под NiCd и NiMH аккумуляторами. Но разработчики вдруг вспомнили о чудесных свойствах лития, столь же долго используемого для производства различных одноразовых элементов питания (в просторечии "батареек"), и "пальму первенства" перехватили различные литиевые технологии, почти мгновенно завоевав не только рынки, но и сердца благодарных пользователей телефонов, мощных фонариков и различного электроинструмента.

Но прогресс не стоит на месте, и буквально за каких-то пару-тройку лет на рынок вышел новый "зверь" - технология LiFePO4 (LFP, лифер, лифепошка), заставившая удивиться даже самых ярых литий-скептиков. Не исключено, что через пять-десять лет мы будем с ностальгией вспоминать "любимые сердцу лифепошки - старомодные, громоздкие, но такие родные". Кто знает...

Много разговоров о чудесных свойствах аккумуляторов на основе титаната лития (LTO) как о достойной альтернативе литий-железо-фосфатному (LFP), а также о натриевых аккумуляторах с более скромными ТТХ в сравнении с литиевыми, но очень дешёвыми, поскольку NaCl - обычная поваренная соль, что как бы уже намекает на конечную цену изделия. Их мы по понятной причине не рассматриваем.

Ситуация с аккумуляторными батареями различных типов применительно к СЭС выглядит примерно следующим образом:

Автомобильные свинцово-кислотные

Количество зарядно-разрядных циклов в зависимости от глубины разряда и различных природных факторов колеблется от 50 до 500, что для использования в системах автономного электропитания, как минимум, нерационально. К тому же, конструктивно они вообще не рассчитаны на работу в буферном режиме, поскольку их основная задача дать максимальный ток лишь в момент старта двигателя, а потом он долго и сурово заряжается в процессе езды. Циклический заряд-разряд его попросту разрушает, что ограничивает срок эксплуатации такого АКБ до года и даже меньше. Пара-тройка глубоких разрядов (менее 2 вольт на банку) способна его "убить" в течении нескольких дней после покупки.

Вполне ожидаемый вывод:

Автомобильный кислотный аккумулятор для СЭС принципиально непригоден.

Свинцово-кислотные тяговые (классические)

Они заметно дороже автомобильных, так как свинцовые пластины внутри их более толстые, а значит, при тех же габаритах, что и автомобильные, они будут иметь больший вес и меньшую ёмкость в ампер/часах. При этом количество зарядно-разрядных циклов в зависимости от режима использования колеблется от 200 до 1200, что заметно лучше, но далеко не замечательно. Глубокий разряд на них действует столь же разрушительно, как и на автомобильные, поэтому суммарная мощность таких аккумуляторов намеренно завышается, что естественным образом сказывается на цене и весе всего комплекта. Другими словами - довольно дорогое удовольствие.

Для использования в СЭС пригоден лишь в случае, если достался даром. Что называется - жалко выбросить.

Свинцово-кислотные AGM и GEL

Это если не революция, то некоторое продвижение в светлое завтра, но всё равно "на старых дрожжах". Дело в том, что сама по себе обратимая электрохимическая реакция сульфатации с последующим восстановлением молекулярного свинца в циклах заряд-разряд - довольно старое изобретение, которому, как и NiCd уже больше 100 лет. Поэтому придумать что-то прорывное на его основе непросто. Тем не менее, лучшие образцы подобных АКБ способны честно работать до 20 лет, поскольку могут выдержать до 3-5 тысяч зарядно-разрядных циклов. Правда, лишь в наиболее мягком режиме использования. И цена у них, прямо скажем, далеко не бюджетная.

Наш вердикт:

Если торгующая такими АКБ фирма устроит распродажу с большими скидками, стоит присмотреться к столь заманчивому предложению.

Далее по тексту мы будем рассматривать принципиально иной тип АКБ, поэтому прежде следует сказать пару слов в защиту свинцово-кислотных аккумуляторов всех типов (и автомобильного в том числе). Несмотря на то, что в реальности мы можем использовать только половину заявленной производителем ёмкости, так как при мощной нагрузке происходит довольно сильная просадка напряжения на свинцово-кислотной батарее, способная её повредить, кратковременный ток потребления может приближаться к запредельным значениям мощности, сравнимой с током короткого замыкания. Соответственно, если такой АКБ будет подключен параллельно к основной батарее на основе лития в качестве "токовой подпитки" в моменты пиковых нагрузок, то вся система обретёт феноменальную "устойчивость и эластичность", как по току, так и напряжению. Подобный эффект нетрудно заметить, если использовать несколько амперметров, подключенных к разным типам аккумуляторов, когда при прерывистом характере нагрузки, энергия будто "перетекает" внутри сборки аккумуляторов - одни заряжаются от других, а потом меняются ролями.

Довольно лирики, движемся дальше!

Li-ion и Li-polуmer

Отличие одного от другого лишь в форме упаковки - первый скручивается в рулон и вставляется в железную трубку, второй выпускается в виде плоских прямоугольных пластин разной длины/ширины/толщины.

