(3) Продуманное бесперебойное питание для автономного образа жизни
В этой статье мы хотим поделиться опытом и рассказать, как создать автономное электроснабжение для загородного дома с помощью солнечного инвертора, солнечных панелей, литий-фосфатно-железных аккумуляторов, бензинового или дизельного генератора и системы автоматического резервирования. Речь идет не о технических характеристиках, а об опыте создания автономной системы, ее конфигурации и трансформации, а также впечатлениях от использования.
Рассмотрим конкретный пример:
Загородный дом площадью 300 квадратных метров, трехфазный ввод, трехполюсный автомат С40, контрактная мощность 20 кВт в трех фазах. Отопление - газовый котел. Водоснабжение - скважина.
Потребность в независимом электроснабжении возникла с началом российских атак на нашу энергосистему осенью 2022 года. Мы решили установить систему на гибридном солнечном инверторе, который имеет расширенные возможности конфигурации и позволяет подключать солнечные панели, чтобы не сидеть все время на генераторе и экономить электроэнергию от ДТЭК.
Чтобы уменьшить расходы, в системе используется однофазный инвертор вместо трех, а также набор контакторов, которые в случае потери одной из фаз объединяют все три фазы в доме в одну и подключают дом к выходу инвертора. Таким образом, одна и та же фаза, сгенерированная инвертором, распределяется по всему дому. Также важно не забыть обеспечить автоматическое отключение трехфазных потребителей, если таковые имеются, с помощью трехфазных реле контроля напряжения. При наличии всех 3 фаз внешней электросети инвертор работает на одной фазе (фаза Б), к которой подключены все основные электроприборы в доме, потребление которых компенсируется солнечными панелями в течение дня. Мы не выделили приоритетную сеть для автономного питания электроприборов в доме; при отсутствии сетевого питания инвертор питает весь дом, а его жильцы уже понимают, что в таком режиме не стоит пользоваться лишними приборами, чтобы не разряжать аккумуляторы быстро.
Используемое оборудование
Солнечный инвертор Provolt GI-8000-48 2MPPT Parallel однофазный, рабочая мощность 8 кВт, кратковременная пусковая мощность 16 кВт. Инвертор может быть настроен для разных режимов использования, рассмотрим вариант, в котором он работает у нас: приоритет использования энергии - сначала солнце - потом сеть - потом АКБ. Логика следующая: Сначала дом использует всю солнечную энергию, если она есть. Если ее недостаточно, инвертор добавляет энергию из внешней электросети, а если ее также нет, использует энергию, накопленную в аккумуляторных батареях. Энергия в батареях накапливается преимущественно днем, когда есть солнечная энергия. Если ночью не было сети, и на утро батареи разряжены, и на утро день не солнечный, АКБ заряжаются от внешней электросети. Если же нет и электросети, сухие контакты инвертора, при падении напряжения на АКБ, подают команду на автоматику генератора, и генератор запускается. При этом инвертор отслеживает накопленный от генератора заряд, по уровню напряжения на батарее, этот параметр настраивается определенными пунктами в инверторе, и при достижении, например, 80% заряда, генератор выключается, чтобы не расходовать много бензина. Дом продолжает питаться от АКБ, в ожидании или солнца или внешней электросети, при получении которых нагрузка в доме переключается на этот источник, и параллельно, батарея начинает заряжаться. И так по кругу: инвертор питает дом то от солнца, то от сети, то от АКБ, а в экстремальных случаях запускает генератор, чтобы запитать нагрузку в доме и параллельно пополнить запас энергии в батарее.
Для выполнения всех этих функций гибридный инвертор имеет множество настроек, которые позволят точно регулировать его работу по времени, напряжениям на источниках питания, уровню заряда. Для мониторинга работы инвертора есть Wi-Fi модуль и приложение, которое устанавливается на мобильное устройство как для iOS, так и для Android. Нам понадобилось немало времени на настройку взаимодействия всей системы: инвертора, батарей, автоматики генератора и самого генератора.
