Полная энергетическая автономия или как выжить с солнечными батареями в глубинке

Все начиналось с того, что я приобрел участок земли в деревне, мимо которого не проходили электрические провода. «Ничего страшного, — подумал я. — Ведь по закону меня должны подключить к электросетям за 6 месяцев с момента заключения договора». Если бы я тогда знал, что мне придется освоить автономное энергоснабжение и окунуться в мир солнечной энергетики…



Постараюсь осветить теоретическое обоснование своего выбора и расчеты, которые облегчат понимание объемов вложений для построения собственной энергосистемы.
Во второй части опишу практическую реализацию своих идей с экономическими выкладками, примененным оборудованием и схемотехникой рабочей энергосистемы. Также опишу достоинства, недостатки и собственные ошибки в реализованном проекте.
В третьей, если до нее дойдет, расскажу о планах интеграции автономной энергосистемы и обычной сетевой энергосети в частном доме.

Осознание того, что электричества еще нет, а дом уже собран, пришло весной, когда начался строительный и отделочный сезон. И если дом собирали при помощи тарахтящего бензинового генератора, то жить с такой тарахтелкой в деревне невозможно, да и накладно ради дрели или пары лампочек гонять 2,5 кВт бензогенератор. Тут очень легко вывести первое правило: в деревне нуженбензогенератор, если есть необходимость в электроснабжении в любое время. Сети нестабильны и чинить их никто не будет в первые минуты после сбоя. Второе правило: генератор должен работать на том же виде топлива, что и машина. Если топливо внезапно кончилось, можно слить из машины, а если бак в машине пересох, то можно провести обратную процедуру.



Если посмотреть в левый угол, то видно как генератор работает ради одной дрели и радиоприемника. После этой картины начали закрадываться мысли, что электричества нужно не так уж много, но часто. К примеру, вечером нужно освещать дом, на что требуется порядка 100 Вт энергии. Витали мысли о покупке второго, маломощного бензогенератора, но были отметены по ряду причин: тарахтение, обслуживание, механика, а значит износ и рано или поздно, выход из строя. Нужно было что-то автономное, простое, надежное.

Изучив форум автономщиков, перечитав сотни веток и научившись отличать монокристалл от поликристалла, было принято решение применить солнечную энергетику на благо конкретно взятого дома. Ведь на Хабре немало сообщений о том, как очередная сотовая компания в отдаленном регионе потратила много рублей и смогла сэкономить еще больше, а тут все наглядно, своими руками и на своем примере. 

Перейдем к теории. Основное, с чем придется бороться в доме с автономной энергетической системой (далее автономкой), так это с желанием всех домочадцев включать чайники, утюги, микроволновки и прочую бытовую технику, потребляющую сумасшедшие киловатты энергии. Для фенов и утюгов можно запустить электрогенератор.



Итак, первым делом необходимо исключить большинство электроприборов, которыми мы пользуемся в обычной жизни: электрочайники, электроплиты и прочее. Заменой будет любая газовая плита и баллон с газом, который могут заправить почти на любой АГЗС. Итак, готовим и греем при помощи газа — это третье правило автономки.

Освещение светодиодами. Можно брать светодиодные сборки, отдельные светодиоды или светодиодные ленты. В последнем случае можно закупиться оптово в китайском интернет-магазине сразу на весь дом и прилично сэкномоить. Основная задача — это выбрать напряжение светодиодов равное напряжению накопителей энергии в доме. Ведь любое преобразование будет съедать лишние Ватты. Отсюда четвертое правило: светодиодное освещение везде, где это возможно. 

Датчики движения серьезно помогают экономить электричество — это также выявлено опытным путем. По пути в туалет, по лестнице на второй этаж или в прихожей лучше всего поставить датчик движения и светодиодную ленту. Это позволит избежать хождения в темноте к выключателю и избавит от лишних потерь энергии, когда кто-то забыл щелкнуть клавишей. 



Стоить такой датчик будет порядка 300-350 рублей, но он сэкономит массу нервов и энергии. Собственное потребление мизерно в сравнении со включенным и забытым освещением. Один забавный случай из практики: домашние питомцы быстро вычислили радиус действия датчика и ночами развлекались входя и выходя из зоны видимости, включая себе свет. 

