Оборудование > Подбор и расчет систем на солнечных батареях > Определение количества суточного энергопотребления. Режимы автономного электроснабжения

 (Оригинал статьи и авторские права принадлежат http://khd2.narod.ru)

Широко распространённые источники даровой энергии, непосредственно вырабатывающие электричество (а ими на данный момент являются главным образом ветрогенераторы и панели фотоэлементов) обычно выдают низковольтное постоянное напряжение. Как правило, его номинал кратен 12 В, но в зависимости от текущего соотношения выработки и нагрузки отклонения от номинала могут превышать 50% как в большую, так и в меньшую сторону. Между тем для использования в быту наиболее удобен стандартный переменный ток (~220В±10%). Кроме того, и солнечный свет, и ветер постоянно меняются в течение суток и со сменой сезонов, поэтому необходимо организовать накопление и хранение энергии для использования в периоды её дефицита или полного отсутствия. В связи с этим все системы электроснабжения, использующие эти даровые источники, содержат 4 основных компонента — первичный преобразователь (ветроколесо с генератором или фотоэлектрические панели), аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор, преобразующий низковольтный постоянный ток к бытовому стандарту (~220В). Вроде бы ничего сложного. Однако эта простота обманчива, — здесь, как и в любой системе, все элементы должны быть сбалансированы между собой. В большинстве случаев несбалансированность обернётся лишь неоправданными затратами на неиспользуемый потенциал, но иногда может привести к выходу из строя самого слабого элемента, а то и к более тяжким последствиям, вплоть до взрыва аккумуляторов и пожара.

Вполне естественно, что из-за особенностей воспринимаемой и преобразуемой энергии первичные источники электроэнергии (скажем, ветрогенератор или солнечная батарея) могут быть абсолютно непохожи друг на друга. Контроллеры заряда, нормализующие вырабатываемый ток к номинальному низковольтному постоянному напряжению, тесно связаны с особенностями первичных источников и потому также не могут быть полностью унифицированы. Но вот принципы подбора аккумуляторов и инверторов уже крайне слабо зависят от вида первичной энергии (здесь важен лишь предполагаемый период перебоев с даровой энергией, определяющий необходимый энергозапас аккумуляторов). Одинаковы и принципы, по которым определяется предполагаемое использование даровой энергии и, соответственно, режим и комфорт её применения. Такие универсальные аспекты и вынесены на эту страницу. Более того, они подходят и для любых других систем, построенных на низковольтных источниках постоянного тока, в том числе маломощных гидроагрегатов с автомобильными генераторами и прочих подобных систем.

Определение потребностей
Режимы автономного электроснабжения
Полное электроснабжение
Комфортное электроснабжение
Умеренное электроснабжение
Базовое электроснабжение
Аварийное электроснабжение
Сравнение режимов автономного электроснабжения
Выбор оборудования
Выбор напряжения системы
Выбор инвертора
Выбор аккумуляторов
Соединение аккумуляторов Выбор типа
Предварительный выбор ёмкости. Рабочий и буферный энергозапас
Токи заряда и разряда. Окончательный выбор ёмкости
Выбор проводов
Конфигурация электросети
Организация сегментов сети
Автономный защищённый сегмент
Переключаемый защищённый сегмент
Подзаряжаемый защищённый сегмент

