Оборудование > Подбор и расчет систем на солнечных батареях > Выбор оборудования по категориям устройств. Конфигурация сети

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

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

 Выбор оборудования

Как уже говорилось, в состав систем автномного электроснабжения на источниках даровой энергии входят следующие категории устройств. Первичный преобразователь даровой энергии в электрическую, скажем, панели с фотоэлектрическими элементами или ветрогенератор. Они рассматриваются на отдельных страницах сайта. Контроллер заряда, обеспечивающий нормирование выходного напряжения первичного преобразователя, зарядку аккумуляторов и (опционно) подачу низковольтного постоянного тока в нагрузку. Поскольку контроллер тесно привязан к особенностям того или иного типа первичного преобразователя, контроллеры заряда для солнечной батареи не подойдут к ветрогенератору и наоборот. В некоторых случаях контроллер входит непосредственно в состав первичного преобразователя, прежде всего это относится к ветрогенераторам. Электрохимические аккумуляторы, запасающие энергию в период её избытка и подающие её в систему в период нехватки при недостаточном освещении фотоэлементов или при временном возрастании потребления. Инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного низковольтного тока от аккумуляторов и фотоэлементов к бытовому или промышленному стандарту.

Схема системы автономного электроснабжения на солнечных батареях.

Определяющими критериями выбора являются две мощности — номинальная выходная мощность первичного источника и максимальная мощность нагрузки, причём в общем случае эти величины могут мало коррелировать друг с другом. Теоретически можно весь летний день заряжать аккумуляторы от 200-ваттной солнечной батареи, поворачивая её вслед за Солнцем и накопив 2.5 кВт·ч энергии, а вечером за полчаса потратить их на сварку, используя инвертор мощностью 5 кВт.

На этой странице я рассматриваю лишь общие для всех систем блоки системы — аккумуляторы и инверторы. Блоки, специфические для конкретного вида даровой энергии, скажем, панели фотоэлементов и контроллеры заряда для них, рассматриваются на отдельной странице. Но прежде чем выбирать конкретные модели оборудования, следует определиться с низковольтным напряжением постоянного тока, которое будет использоваться в системе.

Выбор напряжения системы

Выходное напряжение системы обычно соответствует бытовому стандарту, которым в России является переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Зато выбор низковольтного напряжения постоянного тока — это напряжение на входе инвертора, оно же номинальное напряжение блока аккумуляторов и фотоэлектрических панелей — гораздо шире. Стандартные мощные аккумуляторы имеют напряжение 12 В, часто встречаются и 6-вольтовые «мотоциклетные» варианты. Наконец, можно найти модули напряжением 2 В и собрать из них батарею на любое напряжение, кратное этому шагу. Номинальное выходное напряжение фотоэлектрических панелей мощностью от 50 Вт и выше обычно либо 12, либо 24 В, но его также можно наращивать с соответствующим шагом, соединяя батареи последовательно.

Большинство инверторов рассчитаны на входной постоянный ток напряжением 12, 24, 48 или 96 В, в зависимости от мощности. Дело в том, что уже для обеспечения мощности в 1 кВт при напряжении 12 В необходим ток в 83 с лишним ампера! Если же учесть потери инвертора, которые могут достигать 15%, то ток вплотную приближается к 100 А. Подобные и даже в 2-3 раза большие токи характерны для автомобильного стартёра, но там они протекают редко и недолго. Здесь же они должны течь в длительном, практически постоянном режиме. В результате сечение провода должно быть очень большим — для медного провода не менее 25 мм2 (диаметр около 6 мм), — а сами провода должны быть как можно более короткими (не более метра, а лучше постараться уложиться в 20 .. 30 см). В противном случае в них будут слишком большие потери энергии, тратящейся на их нагрев, который не просто бесполезен, а откровенно вреден и даже опасен. При мощности 10 кВт ток, соответственно, возрастёт до 1000 А, а минимально допустимое сечение провода увеличится уже не в 10, а более чем в 20 раз из-за проблем с отводом тепла из середины жилы — это будет медный пруток диаметром почти полтора сантиметра. Даже просто обеспечить компактное и надёжное соединение, позволяющее пропускать через него столь мощные токи в течении многих лет, весьма сложно. По этим причинам производители инверторов стремятся к тому, чтобы входной ток, потребляемый инвертором в режиме номинальной мощности, не превышал 100 .. 200 А, и при повышении мощности вынуждены поднимать входное напряжение.

В отличии от фотоэлектрических панелей и аккумуляторов, ветрогенераторы, инверторы и контроллеры нельзя каскадировать последовательно, поэтому их нужно выбирать исходя из напряжения постоянного тока по необходимой выходной мощности инвертора в вышеприведённой таблице.

Лично я предпочитаю оставаться в пределах 24 В, поскольку это напряжение вполне безопасно и подходит для номинальной выходной мощности инвертора в 3 кВт и даже до 5 кВт — а 3 кВт вполне достаточно практически для всех потребителей, встречающихся в обычном домашнем хозяйстве. Если же требуется запитать одновременно несколько мощных потребителей, то может быть оправдано их подключение к двум или более инверторам одновременно — каждого к своему — при том, что номинальная мощность каждого инвертора не превышает3 .. 5 кВт, а входное напряжение остаётся в пределах 24 В (кстати, это позволит системе продолжать работу и в случае внезапного выхода из строя одного из инверторов — оставшийся обеспечит необходимое напряжение в сети, хотя за мощностью нагрузки, конечно, нужно будет следить более тщательно). И лишь тогда, когда мощность одного потребителя превышает выходную мощность одного инвертора, придётся взять более мощный инвертор и, следовательно, перейти на более высокое напряжение постоянного тока.

