Часто в мережі проскакують повідомлення про боротьбу екологію, розвиток альтернативних джерел енергії. Іноді навіть проводять репортажі про те, як у занедбаному селі зробили сонячну електростанцію, щоб місцеві жителі могли користуватися благами цивілізації не 2-3 години на добу, доки працює генератор, а постійно. Але це все якось далеко від нашого життя, тому я вирішив на своєму прикладі показати та розповісти, як влаштована та як працює сонячна електростанція для приватного будинку. Розповім про всі етапи: від ідеї до включення всіх приладів, а також поділюся досвідом експлуатації. Стаття вийде немаленька, тому хто не любить багато літер, можуть подивитися ролик. Там я постарався розповісти те саме, але буде видно, як я все це сам збираю.
Вихідні дані: приватний будинок площею близько 200 м2 підключений до електромереж. Трифазне введення, сумарною потужністю 15 кВт. У будинку стандартний набір електроприладів: холодильник, телевізори, комп'ютери, пральні та посудомийні машинки тощо. Стабільністю електромережа не відрізняється: зафіксований мною рекорд - відключення 6 днів поспіль на період від 2 до 8 годин.
Що хочеться отримати: забути про перебої електроенергії та користуватися електрикою, незважаючи ні на що.
Які можуть бути бонуси: Максимально використовувати енергію сонця, щоб будинок пріоритетно харчувався сонячною енергією, а недолік добирав із мережі. Як бонус, після ухвалення закону про продаж приватними особами електроенергії в мережу, почати компенсувати частину своїх витрат, продаючи надлишки виробітку в загальну електромережу.
З чого почати?
Завжди є щонайменше два шляхи для вирішення будь-якого завдання: вчитися самому або доручити вирішення завдання комусь іншому. Перший варіант передбачає вивчення теоретичних матеріалів, читання форумів, спілкування з власниками сонячних електростанцій, боротьбу з внутрішньо жабою і, нарешті, купівлю обладнання, а потім установку. Другий варіант: зателефонувати до спеціалізованої фірми, де поставлять багато питань, підберуть і продадуть потрібне обладнання, а можуть і встановити за окремі гроші. Я вирішив поєднати ці два способи. Почасти тому, що мені це цікаво, а частково для того, щоб не напоротися на продавців, яким треба просто заробити, продавши не зовсім те, що мені потрібно. Тепер настав час теорії, щоб зрозуміти, як я робив вибір.
На фото є приклад «освоєння» грошей на будівництво сонячної електростанції. Зверніть увагу, сонячні панелі встановлені за деревом - таким чином, світло на них не потрапляє, і вони просто не працюють.
Типи сонячних електростанцій
Відразу зазначу, що говорити я не про промислові рішення і не про надпотужні системи, а про звичайну споживчу сонячну електростанцію для невеликого будинку. Я не олігарх, щоб розкидатися грошима, але я дотримуюсь принципу достатньої розумності. Тобто я не хочу гріти басейн «сонячною» електрикою або заряджати електромобіль, якого я не маю, але я хочу, щоб у моєму будинку всі прилади постійно працювали, без огляду на електромережі.
Тепер розповім про типи сонячних електростанцій для приватного будинку. За великим рахунком, їх лише три, але бувають варіації. Розташую, зростання вартості кожної системи.
Мережева Сонячна Електростанція — цей тип електростанції поєднує у собі невисоку вартість та максимальну простоту експлуатації. Складається всього із двох елементів: сонячних панелей та мережевого інвертора. Електрика від сонячних панелей безпосередньо перетворюється на 220В/380В будинку і споживається домашніми енергосистемами. Але є суттєвий недолік: для роботи СЕ необхідна опорна мережа. У разі відключення зовнішньої електромережі, сонячні батареї перетворяться на «гарбуз» і перестануть видавати електрику, оскільки для функціонування мережного інвертора потрібна опорна мережа, тобто наявність електрики. Крім того, з інфраструктурою електромережі, що склалася, робота мережевого інвертора не дуже вигідна. Зразок: у вас сонячна електростанція на 3 кВт, а будинок споживає 1 кВт. Надлишки «перетікатимуть» у мережу, а звичайні лічильники вважають енергію «за модулем», тобто віддану в мережу енергію лічильник вважатиме, як спожиту, і за неї ще доведеться заплатити. Тут логічно підходить питання: куди подіти зайву енергію та як цього уникнути? Переходимо до другого типу сонячних електростанцій.