А теперь о технике, которая понадобится, чтобы создать автономку на солнечной энергии:

1. Солнечные батареи:



2. Контроллер заряда аккумуляторов от солнечных батарей:



3. Аккумуляторы. При обсуждении типа аккумуляторов было сломано столько копий, что даже вспоминать не хочется. Одна из самых сложных задач и наиболее дорогая часть системы:



4. Инвертер из постоянного тока, в переменный с напряжением 220В:



Это четыре основных элемента автономной энергетической системы, основанной на солнечных батареях. О расширении функционала я расскажу во второй, практической, части, а пока распишу минимальную автономку для дачного домика, где хочется вечером посмотреть телевизор, выйти с ноутбука в сеть и при свете лампы посидеть за столом. Все считается исходя из средней полосы России в период с апреля по сентябрь. В другое время года солнца заметно меньше, да и дачный сезон практически закрыт или еще не открыт.

Берем исходное потребление: 
1. среднестатистический ноутбук с потреблением 80 Вт*ч будет работать 5 часов в день 
2. среднестатистический телевизор с потреблением 40 Вт*ч (ЖК) будет работать 3 часа в день
3. освещение 3 светодиодными лентами (24 Вт\шт), которых хватит на помещение порядка 40 м.кв. будет работать 4 часа

Итого мы имеем необходимость энергии: 808 Вт*ч
Если в качестве энергонакопителя будет выбран обычный автомобильный аккумулятор с напряжением в 12 В, то за вечер будет потрачено 67 Ач. Чтобы не высадить аккумулятор и продлить срок его службы, рекомендуется разряжать аккумулятор не более, чем на 30%, а значит необходимая емкость составляет от 200 Ач и выше. Кроме того, за световой день необходимо будет восполнить потраченные амперчасы, а еще нужно учесть КПД и непостоянство солнца, чтобы подобрать необходимое количество солнечных батарей. Допустим, что солнце будет светить в течение 8 часов, из них будет облачно 3 часа и эффективность выработки энергии упадет. Таким образом, мы должны компенсировать 67 Ач за 5 часов. Казалось бы, нет ничего проще: 14 А вливаем 5 часов и все, но у солнечной энергетики масса нюансов. Аккумуляторы не принимают заряд линейно — к «наполнению» аккумулятора энергией принимаемый ток снижается и последние часы зарядка идет крайне медленно.

Переходя к подсчету необходимого оборудования, которое потребуется преобрести для электрификации дачного домика, получаем:
1. Солнечная батарея 2 шт х 100 Вт — 15000 р
2. Контроллер заряда самый простой — 800р
3. Аккумулятор 190 Ач — 8500 р
4. 3 светодиодные ленты — 1200 р.
5. Инвертер 12В-220В — 2000р.
Итого: 27500 рублей

Оборудование считалось самое недорогое с учетом того минимума комфорта, который описан выше. Если материал понравился и хочется увидеть реализацию более мощной и действующей системы, прошу дать знать, чтобы я принялся за написание второй части.

Реальная солнечная автономка для конечного пользователя состоит из потраченных денег, проб, монтажа устройств и обучения домочадцев пользоваться электричеством экономно. Причем, на последний пункт стоит обратить внимание особо, поскольку автономка предполагает совершенно особый подход к расходу энергии и даже перестройке привычных действий.



