Электроснабжение от автономных источников | Perpetuum mobile: «свободная энергия» и вечные двигатели.

Широко распространённые источники даровой энергии, непосредственно вырабатывающие электричество (а ими на данный момент являются главным образом ветрогенераторы и панели фотоэлементов) обычно выдают низковольтное постоянное напряжение. Как правило, его номинал кратен 12 В, но в зависимости от текущего соотношения выработки и нагрузки отклонения от номинала могут превышать 50% как в бóльшую, так и в меньшую сторону. Между тем для использования в быту наиболее удобен стандартный переменный ток (~220В±10%). Кроме того, и солнечный свет, и ветер постоянно меняются в течение суток и со сменой сезонов, поэтому необходимо организовать накопление и хранение энергии для использования в периоды её дефицита или полного отсутствия. В связи с этим все системы электроснабжения, использующие эти даровые источники, содержат 4 основных компонента — первичный преобразователь (ветроколесо с генератором или фотоэлектрические панели), контроллер заряда, аккумуляторы и инвертор, преобразующий низковольтный постоянный ток к бытовому стандарту (~220В). Вроде бы ничего сложного. Однако эта простота обманчива, — здесь, как и в любой системе, все элементы должны быть сбалансированы между собой. В большинстве случаев несбалансированность обернётся лишь неоправданными затратами на неиспользуемый потенциал, но иногда может привести к выходу из строя самого слабого элемента, а то и к более тяжким последствиям, вплоть до взрыва аккумуляторов и пожара.

Вполне естественно, что из-за особенностей воспринимаемой и преобразуемой энергии первичные источники электроэнергии (скажем, ветрогенератор или солнечная батарея) могут быть абсолютно непохожи друг на друга. Контроллеры заряда, нормализующие вырабатываемый ток к номинальному низковольтному постоянному напряжению, тесно связаны с особенностями первичных источников и потому также не могут быть полностью унифицированы. Но вот принципы подбора аккумуляторов и инверторов уже крайне слабо зависят от вида первичной энергии (здесь важен лишь предполагаемый период отсутствия даровой энергии, определяющий необходимый энергозапас аккумуляторов). Одинаковы и принципы, по которым предполагается использование даровой энергии и, соответственно, режим и комфорт её применения. Такие универсальные аспекты и вынесены на эту страницу. Более того, они подходят и для любых других систем, построенных на низковольтных источниках постоянного тока, скажем, для маломощных гидроагрегатов, вращающих автомобильные электрогенераторы и т.п.

Определение потребностей

Прежде всего следует выяснить, какое количество энергии потребуется от системы. Для этого придётся определить пиковую мгновенную мощность, а также рассчитать две величины ожидаемого суточного энергопотребления — его максимальное и среднее значения.

Пиковая мгновенная мощность определяется суммарной мощностью всех энергопотребителей, которые могут быть включены одновременно, то есть наихудшим случаем с точки зрения нагрузки на сеть. Однако это не значит, что следует тупо просуммировать мощность всех электроприборов в доме. Некоторые из них принципиально не будут работать одновременно (скажем, снегоуборщик и газонокосилка используются в разные сезоны, также как один человек не сможет работать сразу и перфоратором, и болгаркой). Большинство других электроприборов тоже включается поочерёдно. Более того, не очень сложно перед включением мощного электроприбора (скажем, утюга) убедиться в том, что электрочайник в данный момент выключен — это позволит не тратиться на избыток мощности, который в реальности окажется востребованным лишь пару раз за год, и то на несколько минут. Зато должны быть учтены все автоматически включающиеся мощные потребители (например, электрические тёплые полы или подогрев воды в бойлере) и потребители, работающие в длительном режиме (освещение, компьютер, телевизор) — вероятность их одновременной работы высока. В результате требования к максимальной мгновенной мощности снижаются во много раз, и вместо десятков киловатт, необходимых при одновременном включении всей имеющейся электротехники, обычно вполне достаточно 3-6 кВт, что при сетевом напряжении 220 В соответствует предохранителю-автомату на 16-32 А.

А вот определить ожидаемое суточное энергопотребление сложнее. Оно зависит от того, в каком режиме планируется использовать создаваемую систему электроснабжения.

Режимы автономного электроснабжения

Я бы выделил следующие режимы использования системы автономного электроснабжения: полный, комфортный, умеренный, базовый и аварийный. При одном и том же наборе потребителей электроэнергии для разных режимов требования к мгновенной мощности и энергозапасу системы (а значит, её цена, вес и размеры) могут различаться во много раз.

Полное электроснабжение

Как следует из названия, этот режим подразумевает полную замену сетевого электроснабжения на автономное без какого-либо ограничения привычного стиля жизни. Чтобы определить необходимое количество энергии, достаточно понаблюдать за электросчётчиком или просто посмотреть на свои ежемесячные платежи за электричество. Для меня это от 100 до 300 кВт·ч в месяц, то есть среднесуточное потребление от 3 до 10 кВт·ч при пиковом потреблении до 20 кВт·ч в сутки. Если же достаточно интенсивно используется электроподогрев полов и воздуха (хотя основное отопление, конечно, не электрическое), то месячное потребление у меня легко может превышать 500 кВт·ч, а суточное — 50 кВт·ч. При этом входного автомата на 25 А вполне хватает, то есть одновременно потребляемая мощность не превышает 5 .. 6 кВт.

