В регионах средней полосы России, в летние месяцы, на каждый квадратный метр поверхности приходит около 5 кВт*ч солнечной энергии. Из этого объема примерно 15% может быть преобразовано в электрическую энергию с использованием фотоэлектрических преобразователей. Зимой уровень солнечной энергии значительно снижается, и в декабре-январе он может быть в 5-8 раз меньше, чем в июне-июле.
Автономное электроснабжение для частного дома: обзор лучших локальных решений
Создание независимой электросистемы предоставит возможность обеспечить энергией частные домостроения, которые не подключены к централизованным сетям. Это не только значительно снизит расходы на электроэнергию, но и обеспечит надежное питание для дач и загородных домов. Тем не менее, чтобы воспользоваться этим преимуществом, необходимо тщательно изучить, как выстраивается автономное электроснабжение частного хозяйства.
В этой статье мы детально рассмотрим устройства независимых энергосистем. Вы получите информацию об основных принципах построения этих систем и ключевых аспектах организации электроэнергетического снабжения на частных объектах. Мы гарантируем, что данные, представленные в нашем обзоре, являются актуальными, проверенными и согласованы с действующими строительными нормами и правилами.
В тексте вы найдете развернутые обсуждения различных вариантов реализации частных энергетических систем, а также оценку всех доступных источников создания энергии. Предоставленные сведения подкреплены визуальными материалами, включая фотографии и видеоролики.
Общие требования к домашним автономным системам
Для корректного функционирования автономного энергетического комплекса, способного обеспечить потребности всех электроприборов и техники в доме, специалисты рекомендуют провести предварительный расчет суммы мощности всех имеющихся электропотребителей перед установкой оборудования.
К числу таких потребителей относятся:
- Системы отопления жилого пространства;
- Холодильное оборудование;
- Устройства для очистки и кондиционирования воздуха;
- Крупные и мелкие бытовые электроприборы;
- Насосы, которые подают воду из колодца или скважины в дом;
- Электроинструменты, используемые для выполнения собственных строительных работ и ухода за приусадебным участком.
Базовые параметры мощности можно узнать из документации, прилагающейся к каждому из приборов. Эти данные могут различаться, однако все устройства нуждаются в стабильном электроснабжении на определенной частоте и без колебаний напряжения.
В определенных случаях также учитывается такой параметр, как синусоидальная форма переменного напряжения.
Одними из основных причин, обусловливающих потребность в организации автономного электрообеспечения, являются отсутствие должной инфраструктуры в местах, где находятся частные дома или дачи.
Также часто автономные системы, которые производят электрическую энергию, создаются в качестве резервного источника питания, чтобы минимизировать неудобства, связанные с перебоями в централизованной сети.
Для обеспечения питанием низковольтных линий и обращающихся к незначительным потребителям частные домовладельцы зачастую прибегают к внедрению экологически безопасных технологий.
Наиболее простым и экономически выгодным вариантом для автономного электроснабжения являются газовые, бензиновые и дизельные генераторы. Они обладают высокой производительностью и не требуют сложного монтажа, однако не могут быть отнесены к нейтральным для окружающей среды источникам энергии.
Системы на основе «зеленой» энергетики, например ветер, вода и солнце, не оказывают негативного воздействия на природную среду и имеют практически неисчерпаемые ресурсы — их энергия постоянно восстанавливается и не требует значительных материальных затрат.
Ветряные установки и солнечные панели на дачах могут быть использованы для обеспечения питания как уличного, так и внутреннего светодиодного освещения, а также для зарядки жидкокристаллических телевизоров и мобильных медиа-устройств.
В удаленных от утешительных благ цивилизации туристических местностях ветряные и солнечные установки могут существенно снизить нагрузку на главные генераторы, обслуживающие весь туристический комплекс.
Если вы являетесь владельцем участка, расположенного на берегу реки или бурного горного ручья, то у вас есть шанс создать гидроэлектростанцию. Однако такое везение, как правило, выпадает лишь жителям поселков, а не индивидуальным домовладельцам.