Определение потребностей

Прежде всего следует выяснить, какое количество энергии потребуется от системы. Для этого придётся определить пиковую мгновенную мощность, а также рассчитать две величины ожидаемого суточного энергопотребления — его максимальное и среднее значения. Пиковая мгновенная мощность определяется суммарной мощностью всех энергопотребителей, которые могут быть включены одновременно, то есть наихудшим случаем с точки зрения нагрузки на сеть. Однако это не значит, что следует тупо просуммировать мощность всех электроприборов в доме. Некоторые из них принципиально не будут работать одновременно (скажем, снегоуборщик и газонокосилка используются в разные сезоны, также как один человек не сможет работать сразу и перфоратором, и болгаркой). Большинство других электроприборов тоже включается поочерёдно. Более того, не очень сложно перед включением мощного электроприбора (скажем, утюга) убедиться в том, что электрочайник в данный момент выключен — это позволит не тратиться на избыток мощности, который в реальности окажется востребованным лишь пару раз за год, и то на несколько минут. Зато должны быть учтены все автоматически включающиеся мощные потребители (например, электрические тёплые полы или подогрев воды в бойлере) и потребители, работающие в длительном режиме (освещение, компьютер, телевизор) — вероятность их одновременной работы высока. В результате требования к максимальной мгновенной мощности снижаются во много раз, и вместо десятков киловатт, необходимых при одновременном включении всей имеющейся электротехники, обычно вполне достаточно 3-6 кВт, что при сетевом напряжении 220 В соответствует предохранителю-автомату на 16-32 А. А вот определить ожидаемое суточное энергопотребление сложнее. Оно зависит от того, в каком режиме планируется использовать создаваемую систему электроснабжения. 

Режимы автономного электроснабжения

Я бы выделил следующие режимы использования системы автономного электроснабжения: полный, комфортный, умеренный, базовый и аварийный. При одном и том же наборе потребителей электроэнергии для разных режимов требования к мгновенной мощности и энергозапасу системы (а значит, её цена, вес и размеры) могут различаться во много раз.

Полное электроснабжение

Как следует из названия, этот режим подразумевает полную замену сетевого электроснабжения на автономное без какого-либо ограничения привычного стиля жизни. Чтобы определить необходимое количество энергии, достаточно понаблюдать за электросчётчиком или просто посмотреть на свои ежемесячные платежи за электричество. Для меня это от 100 до 300 кВт·ч в месяц, то есть среднесуточное потребление от 3 до 10 кВт·ч при пиковом потреблении до 20 кВт·ч в сутки. Если же достаточно интенсивно используется электроподогрев полов и воздуха (хотя основное отопление, конечно, не электрическое), то месячное потребление у меня легко может превышать 500 кВт·ч, а суточное — 50 кВт·ч. При этом входного автомата на 25 А вполне хватает, то есть одновременно потребляемая мощность не превышает 5 .. 6 кВт.

Таким образом, чтобы полностью отключиться от электросети, но ни в чём не менять нынешней образ жизни, мне необходима система, способная за месяц выдать не менее 600 кВт·ч электроэнергии при мощности в длительном режиме не менее 5 кВт, а потребление энергии за сутки может достигать 50 кВт·ч при среднем значении от 10 до 20 кВт·ч в сутки. Ваши цифры могут быть другими. Например, активное использование электроплиты и электродуховки легко увеличит приведённые цифры вдвое, а если Вы любите попариться в бане или в сауне с электрокаменкой, а в доме имеется две-три сотни квадратных метров пола с электроподогревом, требования к электроснабжению могут возрасти и на порядок! С другой стороны, принципиальный отказ от использования электронагревателей, электроплит и электрочайников вполне способен сократить месячный расход энергии до 100 .. 150 кВт·ч, дневное потребление до 5 кВт·ч и максимальную мощность, потребляемую в длительном режиме, до 3 кВт. Если же Вы используете электричество только для питания ноутбука и для пары энергосберегающих ламп по вечерам, то расход будет совсем мизерным. Но лично я такое потребление электричества считаю аварийным режимом. 

Комфортное электроснабжение

Комфортное электроснабжение отличается от полного лишь исключением самых прожорливых потребителей — тех электронагревателей, у которых мощность превышает 2 кВт или среднее энергопотребление за сутки превышает 4 .. 5 кВт·ч. Таким образом, стиральные машины, электроутюги, хлебопечки, электрочайники и даже электроподогрев полов в санузлах вместе с электробойлерами горячего водоснабжения продолжают оставаться в системе, а вот электроплиты, электродуховки, конвекторы и электроподогрев обширных площадей исключаются. Что, конечно, не мешает подключить их к внешней сети отдельной линией.