Выбор инвертора

Прежде всего, выбранный инвертор должен обеспечить необходимую выходную мощность. Входное (низковольтное) напряжение связано с этой мощностью довольно тесно. Но помимо этого у инверторов есть и другие характеристики, на которые следует обратить внимание.

Во-первых, это форма вырабатываемого тока. Простейшие модели вырабатывают переменный ток треугольной или даже прямоугольной формы (меандр). Правда, это их «теоретическая» форма тока, в реальности обычно сильно ухудшенная огромными помехами и искажениями. Более-менее успешно такой ток «едят» лишь нагревательные приборы, не содержащие электронных блоков, и лампы накаливания. Вся остальная электротехника (любые электромоторы, трансформаторы, люминесцентные и энергосберегающие лампы и пр.) от тока подобной формы могут либо выйти из строя, либо не запуститься, либо работать, но очень плохо — при том, что тестер честно показывает 220 В. Несколько более приемлем ток трапецеидальной формы. К счастью, в настоящее время инверторы, вырабатывающие на выходе переменный ток таких форм, встречаются редко. Наиболее часто современные инверторы выдают так называемый «модифицированный синус», представляющий собою ступенчатое приближение к синусоидальной форме. Такая форма тока вполне успешно «переваривается» практически всеми современными бытовыми устройствами и электроинструментами, но звук работы некоторых из них заметно меняется и становится громче, а блоки питания могут начать заметно «звенеть». Чтобы устранить эту проблему, можно попытаться использовать различные фильтры, сглаживающие неровности тока. Наконец, инверторы, вырабатывающие «чистый синус», выдают ток, форма которого очень близка к идеальному синусу и обычно намного лучше, чем форма тока в общественной электросети. Единственный недостаток этого класса инверторов — они немного крупнее и в полтора-два раза дороже аналогичных инверторов с «модифицированным синусом».

Схемы формы тока и напряжения на выходе инвертора (слева направо): чистый синус, модифицированный синус, треугольник, меандр.

Во-вторых, это КПД инвертора. Чем он выше, тем меньше непроизводительные потери энергии. Большинство современных инверторов имеет КПД более 90%.

В-третьих, это способность инвертора работать в режиме зарядки аккумуляторов. Такой инвертор в комплекте с аккумуляторами интересен уже сам по себе, — он по сути представляет собой источник бесперебойного питания (UPS) — примерно такой, какие используются для компьютеров, но мощностью в несколько киловатт и ёмкостью в несколько киловатт-часов. При работе с даровой энергией эта особенность также очень полезна — она позволяет уменьшить запас мощности солнечных батарей или ветрогенератора и снизить требования к ёмкости аккумуляторов для наиболее неблагоприятной ситуации, поскольку при недостатке даровой энергии аккумуляторы можно подзарядить от внешней сети или от аварийного генератора. Впрочем, во многих ситуациях более широкие возможности даёт использование отдельного зарядного устройства, не интегрированного в единый блок с инвертором.

В-четвёртых, чем подробнее индикация, тем лучше. Весьма желательна возможность контроля как входного напряжения (на аккумуляторах), так и выходного (в розетке). Кроме того, я считаю необходимым наличие защиты от перегрузки и от короткого замыкания в нагрузке.

В-пятых, очень хорошо, если инвертор допускает кратковременное превышение номинальной нагрузки хотя бы в полтора-два раза. Это позволяет использовать электромоторы и нагревательные приборы, мощность которых равна номинальной мощности инвертора. Дело в том, что обычно при их включении ток на секунду-другую существенно превышает номинал. И если защита инвертора настроена строго на его номинальную мощность, то в этот момент она может сработать и не даст использовать электроприбор, потребление которого на самом деле вполне укладывается в рамки номинальной мощности за исключением краткого момента включения.

В-шестых, полезна функция, которая при полном заряде аккумулятора подключает к отдельной линии дополнительную нагрузку, скажем водонагреватели. В солнечные дни это позволяет с пользой автоматически утилизировать избыток энергии и не допускать траты энергии на второстепенные цели тогда, когда её мало.

И последнее. По моему убеждению, за исключением каких-то особых случаев, при мощности потребления как минимум до 10 кВт гораздо удобнее использовать не трёхфазное, а однофазное напряжение. Это упрощает разводку по дому и устраняет проблемы, связанные с распределением фаз по потребителям. К тому же трёхфазные инверторы труднее найти, и они сложнее и дороже, чем однофазные той же мощности.

Выбор аккумуляторов

Наиболее широко распространены аккумуляторы на 12 В, и именно из них обычно собираются аккумуляторные батареи на любое напряжение, кратное этой величине, в том числе 24, 48 и 96 В. Аккумуляторный блок системы автономного электроснабжения характеризуется такими основными параметрами, как рабочая ёмкость, ток заряда и ток разряда.