Суммируя данные о мощности всех приборов, можно определить, сколько реальных киловатт-часов должно производить автономное электроснабжение в день. Рекомендуется увеличить полученное число на 15-30% для создания запаса на случай будущего роста потребления электроэнергии.
Автономные электрические установки создают возможность стабильного обеспечения комфорта в домах, находящихся вдали от централизованных систем электроснабжения, которые отвечают за подачу электрической энергии в жилые помещения.
Инверторы как источник автономного электропитания для частного дома
Чтобы значительно повысить эффективность работы системы, рекомендуется подключение силовых инверторов с зарядными устройствами и ёмкими аккумуляторными батареями к генераторам. Так, инверторы могут служить основным источником автономного электроснабжения частного дома на высоком уровне.
В этом сценарии генератор работает не круглосуточно, а лишь в те часы, когда требуется подзарядка батарей. В любое другое время электроснабжение загородного дома обеспечивается за счет энергии аккумуляторов, которая преобразуется инвертором в переменный ток с чистой синусоидой.
Как только уровень зарядки аккумуляторов снижается, инвертор вновь подключает генератор, обеспечивая потребление переменным током и одновременно подзаряжая аккумуляторную батарею. Этот метод автономного электропитания обеспечивает надежную эксплуатацию электрических устройств, так как переключение между питающими источниками — аккумуляторами и генератором — происходит автоматически.
Работу всего оборудования контролирует инвертор, управляемый специальными фирменными системными контроллерами. Систему можно запрограммировать для выполнения различных сценариев:
- Генератор запускается при снижении уровня напряжения или степени заряда аккумуляторов;
- Подключение генератора также может зависеть от увеличения нагрузки;
- Автономное энергоснабжение от генератора можно запланировать на определённые часы (например, разрешить его работу в дневное время и отключить ночью).
Использование инверторов и аккумуляторов способствует увеличению срока службы генератора и снижает затраты на эксплуатацию объекта, снижая расходы на топливо и техническое обслуживание. При этом техническое обслуживание компонентов инверторной системы не требуется.
Работа инверторов с альтернативными источниками резервного питания
Современные инверторы, сочетающиеся с аккумуляторами, обеспечивают автономную работу всех бытовых приборов, используя альтернативные источники электроснабжения. В данном случае в гибридную систему могут быть включены солнечные панели и ветрогенератор, помимо генератора. Также возможности резервного электроснабжения могут полностью базироваться на возобновляемых источниках энергии.
Аккумуляторные батареи способны накапливать энергию солнца или ветра с помощью специальных контроллеров заряда в те моменты, когда она доступна. При достаточном уровне зарядки инверторы преобразуют постоянный ток из аккумуляторов в переменный с чистой синусоидой, что позволяет использовать его для функционирования домашней техники.
Еще один способ применения инверторов заключается в создании систем бесперебойного питания в ситуациях, когда существует подключение к сети, но оно не отличается стабильностью. Автономные источники питания на основе инверторов с аккумуляторными батареями и солнечными панелями используются не только при отключении электроснабжения, но и для приоритетного использования энергии солнца, что позволяет экономить сетевую электроэнергию.
Для интеграции с альтернативными источниками, такими как солнечные панели и ветрогенераторы, подойдут инверторы Victron серии Phoenix с мощностью от 1,2 кВА до 5 кВА.
Инвертор Victron серии Phoenix представляет собой высококвалифицированное техническое устройство, предназначенное для преобразования постоянного тока в переменный. Он разработан с применением гибридной технологии и адаптирован для самых высоких требований. Его основная задача состоит в обеспечении высокого качества тока на выходе с стабильным напряжением в виде чистой синусоиды, что является необходимым для таких приборов, как газовые котлы, холодильники, микроволновые печи, телевизоры и стиральные машины.
Полное автономное электроснабжение частного дома с использованием разнообразных бытовых электроприборов требует как высокого качества напряжения, так и способности инвертора справляться с пусковыми токами интенсивных нагрузок (например, компрессоров холодильников или электродвигателей насосов). Функция SinusMax инвертора Phoenix может удовлетворить эти требования, обеспечивая двукратную кратковременную перегрузку системы, что не доступно более простым старым технологиям преобразования напряжения.