Таким образом, чтобы полностью отключиться от электросети, но ни в чём не менять нынешней образ жизни, мне необходима система, способная за месяц выдать не менее 600 кВт·ч электроэнергии при мощности в длительном режиме не менее 5 кВт, а потребление энергии за сутки может достигать 50 кВт·ч при среднем значении от 10 до 20 кВт·ч в сутки. Ваши цифры могут быть другими. Например, активное использование электроплиты и электродуховки легко увеличит приведённые цифры вдвое, а если Вы любите попариться в бане или в сауне с электрокаменкой, а в доме имеется две-три сотни квадратных метров пола с электроподогревом, требования к электроснабжению могут возрасти и на порядок! С другой стороны, принципиальный отказ от использования электронагревателей, электроплит и электрочайников вполне способен сократить месячный расход энергии до 100 .. 150 кВт·ч, дневное потребление до 5 кВт·ч и максимальную мощность, потребляемую в длительном режиме, до 3 кВт. Если же Вы используете электричество только для питания ноутбука и для пары энергосберегающих ламп по вечерам, то расход будет совсем мизерным. Но лично я такое потребление электричества считаю аварийным режимом.

Комфортное электроснабжение

Комфортное электроснабжение отличается от полного лишь исключением самых прожорливых потребителей — тех электронагревателей, у которых мощность превышает 2 кВт или среднее энергопотребление за сутки превышает 4 .. 5 кВт·ч. Таким образом, стиральные машины, электроутюги, хлебопечки, электрочайники и даже электроподогрев полов в санузлах вместе с электробойлерами горячего водоснабжения продолжают оставаться в системе, а вот электроплиты, электродуховки, конвекторы и электроподогрев обширных площадей исключаются. Что, конечно, не мешает подключить их к внешней сети отдельной линией.

У меня комфортный режим потребует от 100 до 250 кВт·ч в месяц (среднесуточное потребление от 3 до 8 кВт·ч) при пиковом потреблении до 15 кВт·ч в сутки, а мгновенная потребляемая мощность в длительном режиме не превышает 5 кВт.

Умеренное электроснабжение

Этот режим предполагает заметные изменения в образе жизни при сохранении высокого уровня комфорта. Впрочем, список потребителей мало отличается от режима комфортного энергоснабжения, за исключением таких необязательных элементов, как электрочайники и электроподогрев полов. Использование электроподогрева горячей воды тоже может быть ограничено. Помимо этого, изменения касаются и времени выполнения не очень регулярных, но энергоёмких работ. Чтобы сэкономить на ёмкости аккумуляторов, такие работы надо выполнять в периоды максимума даровой энергии (для солнечных батарей — не ночью и не в пасмурную погоду, а в солнечные ясные дни, когда поток солнечной энергии максимален и частично компенсирует разряд аккумуляторов, а то, что разрядилось, будет восполнено до наступления темноты; для ветрогенераторов оптимальными, соответственно, будут ветренные дни, а не штиль). К таким работам, например, относится большая стирка, особенно в машине-автомате с подогревом воды, глажка большого количества белья, активная работа с мощным электроинструментом и садовой электротехникой и т.п.

В этом режиме потенциальный расход электроэнергии следует просчитывать уже более тщательно. Для этого надо составить таблицу наподобие следующей.

Обратите внимание на две категории регулярных потребителей. К первой я отнёс те, которые трудно или некомфортно заменить ручным трудом или выполнить их работу с помощью устройств, не требующих электричества. Ко второй отнесены те, что в принципе в данный момент работают на электричестве, но довольно легко заменяются на неэлектрические аналоги (скажем, электробойлеры можно заменить газовой водогрейной колонкой, в том числе газобаллонной, или водогрейным котлом на дизельном топливе; если же ориентироваться на безтопливную энергию, то в течении большей части года достаточно успешно для водоподогрева можно использовать современные солнечные коллекторы на вакуумных трубках, тепловая эффективность которых в несколько раз выше, чем у солнечных батарей, а для компенсации неравномерности солнечного света — не только суточной, но и погодной в пределах двух-трёх дней — можно установить бак для нагретой воды объёмом 250-500 литров с мощной теплоизоляцией). Наконец, в отдельную группу выделены эпизодические потребители электроэнергии, работу большинства из которых вполне можно заменить ручным трудом или подождать солнечных дней, чтобы включить их.

Кроме того, для некоторых потребителей пришлось раздельно оценить их работу зимой и летом, поскольку особенности разных времён года оказывают очень большое влияние на их использование. При этом если для оценки зимнего режима следует ориентироваться на дни зимнего солнцестояния (конец декабря) или дни с наибольшими морозами (обычно в конце января), то для оценки летнего режима надо брать не летнее солнцестояние (конец июня), а тёплый период с более короткими и прохладными днями, скажем, август или начало сентября.

Итак, подведём итог для умеренного режима. Если исключить регулярных потребителей второй очереди (чайник и водонагреватели), то следует ориентироваться на ежемесячное потребление порядка 150 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме до 3 .. 3.5 кВт и пиковой мощности до 5 кВт, а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 4 .. 6 кВт·ч с возможным максимумом до 11 кВт·ч в сутки.

Если же учесть регулярных потребителей второй очереди, то оценка потребностей приближается к соответствующим оценкам для комфортного режима, что вполне естественно — по сути это и будет комфортный режим, лишь некоторые работы надо планировать с учётом прогноза погоды. Впрочем, в умеренном режиме электрические водонагреватели можно подключать по остаточному принципу — в дни, когда даровая энергия в избытке, они также питаются ею, однако когда её мало, отключаются от этого источника. Это позволит заметно повысить комфорт и сэкономить топливо, по крайней мере в период длинных дней, но потребует постоянного контроля за погодой (вручную либо с использованием специальных технических решений). Кстати, если есть возможность регулировать в электробойлере мощность нагревателя (не путать с температурой нагрева!), то я предпочитаю выбирать минимальную — это увеличивает время нагрева воды, но зато снижает требования к мощности электроснабжения и при достаточном объёме бойлера практически не оказывает влияния на температуру воды в кране. Впрочем, и температуру нагрева в бойлерах большого объёма лучше ставить не очень высокую — +50°С или даже чуть ниже, — это сокращает теплопотери в режиме ожидания при отсутствии разбора и несколько уменьшает образование накипи (в бойлерах малого объёма температуру нагрева всё равно приходится держать высокой, а при использовании смешивать горячую воду с большим количеством холодной, чтобы горячая вода не кончилась слишком быстро).

