|
В. Экзархо
2004 г.
Системы бесперебойного и автономного электроснабжения.
Обзор
В настоящее время во многих регионах России, существуют проблемы
с качеством и количеством электроэнергии, доходящей до конечного
потребителя. Это и плановые отключения, и перебои, вызванные
изношенностью электрооборудования, и разного рода аварии.
Наиболее часто встречающийся сбой сетевого питания – провал
напряжения (кратковременное понижения напряжения), связанный с
резким увеличением нагрузки в сети из-за включения мощных
потребителей (промышленное оборудование, лифты и т.д.).
Отличительной особенностью России являются также и особые
причины полных отключений напряжения, т.к. кроме аварий и
стихийных бедствий свою увесистую лепту вносит и человеческий
фактор. К примеру, если отопление уже отключили или еще не
включили, и вдруг похолодало, то люди реагируют стандартно: они
включают электрические обогреватели. Если электрическая сеть
сильно нагружена, то подключение дополнительных мощных
потребителей может привести к срабатыванию автоматического
предохранителя. Такой цикл включений и отключений может
повторяться по несколько раз в день.
Отметим, что бесперебойное питание может быть особенно жизненно
необходимо для отопительных систем коттеджей на основе газовых
котлов в зимний период. В таких системах для электроподжига и
питания циркуляционного насоса используется электричество,
причем мощность насоса всего-то порядка 150 – 500 Вт. Но в
случае достаточно длительного исчезновения электроэнергии,
возможно полное вымерзание дома, что может стать не только
неприятным эпизодом в жизни его обитателей, но и привести к
весьма печальным последствиям (вплоть до трещин в стенах,
вызванных подвижкой фундамента неглубоко заложения).
Решением всех вышеописанных проблем может служить использование
источника бесперебойного питания (ИБП).
Рассмотрим подробнее случай, когда электричество есть, но его
параметры нас не удовлетворяют, например, в регионе часто
отключают электричество. Подключив ИБП вместе с мощным
аккумулятором к домашней электросети, вы избавитесь от многих
вышеуказанных проблем. «Умный» прибор будет сам следить за
наличием в сети напряжения, подзаряжать по мере необходимости
аккумулятор, а в случае неожиданного исчезновения напряжения 220
в автоматически и почти мгновенно (ни компьютер, ни тем более
телевизор, в буквальном смысле, даже «глазом моргнуть» не
успеют) подменит его своим напряжением 220в, генерируемым от
энергии, накопленной в аккумуляторе. При появлении сетевого
напряжения 220в – все вернется на свои места. Отметим, что в
ждущем режиме потребление энергии преобразователем практически
равно нулю. И, при этом, прибор обладает способностью ослаблять
помехи и срезать высоковольтные импульсы в сетевом напряжении, а
иногда и стабилизировать его, т. е улучшать качество сетевой
электроэнергии.
Время автономной работы только от аккумуляторов варьируется от
нескольких часов до суток и более, в зависимости от мощности
нагрузки и общей емкости аккумуляторов (их можно объединять,
наращивая ёмкость), причем ИБП сигнализирует об уменьшении
напряжения на аккумуляторе и отключит потребителя при его
минимально допустимом уровне.
Здесь необходимо отметить, что известные многим компьютерные
источники бесперебойного питания (UPS) мало подходят для
автономного электроснабжения, т. к. они что называется
«заточены» именно под компьютерную технику. Они не имеют
необходимого запаса мощности по перегрузкам (например,
холодильники и насосы, при пуске, потребляют мощность в 7 – 10
раз выше номинальной); оборудованы встроенными аккумуляторами
очень маленькой ёмкости (на 10 – 15 минут автономной работы); не
обладают необходимыми дополнительными защитами (например, от
подключения аккумулятора неправильной полярностью, от обратных
токов, вызванных индуктивной или ёмкостной нагрузкой и т. д.). К
тому же, мощные модификации UPS стоят довольно дорого.
Система на базе ИБП с аккумулятором легко может быть
преобразована в частично или полностью автономную систему
электроснабжения добавлением какого-либо альтернативного
генератора электроэнергии (ветро- или гидроэлектростанции,
солнечного модуля и др.). При этом промышленную сеть можно
использовать как резервный источник энергии для заряда
аккумуляторов при недостатке природного топлива (ветра или
солнца, например), при подключении мощной нагрузки (превышающей
допустимую для автономной системы), а также в случае выхода из
строя какого-либо элемента автономной системы. Качество
электроэнергии в такой автономной системе полностью определяется
качеством используемого ИБП (вернее, его основного элемента –
инвертора), не зависит от параметров сети и может быть очень
высоким.