Как уже отмечено выше, литий в составе электролита для одноразовых батареек - мощных, долговечных и очень компактных (к примеру, весьма популярные плоские "таблетки" серии CR) - используется не первое десятилетие, но аккумуляторы на его основе на широкий рынок вышли не так, чтобы очень давно. И это несмотря на то, что обратимая окислительно-восстановительная реакция с участием лития известна любому студенту-химику. Виной тому, особая "капризность" буквально ко всему - глубокому разряду, перезаряду, жаре, холоду, механическому воздействию и т.д. Взрывы таких аккумуляторов - довольно редкое событие, но сама возможность подобного поведения - серьёзный повод принять соответствующие меры безопасности. И если бы не феноменальное соотношение веса к ёмкости литиевого аккумулятора и его способность быстро брать и отдавать заряд на очень высоких токах, мы до сих пор пользовались бы кислотными АКБ, когда нужна высокая мощность, а никелевыми, когда существуют ограничения по весу.

Но рынок требовал новых типов аккумуляторов - лёгких, мощных и компактных, и компромиссное решение было найдено - "плохой характер" литиевых аккумуляторов компенсировали обязательным использованием BMS-контроллера, неусыпно следящего за поведением непоседы - своеобразный "строгий ошейник", не допускающий глубокого разряда, перезаряда и значительного изменения температуры в различных режимах использования.

Следует признать, что несмотря на массу недостатков, столь удачного соотношения мощность-вес-габариты Li-ion и Li-polуmer, нет пока ни у какого другого типа аккумуляторов, да и цена вполне конкурентная.

LiFePO4

Этот тип аккумуляторов сравнительно недавно вышел на широкий рынок и законно обрёл сторонников и почитателей. По-сути, это всё та же литиевая технология, но лишённая главного недостатка своих "старших братьев" - Li-ion и Li-polуmer - он взрывобезопасный, за что пришлось заплатить увеличением габаритов, некоторой потерей ёмкости на вес, чуть более скромными токами заряд-разряд и заметным повышением цены.

Применение BMS-контроллера для этого типа аккумулятора не является необходимостью, он вполне может обходиться без "строгого ошейника", поскольку взрыв ему не грозит. Но будучи улучшенной версией всё той же литиевой технологии, "Лифер" будет отдавать максимум своих способностей лишь при строгом соблюдении режимов зарядки и разрядки. Подключенный к батарее BMS-контроллер не позволит каждому из элементов разрядиться ниже 2.5 и зарядиться выше 3.65 вольт, что позволит достичь безусловно феноменальных показателей по количеству циклов заряд-разряд - 4000-6000, что в полтора-два раза выше, чем у ближайших родственников Li-ion и Li-polуmer (примерно 3000 циклов).

Форм-фактор может быть какой угодно - призма или цилиндрический стакан типоразмеров 18650, 32700 и др.

Насколько заявленная производителем долговечность соответствует действительности - покажет время.

Несколько слов об измерении ёмкости литиевых аккумуляторов

Степень заряда свинцово-кислотных и никелевых аккумуляторов неплохо определялась по напряжению под некоторой стандартной нагрузкой, что позволяло использовать простые методы измерения ёмкости. С литиевыми аккумуляторами этот метод уже не работает, поскольку требует иных методик, нежели по напряжению и току. Контроллеры заряда для Литий-ионных аккумуляторов должны учитывать не только моментальный ток потребления, но и крутизну снижения напряжения, а также, время заряда-разряда, что требует применения собственных контроллеров для каждого конкретного устройства, будь то телефон, шуруповёрт или инвертор для СЭС.

Тем не менее, существует довольно простой способ оценки доступной для использования ёмкости для любого литиевого аккумулятора - использование современных измерителей мощности, считающих не только моментальное потребление, но и собирающих долговременную статистику работы аккумулятора. Наиболее продвинутые приборы видят движение тока в обоих направлениях, суммируя количество Ватт, поступивших в аккумулятор в процессе заряда, а на цикле разряда, вычитая из полученной цифры количество потраченной энергии. Таким образом, сбросив счётчик на нулевые значения в момент, когда BMS-контроллер отключил аккумулятор от нагрузки по причине полного разряда, мы узнаем, какова величина хранящейся в аккумуляторе энергии на момент, когда ток заряда станет нулевым по окончании зарядки. В этом случае мы будем точно знать реальную ёмкость в Ваттах, готовых к использованию, не забывая о том, что на любое преобразование расходуется некоторое количество энергии. Для простоты расчётов 5% - средняя величина потерь заряд-разряд применительно к литиевым аккумуляторам. Для свинцовых она заметно выше.

Пожалуй, на этом теоретическую часть обзора можно закончить.

Практические результаты использования домашней СЭС планирую выложить несколько позже, когда будет собрана более полная статистика не только по дневной выработке, но и годовой посезонно, на что потребуется время.

С пожеланиями успехов во всех начинаниях,

Алекс Бачи.

Оставить комментарий © Copyright Бачи Алекс Размещен: 07/09/2024, изменен: 17/02/2025. 41k. Статистика. Статья: Естествознание, Изобретательство Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Практическое пособие для тех, кто задумался о постройке домашней солнечной электростанции. Без картинок, но достаточно подробно.

Бачи Алекс Малая солнечная энергетика - теория и практика

Бачи Алекс
Малая солнечная энергетика - теория и практика