Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №3 (75) Май-Июнь 2017 / Статьи и обзоры оборудования

Солнечные батареи — основа домашней энергосистемы

В статье рассматривается современная система резервного питания для дома на основе аккумуляторов и солнечных батарей. Решение замечательно тем, что позволяет не только экономить электроэнергию, но и стать менее зависимым от городской электросети. К тому же такая генерация более технологична, бесшумна и экологична. Но прежде, чем приступить к выбору и подключению энергосистемы на солнечных батареях, рассмотрим некоторые принципиальные вопросы.

Солнечные батареи

Философия выбора

Также, как и с выбором стабилизатора, нужно честно задать себе вопрос: «Зачем устанавливать солнечные батареи и аккумуляторы с инвертором?» Именно от ответа будет зависеть и комплектность системы и ее цена.

Можно выделить три основных случая.

1. Аварийный резерв.

При кратковременном пропадании напряжения в городской сети нужно обеспечить работу жизненно важных приборов в доме — отопление, связь, освещение, холодильник. Все остальные приборы по возможности не использовать. Предполагается, что авария — явление редкое и непродолжительное.

В этом случае конфигурация системы с солнечным инвертором и аккумуляторами будет минимальной. Солнечные батареи можно вообще не ставить, а пользоваться только аккумуляторами, которые будут подзаряжаться от уличной сети.

2. Экономия электроэнергии.

Если планируется использовать солнечную энергию в целях экономии, то нужно наращивать мощность системы, выбирая такой режим работы инвертора, когда

энергия солнца «подмешивается» к той, которую мы оплачиваем по счетчику. Либо некоторые линии в доме питаются постоянно только от солнечных батарей.

Тем самым экономится электроэнергия, получаемая из города, при неизменном потреблении всего дома. В этом случае уже можно говорить об окупаемости системы. Разумеется, чем больше мощность солнечных батарей и емкость аккумуляторов, тем быстрее возвратность вложений.

Подобный вариант включает в себя и аварийное электропитание, т.е. первый случай.

3. Полная замена.

Предполагает полный отказ от городской электросети. Она (если есть) будет нужна лишь для аварийного резервирования системы на солнечных батареях, в случае выхода последней из строя. Такая конфигурация системы будет иметь максимальную мощность и стоимость.

В этом случае желательно также иметь и генератор, который понадобится в случае недостаточной энергии от источника. Это может происходить, например, зимой, когда активность солнца минимальна. Генератор послужит для зарядки аккумуляторов и резервного питания важной нагрузки.

Получение электроэнергии из солнечных батарей

Теперь рассмотрим, как выглядит конфигурация системы на солнечных батареях для дома. Энергия солнца в солнечных батареях преобразуется в электрическое напряжение постоянного тока. Очевидно, что напрямую солнечную батарею к домашней электросети подключить нельзя, поскольку там должно действовать напряжение 220 (230) вольт переменного тока частотой 50 Гц. Для преобразования постоянного напряжения нужен инвертор (преобразователь), на выходе которого будут те самые стандартные 220 В.

Стандартная конфигурация системы на солнечных батареях содержит инвертор, аккумуляторные батареи, электрощит с автоматическими выключателями и, собственно, солнечные батареи.

Но солнечная энергия достаточной интенсивности действует далеко не всегда. Часто происходит и так, что период активности солнца не совпадает с периодом, когда необходима электроэнергия.

Другими словами, солнечную энергию нужно накопить, а только потом преобразовывать. Для накопления солнечной энергии используют аккумуляторы, которые потом в нужный момент отдают электроэнергию через инвертор в нагрузку.

Управляет всем этим процессом инвертор для солнечных батарей (рис. 1), который по совместительству является контроллером сетевого напряжения и заряда аккумуляторов. Он направляет энергию солнечных батарей для зарядки аккумуляторов, а затем, когда это нужно, запасенную в аккумуляторах электроэнергию преобразует в напряжение 220 В 50 Гц и отдает в нагрузку. Когда аккумуляторы разряжены, напряжение с улицы есть, а солнца нет, они заряжаются от городской сети.

Когда с улицы поступает нормальное напряжение, солнечный инвертор, в зависимости от настроек, может работать в режиме «Байпас», то есть пропускает ток со своего входа на выход без преобразований.