Существуют места, где пока и вовсе нет централизованного
электроснабжения. Это строящиеся дачные поселки, садовые
участки, гаражи и т.п., а также удалённые и северные районы. До
30% садовых и дачных участков (общее их число около 19 млн.) в
России не подключены к энергосистеме. Вообще, объединенная
энергосистема России охватывает всего около трети территории
страны, преимущественно Европейской части. Остальная
малонаселенная часть России с населением около 20 млн. человек
либо не имеет электричества вовсе, либо имеет системы
автономного энергоснабжения в основном на базе тепловых,
дизельных и бензиновых электростанций (источники электроэнергии
на невозобновляемом топливе - ИЭНТ). Единственным достоинством
этих систем является автономность и непрерывность работы (при
условии достаточного количества топлива). Недостатков же масса –
это и очень высокая цена такого генератора и топлива к нему, и
шум, и выхлопные газы, и задержка при его включении, и
ненадежность, и небольшой срок службы и пр. А ведь в России на
постоянной основе действует не менее 50 тыс. таких
мини-электростанций. Сосчитать же резервные и мобильные
мини-электростанции просто невозможно. Кстати, все они
практически не оборудованы системой преобразования и
аккумуляции, т.е. ИБП, о котором уже говорилось выше. А ведь
совместная работа ИБП с дизельгенератором значительно
увеличивает моторесурс последнего и резко уменьшает расход
топлива. Это происходит за счет быстрого предварительного
аккумулирования энергии, вырабатываемой дизелем и последующего
рационального, дозированного использования ее уже при
выключенном дизельгенераторе.
В условиях рыночной экономики подвод электроэнергии - установку
трансформатора, прокладку высоковольтных и низковольтных линий
электропередачи (ЛЭП) оплачивает или садовый (дачный)
кооператив, или владелец дома - коттеджа. В настоящее время
стоимость строительства 1 километра ЛЭП составляет от 12 до 17
тысяч долларов США, подключение к ней – около 1000 долл. за
1кВт. Более того, очень часто существуют ограничения на
подключаемую мощность, не говоря о такой распространенной
проблеме, как хищение проводов. А если сюда добавить стабильную
тенденцию к повышению тарифов на отпускаемую энергию, то
применение автономных систем является одним из реальных и
экономически оправданных решений электроснабжения удаленных
домов и объектов при условии избавления от недостатков, присущих
ИЭНТ, а именно, при использовании возобновляемых источников
энергии (ВИЭ), таких, как ветер, солнце, вода, в качестве
основных и резком сокращении времени работы бензо- и
дизельагрегатов путем эксплуатации их совместно с блоком
преобразования и аккумулятором.
Использование ВИЭ для электроснабжения автономных удаленных
объектов и домов уже сейчас часто является более дешевым
решением, чем подведение линий электропередач (ЛЭП).
Проведенные расчеты показали, что, если суммарная мощность Ваших
потребителей (электрических нагрузок) не превышает нескольких
кВт, а расстояние до точки подключения к сетям централизованного
электроснабжения более нескольких сотен метров, то автономная
система электроснабжения для Вашего дома на основе ВИЭ может
быть более выгодна, чем подключение к сетям.
В настоящее время наблюдается все возрастающий интерес к малой
альтернативной энергетике, что связано с усилением внимания к
проблемам энергосбережения, экологии и энергетической
безопасности. Особую роль здесь играют возобновляемые источники
энергии (ВИЭ). ВИЭ – это те запасы, которые восполняются
естественным образом, прежде всего за счет поступающего на
поверхность Земли потока энергии солнечного излучения, и в
обозримой перспективе являются практически неисчерпаемыми. Это,
в первую очередь, сама солнечная энергия, а также ее
производные: энергия ветра, энергия растительной биомассы,
энергия водных потоков и т.п. При этом следует иметь в виду, что
нетрадиционная энергетика одновременно решает и экологические
проблемы, т.е. ее преимущество не только в неисчерпаемости, но и
в экологической чистоте.