Базовое электроснабжение

В этом режиме особенности энергопотребления очень существенно влияют на стиль жизни. Это влияние прежде всего заключается в постоянном учёте текущей нагрузки на автономное энергоснабжение и в необходимости включения всех более-менее мощных потребителей не одновременно, а поочерёдно. Кроме того, в этом режиме следует постоянно помнить об экономии, в частности включать свет только там, тогда и столько, где, когда и сколько он действительно нужен. То же касается и всех остальных электроприборов. Тем не менее, невзирая на все оговорки, в этом режиме всё же можно поддерживать достаточный уровень комфорта и использовать практически всю домашнюю электротехнику, однако время включения энергоёмких потребителей в значительной степени определяется погодой, — все энергоёмкие работы следует проводить только в периоды максимума даровой энергии (для ветрогенераторов в ветренные дни, а для солнечных батарей — в ясную погоду и, желательно, до обеда, чтобы к вечеру заряд аккумуляторов восстановился до максимума).

Как видно, в базовом режиме допускается не только круглогодичная работа холодильника, но и довольно широкое использование таких «излишеств», как телевизор, ноутбук, кухонная техника и даже фен. Тем не менее, «нормативы» такого использования существенно снижены по сравнению с умеренным режимом, а все нагревательные приборы исключены, и это даёт заметную экономию (роскошью считается и электрический подогрев воды в стиральной машине — это весьма энергоёмкий процесс). В этом случае ежемесячное потребление я оцениваю в 100 кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме около 1 кВт с пиковым потреблением до 2.5 кВт, а в моменты использования электроинструмента — до 4 кВт, при ожидаемом среднесуточном потреблении 3 .. 4 кВт·ч с максимумом до 7 кВт·ч в сутки.

В общем, подводя итог, можно сказать, что базовый режим способен удовлетворить все основные потребности без их кардинального сокращения, но присущие ему ограничения вынудят многих относится к нему не как к основному повседневному варианту, а как к комфортной версии аварийного режима, с которой, тем не менее, вполне можно жить в течении долгого времени.

Аварийное электроснабжение

Аварийный режим подразумевает жёсткое ограничение потребностей, однако в отличие от предыдущих случаев предполагается, что автономная работа в таком режиме продлится не более нескольких дней подряд, поэтому многие энергоёмкие электроприборы можно вообще не использовать до восстановления обычного энергоснабжения. Задача аварийного энергоснабжения — обеспечить минимальные удобства и функционирование важнейших систем жизнеобеспечения дома. Естественно, я имею в виду индивидуальный дом, поскольку в многоквартирном доме в частном порядке это практически невозможно из-за централизации таких критически важных коммуникаций, как водоснабжение, канализация и отопление. Таунхаусы и другие псевдоиндивидуальные формы домовладения также, как правило, полностью снабжаются через централизованные коммуникации и потому столь же уязвимы.

Жизненно важными потребностями я считаю прежде всего электрическое освещение, а также функционирование системы водоснабжения (хотя бы холодного) и в холодное время года — отопления. Если в канализации и дренаже используются электронасосы, их тоже надо будет учесть в расчёте.

Приемлемой альтернативы электрическому освещению нет — свет даже 40-ваттной лампы накаливания (или её аналогов — 9-ваттной энергосберегающей либо 5-ваттной светодиодной лампы) гораздо ярче и равномернее, чем свет пары десятков свечей. А 20 свечей — это много. Чтобы просто зажечь или погасить такое количество свечей, может потребоваться одна-две минуты. Любое движение воздуха заставляет пламя колебаться и мерцать, а случайный сквозняк вполне способен задуть их. Поднять свечи к потолку, чтобы осветить всю комнату, в современном доме не на чем, да и отделочные материалы сейчас редко рассчитаны на близость открытого огня. Хороший свет дают газовые туристические фонари, но запаса топлива у них хватает не очень надолго, и пополнить его до ликвидации аварии вряд ли удастся. Впрочем, относительно небольшой срок действия и невозобновимость запасов в период аварийной ситуации относятся и ко всем остальным «огненным» источникам света — от свечей до керосиновых ламп. Пожароопасность осветительных систем, использующих горение, общеизвестна. Наконец, все они выжигают кислород в помещении, что особенно заметно зимой, когда проветривание минимально.

Необходимость водоснабжения и отопления очевидна. Впрочем, минимум воды для умывания и готовки ещё можно натаскать ведром из колодца (конечно, если он есть поблизости). Но подавляющее большинство современных систем отопления рассчитаны не на естественную конвекцию теплоносителя, а только на принудительную циркуляцию с помощью насоса, и потому даже если сам подогрев осуществляется дровами, газом или дизельным топливом, то дом всё равно прогреваться не будет и замерзнёт, котёл же при отсутствии циркуляции, наоборот, рискует перегреться. Автоматика современных отопительных систем без электричества обычно также не работает. А в морозы выход отопительной системы из строя на несколько дней чреват полной непригодностью дома для жилья на весь остаток зимы и последующим тотальным ремонтом.