Гібридна Сонячна Електростанція - Цей тип електростанції поєднує в собі переваги мережної та автономної електростанції. Складається із 4 елементів: сонячні панелі, сонячний контролер, акумулятори та гібридний інвертор. Основа всього – це гібридний інвертор, який здатний у споживану від зовнішньої мережі енергії підмішувати енергію, вироблену сонячними панелями. Більше того, хороші інвертори мають можливість налаштування пріоритезації споживаної енергії. В ідеалі будинок повинен споживати спочатку енергію від сонячних панелей і тільки при її нестачі, добирати із зовнішньої мережі. У разі зникнення зовнішньої мережі інвертор переходить в автономну роботу та користується енергією від сонячних панелей та енергією, що запасена в акумуляторах. Таким чином, навіть якщо електроенергію відключать на тривалий час і буде похмурий день (або відключать електрику вночі), в будинку все функціонуватиме. Але що робити, якщо електрики взагалі немає, а жити якось треба? Тут я переходжу до третього типу електростанції.
Автономна Сонячна Електростанція – цей тип електростанції дозволяє жити повністю незалежно від зовнішніх електромереж. Вона може включати більше 4 стандартних елементів: сонячні панелі, сонячний контролер, АКБ, інвертор.
Додатково до цього, а іноді замість сонячних панелей, може бути встановлена Гідроелектростанція малої потужності, вітряна електростанція, генератор (дизельний, газовий або бензиновий). Як правило, на таких об'єктах присутній генератор, оскільки може не бути сонця та вітру, а запас енергії в акумуляторах не нескінченний - у цьому випадку генератор запускається і забезпечує енергією весь об'єкт, принагідно заряджаючи АКБ. Така електростанція легко трансформується в гібридну, при підключенні зовнішньої електромережі, якщо інвертор має ці функції. Основна відмінність автономного інвертора від гібридного – це те, що він не вміє підмішувати енергію від сонячних панелей до енергії із зовнішньої мережі. При цьому гібридний інвертор, навпаки, вміє працювати як автономний, якщо зовнішня мережа буде відключена. Як правило, гібридні інвертори пропорційні за ціною з повністю автономними, а якщо й відрізняються, то несуттєво.
Що таке сонячний контролер?
У всіх типах сонячних електростанцій є сонячний контролер. Навіть у сонячній електростанції він є, просто входить до складу мережевого інвертора. Та й багато гібридних інверторів випускаються із сонячними контролерами на борту. Що ж це таке і навіщо він потрібний? Говоритиму про гібридну та автономну сонячну електростанцію, оскільки це якраз мій випадок, а з пристроєм мережевого інвертора можу ознайомити детальніше у коментарях, якщо будуть запити в коментарях.
Сонячний контролер – це пристрій, який отриману від сонячних панелей енергію перетворює на енергію, що перетравлюється інвертором. Наприклад, сонячні панелі виготовляються із напругою кратно 12В. І АКБ виготовляються кратно 12В, то вже повелося. Прості системи на 1-2 кВт потужності працюють від 12В. Продуктивні системи на 2-3 кВт вже працюють від 24В, а потужні системи на 4-5 кВт і більше працюють на 48В. Зараз я розглядатиму тільки «домашні» системи, бо знаю, що є інвертори, які працюють на напругах у кілька сотень вольт, але для дому це вже небезпечно.
Отже, припустимо, у нас є система на 48В і сонячні панелі на 36В (панель зібрана кратно 3х12В). Як отримати шукані 48В для роботи інвертора? Звичайно, до інвертора підключаються АКБ на 48В, а до цих акумуляторів підключається сонячний контролер з одного боку та сонячні панелі з іншого. Сонячні панелі збираються на явно більшу напругу, щоб зуміти зарядити АКБ. Сонячний контролер, отримуючи свідомо більшу напругу із сонячних панелей, трансформує цю напругу до потрібної величини і передає в АКБ. Це спрощено. Є контролери, які можуть зі 150-200 В від сонячних панелей знижувати до 12 В акумуляторів, але тут протікають дуже великі струми і контролер працює з гіршим ККД. Ідеальний випадок, коли напруга з сонячних панелей вдвічі більша за напругу на АКБ.