Так как солнечные батареи являются самой видимой частью системы, да еще и преобразуют энергию солнца в электрическую, то начать стоит именно с них. Есть два пути получения солнечной батареи: сделать самому или купить готовое. Сразу скажу, что итоговая стоимость конечного продукта при изготовлении нескольких панелей и без опыта обойдется примерно в ту же сумму, что и готовая панель той же мощности, но произведенная на заводе. Но ведь интересно сделать самому.
Тут надо опять добавить немного теории. Существуют три доступных покупателям, за вменяемые деньги, технологии солнечных батарей, состоящих из разных ячеек: монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния. Различаются они структурой и это даже видно на глаз. Я постараюсь рассказать максимально просто, а желающие окунуться в разницу химических составов могут посмотреть информацию сами — не стоит перегружать статью.
Аморфный кремний — самая перспективная технология изготовления. Позволяет изготавливать гнущиеся панели и вырабатывать ток при рассеянном свете, то есть в пасмурную погоду, но довольно быстро деградируют, что выражается в снижении КПД.
Монокристалл — чистые ячейки из первичного кремния. Как правило, черные пластины без вкраплений, почти квадратной формы со скругленными краями. Иногда распиливаются пополам для увеличения напряжения линии элементов.
Поликристалл — ячейки из вторичного кремния или не очень чистого. Вероятно, используется лом монокристалла. 

Типы батарей расположены по убыванию их стоимости. И если второй и третий варианты еще близки, то первый заметно вырывается в стоимости, да и со временем снижает выработку энергии. Для изготовления собственной Солнечной Панели (далее СП или СБ — Солнечная Батарея) в Китае была заказана партия солнечных элементов класса Grade B  количество на пару СБ. Необходимо проверить, чтобы в комплект включали распаечные коробки, шины для соединения ячеек между собой и хотя бы пару метров кабеля. Там же были заказаны разъемы MC4 для подключения батарей. В России было заказано изготовление просветленного закаленного стекла толщиной 4 мм. Такая толщина обусловлена необходимостью защититься от всяких сосулек(града) и прочих погодных условий (целенаправленный удар камнем вряд ли переживет), а просветленное стекло нужно для увеличения КПД элементов. Для обрамления стекла, защиты от сколов и удобства монтажа был закуплен алюминиевый уголок 30х30 и необходимый крепеж к нему. Для подключения солнечных батарей к системе был выбран многожильный медный кабель с сечением 6 мм кв. Для зарядки был заказан в том же Китае контроллер PWM, а для питания устройств 220В — простой автомобильный инвертер мощностью 100 китайских Ватт. Позже я объясню разницу между обычными и китайскими Ваттами.

Энергетическая система №1. Бюджетная

Самостоятельное производство солнечной панели

Итак, сборка. Модули пришли в коробке и некоторые из них были поломаны, как на первой фотографии. Для этого, в запасе, как правило, имеется около 10 штук. Я пожаловался китайцу в письме и он бесплатно выслал мне еще 10 ячеек. Каждая ячейка давала 0,5 В и 4 А по заявлению китайских продавцов. То есть каждый модуль на 2 Вт. Для зарядки аккумулятора надо иметь напряжение выше 14,4 Вольта, то есть надо объединить ячейки последовательно. Смотря на заводские панели и пользуясь практикой многих самодельщиков, было решено объединить на одном стекле две цепочки по 36 элементов, получая 18 Вольт и 8А в пике. То есть одна панель могла принести до 144 Вт энергии, чего никогда не случалось. Причины рассмотрим позже, но пока изготовление.
Процедура проста. Припаиваем шинки:



Готовим стекло с рамкой:



Укладываем, спаиваем, выводим шины и припаиваем провода, а потом заливаем специальным компаундом, чтобы герметизировать все пластины. Народ заливал герметиком, различными мастиками, мне понравился готовый компаунд производства компании в Санкт-Петербурге. Приятно, что производство российское, поэтому отдавать деньги было не жалко, да и результат приятно порадовал. На выводы контактов хорошо бы приладить герметичную коробку с диодом, который будет препятствовать падению мощности системы при последовательном подключении, если одна из батарей окажется затемненной. Коробка шла в комплекте с ячейками.





В итоге я получил две солнечные панели с расчетной мощностью 288 Вт.



Но тут есть масса условностей. При нагревании солнечной панели ее КПД падает даже от расчетного процентов на 20. Кроме того, влияет непропай элементов и микротрещины, которые неизбежно возникают при пайке. В результате замеров на летнем солнце я получил 40 Вт с каждой панели, то есть результат в три раза меньший от ожидаемого. Цена такой панели вышла около 6000-6500 рублей, в то время как заводские панели с доставкой обходились в 7000-7500 рублей. Так я закончил самодеятельность и в дальнейшем покупал только заводские панели.