Для других важных потребностей есть альтернативы. Например, без пылесоса вполне можно обойтись — веники, щётки, тряпки и выбивалки есть почти в каждой семье. Со стиральной машиной сложнее. Я знаю многих, кто, будучи поставлен перед выбором, предпочёл бы принести несколько вёдер воды сам, а на сэкономленном электричестве «прокрутить» грязную одежду в стиральной машине, нежели накачать воду электронасосом, зато стирать в тазике вручную (конечно, речь идёт о машинной стирке без подогрева воды — электроподогрев в условиях жёсткого лимита электричества исключён). А вот с глажкой вариантов нет — если её нельзя отложить до лучших времён, то электроутюг незаменим, так как тяжёлые утюги, которые можно было нагревать на газовой или дровяной плите, уже давно большая редкость, а утюги с разогревом от углей остались лишь в музеях (в аварийный период глажка может оказаться актуальной не столько из-за своей декоративной функции — в это время обычно есть проблемы поважнее мятой одежды, — сколько по санитарно-дезинфекционным причинам, особенно при отсутствии горячей воды).

Итак, в данном варианте всё, что не жизненно важно, выключено и не включается, в том числе не используется телевизор, а зимой — и холодильник (летом использование холодильника также предполагается более осторожным и редким, что способствует экономии электричества). В этом случае ежемесячное потребление составит 50 кВт·ч зимой и 60 кВт·ч летом при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме примерно 600 Вт с пиковым потреблением до 1.5 кВт (в моменты использования электроинструмента — до 2.5 .. 3 кВт), а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 1.5 .. 2 кВт·ч и не превышает 6 кВт·ч, хотя за счёт разнесения энергоёмких работ на разные дни вполне реально ограничить дневной максимум до 3 .. 4 кВт·ч.

С учётом малого общего расхода энергии здесь на первый план выходит собственное потребление системы, которое даже в выбранном очень экономичном варианте (всего 25 Вт) достигает трети от общих энергозатрат! Однако относительно небольшая мощность потребителей позволяет ограничить мощность инвертора парой-тройкой киловатт (и, возможно, обойтись более экономичным на холостом ходу «модифицированным синусом»), поэтому оценку собственного потребления инвертора в 20 Вт здесь можно считать достаточно реальной.

И в заключение обсуждения аварийного варианта будет уместно сказать пару слов о моём отношении к бензиновым генераторам. С одной стороны, аварийный генератор мощностью менее 2 кВт, на мой взгляд, смысла не имеет — его мощности хватит лишь для освещения и минимума маломощных потребителей вроде вибрационного насоса и небольшого холодильника, но не хватит для многих современных электроинструментов и бытовой техники. С другой стороны, мощность более 2.5-3 кВт тоже востребована не часто (если, конечно, не подключать к такому генератору несколько мощных потребителей одновременно, но тогда и 5 кВт может не хватить). Таким образом, оптимальная мощность аварийного генератора, если нет каких-то особых требований, лежит в пределах 2 .. 3 кВт — бóльшая мощность нужна крайне редко, а расход бензина растёт практически пропорционально номинальной мощности генераторов. По своему опыту могу сказать, что в сутки одного-двух часов работы генератора с номинальной мощностью 2.2 кВт достаточно для всех хозяйственных задач (основные из них — это накачивание воды и набор холода холодильником), причём избыток вырабатываемой энергии позволяет за это время даже нагреть до 70°С 10 литров воды в маломощном кухонном бойлере. В остальное время электричество необходимо лишь для освещения, ну ещё для телевизора или компьютера, на это обычно надо от 50 до 250 Вт. И периодически ненадолго включается холодильник, редко потребляющий более 200 Вт (если же холодильник не открывать, то, раз охладившись, даже без электричества он вполне способен сохранить достаточный холод в течении весьма длительного времени — от 6 до 12 часов и более, в зависимости от температуры снаружи, количества продуктов внутри и качества теплоизоляции). Ночью электричество нужно лишь для потенциальной возможности включить свет, если в темноте вдруг потребуется куда-нибудь сходить, и изредка для холодильника, — то есть потребление вообще мизерное. Однако расход топлива у маломощных генераторов под полной нагрузкой и на холостом ходу обычно различается всего раза в два, а то и меньше. Таким образом, за сутки непрерывной работы типовой генератор мощностью 2.5 кВт сжигает как минимум 20 литров бензина, бóльшая часть которого расходуется совершенно непроизводительно, а генератор вырабатывает не столько электричество, сколько шум и выхлопные газы (кстати, это ещё одна проблема — в хорошую погоду ничто не мешает просто поставить генератор подальше от дома, но когда на улице дождь или снег, поиск подходящего места для генератора может оказаться непростой задачей). Поэтому если перебои с электричеством бывают пару раз в год по полдня, то аварийный генератор является оптимальным решением, но если это происходит раз в два-три месяца и может длиться по два-три дня, то при наличии достаточных средств стоит подумать об альтернативных вариантах решения проблемы аварийного энергоснабжения.

Сравнение режимов автономного электроснабжения

Сведём результирующие параметры разных режимов автономного электроснабжения в одну таблицу.

Особенности летнего и зимнего потребления в большинстве случаев взаимно нивелируются — из подробных таблиц видно, что летнее сокращение потребностей в подогреве и освещении компенсируется возрастанием затрат на охлаждение, полив и работу с садовой техникой. Тем не менее, зимнее потребление всё же несколько больше летнего. Исключение составляет лишь аварийный режим, в котором из-за холодильника летнее потребление превышает зимнее. В таблице указаны данные для сезона с наибольшим потреблением. Следует заметить, что все режимы если и предусматривают электроподогрев, то очень небольшой, основное отопление предполагается за счёт неэлектрических источников тепла.