К недостаткам ВИЭ, ограничивающим их широкое практическое
применение, относятся невысокая плотность энергетических потоков
и их непостоянство во времени и, как следствие этого,
необходимость значительных затрат на оборудование,
обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии.
Вместе с тем, технологии использования различных ВИЭ активно
развиваются во многих странах мира, многие из них достигли
коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке
энергетических услуг. Для России нетрадиционные источники
энергии имеют особое значение, поскольку, они решают
энергетические проблемы потребителей, находящихся в зоне
децентрализованного энергоснабжения, обеспечивая при этом
значительную экономию завозимого жидкого топлива. Ресурсы для
возобновляемых источников энергии имеются практически во всех
регионах страны.
Итак, отметим плюсы и минусы при создании собственной автономной
системы электроснабжения:
Плюсы –
Вам не нужно платить за подключение к сетям централизованного
электроснабжения и строительство ЛЭП
Вы не зависите от цен на электроэнергию
Вы сами являетесь хозяином своего оборудования и можете
вырабатывать электроэнергию тогда, когда вам хочется и того
качества, которое можете себе позволить.
Вам не страшны аварии в сетях, учащающиеся перебои и отключения
электроэнергии, вообще, надвигающийся энергетический кризис,
неизбежность которого сейчас уже не вызывает сомнений у
большинства ученых и политиков
Наконец, Вы не зависите от чиновников.
Минус -
Вам придется уделять время на техническое обслуживание и ремонт
Вашего оборудования. Особенно это относится к системе,
содержащей дизель- или бензоэлектрический агрегат в качестве
резервного источника электроснабжения. Минимум обслуживания
требуют ветроагрегаты, фотоэлектрические модули, а также
аккумуляторные батареи.
Из чего же должна состоять система автономного электроснабжения?
Обычно состав энергосистемы следующий:
1. Генератор электроэнергии. Он может быть один или их может
быть несколько: основной и резервные. Это могут быть:
бензо- или дизельэлектрический генератор (БГ)
фотоэлектрическая батарея, или солнечный модуль (СМ)
ветроэлектрическая установка (ВЭУ)
микроГЭС
В качестве основного может применяться любой из перечисленных
источников.
2. Аккумуляторная батарея (АБ). В системах на возобновляемых
источниках энергии, в силу непостоянства возобновляемого
ресурса, это необходимый элемент. Даже, если основной источник у
вас бензоагенератор, наличие аккумуляторной батареи позволит вам
включать его лишь на непродолжительное время в течение дня, а
электроэнергию иметь непрерывно.
3. Инвертор, т.е. преобразователь постоянного тока в переменный.
Необходим, если у Вас есть потребители переменного тока на
напряжение 220в, или если Ваши потребители находятся на
значительном расстоянии от АБ (потери в проводах постоянного
тока низкого напряжения могут оказаться существенными).
4. Зарядные устройства (контроллеры заряда АБ). Необходимы для
заряда АБ от разных источников и предотвращения ее перезаряда и
глубокого разряда.
5. Блок управления (центральный контроллер). Часто встроен в
инвертор.
6. Нагрузка. В автономной системе электроснабжения необходимо
использовать только энергоэффективные приборы. Например,
использование ламп накаливания очень не рекомендуется, так как
они потребляют ток в 5 раза больший, чем люминесцентные лампы.
Несмотря на то, что обычно энергосберегающие приборы дороже, их
использование может обернуться значительной экономией за счет
снижения мощности источника энергии и емкости АБ.
7. Кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы,
разъемы, электрощиты и т.п.).
При наличии нескольких источников энергии инвертор, аккумулятор,
контроллеры заряда и блок управления – это упомянутый выше ИБП,
в котором вместо одного сетевого зарядного устройства
используются несколько контроллеров заряда.
Здесь следует остановиться на очень важной особенности
использования большинства альтернативных источников
электроэнергии. Она связана с тем, что эти источники имеют
низкие выходные напряжения (практически все ветро-
гидрогенераторы и солнечные модули выдают напряжения из
стандартного ряда: 12, 24, 36, 48, 60 вольт) и обладают крайней
неравномерностью выработки энергии во времени, а иногда и вообще
не работают (в отсутствии солнца и ветра, например). Поэтому
необходима аккумуляция энергии и преобразование ее в стандартную
сеть 220 вольт. Далее, поскольку для производства электроэнергии
используются обычно несколько альтернативных источников
(например, ВЭУ и СМ), необходим блок управления, чтобы
оперативно менять источники энергии и режимы работы автономной
сети в целом, а также защитить сеть от перенапряжений и коротких
замыканий
Все эти функции и выполняет источник бесперебойного питания,
который является неотъемлемой частью автономного
электрообеспечения дома.
