СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ
 Фото: hptsolar.in РАСЧЁТ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Практически все панели фотоэлементов (солнечные батареи) обычно выдают низковольтный постоянный ток. Как правило, его номинальное напряжение кратно 12В, но, в зависимости от ситуации, отклонение от номинала может превышать 50% как в бóльшую, так и в меньшую сторону. Между тем, для использования в быту наиболее удобен привычный стандарт (однофазный переменный ток напряжением 220В и частотой 50Гц). Кроме того, солнечный свет постоянно меняется — и в течение суток, и в зависимости от погоды, и со сменой сезонов. Поэтому здесь важно организовать накопление и хранение энергии для использования в периоды её дефицита или полного отсутствия. В связи с этим, система энергоснабжения на солнечных батареях состоит из 4 основных компонентов: сами фотоэлектрические панели, аккумуляторы, контроллер заряда и инвертор, преобразующий низковольтный постоянный ток в бытовой стандарт ~220В 50Гц. 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 она может привести и к выходу из строя самого слабого элемента, а то и к более тяжким последствиям, вплоть до взрыва аккумуляторов и возгорания. И, конечно, прежде всего, самый главный вопрос — выбор мощности солнечных батарей, или что в реальной жизни с её неизбежными ограничениями в финансовых и материальных ресурсах принципиальнее. Как определить, какой именно результат можно ожидать от солнечных батарей той или иной номинальной мощности? Другими словами, стóит ли оно того? 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 в принципе не могут работать одновременно (скажем, электрический снегоуборщик и электрическая газонокосилка используются в разные сезоны, также практически невозможно работать сразу и дрелью, и болгаркой). Большинство других электроприборов тоже включается поочерёдно. Более того, не очень сложно перед включением мощного электроприбора (скажем, электрического утюга) убедиться в том, что электрический чайник в данный момент выключен — это позволит отказаться от избытка 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, холодильник, насосы водоснабжения или подогрев воды в бойлере) и потребители, работающие в длительном режиме (освещение, компьютер, телевизор, аудио- и видеотехника) — 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 3-5кВт, что при сетевом напряжении 220В соответствует предохранителю-автомату на 16-25А. 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 составе электрооборудования, 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 250кВт·ч в месяц, то есть среднесуточное потребление от 3 до 8кВт·ч при пиковом потреблении до 20кВт·ч в сутки. Если же достаточно интенсивно используется электроподогрев полов (хотя основное отопление работает не на электричестве), то месячное потребление легко может превышать 500кВт·ч, а дневное — 50кВт·ч. При этом входного автомата на 25А вполне хватает, то есть мгновенная потребляемая мощность в длительном режиме не превышает 5кВт. Таким образом, чтобы полностью отключиться от электросети, не меняя нынешнего образа жизни, мне необходима система, способная за месяц выдать не менее 600кВт·ч электроэнергии при мощности в длительном режиме не менее 5кВт, а потребление энергии за сутки может достигать 50кВт·ч при среднем значении от 5 до 10кВт·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 электрическим котлом, 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 100-150кВт·ч, дневное потребление — до 3кВт·ч и максимальную мощность, потребляемую в длительном режиме, — до 2кВт. Если же Вы используете электричество только для питания ноутбука и для пары энергосберегающих лампочек 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 2кВт или среднее энергопотребление за сутки превышает 4-5кВт·ч. Таким образом, стиральные машины, электроутюги, электрочайники, мультиварки, хлебопечки и даже электроподогрев полов в санузлах вместе с электроводонагревателями горячего водоснабжения продолжают оставаться в системе, а вот электроплиты, электродуховки, конвекторы и электроподогрев обширных площадей исключаются. Что, конечно, не мешает подключить их отдельно к внешней сети или к генератору. Лично у меня комфортный режим потребует от 50 до 150кВт·ч в месяц (среднесуточное потребление — от 2 до 6кВт·ч) при пиковом потреблении до 15кВт·ч в сутки, а мгновенная потребляемая мощность в длительном режиме не превысит 5кВт. 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 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. К этим работам, например, относится большая стирка (особенно в машине-автомате с подогревом воды), глажка большого количества белья, активная работа мощным электроинструментом, садовой электротехникой и т.п. Выделим 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 неэлектрическими аналогами. Например, электробойлеры можно заменить газовой водогрейной колонкой (в том числе газобаллонной) или водогрейным котлом на дизельном топливе. Если же ориентироваться на бестопливную энергию, то в течение почти всего года достаточно успешно для водоподогрева можно использовать солнечные коллекторы, 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 хорошей теплоизоляцией. Наконец, в отдельную группу выделены эпизодические потребители электроэнергии, работу большинства из которых вполне можно заменить ручным трудом или дождаться 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), то для оценки летнего режима надо брать не летнее солнцестояние (конец июня), а тёплый период с более короткими днями — скажем, конец августа 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 150кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме до 3-3,5кВт и пиковой мощности до 5кВт, а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 4-6 кВт·ч с возможным максимумом до 11кВт·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 необходимо планировать, учитывая состояние облачности. Впрочем, в умеренном режиме электрические водонагреватели можно подключать по остаточному принципу — в дни, когда бесплатная 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 над погодой (вручную либо с использованием специальных технических решений). Кстати, если есть возможность регулировать в электробойлере мощность нагревателя (именно мощность, а не температуру нагретой воды), то я предпочитаю выбирать минимальную — пусть вода будет греться дольше, но зато снижаются требования к мощности энергосистемы и при достаточном объёме бойлера это практически не влияет на температуру воды в кране. Впрочем, и температуру нагрева в бойлерах большого объёма лучше ставить не очень высокую — не больше +50°С. Это уменьшает теплопотери в режиме поддержания температуры при отсутствии потребления горячей воды и несколько сокращает 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 закончилась слишком быстро. БАЗОВОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ В этом режиме особенности энергопотребления существенно влияют на стиль жизни. Это влияние, прежде всего, заключается в постоянном учёте текущей нагрузки на автономное энергоснабжение и в необходимости поочерёдного включения более-менее мощных потребителей. 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 солнечные дни и, желательно, до обеда, чтобы к вечеру заряд аккумуляторов восстановился до максимума. 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. В этом случае ежемесячное потребление я оцениваю в 100кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме около 1кВт с пиковым потреблением до 2,5кВт, а в моменты использования электроинструмента — до 4кВт, при ожидаемом среднесуточном потреблении 3-4кВт·ч с максимумом до 7кВт·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 относиться к нему не как к основному повседневному варианту, а как к комфортной версии аварийного режима, с которой, тем не менее, вполне можно жить в течение 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 (а также в таунхаусах и пр.) в частном порядке это практически невозможно из-за централизации критически важных коммуникаций — водоснабжения, канализации и отопления. 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 9-ваттной энергосберегающей 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 невозобновляемость 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 замёрзнет, 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 машине 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 массивные утюги, которые можно было нагревать на газовой плите, — уже давно большая редкость, а утюги, работающие на углях, остались лишь в музеях. 