Максимальная непрерывная круглосуточная мощность позволяет оценить допустимую суммарную мощность постоянно работающих потребителей, таких как циркуляционные насосы, системы контроля и управления и пр. Сюда же входит и мощность, потребляемая оборудованием самой системы энергоснабжения — контроллерами и инверторами. Следует заметить, что если такие круглосуточные потребители будут «выбирать» весь лимит, то на другие нужды, в том числе на освещение, телевизоры и компьютеры, ничего не останется (напомню, что в своём расчёте на круглосуточное потребление я закладывал всего 25 Вт, необходимых для нужд системы)!

Мгновенная мощность определялась по сумме номинальных мощностей. Между тем, для электромоторов потребляемая мощность соответствует номинальной лишь при полной нагрузке, а если нагрузка мала, то потребляемая мощность также уменьшается. С другой стороны, при включении нагревательных устройств и тех же электромоторов потребляемая мощность на короткое время может превышать номинальную в два раза и более.

Данная таблица подводит итог оценки энергопотребностей, и при оценках возможностей даровых источников я буду опираться именно на эти данные. Но эти данные я рассчитывал «под себя», и в каждом конкретном случае их надо считать индивидуально, исходя из имеющейся техники, собственных подходов к её использованию и сложившихся привычек. Однако методика расчёта та же самая.

Выбор оборудования

Как уже говорилось, в состав систем автномного электроснабжения на источниках даровой энергии входят следующие категории устройств.

Схема системы автономного электроснабжения на солнечных батареях.

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

Выбор напряжения системы

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

Большинство инверторов рассчитаны на входной постоянный ток напряжением 12, 24, 48 или 96 В, а в последнее время довольно массово начинает появляться оборудование, рассчитанное на 36, 72 и 144 В. Такая широкая линейка напряжений постоянного тока не случайна — выбор тесно связан с необходимой мощностью системы. Дело в том, что уже для обеспечения мощности в 1 кВт при напряжении 12 В необходим ток в 83 с лишним ампера! Если же учесть потери инвертора, которые могут достигать 15%, то ток вплотную приближается к 100 А. Подобные и даже в 2-3 раза бóльшие токи характерны для автомобильного стартёра, но там они протекают редко и недолго. Здесь же они могут течь в длительном, практически постоянном режиме. В результате сечение провода должно быть очень большим — для медного провода не менее 25 мм² (диаметр около 6 мм), — а сами провода должны быть как можно более короткими (не более метра-двух, а лучше постараться уложиться в 30 .. 50 см). В противном случае в них будут слишком большие потери энергии, тратящейся на их нагрев, который не просто бесполезен, а откровенно вреден и даже опасен. При мощности 10 кВт ток, соответственно, возрастёт до 1000 А, а минимально допустимое сечение провода увеличится уже не в 10, а более чем в 20 раз из-за проблем с отводом тепла из середины жилы — это должен быть медный пруток диаметром почти полтора сантиметра. Даже просто обеспечить компактное и надёжное соединение, позволяющее пропускать через него столь мощные токи в течении многих лет, весьма сложно. По этим причинам производители инверторов стремятся к тому, чтобы входной ток, потребляемый инвертором в режиме номинальной мощности, не превышал 100 .. 200 А, и при повышении мощности вынуждены поднимать входное напряжение.

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

Лично я предпочитаю оставаться в пределах 24 В, поскольку это напряжение вполне безопасно и подходит для номинальной выходной мощности инвертора в 3 кВт и даже до 5 кВт, — а этого вполне достаточно практически для всех потребителей, встречающихся в обычном домашнем хозяйстве. Если же требуется запитать одновременно несколько мощных потребителей, то может быть оправдано их подключение к двум или более инверторам одновременно — каждого к своему отдельной линией — при том, что номинальная мощность каждого инвертора не превышает 3 .. 6 кВт, а входное напряжение остаётся в пределах 24 В (кстати, это позволит системе продолжать работу и в случае внезапного выхода из строя одного из инверторов — оставшийся обеспечит необходимое напряжение в сети, хотя за мощностью нагрузки, конечно, нужно будет следить более тщательно). И лишь тогда, когда мощность одного потребителя превышает выходную мощность одного инвертора, придётся взять более мощный инвертор и, следовательно, перейти на более высокое напряжение постоянного тока.

Постоянное напряжение 36 В при одной и той же мощности требует в полтора раза меньших токов чем 24 В и также считается достаточно безопасным, но для него гораздо труднее найти стандартное электрооборудование (обычно наиболее актуальны такие устройства, как реле, генераторы и электродвигатели) и различные аксессуары (вентиляторы, насосы и пр.), поскольку этот стандарт напряжения не имеет такого широкого распространения, как 24 В (промышленный низковольтный стандарт 36 В подразумевает переменный ток, а это совсем другое дело, хотя электронагревательные приборы и лампы накаливания можно использовать и с постоянным током).

В заключение следует отметить, что традиционно к «низковольтным» (то есть практически безопасным) относятся напряжения как раз до 36 В, но реально в системе с таким номиналом на некоторых стадиях зарядки напряжение на блоке аккумуляторов может достигать 43-45 В, а это уже заметно превышает «границу низковольтности». Наконец, необходимо иметь в виду, что последствия электротравм от постоянного тока в силу его особенностей часто бывают намного тяжелее, чем от переменного тока с тем же действующим напряжением, и особенно сильно эта разница проявляется как раз при относительно невысоких напряжениях (50-250 В).