У меня комфортный режим потребует от 100 до 250 кВт·ч в месяц (среднесуточное потребление от 3 до 8 кВт·ч) при пиковом потреблении до 15 кВт·ч в сутки, а мгновенная потребляемая мощность в длительном режиме не превышает 5 кВт.

Умеренное электроснабжение

Этот режим предполагает заметные изменения в образе жизни при сохранении высокого уровня комфорта. Впрочем, список потребителей мало отличается от режима комфортного энергоснабжения, за исключением таких необязательных элементов, как электрочайники и электроподогрев полов. Использование электроподогрева горячей воды тоже может быть ограничено. Помимо этого, изменения касаются и времени выполнения не очень регулярных, но энергоёмких работ. Чтобы сэкономить на ёмкости аккумуляторов, такие работы надо выполнять в периоды максимума даровой энергии (для солнечных батарей — не ночью и не в пасмурную погоду, а в солнечные ясные дни, когда поток солнечной энергии максимален и частично компенсирует разряд аккумуляторов, а то, что разрядилось, будет восполнено до наступления темноты; для ветрогенераторов оптимальными, соответственно, будут ветренные дни, а не штиль). К этим работам, например, относится большая стирка, особенно в машине-автомате с подогревом воды, глажка большого количества белья, активная работа с мощным электроинструментом и садовой электротехникой и т.п.

В этом режиме потенциальный расход электроэнергии следует просчитывать уже более тщательно. Для этого надо составить таблицу наподобие следующей.

Обратите внимание на две категории регулярных потребителей. К первой я отнёс те, которые трудно или некомфортно заменить ручным трудом или выполнить их работу с помощью устройств, не требующих электричества. Ко второй отнесены те, что в принципе в данный момент работают на электричестве, но довольно легко заменяются на неэлектрические аналоги (скажем, электробойлеры можно заменить газовой водогрейной колонкой (в том числе газобаллонной) или водогрейным котлом на дизельном топливе; если же ориентироваться на безтопливную энергию, то в течении почти всего года достаточно успешно для водоподогрева можно использовать солнечные коллекторы, тепловая эффективность которых в несколько раз выше, чем у солнечных батарей, а для компенсации неравномерности солнечного света — не только суточной, но и погодной в пределах двух-трёх дней — можно установить бак для нагретой воды объёмом 250-500 литров с мощной теплоизоляцией). Наконец, в отдельную группу выделены эпизодические потребители электроэнергии, работу большинства из которых вполне можно заменить ручным трудом или подождать солнечных дней, чтобы включить их.

Кроме того, для некоторых потребителей пришлось раздельно оценить их работу зимой и летом, поскольку особенности разных времён года оказывают очень большое влияние на их использование. При этом если для оценки зимнего режима следует ориентироваться на дни зимнего солнцестояния (конец декабря) или дни с наибольшими морозами (обычно во второй половине января), то для оценки летнего режима надо брать не летнее солнцестояние (конец июня), а тёплый период с более короткими и прохладными днями, скажем, конец августа или начало сентября.

Итак, подведём итог для умеренного режима. Если исключить регулярных потребителей второй очереди (чайник и водонагреватели), то следует ориентироваться на ежемесячное потребление порядка 150 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме до 3 .. 3.5 кВт и пиковой мощности до 5 кВт, а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 4 .. 6 кВт·ч с возможным максимумом до 11 кВт·ч в сутки.

Если же учесть регулярных потребителей второй очереди, то оценка потребностей приближается к соответствующим оценкам для комфортного режима, что вполне естественно — по сути это и будет комфортный режим, лишь некоторые работы надо планировать с учётом прогноза погоды. Впрочем, в умеренном режиме электрические водонагреватели можно подключать по остаточному принципу — в дни, когда даровая энергия в избытке, они также питаются ею, однако когда её мало, отключаются от этого источника. Это позволит заметно повысить комфорт и сэкономить топливо, по крайней мере в период длинных дней, но потребует постоянного контроля за погодой (вручную либо с использованием специальных технических решений). Кстати, если есть возможность регулировать в электробойлере мощность нагревателя (не путать с температурой нагрева!), то я предпочитаю выбирать минимальную — это увеличивает время нагрева воды, но зато снижает требования к мощности электроснабжения и при достаточном объёме бойлера практически не оказывает влияния на температуру воды в кране. 