Таким образом, схема работы автономной сети следующая:
электроэнергия от одного или нескольких источников через
контроллер заряда поступает в аккумулятор, заряжая его, затем
постоянное напряжение аккумулятора преобразуется в инверторе в
переменное напряжение 220 вольт и поступает к потребителю. В
отдельных случаях энергия от генератора (обычно от БГ) поступает
напрямую в нагрузку, минуя АБ и инвертор. Синхронизация и
порядок работы в этой схеме обеспечивается блоком управления.
Из приведенной схемы понятно, что фактическим источником
электроэнергии для потребителя является аккумулятор, а
генераторы в основном вырабатывают энергию для его зарядки.
Поэтому аккумулятор – важнейший элемент автономной электрической
сети. В современных системах автономного питания используются
полностью необслуживаемые (герметичные) аккумуляторы, обладающие
высокой надежностью, большими сроками службы (до 20 лет), не
нуждающиеся в уходе и не загрязняющие атмосферу. В России такие
аккумуляторы не выпускаются, поэтому необходимо ориентироваться
на лучшие модели зарубежного производства, такие, как Varta,
Fiamm, CSB и др. Их дороговизна окупится сторицей в первые же
годы эксплуатации.
Другой важной частью автономной системы является преобразователь
постоянного напряжения аккумулятора в переменное напряжение 220
вольт, или инвертор. Как российская, так и западная
промышленность выпускают множество моделей инверторов, и они
достаточно дороги. Выбор их зависит от конкретных требований и
условий эксплуатации, он весьма непрост, трудоемок и может быть
осуществлен только квалифицированным специалистом.
Особенность построения систем на базе только возобновляемых
источников энергии без использования бензогенератора заключается
в относительно жесткой привязке к местности и доступным ресурсам
возобновляемой энергии. Поэтому все же желательно включение в
автономную систему резервного БГ, используя который по
необходимости, мы добивается решения нескольких проблем:
во-первых, он используется как резервный источник
электроснабжения при длительном отсутствии ВИЭ (ветра и солнца,
например).
во-вторых, от него можно осуществлять форсированный заряд
аккумуляторной батареи, если она разрядилась до опасного уровня
(когда энергии от ВИЭ не хватает для полного заряда). При этом
он будет работать с максимальной нагрузкой, что обеспечивает
минимальное удельное потребление топлива. Дело в том, что расход
топлива у дизель- или бензогенератора мало связан с реальной
нагрузкой - подключили вы к нему максимально допустимую по
мощности нагрузку, или всего лишь включили пару лампочек –
потребление топлива будет мало отличаться, поэтому включая БГ
всего на 3 - 4 часа, когда это необходимо, вы обеспечите полный
заряд аккумулятора (хотя это не лучший режим для аккумулятора и
применять его нужно как можно реже);
в-третьих, появляется возможность кратковременно питать большую
нагрузку - стиральную машину, утюг, производственный инструмент
и т.д. в случае, если инвертор не справляется с этой задачей или
не хватает энергии аккумулятора. На это время вы включаете
бензогенератор, и питаете нагрузку напрямую от него (естественно
при достаточной мощности БГ), причём, в это же время можете
подзаряжать аккумуляторы. В этом случае топливо будет
использоваться максимально эффективно.
Если в Вашем районе ярко светит солнце и часто дуют сильные
ветра, то время работы БГ (и, следовательно, расходы на топливо
и техническое обслуживание) сводится до минимума, поскольку
основную нагрузку берут на себя ВИЭ.
Итак, в общем случае, полностью автономная система включает в
себя основную ветро- и/или чную электростанцию, дополнительную
станцию на другом виде ВИЭ, и резервный бензо- или
дизельгенератор.