Выбор инвертора

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

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

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

Во-вторых, это КПД инвертора. Чем он выше, тем меньше непроизводительные потери энергии. Большинство современных инверторов имеет КПД более 90%. Правда, обычно потери указываются для номинальной мощности, а при малом потреблении они отнюдь не всегда уменьшаются пропорционально мощности нагрузки, и это может быть серьёзной проблемой.

В-третьих, это собственное потребление инвертора при работе на холостом ходу, то есть без какой-либо внешней нагрузки. Мощность собственного потребления инверторов может быть очень различной и сильно зависит не только от его номинальной мощности, но и от других особенностей, у действительно мощных моделей иногда достигая нескольких сот ватт. При работе в режиме максимальной мощности это составляет считанные проценты и потому малозаметно и вполне приемлимо, но если существенную часть времени инвертор будет работать с небольшой нагрузкой или вообще без неё, то этот фактор может оказаться решающим. Например, инвертор Power Start IR EP3200 5000W/24V с номинальной мощностью 5 кВт и возможностью выдавать в течение нескольких минут до 8 кВт, в реальной работе на холостом ходу потребляет до 250 Вт (всего 5% от номинальной мощности и чуть более 3% от максимальной), но это даёт 6 кВт·ч в сутки или около 200 кВт·ч за месяц, то есть практически равно всему остальному потреблению в комфортном режиме и существенно превышает потребление в аварийном, базовом и даже умеренном режимах). В то же время инверторы меньшей мощности той же серии (номинал 4 кВт, в форсированном режиме до 6.5 кВт) на холостом ходу потребляют всего 45 Вт, и это уже гораздо более приемлемо для систем с относительно небольшой суммарной мощностью первичного источника энергии (менее 5 кВт). Столь существенные различия в данном случае вызваны именно разными выходными трансформаторами (кстати, разница в весе между этими моделями, главным образом тоже по этой причине — свыше 15% или более 6 кг) — увы, повышенная мощность требует увеличенных габаритов трансформатора, а это, в свою очередь, снижает эффективность катушек и увеличивает их собственные потери. К тому же в данном случае выработка «чистого синуса» потребовала установки на выходе инвертора относительно малоэффективного и громоздкого мощного низкочастотного трансформатора на 50 Гц вместо гораздо более компактных и эффективных высокочастотных катушек, допустимых для «модифицированного синуса».

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

В-пятых, чем подробнее индикация, тем лучше. Весьма желательна возможность контроля как входного напряжения (на аккумуляторах), так и выходного (в розетке), а также текущей потребляемой и отдаваемой мощности (или тока). Кроме того, я считаю необходимым наличие защиты от перегрузки и от короткого замыкания в нагрузке.

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

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

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

Выбор аккумуляторов

Наиболее широко распространены аккумуляторы на 12 В, и именно из них обычно собираются аккумуляторные батареи на любое напряжение, кратное этой величине, в том числе наиболее популярные 24, 36, 48, 72, 96 и 144 В. Аккумуляторный блок системы автономного электроснабжения помимо напряжения характеризуется такими основными параметрами, как рабочая ёмкость, ток заряда и ток разряда.

Соединение аккумуляторов

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

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

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

В связи с этими ограничениями, чем ниже номинальное напряжение блока аккумуляторов, тем удобнее его обслуживать — в блоке на 12 В аккумуляторы можно заменять и добавлять по одному, на 24 В — только парами, на 36 В — тройками, на 48 В — сразу четвёрками, а на 96 В — лишь по 8 штук одновременно!

Выбор типа аккумуляторов

В настоящее время благодаря постепенному снижению цен мощные литий-ионные аккумуляторы начинают составлять реальную конкуренцию традиционным свинцово-кислотным. К их преимуществам можно отнести гораздо бóльшую удельную ёмкость, а следовательно, намного меньший удельный вес, что наряду с меньшими размерами является важнейшим фактором для мобильных систем. Кроме того, они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, и почти вдвое эффективнее свинцово-кислотных при работе в буферном режиме, а именно такой режим характерен для систем автономного энергоснабжения при компенсации кратковременных нехваток энергии. Однако они заметно дороже и более пожароопасны в случае механических повреждений или неправильных режимов зарядки-разрядки. Следует подчеркнуть, что для литий-ионных аккумуляторов требуются специальные зарядные устройства, и режим заряда свинцово-кислотных аккумуляторов им не подходит, а многие ныне выпускаемые контроллеры заряда рассчитаны только на свинцовые аккумуляторы. Так как для стационарных систем массо-габаритные характеристики часто второстепенны, то хорошее соотношение ёмкость-цена в сочетании с меньшей пожароопасностью вполне может перевесить более высокую энергетическую эффективность. Поэтому пока я буду продолжать ориентироваться на свинцово-кислотные аккумуляторы.