- На холостом ходу: от 8 до 25 Вт, в зависимости от модели;
- При поиске нагрузки: от 2 до 6 Вт, режим сопровождается регулярным включением системы каждые две секунды на короткие промежутки времени;
- В режиме работы в энергосберегающем режиме (AES): от 5 до 20 Вт.
Автономные системы электроснабжения дают возможность пользователям управлять и осуществлять мониторинг через подключение инвертора к персональному компьютеру. Для своих инверторов компания Victron Energy разработала программное обеспечение VEConfigure, к которому подключение осуществляется через интерфейс MK2-USB.
Инверторы Phoenix Inverter и Phoenix Inverter Compact могут работать как в параллельных, так и трехфазных конфигурациях (до шести инверторов на одной фазе). Они оптимальны по соотношению цена/качество и подойдут не только для частных домов, но и для автономного электроснабжения транспорта и мобильных комплексов.
Источник автономального питания из ИБП
Что касается защиты от длительных перебоев в электроснабжении, необходимо ли для этого приобретать дорогие и мощные источники бесперебойного питания?
В данном случае можно рассмотреть два альтернативных варианта:
- Подключить параллельно к штатным аккумуляторам источника бесперебойного питания недорогие автомобильные аккумуляторы (заметим, что у автомобилистов часто остаются в работоспособном состоянии аккумуляторы, которые они не используют зимой, но которые сохраняют свою зарядку);
- Для пары-тройки автомобильных аккумуляторов использовать преобразователь с напряжением 12В на 220В.
Первый вариант вполне может стать подходящей альтернативой для замены дорогостоящих штатных комплектующих аккумуляторов ИБП в тех случаях, когда устройство начинает работать только как сетевой фильтр из-за разряженности основных батарей. Однако использование нештатного аккумулятора в ИБП может вызвать серьезные проблемы при глубоком разряде.
Схема управления ИБП, как правило, адаптирована только для штатного аккумулятора. Например, попытка заменить на APC BackUPS 500 V·A стандартную батарею 12V7AH на новую 12V20AH (которая является более ёмкой аналогичной), может привести к перегреву проводов и компонентов схемы, а значит к поломке контроллера управления (или к срабатыванию защитных механизмов при превышении тока в схеме зарядки, в результате чего зарядка просто остановится).
Что касается автомобильного аккумулятора, который гораздо более ёмкий, то средний ток зарядки незначительно разряженного аккумулятора не превышает одной десятой от его максимальной ёмкости. Таким образом, при небольшой разрядке негативных последствий, как правило, не наблюдается. Однако после значительного разряда дополнительного аккумулятора его нужно будет отсоединить от ИБП и заряжать отдельным зарядным устройством, что может быть не совсем удобно.
Что можно предпринять в такой ситуации? В первую очередь, можно использовать отдельный контроллер для подключения дополнительной батареи, регулирующий минимальные и максимальные уровни напряжения (например, описанный на сайте http://battery.newlist.ru/chargers_lvd_01.htm). Это позволит автоматизировать отключение нагрузки при достижении минимально допустимого напряжения, защищая тем самым ИБП.
Регулировка порогов срабатывания осуществляется с помощью потенциометров, а диапазон рабочих напряжений задается параметрами используемых транзисторов.
Кроме того, если вы планируете использовать свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор, то ИБП нужно выбирать не с щелочным, а со свинцово-кислотным стандартным аккумулятором. Следовательно, схема подзарядки ИБП будет настроена на использование аккумуляторов со схожими характеристиками, что в свою очередь защитит контроллер ИБП от возможных перегрузок. Разумеется, у каждой схемы подзарядки существует предел максимального тока, и если подключить к низкомощному ИБП внешний автомобильный аккумулятор, это может привести к его выходу из строя, особенно если аккумулятор при этом будет полностью разряжен.