Базовое электроснабжение

В этом режиме особенности энергопотребления очень существенно влияют на стиль жизни. Это влияние прежде всего заключается в постоянном учёте текущей нагрузки на автономное энергоснабжение и в необходимости включения всех более-менее мощных потребителей не одновременно, а поочерёдно. Кроме того, в этом режиме следует постоянно помнить об экономии, в частности включать свет только там, тогда и столько, где, когда и сколько он действительно нужен. То же касается и всех остальных электроприборов. Тем не менее, невзирая на все оговорки, в этом режиме всё же можно поддерживать достаточный уровень комфорта и использовать практически всю домашнюю электротехнику, однако время включения энергоёмких потребителей в значительной степени определяется погодой, — все энергоёмкие работы следует проводить только в периоды максимума даровой энергии (для ветрогенераторов в ветренные дни, а для солнечных батарей — в солнечные дни и, желательно, до обеда, чтобы к вечеру заряд аккумуляторов восстановился до максимума).

Как видно, в базовом режиме допускается не только круглогодичная работа холодильника, но и довольно широкое использование таких «излишеств», как телевизор, ноутбук, кухонная техника и даже фен. Тем не менее, «нормативы» такого использования существенно снижены по сравнению с умеренным режимом, а все нагревательные приборы исключены, и это даёт заметную экономию. В этом случае ежемесячное потребление я оцениваю в 100 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме около 1 кВт с пиковым потреблением до 2.5 кВт, а в моменты использования электроинструмента — до 4 кВт, при ожидаемом среднесуточном потреблении 3 .. 4 кВт·ч с максимумом до 7 кВт·ч в сутки.

В общем, подводя итог, можно сказать, что базовый режим способен удовлетворить все основные потребности без их кардинального сокращения, но присущие ему ограничения вынудят многих относится к нему не как к основному повседневному варианту, а как к комфортной версии аварийного режима, с которой, тем не менее, вполне можно жить в течении долгого времени. 

Аварийное электроснабжение

Аварийный режим подразумевает жёсткое ограничение потребностей, однако в отличие от предыдущих случаев, предполагается, что автономная работа в таком режиме продлится не более нескольких дней подряд, поэтому многие энергоёмкие электроприборы можно вообще не использовать до восстановления обычного энергоснабжения. Задача аварийного энергоснабжения — обеспечить минимальные удобства и функционирование важнейших систем жизнеобеспечения дома. Естественно, я имею в виду индивидуальный дом, поскольку в многоквартирном доме (а также в таунхаусах и пр.) в частном порядке это практически невозможно из-за централизации критически важных коммуникаций — водоснабжения, канализации и отопления.

Жизненно важными потребностями я считаю, прежде всего, электрическое освещение, а также функционирование системы водоснабжения (хотя бы холодного) и в холодное время года — отопления. Если в канализации и дренаже используются электронасосы, их тоже надо будет учесть в расчёте.

Приемлемой альтернативы электрическому освещению нет — свет даже 40-ваттной лампы накаливания (или 9-ваттной энергосберегающей лампы) гораздо ярче и равномернее, чем свет пары десятков свечей. А 20 свечей — это много. Чтобы просто зажечь или погасить такое количество свечей, может потребоваться одна-две минуты. Любое движение воздуха заставляет пламя колебаться и мерцать, а случайный сквозняк вполне способен задуть их. Поднять свечи к потолку, чтобы осветить всю комнату, в современном доме не на чем, да и отделочные материалы сейчас редко рассчитаны на близость открытого огня. Хороший свет дают газовые туристические фонари, но запаса топлива у них хватает не очень надолго, и пополнить его до ликвидации аварии вряд ли удастся. Впрочем, относительно небольшой срок действия и невозобновимость запасов в период аварийной ситуации относятся и ко всем остальным «огненным» источникам света — от свечей до керосиновых ламп. Пожароопасность осветительных систем, использующих горение, общеизвестна. Наконец, все они выжигают кислород в помещении, что особенно заметно зимой, когда проветривание минимально.

Необходимость водоснабжения и отопления очевидна. Впрочем, минимум воды для умывания и готовки ещё можно натаскать ведром из колодца (конечно, если он есть поблизости). Но подавляющее большинство современных систем отопления рассчитаны не на естественную конвекцию теплоносителя, а только на принудительную циркуляцию с помощью насоса, и потому даже если сам подогрев осуществляется дровами, газом или дизельным топливом, то дом всё равно прогреваться не будет и замерзнёт, котёл же при отсутствии циркуляции, наоборот, рискует перегреться. Автоматика современных отопительных систем без электричества обычно также не работает. А в морозы выход отопительной системы из строя на несколько дней чреват полной непригодностью дома для жилья на весь остаток зимы и последующим тотальным ремонтом. Для других важных потребностей есть альтернативы. Например, без пылесоса вполне можно обойтись — веники, щётки, тряпки и выбивалки есть почти в каждой семье. Со стиральной машиной сложнее. Я знаю многих, кто, будучи поставлен перед выбором, предпочёл бы принести несколько вёдер воды сам, а на сэкономленном электричестве «прокрутить» грязную одежду в стиральной машине, нежели накачать воду электронасосом, зато стирать в тазике вручную (конечно, речь идёт о машине без подогрева воды — электроподогрев в условиях жёсткого лимита электричества исключён). А вот с глажкой вариантов нет — если её нельзя отложить до лучших времён, то электроутюг незаменим, так как тяжёлые утюги, которые можно было нагревать на плите, уже давно большая редкость, а утюги с разогревом от углей остались лишь в музеях. Итак, в данном варианте всё, что не жизненно важно, выключено и не включается, в том числе не используется телевизор, а зимой — и холодильник (летом использование холодильника также предполагается более осторожным и редким, что способствует экономии электричества). В этом случае ежемесячное потребление составит 50 .. 60 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме примерно 600 Вт с пиковым потреблением до 1.5 кВт (в моменты использования электроинструмента — до 2.5 .. 3 кВт), а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 1.5 .. 2 кВт·ч и не превышает 6 кВт·ч, хотя за счёт разнесения энергоёмких работ на разные дни вполне реально ограничить дневной максимум до 3 .. 4 кВт·ч. И в заключение обсуждения аварийного варианта будет уместно сказать пару слов о моём отношении к бензиновым генераторам. С одной стороны, аварийный генератор мощностью менее 2 кВт, на мой взгляд, смысла не имеет — его мощности хватит лишь для освещения и минимума маломощных потребителей вроде вибрационного насоса и небольшого холодильника, но не хватит для многих современных электроинструментов и бытовой техники. С другой стороны, мощность более 2.5-3 кВт тоже востребована не часто (если, конечно, не подключать к такому генератору несколько мощных потребителей одновременно, но тогда и 5 кВт может не хватить). Таким образом, оптимальная мощность аварийного генератора, если нет каких-то особых требований, лежит в пределах 2 .. 3 кВт — бóльшая мощность нужна крайне редко, а расход бензина растёт практически пропорционально номинальной мощности генераторов. По своему опыту могу сказать, что в сутки одного-двух часов работы генератора с номинальной мощностью 2.2 кВт достаточно для всех хозяйственных задач (основные из них — это накачивание воды и набор холода холодильником), причём избыток вырабатываемой им энергии позволяет за это время даже нагреть до 70°С 10 литров воды в маломощном кухонном бойлере. В остальное время электричество необходимо лишь для освещения, ну ещё для телевизора или компьютера, на это обычно надо от 50 до 250 Вт. И периодически ненадолго включается холодильник, потребляющий около 500 Вт (если же холодильник не открывать, то, раз охладившись, даже без электричества он вполне способен сохранить достаточный холод в течении весьма длительного времени — от 6 до 12 часов и более, в зависимости от температуры снаружи, количества продуктов внутри и качества теплоизоляции). Ночью электричество нужно лишь для потенциальной возможности включить свет, если в темноте вдруг потребуется куда-нибудь сходить, и изредка для холодильника, — то есть потребление вообще мизерное. Однако расход топлива у маломощных генераторов под полной нагрузкой и на холостом ходу обычно различается всего раза в два, а то и меньше. Таким образом, за сутки непрерывной работы типовой генератор мощностью 2.5 кВт сжигает как минимум 20 литров бензина, бóльшая часть которого расходуется совершенно непроизводительно, а генератор вырабатывает не столько электричество, сколько шум и выхлопные газы (кстати, это ещё одна проблема — в хорошую погоду ничто не мешает просто поставить генератор подальше от дома, но когда на улице дождь или снег, поиск подходящего места для генератора может оказаться непростой задачей). Поэтому если перебои с электричеством бывают пару раз в год по полдня, то аварийный генератор является оптимальным решением, но если это происходит раз в два-три месяца и может длиться по два-три дня, то при наличии достаточных средств стоит подумать об альтернативных вариантах решения проблемы аварийного энергоснабжения. 

Сравнение режимов автономного электроснабжения

Сведём результирующие параметры разных режимов автономного электроснабжения в одну таблицу.

Особенности летнего и зимнего потребления в большинстве случаев взаимно нивелируются — из подробных таблиц видно, что летнее сокращение потребностей в подогреве и освещении компенсируется возрастанием затрат на охлаждение, полив и работу с садовой техникой. Тем не менее, зимнее потребление всё же несколько больше летнего. Исключение составляет лишь аварийный режим, в котором из-за холодильника летнее потребление превышает зимнее. В таблице указаны данные для сезона с наибольшим потреблением. Следует заметить, что все режимы если и предусматривают электроподогрев, то очень небольшой, основное отопление предполагается за счёт неэлектрических источников тепла. Максимальная непрерывная круглосуточная мощность позволяет оценить допустимую суммарную мощность постоянно работающих потребителей, таких как циркуляционные насосы, системы контроля и управления и пр. Сюда же входит и мощность, потребляемая оборудованием самой системы энергоснабжения — контроллерами и инверторами. Следует заметить, что если такие круглосуточные потребители будут «выбирать» весь лимит, то на другие нужды, в том числе на освещение, ТВ и компьютеры, ничего не останется (напомню, что в своём расчёте на круглосуточное потребление я закладывал всего 25 Вт для нужд системы)! Мгновенная мощность определялась по сумме номинальных мощностей. Между тем, для электромоторов потребляемая мощность соответствует номинальной лишь при полной нагрузке, а если нагрузка мала, то потребляемая мощность также уменьшается. С другой стороны, при включении нагревательных устройств и тех же электромоторов потребляемая мощность на короткое время может превышать номинальную в два раза и более. Данная таблица подводит итог оценки энергопотребностей, и при оценках возможностей даровых источников я буду опираться именно на эти данные. Но эти данные я рассчитывал «под себя», и в каждом конкретном случае их надо считать индивидуально, исходя из имеющейся техники, собственных подходов к её использованию и сложившихся привычек. Однако методика расчёта та же самая.

Выбор оборудования
Выбор напряжения системы
Выбор инвертора
Выбор аккумуляторов
Соединение аккумуляторов Выбор типа
Предварительный выбор ёмкости. Рабочий и буферный энергозапас
Токи заряда и разряда. Окончательный выбор ёмкости
Выбор проводов
Конфигурация электросети
Организация сегментов сети
Автономный защищённый сегмент
Переключаемый защищённый сегмент
Подзаряжаемый защищённый сегмент