Говоря об источниках электроэнергии, необходимо остановиться на
проблеме необходимого запаса их мощности. Многие зарубежные
авторы дают сильно завышенные оценки в части электропотребления
жилища и соответственно необходимой мощности источника
электроэнергии. Например, указываются средние цифры по выработке
электроэнергии порядка 6-10 тыс. кВт*час в год, откуда делается
вывод о необходимости использования автономных источников
мощностью не менее 4-5 кВт, обычно 10-12 кВт. Проведем примерный
расчет потребления электроэнергии в индивидуальном доме площадью
около 100 кв.м., состоящем из 5 комнат (не считая подсобных и
сантехнических помещений). Исходные данные для расчета приведены
в таблице
потребитель
мощность
кол-во
время работы
энергопотребление
(вт)
(шт.)
за сутки (час)
за сутки (кВт*час)
осветительные
20
5
5
0,5
лампы (энергосбер.)
телевизор
100
3
5
1,5
видеомагнитофон
100
1
5
0,5
компьютер
100
1
5
0,5
холодильник
200
2
8
3,2
насос системы
500
1
10
5,0
водоснабжения
итого
11,2
При расчете не учитывается энергопотребление редко используемых
приборов (утюг, стиральная машина и пр.), а также
предполагается, что в доме используется автономное газовое
отопление и приготовление горячей воды, а электродвигатели
насосов и вентиляторов системы обогрева питаются от солнечных
модулей мощностью 100-300 Вт. (в большинстве случаев этого
достаточно). Суммарное потребление электроэнергии за год по этой
таблице равно примерно 4000 кВт*час. Как видите, это довольно
роскошный дом: 2 холодильника, 3 телевизора, компьютер,
видеомагнитофон. Для типичного среднего потребителя реальны
цифры в 1000-3000 кВт*час. Кстати, эти цифры согласуются со
среднестатистическими данными по России, указывающими цифру
суточного потребления электроэнергии в 3 кВт*ч.
Какие же автономные системы могут обеспечить такие потребления
электроэнергии при минимальных затратах, при условии, что
основными источниками электроэнергии должны быть генераторы на
возобновляемом топливе: ветроэлектростанции, солнечные батареи,
микроГЭС и др., а в качестве дополнительных могут использоваться
центральная сеть (если она есть поблизости) и/или
бензогенераторы?
Необходимо отметить, что сейчас стоимость электроэнергии,
получаемой от сети меньше, чем стоимость ее от автономных
возобновляемых источников. Но тенденция такова, что стоимость
энергии от сети постоянно растет, а стоимость электростанций на
основе ВИЭ падает. Например, в странах Западной Европы, где
интенсивно развивается ветроэнергетика, стоимость
электроэнергии, вырабатываемой крупными ветростанциями (ВЭС) уже
сейчас сравнима и даже меньше, чем стоимость энергии, получаемой
от тепловых, атомных и гидроэлектростанций.
Самую высокую удельную стоимость (стоимость на единицу мощности)
сейчас имеют солнечные модули и батареи - от 3 до 7 долл. за
ватт. Например, один модуль MSW-45 на 45 Вт обойдётся в среднем
в 180 долл., а так как на дом желательно установить хотя бы 4-5
таких модулей, сумма будет довольно солидной. Такая стоимость
обусловлена относительной технологической новизной (солнечные
модули были разработаны всего 40 лет назад для космической
отрасли) и применением монокристаллического кремния. По сути,
солнечная батарея – это сплошной гигантский полупроводник.
Однако новейшие достижения в микроэлектронике и физике
полупроводников позволят по оценкам специалистов уже в течение
ближайших 3-5 лет снизить цену на них до 1 долл. за ватт (сейчас
это стоимость некоторых ВЭС) и затем сделать их самыми дешевыми
источниками из всех. Преимущество солнечных модулей (СМ) по
сравнению с остальными источниками, скажем с
ветроэлектростанциями, обусловлено отсутствием подвижных частей,
а также простотой установки и обслуживания. Высочайшая
надёжность, долговечность (обычная гарантия на СМ - 10-20 лет) и
бесшумность солнечных батарей – не менее важный фактор. Если
сюда добавить простоту монтажа и эксплуатации, то солнечные
электростанции являются самыми перспективными источниками
энергии для индивидуальных систем электроснабжения. Минусом
является то, что СМ требуют относительно много места для
установки. Например, солнечный модуль MSW-45 имеет размер 98х45
см, толщину 4 см, при весе 7 кг. Для более или менее полноценной
автономной системы на базе СМ, способной вырабатывать около 100
кВт*час в месяц, необходимо как минимум 20 пятидесятиваттных
модулей. Ассортимент солнечных модулей, выпускаемых как
отечественными, так и западными производителями, достаточно
широк, и они обладают более или менее близкими техническими
характеристиками.