Выбор базового напряжения
Пожалуй это одно из первых решений, которое надо принять при проектировании солнечных батарей. Дело в том, что системы на солнечных батареях создаются с напряжением, кратным 12 — ведь большинство аккумуляторов имеют именно такое напряжение. Даже емкие батареи, собранные из ячеек по 2В, часто собирают на 12, 24, 36 или 48 Вольт. Тут надо вспомнить физику и формулу электрической мощности: P=U*I. Из нее следует, что при равной мощности, увеличивая напряжение, мы будем уменьшать ток. Вполне естественно, что уменьшение тока повлечет за собой снижение нагрузки на элементную базу и снижение сечения проводов, но и бесконечно увеличивать напряжение нельзя. Тут существует следующая проблема: постоянный ток, в отличии от переменного при повышении напряжения выше 36 Вольт является куда более опасным для человека. Если не углубляться в теорию, то от переменного тока с напряжением в 220В руку оторвать чаще всего можно, а вот от постоянного почти никогда нельзя. Вдобавок к этому за низкие напряжения можно проголосовать хотя бы потому, что 12В — это типичное напряжение автомобильного аккумулятора, а значит существует масса разнообразной техники, рассчитанной на это напряжение. Кроме того, наращивание аккумуляторной емкости возможно простым добавлением в параллель обычных аккумуляторов, в то время как с большим напряжением пришлось бы покупать аккумуляторы парами, тройками или четверками. Есть и еще один неприятный момент в последовательном соединении аккумуляторов: разбалансировка ячеек, которая приводит к выходу из строя сначала одной ячейки, потом целого аккумулятора и всей цепочки, если вовремя не отследить проблему.

Мой выбор: 12 В

Выбор контроллера заряда от солнечных батарей
Существует два основных типа контроллеров: PWM или ШИМ-контроллер и MPPT или Maximum Power Point Tracking — Слежение за Точкой Максимальной Мощности.
Первый тип максимально простой и знакомым с ШИМ объяснять не нужно, а для остальных максимально просто: по достижению максимального уровня заряда аккумулятора, контроллер пульсацией выдает ток на аккумулятор, не позволяя тому перезарядиться. Плюс такой схемы: простота, а значит, низкая стоимость. Минус: можно подключать батареи, номинал напряжения которых совпадает с номиналом напряжения аккумулятора.
MPPT контроллеры сложнее, дороже, но обладают огромным преимуществом: солнечные батареи можно соединять последовательно, тем самым повышая напряжение в цепи до контроллера и снижая ток, что позволяет использовать более тонкие провода и снижать потери на передачу энергии до контроллера. Да и КПД таких контроллеров выше, потому что они с определенной периодичностью сканируют токи при различных напряжениях и выбирают точку максимальной мощности. Отсюда и название. 

К собственным панелям я купил китайский PWM-контроллер, дающий заряд до 30А, то есть 360 Вт при напряжении 12В или 720 Вт при напряжении 24В. Но так как система выбрана на 12В, то предел — это 30А или 3 солнечных панели, подключенных параллельно. 



К нему добавил заказанный оттуда же вольтметр и амперметр, чтобы видеть в каком состоянии находится аккумулятор и какой заряд поступает в батареи. Аккумулятор был выбран самый дешевый свинцово-кислотный, емкостью в 190 Ач, поскольку я еще верил, что мне вот-вот подключат сетевое электричество. 