Сонячних контролерів існує два типи: PWM (ШІМ – Широтно-Імпульсна Модуляція) та MPPT (Maximum Power Point Tracking – відстеження точки максимальної потужності). Принципова різниця між ними в тому, що ШІМ-контролер може працювати тільки зі складання панелей, що не перевищують напруги АКБ. MPPT – контролер може працювати з помітним перевищенням напруги щодо АКБ. Крім того, MPPT-контролери мають помітно більший ККД, але й коштують дорожче.
Як вибрати сонячні панелі?
На перший погляд, всі сонячні панелі однакові: осередки сонячних елементів з'єднані між собою шинками, а на задній стороні є два дроти: плюс та мінус. Але є в цій справі безліч нюансів. Сонячні панелі бувають із різних елементів: аморфних, полікристалічних, монокристалічних. Я не агітуватиму за той чи інший тип елементів. Скажу просто, що сам волію монокристалічні сонячні панелі. Але це не все. Кожна сонячна батарея - це чотиришаровий пиріг: скло, прозора EVA-плівка, сонячний елемент, плівка, що герметизує. І ось тут кожен етап украй важливий. Скло підходить не будь-яке, а зі спеціальною фактурою, що знижує відображення світла і заломлює світло, що падає під кутом, таким чином, щоб елементи були максимально освітлені, адже від кількості світла залежить кількість виробленої енергії. Від прозорості EVA плівки залежить, скільки енергії потрапить на елемент і скільки енергії виробить панель. Якщо плівка виявиться бракованою і з часом помутнішає, то й вироблення помітно впаде.
Далі йдуть самі елементи і вони розподіляються за типами, залежно від якості: Grade A, B, C, D і далі. Звичайно, краще мати елементи якості А і хорошу пайку, адже при поганому контакті елемент грітиметься і швидше вийде з ладу. Ну і фінішна плівка повинна бути якісною і забезпечувати хорошу герметизацію. У разі розгерметизації панелей дуже швидко на елементи потрапить волога, почнеться корозія і панель також вийде з ладу.
Як правильно вибрати сонячну панель? Основний виробник для нашої країни – це Китай, хоча на ринку є і російські виробники. Є багато OEM-заводів, які наклеять будь-який замовлений шильдик і відправлять панелі замовнику. А є заводи, які забезпечують повний цикл виробництва та здатні проконтролювати якість продукції на всіх етапах виробництва. Як дізнатися про такі заводи та бренди? Є кілька авторитетних лабораторій, які проводять незалежні випробування сонячних панелей і відкрито публікують результати цих випробувань. Перед покупкою ви можете вбити назву та модель сонячної панелі та дізнатися, наскільки сонячна панель відповідає заявленим характеристикам. Перша лабораторія – це , А друга . Якщо виробника панелей у цих списках немає, варто задуматися про якість. Це не означає, що панель погана. Просто бренд може бути OEM, а завод-виробник випускає інші панелі. У будь-якому випадку, присутність у списках цих лабораторій вже свідчить про те, що ви купуєте сонячні батареї не у виробника-одноденки.
Мій вибір сонячної електростанції
Перед покупкою варто окреслити коло завдань, які ставляться перед сонячною електростанцією, щоб не заплатити за непотрібне і не переплатити за те, що не використовується. Тут я перейду до практики, як і що робив сам. Для початку, ціль та вихідні: у селі періодично відключають електроенергію на період від півгодини до 8 годин. Можливі відключення як раз на місяць, так і кілька днів. Завдання: забезпечити будинок електропостачанням у цілодобовому режимі з деяким обмеженням споживання на період вимкнення зовнішньої мережі. При цьому основні системи безпеки та життєзабезпечення повинні функціонувати, тобто: повинні працювати насосна станція, система відеоспостереження та сигналізації, роутер, сервер та вся мережева інфраструктура, освітлення та комп'ютери, холодильник. Вдруге: телевізори, розважальні системи, електроінструмент (газонокосарка, триммер, насос для поливу городу). Можна відключити: бойлер, електрочайник, праска та інші пристрої, що гріють і багато споживають, робота яких миттєво не важлива. Чайник можна закип'ятити на газовій плиті, а погладити пізніше.