Основным источником электроэнергии в автономных системах в
настоящее время являются малые ветроэлектростанции (ВЭС).
Существует большое количество типов малых ВЭС мощностью от
нескольких сотен Вт до десятков кВт, как в нашей стране, так и
за рубежом. Однако есть ряд моментов, на которые необходимо
обратить внимание. Большинство зарубежных ВЭС очень дороги и
рассчитаны на работу при высоких скоростях ветра (12 м/сек и
выше). Вероятно, это связано со специфическими условиями работы
там, где они больше всего применяются (пустынные и гористые
местности, побережья морей и океанов). Справедливости ради, надо
отметить, что большинство зарубежных ВЭС значительно легче по
весу, чем наши станции и имеют прекрасный дизайн. Нелишне
напомнить, что в советское время наша страна являлась лидером в
разработке и производстве ВЭС, они выпускались серийно на
нескольких предприятиях СССР. В нынешней России их производство
свернуто, крупносерийного производства практически нет. И это,
несмотря на то, что многие разработки и экспериментальные
образцы имеют лучшие характеристики, чем у зарубежных ВЭС. в
частности они способны эффективно работать при малых скоростях
ветра (5-7 м/сек и даже ниже).
Почему мы делаем такой упор на скорость ветра? Потому, что на
большей части Европейской территории России среднегодовая
скорость ветра составляет 5-7 м/сек, а в некоторых районах и
ниже (3-5 м/сек). В Саратовской области этот показатель
соответствует примерно 5 - 6 м/сек. Поэтому большинство ВЭС
зарубежного производства у нас попросту не будет работать, т.е.
надо ориентироваться на российские станции. Фактически, сейчас в
России их небольшими сериями выпускает только одно предприятие в
г. Хабаровске (Компания «ЛМВ Ветроэнергетика»), и по заказам
производят в Москве, в Ленинграде, а также на Украине: в г.г.
Харькове и Киеве.
Как уже говорилось выше, примерное потребление электроэнергии в
доме может составлять от 1000 до 3000 кВт*час в год. Такое
количество энергии может производить большинство отечественных
ВЭС мощностью 0,5-4 кВт при средней скорости ветра 5-7 м/сек.
Это, например, московские ВЭС серии «Сапсан», одни из самых
легких и эффективных станций «Виндэк» и ВЭУ-1500, ВЭС серии
«Радуга» (они самые дорогие), московского завода «Вперед»,
ленинградские Ветро-Свет, ряд недорогих украинских станций,
например, самая дешевая и, пожалуй, самая эффективная в
диапазоне ветров 4-7 м/сек киловаттная ВЭС WE-1000 киевской
фирмы «Wind Eleсtric». Назовем также самую дешевую (правда и
самую маломощную) отечественную станцию «УВЭ-500м», которая
может вырабатывать около 900 кВт*час электроэнергии в год при
средней скорости ветра 5-6 м/сек. Ее стоимость около 700 долл.
Иногда целесообразно установить 2-3 ветростанции по 0,5 кВт.
Можно отметить и несколько зарубежных станций для того же
диапазона ветров, например, серии Inclin (Испания) и серии H
(США), но они в 1,5- 2 раза дороже наших станций, хотя и легче
их.
В случае круглогодичного использования дачного участка,
коттеджа, фермерского дома с экономической и технической точек
зрения целесообразно применение комбинированных
ветро-фотоэлектрических систем (ВЭС + СМ). При этом максимальные
значения скорости ветра наблюдаются в осенне-зимне-весенний
период, когда поступление солнечной энергии уменьшается. В
летнее же время отсутствие ветра вполне компенсируется
поступлением солнечной энергии. К примеру, для средней полосы
России 65-75% солнечной энергии поступает в весенне-летнее
время.
Таким образом, если дом расположен на открытом возвышенном месте
(вдали от лесного массива или загораживающих строений) с
достаточными ветроресурсами, то использование ВЭС в комбинации с
солнечными модулями даст возможность получать достаточно
электроэнергии круглый год: зимой больше за счет энергии ветра,
а летом - энергии солнца. Количество солнечных модулей и
мощность ветроустановки определяется величиной электроэнергии,
необходимой для конкретного дома.
Ряд фирм выпускает готовые автономные системы на базе
возобновляемых источников энергии. Например, фирма «Ваш
Солнечный Дом» для типовых условий применения предлагает
несколько комплектов систем автономного электроснабжения.
Для систем на основе солнечных модулей это:
1. Автономная фотоэлектрическая система, обеспечивающая работу
3-х люминесцентных светильников в течение нескольких часов. Она
состоит из СМ мощностью 40-50 Вт, блока контроля заряда
аккумуляторной батареи, герметичной аккумуляторной батареи
емкостью 45 Ач, 3-х светильников с люминесцентной лампой
мощностью 12 Вт (эквивалент лампы накаливания 60 Вт). Полностью
заряженная батарея обеспечит питание нагрузки (светильников) в
течение 5 - 10 часов непрерывной работы в зависимости от
допускаемой степени разряда батареи, необходимой для обеспечения
долгого срока службы аккумуляторной батареи. Стоимость порядка
350 долл.
2. Автономная фотоэлектрическая система, позволяющая кроме 2-3
светильников, питать телевизор, радио и другую маломощную
нагрузку постоянного тока, состоящая из 2-х СМ мощностью по 40
Вт, блока контроля заряда аккумуляторной батареи, герметичной
аккумуляторной батареи емкостью 100 Ач. Такой комплект,
например, обеспечит питание 4 энергосберегающих ламп и
небольшого телевизора в течение 4-6 часов непрерывной работы.
Стоимость порядка 700 долл.
3. Автономная фотоэлектрическая система для питания
осветительной нагрузки дома, телевизора, небольшого
холодильника, ручного электроинструмента и другой маломощной
бытовой техники переменного тока, состоящая из 4-х СМ мощностью
по 40 Вт, инвертора (ИБП) мощностью 1-2 кВт с встроенным
контроллером заряда аккумуляторной батареи, герметичной
аккумуляторной батареи емкостью до 200 Ач.
Такая система является универсальным источником питания нагрузки
как постоянного тока напряжением 12 в (компактные люминесцентные
лампы), так и переменного тока напряжением 220 в. Эффективность
ее работы зависит от наличия солнечных дней, а также мощности и
времени работы различных приборов. Стоимость порядка 1800 долл.
Предлагаются варианты ИБП как с несинусоидальной, так и
синусоидальной формой выходного напряжения 220в (для питания
холодильника и насосного оборудования).
4. Гибридная система электроснабжения с фотоэлектрической
батареей и бензогенератором (БГ) для питания разнообразной
нагрузки переменного тока (освещение, телевизор, аудиосистема,
холодильник, стиральная машина и т.д.).
Ниже приведены 2 варианта такой системы для электроснабжения
удаленного жилого дома. При этом принимаются следующие исходные
данные:
суточное потребление энергии 3 кВт*ч;
приход солнечной радиации - 4 кВтч/м2 в день (средний приход
солнечной радиации для европейской части России летом);
максимальная пиковая мощность нагрузки - 3 кВт;
для освещения используются только компактные люминесцентные
лампы переменного тока;
в пиковые часы, когда длительное время работают стиральная
машина, утюг и т.п. (при максимальной нагрузке) для
предотвращения быстрого разряда аккумуляторов включается БГ;
БГ может включаться также при длительной пасмурной погоде, когда
АБ разряжается до нижнего допустимого напряжения.
1 вариант – вариант с минимальным временем работы БГ (т.е.
минимальным расходом топлива). Он включает в себя следующий
набор элементов:
солнечная батарея с пиковой мощностью 1000 Вт;
инвертора (ИБП) с номинальной мощностью - 2 кВт с возможностью
кратковременной нагрузки до 3 кВт, входное напряжение 24 или 48
В;
аккумуляторная батарея общей емкостью 1000 Ач;
контроллер заряда на ток до 40-50 А (при напряжении 24 В);
бензогенератор мощностью 3-4 кВт;
зарядное устройство (для заряда аккумуляторов от БГ) на ток до
150 А (может входить в состав ИБП);
кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы,
разъемы, электрощиты и т.п.).