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

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

Предварительный выбор ёмкости. Рабочий и буферный энергозапас

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

Теперь оценим энергозапас аккумулятора. Возьмём, например, аккумулятор на 12 В с номинальной ёмкостью 100 А·ч. Если судить по номинальной ёмкости, то его энергозапас составляет 12 В · 100 А · 3600 с = 4.32·10⁶Дж, т.е. 1.2 кВт·ч. Однако обычно производитель гарантирует лишь около 250 циклов полного разряда, и если аккумулятор ежедневно «высасывать» до конца, то вряд ли он протянет более полугода. Чтобы аккумулятор прослужил 10 лет, степень регулярного разряда должна быть гораздо меньше (хотя раз в год допустимо и даже полезно провести полную разрядку аккумуляторов, сразу потом снова зарядив их полностью). Считается, что в так называемом «буферном» режиме работы, обеспечивающем наибольшую долговечность аккумулятора, глубина разряда не должна превышать 20% от номинальной ёмкости, т.е. в нашем случае 0.24 кВт·ч (для 12-вольтовых аккумуляторов остаточному заряду 80% примерно соответствует напряжение на клеммах 12.6 В). Впрочем, можно принять, что несколько раз за год при особо неблагоприятном стечении обстоятельств глубина разряда может превысить буферное значение раза в два — это не вызовет существенного сокращения срока службы, но позволит вдвое уменьшить количество аккумуляторов. Поэтому рабочую (т.е. расчётную для предельного случая) ёмкость аккумуляторов следует считать в 2.5 .. 3 раза меньше их номинальной ёмкости. Таким образом, на относительно небольшой нагрузке (ток разряда в пределах 5% от номинальной ёмкости) рабочий энергозапас одного аккумулятора на 100 А·ч можно считать примерно равным 0.5 кВт·ч, т.е. для обеспечения рабочей энергоёмкости блока аккумуляторов 2 кВт·ч следует взять 4 таких аккумулятора, соединив их в соответствии с выбранным низковольтным напряжением по одной из схем, показанных на рисунке выше. Для рабочей ёмкости 4 кВт·ч необходимо уже 8 таких аккумуляторов, т.е. число их сборок надо удвоить. При этом буферный энергозапас, используемый ежедневно, следует считать как минимум вдвое меньше рабочего — для 12-вольтовых аккумуляторов он будет 0.125, 0.25 и 0.5 кВт·ч при ёмкости 50, 100 и 200 А·ч соответственно.

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

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

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

Токи заряда и разряда. Окончательный выбор ёмкости

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

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

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

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

В настоящее время появляется всё больше моделей контроллеров заряда, позволяющих регулировать не только напряжение, но и зарядный ток в соответствии с ёмкостью блока аккумуляторов. В таких случаях максимальный зарядный ток уже не ограничивает сверху общую мощность первичных источников, но и стоимость таких контроллеров заметно выше, чем у более простых моделей. Для контроллеров, нерегулируемых по току, основным критерием выбора ёмкости аккумуляторов является допустимый ток заряда, так как именно он оказывает главное влияние на долговечность и безопасность их эксплуатации. Исходя из вышеприведённых цифр, суммарная ёмкость сборок аккумуляторов в ампер-часах должна в 5 .. 10 раз превышать максимальный суммарный ток (в амперах) всех работающих на них первичных источников (скажем, сборок фотоэлектрических панелей, — не отдельных аккумуляторов и панелей, а именно их сборок на номинальное низковольтное напряжение). А уже в этих пределах можно ориентироваться на необходимый запас энергии. Некоторые модели аккумуляторов позволяют расширить границы допустимого диапазона емкостей блока до 3 .. 20 раз от максимального вырабатываемого тока первичных источников.

У новых аккумуляторов ёмкость и время хранения обычно близки к заявленным значениям. Но при долговременной эксплуатации аккумуляторов эти величины могут заметно сократиться по сравнению с первоначальными. Поэтому если Вы желаете иметь гарантированный запас энергии в течении многих лет, следует увеличить ёмкость банка аккумуляторов относительно расчётной раза в полтора, а то и вдвое (обеспечив соответствующий ток зарядки). Кстати, такое увеличение ёмкости обеспечит и более щадящий режим рабочего разряда аккумуляторов, а это также положительно скажется на их долголетии.

Выбор проводов

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

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

В таблице указаны предельные токи, допустимые в длительном режиме для разных сечений изолированных проводов из различных материалов, а также приведены удельные потери напряжения на погонный метр провода и, в скобках, те же потери при предельном токе по нему (при уменьшении тока потери напряжения сокращаются прямо пропорционально силе тока, а омические потери мощности вычисляются перемножением тока на падение напряжения, то есть имеют квадратичную зависимость от силы тока).

Приведённые в таблице нормы старые, ещё советские, — для проводов с толстой тканево-резиновой изоляцией, обладающей довольно плохой теплопроводностью. Более современная пластиковая изоляция обычно обеспечивает лучший теплоотвод и позволяет пропускать бóльшие токи. Например, Орловский кабельный завод для медного провода ВВГбм всех модификаций в качестве предельного тока устанавливает 19.5 А при сечении 1.5 мм² и 26.3 А при сечении 2.5 мм², а это примерно на треть больше, чем в таблице. Однако я всё же рекомендую без крайней необходимости не выходить за рамки таблицы, поскольку она имеет «запас прочности», уменьшающий вероятность перегрева проводов в местах с плохим теплоотводом (в штробах, в защитной пластиковой гофре, в тесных коробах и кабель-каналах и т.п.).

Следует заметить, что алюминий «течёт» под механической нагрузкой и быстро окисляется, а железо имеет слишком большое сопротивление и легко ржавеет, поэтому их использование для передачи сильных токов крайне нежелательно, — ухудшение сильноточного контакта тут же ведёт к его перегреву, а перегрев ещё быстрее ухудшает контакт. Всегда старайтесь работать с медным проводом. Кроме того, нельзя допускать прямого стыка медных и алюминиевых проводников — малейшее увлажнение сразу запускает интенсивную электрохимическую коррозию и соединение быстро выходит из строя, а влага в воздухе есть всегда! Эти металлы должны соединяться только через сталь (с помощью «орешков» или хотя бы стального болта, на котором медь и алюминий разделены стальной шайбой или гайкой, при этом лучше, если сталь оцинкована). Наконец, важное значение имеет площадь контакта в зажимах, поэтому в бытовых применениях лучше использовать многожильные провода, а все соединения должны фиксироваться хорошо затянутыми винтами. Помимо надёжной фиксации затяжка винта «плющит» провод и обеспечивает увеличенную площадь контакта (если зажимной винт непосредственно «вкручивается в провод», на зачищенный конец многожильного провода лучше надеть специальную гильзу, если же винт не касается самого провода, а лишь притягивает зажимную пластину, то для лучшего контакта следует, наоборот, слегка «распушить» зачищенный участок провода по всей ширине этой пластины).