Соединение аккумуляторов

При рабочем напряжении, превышающем 12 В, несколько аккумуляторов соединяются последовательно таким образом, чтобы сумма их номинальных напряжений соответствовала необходимому номинальному напряжению блока. Если силы тока или запаса энергии одной такой сборки не хватает, то несколько сборок соединяются параллельно, пока их суммарные возможности не достигнут требуемого порога.

Схема сборки блока аккумуляторов с рабочим запасом энергии 1 .. 2 кВт·ч (в зависимости от нагрузки) на напряжение 12, 24 и 48 В.

Внимание! Во избежание возникновения проблем, чреватых не только быстрым выходом аккумуляторов из строя, но даже взрывом и пожаром, все аккумуляторы должны быть не только одного типа и одной номинальной ёмкости, но очень желательно, чтобы они принадлежали к одной и той же партии! Для аккумуляторов, соединённых последовательно и входящих в одну сборку, это требование обязательно. Менять между собой аккумуляторы из разных сборок после даже не очень длительной эксплуатации крайне нежелательно. Нельзя заменять новым только один аккумулятор в сборке — всю сборку следует менять целиком, и в новой сборке аккумуляторы также должны быть из одной и той же партии!

В связи с этими ограничениями, чем ниже номинальное напряжение блока аккумуляторов, тем удобнее его обслуживать — в блоке на 12 В аккумуляторы можно заменять и добавлять по одному, на 24 В — только парами, на 48 В — сразу четвёрками, а на 96 В — лишь по 8 штук одновременно!

Выбор типа

В настоящее время экономически оправданной альтернативы мощным свинцово-кислотным аккумуляторам нет. Однако и этот класс аккумуляторов имеет несколько разновидностей. Для системы энергоснабжения следует предпочесть тяговые аккумуляторы, позволяющие более полно использовать номинальную ёмкость по сравнению со стартовыми (автомобильными). Внешне их часто можно различить по форме клемм — у автомобильных они имеют вид усечённых конусов, на которые одеваются зажимы с проводами, а у тяговых рассчитаны на подключение проводов болтами. Впрочем, это не обязательно, и надо внимательно читать характеристики аккумулятора. Наиболее предпочтительными по соотношению цена-качество в настоящее время являются необслуживаемые гелевые кислотно-свинцовые аккумуляторы с заявленным сроком службы в 10-12 лет при условии размещения их в отапливаемом помещении, где температура не будет опускаться ниже +10 .. +15°С. Обычные автомобильные (стартовые заливные) аккумуляторы тоже вполне приемлемы. Более того, они менее чувствительны к холоду, а в течение нескольких секунд даже при ёмкости 50 А·ч многие из них способны без ущерба для себя выдавать ток более 200 А, но и в самом щадящем режиме не стоит рассчитывать, что они прослужат дольше 3 .. 5 лет.

Заявленный срок службы имеет важное значение, определяя долговечность системы. В зависимости от технологии, современные кислотно-свинцовые аккумуляторы имеют срок службы 3-5, 10-12 и 20-25 лет. Разница между двумя первыми категориями невелика — «долгожители» лишь ненамного тяжелее и дороже своих менее долговечных собратьев, так что выигрыш здесь очевиден (это не относится к использованию в автомобилях, там совсем другие условия). Следует заметить, что оптимальные параметры зарядки для обычных (заливных) и для гелевых аккумуляторов несколько отличаются, причём эти данные разнятся в разных источниках. Так, по некоторым данным, напряжение абсорбции (максимальное напряжение в цикле зарядки) у гелевых аккумуляторов несколько ниже (14.1 В вместо 14.4 В), а напряжение поддержки чуть выше (13.6 В вместо 13.5 В). Видно, что различия эти не принципиальны, однако всё же желательно помнить о них и при возможности выбирать настройки оборудования, соответствующие типу аккумулятора. Аккумуляторы с заявленным сроком службы в 20 и более лет существенно дороже, и покупка их в нашем случае не имеет смысла — срок службы электронных блоков системы (инвертора и контроллера) также следует оценивать в 10-12 лет, поэтому нет смысла переплачивать за потенциальную долговечность аккумуляторов — всё равно систему придётся модернизировать и, возможно, к тому времени появятся принципиально новые технологии.

Следует заметить, что цены на мощные литий-ионные аккумуляторы снижаются, и сейчас они начинают составлять реальную конкуренцию традиционным свинцово-кислотным. К их преимуществам можно отнести гораздо бóльшую удельную ёмкость, а следовательно, намного меньший удельный вес, что наряду с меньшими размерами может стать главным фактором для различных мобильных систем. Кроме того, они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%, а именно такой режим характерен для систем автономного энергоснабжения при компенсации кратковременных нехваток энергии. Тем не менее для стационарных систем массо-габаритные характеристики обычно не очень актуальны, а хорошее соотношение ёмкость-цена может перебить даже более высокую энергетическую эффективность. Поэтому пока я буду продолжать ориентироваться на свинцово-кислотные аккумуляторы. Следует подчеркнуть, что для литий-ионных аккумуляторов требуются специальные зарядные устройства.

Предварительный выбор ёмкости. Рабочий и буферный энергозапас

Прежде всего необходимо определиться с общей энергоёмкостью блока аккумуляторов. В большинстве случаев можно сказать, что рабочий энергетический запас такого блока следует выбирать примерно равным расчётному среднесуточному потреблению в минимально приемлемом режиме. Например, для аварийного режима это будет 2 кВт·ч, для базового — 4 кВт·ч, для умеренного — 5 кВт·ч и т.д.

Теперь оценим энергозапас аккумулятора. Возьмём, например, аккумулятор на 12 В с номинальной ёмкостью 100 А·ч. Если судить по номинальной ёмкости, то его энергозапас составляет 12 В · 100 А · 3600 с = 4.32·106Дж, т.е. 1.2 кВт·ч. Однако обычно производитель гарантирует лишь около 250 циклов полного разряда, и если аккумулятор ежедневно «высасывать» до конца, то вряд ли он протянет более полугода. Чтобы аккумулятор прослужил 10 лет, степень регулярного разряда должна быть гораздо меньше. Считается, что в так называемом «буферном» режиме работы, обеспечивающем наибольшую долговечность аккумулятора, глубина разряда не должна превышать 20% от номинальной ёмкости, т.е. в нашем случае 0.24 кВт·ч. Впрочем, можно принять, что пару раз за год при особо неблагоприятном стечении обстоятельств глубина разряда может превысить буферное значение раза в два — это не вызовет существенного сокращения срока службы, но позволит вдвое уменьшить количество аккумуляторов. Поэтому рабочую (т.е. расчётную для предельного случая) ёмкость аккумуляторов следует считать в2.5 .. 3 раза меньше их номинальной ёмкости. Таким образом, на относительно небольшой нагрузке (ток разряда в пределах 5% от номинальной ёмкости) рабочий энергозапас одного аккумулятора на 100 А·ч можно считать примерно равным 0.5 кВт·ч, т.е. для обеспечения рабочей энергоёмкости блока аккумуляторов 2 кВт·ч следует взять 4 таких аккумулятора, соединив их в соответствии с выбранным низковольтным напряжением по одной из схем, показанных на рисунке выше. Для рабочей ёмкости 4 кВт·ч необходимо уже 8 таких аккумуляторов, т.е. число их сборок надо удвоить. При этом буферный энергозапас, используемый ежедневно, следует считать как минимум вдвое меньше рабочего — для 12-вольтовых аккумуляторов он будет 0.125, 0.25 и 0.5 кВт·ч при ёмкости 50, 100 и 200 А·ч соответственно.

Впрочем, это ещё не всё. Автомобилисты со стажем знают, что реально отдаваемая аккумулятором энергия очень сильно зависит и от окружающей температуры, и от тока нагрузки. Например, по формальному расчёту типовой автомобильный аккумулятор ёмкостью 50 А·ч должен обеспечить 30 минут работы при токе нагрузки 100 А (кручение стартёра на горячем двигателе) или 10 минут при токе нагрузки 300 А (холодный старт в зимнее время). Но в реальности хорошо, если даже летом удастся покрутить стартёр в сумме всего 3-5 минут, причём лишь по нескольку секунд за сеанс и с перерывами между сеансами для «отдыха» аккумулятора. Затем стартёр уже не сможет крутиться с нужной скоростью, а лампочки на приборной доске в это время будут еле тлеть. Однако при снятии нагрузки от стартёра лампочки снова загораются и светят достаточно ярко — при уменьшении потребления напряжение аккумулятора тут же восстанавливается до приемлемого уровня. Поэтому нагрузка на аккумулятор очень важна для времени его работы до момента, когда сработает защита от переразряда — один и тот же аккумулятор может несколько часов питать лампочку мощностью 100 Вт, но его хватит лишь на несколько минут работы киловаттного мотора. Таким образом, если предполагается длительное подключение мощной нагрузки при питании от аккумуляторов, количество аккумуляторов следует увеличить по сравнению с тем же расчётным энергозапасом для относительно слабой нагрузки (для большой нагрузки рабочий энергозапас надо считать равным буферному).

Как выбрать ёмкость отдельного аккумулятора? Скажем, 24-вольтовый блок на 2 кВт·ч можно собрать из восьми 12-вольтовых аккумуляторов по 50 А·ч, четырёх по 100 А·ч или двух по 200 А·ч. В данном случае я предпочитаю 100-амперчасовые аккумуляторы. 200-амперчасовыевесьма громоздки и весят 65 .. 75 кг, так что даже передвинуть их в одиночку совсем непросто, особенно в тесных неудобных местах. В то же время аккумуляторы по 50 А·ч потребуют слишком большого числа соединений, а это увеличивает трудоёмкость монтажа и снижает надёжность. 100-амперчасовые аккумуляторы весят менее 40 кг, и их не так сложно поднять, поставить или передвинуть одному человеку, при этом число коммутаций вдвое меньше, чем при использовании 50-амперчасовых, а суммарная цена блока аккумуляторов будет немного ниже.

Следует подчеркнуть, что это лишь предварительный выбор ёмкости, и её обязательно следует проверить на соответствие параметрам заряда и разряда, заявленным производителем аккумуляторов. Именно они имеют приоритетное значение.