Выбираем инвертер
Переходим к самому занимательному пункту нашей системы. Начнем с того, что инверторы, помимо мощности, легко делятся на два типа: с чистой синусоидой на выходе и модифицированной синусоидой ( также упоминается аппроксимированной синусоидой или меандром). Первые выдают чистый синусоидальный сигнал, вторые же обладают ступенькой на графике:



Для большинства техники никакой разницы нет, да и если подключить простой вольтметр, то его показания будут примерно одинаковы. Но если сравнить цены на оба типа устройств одинаковой мощности, окажется, что цена отличается на порядок. Надо ли платить за чистый синус и для чего он нужен? Как показала практика, большинство устройств легко уживаются с модифицированной синусоидой, хотя некоторые двигатели, к примеру, компрессоры холодильников, начинают греться больше и повышается риск преждевременного выхода из строя. Кроме того, если подключить к модифицированной синусоиде аудиоаппаратуру, будет слышен заметный шум, что совсем не радует, когда хочется наслаждаться хорошим звуком. Из собственного опыта могу сказать, что от модифицированной синусоиды отказалась работать только стиральная машина — все остальные приборы успешно работали. Если же есть сумма на хороший инвертер, то стоит выбрать чистый синус, если остальные приборы чувствительны к чистоте сигнала. 

Подбираем мощность инвертора
В этом вопросе очень много нюансов, которые влияют на выбор инвертора. Действует правило: суммируется вся планируемая нагрузка по мощности и умножается на два. К примеры: 4 лампы по 60 Ватт+стиральная машина 800 Ватт+ ноутбук 80 Ватт+Холодильник 100 Ватт+телевизор 50 Ватт. Казалось бы, максимальное потребление составляет 240+800+80+100+50= 1270 Вт и достаточно взять инвертер на 1300-1500 Вт, но! Различные нагрузки ведут себя по разному. К примеру, стартовый ток холодильника может достигать десятикратного значения во время старта, а значит он потребует 1 кВт мощности мгновенно, а если в это время будет включен свет и стиральная машина, то инвертер просто выпадет в ошибку, если не сгорит. Кроме того, китайские инверторы такого типа на 1500 Вт оказались неспособны запустить холодильник с номинальной мощностью в 100 Вт потребляемой энергией. Был проведен опыт, когда холодильник стартовал от генератора, а потом быстро переключался на инвертер с помощью переключателя фаз. Так удавалось питать холодильник от китайского инвертора на 600 Вт — варварство, сложно, но работало. Беда в одном: второй раз запустить холодильник такой инвертер не в состоянии. Обман заключался в том, чтобы выставить настройки холодильника на максимальный мороз. И холодильник морозит до тех пор, пока не будет отключен. Так можно наморозить за световой день продукты, а на ночь отключать его.
Итак, мощность инвертора должна быть такой, чтобы обеспечивать двукратный запас потребления ваших обычных приборов или десятикратный для запуска двигателей. 

Мой выбор: два китайских инвертора мощностью 1000 и 600 Вт.

Дублирование
При выборе дешевых и простых комплектующих лучше сразу закладываться на дублирование систем. Это позволит не остаться без электричества в случае выхода из строя какого-либо элемента. Такая перестраховка не будет стоить дорого, но обеспечит душевное спокойствие и стабильное питание. 

В целом, первый набор автономки выглядел так:
1. Две самодельные солнечные батареи с суммарной мощностью 80 Вт
2. PWM- контроллер заряда аккумулятора с максимальным током до 30А
3. Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 190 Ач
4. Инвертер на 600 Вт и 100 Вт с модифицированной синусоидой

Схема работающей бюджетной автономки выглядит так:



Обратите внимание, что инвертор подключается напрямую к аккумулятору, даже если он потребляет всю мощность солнечных батарей. Кроме того, надо избегать обрыва питания контроллера при подключенных солнечных батареях, ибо это грозит выходом из строя контроллера.
Первый год моя солнечная автономка просуществовала именно в таком виде и позволяла заряжать гаджеты, вечерами оставаться со светом и в яркие солнечные дни работать электроинструментом, вроде дрели или электролобзика.

Материал получился больше, чем ожидалось, поэтому вторую версию солнечной автономки, которая стоила чуть больше, но позволяла пользоваться мощным электроинструментом, задействовать насосную станцию, да и вообще отказаться на лето от бензогенератора я опишу в следующей статье. Чем отличается хороший китай от европейского китая? Стоит ли покупать дорогую технику через Ebay? А также дам ответ на главный вопрос: стоило ли оно того? Прошу задавать конкретизирующие вопросы, на которые я отвечу в следующей части.  опубликовано 

Источник: habrahabr.ru/post/251449/