Тем не менее, можно рассмотреть и комбинированную схему, когда автомобильный аккумулятор постоянно подключен к зарядному устройству для автомобильных аккумуляторов (при этом зарядка контролируется для предотвращения перезарядки и с другой автоматикой) и в то же время, он параллельно сопряжён с ИБП. В этом случае ИБП можно рассматривать, как простейший преобразователь напряжения из 12 на 220 В.
Выбор преобразователя напряжения 12/220 В вместо ИБП представляет собой более надежное решение, однако такой преобразователь большой мощности сравним по стоимости с ИБП и все равно потребует наличие достаточно мощного зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов. В этом случае маломощное зарядное устройство будет крайне медленно заряжать, а мощное обойдется дорого и займет много места (поэтому при выборе такой системы стоит также учитывать массу и габариты).
Готовые решения
Идея использования автомобильных батарей в качестве источников автономного питания не нова, и отечественная промышленность уже имеет несколько готовых решений. Например, компания МикроАрт предлагает относительно доступные устройства МАП Энергия — преобразователи постоянного напряжения 12 или 24 В в переменное 220 В (двунаправленные инверторы), мощностью от 0,9 до 12 кВт. Эти инверторы оснащены интеллектуальными микроконтроллерами, которые обеспечивают автоматическое управление режимами и, при необходимости, связь с компьютером.
Этот преобразователь одновременно заряжает один или несколько автомобильных аккумуляторов и выступает в роли источника автономной энергии: если в сети имеется напряжение 220 В, устройство просто пропускает его, подзаряжая аккумуляторы; в случае пропадания внешнего напряжения, оно мгновенно начинает генерировать 220 В от аккумуляторов. Время работы такого источника зависит от нагрузки и ёмкости аккумуляторов. Например, четырех аккумуляторов с ёмкостью 190 А/ч должно хватить на 17 часов при постоянной нагрузке в 500 Вт (см. таблицу). Кроме того, любой автомобиль можно было бы использовать как мобильную электростанцию на колесах, причем двигатель автомобиля может оставаться выключенным в течение некоторого времени. Далее, эти преобразователи стоят существенно дешевле, чем газовые или дизельные мини-электростанции, и занимают значительно меньше места. Цены на устройства МАП Энергия начинаются от 8000 рублей. Дополнительно можно приобрести шнур, контроллер и программное обеспечение для подключения устройства к компьютеру всего за 650 рублей (таким образом, МАП Энергия может полностью заменить источник бесперебойного питания).
Продолжить чтение
Что включает автономная солнечная электростанция Системы автономного электроснабжения и их состав были рассмотрены в статье «Автономное электроснабжение». Типы фотоэлектрических систем описаны в разделе «Фотоэлектрические системы». Здесь мы детально рассмотрим один из вариантов — автономную фотоэлектрическую солнечную станцию. Она представляет собой наиболее простую…
Вопросы и ответы по автономному электроснабжению загородного дома.
Фотоэлектрические системы. Перспективы. Состав. Параметры С. Карабанова, Ю. Кухмистрова. Солнечное излучение является одним из самых перспективных источников энергии будущего. Мы предлагаем вашему вниманию обзор возобновляемых источников энергии (и их сравнение по технико-экономическим параметрам с другими). Большая часть материала сосредоточена на типах и…
7 причин иметь систему автономного электроснабжения В условиях, когда остро стоят проблемы подключения загородных объектов и дач к сетевым системам централизованного электроснабжения, приходится искать альтернативные варианты энергоснабжения. Системы на основе использования возобновляемых источников энергии становятся особенно интересными. Однако…
Дизель-аккумуляторная система автономного электроснабжения В настоящее время большинство владельцев домов и малых бизнесов решают задачи по организации автономного электроснабжения (как для своих домов, так и для коммерческих объектов) путем установки дизельных или бензиновых электростанций. Выбор подобных установок огромен, и можно найти доступные генераторы мощностью от нескольких сотен ватт…
Гибридная ветро-солнечная электростанция Во многих регионах приход солнечной радиации и наличие ветра находятся в антагонистичной зависимости (очень часто, когда светит яркое солнце, ветер отсутствует, и наоборот). Поэтому для обеспечения бесперебойного электроснабжения автономных объектов и минимизации необходимой…
Как автономные накопители энергии позволяют не только сэкономить, но и заработать
На фоне экономических сложностей, вызванных пандемией коронавируса, в России появился тренд на выкуп государством избытков электроэнергии у частных домовладельцев. Таким образом, у граждан появилась возможность продавать лишнюю электрическую энергию обратно в сеть или делиться ей с соседями, что способствовало формированию новых мини-рынков.