Токи заряда и разряда. Окончательный выбор ёмкости

Суммарный ток зарядки, равный максимальному току первичного источника энергии (солнечной батареи или ветрогенератора), не должен превышать указанный производителем максимально допустимый ток заряда аккумулятора, умноженный на число параллельных сборок (именно сборок, а не отдельных аккумуляторов). Это условие может быть нарушено, если первичный источник слишком мощный, а блок аккумуляторов слишком слабый. И тогда возможен не только быстрый выход аккумуляторов из строя, но даже их взрыв и возгорание! Внимание!При использовании контроллеров с MPPT, преобразующих излишек напряжения в дополнительный ток, следует ориентироваться на максимальный выходной ток контроллера, а не первичных источников!

С другой стороны, слишком малый ток заряда не сможет полностью зарядить аккумуляторы. Это происходит тогда, когда ёмкость блока аккумуляторов слишком высока, а источник даровой энергии имеет небольшую мощность. При недолгой эксплуатации это приведёт лишь к сокращению текущего запаса энергии в аккумуляторах, однако постоянный недозаряд снижает ёмкость аккумуляторов и сокращает срок их службы.

Наконец, ток, потребляемый инвертором в режиме максимальной мощности, не должен превышать предельно допустимый ток разряда аккумуляторов, умноженный на число их параллельных сборок. Для обеспечения более комфортных условий работы и хорошей энергоотдачи аккумуляторов крайне желательно, чтобы ток разряда в длительном режиме не превышал половину, а ещё лучше — пятую часть максимально допустимого значения.

Точные значения токов следует смотреть в документации на конкретную модель аккумулятора, но для предварительных прикидок можно принять следующие величины этих токов в амперах относительно ёмкости в ампер-часах:

• максимальный ток разряда численно равен ёмкости и допустим только в кратковременном режиме — несколько секунд;
• оптимальный ток разряда не превышает 20% ёмкости (для длительной непрерывной нагрузки лучше уложиться в 5 .. 10%, — cкажем, нагрузка от освещения составляет менее 10%, а при включении холодильника остаётся в пределах 20%);
• оптимальный ток заряда составляет 5 .. 10% от ёмкости;
• максимальный ток заряда не превышает 20% от ёмкости (иногда — до 30%).

Основным критерием выбора ёмкости аккумуляторов является ток заряда, так как именно он оказывает главное влияние на долговечность и безопасность их эксплуатации. Исходя из вышеприведённых цифр, суммарная ёмкость сборок аккумуляторов в ампер-часах должна в5 .. 10 раз превышать максимальный суммарный ток (в амперах) всех работающих на них первичных источников (скажем, сборок фотоэлектрических панелей, — не отдельных аккумуляторов и панелей, а именно их сборок на номинальное низковольтное напряжение). А уже в этих пределах можно ориентироваться на необходимый запас энергии. Некоторые модели аккумуляторов позволяют расширить границы допустимого диапазона емкостей блока до 3 .. 20 раз от максимального вырабатываемого тока первичных источников.

Выбор проводов

Если при малых токах вопрос о сечении проводников возникает редко, то когда речь идёт о токах в десятки и сотни ампер, этим пренебрегать ни в коем случае нельзя! Важное значение имеют падение напряжения и тепловыделение на погонный метр провода. Например, на 10 метрах медного провода сечением 4 мм2 при токе в 10 А теряется 0.44 В напряжения и 4.4 Вт мощности, а при токе в 25 А — 1.1 В и 27.5 Вт. Для низковольтной системы это очень много, — так, для 12 В эти потери составят более 3.5% и более 9% соответственно, — а с учётом того, что ток всегда течёт по замкнутому контуру и обычно возвращается обратно по второй такой же жиле, бесполезные потери удваиваются! По этой причине длины проводов низковольтной части должны быть минимальными, особенно в том её сегменте, где ток «сконцентрирован» и потому наиболее силён, т.е. между контроллером, аккумулятором и инвертором (если первичных источников несколько, желательно подключать их к контроллеру «звездой», а не «шлейфом» — это не только позволяет при необходимости отключать и подключать источники индивидуально, но и снижает ток по каждой паре проводов, а стало быть, и потери).

Схемы параллельного подключения нескольких одинаковых электроустройств к одному узлу. Слева — «звезда», справа — «шлейф». Толщина линий условно показывает токовую нагрузку на соответствующий участок цепи.

В таблице указаны предельные токи, допустимые в длительном режиме для разных сечений изолированных проводов из различных материалов, а также приведены потери напряжения на погонный метр провода при предельном токе по нему (омические потери мощности вычисляются перемножением тока на падение напряжения).

Следует сказать, что алюминий «течёт» под нагрузкой и быстро окисляется, а железо имеет слишком большое сопротивление и легко ржавеет, поэтому их использование для передачи сильных токов крайне нежелательно, — ухудшение сильноточного контакта тут же ведёт к его перегреву. Всегда старайтесь работать с медным проводом. Кроме того, нельзя допускать прямого стыка медных и алюминиевых проводников — малейшее увлажнение сразу запускает интенсивную электрохимическую коррозию и соединение быстро выходит из строя, а влага в воздухе есть всегда! Эти металлы должны соединяться только через сталь (с помощью «орешков» или хотя бы стального болта, на котором медь и алюминий разделены стальной шайбой или гайкой). Наконец, важное значение имеет площадь контакта в зажимах, поэтому в бытовых применениях лучше использовать многожильные провода, а все соединения должны фиксироваться хорошо затянутыми болтами.

Если используется пайка, то необходимо обеспечить большое сечение соединения, как минимум в 10, а лучше в 15 .. 20 раз превышающее сечение спаиваемых медных проводов. В противном случае из-за гораздо более высокого сопротивления оловянно-свинцового припоя паяное соединение будет перегреваться — вплоть до его расплавления. По той же причине не стоит залуживать концы мощных проводов для сильноточных обжимных соединений — здесь голая медь лучше даже минимального слоя припоя.

Конфигурация электросети

Когда в общественной сети пропадает напряжение, для восстановления электроснабжения надо предпринять определённые действия. Как правило, прежде всего нужно выключить входной рубильник и отключить от сети лишних потребителей, без которых можно временно обойтись. Лишь затем надо проверить уровень бензина и масла в аварийном генераторе, подключить и запустить его. Последовательность действий именно такова, поскольку мощности генератора вряд ли хватит для обеспечения электричеством всей округи (для этого и надо отключить входной автомат, физически отделив внутренюю электросеть от общественной). От этих операций Вы избавлены только в том случае, если изначально полностью ориентировались на автономное электроснабжение.

Если в качестве аварийного источника Вы используете систему на солнечных батареях, то после отключения входного рубильника вместо генератора можно подключить к внутренней сети инвертор. Однако все остальные операции по-прежнему необходимы. Можно ли избежать их? Можно, если правильно выбрать оборудование и правильно организовать внутридомовую электросеть, разбив её на два сегмента — защищённый (автономный, переключаемый или подзаряжаемый) и незащищённый.

Внимание! Ни в коем случае не пытайтесь как-либо соединять выход инвертора с общественной электросетью — это всегда должны быть абсолютно разные линии! При объединении энергосетей переменного тока (а выход инвертора и общественная сеть — это именно такие независимые электросети) главная проблема заключается не в согласовании величин напряжения и частоты, а в точном согласовании фаз переменного тока (имеются в виду не провода «земля-фаза-нейтраль», а точное соответствие моментов минимумов и максимумов напряжения, а также формы сигналов в объединяемых сетях). В большинстве современных инверторах бытового и полупромышленного назначения эта проблема никак не решается и потому отдавать энергию в общественную сеть они не могут. В лучшем случае Вы можете отдать излишки электричества соседям, но, опять же, по отдельному проводу, никак не соединяемому с общественной сетью. Исключение могут составить лишь наиболее дорогие и «продвинутые» модели, но и в этом случае необходимо всё тщательно выяснить и согласовать.

Организация сегментов сети

Если делать по максимуму, то придётся дублировать всю разводку по комнатам — один раз от незащищённого сегмента, второй — от защищённого. Однако смысла в этом немного, и лучше сразу определить, куда включать конкретный электроприбор. Это каждый решает сам в силу своих взглядов и предпочтений. Мой подход к этой проблеме заключается в следующем.

Прежде всего, к защищёному сегменту должно быть подключено оборудование, критически важное для жизнеобеспечения дома. Это электронные блоки управления системы отопления, циркуляционные насосы и пр. В условиях дефицита энергии набор и мощность подключаемого оборудования должны быть лишь минимально достаточными. Например, в доме используется два водопроводных насоса — один (маломощный вибрационный) подаёт воду из колодца в систему водоподготовки с минимальным давлением, а другой (центробежный, втрое мощнее) стоит после этой системы и повышает давление в водопроводе до комфортной величины, позволяющей использовать душ с гидромассажем и фильтр обратного осмоса (выше 3 атмосфер). В этом случае подающий насос является жизненно важным и должен быть включён в защищённый сегмент, а повышающий насос служит лишь для комфорта и при дефиците энергии может остаться в незащищённом сегменте, т.к. для неотложных бытовых надобностей минимального давления в водопроводе вполне хватает.

Кроме того, к защищённому сегменту следует подключить всё стационарное освещение помещений, а также по одной-две розетки в каждой комнате и в санузлах. В большинстве случаев этого достаточно, а если розеток будет мало, на недолгий период вполне можно воспользоваться тройниками и удлинителями. Все остальные розетки, а также уличное освещение и декоративная подсветка (если они есть) должны остаться в незащищённом сегменте.

Компьютер, телевизоры и другие малопотребляющие устройства по возможности следует подключать к защищённому сегменту, и если у них есть постоянное место, имеет смысл установить для них дополнительные защищённые розетки, чтобы в каждом помещении всегда была хотя бы одна свободная защищённая розетка.

Как уже говорилось выше, защищённый сегмент может быть автономным или переключаемым. Это определяется типом инвертора, обеспечивающего питание этого сегмента. Однако при не слишком большом среднем потреблении энергии наиболее интересным представляется вариант с подзаряжаемым автономным сегментом.

Автономный защищённый сегмент

Автономный защищённый сегмент запитывается инвертором, не имеющим функции зарядки аккумуляторов от сети. Это действительно полностью самостоятельная электросеть, которая не имеет (и не должна иметь!) ничего общего с домовой электросетью, питающейся от общественных источников электроэнергии. Общим должно быть лишь заземление.