Второй элемент оборудования - это генератор. В ситуации, когда электричество постоянно отключали, а иногда его не было целый день, и даже местные трансформаторы начали выходить из строя от постоянных отключений, без генератора было очень трудно обойтись, и я считаю, что его обязательно нужно включить в автономную систему электроснабжения дома. Летом, когда дни преимущественно солнечные и панели вырабатывают достаточно энергии в течение дня, чтобы удовлетворить потребности дома и полностью зарядить аккумулятор, можно обойтись без бензинового генератора. Однако даже летом, если у вас, например, система полива работает ночью и насос потребляет много энергии, заряда батареи может не хватить до утра (если вы используете ее без экономии, стиральную машину, чайник и все остальное), и в этом вам тоже поможет генератор. А как мы знаем, наш монтаж происходил осенью, поэтому наличие генератора было обязательным, весь район непрерывно гудел генераторами. В то время купить генератор было сложно, а купить генератор Matari MX11000E ATS с поддержкой автоматики было нелегко. Генератор установили в гараже, а выхлоп организовали выводить на улицу через гофрированную трубу из нержавеющей стали диаметром 40 мм и длиной 1,5 метра. И тут мы столкнулись с первой проблемой, которая заключалась в том, что генератор не был инверторным. Во время работы генератора, когда включалась и выключалась какая-либо нагрузка в доме, менялись обороты генератора, менялась частота тока на генераторе, и солнечный инвертор отказывался переваривать производимую генератором энергию в достаточной степени для того, чтобы использовать ее для зарядки аккумулятора. Другими словами, инвертор брал энергию с генератора, передавал ее в дом, в доме все работало, но инвертор отказывался использовать ее для зарядки аккумулятора, были короткие моменты, когда он начинал заряжать аккумулятор, но как только в доме включалась или выключалась какая-либо нагрузка, обороты бензинового генератора зашкаливали, частота тока на генераторе снова подскакивала, и инвертор переставал брать энергию для зарядки. В принципе, работать в таком режиме можно, но приходится постоянно питаться от генератора, поскольку он не заряжает аккумулятор, а это не очень удобно. То есть генератор работает, потребляет топливо, генератор мощный, 7-8 кВт, а нагрузка в доме средняя, скажем 1-2 кВт, мы могли бы взять с него еще 3 кВт для зарядки аккумулятора, но не можем! Поэтому, когда жесткие отключения электроэнергии закончились, и ситуация с наличием генераторов улучшилась, генератор Matari был заменен на дизельный генератор, который, в принципе, был намного стабильнее в оборотах, и инвертор нормально брал с него энергию для заряда. Прошло немного времени, и в конечном итоге оказалось, что дизель был слишком громким, звук его работы и вибрация раздражали. Ближе к лету дизель заменили на гораздо более тихий бензиновый, но уже инверторный генератор Konner & Sohnen KS 8100i Е ATSR. Все промежуточно используемые генераторы были направлены на другие объекты заказчика. На этом генераторе мы в конечном счете и остались, у него достаточная мощность - до 7 кВт, разъем автоматики полностью совместим с разъемом Матари, не требовало никакой адаптации. Генератор имеет экономичный режим работы на низких оборотах для экономии бензина, что может быть очень актуально. Но в нашей автоматической системе этот режим не удалось использовать, так как при отсутствии электроэнергии и переключении нагрузки на генератор, все прибора в доме одновременно включаются, нагрузка сразу большая, и генератор не успевает поднять обороты с минимальных, чтобы выйти из экономичного режима и автоматика выдает ошибку, поэтому используем его в стандартном режиме - полной мощности. Пришлось немного доработать выхлопную систему генератора, заказать у сварщика фланец для перехода на выхлопную гофру диаметром 40 мм, которая уже была сделана для генератора Матари. Кстати, для герметизации соединения фланца и гофры рекомендуем использовать цемент для выхлопных систем, в тюбике, который вы найдете на любом авторынке.