Специалисты Volts Battery отмечают, что в России тарифы на такие услуги пока низкие, однако в скором времени умное устройство «Капсула», управляемое голосом, сможет позволить владельцу отслеживать, как накопленные энергии, производимой накопителем, было продано в течение дня. Полученные деньги позволят при необходимости заказать доставку еды на несколько дней. Анализ прогноза погоды на неделю вперед даст шанс предсказать, сколько солнечной энергии можно будет переработать и насколько велик будет потенциальный доход.
Рынок накопления электроэнергии в России только начинает развиваться, у него есть большие перспективы в рамках международного тренда децентрализации, декарбонизации и цифровизации, говорит Владимир Млынчик. Его компания начала проектирование и разработку устройства в 2017 году, создав его за один год. На 2021 год во владении VOLTS уже имеется патент и европейская сертификация. Продукт завоевал интерес у граждан, многие из которых страдают от постоянных отключений электрического снабжения на даче, и пользуются накопителями и в квартирах.
Сегодня устройства находятся в серийном производстве, а главный офис российской компании перемещен в город Масдар, в Объединенных Арабских Эмиратах, где переход на чистую энергию и устойчивое развитие является частью политики государства.
Говоря о тенденциях потребления электричества, в мире возрастает число просюмеров — людей, которые самостоятельно производят используемые ими энергетические услуги.
Кроме того, повышается уровень экологической осведомленности: если ранее потребителей не интересовал источник электроэнергии, главное было не видеть никаких проводов, сейчас люди стремятся осознанно принимать ответственность за окружающую среду и понимать, что и как они используют. Накопители электроэнергии делают людей менее зависимыми от электроэнергетических сетей и позволяют вносить свой вклад в формирование более экологически чистого будущего.
Для кого разработка будет особенно полезна и почему российский накопитель — перспектива для всего мира
Накопители электроэнергии — это высокотехнологическое решение для домовладельцев и бизнесменов. Портативные устройства, способные обеспечивать энергией большие площади, повышают ценность объектов не только благодаря их способности решать проблемы с электричеством, но также за счет концепции независимого и ответственного потребления электроэнергии, что усилит конкурентные преимущества на рынке.
Новая форма взаимодействия с электроэнергией предполагает индивидуальную идентификацию потребителей. Повсеместное использование технологий приведет к тому, что каждый будет осознавать, откуда поступает энергия в розетках, и сможет самостоятельно управлять процессом — производить эту электроэнергию для различных нужд, чтобы делиться с соседями или продавать им. Так ранее сложные и непонятные механизмы преобразуются в простейшие устройства, пригодные для использования даже детьми.
Технология активно востребована на международной арене — в Европе, где стоимость электроэнергии очень высока, это могут быть городские жители, а на Ближнем Востоке, несмотря на отсутствие проблем с отключениями, существуют большие территории, где нет доступа к электросетям — пользователи и владельцы бизнеса. Сообщается, что у компании в планах — развивать международное направление, предлагать решения для регионов MENA — север Африки и Ближний Восток, а также Юго-Восточную Азию.
Всего в мире имеется лишь несколько десятков компаний, предоставляющих подобные решения, однако данный рынок растет стремительными темпами. Совсем недавно в издании «Нью-Йорк Таймс» вышла статья о накопителях. Но, главное, мы не хотим создавать обычные «железные» продукты, мы предлагаем новую парадигму потребления электричества, которая меняет подход людей и вносит ощутимый вклад в будущее нашей планеты, — подводит итог Владимир Млынчик.