Як правило, сонячну електростанцію можна придбати в одному місці. Продавці сонячних панелей також продають все супутнє обладнання, тому я почав пошук відштовхуючись від сонячних батарей. Один із солідних брендів – TopRay Solar. Про них є хороші відгуки і реальний досвід експлуатації в Росії, зокрема, в Краснодарському краї, де розуміються на сонці. У РФ є офіційний дистриб'ютор і дилери по регіонах, на зазначених вище сайтах з лабораторіями для перевірки сонячних панелей цей бренд присутній і далеко не на останніх місцях, тобто можна брати. Крім того, фірма-продавець сонячних панелей TopRay також займається власним виробництвом контролерів та електроніки для дорожньої інфраструктури: системи управління трафіком, світлодіодні світлофори, миготливі знаки, сонячні контролери та інше. Заради цікавості навіть напросився на їхнє виробництво – цілком технологічно і навіть є дівчата, які знають, з якого боку підходити до паяльника. Буває ж!
Зі списком хотілок я звернувся до них і попросив зібрати мені пару комплектацій: дорожче і дешевше для мого будинку. Мені поставили низку уточнюючих питань щодо резервованої потужності, наявності споживачів, максимальної та постійної споживаної потужності. Останнє взагалі виявилося для мене несподіваним: будинок у режимі енергозбереження, коли працюють лише системи відеоспостереження, охорони, зв'язок з інетом та мережева інфраструктура, споживає 300-350 Вт. Тобто, навіть якщо вдома ніхто не користується електрикою, на внутрішні потреби йде до 215 кВт*год на місяць. Отут і замислишся над проведенням енергетичного аудиту. І почнеш вимикати з розеток зарядки, телевізори та приставки, які в режимі очікування споживають трохи, а набігає пристойно.
Не томитиму, зупинився я на більш дешевій системі, оскільки найчастіше до половини суми за електростанцію може займати вартість акумуляторів. Список обладнання вийшов наступним:
- - 9 шт
- Гібридний однофазний інвертор на 5 кВт - 1 шт
- Акумулятор - 4 шт
Додатково мені було запропоновано придбати професійну систему кріплення сонячних панелей на дах, але я, подивившись фотографії, вирішив обійтися саморобними кріпленнями і теж заощадити. Але я вирішив збирати систему сам і не шкодував сил і часу, а монтажники працюють із цими системами постійно та гарантують швидкий та якісний результат. Так що вирішуйте самі: із заводськими кріпленнями працювати набагато приємніше та простіше, а моє рішення просто дешевше.
Що надає сонячна електростанція?
Цей комплект може видати до 5 кВт потужності в автономному режимі – саме таку потужність я вибрав однофазний інвертор. Якщо докупити такий самий інвертор і модуль сполучення до нього, можна наростити потужність до 5кВт+5кВт=10 кВт на фазу. Або можна зробити трифазну систему, але я поки що задовольняюся і цим. Інвертор високочастотний, тому досить легкий (порядку 15 кг) і займає трохи місця - легко монтується на стіну. У нього вже вбудовано 2 MPPT-контролери потужністю 2,5 кВт кожен, тобто я можу додати ще стільки ж панелей без придбання додаткового обладнання.
Сонячних панелей у мене на 2520 Вт по шильдику, але через неоптимальний кут установки вони видають менше - максимум я бачив 2400 Вт. Оптимальний кут – це перпендикулярно сонцю, що у наших широтах становить приблизно 45 градусів до горизонту. У мене панелі встановлені під 30 градусів.
Складання АКБ становить 100А*год 48В, тобто запасено 4,8 кВт*год, але забирати енергію повністю вкрай небажано, оскільки тоді їхній ресурс помітно скорочується. Бажано розряджати такі АКБ трохи більше, ніж 50%. Це літій-залізофосфатні або літій-титанатні можна заряджати і розряджати глибоко і великими струмами, а свинцево-кислотні, рідинні, гелеві або AGM краще не гвалтувати. Отже, маю половину ємності, а це 2,4 кВт*год, тобто близько 8 годин у повністю автономному режимі без сонця. Цього вистачить на ніч роботи всіх систем і залишиться половина ємності АКБ на аварійний режим. Вранці вже стане сонце і почне заряджати АКБ, паралельно забезпечуючи будинок енергією. Тобто будинок може функціонувати і автономно в такому режимі, якщо знизити енергоспоживання та погода буде гарною. Для повної автономії можна додати ще акумуляторів і генератор. Адже взимку сонця зовсім мало і без генератора не обійдеться.
Починаю збирати
Перед покупкою та збиранням необхідно прорахувати всю систему, щоб не помилитися з розташуванням усіх систем та прокладанням кабелів. Від сонячних панелей до інвертора у мене близько 25-30 метрів і я заздалегідь проклав два гнучкі дроти перетином 6 кв.мм, так як по них передаватиметься напруга до 100В і струм 25-30А. Такий запас перерізу був обраний, щоб мінімізувати втрати на дроті і максимально доставити енергію до приладів. Самі сонячні панелі я монтував на саморобні напрямні з алюмінієвих куточків і притягував їх саморобними кріпленнями. Щоб панель не сповзала вниз, на алюмінієвому куточку навпроти кожної панелі дивиться вгору пара 30мм болтів і є своєрідним «гачком» для панелей. Після монтажу їх не видно, але продовжують нести навантаження.
Сонячні панелі були зібрані у три блоки по 3 панелі у кожному. У блоках панелі підключаються послідовно - так напруга вдалося підняти до 115В без навантаження і знизити струм, а значить можна вибрати дроти меншого перерізу. Блоки між собою підключені паралельно спеціальними конекторами, що забезпечують гарний контакт та герметичність з'єднання – називаються MC4. Їх же я використовував для підключення проводів до сонячного контролера, тому що вони забезпечують надійний контакт і швидке замикання ланцюга для обслуговування.
Далі переходимо до монтажу у будинку. АКБ попередньо заряджені «розумною» автомобільною зарядкою, щоб вирівняти напругу та підключені послідовно для забезпечення напруги 48В. Далі вони підключені до інвертора кабелем з перетином 25 мм кв. До речі, під час першого підключення до інвертора АКБ буде помітна іскра на контактах. Якщо ви не сплутали полярність, то все нормально - в інверторі встановлені досить ємні конденсатори і вони починають заряджатися під час підключення до акумуляторів. Максимальна потужність інвертора – 5000 Вт, а отже струм, який може проходити по дроту від АКБ, становитиме 100-110А. Вибраного кабелю достатньо для безпечної експлуатації. Після підключення АКБ можна підключати зовнішню мережу і навантаження будинку. До клемних колод чіпляються дроти: фаза, нуль, заземлення. Тут все просто і наочно, але якщо вам відремонтувати розетку небезпечно, то підключення цієї системи краще довірити досвідченим електромонтажникам. Ну і останнім елементом підключаю сонячні панелі: тут також треба бути уважним і не переплутати полярність. При потужності 2,5 кВт і неправильному підключенні, сонячний контролер згорить миттєво. Та що там казати: за такої потужності від сонячних панелей можна займатися зварюванням безпосередньо, без зварювального інвертора. Здоров'я це сонячним панелям не додасть, але потужність сонця справді велика. Так як я додатково використовую роз'єм MC4, переплутати полярність просто неможливо при початковому правильному монтажі.
Все підключено, одне клацання вимикача та інвертор переходить у режим налаштування: тут треба виставити тип АКБ, режим роботи, зарядні струми та інше. Для цього є цілком зрозуміла інструкція і якщо ви можете впоратися з налаштуванням роутера, налаштування інвертора теж не буде дуже складним. Потрібно лише знати параметри АКБ і правильно їх налаштувати, щоб вони прослужили якнайдовше. Після цього, хм… Після цього настає найцікавіше.
Експлуатація гібридної сонячної електростанції
Після запуску сонячної електростанції, я та моя сім'я переглянули багато звичок. Наприклад, якщо раніше прання або посудомийна машина запускалися після 23 години, коли працював нічний тариф в електромережах, то тепер ці енерговитратні роботи перенесені на день, тому що прання споживає 500-2100 Вт під час роботи, посудомийна машина споживає 400-2100 Вт. Чому такий розкид? Тому що насоси та мотори споживають небагато, а от нагрівачі води вкрай ненажерливі. Прасувати виявилося теж «вигідніше» і приємніше вдень: у кімнаті набагато світліше, а енергія сонця повністю покриває споживання праски. На скріншоті продемонстровано графік вироблення енергії сонячною електростанцією. Добре видно ранковий пік, коли працювала пральна машинка та споживала багато енергії – ця енергія була вироблена сонячними панелями.
