Собственная электростанция на основе солнечных панелей и инвертора, даже при наличии сети 220 В, – это независимость, энергосбережение и наше будущее.
Сегодня, в век компьютеров, осталось, наверное, очень мало людей, которые не знают об источниках бесперебойного питания — они сохраняют нам плоды нашей работы, когда происходит сбой сетевого напряжения. Но разве пропадание напряжения вредно только для компьютеров? Даже в Москве до сих пор нет-нет да и происходят отключения на полчаса, на час, а при обрывах проводов в бурю или в сильный снегопад — и на значительно большее время. Что же говорить о менее «защищённых» местах, от подмосковных посёлков до таёжных городков… Источник бесперебойного питания для дома — вот что нужно тому, кто хочет надёжно защититься от таких неприятностей.
Конечно, проблема резервного питания не нова. Самое очевидное решение — при пропадании напряжения включить генератор с приводом от какого-либо двигателя, дающий такое же напряжение, как стационарная электросеть.
Решение простое, но не самое лучшее.
Во-первых, оно требует довольно многоходовой процедуры. Надо отключить сетевое питание; запустить генератор; подключить его к домашней сети (будем для примера рассматривать обыкновенный жилой дом); следить за внешней электросетью, ожидая восстановления напряжения в ней; когда оно появится, отключить генератор от домашней сети, остановить его; подключить внешнюю сеть к домашней. А во время переключений ваш холодильник будет размораживаться…
Во-вторых, напряжение моторного генератора далеко не так стабильно, как обычное сетевое, к которому «привыкли» бытовые приборы. В-третьих, естественная неравномерность потребления приводит к тому, что сам генератор значительную часть времени работает в неоптимальном режиме. Наконец, при частых кратковременных отключениях — а такое тоже бывает — вы будете только тем и заниматься, что переходить с сети на генератор и обратно.
И не надо забывать, что «удовольствие», получаемое вами от самих отключений, будет усугубляться шумом и выхлопом от генератора, а часть своих досугов вам придётся посвятить его техническому обслуживанию и заправке ГСМ, которые ещё надо приобрести.
Поэтому в последние десятилетия, с развитием мощной полупроводниковой электроники, получили распространение автономные системы электроснабжения на базе аккумуляторных батарей (АКБ). Особенно хорошо они подходят для рассматриваемого нами случая — когда система аварийного электропитания устраивается для жилого дома с его сравнительно небольшим энергопотреблением.
Аккумулятор вместо ЛЭП
Понятно, что напрямую к домашней сети аккумулятор подключить нельзя: он даёт постоянный ток сравнительно небольшого напряжения, а нам нужен переменный с напряжением 220 В. Такое преобразование и является первейшей функцией прибора, называемого инвертором.
Первейшей, но не единственной. Современные инверторы оснащены устройствами управления, которые практически мгновенно выключат контакторы внешней сети «на входе» дома и подключат к нему своё напряжение — преобразованную в нужный вид энергию от аккумуляторной батареи.
Но, когда АКБ задействована, она разряжается. Естественно, её нужно подзаряжать, и делать это можно, в частности, от той же внешней сети, когда с ней всё в порядке. Существуют инверторы, которые этого делать не умеют. Они компактнее, легче, дешевле; но с ними не построишь функционально замкнутую систему. Мы будем дальше рассматривать инверторы, обеспечивающие три названные выше функции: преобразование напряжения АКБ в переменное 220 В; автоматическое подключение при пропадании сетевого напряжения и «возврат в исходное» при его восстановлении; подзарядка АКБ во время наличия сетевого напряжения. Для примера возьмём инвертор МАП SIN Энергия Pro, разработанный и производимый отечественным научно-производственным и внедренческим предприятием ООО «МикроАРТ». Он спроектирован для преобразования постоянного тока напряжением 12/24/48 В от АКБ в синусоидальный (очень чис- той формы) ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
Прибор, конечно, умеет всё, о чём сказано выше; он умеет и больше, но об этом — позже. А вот что нужно отметить прямо сейчас: компании «МикроАРТ» удалось обогнать лучших мировых производителей по максимальной мощности: у верхней модели линейки её инверторов этот параметр составляет 18 кВт при номинальной мощности 12 кВт и пиковой, на время 5 с, — 24 кВт. 5 с — этого времени вполне хватит для затухания пускового тока у мощного электродвигателя… При такой мощности модель имеет вес 50,5 кг, и это очень хороший показатель. Для сравнения: инвертор Quattro 48/10000 производства голландской компании Victron Energy при максимальной мощности 10 кВт весит 48 кг, а Xtender XTH 8000-48 от компании Studer Innotec, Швейцария, — 46 кг при мощности 7 кВт. Да и цены… Образец компании «МикроАРТ» стоит 99 990 руб., «голландец» — 246 00 руб., а «швейцарец» — 270 000 руб.
Интересно отметить, что рекордная мощность отечественного агрегатаво вполне обычном весе и габаритах была достигнута в значительной степени за счёт применения отечественного же комплектующего изделия — весьма крупного тороидального трансформатора. Этот последний даёт по сравнению с традиционными трансформаторами экономию в весе и габаритах более 50%, превосходный КПД — до 95%, а кроме того, почти не шумит, и уровень электромагнитных помех от него очень низок.