Третий пункт нашего оборудования - автоматика запуска генератора. Сначала мы использовали ручной переключатель HAGER, но уже вскоре стало понятно, что ходить и постоянно включать это все вручную, тем более, что часто дети оставались дома одни, не комфортно, от слова совсем, было решено использовать автоматику DATAKOM с возможностью дистанционного запуска через приложение для IOS и Android. Для этого автоматика использует SIM-карту мобильного оператора. Модель автоматики в нашем каталоге: DATAKOM D-200 65A GSM с удаленным управлением. После этого пользоваться генератором стало очень комфортно - вы можете запустить генератор в любое время, с помощью приложения на мобильном телефоне, лежа на диване или находясь на другом конце планеты, если это потребуется. Вы можете установить автоматический режим, и тогда запуском генератора будет управлять инвертор, если батарея будет разряжаться, или же, если не хотите, чтобы ночью генератор кого-то беспокоил, установите генератор в режим STOP, и тогда он автоматически не будет запускаться. Все делаете с телефона, не надо постоянно бегать в гараж. Бонусом вы получаете SMS-информирование на телефон обо всех событиях.
Четвертый пункт - солнечные панели. Учитывая то, что зимой, в облачную погоду, солнечные панели выдают лишь 10-15% от их полной мощности, с учетом свободного места на крыше и из эстетических соображений, было установлено 13 солнечных панелей мощностью 570 Вт каждая от производителя Jinco Solar. Мы учитывали, что даже зимой панели будут генерировать около 0,5 - 1 кВт энергии, что достаточно для поддержания оборудования в доме, чтобы дом мог быть долгое время автономным.
В первый mppt-стринг инвертора было подключено 6 панелей, и 7 штук во втором mppt-стринге. Напомню, что инвертор имеет 2 стринга по 4 кВт энергии панелей каждый. Часть панелей была больше обращена к юго-восточному направлению, чтобы получать больше энергии утром, и другая часть - на юго-запад, чтобы собирать больше энергии вечером. Все панели, которые объединены в один стринг, подключаются специальным кабелем последовательно друг за другом, и концы подаются на инвертор, спускаются с крыши в гараж. То же самое происходит со вторым набором батарей, которые подключены ко второму mppt-стрингу.
Пятый пункт - две сборки литий-фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов емкостью 48В 140Ач каждая, что в сумме составляет примерно 14 кВтч запаса энергии. Аккумуляторы позволяют иметь автономный запас энергии для питания оборудования мощностью 1 кВт в течение до 14 часов или 500 Вт мощности в течение до 1 суток.
Как мы уже упоминали, если аккумуляторы разряжаются до определенного уровня напряжения, который настраивается в инверторе, сухие контакты инвертора замыкаются, и отправляют сигнал автоматике генератора для запуска. Зарядный ток в инверторе настроен так, чтобы от минимального уровня заряда аккумуляторов до 80% заряжать их от генератора за 3-4 часа, чтобы он не работал долго, и не расходовал много бензина, не беспокоил шумом и выбросами газов (здесь выводим фрагмент видео с выхлопной трубой работающего генератора, выведенной через стену гаража). Такая работа была невозможной с неинверторным генератором (инвертор постоянно прерывал заряд аккумуляторов, когда частота тока колебалась из-за изменения оборотов, вызванного включением и выключением техники в доме), именно поэтому Matari был заменен на Konner&Sohnen. Также вы можете использовать дизельные генераторы, они более стабильны в оборотах, и частота тока в них не так колеблется, что позволяет инвертору лучше "переваривать" энергию от генератора. Однако в нашем случае бензиновый инверторный генератор оказался удобнее, поскольку его синусоида и частота идеальны, он тише, компактнее, легче, и выхлоп не так сильно воняет, как у дизельного.