Пайка для сильноточных соединений не рекомендуется. Если всё же решено паять, то, помимо тщательного прогрева спаиваемых поверхностей (а при сечении жилы более 10 мм² теплотвод по ней очень велик, так что даже 100-ваттного электрического паяльника может оказаться недостаточно, и лучше использовать газовый паяльник или горелку), необходимо обеспечить большое сечение сильноточного соединения за счёт достаточно длиного «нахлёста» проводников в месте пайки, — сечение спая должно как минимум в 10, а лучше в 15 .. 20 раз превышать сечение соединяемых медных проводов. В противном случае из-за гораздо более высокого сопротивления оловянно-свинцового припоя паяное соединение будет перегреваться — вплоть до его расплавления. По той же причине не стоит лудить концы мощных проводов для сильноточных обжимных соединений — здесь голая медь лучше даже минимального слоя припоя.

Конфигурация электросети

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

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

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

Организация сегментов сети

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

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

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

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

Сейчас широко распространяются низковольтные светодиодные источники света — они экономичны, долговечны, безопасны и уже достаточно дёшевы. Наиболее эффективно подключать их непосредственно к низковольтной части защищённого сегмента, поскольку при этом, во-первых, нет напрасных потерь мощности сначала в инверторе, а затем в понижающем блоке-выпрямителе (здесь они вообще не нужны), а во-вторых, постоянное напряжение на аккумуляторах обеспечивает идеальную равномерность свечения светодиодов без каких-либо намёков на мерцание, в том числе на почти невоспринимаемой явно, но отнюдь не безвредной для глаз сетевой частоте (50 Гц) и её второй гармонике (100 Гц при двухполупериодном выпрямлении). Правда, при малом напряжении токи довольно велики, и если длина проводов превышает несколько метров, а мощность — несколько ватт, необходимо учитывать омические потери, но реально при суммарной мощности до 100 Вт и длине проводов до 20 м вполне достаточно медного провода сечением 2.5 мм², максимум 4 мм². Поскольку большинство низковольтных LED-ламп и светодиодных лент рассчитаны на 12 В, то к 12-вольтовым системам они подключаются «напрямую», а к 24-вольтовым системам — парами последовательно соединённых светильников (мощность обоих светильников в паре должна быть одинаковой, чтобы 24 В разделились ровно пополам и не перегрузили более слабый модуль). Естественно, при подключении следует соблюдать полярность, однако ошибки простительны — при переполюсовке даже в случае 24 В светодиоды обычно просто не светятся, но не выходят из строя необратимо. Кстати, при подключении к аккумуляторам во избежание полной разрядки при слишком длительной работе (если, уезжая с дачи на зиму, где-то забыли выключить свет), такие светильники лучше подключать через цепь нагрузки контроллера, которую контроллер сможет автоматически отключить при слишком низком напряжении на аккумуляторах. И в заключение ещё один неожиданный бонус — если для того, чтобы легче находить выключатель в темноте, в него параллельно размыкателю установить светодиод подсветки с балластным резистором (1.5 кОм для 12 В или 3 кОм для 24 В), то при размыкании даже достаточно мощные светодиодные ленты (до 25 Вт и более) продолжат слабо светиться (можно ограничиться только резистором без светодиода). Читать при таком свете вряд ли удастся, но для того, чтобы уверенно видеть стены, мебель и предметы, его вполне хватает. При этом потребляемый ток сравним с током саморазряда мощных аккумуляторов и составляет лишь несколько миллиампер, а потребляемая мощность не превышает 0.1, максимум 0.2 Вт. Когда таких «подсветок» около десятка, их общая мощность в этом «дежурном режиме» возрастёт примерно до ватта, но и такое потребление вполне посильно практически для любой автономной системы, — собственное потребление инвертора обычно намного больше, а каждый светящийся индикатор-светодиод на контроллере заряда и инверторе часто потребляет примерно столько же, сколько одна «дежурная подсветка». Конечно, в спальне такой «ночник» многим не понравится, но в подвалах, на чердаках, да и в коридорах с санузлами этот «дежурный свет» более чем удобен — если надо что-то быстро положить или взять либо просто пройти через помещение, яркий свет можно и не включать!

Автономный защищённый сегмент

Автономный защищённый сегмент запитывается инвертором, не имеющим функции зарядки аккумуляторов от сети. Это действительно полностью самостоятельная электросеть, которая не имеет (и не должна иметь!) ничего общего с домовой электросетью, питающейся от общественных источников электроэнергии. Впрочем заземление, если оно, конечно, есть (не «нейтраль», а именно отдельное заземление!), должно быть общим для всего электрооборудования.

Схема электроснабжения с автономным защищённым сегментом на солнечной батарее.

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

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

Переключаемый защищённый сегмент

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

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

Схема электроснабжения с переключаемым защищённым сегментом (ЗУ — встроенное в инвертор зарядное устройство).

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

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

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

Подзаряжаемый защищённый сегмент

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

Схема электроснабжения с подзаряжаемым защищённым сегментом.

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

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

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

Система электроснабжения от автономных источников