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 50-60кВт·ч при мгновенной потребляемой мощности в длительном режиме примерно 600Вт с пиковым потреблением до 1,5кВт (в моменты использования электроинструмента — до 2,5-3кВт), а ожидаемое среднесуточное потребление составляет 1,5-2кВт·ч и не превышает 6кВт·ч, хотя за счёт разнесения энергоёмких работ на разные дни вполне реально ограничить дневной максимум до 3-4кВт·ч. И в заключение обсуждения аварийного варианта будет уместно сказать пару слов о моём отношении к бензиновым генераторам. С одной стороны, аварийный генератор мощностью менее 2кВт, 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 2,5-3кВт тоже востребована не часто (если, конечно, не подключать к такому генератору несколько мощных потребителей одновременно, но тогда и 5кВт может не хватить). Таким образом, оптимальная мощность аварийного генератора, если нет каких-то особых требований, лежит в пределах 2-3кВт — большая 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 2,2кВт достаточно для всех хозяйственных задач (основные из них — это накачивание воды и набор холода холодильником), причём, избыток вырабатываемой им энергии позволяет за это время даже нагреть до 70°С 10 литров воды в кухонном бойлере. В остальное время электричество необходимо лишь для освещения, и, пожалуй, ещё для телевизора или компьютера — на это обычно надо от 50 до 300Вт. И периодически ненадолго включается холодильник, потребляющий до 500Вт (если же холодильник не открывать, то, раз охладившись, даже без электричества он вполне способен сохранить достаточный холод в течение 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 2,5кВт сжигает от 15 до 25 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 на несколько часов, то бензиновый генератор является оптимальным решением. Но если это происходит раз в два месяца или чаще и может длиться по 2-3 дня, то при наличии достаточных средств стóит подумать об альтернативных вариантах решения проблемы аварийного энергоснабжения. СРАВНЕНИЕ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Из-за особенностей зимнего и летнего потребления энергии потребляемое количество энергии остаётся примерно одинаковым — летнее сокращение подогрева и освещения компенсируется возрастанием затрат на охлаждение, полив и работу с электроинструментом и садовой техникой. Тем не менее, зимнее потребление — всё же немного больше летнего. Исключение составляет лишь аварийный режим, в котором из-за необходимости работы холодильника летнее потребление превышает зимнее. В таблице указаны данные для сезона с наибольшим потреблением. Следует заметить, что все режимы предусматривают электроподогрев, но 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, системы связи и пр. Сюда же входит и мощность, потребляемая оборудованием самóй системы энергоснабжения — контроллерами и инверторами. Следует заметить, что если такие круглосуточные потребители будут тратить весь лимит, то на другие нужды, в том числе на освещение, телевизор и компьютер, ничего не останется. 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 электромоторов и мощных нагревательных приборов потребляемая мощность на короткое время может превышать номинальную в 2 раза и более. Данная таблица подводит итог оценки потребностей, и при оценках возможностей солнца мы будем опираться именно на эти данные. Но эти данные я брал из собственного опыта, и в каждом конкретном случае их надо считать индивидуально — исходя из имеющейся техники, собственных подходов к её использованию и сложившихся привычек. Однако методика расчёта всегда одинакова. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОЛНЦА Итак, потребности в энергии мы определили. Теперь необходимо посмотреть, что же можно получить от солнца? Основа такого расчёта — это данные по мощности солнечного излучения с учётом погодных условий. Желательно — чтобы данные были для разных углов наклона панели, хотя бы для вертикальной и горизонтальной ориентации. Важнейшим вопросом является выбор угла наклона панели. Имея в виду возможность круглогодичного использования, следует предпочесть угол на 15° больше географической широты (к тому же, чем больше наклон, тем меньше на панели будут задерживаться пыль и снег). Для Москвы это — 70°, благо — возможность установить панель с ориентацией на юг под таким наклоном у меня имеется (отклонение от южного направления примерно на 10° к востоку непринципиально). Можно разместить панели и вертикально, хотя, по сравнению с выбранным наклоном, это излишне снизит их выработку в период длинных дней и не даст хоть мало-мальски заметного выигрыша в короткие дни с ноября по февраль. Наклон выбран. Теперь можно приступать к оценке потенциальной производительности солнечных батарей или — что то же самое — к оценке количества солнечных модулей, необходимых для работы системы в желаемом режиме. Оценку следует провести как минимум для худшего месяца (для Москвы это — январь), для большей части года (февраль-ноябрь) и для летнего максимума (в Москве это — июль). Стандартная инсоляция рассчитывается для площади в 1 квадратный метр. Однако точная площадь элементов солнечной панели нам неизвестна. Зато известна её номинальная мощность, которая определяется для засветки мощностью 1кВт/м2 при 25°С. Этого вполне достаточно. Приняв мощность солнечного излучения у поверхности Земли (максимальную инсоляцию) той же самой, — что, в общем, соответствует действительности, — мы получим, что выработка батареи относится к инсоляции квадратного метра так же, как мощность батареи относится к мощности солнечного излучения у земной поверхности в ясную погоду, приходящейся на 1 квадратный метр, то есть к 1000Вт. Умножив месячную инсоляцию на соотношение мощностей батареи и максимальной инсоляции, можно оценить выработку солнечной батареи за этот месяц. Таким образом, выработку панели будем рассчитывать по следующей формуле (1): Eсб = Eинс · Pсб · η / Pинс, где Eсб — выработка энергии солнечной батареей; Eинс — месячная инсоляция квадратного метра; Pсб — номинальная мощность солнечной батареи; η — КПД инвертора при преобразовании низковольтного постоянного напряжения в стандартное (если предполагается использовать низковольтное напряжение напрямую, η можно приравнять к 1, то есть не учитывать); Pинс — максимальная мощность инсоляции квадратного метра земной поверхности (1000Вт). Инсоляция и желаемая выработка должны быть в одних и тех же единицах (либо киловатт-часах, либо джоулях). Соответственно, зная месячную инсоляцию, можно оценить номинальную мощность солнечной батареи, требуемую для обеспечения необходимой месячной выработки (2): Pсб = Pинс · Eсб / (Eинс · η). Как правило, максимальная мощность солнечной батареи, заявленная производителем, достигается при напряжении на её выходе, превышающем напряжение аккумуляторных батарей на 15-40%. Большинство недорогих контроллеров заряда могут либо подключать нагрузку напрямую, "просаживая" выходное напряжение батарей намного ниже оптимального, либо просто отсекать этот "излишек". Поэтому эти потери также можно заложить в КПД, уменьшив его на 10-25% (потери мощности — меньше потерь напряжения, поскольку при повышенной нагрузке "проседание" напряжения компенсируется некоторым увеличением тока, хотя и не полностью; более точно значение можно определить лишь зная зависимость напряжения от тока нагрузки для конкретной батареи). Однако существуют модели контроллеров, которые удерживают эти потери в пределах 2-5%. Мощность солнечного излучения меняется от месяца к месяцу, а номинальная мощность солнечной батареи неизменна, и именно на неё следует ориентироваться при выборе места для установки и при определении затрат. Формула 2 удобна для оценки номинальной мощности батареи для конкретных условий инсоляции, но мало подходит для оценки её возможностей в течение всего года. Поэтому проведём вычисления на основании формулы 1, чтобы посмотреть, когда и какие режимы энергоснабжения могут позволить солнечные батареи различной номинальной мощности. Поскольку для Москвы нет данных для наклона 70°, но есть данные для наклонов 40° и 90°, то в первом приближении можно использовать среднее значение между этими данными. Полученные значения месячной выработки округлялись до 1кВт·ч в меньшую сторону. При оценке выработки учтён суммарный КПД инвертора и контроллера, равный 91% (это — верхняя оценка реально достижимых значений на данный момент). "Режим дефицита" означает, что суммарной месячной выработки не хватит даже для внутренних потребностей самóй системы (постоянной работы инвертора и контроллера). Прежде всего, надо сказать, что 400-ватной номинальной мощности батарей в Москве не хватит на поддержку аварийного режима даже в летние месяцы. Тем не менее, в период с мая по начало августа её выработка превышает 80% аварийного минимума, а потому с учётом тепла и длинных дней в этот период такую номинальную мощность можно считать допустимым аварийным вариантом для дачи, особенно если инвертор будет работать не постоянно, а только тогда, когда электричество действительно нужно. Однако приобретение солнечных батарей меньшей мощности можно рассматривать лишь для каких-то специальных целей — хоть сколько-нибудь приемлемое круглосуточное бытовое электроснабжение они не обеспечат даже летом. Для маломощных систем критически важным является собственное потребление инвертора и контроллера заряда. Оно кажется незначительным (в расчёт заложено всего 25Вт, что соответствует современным моделям этих устройств), однако из-за непрерывной работы за сутки набегает 0,6кВт·ч, а за месяц — 17-19кВт·ч, в зависимости от длительности месяца. То есть почти треть от выработки, необходимой для аварийного режима. Поэтому в тёмные месяцы суммарная выработка маломощной солнечной батареи становится меньше этой величины. Современные инверторы и контроллеры заряда предусматривают защиту от глубокого разряда аккумуляторов (они просто отключают нагрузку), поэтому фатальное повреждение системы маловероятно, но непрерывное наличие напряжения в маломощной автономной системе не гарантируется зимой даже при отсутствии нагрузки — слишком велики затраты энергии на поддержание собственной работы. В пасмурные зимние дни такая солнечная батарея не сможет круглосуточно поддерживать напряжение в розетках, хотя в солнечную погоду и в эти месяцы она вполне обеспечит питание электроприборов соответствующей мощности. 500-ваттная сборка солнечных батарей на большей территории России уже способна дать аварийный минимум в период с мая почти до конца августа и выдавать 80% этого минимума в апреле и даже в марте. 600-ваттная система расширяет период возможного аварийного использования "солнечного электричества" со второй половины марта до начала сентября. 800-ватная сборка летом позволяет базовый режим электропотребления, да и с марта по сентябрь выработка уверенно превышает аварийный минимум. Кроме того, такая установка — уже в силах обеспечить напряжение в розетке почти круглогодично — лишь в декабре и январе наблюдается небольшой дефицит выработки. Следующий рубеж берёт сборка с номинальной мощностью 1,2кВт. В июле она может обеспечить умеренный режим электропотребления, а с марта по сентябрь — базовый. Кроме того, в течение всего года выработка превышает внутренние потребности системы, а потому при малой внешней нагрузке она способна круглогодично поддерживать напряжение в розетках. Это позволяет использовать её для обеспечения гарантированного питания систем контроля, таких как пожарные и охранные сигнализации. Аварийный же минимум обеспечивается бóльшую часть года, за исключением самых тёмных месяцев (ноябрь-январь). Двухкиловаттная сборка может поддерживать комфортный или близкий к нему режим с мая до середины августа и базовые потребности с февраля по октябрь. Правда, в ноябре её мощности хватит лишь для аварийного режима, а в декабре и январе даже эти скромные требования она не обеспечит. Лишь номинальная мощность в 3,2кВт даёт гарантию аварийного минимума в течение всего года, а период комфортного использования "солнечного электричества" расширяется на весь период длинных дней — с марта по сентябрь включительно. 