Стоимость такой системы - около 8000 USD.
2 вариант - с более частым включением бензогенератора (т.е. с
большим расходом топлива и сильным шумом). В этом случае энергия
от солнечной батареи будет использоваться для электроснабжения
минимальной нагрузки - освещение, радио, телевизор, а БГ будет
включаться несколько раз в день (2 раза и более, в зависимости
от выбранной емкости АБ). Стоимость системы в этом варианте
существенно ниже как за счет уменьшения пиковой мощности
солнечной батареи, так и за счет снижения емкости аккумуляторной
батареи и предельного тока контроллера заряда. Состав системы
следующий:
солнечная батарея с пиковой мощностью 300-350 Вт
инвертор (ББП) мощностью 2 кВт с возможностью кратковременной
нагрузки до 3 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;
аккумуляторная батарея общей емкостью 400 Ач;
контроллер заряда на ток до 20 А (при напряжении 24 В);
БГ мощностью 3-4 кВт;
зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до
150 А;
кабели и коммутационная аппаратура;
Стоимость такой системы будет около 4500-5000 USD. При этом
необходимо учитывать, что возрастут эксплуатационные расходы за
счет большего расхода топлива.
На базе ветроэлектрической установки предлагаются следующие
автономные системы:
1. Автономная ветроэлектрическая система, позволяющая питать 5-7
люминесцентных светильников, холодильник, телевизор, ручной
электроинструмент и другую маломощную бытовую технику
переменного тока, состоящая из ВЭУ мощностью 500 Вт, контроллера
заряда, аккумуляторной батареи емкостью 200-400 Ач, инвертора
мощностью 1 кВт. Стоимость порядка 1500-2000 долл.
2. Автономная ветроэлектрическая система для питания
разнообразной нагрузки переменного тока (освещение, телевизор,
аудиосистема, холодильник, стиральная машина и т.д.) с пиковой
мощностью до 3 кВт и суточным расходом до 3-5 кВт*час
электроэнергии. В состав системы входят ВЭУ мощностью 1-2 кВт,
аккумуляторные батареи емкостью 800 Ач, инвертор 2-3 кВт,
контроллер заряда на ток 30-50 А. Стоимость 4000-7000 долл.
3. Гибридная система электроснабжения с ветроэлектрической
установкой и бензогенератором для питания разнообразной нагрузки
переменного тока (освещение, телевизор, аудиосистема,
холодильник, стиральная машина и т.д.) с пиковой мощностью до 3
кВт и суточным расходом до 3-5 кВт*час электроэнергии. Это в
полном смысле слова автономная система бесперебойного
электроснабжения. Состав системы следующий:
ВЭУ мощностью 1кВт;
Инвертор (ИБП) мощностью 1-2 кВт с возможностью кратковременной
нагрузки до 3 кВт;
аккумуляторная батарея общей емкостью 800-1000 Ач;
контроллер заряда на ток до 40-50 А;
бензогенератор мощностью 2-4 кВт;
зарядное устройство (для заряда аккумуляторов от БГ) на ток до
150 А (может входить в состав ИБП);
кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы,
разъемы, электрощиты и т.п.).
Стоимость такой системы около 5500-8000 USD.
Могут быть скомплектованы также смешанные ветросолнечные
системы, которые наиболее подходят для круглогодичного
автономного энергообеспечения:
1. HYPERLINK "http://www.solarhome.ru/index.php?id=103"
Ветросолнечная система
для питания маломощной нагрузки постоянного тока и переменного
тока (опция). Она состоит из следующих компонентов:
ветроэлектрической установки мощностью 0,5-1 кВт;
4-х фотоэлектрических модулей пиковой мощностью 45 Вт;
инвертора номинальной мощностью 1-2 кВт;
аккумуляторной батареи номинальной емкостью 400-800 Ач;
соединительных кабелей.
Стоимость – порядка 2800-5500 долл.
Для обеспечения бесперебойного полностью автономного
электроснабжения можно ввести в эту систему бензоэлектрический
агрегат мощностью 2-4 кВт на случай отсутствия ветра и яркого
солнца в течение продолжительного периода времени. В этом случае
к системе добавляется сетевое зарядное устройство. Цена
возрастет на 1000-2000 долл.
|