Схема электроснабжения с автономным защищённым сегментом.

При таком подходе никакие катаклизмы в общественной незащищённой сети не повлияют на функционирование автономной. Минусом является то, что из-за большой неравномерности солнечного излучения в течении года режим энергопользования, обеспечиваемый автономной сетью, всё время меняется, и для эффективного использования бесплатной энергии автономной сети (ну, конечно, не бесплатной, но деньги-то всё равно уже потрачены, а энергия вырабатывается!) надо время от времени переключать потребителей из незащищённого сегмента в автономный и обратно.

В случае аварии на общественной электросети при необходимости ничто не мешает отключить входной автомат и запитать незащищённый сегмент внутренней сети от аварийного генератора. Если же где-то потребуется лишь небольшая мощность, но подключаться к автономному сегменту там неудобно, можно соединить оба сегмента временной перемычкой, запитав незащищённый сегмент от автономного, однако при несоблюдении правильной последовательности действий это может быть очень опасно как для людей, так и для оборудования. Предварительно надо отключить от незащищённого сегмента всех мощных потребителей, а сам этот сегмент отключить от общей сети. Затем подключить перемычку, представляющую собой провод достаточного сечения и длины с вилками на обоих концах, сначала в розетку обесточенного (незащищённого) сегмента, и только потом в розетку автономного сегмента. При восстановлении внешнего электроснабжения последовательность действий строго обратная. Ни в коем случае нельзя включать генератор или входной автомат, не убрав предварительно перемычку между сегментами! Подача сетевого напряжения на выход инвертора может привести к самым плохим последствиям! И, естественно, необходимо принять все меры, исключающие случайное отключение перемычки во время её использования, в том числе детьми и домашними животными.

Переключаемый защищённый сегмент

Если инвертор поддерживает режим зарядки аккумуляторов от внешней сети, то, как правило, он позволяет организовать переключаемый защищённый сегмент, который может питаться от внешней сети, но когда напряжение в ней пропадает, автоматически переходит на автономное энергоснабжение, по сути являясь разновидностью обычного источника бесперебойного питания (UPS). Переключение занимает доли секунды, поэтому лампочки могут слегка мигнуть, но блоки питания телевизоров, компьютеров и других бытовых устройств, как правило, «проглатывают» столь малую заминку без сбоев в работе.

Система, использующая такой инвертор, может работать как в полностью автономном режиме, — том же самом, что описан в предыдущем пункте, — так и использовать в защищённом сегменте сети все преимущества, предоставляемые общественной сетью или аварийным генератором, в первую очередь возможность длительного подключения достаточно мощных устройств без опасения быстрой разрядки аккумуляторов.

Схема электроснабжения с переключаемым защищённым сегментом.

Для организации переключаемого сегмента необходимо подключать защищённый сегмент к выходу инвертора с помощью вилки (благо выход практически всех инверторов не очень большой мощности, как минимум до 3 кВт, оформлен по стандарту евророзетки). Сам инвертор также подключается к незащищённому сегменту шнуром со стандартной вилкой, и при наличии там напряжения просто пропускает его в нагрузку, а также использует для зарядки аккумуляторов. Если внешнее напряжение пропадает, то инвертор автоматически переходит в автономный режим.

На мой взгляд, один из недостатков такой системы заключается в том, что пока есть внешнее напряжение, защищённый сегмент будет питаться от внешней сети, даже если для его текущей нагрузки хватает автономной (бесплатной) энергии. Другой недостаток состоит в возможности проникновения в защищённый сегмент скачков напряжения из внешней сети (скажем, при попадании молнии), которые могут повредить сам инвертор или подключённые к защищённому сегменту устройства. И то, и другое усугубляется тем, что защищённый сегмент обычно подключается к внешней сети напрямую, через реле. Впрочем, достаточно вынуть вилку инвертора из розетки внешней сети, и он переходит в автономный режим, безразличный к любым катаклизмам в незащищённом сегменте. Если же вдруг возникнут какие-то проблемы с самим инвертором, то можно переключить вилку входа защищённого сегмента непосредственно в розетку, откуда запитывался инвертор, на время устранения неисправности подав питание на устройства защищённого сегмента напрямую от незащищённого. Естественно, все провода, вилки и розетки должны быть рассчитаны на максимальную мощность, потребляемую в защищённом сегменте. При мощности до 3 кВт (и даже несколько больше) для этого вполне подойдёт обычная евровилка (с толстыми штырьками). Внимание! Как правило, такие вилки и розетки рассчитаны максимум на ток 16 А при напряжении 230 В, что соответствует мощности 3 .. 3.5 кВт. Использовать их для передачи бóльших мощностей нельзя из-за опасности перегрева и возгорания!