Перші дні я по кілька разів підходив до інвертора, подивитися на екран вироблення та споживання. Після цього поставив утиліту на домашній сервер, який у реальному часі відображає режим роботи інвертора та всі параметри електромережі. Наприклад, на скріншоті видно, що будинок споживає більше 2 кВт енергії (точка AC output active power) і вся ця енергія запозичується від сонячних батарей (пункт PV1 input power). Тобто інвертор, працюючи в гібридному режимі із пріоритетом живлення від сонця, повністю покриває енергоспоживання приладів за рахунок сонця. Чи це не щастя? Щодня в таблиці з'являвся новий стовпчик вироблення енергії і це не могло не тішити. А коли у всьому селі відключили електрику, я дізнався про це лише за писком інвертора, який сповіщав про роботу в автономному режимі. Для всього будинку це означало лише одне: живемо, як раніше, поки сусіди ходять за водою з відрами.
Але є в наявності будинки сонячної електростанції та нюанси:
- Я почав помічати, що птахи люблять сонячні панелі і, пролітаючи над ними, не можуть утриматися від щастя технологічного обладнання в селі. Тобто іноді все ж таки сонячні панелі треба мити від слідів і пилу. Думаю, що при встановленні під 45 градусів всі сліди просто змивалися б дощами. Вироблення від кількох пташиних слідів взагалі падає, але якщо затінена частина панелі, то падіння вироблення стає відчутним. Це я помітив, коли сонце пішло до заходу сонця і тінь від даху почала накривати панелі одну за одною. Тобто краще розташовувати панелі від усіх конструкцій, здатних їх затінити. Але навіть увечері, при розсіяному світлі, панелі видавали кілька сотень ват.
- При великій потужності сонячних панелей та підкачуванні від 700 Ватт і більше, інвертор включає вентилятори активніше і їх стає чутно, якщо двері в технічне приміщення відчинені. Тут або закривати двері, або кріпити інвертор на стіну через демпфуючі прокладки. В принципі, нічого несподіваного: будь-яка електроніка гріється під час роботи. Просто треба зважати на те, що інвертор не варто вішати там, де він може заважати звуком своєї роботи.
- Фірмова програма вміє надсилати сповіщення електронною поштою або SMS, якщо відбулася якась подія: включення/відключення зовнішньої мережі, розряд АКБ тощо. Ось тільки програма працює по незахищеному 25 порту SMTP, а всі сучасні поштові сервіси, на зразок gmail.com або mail.ru працюють по захищеному порту 465. Тобто зараз, фактично, оповіщення поштою не приходять, а хотілося б.
Не сказати, що ці пункти якось засмучують, адже завжди треба прагнути досконалості, але існуюча енергонезалежність того варта.
Висновок
Вважаю, що це не остання моя розповідь про власну сонячну електростанцію. Досвід експлуатації в різних режимах і в різні пори року однозначно відрізнятиметься, але я точно знаю, що навіть якщо в Новий Рік відключать електрику, в моєму будинку буде світло. За результатами експлуатації встановленої сонячної електростанції можу відзначити, що воно того варте. Декілька відключень зовнішньої мережі пройшли непомітно. Про кількох я дізнався лише з дзвінків сусідів із запитанням «У тебе теж немає світла?». Ті цифри вироблення електрики, що біжать, безмірно радують, а можливість прибрати від комп'ютера UPS знаючи, що навіть при відключенні електроенергії все продовжить працювати - це приємно. Ну а коли в нас нарешті ухвалять закон про можливість продажу електроенергії приватними особами в мережу, я перший подам заявку на цю функцію, адже в інверторі достатньо змінити один пункт і всю вироблену, але не спожиту будинком енергію, я продаватиму в мережу і отримувати за це гроші. Загалом це виявилося досить просто, ефективно і зручно. Готовий відповісти на ваші запитання та витримати натиск критиків, які переконують усіх, що у наших широтах сонячна електростанція – це іграшка.
Джерело: habr.com