Что касается использованного оборудования, это, пожалуй, все, если не учитывать еще несколько трехфазных реле напряжения и контакторов, которые отключают мощные нагрузки в доме, которые не являются критически необходимыми, но требуют много электроэнергии. Также было организовано несколько обходных переключателей.
Конечно, было еще очень много доработок и переделок, потому что сразу планировался просто генератор и ручное переключение резерва, а уже после стало понятно, что без автоматики ввода резерва не обойтись. А уже потом пришло понимание, что сидеть постоянно на генераторе, тоже не вариант, и нужен инвертор с солнечными батареями и накоплением энергии. Плюс надо учитывать, что все это делалось в доме, где уже готова вся сеть, и возникало много нюансов.
Если взять всю стоимость работ, которые были выполнены для монтажа инвертора, солнечных панелей, кабелей подключения панелей и аккумуляторных батарей, стоимость металлоконструкций, на которых смонтированы панели, поднятие всего на крышу, установку, монтаж и настройку автоматики генератора, щита коммутации фаз на выходе инвертора, то все это вышло около 2500 долларов или 93 000 грн.
Просчитаем все вместе:
Инвертор: 53000 грн (примерно 1400 долларов)
Генератор: 58299 грн (примерно 1538 долларов)
Автоматика генератора: 38214 грн (примерно 1000 долларов)
Солнечные панели (13 штук): 102000 грн (примерно 2690 долларов)
Аккумуляторные батареи (2 штуки): 184000 грн (примерно 4864 долларов)
Работы: 93000 грн (примерно 2500 долларов)
______________________
Всего: Примерно 11500 долларов
Звучит дорого? Несомненно, да, дорого. Когда это окупится? Трудно сказать, вероятно, даже не окупится вовсе. Системы с аккумуляторными батареями - это не о выгоде, а о комфорте. Это про теплый душ утром, горячий кофе, разогретый завтрак и другие приятные мелочи, к которым вы так привыкли.
Отчет и выводы: Подводим итоги.
Если вы проживаете в доме с такой системой, и возникают длительные перебои электроснабжения, вам иногда надо будет долить бензин в бак генератора, и вы не будете чувствовать дискомфорта из-за отключения электричества. Если отключения недолговременные, то возможно, даже не будет пускаться генератор, солнце и батареи справятся с задачей.
Если это загородный дом, не для постоянного проживания, то тогда, когда вас там нет и питание отключат, вам не стоит волноваться за холодильники, газовое отопление, сигнализацию, видеонаблюдение, ночное освещение участка и другое оборудование в доме. Большая емкость батареи обеспечит работу всего этого оборудования ночью, а днем солнечные панели обеспечат достаточное количество энергии для питания оборудования, а также восстановления энергии, которая была израсходована из аккумуляторов ночью. Генератор при этом будет стоять наготове, и в случае необходимости он будет запущен, отработает на зарядку батареи, а затем выключится автоматически.
Это и есть главная цель, которой мы хотели достичь, построив эту систему - комфортное проживание в доме во время активных отключений электроснабжения, с минимальным использованием генератора и длительным полностью автономным обеспечением потребностей дома, когда в нем нет никого. Благодаря батареям LIFEPO4, которые обеспечивают до 7000 циклов заряда/разряда, система будет служить вам в течение многих лет.
Когда угрозы длительных отключений не будет, надеюсь, это время наступит в скором времени, инвертор можно будет настроить на алгоритм потребления энергии "солнце - батарея-сеть", что позволит минимизировать покупку энергии от городских сетей благодаря более активному использованию батарей.
Если вас заинтересовала такая или подобная система, или отдельные ее элементы, мы будем рады, если наша статья поможет Вам ее собрать. А если вы хотите, чтобы мы собрали эту систему для вас, пожалуйста, обращайтесь. Мы проведем осмотр вашего объекта, подберем необходимую конфигурацию, осуществим монтаж, возьмем оборудование под гарантию.
Также можете посмотреть видео-обзор про эту систему:
