Выбор автономной солнечной электростанции Victron Energy

 


1. Введение

Количество альтернативной электрической энергии, генерируемой с помощью солнца и/или ветра, редко когда соответствует ее фактическому потреблению в доме. В результате, излишки генерируемой электроэнергии могут направляться в сеть, а в случае недостаточной генерации - браться из нее.

Чем больше новых солнечных и ветряных электростанций подключаются к сети, тем труднее и дороже обходится обеспечение ее стабильности. Промежуточное накопление энергии из альтернативных источников быстро превращается в важный инструмент, который способен удерживать перепады сетевого напряжения в управляемых пределах.

Более того, постепенное уменьшение льготных «зеленых» тарифов делает экономическую составляющую использования домашней системы накопления энергии для увеличения потребления собственной энергии все более обоснованной. Данное руководство направлено для тех людей, которые хотят самостоятельно разобраться в тонкостях и нюансах выбора автономной солнечной электростанции, которая может быть как на базе одного автономного инвертора напряжения, так и с двумя инверторами (автономный + сетевой), а также включать в себя дизельный генератор и сеть переменного тока.

Уточнение! В Украине практика применения «зелёного» тарифа в начале своего пути, поэтому в ближайшие несколько десятилетий не стоит ожидать кардинальных изменений. Однако нестабильная ситуация в электроэнергетике страны из-за которой могут наблюдаться отключения электроэнергии в осенне-зимний период, делает востребованной применение солнечной электростанции с возможностью автономной работы.

Промежуточное накопление незначительно увеличивает потребление собственной солнечной и/или ветровой энергии на 2-5%.

Следующий естественный этап – это 100% потребление собственной энергии и, как следствие, независимость от общей электросети.

Система накопления энергии Storage Hub от компании Victron Energy является решением с несколькими преимуществами

• Аккумулятор

Ядром системы накопления энергии Hub является аккумулятор, который заряжается в случае наличия излишней энергии солнца/ветра и разряжается, когда потребление превышает генерацию.
Свинцово-кислотные аккумуляторы с трубчатыми пластинами серии OPzS и OPzV очень хорошо зарекомендовали себя как для систем, работающих параллельно с сетью, так и для полностью автономных.
С другой стороны, если важна эффективность зарядки/разрядки, компактный размер и небольшой вес, то предпочтительным выбором станет Li-ion аккумулятор. Более подробную информацию смотрите в разделе 4.1 и 9.3.

• Безопасность сети

Система накопления энергии Hub помогает уменьшить пиковую нагрузку на общую электросеть как в случае нехватки в ней мощности (используя заранее накопленную в аккумуляторе энергию), так и в случае избытка (не нагружая ее собственной энергией, вместо этого инициируя подзарядку аккумулятора).
Более подробную информацию смотрите в разделе 9.1.

• Защита от отключений электроэнергии

Энергия, запасенная в аккумуляторе, может быть использована для обеспечения питания необходимой нагрузки во время отключения электроэнергии.

• Независимость от сети

При наличии достаточной ёмкости аккумулятора, а также дополнительного источника энергии, такого как микро-ТЭЦ или резервный генератор, по сути достигается полная независимость от общей сети электроснабжения.

• Гибкость

Мы не предлагаем одну конкретную модель Hub, существует три альтернативных конфигурации, каждая из которых может быть адаптирована к специфическим требованиям.

• Возможность модернизации уже в процессе работы

Дополнительные солнечные/ветровые модули и аккумуляторы могут быть подключены к системе уже в процессе ее эксплуатации.

 

 2. Три альтернативные конфигурации системы

 2.1. VE Storage HUB-1

Hub-1 является наиболее эффективным решением для ситуаций, когда большая часть вырабатываемой энергии должна быть сохранена в аккумуляторе перед использованием.Hub-1 – это самое простое, надежное и недорогое решение.

HUB-1 выбор автономной солнечной электростанции Victron Energy

Контроллер заряда BlueSolar MPPT использует солнечную энергию для зарядки аккумулятора.

Генерируемая энергия с помощью инвертора напряжения для дома MultiPlus или Quattro используется для питания нагрузки переменного тока, а в случае наличия излишков направляется в общую сеть.

В случае отсутствия напряжения в сети, Hub отключится от нее и продолжит работу как автономная система.

Если генерируемая энергия направляется в общую сеть, то в систему должно быть добавлено “Anti-Islanding” устройство, соответствующее местным нормам и правилам.

 2.2. VE Storage HUB-2

Эта конфигурация является наиболее практичной, если необходимо добавить аккумулятор к уже существующей и подключенной к общей сети фотовольтаической системе.

HUB-2 гибридная солнечная электростанция Victron Energy

Постоянный ток, генерируемый солнечными батареями, преобразовывается в переменный с помощью PV инвертора, который, в свою очередь, подключен к выходу переменного тока блока бесперебойного питания.

Вход же переменного тока блока бесперебойного питания подключен к сети.

Если генерируемая электроэнергия будет подаваться в сеть, то, в зависимости от местных норм и правил, возможно, будет требоваться добавление в систему “Anti-Islanding” устройства.

Питание от PV инвертора подается непосредственно к нагрузке.

В случае недостаточной мощности солнечных батарей, блок бесперебойного питания обеспечит дополнительные мощности от сети или аккумулятора.

В случае излишков солнечной энергии, блок бесперебойного питания будет использовать избыточную мощность для зарядки аккумулятора и/или направлять ее в общую сеть.

Если напряжение в сети будет отсутствовать, Hub отключится от нее и продолжит работу в качестве автономной системы.

Проектирование и ввод в эксплуатацию такой конфигурации системы является более сложным, чем в случае Hub-1 из-за построения взаимодействия между блоком бесперебойного питания и сетевым инвертором.

 2.3. VE Storage HUB-4

Постоянный ток, вырабатываемый солнечными батареями, преобразовывается в переменный с помощью PV инвертора, подключенного к входу переменного тока блока бесперебойного питания.

HUB-4 выбор гибридной солнечной электростанции с автономным электроснабжением дома Victron Energy

Питание от PV инвертора подается на нагрузку через блок бесперебойного питания.

В случае недостаточной мощности солнечных батарей, блок бесперебойного питания обеспечит дополнительные мощности от сети или аккумулятора.

В случае излишков солнечной энергии, блок бесперебойного питания будет использовать избыточную мощность для зарядки аккумулятора.

После того, как аккумулятор полностью заряжен, PV инвертор направит избыток энергии в общую сеть.

Если PV инвертор оснащен “Anti-Islanding” устройством, которое соответствует местным нормам, то отдельная установка такого устройства в систему не требуется.

В отличие от систем Hub-1 и Hub-2, в данной конфигурации PV инвертор не будет функционировать в случае отключения электроэнергии. Система будет питать нагрузку до тех пор, пока не разрядится аккумулятор.

 

 3. Главная особенность четырех альтернативных систем: GridAssist

C GridAssist блок бесперебойного питания (инвертор напряжения) синхронизируется с электросетью и всякий раз, когда для питания нагрузки не хватает мощности солнечных батарей и/или аккумулятора, дополнительная энергия будет взята из сети, таким образом предотвращая отключение системы из-за перегрузки.

GridAssist-1

Одной из реализаций данного решения может служить синхронизация блока бесперебойного питания MultiPlus / Quattro с сетью, но с отсутствием подключения при нормальных условиях. Подключение к сети (путем замыкания реле обратного тока в блоке бесперебойного питания) происходит в случаях:

  • Перегрузки системы. Дополнительное питание от сети используется до тех пор, пока нагрузка не будет снижена до уровня, которому сможет удовлетворять блок бесперебойного питания.

  • Наличие излишней энергии солнца или ветра, которые могут подаваться в общую сеть (если это разрешено местными нормами и правилами, в Украине действует «Зелёный» тариф).

GridAssist-2

В качестве альтернативы можно сделать подключение к сети постоянным. Блок бесперебойного питания будет управлять своими входами и выходами в соответствии с нагрузкой, причем в большинстве случаев взаимодействия с сетью не будет, за исключением лишь ситуаций перегрузки системы или наличия излишней энергии, которая будет направляться в эту сеть.

Внимание: необходимо стабильное напряжение сети! Если в сети низкое качество напряжения и наблюдаются частые перепады напряжения, можно устанавливать дополнительный стабилизатор напряжения для однофазной или трехфазной сети.

 

 4. Краткое описание основных компонентов VE Storage Hub

 4.1. Аккумулятор: свинцово-кислотный или Li-ion (Часть 1)

Не только благодаря компактному размеру и небольшому весу литиевые аккумуляторы (литий-железо-фосфатные: LiFePO4 или LFP) являются привлекательной альтернативой обслуживаемым и герметичным свинцово-кислотным, также стоит отметить их эффективность и продолжительность срока службы.

Эффективность

КПД полного цикла (разрядка со 100% до 0% и зарядка снова до 100%) для среднего свинцово-кислотного аккумулятора составляет от 70 до 80%.

Эффективность процесса зарядки свинцово-кислотного аккумулятора особенно снижается после достижения 80% степени заряженности. В диапазоне между 80% и 100% эффективность часто бывает меньше, чем 50%. И эти цифры становятся хуже при высоких значениях зарядного и разрядного токов.

Свинцово-кислотные аккумуляторы и близко не стоят с Li-ion в плане эффективности. LFP аккумуляторы имеют КПД около 92%, независимо от условий эксплуатации.

эффективность аккумуляторов различных типов для автономной солнечной электростанции

Подробную информацию о типа аккумуляторов можно получить в соотвествующей статье: Типы и виды аккумуляторов.

Срок службы

Аккумуляторы в автономных фотовольтаических и/или ветряных системах могут подвергаться недостаточной зарядке в течение нескольких недель или даже месяцев (зимний период). Это смертельно для свинцово-кислотного аккумулятора, так как он преждевременно выйдет из строя из-за сульфатации.

В случае отключения автономной системы со свинцово-кислотным аккумулятором, предметом особого внимания должна стать его степень заряженности: чтобы не случилось, аккумулятор должен быть постоянно заряжен, его никоим образом нельзя оставлять в разряженном состоянии на несколько дней или недель.

В системах же, подключенных к сети, аккумулятор без труда сможет подзарядиться до 100%.

Продолжительность срока службы литиевого аккумулятора не будет зависеть от состояния его заряда, до тех пор пока напряжение аккумуляторных элементов поддерживается в рабочем диапазоне (довольно широком). За это отвечает BMS (от англ. Battery Management System - Система управления аккумуляторной батареей), обслуживание для Li-ion не требуется.

Более подробную информацию об аккумуляторах смотрите в разделе 9.

 4.2. Блоки бесперебойного питания MultiPlus и Quattro

Блоки бесперебойного питания или инверторы напряжения компании Victron Energy, включающие в себя многофункциональный инвертор и зарядное устройство, имеют номинальную мощность от 800ВА до 10кВА. До шести однофазных 10кВА блоков бесперебойного питания можно соединить в параллельной конфигурации. Для построения трехфазной системы используются блоки бесперебойного питания любой номинальной мощности. Все блоки бесперебойного питания MultiPlus и Quattro могут программироваться для эффективной интеграции в системы накопления энергии Hub-1, -2 или -4.

 4.3. Контроллер солнечного заряда BlueSolar MPPT

Контроллер солнечного заряда преобразовывает напряжение постоянного тока от солнечных батарей в напряжение, подходящее для зарядки аккумулятора. Несколько контроллеров BlueSolar могут быть соединены параллельно, единственным ограничением является ток зарядки аккумулятора (который для Li-ion довольно высок). Эффективность контроллера заряда BlueSolar MPPT превышает 98%.

 4.4. PV инвертор Fronius

PV инвертор преобразовывает напряжение постоянного тока от солнечных батарей в подходящее напряжение переменного тока для питания нагрузки переменного тока. В системах без аккумулятора вся избыточная мощность будет направляться в общую сеть, и из нее же будет браться при дефиците.

PV инвертор не может функционировать без внешнего источника/поглотителя переменного тока (англ. AC power source/sink - ACpss). Следовательно, для работы PV инвертора необходимо наличие ACpss, например, общей сети со стабильным напряжением, подходящего инвертора или блока бесперебойного питания.

 

 5. Потребление электроэнергии в жилом доме

Ниже приведен список наиболее распространенных бытовых приборов и количество потребляемой ими электроэнергии, что поможет корректно рассчитать мощность системы хранения энергии Hub.

Базовая нагрузка (категория 1)

Прибор Мощность Время работы в сутки Расход энергии в сутки Минимальное базовое потребление эл. в доме для 2 человек (лето)
Аквариум с подогревом воды 100 24 2400  
Высокоэффективный холодильник 20 24 480 480
Высокоэффективная морозильная камера (с инверторным компрессором) 20 24 480 480
Стандартный холодильник 50 24 1200  
Стандартная морозильная камера 60 24 1440  
Зарядные устройства и электропотребление в режиме ожидания 30 24 720 720
Модем / роутер / маршрутизатор 10 24 240 240
Вентиляция 30 24 720 720
Электрический обогреватель 2000 12 24000  
Электрический водонагреватель (бойлер) 3000 2 6000  
Двухконтурный газовый котел (с подогревом воды) 130 8 1040 только зимой
Одноконтурный газовый котел 130 2 260 260
Газовое отопление в режиме ожидания 10 24 240 240
Экономное освещение LED 150 3 450 450
Одна 100Вт лампа накаливания 100 3 300  
Теплый пол в ванной комнате 1000 3 3000  
Радиоприёмник 30 3 90 90
LCD телевизор 50 3 150 150
Плазменная панель большой диагонали 300 6 1800  
Настольный компьютер 300 1 300 300
Ноутбук 30 3 90 90
Вытяжное устройство на кухне 150 1 150 150
Общее электропотребление жилого дома, рассчитанного на два человека в летний период 4370

Таблица 1. Потребление электричества базовой нагрузкой в частных домах.

 

Другие подключаемые электроприборы (категория 2)

Прибор Мощность Время работы в сутки Расход энергии в сутки Минимальное базовое потребление эл. в доме для 2 человек (лето)
Пылесос (пусковая мощность от 2000Вт) 1000 0,5 500 500
Фен для волос 800 0,1 80 80
Электрочайник (энергия для доведения до кипения 1 л воды: 120Вт*ч) 1000 0,36 360 360
Кофеварка 800 0,15 120 120
Другая кухонная бытовая техника (миксер, блендер и т.д.) - 1 300 300
Общее электропотребление других подключаемых приборов в доме, рассчитанном на два человека 1360

Таблица 2: Потребление электричества дополнительными подключаемыми электроприборами.

 

Неотключаемые электроприборы (категория 3)

Прибор Мощность Время работы в сутки В среднем за 1 цикл
Стиральная машина с нагревом воды 2000 0,65 1300
Посудомоечная машина 2000 0,5 1000
Микроволновая печь 2000 0,2 400
Электрическая плита 2000 1 2000
Электрическая духовка 2500 0,5 1250
Гидрофор 600 3 1800

Таблица 3: Потребление электричества неотключаемыми электроприборами.

 

Базовая нагрузка (категория 1)

Некоторые электроприборы почти наверняка присутствуют в любом доме и важны для обеспечения его жизнедеятельности, вместе они формируют базовую категорию электрической нагрузки.

Все базовые электроприборы могут быть включены единовременно.

Уменьшить электропотребление базовой нагрузки не так легко. Как вариант, можно использовать таймеры, чтобы уменьшить нагрузку ночью и сэкономить более 1кВт*ч (1кВт*ч = 1000Вт*ч).

Из-за необходимости отопления и увеличения времени использования осветительных приборов в зимний период, базовое потребление электроэнергии в это время года значительно возрастает в сравнении с летом.

Из таблицы 1:

Разумный минимум ежедневного базового потребления ЭЭ в летний период 4370 Вт*ч
Ожидаемая пиковая мощность 660 Вт
Средняя мощность 160 Вт
   
Освещение и отопление (умеренный климат) увеличит мин. базовое электропотр. 6000 Вт*ч
Ожидаемая пиковая мощность не увеличится 660 Вт
Средняя мощность возрастет 250 Вт
   
Больший дом или большее кол-во людей увеличат базовое потребление ЭЭ (лето) 8000 Вт*ч
А в зимний период 11000 Вт*ч

Примечание: В небольших офисах или мастерских базовое потребление электроэнергии существенно больше (в рабочее время) относительно других категорий потребления.

 

Другие подключаемые электроприборы (категория 2)

Подключаемые электроприборы могут использовать любую розетку в любой части дома. Это особенно актуально для таких устройств как, например, пылесосы. Потребление электроэнергии подключаемыми приборами добавляется к базовому, поэтому следует особо следить за общей нагрузкой и учитывать, что пусковая мощность того же пылесоса превышает его номинальные 1000Вт.

Маловероятно, что все подключаемые электроприборы будут использоваться одновременно, поэтому обычно лимит мощности не превышается.

 

Неотключаемые электроприборы (категория 3)

В большинстве европейских домов стиральные и посудомоечные машины нагревают воду сами, также электрический нагреватель используется и в сушильных автоматах. Если использовать эту технику каждый второй день и не одновременно, то пиковая мощность составит 3кВт, а ежедневный средний расход электроэнергии, дополнительно учитывающий мощность микроволновой печи, будет около 3кВт*ч.

Часто можно организовать проводку в доме таким образом, что неотключаемые электроприборы будут полностью отделены от базовых и подключаемых.

Это позволит предотвратить их единовременную эксплуатацию.

Примечание: Из таблицы 1 можно понять, что существует немало способов уменьшения потребления электроэнергии и пиковой мощности.

Классификация электроприборов на три категории приводит к интересным идеям и помогает начать обсуждение возможностей и ограничений автономного электроснабжения.

Анализ потребления электроэнергии трех категорий электроприборов приводится ниже в таблице 4.

Категория нагрузки Базовая нагрузка (летний период) Другие подключаемые электроприборы Электроприборы, постоянно подключенные к проводке Итого (летний период) Дополнительное потребление электроэнергии в зимний период Итого (с зимним периодом)
Дом на два взрослых человека с умеренным потреблением электроэнергии
Затраты энергии в день, Вт*ч 4370 1360 350 6080 1380 7460
Пиковая нагрузка, Вт 660 2000 1200 3860 0 3860
Средняя нагрузка, Вт 182 57 15 253 58 311
Дом со средним потреблением электроэнергии
Затраты энергии в день, Вт*ч 8380 1640 2050 12070 2760 14830
Пиковая нагрузка, Вт 1305 2000 3000 6305 0 6305
Средняя нагрузка, Вт 349 68 85 503 115 618
Дом со высоким потреблением электроэнергии
Затраты энергии в день, Вт*ч 18960 1920 7100 27980 4141 32120
Пиковая нагрузка, Вт 2560 2000 13100 17660 0 17660
Средняя нагрузка, Вт 790 80 296 1166 173 1338

Таблица 4: Категории потребления электроэнергии.

  • В доме для двух человек используются наиболее энергоэффективные электроприборы.

  • В среднестатистическом доме обитает семья с двумя детьми и он обставлен электроприборами на уровне обычного современного европейского дома.

  • Дом с потреблением электроэнергии выше среднего является наиболее комфортабельным, и оборудован в том числе индукционной кухонной плитой. Тепловой насос для отопления и/или охлаждения в этом примере не учитывается, так как подобная система кондиционирования воздуха в каждом конкретном случае имеет разную мощность.

  • Во всех примерах предполагается, что мощные электроприборы не будут использоваться одновременно.

 

Диаграмма 1

диаграмма потребления энергии в день частным домов

Как видно на диаграммах, сформированных из данных таблицы 2, потребление электроэнергии и следовательно средний уровень мощности нагрузки, необходимый для удовлетворения базовым электроприборам (синий цвет), составляет более чем две трети от всего потребления.

 

Диаграмма 2

диаграмма пиковой электрической нагрузки частным домов

 

Но при взгляде на пиковую нагрузку, базовая нагрузка (синий цвет) во всех случаях занимает меньше 30%!

Другими словами, соотношение пиковой и средней нагрузки у базовых электроприборов значительно ниже, чем у двух остальных категорий, смотрите таблицу 5.

Тип нагрузки Энергоэффективный дом для двух человек Среднестатистический дом Дом с повышенным потреблением электроэнергии
Базовая нагрузка 3,6 3,7 3,2
Другие подключаемые электроприборы 35,3 29,3 25,0
Неотключаемые электроприборы 82,3 29,3 42,6
Всего (летом) 15,2 11,5 14,7

 Таблица 5: Соотношение пиковой и средней нагрузки для трех категорий потребления электроэнергии.

Заключение

Электропитание базовой нагрузки могут обеспечить аккумулятор и инвертор мощностью от 1200ВА до 3кВА.

Электрическая же нагрузка категории 2 и 3 обладает гораздо большей (пиковой) мощностью при использовании, и следовательно, ей требуется более мощный инвертор. Но данные категории нагрузки активны в течение коротких периодов времени, благодаря чему их влияние на ежедневное потребление электроэнергии небольшое. Инвертор, который может обеспечить электроэнергией весь дом (то есть все категории нагрузки), большую часть времени будет работать лишь на нескольких процентах своей номинальной мощности.

В случае, если система накопления энергии работает параллельно с централизованным электроснабжением, будет разумно питать от инвертора лишь базовую нагрузку, подключив все остальное к общей сети.

Полностью автономной системе накопления энергии помогать с прожорливыми электроприборами уже некому, поэтому стоит позаботиться о достаточной мощности инвертора.

Использовать электроэнергию для генерации тепла (мойка, стирка) очень дорого. Природный газ и/или солнечный коллектор являются альтернативой с более низкой стоимостью.

Система управления нагрузкой, способная переключать потребителей электроэнергии на автономное питание в зависимости от генерации солнечной энергии, может значительно улучшить потребление собственной энергии. В качестве примера таких потребителей электроэнергии на ум, в первую очередь, приходят:

  • Электрический водонагреватель (бойлер)

  • Насос для бассейна

  • Гидрофор

  • Стиральная машина

  • Сушильный автомат

  • Посудомоечная машина

Но еще лучшим решением для подобных электроприборов, за исключением насосов, будет их замена на модели которые не используют электричество для нагрева воды, а получают ее уже нагретую (солнечной энергией в коллекторе или природным газом в котле).

 

 6. Эффективность систем накопления энергии Hub

Система накопления энергии Hub находится между источником солнечной/ветровой электроэнергии и непосредственно электрической нагрузкой. К сожалению, некоторая часть энергии будет потеряна в системе, но эти потери незначительны. Ниже приводятся расчеты, призванные показать, где именно происходят потери (ответ: в аккумуляторе!).

Если же Вас не интересуют подобные вычисления, можете переходить к заключению.

Генерируемая энергия Eh должна удовлетворять энергии El, которую потребляет нагрузка плюс потери при зарядке/разрядке аккумулятора, потери преобразования энергии и потери в кабелях и предохранителях.

 6.1. Вся генерируемая энергия накапливается в аккумуляторе перед использованием

В случае конфигурации системы накопления энергии Hub-1, если 0% от генерируемой энергии потребляется непосредственно нагрузкой (100% генерируемой энергии накапливается в аккумуляторе перед использованием), то эффективность Ƞ0=El / Eh приблизительно составит:

Ƞ0 ≈ Ƞi * Ƞb * Ƞm * Ƞw

Например:

94% эффективность преобразователя (инвертора) постоянного тока в переменный Ƞi ≈ 0,94

92% эффективность Li-ion аккумулятора Ƞb ≈ 0,92

98% эффективность MPPT контроллера заряда Ƞm ≈ 0,98

2% потери в кабелях и предохранителях Ƞw ≈ 0,98

В результате Ƞ0 ≈ 0,83

Свинцово-кислотный аккумулятор имеет эффективность Ƞb ≈ 0,80 и ниже, смотрите раздел 4.1

Общая эффективность такой системы составит Ƞ0 ≈ 0,72 и ниже.

Для конфигураций Hub-2 или -4:

Ƞ0 ≈ Ƞc * Ƞi * Ƞb * Ƞpv * Ƞv

Например:

94% эффективность преобразователя (инвертора) постоянного тока в переменный Ƞi ≈ 0,94

94% эффективность преобразователя (инвертора) переменного тока в постоянный Ƞi ≈ 0,94

92% эффективность Li-ion аккумулятора Ƞb ≈ 0,92

97% эффективность PV инвертора Ƞpv ≈ 0,97

1% потери в кабелях и предохранителях Ƞv ≈ 0,99

В результате Ƞ0 ≈ 0,78

Свинцово-кислотный аккумулятор имеет эффективность Ƞb ≈ 0,80 и ниже, смотрите раздел 4.1

Общая эффективность такой системы составит Ƞ0 ≈ 0,68 и ниже.

 6.2. 40% генерируемой энергии потребляется непосредственно нагрузкой

Эффективность ȠX будет выше, если часть генерируемой энергии будет потребляться непосредственно нагрузкой.

Для конфигурации Hub-1:

ȠX ≈ Ƞi * (Xd + Ƞb * (1 - Xd)) * Ƞm * Ƞw

Где Xd - доля прямого потребления.

Xd = 1 если вся энергия потребляется нагрузкой, и

Xd = 0 если вся энергия накапливается в аккумуляторе перед использованием.

Если 40% генерируемой энергии потребляется непосредственно нагрузкой, то Xd = 0,4 и Ƞ40 ≈ 0,86 (с Li-ion аккумулятором)

Для конфигураций Hub-2 или -3, -4:

ȠX ≈ (Xd + Ƞc * Ƞi * Ƞb * Ƞc * (1 - Xd)) * Ƞpv

В случае 40% генерируемой энергии, которая питает нагрузку: Xd = 0,4 и Ƞ40 ≈ 0,86 (с Li-ion аккумулятором)

Примечания:
1. Ясно, что если планируется основную часть генерируемой энергии использовать непосредственно нагрузкой, то наиболее существенное улучшение эффективности достигается в системах Hub-2 и -3, так как в них энергия на пути к нагрузке не проходит через аккумулятор и блок бесперебойного питания. Но на практике повышение эффективности будет менее выраженным, так как Ƞc и Ƞi зависят от нагрузки и уменьшаются, когда средняя нагрузка на блок бесперебойного питания становится ниже.
2. Как указано в примечании 1, эффективность устройств, из которых состоит система накопления энергии Hub, не является постоянной.
Блок бесперебойного питания будет иметь низкую эффективность при небольшой нагрузке, максимальная же его эффективность составляет примерно 75% от номинальной выходной мощности. Потери меньше 1% от его номинальной выходной мощности не берутся во внимание.
PV инвертор и контроллер солнечного заряда работают лучше при низких нагрузках, для них нижний предел определения потерь составляет приблизительно 0,2% и 0,05% от их номинальной мощности.
Потери в кабелях и предохранителях пропорциональны квадрату тока, протекающему через них, в результате чего потери (уменьшение эффективности) быстро возрастают при высоких нагрузках.
Эффективность Li-ion аккумулятора является наиболее постоянной из всех, так как практически не зависит от зарядных/разрядных токов и степени заряженности.
3. В случае питания от солнечных батарей прямое потребление для большинства домов будет меньше чем 40% от генерации. А если все утром уйдут на работу или в школу, то днем потреблять электричество будет разве что холодильник и морозильная камера.
40% потребление может возникнуть только если кто-то останется дома, или если система установлена в небольшом офисе, гостинице и т.д.
Следовательно, система накопления энергии Hub-1 будет наиболее эффективным решением для обеспечения дома солнечной энергией.

 6.3. Заключение

В связи с постоянным изменением мощности нагрузки в течение дня, а также от одного дня к другому, точно рассчитать эффективность системы накопления энергии Hub не представляется возможным. Более того, спрогнозировать поступление энергии от солнца или ветра также невероятно сложно, соответственно, слишком точные расчеты эффективности являются просто бесполезным занятием.

В вышеприведенных примерах ориентировочная эффективность системы с Li-ion аккумулятором составила 85%, а со свинцово-кислотным - 75%.

 

 7. Система накопления энергии Hub для дома, подключенного к общей электросети

 7.1. Обеспечение электропитания базовой нагрузки с помощью Hub-1 и Li-ion аккумулятора

Если вам нужна система бесперебойного питания для дома, в небольшой офис или на дачу, где нагрузка категории 2 и 3 отсутствует или если базовая нагрузка отделена от мощных электроприборов (в большом доме для этого скорее всего придется переделывать проводку), то установка блока бесперебойного питания мощностью от 800ВА до 3000ВА будет правильным решением.

7.1.1. Li-ion аккумулятор

Если требование к системе накопления энергии состоит в том, чтобы обеспечить питание базовой нагрузки в течение одного полного солнечного дня, то для этого потребуется от 4,4кВт*ч до 19кВт*ч энергии (смотрите таблицу 2), плюс дополнительно 6% для компенсации потерь блока бесперебойного питания и 20% для ограничения разрядки Li-ion аккумулятора (смотрите раздел 9.3 про максимальный уровень разрядки аккумуляторов).

Исходя из этого, общая мощность системы накопления энергии должна составлять от 5,8кВт*ч (дом для двух человек) до 25кВт*ч (дом с потреблением электроэнергии выше среднего).

Таким образом, емкость 24В Li-ion аккумуляторной системы должна быть от 240Ач до колоссальных 1000Ач.

Для последнего случая лучшим будет переход на 48В аккумуляторную систему емкостью 500Ач (смотрите таблицу 8). Это позволит сделать кабеля более дешевыми и менее громоздкими, а контроллер заряда будет производить в два раза больше мощности при том же выходном токе.

Примечания:
• Количество энергии, запасенной в аккумуляторе: E (кВт*ч) = Ач * В * 1000
• На практике не вся генерируемая в течение дня энергия накапливается. Определенная часть поступает непосредственно к нагрузке, благодаря чему разрядка аккумулятора составляет меньше ожидаемых 80%.
• Относительно поперечного сечения кабеля: потери энергии в кабеле пропорциональны R * I2. Значение силы тока I становится в два раза ниже при переходе от 24В к 48В, соответственно и сечение кабеля может быть уменьшено в четыре раза.

7.1.2. Солнечная батарея

Существует много параметров, относящихся к солнечным батареям: доступная подходящая поверхность, местный климат, возможность отдачи избыточных мощностей в общую сеть и т.д.

Примечание:
• Солнечное излучение в ясный день, воздействующее на направленную на юг солнечную батарею с осью наклона, примерно равной географической широте, будет соответствовать около 8кВт*ч/м2/день, и от самой широты особо не зависеть.
• Среднее излучение в солнечный месяц составляет 6-8кВт*ч/м2/день.

Солнечная батарея обеспечивает свою номинальную выходную мощность (измеряемую в ватт-пиках - Вт(пик)) при 25°C и уровне излучения 1000Вт/м2.

В лабораторных условиях суточная производительность солнечной батареи мощностью 1кВт(пик), на которую воздействует излучение 8кВт*ч/м2/день, составляет соответственно 8кВт*ч.

На практике же из-за неидеальной ориентации, повышенной температуры и скопления пыли, выходная мощность 1кВт(пик) солнечной батареи при излучении 8кВт*ч/м2/день будет примерно на 25% ниже лабораторной - 6кВт*ч вместо 8кВт*ч.

В нижеследующих расчетах и будем исходить из этой информации - почти в любой точке планеты в ясный солнечный день 1кВт(пик) солнечная батарея при излучении 8кВт*ч/м2/день производит 6кВт*ч/сутки.

Средний дневной объем генерации солнечных батарей будет конечно же зависеть от местных погодных условий и может быть значительно ниже, чем в ясный солнечный день, смотрите таблицу 6.

Широта Город Средняя годовая производительность, кВт*ч/кВт(пик) Средняя годовая производительность/ясный солнечный день Средний декабрьский* день / ясный солнечный день
60 Хельсинки, Финляндия 800 39% 4%
61 Анкоридж, США 800 38% 6%
52 Амстердам, Нидерланды 900 43% 14%
48 Мюнхен, Германия 1000 46% 18%
47 Сиэтл, США 1000 46% 18%
43 Марсель, Франция 1500 68% 41%
41 Нью-Йорк, США 1250 58% 35%
37 Севилья, Испания 1600 74% 50%
34 Лос-Анджелес, США 1500 70% 63%
33 Феникс, США 1750 81% 61%
26 Майами, США 1400 65% 56%

*худший месяц в северном полушарии с точки зрения солнечной энергетики

Таблица 6: Иллюстрация резкого сокращения генерации солнечной энергии в зависимости от широты.

Исходя из полученных данных, уже можем рассчитать, что для обеспечения базовой нагрузки электроэнергией нам потребуется 850Вт(пик) солнечная батарея для дома, рассчитанного на двух человек и 3700Вт(пик) для жилища с повышенным потреблением электроэнергии.

7.1.3. Зарядка аккумулятора

Для 850Вт(пик) солнечной батареи подойдет контроллер солнечного заряда Blue Solar MPPT 150/70, подключенный к 24В аккумуляторной системе (850Вт(пик) * Ƞm *Ƞw / 24В = 34А требуемый зарядный ток).

В случае же номинальной мощности солнечной батареи в 3700Вт(пик) и 48В аккумуляторной системы, потребуется уже два MPPT 150/70 контроллера (3700Вт(пик) * Ƞm *Ƞw / 48В = 74А требуемый зарядный ток).

7.1.4. Процент потребления электроэнергии базовой нагрузкой, компенсируемый фотовольтаической генерацией в системе накопления энергии Hub-1 с Li-ion аккумулятором

Проанализировав данные из таблицы 2, можно сделать вывод, что простая и относительно недорогая конфигурация системы накопления энергии Hub-1 способна удовлетворить более чем 70% ежедневной потребности в электроэнергии, по крайней мере, в ясный солнечный день.

И так как фотовольтаическая генерация никогда не превысит потребление, функциональность передачи избыточной энергии в общую сеть не требуется.

Примечание:
В зависимости от широты и местного климата приблизительная доля фотовольтаической генерации в общем потреблении электроэнергии может быть рассчитана следующим образом:
Общее годовое потребление электроэнергии (смотрите таблицы 6-8):
Ey = 365 * (потребление в летний период + потребление в зимний период) / 2
Среднегодовая генерация полезной фотовольтаической энергии (смотрите таблицу 4): Eypv = кВт(пик) * (среднегодовая генерация) * (эффективность системы накопления энергии Hub)
Процент потребления электроэнергии, компенсируемый фотовольтаической генерацией: α (%) = 100 * Eypv / Ey
Возьмем для примера среднестатистический дом в Севилье (Испания) или в Амстердаме (Нидерланды):
Из таблицы 7: Ey = 4788кВт*ч
Из таблицы 4: Eypv = 1,643 * 1600 * 0,85 = 2234кВт*ч (Севилья) и 1,643 * 900 * 0,85 = 1257кВт*ч (Амстердам)
Процент, компенсируемый фотовольтаической генерацией: α = 100 * 2234 / 4788 = 47% (Севилья) и 26% (Амстердам)

7.1.5. Сколько потребляется собственной энергии?

Если солнечная батарея имеет такой размер, что ее генерация удовлетворяет базовой нагрузке, то можно говорить о достижении 100% потребления собственной энергии.

Небольшая емкость аккумулятора может привести к образованию некоторого количества избыточной энергии (после того, как аккумулятор полностью зарядился).

Эта избыточная энергия может быть направлена в общую сеть.

В качестве альтернативы можно уменьшить размеры солнечной батареи, чтобы она соответствовала емкости аккумулятора.

7.1.6. Что случится в случае разрядки аккумулятора (зимний период, плохая погода)?

Блок бесперебойного питания переключит нагрузку на сеть (без прерывания). Также можно настроить блок бесперебойного питания таким образом, что после частичного или полного восстановления заряда аккумулятора (энергией солнца и/или ветра) прежний режим работы будет возобновлен.

Свинцово-кислотные аккумуляторы на следует хранить в частично разряженном состоянии длительный период времени.

Регулярная полная зарядка от сети или генератора является обязательным условием их эксплуатации.

7.1.7. Что случится в случае избыточной генерации

Такая ситуация может возникнуть, например, когда дом пустует во время отсутствия хозяев.

Избыточная энергия может быть направлена в общую сеть.

Если же эта функция недоступна, контроллер заряда просто ограничит мощность от солнечной батареи после полной зарядки аккумулятора.

 7.2. Обеспечение электропитания базовой нагрузки и других подключаемых электроприборов (категория 1 и 2) с помощью Hub-1

Простую конфигурацию системы накопления энергии, которая описывалась в прошлом разделе, можно легко модернизировать в более производительную систему, использующую функциональность GridAssist.

Максимальная мощность переменного тока, которую способны поддерживать блоки бесперебойного питания MultiPlus модели 800, 1200 и 1600, составляет 3,6кВт (16А при 230В). Также доступны и более мощные модели - поддерживающие 6,9кВт и более. Следовательно, будет существовать возможность организации электрического питания нагрузки второй категории с небольшой помощью от общей сети. А в случае достаточной мощности блока бесперебойного питания MultiPlus или Quattro, электропитание от сети можно организовать и для третьей категории электроприборов.

В качестве альтернативы, нагрузка третьей категории может быть подключена непосредственно к общей сети, минуя блок бесперебойного питания MultiPlus или Quattro (в случае однофазного подключения к сети), или к другой фазе (в случае трехфазного подключения). Из-за непродолжительного времени работы электроприборов третьей категории, вариант с их подключением к электросети, минуя систему накопления энергии Hub, является практическим решением с минимальным влиянием на эффективность потребления собственной энергии.

К сожалению, нагрузку категории 2 уже не так легко обеспечить электропитанием в обход системы накопления энергии Hub, так как электроприборы этой категории подключаются к розеткам переменного тока по всему дому (особенно пылесос).

Примечание:
MultiPlus или Quattro
Блок бесперебойного питания MultiPlus имеет один вход переменного тока, в то время как у Quattro их два вместе с встроенным переключателем.
Quattro может быть подключен к двум независимым источникам переменного тока, например, к общей сети и дизельному генератору, или даже к двум генератором. Этот блок бесперебойного питания будет автоматически переключаться на активный источник.

блок схема автономной солнечной электростанции для дома, дачи или офиса

7.2.1. Аккумулятор

Требуемое суточное количество электроэнергии для нагрузки категории 2 и 3 невелико по сравнению с базовой нагрузкой (смотрите таблицу 2).

Следовательно, емкость аккумулятора и мощность фотовольтаических модулей должна быть увеличена примерно на 25% для обеспечения электропитания этих категорий в ясный солнечный день.

7.2.2. Доля потребления электроэнергии, компенсируемая солнечными модулями

В ясный солнечный день около 100% потребляемой электроэнергии будет компенсировано генерацией солнечной энергии.

Приблизительный расчет среднего процента потребления электроэнергии в течение всего года, который охватывается фотовольтаической генерацией, можно сделать с помощью данных из таблицы 4, сделав поправку на потери:

Li-ion аккумулятор: 0,85 * 74% = 63% для Севильи и 0,85 * 43% = 37% для Амстердама.

OPzS аккумулятор: 0,75 * 74% = 56% для Севильи и 0,75 * 43% = 32% для Амстердама.

7.2.3. Сколько потребляется собственной энергии?

Только при крайне тщательном планировании можно добиться стабильного ежедневного электропотребления нагрузки второй и третьей категории. И даже при этом в ясные солнечные дни наверняка будет присутствовать избыточная фотовольтаическая генерация, а в зимний период, напротив, - будет необходима помощь из общей сети электроснабжения.

 7.3. Обеспечение электропитания базовой нагрузки помощью Hub-2 или -4

В этой конфигурации системы накопления энергии аккумулятор заряжается уже не контроллером солнечного заряда, а непосредственно блоком бесперебойного питания со встроенным инвертором и зарядным устройством.

Следствием этого будет являться то, что определяющим фактором выбора мощности блока бесперебойного питания (инвертора/зарядного устройства) будет требуемый зарядный ток.

Для обеспечения электропитания базовой нагрузки дома для двух человек в ясный солнечный день требуется солнечная батарея мощностью 850Вт(пик) (смотрите раздел 7.1). Максимальный ток зарядки (когда вся мощность используется для зарядки аккумулятора) при напряжении 24В составляет 850Вт(пик) * Ƞc * Ƞpv * Ƞv / 24В = 32А. Это говорит о том, что для такой системы будет требоваться блок бесперебойного питания MultuPlus модели 1600ВА (смотрите таблицу 6).

А солнечная батарея мощностью 1600Вт(пик) для среднестатистического дома будет нуждаться уже в Quattro 8кВА (или в двух MultuPlus 5кВА в параллельной конфигурации, или в трех MultuPlus 3кВА в трехфазной конфигурации).

Из-за необходимости замены солнечного контроллера заряда гораздо более мощным инвертором/зарядным устройством, конфигурации системы накопления энергии Hub-2 и-3 являются более дорогими (и менее эффективными, смотрите раздел 6).

Но тем не менее, Hub-2 и -3 будут будут более предпочтительны в случае необходимости добавления промежуточного накопителя энергии в уже существующую систему из солнечных модулей и PV инвертора и в плане того, что контроллер солнечного заряда поддерживает относительно низкое напряжение фотовольтаических модулей (не более 150В), что требует большего сечения используемых проводов.

Примечания:
• Даже несмотря на то, что в проводах между солнечными модулями и контроллером заряда будут присутствовать дополнительные потери, Hub-1 часто все равно остается наиболее эффективным решением. Смотрите спецификации контроллера солнечного заряда MPPT 150/70 для расчета потерь постоянного тока в проводах.
• Также возможно определенное совмещение Hub-1 с Hub-2 или -3.
• Чувствительность PV инвертора к колебаниям напряжения переменного тока (из-за подключения мощной нагрузки) может уменьшить мощность фотовольтаических модулей (из-за сбоев напряжения, вызывающих временное отключение PV инвертора).

 7.4. Обеспечение электропитания базовой нагрузки и других подключаемых электроприборов (категория 1 и 2) с помощью Hub-2 или -3

Мощный блок бесперебойного питания (инвертор/зарядное устройство, требуемое для зарядки аккумулятора, смотрите раздел 7.3) может обеспечить электропитание нагрузки второй и третьей категории или вообще не прибегая к помощи сети, или объем этой помощи будет небольшим.

Емкость аккумулятора и мощность солнечных модулей должны быть увеличены примерно на 25%, чтобы в ясный солнечный день электропотребление было полностью независимо от общей сети.

Потребление собственной энергии в этой конфигурации системы накопления энергии близко к 100%.

Но все имеет свою цену, такая система более затратна из-за большего количества солнечных модулей, большей емкости аккумулятора и гораздо более мощного блока бесперебойного питания.

 7.5. Что насчет пасмурных дней?

В периоды плохой погоды (которая может длиться несколько дней или даже недель), производство фотовольтаической энергии может быть значительно уменьшено, вплоть до нескольких процентов от максимальной генерации в летнее время, смотрите таблицу 4.

Количество солнечных модулей может быть увеличено для достижения достаточной генерации даже в менее солнечные дни, а излишки электроэнергии, которые обязательно возникнут при таком увеличении, можно перенаправлять в общую сеть. Но стоит отметить, что увеличение площади солнечных модулей не особо практично, так как требует значительного вложения средств и наличия свободной большой площади.

Увеличение емкости аккумуляторов, способное компенсировать периоды уменьшенного производства солнечной энергии, также является чрезвычайно дорогостоящим мероприятием.

Наиболее простое решение данной проблемы заключается в:

  • Использовании электроэнергии из общей сети.

  • Установке микро-ТЭЦ (комбинированного микроисточника тепловой и электрической энергии). Данная система обеспечит жилище необходимым теплом и электричеством в периоды отсутствия достаточного солнечного излучения (и/или ветра).

  • Установке дизельного генератора.

 

 8. Система накопления энергии «Hub» в условиях отсутствия централизованного электроснабжения

8.1. Микро-ТЭЦ

В густонаселенных районах создание полностью автономной системы накопления энергии может быть осуществлено с помощью использования микро-ТЭЦ.

Генерация тепла с электричеством в качестве побочного продукта эффективнее, чем обратный процесс - генерация электричества с побочным производством тепла. Следовательно, микро-ТЭЦ с более высокой эффективностью производства электричества являются предпочтительными.

Лучшие образцы микро-ТЭЦ с высоким КПД (25% электричество, 75% тепло) основаны на электрическом генераторе с долговечным двигателем внутреннего сгорания, который работает на природном газе или пропане. Производимая электроэнергия потребляется напрямую или может накапливаться в аккумуляторе.

Одновременно при этом тепло от работы двигателя захватывается для создания тепловой энергии, которая используется для центрального отопления и/или нагрева воды.

Микро-ТЭЦ на основе двигателя Стирлинга имеет более низкую эффективность производства электричества (10-15% электричество, 90-85% тепло), что может привести к чрезмерному производству тепла для полностью автономной системы.

Микро-ТЭЦ на топливных элементах еще не особо распространены, хотя и являются крайне перспективными.

Электрическая мощность микро-ТЭЦ даже в своем минимуме должна быть равна средней необходимой мощности. Этого не особо трудно достичь, ведь даже в зимний период дом с потреблением электроэнергии выше среднего нуждается в 32,12кВт*ч в сутки (таблица 8), что примерно соответствует средней мощности в 1,4кВт за 24 часа.

При установке совместно с солнечным коллектором и солнечной батареей, микро-ТЭЦ будет эксплуатироваться, в основном, в зимний период. В этом случае необходимо позаботиться о достаточной для обеспечения электропитания всего дома мощности блока бесперебойного питания (инвертора/зарядного устройства). Как можно видеть из таблицы 2, для этого потребуется от 3 до 16кВА.

Использование газа для приготовления пищи, сушки одежды и нагрева воды для стиральной и посудомоечной машин рекомендуется для уменьшения пиковой мощности.

Емкости аккумулятора вполне может быть достаточно для обеспечения электроэнергией всего дома в течение целого летнего дня, если синхронизировать пиковое потребление с работой микро-ТЭЦ.

Микро-ТЭЦ будет работать параллельно с инвертором/зарядным устройством, аналогично PV инвертору в конфигурациях Hub-2 или -3, -4.

Избыточная мощность будет направляться на зарядку аккумулятора, а в случае если ее недостаточно для питания нагрузки - браться от аккумулятора (функциональность PowerAssist блоков бесперебойного питания MultiPlus и Quattro).

Тепло (от двигателя и выхлопных газов) может быть использовано для отопления дома или нагрева воды.

Если использовать и тепло, и электричество, производимое микро-ТЭЦ, то КПД этого устройства составляет около 98%. (то есть 98% калорийности сжигаемого газа переходит в полезную тепловую и электрическую энергию).

Если 40% генерируемой электроэнергии потребляется непосредственно нагрузкой, то эффективность системы накопления энергии Hub с подключенной к ней микро-ТЭЦ составит около 86% при условии использования Li-ion аккумулятора.

В доме, рассчитанном на два человека, ежедневное потребление горячей воды составляет от 100 до 150 литров (в том числе для стиральной и посудомоечной машин), нагрев которой до 40°С потребляет от 5 до 7кВт*ч тепловой энергии.

Удельная теплоемкость воды: C = 4,2Дж / (g * °K) ≈ 1,2Вт*ч / (л * °С),

При 25% эффективности генерации электричества, микро-ТЭЦ будет производить 25 / 75 = 0,33кВтч электроэнергии на киловатт-час тепловой энергии.

С потребностью в 6кВт*ч тепловой энергии побочная генерация электроэнергии составит 2кВт*ч.

Отбросив 15% потерь (эффективность системы накопления энергии Hub - 85%), получим наличие доступной электроэнергии в количестве 1,7кВт*ч.

Общее суточное потребление электроэнергии в зимний период составляет 7,5кВт*ч (смотрите таблицу 6).

Это означает, что микро-ТЭЦ будет покрывать примерно 23% потребления электроэнергии дома для двух человек только при нагреве необходимого количества воды.

Если же дом требует отопления в зимний период, то побочной электроэнергии будет производиться гораздо больше:

В Нидерландах среднее годовое потребление природного газа для отопления частного дома составляет 2000 кубических метров.

Калорийность природного газа равна 32МДж/м3, а 1кВт*ч = 3,6МДж.

При шестимесячном отопительном сезоне средняя суточная потребность в энергии для отопления составит:

32МДж/м3 * 2000м3 / 182 дня = 352МДж/м3 в день, или 97кВт*ч в день.

С суточной потребностью в 97кВт*ч тепловой энергии для отопления побочная генерация электроэнергии микро-ТЭЦ составит 97 * 0,33 = 32кВт*ч.

Такое количество электроэнергии удовлетворит суточной потребности в зимний период даже для дома с электропотреблением выше среднего (смотрите таблицу 8).

Очевидно, что микро-ТЭЦ является предпочтительным решением для холодных широт, где в зимнее время необходимо отопление.

 8.2. Дизель-генераторная установка

В удаленных районах, где общая сеть электроснабжения отсутствует или является ненадежной, традиционным решением этой проблемы является установка дизельного генератора. Его мощность необходимо рассчитать таким образом, чтобы удовлетворить даже самому высокому ожидаемому потреблению электроэнергии.

Генератор значительно дешевле (исходя из номинальных кВА) и проще в монтаже по сравнению с микро-ТЭЦ, но ему присущи такие недостатки как шум, выхлопные газы, меньшая эффективность (все тепло теряется) и необходимость в частом техническом обслуживании.

Также дизель-генераторные установки имеют меньший срок службы.

Примечание:
Традиционная дизель-генераторная установка может быть усовершенствована и больше походить на использующую природный газ микро-ТЭЦ, как правило, такие мероприятия включают в себя снижение уровня шума, улучшение конструкции для уменьшения необходимости обслуживания и добавление системы рекуперации тепла.

При работе в режиме 24/7 или в течение большей части дня, традиционная дизель-генераторная установка имеет два основных недостатка:

Необходимость обслуживания и ограниченный срок службы

Генераторы требуют регулярного технического обслуживания - замену масла каждые 500 часов, замену ремня каждые 1000 часов и т.д.

Срок службы хорошей дизель-генераторной установки с двигателем на 1500 оборотов в минуту составляет около 10 000 часов (3 года в режиме 24/7).

Расход топлива при низкой нагрузке

Генератор номинальной мощностью 10кВт будет потреблять от 3 до 3,5 кг топлива (3,7-4,4 литра) в час когда питает нагрузку 10кВт.

А при нулевой нагрузке он все равно будет потреблять топливо, 1 кг в час (смотрите график 1).

Эксплуатация генератора в режиме 24/7 для обеспечения постоянного электропитания дома является крайне неэффективным и дорогостоящим решением, так как затраты на каждый произведенный киловатт-час включают в себя и техническое обслуживание, и амортизационные расходы, и, особенно, чрезвычайно высокий удельный расход топлива.

Расход топлива трех дизель-генераторных установок с двигателями на 1500 оборотов, максимальная выходная мощность 9-11кВт

График 1: Расход топлива трех дизель-генераторных установок с двигателями на 1500 оборотов, максимальная выходная мощность 9-11кВт.

Как видно из графика 1, когда генератор работает вблизи точки своей максимальной мощности, то удельный расход топлива составляет около 0,3 кг на один произведенный киловатт-час.

При работе же с нагрузкой мощностью 500Вт, удельный расход уже будет составлять около 2 кг на один киловатт-час.

Генератор мощностью 10кВт, который работает в режиме 24/7 и сжигает в среднем 1 кг топлива в час, за один год потребит около 9 000 кг (!) горючего для генерации требуемых среднестатистическому дому 4.788кВт*ч (смотрите таблицу 7).

Если же не использовать природный газ для приготовления пищи и нагрева воды, то среднесуточная потребность в электроэнергии возрастет с 8кВт*ч до 21кВт*ч, а средняя нагрузка на генератор будет близка к 1кВт. Как видно из графика 1, это лишь незначительно увеличит расход топлива, до уровня около 10 тонн в год.

Использование более мощного генератора для борьбы с потенциальными высокими пиковыми нагрузками приведет к еще большему расходу горючего.

График 2 раскрывает абсолютную эффективность трех генераторов мощностью 3,5кВт, 7кВт и 11кВт. Как видно, абсолютная эффективность равна примерно 25% в точке максимально эффективной нагрузки. Это означает, что даже при эксплуатации генератора с максимально эффективной нагрузкой, только 25% калорийности дизельного топлива (калорийность автомобильного дизельного топлива составляет около 45,6МДж/кг, или 12,7кВт*ч/кг) преобразовывается в электрическую энергию. Оставшиеся 75% трансформируются в тепло, которое отводится с выхлопными газами и через систему охлаждения двигателя.

Абсолютная эффективность трех различных генераторов

График 2: Абсолютная эффективность трех различных генераторов.

Как видно из графика 2, эффективность генератора снижается до 5-10% при работе с нагрузкой мощностью 500Вт.

Очевидно, что должны быть возможности для улучшения ситуации!

Вариант 1: Использование маломощного блока бесперебойного питания (инвертора/зарядного устройства) для ночных периодов с малой электрической нагрузкой.

Примером такого блока бесперебойного питания может служить MultiPlus C 24/1600/40. 1600ВА инвертор будет питать базовую нагрузку. Внезапно возникнувшая дополнительная электрическая нагрузка, к примеру стиральная машина, приведет к переходу MultiPlus в режим защиты от перегрузки, при котором подача переменного тока будет отключена.

Для недопущения такой ситуации генератор должен быть включен перед подключением мощной электрической нагрузки.

На практике этот вариант работает хорошо, если блок бесперебойного питания питает базовую нагрузку в течение ночи, а генератор - в течение дня. С выключенным на протяжении восьми ночных часов генератором годовое потребление топлива для автономного дома сократится на 10 000 * (24 - 8) / 24 = 6 700 килограммов.

Вариант 2: Использование блока бесперебойного питания (инвертора/зарядного устройства) большой мощности для уменьшения необходимой мощности генератора и его времени работы.

Мощность инвертора должна быть достаточной для поддержки большой электрической нагрузки.

Мощность инвертора должна быть достаточной для поддержки большой электрической нагрузки.

Со ссылкой на таблицу 2, такая комбинация “блок бесперебойного питания MultiPlus/Quattro + генератор” должна иметь мощность от 10 до 20кВт.

Теперь генератор будет работать только в периоды пиковой мощности и с помощью функциональности блока бесперебойного питания “PowerAssist” может быть настроен для работы в точке своей максимальной эффективности - примерно на 80% от номинальной мощности. В случае избыточной мощности электроэнергия будет направляться на зарядку аккумулятора, а в случае дефицита - браться из него.

Дом, не использующий природный газ для приготовления пищи и нагрева воды, нуждается в среднем в 21кВт*ч электроэнергии в день, и с предполагаемой эффективностью системы накопления энергии Hub в 85% его требование к генерации электроэнергии составит 21 / 0,85 = 25кВт*ч.

С 10кВА блоком бесперебойного питания мощность дизель-генераторной установки может быть сведена, к примеру, к 7кВА.

7кВА генератор с нагрузкой мощностью от 4 до 5кВт будет работать около 6 часов в день (если отсутствует генерация солнечной/ветровой энергии).

При эффективности 25% (0,3 кг топлива на 1кВт*ч) годовой расход топлива составит 0,3 кг/кВт*ч * 25кВт*ч * 365 дней = 2 700 кг, что более чем в три раза экономнее режима 24/7.

С OPzS аккумулятором расход топлива будет немного больше - 0,3 кг/кВт*ч * (21 / 0,75)кВт*ч * 365 дней = 3 100 кг.

принцип работы генератора в составе системы автономной электростанции для дома

Хорошо, а теперь давайте добавим электрический обогрев пола в ванной комнате (3кВт*ч в день) и бассейн (без нагрева воды, насос потребляет 5,6кВт*ч в сутки). Это приведет к увеличению годового расхода топлива до 3 800 кг (Li-ion аккумулятор) или 4 300 кг (OPzS аккумулятор).

Солнечная и/или ветровая энергия для дальнейшего сокращения времени работы генератора

Добавление генерации возобновляемой энергии является следующим шагом для сокращения времени работы генератора, что приводит и к уменьшению потребления топлива. Конфигурации системы накопления энергии Hub-1 и Hub-2 вполне могут быть использованы для данной ситуации, в отличие от Hub-4, так как в этом случае PV инвертор просто не будет работать при выключенном генераторе.

Система гарантированного электросанбжения дома на основе солнечной электростанции и генератора

Трехфазный или однофазный генератор?

Проблема трехфазного генератора заключается в том, что электрическую нагрузку необходимо распределить между тремя фазами, каждая из которых будет иметь относительно небольшую мощность.

Трехфазный 10кВА генератор, к примеру, на каждой фазе имеет по 3,3кВА.

Как правильно подключить к нему электрическую нагрузку среднестатистического дома?

Подключение стиральной машины, сушильного автомата и посудомоечной машины по отдельным фазам оставит очень ограниченную мощность для других потребителей электроэнергии, которые могут работать в это же время.

Подключение стиральной машины, сушильного автомата и посудомоечной машины к одной фазе будет допустимо до тех пор, пока они не используются одновременно. Вся остальная нагрузка может быть распределена между оставшимися двумя фазами.

На практике будут часто возникать ситуации, когда одна фаза будет полностью загружена или даже перегружена, а другая в это время простаивает.

Подключение всей электрической нагрузки к однофазному генератору устранит проблему балансировки нагрузки.

Трехфазные насосы

Насосы для бассейна и гидрофора часто бывают трехфазными, но их мощность редко когда превышает 3кВт.

Возможность их эксплуатации в однофазной системе можно обеспечить с помощью добавления частотно-регулируемого привода. Это устройство подключается к одной фазе и препятствует возникновению пускового пикового тока.

Обеспечение электроэнергией значительных электрических нагрузок только во время работы генератора

Во время зимнего периода или просто пасмурных дней, когда недостаточная генерация солнечной энергии дополняется мощностями генератора, эти дополнительные мощности должны запускаться во время высокого потребления электроэнергии, или, как альтернатива, мощные потребители электроэнергии (работа насосов, нагрев воды) должны активироваться при обнаружении работы генератора.

Блоки бесперебойного питания MultiPlus и Quattro имеют программируемый второй выход переменного тока для этих целей.

Этот выход подключит дополнительную нагрузку с задержкой в одну минуту, чтобы позволить генератору стабилизироваться.

PowerAssist будет отслеживать эту дополнительную нагрузку (чего бы не происходило при подключении ее непосредственно к генератору).

 9. Определение: “100%” солнечная батарея и “100%” аккумулятор

Из раздела 7.1.2:

Солнечное излучение в ясный день, воздействующее на направленную на юг солнечную батарею с осью наклона, примерно равной географической широте, будет соответствовать около 8кВт*ч/м2/день, и от этой самой широты особо не зависеть.

С помощью этого довольно приблизительного определения становится возможным обсуждать фотовольтаическую генерацию независимо от широты и местного климата, регулируя местные особенности с помощью таблицы 4.

С этим приближением становится возможным создать в рамках фотовольтаической генерации такую ёё единицу как “ясный солнечный день” (≈ 6кВт*ч на 1кВт(пик), описывается в разделе 7.1.2), и далее уже обсуждать взаимосвязь генерации и потребления энергии - жилищем, небольшим офисом, мастерской, или другим объектом с ежедневным электропотреблением от 1 до 100кВт*ч.

Следовательно, мы будем говорить о фотовольтаической генерации солнечной батареи в ясный солнечный день, как и о полезной емкости аккумуляторной работы, именно в контексте ежедневного потребления электроэнергии.

“100%” солнечная батарея подразумевает такую батарею, которая необходима для удовлетворения 100% потребления электроэнергии в конкретном доме в ясный солнечный день.

Соответственно, “50%” солнечная батарея сможет удовлетворить лишь 50% потребления в ясный солнечный день.

Смысл аналогичен и для аккумуляторных батарей - “100%” аккумулятор обладает достаточной полезной емкостью, то есть в нем накопленной энергии хватит на один солнечный день.

 10. Стоимость

 10.1. Потребление собственной энергии: оптимальный размер системы накопления энергии

Потребление собственной энергии – это относительно новое явление. Его растущая популярность обусловлена увеличением розничных цен на электроэнергию и одновременным уменьшением льготных тарифов на ее продажу обратно в сеть. Продажа избыточной фотовольтаической энергии за, скажем, 15 центов за киловатт-час в обеденное время, и ее же покупка за 25 центов, но уже вечером, видится несколько невыгодным. Следовательно лучше накапливать излишки с возможностью их дальнейшего использования.

С чисто финансовой точки зрения, промежуточное накопление будет выгодным в том случае, если дополнительные затраты на его организацию будут меньше, чем убытки, понесенные в ходе продажи электроэнергии днем по низкой цене и ее покупки позже вечером по высокой.

Достаточно точное экономическое обоснование для промежуточного накопления электроэнергии не так легко сделать. За исключением южных широт, где солнечное излучение обильно и имеет стабильный характер, фотовольтаическая генерация меняется изо дня в день и от сезона к сезону. Установка солнечной батареи и системы накопления энергии, удовлетворяющие 100% потребности в электроэнергии в ясный солнечный день (решение для 100% потребления собственной энергии), безусловно, не является оптимальным в высоких широтах - затраты на компоненты для этой системы будут слишком велики.

Смело можно утверждать, что:

  • Финансовая привлекательность накопления электроэнергии возрастает с увеличением разницы между ее розничной ценой и стоимостью продажи обратно в общую сеть.

  • Оптимальная емкость для накопления электроэнергии уменьшается вместе с широтой (также зависит и от местных нюансов).

  • Оптимальная емкость для накопления электроэнергии растет по мере снижения стоимости системы.

Поскольку еще не разработан простой метод вычисления хотя бы приблизительной необходимой промежуточной емкости, предполагается, что она примерно равна 30% фотовольтаической генерации в ясный солнечный день.

Еще один момент заключается в том, что потребление собственной энергии может влиять на стабильность общей сети электроснабжения из-за перенаправления в нее излишней электроэнергии. Система с ограниченной емкостью после полной зарядки аккумулятора будет вести себя так же, как и система без промежуточного накопления энергии. К примеру, в ясный солнечный день небольшой аккумулятор может полностью зарядиться уже к полудню, больше не помогая в качестве потребителя электроэнергии и, как следствие, не ограничивая перенаправление в общую сеть.

Таким образом, можно ожидать, что уже в ближайшем будущем для систем накопления энергии будут вводиться те или иные лимиты, которые будут регулировать количество солнечной энергии, направляемое в общую сеть.

Эти лимиты могут базироваться на номинальной мощности Pw солнечных батарей. Например, при лимите в 60%, доля возвращаемой в общую сеть электроэнергии не должна превышать 60% от номинальной мощности установленных фотовольтаических модулей.

Приблизительное количество энергии, которое будет потеряно или сохранено в аккумуляторе (при наличии достаточной емкости), рассчитывается следующим образом:

Если предположить, что генерация фотовольтаической энергии может быть представлена в виде половины окружности (стартует с нуля утром, возрастает к максимальной мощности в полдень и возвращается к нулю во второй половине дня), то энергия, которая не должна направляться в общую сеть (или может быть направлена туда позже в течение дня), представлена в виде сегмента круга зеленого цвета на рисунке 5.

Ограничение пиковой подачи энергии в общую сеть электроснабжения

Рисунок 5: Ограничение пиковой подачи энергии в общую сеть электроснабжения.

С Pw = R = 1, d*R является максимальной мощностью, которая может быть направлена в общую сеть.

Площадь “А” зеленого сегмента круга равна

А = (R2 / 2 ) * (θ - sinθ), где θ = 2arccos

Площадь же рассматриваемого нами полукруга равна С = (1/2) * πR2

С помощью этих формул может быть рассчитана доля генерации электроэнергии d*Pw, направление которой в общую сеть запрещено, причем вычисления можно проводить при разных значениях d:

d = 0,6: A/C = 0,45/1,57 ≈ 0,3
d = 0,5: A/C = 0,61/1,57 ≈ 0,4
d = 0,4: A/C = 0,79/1,57 ≈ 0,5

Если d = 0,6 (это означает, что поставляемая в сеть электроэнергия не должна превышать 60% номинальной мощности Pw солнечной батареи), то зеленый сектор будет представлять собой 30% от полукруга, и, следовательно, эти 30% выходной мощности должны поглощаться нагрузкой и/или сохраняться в аккумуляторе.

В таком случае, при условиях нулевой нагрузки, 100% эффективности системы накопления и разряженного аккумулятора утром, емкость системы накопления может быть уменьшена до 30% от генерации в ясный солнечный день, что удовлетворит (гипотетически) потреблению собственной энергии. Аккумулятор будет использоваться для накопления электроэнергии из “зеленого сектора”, излишки которой могут быть поданы в общую сеть.

Примечание:
В качестве альтернативы можно просто ограничить выход сетевого инвертора до 60% от установленных фотовольтаических мощностей, но в этом случае 30% потенциальной электроэнергии будет утеряно.

 10.2. Оптимальная емкость системы накопления энергии при условии ее автономности

При наличии подключенных к системе накопления энергии микро-ТЭЦ или дизель-генераторной установки, ее доступная емкость является, как правило, общепринятой. Если солнце и/или ветер являются единственными источниками энергии, то сочетание более мощной солнечной/ветряной установки и более емкого аккумулятора (превышающие “100%”, как это описано в разделе 9) позволит компенсировать периоды недостаточного солнечного излучения или ветра.

 10.3. Аккумулятор: свинцово-кислотный или Li-ion (Часть 2)

10.3.1. Литий-железо-фосфатный аккумулятор

Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO2 или LFP) имеет рекомендованную глубину разряда на уровне 20% от номинальной емкости. Он может быть разряжен до 20% около 2000 раз, а также способен заряжаться высоким током практически до 100% (регулярные разрядки ниже 20% приводят к снижению циклических характеристик аккумулятора).

Полезная емкость, измеряемая в Ач (и кВт*ч), составляет примерно 80% от номинального показателя.

10.3.2. Свинцово-кислотный аккумулятор с трубчатыми пластинами

Свинцово-кислотные аккумуляторы с трубчатыми пластинами, затопленные (OPzS - от нем. «Ortsfeste Panzerplatte mit Spezialseparator») и гелевые (OPzV), являются достаточно надежными и хорошо зарекомендовали себя по работе в автономных системах энергообеспечения. С данной технологией можно ознакомиться по ссылкам:

Эти аккумуляторы могут без последствий регулярно разряжаться до 30% при С-рейтинге 10С, но эффективность их зарядки и способность принимать зарядный ток сильно снижаются после 80% степени заряженности.

Таким образом, эти аккумуляторы лучше всего эксплуатировать в диапазоне степени заряженности от 30% до 80%, но также им нужна регулярная полная зарядка - до 100% для предотвращения сульфатации.

Вторая причина, по которой нужна регулярная полная зарядка, – это кислотная стратификация.

OPzs и OPzV аккумуляторы имеют высокое внутреннее сопротивление, следовательно, их эффективность и доступная емкость будет существенно ниже при высоком зарядном и разрядном токе.

Со спецификациями можно ознакомиться здесь.

10.3.3. Свинцово-кислотные аккумуляторы с плоскими пластинами: затопленные и VRLA

Существует много видов свинцово-кислотных аккумуляторов с плоскими пластинами, как затопленных версий, так и VRLA (клапанно-регулируемые: гелевые и AGM), и лучшие образцы являются довольно дорогими. Как показывает опыт, они все же несколько менее надежны в сравнении с OPzV и, в особенности, с OPzS аккумуляторами в плане циклических характеристик и риска сульфатации.

Компания Victron Energy имеет в своем модельном ряду свинцово-кислотные VRLA (гелевые и AGM) аккумуляторы с плоскими пластинами, которые оптимизированы для глубокого разряда и имеют более толстые пластины в сравнении со стартерными автомобильными батареями, также стоит отметить их привлекательную стоимость. Данные преимущества хоть и предоставляют хорошие характеристики для циклической работы, но не устраняют риск сульфатации.

Со спецификациями можно ознакомиться здесь.

Желательно ограничить разрядку таких аккумуляторов до степени заряженности в 50%, а разрядный С-рейтинг использовать не более, чем 20С.

Аналогично аккумуляторам с трубчатыми пластинами, эффективность зарядки и способность принимать зарядный ток сильно уменьшаются при степени заряженности выше 80%.

Таким образом, эти аккумуляторы лучше всего эксплуатировать в диапазоне степени заряженности от 50% до 80% с регулярной периодической полной зарядкой до 100%. Сравнение различных аккумуляторных батарей приведено в таблице ниже.

  Плоские пластины
AGM
Трубчатые пластины, затопленный
OPzS
Трубчатые пластины, гелевый
OPzV
Литиевые
LiFePO4
Стоимость номинального кВт*ч $ 221 $ 425 $ 460 $ 964
Полезная емкость 30% 50% 50% 80%
Стоимость кВт*ч полезной емкости $ 700 $ 850 $ 920 $ 1205
Эффективность при 0,1С 80% 80% 80% 92%
Эффективность при 0,5С 70% 60% 60% 92%
Количество циклов (при 25°С) 750-1500 2500 2500 2500
Удельный объем (на кВт*ч полезной емкости) 11,3 см3 15,4 см3 15,4 см3 8,7 см3
Удельный вес (на кВт*ч полезной емкости) 82 кг 82 кг 82 кг 17кг
Применение Сезонное использование Круглогодичное использование Круглогодичное использование Круглогодичное использование
  небольшие дома дома, небольшие офисы, мастерские и т.д. дома, небольшие офисы, мастерские и т.д. дома, небольшие офисы, мастерские и т.д.
Возможность установки в жилой зоне да нет да да
Регулярная полная зарядка да да да нет
Регулярное техническое обслуживание нет да нет нет

Примечания:
1. Из-за своей относительной нестабильности, недорогие AGM и гелевые (и в меньшей степени OPzV) аккумуляторы с плоскими пластинами на практике редко достигают заявленного максимального количества циклов (1500), которое изначально рассчитывалось в лабораторных условиях.
2. 0,1С означает зарядный и разрядный ток в размере 0,1 от номинальной емкости аккумулятора. Например, для 100Ач аккумулятора это будет 10А.

Таблица 5: Сравнение аккумуляторных батарей

 10.4. Солнечные модули

Общемировая тенденция снижения стоимости закупки возобновляемой энергии государством у частных владельцев привела к периоду переизбытка мощностей вместо более ранних времен, когда существовал дефицит солнечных модулей.

Как можно понять из таблиц 6-8, стоимость “100%” солнечной батареи составляет примерно 20% от стоимости всей системы накопления энергии, тогда как стоимость “100%” Li-ion аккумулятора - порядка 70%.

Если доступны неограниченные площади для монтажа солнечных модулей (например, на крыше), то увеличение фотовольтаических мощностей будет довольно ограниченно воздействовать на общую стоимость системы.

Если местное законодательство разрешает продажу возобновляемой энергии в общую сеть, то этим определенно следует воспользоваться. Удвоение площади солнечной батареи приведет к увеличению потребления собственной энергии на 50% в ясный солнечный день, и в местности, расположенной вплоть до широты 45 градусов, это позволит в течение большей части года генерировать достаточно энергии для обеспечения электропитания дома (в зависимости от местного климата, смотрите таблицу 4).

И даже если подключиться к общей сети для продажи электроэнергии не представляется возможным, то иметь некоторый избыток мощностей все равно выгодно, так как это даст возможность генерировать большее количество энергии в пасмурные дни, то есть и здесь повысит эффективность потребления собственной энергии.

 10.5. Примеры: стоимость основных компонентов

В приведенных ниже таблицах расписываются варианты построения систем накопления энергии с указанием стоимости каждого из основных компонентов, цены рекомендованы Victron Energy для розничного рынка.

10.5.1. Подводя итоги:

Обсуждаются три примера жилых домов, каждый подробно описан в соответствующей таблице:

  • Дом, рассчитанный на два человека

  • Среднестатистический дом

  • Дом с электропотреблением выше среднего

Эти три примера легко могут быть адаптированы и к другим ситуациям, например, к небольшому офису или мастерской.

Для каждого примера дома были определены три категории электрической нагрузки:

Категория 1: базовая нагрузка, в основном состоящая из маломощных электроприборов, которые включены постоянно или в течение длительного периода каждый день. Таким образом, базовая нагрузка имеет низкое соотношение кВт/кВт*ч и может эффективно работать от аккумулятора и инвертора небольшой мощности. Базовая нагрузка на сегодняшний день является крупнейшим потребителем электроэнергии в домашних условиях.

Категория 2: другие подключаемые электроприборы, которые, как правило, являются переносными и могут подключаться к любой розетке в доме (самый показательный пример - пылесос), время их работы обычно небольшое. Эта категория имеет высокое соотношение кВт/кВт*ч и не может быть легко отделена от базовой нагрузки.

Категория 3: неотключаемые электроприборы, соединение которых с электропроводкой дома является постоянным. Иногда можно запитать эту категорию нагрузки напрямую, минуя систему накопления энергии Hub, что снизит вероятную пиковую мощность. Также пиковую мощность можно снизить используя для нагрева воды и отопления тепловую энергию солнца и/или природный газ.

С системой управления электрической нагрузкой несколько приборов третьей категории может быть включено во время активной генерации солнечной энергии, что повышает потребление собственной энергии без необходимости увеличения емкости аккумулятора.

10.5.2. Первые три таблицы (6-8) отображают примеры, описанные в разделе 7

  • Солнечная батарея:
    Мощность солнечной батареи достаточна для удовлетворения одной или нескольких категорий электрических нагрузок в ясный солнечный день. Обоснованием такого выбора является то, что:
    - В ясный солнечный день энергия, генерируемая солнечной батареей, примерно одинакова во всем мире. Это делает таблицы универсальными.
    - При достаточной емкости аккумулятора потребление собственной энергии будет близко к 100% даже в ясный солнечный день.
    Следствием этого является то, что в остальные дни количество накапливаемой энергии не является достаточным для удовлетворения потребления. Потребление собственной энергии, тем не менее, всегда будет 100%.

  • Li-ion аккумулятор:
    Li-ion аккумулятор имеет емкость, достаточную для удовлетворения одной или нескольких категорий электрических нагрузок в ясный солнечный день. Таким образом, обеспечивается круглогодичное 100% потребление собственной энергии. Но в те дни, когда генерируется меньше энергии, емкость аккумулятора не будет использоваться в полной мере.

Li-ion аккумулятор, безусловно, является на сегодняшний день самым дорогим компонентом системы.

10.5.3. Таблицы 9-11: три типа домов с OPzS аккумулятором

  • OPzS аккумулятор:
    В этих таблицах Li-ion аккумулятор был заменен на OPzS, емкость которого также была рассчитана для хранения энергии, необходимой для одной или нескольких категорий нагрузки в ясный солнечный день. Благодаря этому обеспечивается круглогодичное 100% потребление собственной энергии. Но емкость аккумулятора будет больше необходимой все те дни, когда фотовольтаическая генерация будет уменьшена из-за пасмурной погоды. Номинальная емкость будет выше вследствие того, что полезная емкость меньше, чем у Li-ion аналога (смотрите раздел 10.3.3).

  • Солнечная батарея:
    Мощность солнечной батареи достаточна для удовлетворения одной или нескольких категорий электрической нагрузок в ясный солнечный день. Немного большая номинальная мощность солнечной батареи объясняется тем, что OPzS имеет меньшую эффективность в сравнении с Li-ion.

Общая стоимость такой системы, тем не менее, значительно ниже варианта с Li-ion аккумулятором.

При “100%” солнечной батарее и “100%” аккумуляторе, столбец в таблицах 6-11, обозначенный как “Категории 1+2+3”, отвечает за ситуацию полной автономности системы с достаточной мощностью солнечных модулей, что позволяет избегать эксплуатации микро-ТЭЦ или дизель-генераторной установки в ясные солнечные дни. Общее время работы микро-ТЭц или дизель-генераторной установки может быть уменьшено путем добавления фотовольтаической мощности и/или дополнительной емкости аккумулятора.

10.5.4. Таблицы 12-14: Уменьшение емкости аккумулятора до 30% от фотовольтаической генерации

Каждая из таблиц от 12 до 14 состоит из 5 подтаблиц, в которых рассматривается стоимость нескольких аккумуляторных и фотовольтаических решений.

Первые подтаблицы (a) – это суммирующая версия таблиц 6-8.

Емкость Li-ion аккумулятора и мощность фотовольтаических модулей подразумеваются как “100%”.

Следующие три подтаблицы (b, c и d) основаны на такой концепции потребления собственной энергии, при которой не более 60% от номинальной фотовольтаической мощности может направляться в общую сеть. Как было показано в разделе 10.1, в этом случае емкость аккумулятора может быть уменьшена примерно до 30% от суточной генерации доступных фотовольтаических мощностей в ясный солнечный день.

В подтаблицах b мощность фотовольтаических модулей была сохранена на уровне “100%”, в то время как емкость аккумуляторов снижена до “30%”.

В подтаблицах c и d фотовольтаическая мощность была увеличена до, соответственно, “200%” и “300%”, емкость аккумулятора была увеличена до аналогичного уровня.

В подтаблицах (e) фотовольтаическая мощность установлена на уровне “300%”, а Li-ion аккумулятор был заменен на OPzS c емкостью “100%”.

Примечание:
Что касается эффективности системы, то дело несколько усложняется когда аккумулятор становится слишком мал для хранения ежедневной генерации энергии солнца (или ветра) - это мы видим в случае снижения емкости до уровня “30%”. В этом случае определенное количество энергии будет утрачено (если нет возможности ее направления в общую сеть), или будет непосредственно потреблено нагрузкой (если таковая присутствует), или будет направлено в общую сеть, минуя аккумулятор.
Прямая подача электроэнергии в общую сеть действительно увеличивает эффективность (из-за отсутствия потерь циклической работы аккумулятора), но одновременно и уменьшает потребление собственной энергии.

Примечание:
Отнюдь не каждый день – это “ясный солнечный день” в большинстве регионов. При генерации меньшего количества энергии, относительно большая ее часть пройдет «через» аккумулятор, тем самым снижая эффективность, но увеличивая потребление собственной энергии.
Чтобы не усложнять, в подтаблицах предполагается, что 100% генерируемой энергии накапливается в аккумуляторе. Это предположение может быть близко к реальности для высокоширотных районов с небольшим количеством ясных солнечных дней, но пессимистично (с точки зрения эффективности) для солнечных низкоширотных районов.
Если мы возьмем, к примеру, Севилью (Испания), то таблица 4 показывает, что средний годовой объем производства - 74% в ясный солнечный день. И если емкость аккумулятора ограничена “30%”, то 74% - 30% = 44% будет направляться обратно в общую сеть и/или питать нагрузку, минуя аккумулятор и связанные с этим потери (8% для Li-ion и 20% для свинцово-кислотного аккумулятора).

Примечание:
Емкость аккумулятора постепенно уменьшается со временем. Общепринятой нормой определения потери работоспособности является уменьшение емкости до 80% от номинальной. Для того, чтобы иметь необходимую емкость и при деградации аккумулятора, его необходимо переоценить с помощью коэффициента 1 / 0,8 = 1,25. Этот коэффициент не берется в расчет для общей емкости системы накопления энергии, которая будет рассчитываться в нижеследующих таблицах.

 

 


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 4 голосов