Фактически, инвертор с аккумуляторными и солнечными батареями может быть частью системы бесперебойного питания (пример — ИБП на стационарных компьютерах). С той лишь разницей, что там энергия берется (и запасается) только от городской электросети, а в солнечных инверторах — приоритетно от солнечных батарей.

Предварительный расчет мощности и конфигурация системы

Прежде, чем покупать и устанавливать солнечный инвертор, нужно потратить время на анализ существующей электрической системы дома. Определиться с максимальной и средней потребляемой мощностью, пусковыми токами, системой заземления. Ведь мощность — это основной параметр системы. А выбор мощности зависит от нескольких факторов.

Мощность инвертора должна быть выбрана из реальной нагрузки и из цели, ради которой устанавливается система. Применительно к трем случаям использования, рассмотренным выше, мощность можно выбрать так.

  1. Аварийный резерв: мощность может быть минимальной (1-2 кВт), достаточной для питания только жизненно важной нагрузки.
  2. Экономия электроэнергии: мощность зависит от степени экономии, и выбирается сравнимой со средней мощностью, которую потребляет дом (4-6 кВт).
  3. Полная замена: мощность должна быть больше, чем мощность всех приборов в доме, плюс запас на пусковые токи и на возможное увеличение количества приборов (не менее 10 кВт).

Для получения большей мощности инверторы подключаются параллельно. Для этого нужно дополнительно применить платы коммуникации (параллельной работы), чтобы инверторы могли работать правильно. При этом мощности двух инверторов складываются.

Логично, что мощность и эффективность всей системы зависит не только от инвертора, но и от аккумуляторных батарей. К инверторам разной мощности подключаются АКБ нужного напряжения и емкости. Рекомендации по выбору и подключению АКБ содержатся в инструкции к вобранной модели инвертора.

Итак, мы разобрали, что мощностью инвертора будет определяться мощность всей системы. Но тут не все так однозначно, и стоит учесть еще некоторые факторы.

Реальная нагрузка. Вся нагрузка сразу никогда не включается, и нужно провести тщательный анализ потребления в течение некоторого времени (порядка суток). Также, необходимо на некоторое время включить всю возможную нагрузку в доме. Для измерений можно воспользоваться токовыми клещами, модульным амперметром или анализатором качества напряжения. Например, HIOKI3197.

Байпас. В режиме «Байпас» инвертор фактически не работает, и пропускает через себя всю мощность домашней сети. Однако, нужно учитывать, что в некоторых моделях инверторов мощность при байпасе и при преобразовании одинакова.

Перегрузка. Некоторые домашние электроприборы работают кратковременно. Например, чайник, СВЧ-печь или фен включаются на 2-3 минуты. Другие приборы, имеющие электродвигатели, обладают пусковыми токами, которые могут значительно превышать номинальные и длиться несколько секунд.

Эти факторы обычно учитываются в инверторах, и они могут держать перегрузку в 2-3 раза в течение нескольких секунд, а перегрузку в 1,5 раза — несколько минут. Значения эти — ориентировочные, но нужно обязательно обратить на них внимание при выборе модели инвертора.

Приоритеты. Данный пункт касается случаев применения инверторов для аварийного и резервного питания. Чтобы определиться с оптимальной мощностью, необходимо решить, какие приборы нуждаются в бесперебойном питании, а какие могут «потерпеть» в случае перебоев в уличном электроснабжении. Поэтому будет разумно через солнечный инвертор подключать не все электроприборы, а только самые важные. Например, газовый котел, розетки кухни (включая холодильник), освещение.

А очень мощные и не столь необходимые приборы подключать напрямую, минуя инвертор. Это могут быть бойлер, проточный водонагреватель, и т.п. Скорее всего, для реализации такого варианта потребуется изменить схему подключения нагрузочных линий в электрощитке. Учет всех этих факторов поможет правильно выбрать инвертор для дома и разумно сэкономить.

Пример монтажа однофазного инвертора

Сначала рассмотрим на практике однофазную систему, а потом перейдем к трехфазной.

Внешний вид солнечного инвертора может быть таким, как на рис. 1. Его мощность в данном случае — 5 кВА, есть модели и на другие мощности.

Инвертор для солнечных батарей Ecovolt

Рис. 1. Инвертор для солнечных батарей Ecovolt

На рис. 2 показано, как устроен интерфейс инвертора со всеми входами, выходами и органами управления.

Солнечный однофазный аккумуляторный инвертор для дома

Рис. 2. Солнечный однофазный аккумуляторный инвертор для дома. Клеммы для подключения

Подключение аккумуляторных батарей обязательно производится через автоматический выключатель. Это необходимо в целях безопасности при перегрузках и коротких замыканиях. Подключение к электрощитку — через кабель нужного сечения, учитывая максимальный ток и падение напряжения.

Важное замечание! В отличие от стабилизаторов, входная и выходная нейтрали инвертора гальванически развязаны. Если их соединить, инвертор работать не будет!

Иногда, чтобы установить инвертор, приходится приводить в порядок домашнюю проводку, чтобы она соответствовала системе заземление TN-C-S.

Энергосистема, установленная под лестницей, может выглядеть как на рис. 3.

Монтаж энергосистемы для дома на солнечном инверторе Ecovolt

Рис. 3. Монтаж энергосистемы для дома на солнечном инверторе Ecovolt

Используются 4 АКБ, каждая напряжением 12 В и емкостью 200 А·ч. После подключения необходимо настроить инвертор согласно инструкции. Вот как выглядит экран Ecovolt при нормальной работе — рис. 4.

Работа солнечного инвертора Ecovolt

Рис. 4. Работа солнечного инвертора Ecovolt. Нагрузка питается с улицы через байпас, одновременно идет заряд батареи

При различных режимах работы и при настройках на экране отображается информативная картинка, которая будет понятна неподготовленному пользователю.

Например, вот что будет на экране, если пропадает напряжение с улицы — рис. 5.

Работа инвертора с аккумуляторными батареями

Рис. 5. Работа инвертора с аккумуляторными батареями

В данном случае, как и при работе от солнечных батарей, солнечный инвертор выдает стабильное синусоидальное напряжение 230 В, как и положено по стандарту.

Трехфазная система на инверторе с солнечными батареями

Не будем вдаваться в подробности, а приведем лишь пару фото с монтажа солнечных инверторов трехфазной энергосистемы.

Схема подключений такая — рис. 6.

Три фазы — процесс монтажа солнечных инверторов

Рис. 6. Три фазы — процесс монтажа солнечных инверторов

Здесь применяются три инвертора Ecovolt, каждый на свою фазу. Для связи в них установлены платы параллельной работы, которые подключены через кабели параллельного интерфейса. В итоге трехфазная энергосистема имеет следующий вид — рис. 7.

Для всех подключений нужен еще один щиток (на рис. 7 справа), куда приходят напряжения с улицы на инверторы, с инверторов на дом, от солнечных батарей и от аккумуляторов.

Трехфазная энергосистема для дома

Рис. 7. Трехфазная энергосистема для дома

Для повышения надежности системы нужен перекидной рубильник (на рис. 7 справа от щитка), это позволит при аварии (у любого электронного устройства есть право на поломку) подать напряжение на дом напрямую с улицы. Основной домашний электрощит на фото не присутствует.

Солнечные батареи в данной конфигурации подключаются к одному из инверторов, который будет главным. Он будет контролировать заряд аккумуляторов от солнечных батарей.

Смонтированный на крыше комплект солнечных батарей показан в самом начале статьи. Это одна половина, другая — на другом скате. Всего в данном случае — 12 солнечных батарей по 24 Вольта, мощностью 260 Вт. Каждая такая половина содержит три последовательно соединенных батареи, эти тройки соединены параллельно. В результате теоретически 12 батарей дадут 3100 Вт. Но это, если на все из них перпендикулярно падают солнечные лучи, чего никак не может быть.

Заключение

Тема очень обширная, все охватить в рамках одной публикации достаточно сложно. Тем не менее, ответить на вопрос о стоимости такой системы можно. Она зависит от марки и производителя, число которых с каждым днем становится все больше. Также на цену существенно влияет конфигурация, о чем написано выше.

Вот как будет выглядеть порядок цен для трех случаев:

  1. Аварийный резерв — до 100 тыс. руб.
  2. Экономия — несколько сот тысяч рублей.
  3. Полная замена (10 кВт) — около 1 млн руб.

Что же, когда-то и сотовые телефоны стоили громадных денег, а сейчас есть у каждого.

Александр ЯРОШЕНКО,
автор блога SamElectric.ru