С контролем количества автономной энергии и автоматического использования её избытка при подключённой внешней сети сложнее, — мне неизвестны устройства заводского производства, которые бы в полной мере реализовывали эту функцию (следует заметить, что в значительной степени к этому приближается оборудование фирмы Victron Energy, хотя их цены в несколько раз выше, чем у аналогов примерно той же мощности, но без таких возможностей настройки и автоматизации; кроме того на Западе существует концепция «микроинверторов», преобразующих солнечную энергию сразу в переменный ток и отдающих её в общественную сеть, но, во-первых, она не предусматривает возможности локального накопления энергии, т.е. её запасания в пределах конкретного домохозяйства, а во-вторых, почти все современные электросчётчики, применяемые в России, в том числе многотарифные, ведут учёт энергии «по модулю», т.е. неважно, потребляете Вы энергию из общественной сети или отдаёте её туда, — вся прошедшая через счётчик энергия будет считаться потреблённой Вами и, соответственно, Вы должны будете оплатить всё). Между тем экономия даже при мощности солнечных батарей в 1 кВт в летнее время может составить несколько сот киловатт-часов, а это при нынешних тарифах — тысячи рублей. Впрочем, существует возможность относительно просто решить эту проблему, правда, лишь при условии небольшей средней потребляемой мощности в защищённом сегменте.

Подзаряжаемый защищённый сегмент

Подзаряжаемый сегмент аналогичен автономному за исключением того, что низковольтный сегмент связан с незащищённым через зарядное устройство, которое обеспечивает подзарядку аккумуляторов при наличии напряжения в общественной сети. В качестве такого устройства можно использовать блок зарядки. Отмечу, что автомобильные зарядные устройства обычно слишком слабы и рассчитаны строго на 12 В, но существует специальные зарядные устройства для систем автономного электроснабжения. Как вариант, можно попытаться взять зарядный блок из инвертора с функцией зарядки аккумуляторов (конечно, это потребует серьёзного вмешательства в конструкцию этого инвертора и его переделки с полной потерей всех гарантий производителя).

Схема электроснабжения с подзаряжаемым защищённым сегментом

Плюсом такого решения является обеспечение работы защищённого сегмента даже при нехватке даровой энергии за счёт подпитки от незащищённого. Кроме того, такая «косвенная» подпитка обеспечивает гораздо лучшую защиту от нештатных ситуаций в общественной сети, поскольку поддержка осуществляется не прямой коммутацией через реле, а через низковольтный сегмент с мощными аккумуляторами, которые способны если не поглотить, то заметно сгладить весьма сильные кратковременные выбросы напряжения, а если перегрузка будет слишком длительной, она либо «выбьет» защитный автомат, либо в худшем случае выжжет зарядное устройство, — в обоих вариантах защищённый сегмент перейдёт в автономный режим, причём инвертор не подвергнется прямому воздействию перегрузки и потому имеет гораздо больше шансов уцелеть и продолжать действовать. При пропадании же напряжения в общественной сети зарядное устройство прекращает свою работу и защищённый сегмент переходит в автономный режим с питанием только от аккумуляторов и даровой энергии без каких-либо скачков и «морганий», даже самых кратковременных. Наконец, современные зарядные устройства обычно автоматически прекращают зарядку при достижении аккумуляторами определённого уровня заряда и возобновляют её лишь при их разряде до какого-то порога, а потому при наличии достаточного поступления даровой энергии и небольшого её расхода энергия из общественной сети в защищённом сегменте использоваться не будет.

Минусом по сравнению с переключаемым сегментом, является, во-первых, постоянная работа инвертора на нагрузку. Во-вторых, хотя мгновенная потребляемая мощность ограничена лишь мощностью инвертора (кратковременный дефицит мощности восполнят аккумуляторы), в долговременном режиме средняя потребляемая мощность не должна превышать суммы мощностей зарядного устройства и минимального потока даровой энергии. При этом если поток даровой энергии длительное время будет минимальным (пасмурная погода или штиль), а потребление в защищённом сегменте окажется достаточно велико, аккумуляторы также долгое время могут оставаться не полностью заряженными, поскольку энергия от зарядного устройства будет тратиться не столько на их заряд, сколько на текущее потребление. Это не слишком полезно для аккумуляторов, но совершенно не смертельно для них. В конце концов наступит период, когда поток даровой энергии усилится и аккумуляторы зарядятся до конца.

Наконец, следует заметить, что в такой конфигурации зарядка аккумуляторов осуществляется сразу двумя зарядными устройствами — контроллером первичного источника (ветрогенератора или солнечных панелей) и сетевым зарядным устройством. При этом оба эти устройства, как правило, автономны и ничего не «знают» друг о друге. В результате параметры зарядки могут существенно отличаться от оптимальных, что негативно скажется как на объёме запасённой энергии, так и на сроке службы аккумуляторов. Обеспечение оптимальных параметров зарядки в такой конфигурации является отдельной непростой задачей, как, впрочем, и в случае любых систем, в которых несколько зарядных устройств работают на один банк аккумуляторов. Тем не менее, в большинстве случаев и контроллеры, и зарядные устройства при своей работе ориентируются на текущее напряжение на блоке аккумуляторов, а оно, очевидно, едино для всех зарядных устройств, сколько бы их ни было, так что слишком серьёзное рассогласование режимов маловероятно. Кроме того, производители наиболее продвинутых и дорогих систем оборудования для автономного электроснабжения (именно систем, а не отдельных типов устройств) предлагают решения с учётом таких коллизий. К сожалению, общепризнанных стандартов информационного взаимодействия зарядных устройств и контроллеров пока нет, и полностью согласованная работа возможна лишь при использовании оборудования одной и той же фирмы.

Перейти в начало