5,3кВт номинальной мощности позволяют в мае-августе использовать электричество от батарей практически без ограничений и круглый год гарантируют базовые потребности. 8кВт делают возможным круглогодичное использование автономного электричества в умеренном режиме, 13,5кВт — в комфортном. Наконец, система с номинальной мощностью 31,5кВт позволила бы мне круглый год не зависеть от внешней электросети и при этом не испытывать никаких ограничений в использовании электричества. Однако стоимость одних только фотоэлектрических панелей для 30-киловаттной системы по оптовой цене 60000 рублей за киловатт составит 1,8 миллиона, а площадь их поверхности при КПД 17-18% будет около 300 квадратных метров. Впрочем, эти огромные цифры относятся к пасмурной зимней Москве. Для тех же режимов в Сочи и Астрахани затраты уменьшатся примерно втрое, во Владивостоке и Петропавловске-Камчатском — вчетверо, а в Южно-Курильске — аж впятеро. От 700000 до 1000000 рублей за бесшумное, бестопливное и пожизненное автономное электроснабжение — это уже интересная цена, вполне сопоставимая со стоимостью нового автомобиля среднего класса. ЛОЖКА ДЁГТЯ Следует заметить, что приведённые выше оценки достаточно грубы. Для успешного практического использования солнечных батарей необходимо учесть ещё несколько замечаний. Во-первых, расчёт проводился по средним величинам за годы наблюдений. В годы с аномальной погодой месячная выработка может отличаться от этих значений на десяток-другой процентов, а то и больше. Поэтому если Вы хотите иметь хорошие гарантии того, что система сможет обеспечить необходимый Вам минимальный режим, следует увеличить суммарную мощность панелей раза в полтора, по сравнению с полученной в результате расчёта (либо использовать при расчёте меньший КПД — не 91%, а всего лишь 50%-60%). Это замечание актуально как для летней, так и для круглогодичной эксплуатации. Во-вторых, для значительной части территории России зимой (ноябрь-январь) характерны длительные периоды тяжёлой облачности, когда даже в полдень реальный поток солнечной энергии составляет менее 30 Вт/м2 (помимо толстого слоя облаков, сказывается ещё и низкая высота солнца над горизонтом, так что его лучи "пробивают" облачность не вертикально, по кратчайшему пути, а почти горизонтально, теряя в разы больше энергии). С учётом короткого дня (формальный минимум — 7 часов, но реально в такие пасмурные дни более-менее светло лишь 5-6 часов), суточная выработка солнечной батареи даже при оптимальной для зимы ориентации не превысит 0,2 кВт·ч на каждый киловатт номинальной мощности, а то и ещё меньше. Впрочем, если солнце взошло, то при любой облачности минимум 50 Вт·ч на киловатт номинальной мощности практически гарантированы, кроме часа после восхода и часа перед закатом, когда "гарантированный" минимум составляет порядка 10 Вт·ч/кВт, то есть даже для самых коротких и пасмурных дней в Москве за сутки можно рассчитывать не менее чем на 0,1 кВт·ч электроэнергии с киловаттной батареи (таким образом, московской зимой каждый киловатт номинальной мощности солнечных батарей с достаточной степенью надёжности гарантирует круглосуточную работу нагрузки мощностью не более 5 Вт, хотя даже один солнечный час в день сразу поднимает эту цифру на порядок). Следует подчеркнуть, что эта величина — в несколько раз меньше, чем та, что получается при простом делении минимальной месячной выработки на количество дней в месяце, причём, пасмурные периоды могут длиться много дней подряд, так что надо исходить из предположения, что никакой аккумуляторной батареи разумной мощности для полной компенсации такого дефицита энергии не хватит. Поэтому при серьёзной ориентации на солнечную энергию в эти периоды необходимо предусмотреть либо какие-то дополнительные источники электроэнергии, либо возможность кардинального сокращения её использования без неприемлемого ущерба для комфорта. Конечно, если солнечная энергия изначально является хоть и важным, но не единственным источником электричества, актуальность данной проблемы существенно снижается. Кроме того, по мере перемещения от Москвы к югу и к востоку (особенно за Уралом) количество зимних солнечных дней и дней с относительно слабой облачностью или дымкой увеличивается. Поэтому описанная проблема наиболее актуальна для жителей западных и северо-западных регионов России. В тёплый период года многодневная тяжёлая облачность не так вероятна, световой день — намного длиннее, а солнце поднимается выше над горизонтом, так что если даже оценку минимального потока энергии для перестраховки оставить на том же уровне, то "минимально гарантированную" суточную выработку можно смело увеличить как минимум вдвое — не менее 0,2 кВт·ч/кВт. Но это не значит, что к солнечным батареям стóит относиться несерьёзно. Мы специально рассматриваем наихудший случай, который следует иметь в виду, чтобы избежать неожиданных разочарований при особо неблагоприятном стечении обстоятельств. Ведь даже в конце декабря за короткий, но солнечный день с каждого киловатта номинальной мощности фотопанелей можно получить несколько киловатт-часов электроэнергии. Но в Москве такие дни в ноябре-январе случаются нечасто. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ Как уже говорилось, в состав систем электроснабжения на солнечных батареях входят следующие категории устройств: — панели с фотоэлектрическими элементами; — контроллер солнечной батареи (обеспечивает нормирование выходного напряжения батареи, зарядку аккумуляторов и опционно подачу низковольтного постоянного тока в нагрузку); — электрохимические аккумуляторы (запасают энергию в период её избытка и подают её в систему в период нехватки при недостаточном освещении фотоэлементов или при временном возрастании потребления); — инвертор (обеспечивает преобразование постоянного низковольтного тока от аккумуляторов и фотоэлементов в бытовой или промышленный стандарт). Определяющими критериями выбора являются две мощности — номинальная мощность солнечной батареи и максимальная мощность нагрузки. Причём, в общем случае эти величины могут мало коррелировать друг с другом. Теоретически можно весь летний день заряжать аккумуляторы от 200-ваттной солнечной батареи, поворачивая её вслед за солнцем и накопив 2,5кВт·ч энергии, а вечером за полчаса потратить их на сварку, используя инвертор мощностью 5кВт. Но прежде, чем выбирать конкретные модели, следует определиться с низковольтным напряжением постоянного тока, которое будет использоваться в системе. ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ СИСТЕМЫ Если с выбором выходного напряжения системы всё ясно (в России это — 220В переменного тока с частотой 50Гц), то выбор низковольтного напряжения постоянного тока (напряжение на входе инвертора, оно же — номинальное напряжение блока аккумуляторов и фотоэлектрических панелей) — гораздо шире. Стандартные мощные аккумуляторы имеют напряжение 12В, иногда встречаются и 6-вольтовые "мотоциклетные" варианты. Наконец, можно найти модули напряжением 2В и собрать из них батарею на любое напряжение, кратное этому шагу. Номинальное выходное напряжение фотоэлектрических панелей мощностью от 50Вт — обычно либо 12В, либо 24В, но его также можно наращивать с соответствующим шагом, соединяя батареи последовательно. Большинство инверторов рассчитаны на входной постоянный ток напряжением 12В, 24В, 48В или 96В, в зависимости от мощности. Дело в том, что уже для обеспечения мощности в 1кВт при напряжении 12В необходим ток в 83 с лишним ампера. Если же учесть потери инвертора, которые могут достигать 15%, то ток вплотную приближается к 100А. Подобные и даже в 2-3 раза бóльшие токи характерны для автомобильного стартера, но там они протекают редко и недолго. Здесь же они должны течь в длительном, практически постоянном режиме. В результате сечение провода должно быть очень большим — для медного провода не менее 25мм2 (диаметр — около 6мм), а сами провода должны быть как можно более короткими (не более метра, а лучше постараться уложиться в 20-30см). 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 10кВт ток, соответственно, возрастёт до 1000А, а сечение провода увеличится уже не в 10, а более чем в 20 раз из-за проблем с отводом тепла из середины жилы — это будет медный пруток диаметром почти 1,5см. Даже просто обеспечить компактное и надёжное соединение, позволяющее пропускать через него столь мощные токи в течение многих лет, весьма сложно. По этим причинам производители инверторов стремятся к тому, чтобы входной ток, потребляемый инвертором в режиме номинальной мощности, не превышал 100-200А, и при повышении мощности вынуждены поднимать входное напряжение.
В отличие от солнечных панелей и аккумуляторов, инверторы и контроллеры нельзя включать последовательно, поэтому их необходимо выбирать, исходя из напряжения постоянного тока по необходимой выходной мощности инвертора. Лично я предпочитаю оставаться в пределах 24В, поскольку это напряжение вполне безопасно и подходит для номинальной выходной мощности инвертора в 3 кВт и даже до 5 кВт. А 3 кВт 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 нескольким инверторам одновременно — каждого к своему — при том, что номинальная мощность каждого инвертора не превышает 3-5кВт, а входное напряжение остаётся в пределах 24В (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. 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). Такой ток успешно "едят" лишь нагревательные приборы, не содержащие электронных блоков, и лампы накаливания. Вся остальная электротехника (любые 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 — хотя осциллограф честно показывает амплитуду 311В, как и в сети. Несколько более приемлем ток трапецеидальной формы. К счастью, в настоящее время инверторы, вырабатывающие на выходе переменный ток таких форм, встречаются редко. Наиболее часто современные инверторы выдают так называемый "модифицированный синус", представляющий собой 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. Наконец, инверторы, вырабатывающие "чистый синус", выдают ток, форма которого очень близка к идеальному синусу и обычно намного лучше, чем форма тока в общественной электросети. Единственный недостаток этого класса инверторов — они немного крупнее и в 1,5-2 раза дороже аналогичных инверторов с "модифицированным синусом". Во-вторых, это — КПД инвертора. Чем он выше, тем меньше непроизводительные потери энергии. Покупать инвертор с КПД ниже 80% нецелесообразно. Большинство современных инверторов имеет КПД более 85%. В-третьих, это — способность инвертора работать в режиме зарядки аккумуляторов. Такой инвертор в комплекте с аккумуляторами интересен уже сам по себе — даже без солнечных батарей 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 солнечными батареями эта особенность также очень полезна — она позволяет уменьшить запас мощности солнечных батарей и ёмкости аккумуляторов для наиболее неблагоприятной ситуации, поскольку при недостатке солнечной энергии аккумуляторы можно подзарядить от внешней сети или от бензинового генератора. В-четвёртых, чем подробнее индикация, тем лучше. Весьма желательна возможность контроля как входного напряжения (на аккумуляторах), так и выходного (в розетке). Кроме того, я считаю необходимым наличие защиты от перегрузки и от короткого замыкания в нагрузке. В-пятых, очень хорошо, если инвертор допускает кратковременное превышение номинальной нагрузки, хотя бы в 1,5-2 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. И последнее. По моему убеждению, за исключением каких-то особых случаев, при мощности потребления до 10 кВт гораздо удобнее использовать не трёхфазное, а однофазное напряжение. Это упрощает разводку по дому и устраняет проблемы, связанные с распределением фаз по потребителям и с равномерностью нагрузки на фазах. К тому же, трёхфазные инверторы труднее найти, и они — сложнее и дороже, чем однофазные той же мощности. ВЫБОР АККУМУЛЯТОРОВ Наиболее широко распространены аккумуляторы на 12В, и именно — из них обычно собираются аккумуляторные батареи на любое напряжение, кратное этой величине, в том числе 24В, 48В и 96В. Аккумуляторный блок системы автономного электроснабжения характеризуется такими основными параметрами как рабочая ёмкость, ток заряда и ток разряда. СОЕДИНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРОВ При рабочем напряжении, превышающем 12В, 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. 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 очень 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 12В аккумуляторы можно заменять и добавлять по одному, на 24В — только парами, на 48В — сразу четвёрками, а на 96В — лишь по 8 штук одновременно. ВЫБОР ТИПА В настоящее время, благодаря постепенному снижению цен, литиево-ионные аккумуляторы начинают составлять конкуренцию традиционным — свинцово-кислотным. По сравнению с ними, литиево-ионные аккумуляторы имеют гораздо бóльшую удельную ёмкость, а значит — гораздо меньший вес, что вместе с меньшими размерами является важнейшим фактором для мобильных энергосистем. Кроме того, они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость и почти вдвое эффективнее свинцово-кислотных используют её при работе в буферном режиме, а именно такой режим характерен для систем автономного энергоснабжения при компенсации кратковременных нехваток энергии. Однако литиево-ионные аккумуляторы — гораздо дороже и более пожаро- и взрывоопасны. Следует подчеркнуть, что для литиево-ионных аккумуляторов требуются специальные зарядные устройства, и режим заряда, характерный для свинцово-кислотных аккумуляторов, им не подходит. В то же время многие ныне выпускаемые контроллеры заряда рассчитаны только на свинцовые аккумуляторы. Так как для стационарных систем массогабаритные характеристики часто не принципиальны, то хорошее соотношение "ёмкость — цена" в сочетании с меньшей пожаро- и взрывоопасностью вполне может перевесить более высокую энергоэффективность. Поэтому пока мы будем ориентироваться на свинцово-кислотные аккумуляторы. ТЕХНОЛОГИЯ AGM (ABSORBENT GLASS MAT) В качестве электролита также используется кислота в жидком виде. Но пространство между электродами заполнено микропористым материалом-сепаратором на основе стекловолокна. Это вещество действует как губка — оно полностью всасывает всю кислоту и удерживает её, не давая растекаться. При протекании химической реакции внутри такого аккумулятора также образуются газы (в основном, водород и кислород, их молекулы являются составными частями воды и кислоты). Их пузырьки заполняют некоторые из пор, при этом газ не улетучивается. Он принимает непосредственное участие в химических реакциях при подзарядке батареи, возвращаясь обратно в жидкий электролит. Этот процесс называется рекомбинацией газов. Из школьного курса химии известно, что круговой процесс не может быть 100% эффективным. Но в современных AGM аккумуляторах эффективность рекомбинации достигает 95-99%. То есть внутри корпуса такого аккумулятора образуется ничтожно малое количество свободного ненужного газа, и электролит не меняет своих химических свойств на протяжении многих лет. Тем не менее, по истечении очень долгого времени свободный газ создаёт внутри батареи избыточное давление. Когда оно достигает определённого уровня, срабатывает специальный выпускной клапан. Этот клапан также защищает батарею от взрыва в случае возникновения внештатных ситуаций: работа в экстремальных режимах, резкое повышение температуры в помещении и т.п. Основным преимуществом аккумуляторов AGM перед технологией GEL является более низкое внутреннее сопротивление аккумулятора. Прежде всего, это влияет на время заряда АКБ, которое в автономных системах сильно ограничено, особенно в зимнее время. Таким образом, АКБ AGM быстрее заряжается, а значит — быстрее выходит из режима глубокого разряда, который вреден для всех типов АКБ. Если система автономная, то при использовании АКБ AGM её КПД будет выше, чем у такой же системы с АКБ GEL, так как для заряда АКБ GEL требуется больше времени и мощности, которых может не хватать в пасмурные зимние дни. При отрицательных температурах гелевый аккумулятор сохраняет больше ёмкости и считается более стабильным, но, как показывает практика, в пасмурную погоду при слабых токах заряда и отрицательных температурах, гелевый аккумулятор не будет заряжаться из-за высокого внутреннего сопротивления и застывшего гелевого электролита, в то время как аккумулятор AGM будет заряжаться при малых токах зарядки. Специальное техническое обслуживание батарей AGM не требуется. АКБ, изготовленные по технологии AGM, не требуют обслуживания и дополнительной вентиляции помещения. Недорогие АКБ AGM прекрасно работают в буферном режиме с глубиной разряда не более 20%. В таком режиме служат до 10-15 лет. Если же их использовать в циклическом режиме и разряжать хотя бы до 30-40%, то их срок службы существенно сокращается. AGM аккумуляторы часто используются в недорогих источниках бесперебойного питания (UPS) и небольших автономных энергосистемах. Тем не менее, в последнее время появились AGM батареи, которые рассчитаны на более глубокие разряды и цикличные режимы работы. Конечно, по своим характеристикам они уступают АКБ GEL, но прекрасно работают в автономных солнечных системах энергоснабжения. Но главная техническая особенность AGM аккумуляторов, в отличие от обычных автомобильных свинцово-кислотных АКБ, — это возможность работы в режиме глубокого разряда. То есть они могут отдавать электрическую энергию на протяжении длительного времени (часы и даже сутки) до состояния, когда запас энергии падает до 20-30% от первоначального значения. После проведения зарядки такого аккумулятора он практически полностью восстанавливает свою рабочую ёмкость. Конечно, совсем бесследно такие ситуации проходить не могут. Но современные AGM аккумуляторы выдерживают от 600 и выше циклов глубокой разрядки. Кроме того, у AGM батарей — очень малый ток саморазряда. Заряженная батарея может долгое время храниться без подзарядки. Например, за 9 месяцев простоя заряд аккумулятора уменьшится всего до 80% от первоначального. ТЕХНОЛОГИЯ GEL (GEL ELECTROLITE) В жидкий электролит добавляют вещество на основе оксида кремния (SiO2), в результате чего образуется густая желеобразная масса. Этой массой и заполнено пространство между электродами внутри аккумулятора. В отличие от AGM, гелевые аккумуляторы ещё лучше восстанавливаются из состояния глубокого разряда, даже при некотором простое без зарядки. Они способны перенести более 1000 циклов глубокой разрядки без принципиальной потери своей ёмкости. Так как электролит находится в густом состоянии, то он менее подвержен расслоению на составные части (воду и кислоту), поэтому гелевые аккумуляторы лучше переносят плохие параметры тока подзарядки. Пожалуй, единственный недостаток гелевой технологии — цена. Она — выше, чем у AGM батарей такой же ёмкости. Поэтому использовать гелевые аккумуляторы рекомендуется в составе сложных и дорогих систем автономного и резервного электроснабжения, а также в случаях, когда отключения внешней электрической сети случаются очень часто. Гелевые аккумуляторы лучше выдерживают циклические режимы заряда/разряда. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения, когда батареи работают в циклических режимах (заряжаются и разряжаются каждый день) и нет возможности поддерживать температуру аккумуляторов в оптимальных пределах. Батареи AGM больше подходят для работы в буферном режиме — в качестве запасного варианта при нечастых перебоях электроэнергии. В случае слишком частого подключения в работу просто-напросто уменьшается их жизненный цикл. В таких случаях использование гелевых аккумуляторов бывает экономически более оправдано. Также существуют специальные АКБ по технологии OPzS, которые специально разработаны для "тяжёлых" цикличных режимов. Данный тип АКБ создавался специально для использования в системах автономного электроснабжения. Такие АКБ имеют пониженное газовыделение, допускают много циклов заряда/разряда до 70% от номинальной ёмкости без повреждения и значительного сокращения срока службы. Но данный тип АКБ не пользуется высоким спросом в России из-за достаточно высокой стоимости, по сравнению с технологиями AGM и GEL. Обычные автомобильные аккумуляторы тоже вполне приемлемы. Более того, они менее чувствительны к холоду, по сравнению с AGM и GEL, а в течение нескольких секунд даже при ёмкости 50А·ч многие из них способны без ущерба для себя выдавать ток более 200А. Но и в самом щадящем режиме не стóит рассчитывать, что они прослужат дольше 3-5 лет. И последнее. 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 10-15 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. Например, для аварийного режима это будет 2кВт·ч, для базового — 4кВт·ч, для умеренного — 5кВт·ч и т.д. Теперь оценим энергозапас аккумулятора. Возьмём, например, аккумулятор на 12В с номинальной ёмкостью 100А·ч. Если судить по номинальной ёмкости, то его энергозапас составляет 12 х 100 х 3600 = 4,32·106Дж (1,2кВт·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. Считается, что в так называемом "буферном" режиме работы, обеспечивающем наибольшую долговечность аккумулятора, глубина разряда не должна превышать 20% от номинальной ёмкости, то есть в нашем случае 0,24кВт·ч. Впрочем, можно принять, что иногда (несколько раз в 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 (то есть 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 100А·ч можно считать примерно равным 0,5кВт·ч, то есть для обеспечения рабочей энергоёмкости блока аккумуляторов 2кВт·ч следует взять 4 таких аккумулятора, соединив их в соответствии с выбранным низковольтным напряжением. Для рабочей ёмкости 4кВт·ч необходимо уже 8 таких аккумуляторов, то есть число их сборок надо удвоить. При этом буферный энергозапас, используемый ежедневно, следует считать как минимум вдвое меньше рабочего — для 12-вольтовых аккумуляторов он будет 0,125кВт·ч, 0,25кВт·ч и 0,5кВт·ч при ёмкости 50А·ч, 100А·ч и 200А·ч, соответственно. Впрочем, это — ещё не всё. Любой опытный автомобилист знает, что реально отдаваемая аккумулятором энергия очень сильно зависит и от окружающей температуры, и от тока нагрузки. Например, по формальному расчёту типовой автомобильный аккумулятор ёмкостью 50А·ч должен обеспечить 30 минут работы при токе нагрузки 100А (кручение стартера на горячем двигателе) или 10 минут при токе нагрузки 300А (холодный старт в зимнее время). Но в реальности хорошо — если даже летом удастся покрутить стартер в сумме всего 3-5 минут, причём — лишь по нескольку секунд за сеанс и с перерывами между сеансами для "отдыха" аккумулятора. Затем стартер уже не сможет крутиться с нужной скоростью, а лампочки на приборной доске в это время будут еле тлеть. Однако при снятии нагрузки от стартера лампочки снова загораются и светят достаточно ярко — при уменьшении потребления напряжение аккумулятора тут же восстанавливается до нормального уровня. Поэтому от тока нагрузки на аккумулятор очень сильно зависит время его работы до момента, когда сработает защита от глубокого разряда — один и тот же аккумулятор может несколько часов питать лампочку мощностью 100Вт, но в то же время его хватит лишь на несколько минут работы электромотора мощностью 1кВт. 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 2кВт·ч можно собрать из восьми 12-вольтовых аккумуляторов по 50А·ч, четырёх по 100А·ч или двух по 200А·ч. В данном случае я предпочитаю 100-амперчасовые аккумуляторы. 200-амперчасовые весьма громоздки и весят 65-75кг, так что даже передвинуть их в одиночку — совсем непросто, особенно в тесных неудобных местах. В то же время аккумуляторы по 50А·ч потребуют слишком большого числа соединений, а это увеличивает трудоёмкость монтажа и снижает надёжность. 100-амперчасовые аккумуляторы весят менее 40кг, 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 суммарный ток зарядки, равный максимальному току солнечной батареи, 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 солнечная батарея — мощная, 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 MPPT, преобразующих излишек напряжения в дополнительный ток, следует ориентироваться на максимальный выходной ток контроллера, а не солнечных панелей. С другой стороны, слишком малый ток заряда не сможет полностью зарядить аккумуляторы. Это происходит тогда, когда ёмкость блока аккумуляторов слишком высока, а солнечная батарея имеет небольшую мощность. При недолгой эксплуатации это приведёт лишь к сокращению запаса энергии в аккумуляторах, однако хронический недозаряд заметно 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 желательно — чтобы ток разряда в длительном режиме не превышал половину, а лучше — пятую часть максимально допустимого значения. Точные значения токов следует смотреть в документации на конкретную модель аккумулятора, однако для предварительных прикидок можно принять следующие величины этих токов в амперах относительно ёмкости в ампер-часах: — максимальный ток разряда численно равен ёмкости и допустим только в кратковременном режиме — меньше минуты; — оптимальный ток разряда не превышает 20% ёмкости, а для длительного режима не должен превышать 5-10% (нагрузка освещения должна составлять менее 10%, а при включении холодильника может оставаться в пределах 20%); — оптимальный ток заряда составляет 5-10% от ёмкости; — максимальный ток заряда не превышает 20% от ёмкости (иногда — до 30%). 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 нерегулируемых контроллеров основным критерием выбора ёмкости аккумуляторов является 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 ёмкостей блока до 5-20 раз от максимального вырабатываемого тока первичных источников. У новых аккумуляторов ёмкость и время хранения обычно соответствуют заявленным значениям. Но при их долговременной эксплуатации эти величины могут заметно сократиться по сравнению с первоначальными. Поэтому если Вы желаете иметь гарантированный запас энергии в течение многих лет, следует увеличить ёмкость сборки аккумуляторов относительно расчётной раза в 1,5, 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 ПАНЕЛЕЙ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ При выборе панелей, помимо их мощности, следует учитывать ещё 3 фактора — их геометрию, номинальное выходное напряжение и тип фотоэлементов. ВЫБОР РАЗМЕРОВ Для достижения нужных значений номинального напряжения и номинальной мощности панели можно объединять в последовательные сборки, которые затем коммутируются параллельно — аналогично тому, как коммутируется банк аккумуляторов. Как и в случае с аккумуляторами, в одной сборке следует использовать только однотипные панели. Панели заводского изготовления часто имеют прямоугольную форму с соотношением сторон 1:2 или близким к нему. Поэтому если предполагается их монтаж вплотную в несколько рядов, то размещать их можно "стоя" (длинной стороной вертикально) или "лёжа на боку" (длинной стороной горизонтально). Возникает вопрос: какую ориентацию предпочесть? Ответ: ту, при которой во время движения Солнца минимум панелей будут испытывать полутень, так как даже один затенённый элемент резко снижает выработку всей панели. Например, если в предполагаемом месте установки наиболее вероятно вертикальное смещение границы затенения (от конька соседской крыши, от высокого глухого длинного забора, от полосы кустарника, от верхушек близкого леса и пр.), то панели лучше располагать "лёжа на боку". Если же тень, в основном, будет перемещаться по горизонтали от одной боковой стороны к другой (скажем, тени от угла высокого дома, от толстого столба, от высокого дерева), то панели лучше располагать "стоя". Дополнительно можно заметить, что при вертикальном расположении панелей меньше число горизонтальных стыков, что способствует лучшему смыванию пыли и сходу снега с панелей, поэтому панели, которые ничто не будет затенять, лучше монтировать "стоя". Но если возможно затенение панелей, то приоритетно преимущественное направление затенения и выхода из тени. ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ В настоящее время почти все промышленно изготовленные панели фотоэлементов большой мощности имеют номинальное напряжение либо 12В, либо 24В. И здесь с выбором напряжения тоже всё просто — лучше выбирать 24-вольтовые панели, поскольку рабочие токи у них — вдвое меньше, чем у 12-вольтовых той же мощности. Панели одинаковой мощности одного и того же производителя, рассчитанные на разное напряжение, обычно различаются лишь внутренней коммутацией фотоэлементов. Панели с номинальным напряжением выше 24В встречаются редко и обычно собираются из более низковольтных. 12-вольтовые панели, на мой взгляд, оправданы лишь в двух случаях — для систем, где 12В являются рабочим напряжением инвертора (обычно это — системы мощностью не более 1,5 кВт), а также если по архитектурным или конструктивным соображениям необходимо использовать панели малого размера, для которых не существует вариантов на 24В. При самостоятельной сборке панелей из отдельных фотоэлементов не следует забывать о защитных диодах в каждой цепочке для предотвращения протекания обратного тока при неравномерной засветке. В противном случае мощность, выработанная освещёнными секциями панели, вместо полезной нагрузки будет выделяться на затенённом фотоэлементе, а это чревато его перегревом и полным выходом из строя (неосвещённый фотоэлемент в этой ситуации окажется открытым диодом). Допустимый прямой ток защитных диодов должен быть больше, чем ток короткого замыкания защищаемой цепочки фотоэлементов при максимальной освещённости. ТИПЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ В настоящее время наиболее часто предлагаются фотоэлементы на монокристаллическом или поликристаллическом кремнии. Монокристаллический кремний обычно имеет КПД в районе 16-20%, а поликристаллический — 12-14%, зато он — несколько дешевле. Однако в готовых панелях цена за ватт (то есть в пересчёте на вырабатываемую мощность) получается почти одинаковой. По такому параметру как степень и скорость деградации заметной разницы между ними практически нет. В связи с этим, выбор монокристаллического кремния может оказаться правильнее: при равной мощности панели из него — более компактные. Зато у поликристаллического кремния — более низкое напряжение холостого хода (у монокристаллического оно может превышать номинал вдвое). Но если подключать панель к инвертору и аккумулятору не напрямую, а через контроллер, повышенное напряжение не имеет существенного значения. Как ни странно, в России до сих пор живёт миф о том, что поликристаллический модуль более эффективно работает в пасмурную погоду. Однако ни одного официального доказательства, что это на самом деле так, никто не видел. Этот вопрос больше относится не к типу солнечных элементов, а к их качеству и фоточувствительности. ВЫБОР РАЗМЕЩЕНИЯ И СУММАРНОЙ МОЩНОСТИ ПАНЕЛЕЙ На первый взгляд, нет смысла выбирать суммарную мощность панелей фотопреобразователей больше мощности инвертора. Тем не менее, такое превышение, причём, даже не на проценты, а в разы, может быть оправдано при наличии мощной постоянной нагрузки и мощного блока аккумуляторов или в расчёте на длительные периоды пасмурной погоды. Ещё одним интересным вариантом, когда суммарная мощность панелей может существенно превосходить как мощность инвертора, так и мощность, необходимую для зарядки аккумуляторов, является их размещение на противоположных стенах дома или на достаточно крутых скатах крыши (наклон ската — не менее 45°), если они ориентированы на запад и восток — тогда мощность каждого поля солнечных батарей (восточного и западного) может достигать 80% от полной требуемой мощности системы, а мощность фотопанелей, подключённых к одному контроллеру, может превышать его номинальную мощность почти в 1,5 раза. Дело в том, что прямые солнечные лучи не могут одновременно освещать две противоположные стены или два противоположных крутых ската крыши, а мощность, вырабатываемая батареей при отсутствии прямой засветки, падает раз в 10 (во избежание перегрузки контроллера берём её с двукратным запасом, отсюда и получается цифра 80%, а не 90%). Да, такая "сборка" будет дороже, чем система с той же рабочей мощностью, но с единым полем фотопанелей, ориентированным на юг (ведь панелей надо больше). В чём же преимущество "сборки" над "моноблоком"? В период длинных дней, когда Солнце восходит на востоке или даже северо-востоке, а заходит на западе или северо-западе, одно из полей "сборки" всегда будет освещено Солнцем и потому сможет выдавать хорошую мощность. Лишь в полдень солнечные лучи будут скользить по обоим полям панелей, но в это время солнечный свет максимален, и воспринимаемое обеими панелями излучение весьма существенно. В то же время ориентированный на юг "моноблок" даёт мощный максимум выработки в середине дня, но утром и вечером его выработка минимальна, поскольку обусловлена лишь рассеянным светом или, в лучшем случае, скользящими по его поверхности лучами. Между тем, именно в это время хорошо бы зарядить аккумуляторы после ночи или на ночь. В пасмурную погоду облака рассеивают свет, и его одинаково успешно воспринимают оба поля фотопанелей, так что общая выработка "сборки" превосходит "моноблок" прямо пропорционально суммарной мощности всех панелей (но сама выработка достаточно мала, что исключает опасность перегрузки контроллера заряда). Лишь в короткие солнечные зимние дни ориентированный на юг "моноблок" по дневной выработке будет превосходить эту "сборку". Но на большей части территории России зима — пасмурная, а в пасмурные дни важна суммарная мощность всех фотопанелей, так что и здесь "моноблок" проигрывает. Особенно эффективно такое размещение фотопанелей в южных районах, где меньше разность между летними и зимними днями и даже зимой солнце поднимается довольно высоко и достаточно далеко заходит на восток и запад. Если же дом ориентирован по сторонам света не стенами, а углами, то можно поместить поля фотопанелей не на противоположные стороны (восток и запад), а на смежные (юго-восток и юго-запад) — тогда и зимой, даже в нашей Средней полосе, эта система будет вне конкуренции, хотя во избежание перегрузки контроллеров "избыток" мощности, возможно, придётся снизить до 70%, а то и до 50% (точная цифра определяется конкретными условиями размещения панелей). Наконец, можно попытаться ориентировать фотопанели на все три "солнечные" стороны света — восток, юг и запад, — но такое лучше предусматривать на стадии проектирования дома и "посадки" его на местность. Таким образом, по сравнению с традиционной ориентацией солнечных батарей только на юг, предлагаемый вариант с полями фотопанелей, ориентированными на разные стороны света, обеспечивает гораздо бóльшую и более равномерную суточную выработку, причём, возможности всех панелей используются по максимуму в наиболее энергодефицитные пасмурные дни. В то же время всё остальное оборудование (помимо панелей) рассчитано на существенно меньшую пиковую мощность, нежели суммарная мощность солнечных батарей, а, значит, оно получается дешевле и компактнее. Проигрыш "лобовому" увеличению мощности системы, ориентированной строго на юг, может наблюдаться лишь в солнечные зимние дни, коих в средней полосе России весьма немного. ОБ ОТСЛЕЖИВАНИИ ПОЛОЖЕНИЯ СОЛНЦА Выше речь шла только о стационарной установке панелей. И это — неслучайно. Сейчас не проблема — найти систему, позволяющую отслеживать положение Солнца (solar tracker). Однако почти все они рассчитаны на относительно небольшие и лёгкие панели, номинальная мощность которых не превышает нескольких сот ватт. Но для практического бытового применения (кроме применения в качестве аварийного источника) номинальная электрическая мощность солнечных батарей должна составлять хотя бы 500Вт, а лучше от 1кВт и выше. Для такой системы найти готовое решение — уже не так просто. Но самое главное заключается в том, что зимой разность в выработке между правильно ориентированной стационарной и поворотной панелями вообще мизерна, а летом в наших краях она хотя и заметна, но обычно лишь немного превышает 30% (приводимые в рекламе значения до 60% относятся к более южным краям с большой долей прямого солнечного излучения и для основной части территории России, мягко говоря, чересчур оптимистичны). Другие отрицательные аспекты поворотных систем рассмотрены на странице с общим обзором солнечных устройств. Оправданы ли дополнительные затраты и проблемы, связанные с организацией отслеживания положения Солнца, каждый должен решить сам, исходя из своих возможностей и предпочтений. ВЫБОР КОНТРОЛЛЕРА В современных системах контроллер заряда стоит между солнечной батареей и аккумуляторами. Его главная задача — это нормировать напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов, к напряжению, необходимому для заряда аккумуляторов с учётом их текущего состояния, в том числе отключая их от фотоэлементов при полной зарядке во избежание перезаряда. Однако необходимо иметь в виду, что дешёвые модели контроллеров заряда обычно ограничивают только напряжение зарядки, но не ток, и в таком случае слишком слабые аккумуляторы, подключённые к слишком мощному блоку фотоэлектрических преобразователей и слишком мощному контроллеру заряда, могут "вскипеть" и выйти из строя из-за слишком большого тока зарядки, хотя по напряжению всё может оставаться в пределах нормы. Особенно вероятно это в начале зарядки сильно разряженных аккумуляторов, когда при отсутствии специальных ограничителей тока они способны легко "впитать" очень большие токи, которые вызывают перегрев и повышенное газовыделение, а это, в свою очередь, не только сильно сокращает срок службы, но и может быть причиной взрыва и пожара. Впрочем, следует отметить, что более дорогие контроллеры часто имеют возможность задания ёмкости блока аккумуляторов или непосредственного указания максимального тока зарядки. В таком случае нужно лишь не забыть правильно установить эти значения — и даже аккумуляторы малой ёмкости будут заряжаться без эксцессов. ТИПЫ КОНТРОЛЛЕРОВ ЗАРЯДА Дешёвые модели контроллеров заряда для регулирования напряжения на нагрузке обычно используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). По сути, они просто то подключают солнечные батареи к аккумуляторам, то отключают, поддерживая на аккумуляторах нужное напряжение. Самые продвинутые модели способны даже "подтянуть" к необходимому уровню пониженное напряжение, вырабатываемое панелями фотоэлементов при слабом освещении — конечно, не просто так, а с соответствующим уменьшением зарядного тока. При правильном выборе панелей большой необходимости в повышении напряжения нет. Гораздо важнее — возможность снизить относительно высокое "оптимальное" напряжение фотоэлектрической батареи, соответствующее максимальной вырабатываемой мощности, до более низкого уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов, преобразовав излишек напряжения в дополнительный ток и обеспечив полное использование номинальной мощности батареи. Как уже говорилось выше, при прямой коммутации выхода панели фотоэлементов на аккумуляторы из-за неоптимальной нагрузки напряжение может "проседать" ниже оптимального на 15-40%, а потери мощности в этом случае могут превысить 25%. Технология, предотвращающая такие потери, называется MPPT (Maximum Power Point Tracking — отслеживание точки максимальной мощности). Она заключается в постоянном измерении вырабатываемого панелями тока и напряжения и обеспечении их оптимального соотношения, которое зависит, в частности, и от времени суток, и от текущей ситуации на небе (выглянуло солнце или набежало облако). Это позволяет достичь оптимального использования мощности батарей практически во всех режимах работы и уменьшить потери до 3%. Однако стоимость таких контроллеров существенно превышает стоимость простейших моделей, рассчитанных на тот же ток нагрузки. Кроме того, при одинаковом номинальном токе нагрузки суммарная номинальная мощность панелей, подключаемых к контроллеру с MPPT, — обычно заметно меньше суммарной мощности панелей, подключаемых к дешёвым контроллерам с ШИМ-регуляцией — как раз на величину потерь, компенсируемых MPPT, то есть до 25% и более. В результате в солнечный день контроллер с MPPT полностью использует мощность своих солнечных батарей, в отличие от ШИМ-контроллера, использующего лишь часть энергетического потенциала подключённых к нему панелей. Зато в условиях плотной облачности контроллер с ШИМ-модуляцией может выдавать в нагрузку бóльший ток, по сравнению с MPPT, благодаря более полному использованию мощности подключённых к нему панелей. В сумерках же MPPT опять может быть оптимальнее, если в нём предусмотрена возможность "подтягивания" слишком низкого напряжения, но такие периоды обычно весьма кратковременны. Поэтому, если ориентироваться на облачную погоду и учитывать тот факт, что рабочий ток контроллеров весьма ограничен, может оказаться выгоднее приобрести пару лишних солнечных батарей и использовать ШИМ-контроллеры заряда, сэкономив на MPPT, — отдаваемый в нагрузку ток будет относительно стабилен в более широком диапазоне освещённостей за счёт понижения тока при ярком солнце. С другой стороны, когда каждый ватт на счету, а токи относительно невелики (если солнечных панелей слишком мало), использование MPPT, безусловно, более предпочтительно. При выборе контроллера следует учесть дополнительные функции. 1. Специальный выход для низковольтной нагрузки, автоматически отключаемый при слишком большом разряде аккумуляторов. Однако если не предполагается прямое подключение низковольтных потребителей, это не нужно, поскольку практически все современные инверторы делают то же самое для всей подключённой к ним мощности, в то время как мощность контроллеров заряда весьма ограничена. 2. Функция, которая при полном заряде аккумулятора подключает напрямую к фотоэлектрическим панелям дополнительную низковольтную нагрузку, — скажем, нагревательные элементы или низковольтный насос для воды. В солнечные дни это позволяет с пользой автоматически расходовать избытки энергии и не допускать траты энергии на второстепенные цели тогда, когда её мало. ВЫБОР МОЩНОСТИ КОНТРОЛЛЕРА Наиболее распространены контроллеры, рассчитанные на ток в 5А, 10А и 20А, встречаются также на 30А. Более мощные контроллеры встречаются реже и стоят значительно дороже. Тем не менее, вполне возможно объединить несколько не очень мощных контроллеров параллельно, подключив каждый из них к своей группе фотоэлектрических панелей. Такая схема имеет некоторые неудобства, но иногда вполне приемлема. Впрочем, консультация у продавца (а лучше — у производителя) не помешает, поскольку конкретные модели контроллеров могут иметь особенности, не позволяющие такое подключение. Подобное объединение может свести на нет все преимущества контроллеров с MPPT и интеллектуальных контроллеров, меняющих режим заряда по мере зарядки аккумулятора. При подключении панелей к контроллеру надо следить, чтобы их суммарный максимальный ток не превышал 80-90% от номинального тока контроллера. Например, для 10-амперного ШИМ-контроллера суммарный ток должен составлять не более 8-9А. Этот запас необходим для того, чтобы контроллер мог выдержать избыточную выработку, например, в ясный зимний день, когда белый снег, отлично отражающий свет, способствует перезасветке фотоэлементов, по сравнению с расчётной, а умеренный мороз немного повышает их КПД. Таким образом, к одному 10-амперному контроллеру с ШИМ можно подключить панели на 24В суммарной мощностью 300Вт, а на 12В — всего 150Вт. Для контроллеров с MPPT, превращающих "излишек" напряжения в дополнительный ток, необходимый запас по номинальному току может быть ещё больше, и суммарный ток батарей может быть ограничен вплоть до 60-75% от тока, отдаваемого контроллером в нагрузку, то есть мощность панелей, подключаемых к 10-амперному контроллеру с MPPT, не должна превышать 220-240Вт при 24В и быть вдвое меньше при 12В. МУЛЬТИВОЛЬТАЖНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ В настоящее время очень часто встречаются контроллеры заряда, рассчитанные сразу на несколько напряжений (multi-voltage). Чаще всего это — 12/24В или 12/24/48В. Однако не следует думать, что они способны преобразовывать одно напряжение в другое или работать сразу с несколькими напряжениями. Это сделано лишь для сокращения номенклатуры фирмы, поскольку используемая в них элементная база, позволяющая работать с самым высоким напряжением, может также работать и с более низкими (поэтому рабочий ток у этих контроллеров одинаков для любого напряжения и подключаемая к ним допустимая мощность прямо пропорциональна рабочему напряжению). При подключении такие контроллеры сначала должны соединяться с аккумулятором и лишь затем — с солнечными батареями. По поданному от аккумулятора напряжению контроллер определяет рабочее напряжение системы и соответствующим образом настраивает значения напряжений различных фаз зарядки, а также напряжение на выходе нагрузки. Эта настройка занимает доли секунды. Далее в этом сеансе работы (до полного отключения всех источников питания) он считает рабочим именно то напряжение, которое было подано на него изначально. Для "перепрограммирования" на другое напряжение его надо полностью отключить, и после паузы в несколько десятков секунд (необходимой для гарантированного разряда всех внутренних конденсаторов) снова подключить к блоку аккумуляторов с нужным напряжением. Может показаться, что подобная универсальность контроллера поможет в ситуации, когда сначала система строится в расчёте на одно напряжение (скажем, 12В), а затем возникает необходимость перейти на другое (например, 24В). В какой-то степени, это — верно, так как аккумуляторы и солнечные батареи можно переконфигурировать, а контроллер — "перепрограммировать" на новое напряжение. Однако подавляющее большинство современных моделей инверторов рассчитаны на фиксированное значение низковольтного напряжения, и такой инвертор придётся менять. На практике обычно возникают и другие сложности, связанные с изменением рабочего напряжения. Поэтому следует сразу правильно выбирать рабочее напряжение, а на возможности контроллера поддерживать сразу несколько напряжений особого внимания не обращать, главное — чтобы он мог работать с напряжением, выбранным Вами. Иногда может возникнуть необходимость подключить более низковольтную нагрузку к более высоковольтному источнику — например, зарядить 12-вольтовый автомобильный аккумулятор от 24-вольтовой солнечной панели. Может ли здесь помочь мультивольтажный контроллер 12/24В? Если это — простой ШИМ-контроллер, то, скорее всего, — да. Для этого его необходимо сначала подключить к аккумулятору, "настроив" на 12В, а затем — подключить к солнечной батарее, убедившись, что её максимальный ток не превышает допустимый рабочий ток контроллера и максимальный ток зарядки аккумулятора. Но поскольку при этом во время зарядки солнечная панель практически напрямую коммутируется на аккумулятор, то её напряжение слишком сильно "просаживается", и толку от неё будет почти столько же, сколько и от 12-вольтовой солнечной батареи, рассчитанной на тот же рабочий ток, то есть имеющей вдвое меньшую номинальную мощность. Поэтому такая конфигурация абсолютно неэффективна и может быть полезна лишь как временная мера в какой-то экстремальной ситуации. Контроллеры с функцией MPPT теоретически могли бы реализовать с пользой всю мощность высоковольтной солнечной панели, но на практике они часто имеют гораздо более мощный "интеллект", и, обнаружив напряжение от фотоэлементов, слишком высокое для заданного режима, могут решить, что система неисправна или неправильно сконфигурирована (что, по сути, и есть на самом деле) и вообще отказаться работать до устранения "неисправности". Впрочем, то же самое можно ожидать и от "продвинутых" современных ШИМ-контроллеров — всё зависит от конкретной модели. В общем случае, таких ситуаций следует избегать и не удивляться, если контроллер откажется работать в нештатном режиме. Ни в коем случае не следует использовать мультивольтажные контроллеры солнечных батарей в качестве преобразователя напряжения, подключая их к любым другим источникам электричества, кроме самих солнечных батарей. Дело в том, что при превышении нагрузки солнечные батареи "просаживают" напряжение, весьма слабо увеличивая ток. Большинство же других источников электроэнергии в подобной ситуации резко увеличивают ток при относительно небольшом снижении напряжения, а такое повышение тока практически гарантирует "выжигание" контроллера или, в лучшем случае, срабатывание его защиты от перегрузки. Поэтому если часть элементов системы строго рассчитана на одно рабочее напряжение, а часть — на другое, такие контроллеры ничем не помогут. Здесь между фрагментами системы с разным рабочим напряжением неизбежно использование специализированных преобразователей напряжения (DC-DC), мощность которых должна соответствовать максимально возможной перекачке энергии между ними, а это, как правило, очень недёшево. Поэтому таких ситуаций лучше избегать заранее. Особенно много проблем возникает тогда, когда в обоих фрагментах системы имеются мощные блоки, накапливающие или вырабатывающие энергию. ВЫБОР ПРОВОДОВ Распространённая ошибка — считать напряжение 12В несерьёзным, и, соответственно, так же относиться к проводам, в частности — к их толщине и длине. Например, 10 метров от аккумулятора до потребителя при напряжении 12В — это уже очень большое расстояние. Так, на 10-ти метрах медного провода сечением 4мм2 при токе в 10А теряется 0,44В напряжения и 4,4Вт мощности, а при токе в 25А — 1,1В и 27,5Вт. Для низковольтной системы это — очень много. Так, для 12В 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. По этой причине длины проводов низковольтной части должны быть минимальными, особенно в том её сегменте, где ток "сконцентрирован" и потому наиболее силён, то есть между контроллером, аккумулятором и инвертором. Если солнечных батарей — несколько, желательно подключать их к контроллеру "звездой", а не "шлейфом". Это не только позволяет при необходимости отключать и подключать батареи по одной, но и снижает ток по каждой паре проводов, а стало быть, и потери. Следует сказать, 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, что не только увеличивает бесполезные потери, но также может привести и к пожару. 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. 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). Наконец, важное значение имеет площадь контакта в зажимах, поэтому в бытовых применениях лучше использовать многожильные провода, а все соединения должны фиксироваться хорошо затянутыми болтами. Помимо надёжной фиксации, затяжка болта "плющит" провод и обеспечивает увеличенную площадь контакта. Пайка для сильноточных соединений не рекомендуется. Если всё же решено паять, то, помимо тщательного прогрева спаиваемых поверхностей (а при сечении жилы более 10 мм2 теплоотвод по ней очень велик, так что даже 100-ваттного электрического паяльника может оказаться недостаточно, и лучше использовать не электрический, а газовый паяльник или горелку), необходимо обеспечить большое сечение сильноточного соединения за счёт достаточно длинного "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 стóит залуживать концы мощных проводов для сильноточных обжимных соединений, так как здесь голая медь — лучше даже минимального слоя припоя. КОНФИГУРАЦИЯ ЭЛЕКТРОСЕТИ Когда в общественной сети пропадает напряжение, возникает необходимость провести определённые действия для восстановления электроснабжения. 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, подключить и запустить его. Последовательность действий именно такова, поскольку мощности генератора вряд ли хватит для обеспечения электричеством всей округи (для этого и надо отключить входной автомат). 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, то после отключения входного рубильника вместо 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 (переключаемый, подзаряжаемый или автономный) 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 энергосетей переменного тока (а выход инвертора и общественная сеть — это именно такие независимые электросети) главная проблема заключается даже не в согласовании величин напряжения и частоты (хотя и это тоже необходимо), а в точном согласовании фаз переменного тока (имеются в виду не провода "фаза-ноль", а точное соответствие моментов минимума и максимума напряжения, а также формы сигналов 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 специальные гибридные "сетевые" инверторы, 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: первый 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 защищённому сегменту должно быть подключено оборудование, критически важное для жизнеобеспечения дома. Это — электронные блоки управления системой отопления, циркуляционные насосы и пр. В условиях дефицита энергии набор и мощность подключаемого оборудования должны быть лишь минимально достаточными. Например, в доме используется 2 водопроводных насоса: один (маломощный) качает воду из колодца в накопительную ёмкость, а другой (в 4 раза мощнее) стоит после этой ёмкости и повышает давление в водопроводе до комфортной величины (выше 1,5 атмосфер), позволяющей использовать душ с гидромассажем и 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 должен 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 будет достаточно, а если розеток — 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 маломощные 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 незаметной для глаз, но далеко не безвредной для зрения сетевой частоте (50Гц) и её второй гармонике (100Гц при двухполупериодном выпрямлении). Правда, при малом напряжении токи довольно велики, и, если длина проводов превышает несколько метров, а мощность — несколько ватт, необходимо учитывать потери на бесполезный нагрев проводов. Но реально при суммарной мощности до 100Вт и длине проводов до 20м вполне достаточно медного провода сечением 2,5мм2, максимум — 4мм2. Поскольку большинство низковольтных LED-ламп и светодиодных лент рассчитаны на 12В, 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 24В разделились ровно пополам и не перегрузили более слабый модуль). Естественно, при подключении следует соблюдать полярность, однако ошибки простительны — при переполюсовке даже в случае 24В светодиоды просто не светятся, но не выходят из строя. Кстати, при подключении к аккумуляторам во избежание полной разрядки при слишком длительной работе (если, уезжая 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. Как уже говорилось выше, защищённый сегмент может быть автономным или переключаемым. Это определяется типом инвертора, обеспечивающего питание этого сегмента. Однако при не слишком большом потреблении энергии наиболее интересным представляется вариант с подзаряжаемым автономным сегментом. АВТОНОМНЫЙ ЗАЩИЩЁННЫЙ СЕГМЕНТ Автономный защищённый сегмент запитывается инвертором, не имеющим функции зарядки аккумуляторов от сети. Это — полностью самостоятельная электросеть, которая не имеет (и не должна иметь в принципе) ничего общего с домовой электросетью, питающейся от централизованных источников электроэнергии. Общим может быть лишь заземление. При таком подходе никакие катастрофы в общественной незащищённой сети не повлияют на функционирование автономной. Минусом является то, что из-за большой неравномерности солнечного излучения в течение года режим энергопользования, обеспечиваемый автономной сетью, всё время меняется, и для максимальной эффективности использования бесплатной энергии автономной сети (ну, конечно, не бесплатной, но деньги-то всё равно уже потрачены, а энергия вырабатывается) надо постоянно переключать потребителей из автономного сегмента в незащищённый и наоборот. 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 против случайного отключения этих перемычек, в том числе детьми и домашними животными. ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫЙ ЗАЩИЩЁННЫЙ СЕГМЕНТ Если инвертор поддерживает режим зарядки аккумуляторов от внешней сети, то, как правило, он позволяет 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 — в 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. 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 3кВт, оформлен по стандарту евророзетки). Сам инвертор также подключается к незащищённому сегменту шнуром 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. Впрочем, достаточно вынуть вилку инвертора из розетки внешней сети — и он переходит в автономный режим, безразличный к любым катастрофам 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 3кВт (и даже несколько больше) для этого вполне подойдёт обычная евровилка (с толстыми штырьками). Внимание! Обычно такие вилки и розетки рассчитаны максимум на ток 16А при напряжении 230В, что соответствует мощности 3кВт. Использовать их для передачи больших мощностей нельзя из-за опасности перегрева и возгорания. С контролем количества автономной энергии и автоматического использования её избытка при подключённой внешней сети — сложнее. Редко встречаются устройства заводского производства, которые бы в полной мере реализовывали эту функцию. Следует заметить, что 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, то есть 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", то есть 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 500Вт в летнее время может составить несколько сотен киловатт-часов, а это при нынешних тарифах — тысячи рублей. Впрочем, существует возможность относительно просто решить эту проблему, правда, лишь при условии небольшой средней потребляемой мощности в защищённом сегменте. ПОДЗАРЯЖАЕМЫЙ ЗАЩИЩЁННЫЙ СЕГМЕНТ Подзаряжаемый сегмент аналогичен автономному, за исключением того, что низковольтный сегмент связан с незащищённым через зарядное устройство, которое обеспечивает подзарядку аккумуляторов при наличии напряжения в общественной сети. В качестве такого устройства можно использовать блок зарядки (можно из инвертора с функцией зарядки аккумуляторов, однако это потребует вмешательства в конструкцию такого инвертора и его переделки). Плюсом такого решения является обеспечение работы защищённого сегмента даже при нехватке "бесплатной" энергии за счёт подпитки от незащищённого. Кроме того, такая "косвенная" подпитка обеспечивает гораздо бóльшую защиту от нештатных ситуаций в общественной сети, поскольку поддержка осуществляется не прямой коммутацией через реле, а через низковольтный сегмент с мощными аккумуляторами, которые способны если не поглотить, то заметно сгладить сильные кратковременные перепады напряжения. А если такие перепады будут слишком длительными, то либо "выбьет" защитный автомат, либо в худшем случае сгорит зарядное устройство. В обоих вариантах защищённый сегмент перейдёт в автономный режим. Причём, инвертор не подвергнется прямому воздействию перегрузки, и потому он имеет гораздо больше шансов уцелеть и продолжить работу. При пропадании же напряжения в общественной сети зарядное устройство прекращает свою работу, и защищённый сегмент переходит в автономный режим с питанием только от аккумуляторов и солнечной 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 какого-то порога, а потому — при наличии достаточного поступления солнечной энергии и небольшого её расхода, энергия из общественной сети в защищённом сегменте вообще не будет использоваться. 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 потока солнечной энергии. При этом, если поток солнечной энергии длительное время будет минимальным (пасмурная погода) или вообще отсутствовать (ночь), 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 солнечной энергии усилится и аккумуляторы зарядятся до конца. Следует также заметить, что в такой конфигурации зарядка аккумуляторов осуществляется сразу двумя зарядными устройствами — контроллером 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 и в случае с любыми системами, в которых несколько зарядных устройств работают на одну сборку из аккумуляторов. Впрочем, производители наиболее продвинутых и дорогих систем оборудования для автономного электроснабжения (именно систем, а не отдельных типов устройств) предлагают решения с учётом таких коллизий. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||