«Мощностная» линейка МАП Sin. Слева направо:
на 1,3–2 кВт (вид спереди и сзади); на 3–6 кВт; на 9 кВт; на 12–18 кВт
Аккумулятор плюс генератор
Хорошо, но что делать, если там, где стоит коттедж, электричество может пропадать надолго? Разрядим аккумуляторы, и что дальше? Дальше придётся включать генератор. Выше уже отмечалось, что это процедура хлопотная, и к тому же сопровождающаяся значительным временем «без света».
Но, если у вас есть МАП, он поможет и здесь! В состав комплекса можно включить САП — систему автоматического пуска генератора при пропадании сетевого напряжения. Правда, недорогие генераторы, не имеющие выводов для управления, необходимо доработать для взаимодействия с САП. МАП будет передавать его энергию в дом и, что немаловажно, одновременно подзаряжать АКБ. Потому что в его состав входит встроенное зарядное устройство.
Вообще говоря, лучшее решение в та кой ситуации — иметь в составе системы аварийного питания массив из не менее четырёх 12-вольтовых АКБ по 200 А*ч. Для обычного жилого дома, если не включать особо мощные потребители, этой ёмкости хватит на 2–4 суток автономии.
Собственно, оно же вполне подходит и там, где вообще нет электросети — например в базовом лагере геологоразведочной экспедиции. Там без генератора совсем никак, но и АКБ с инвертором нужны — ведь не будет же генератор работать месяцами без перерыва. Но дело не только в неизбежных остановках генератора. Как мы уже говорили, потребление неравномерно, и генератор то недогружен, то работает на пределе своей мощности; а горючего он потребляет на маломощных режимах ненамного меньше, чем на высоконагруженных. Если же у нас есть система бесперебойного питания, то процесс выглядит по-другому.
С одной стороны, невостребованная часть мощности генератора будет утилизирована — ею будет заряжаться АКБ; а генератор будет работать в расчётном режиме, расходуя горючее наиболее эффективно.
С другой стороны, после полной зарядки АКБ его можно вообще выключить — ни шума, ни выхлопа, ни расхода горючего и ресурса. А в это время инвертор будет запитывать дом с очень высоким КПД, свойственным электронным устройствам.
Максимальный комфорт и экономия: генератор включается на несколько часов за весь «энергетический цикл», длительность которого определяется соотношением ёмкости АКБ и средней потребляемой мощности.
Здесь уместно отметить одну деталь. Большинство имеющихся на рынке инверторов, способных заряжать АКБ от «стороннего» источника, очень требовательны к качеству генератора. Критическое условие здесь — отсутствие заметных колебаний напряжения при изменении нагрузки. Значит, генератор либо должен быть очень мощным — тогда он «не заметит» существенного изменения тока нагрузки, — либо он должен иметь встроенную схему регулирования. И то, и другое, естественно, удорожают образец: такие машины обычно стоят не менее 100 000 руб.
МАП SIN Энергия Pro способен работать с самыми обычными, сравнительно дешёвыми электромашинами. Кроме того, он может давать большой зарядный ток, то есть быстро заряжать АКБ большой ёмкости; потребляет очень мало энергии на холостом ходу; позволяет пользователю регулировать любые параметры.
Это ключевые преимущества обсуждаемой модели, которых нет у конкурентов такого же ценового диапазона.
Когда энергии не хватает
Но ведь бывает и так, что электричество есть, но его мощности не хватает. В последнее время это стало очень распространённой ситуацией.
Например садовые товарищества. В те годы, когда они строились, потребности дачников были скромными — небольшой холодильник, пара электрообогревателей, один телевизор… Соответственно рассчитывались и мощности подстанций, работающих на эти участки.
Сегодня потребности возросли в несколько раз, и мощности подстанций не хватает. Это приводит к падению напряжения в местной сети, а в часы максимального потребления — к сильному падению. В практике подмосковных дачников стали нередки случаи, когда вместо 220 В прибор показывал 160…
С такой же проблемой можно столкнуться и тогда, когда ваша сеть запитана от автономного источника переменного тока с ограниченной мощностью — а это более чем обычная ситуация для малообжитых районов, экспедиций, строек и прочих мест, где отсутствует (или пока отсутствует) стационарное электроснабжение.
Чего хотелось бы в таких условиях? Жалко же отключать линию, пока в ней есть электричество. Хорошо бы иметь возможность добавлять, подкачивать энергию в домашнюю сеть. Напомню: до сих пор мы говорили о замене энергии из линии передачи на энергию из АКБ. А теперь хотим не заменять, а добавлять.
Но тут появляется новая проблема — синхронизация.
Линия электропередачи даёт нам синусоидальный ток, и фаза этого тока, то есть расположение во времени максимумов и минимумов синусоиды, вполне определённая. Инвертор в том режиме работы, который мы обсуждали, «не интересуется» этой фазой — её попросту нет, когда он включается в дело. Он просто выдаёт синусоиду с той фазой, какая у него получилась. Но если напряжение в сети уже есть, то инвертор обязан выдавать свой ток с точно той же фазой, которая присутствует в сети. Это и называется синхронизация выхода инвертора с фазой сети.
Здесь придётся немного углубиться в техническую реализацию инвертора, относящегося к обширному классу статических преобразователей электроэнергии.
Слово «статический» означает, что в устройстве отсутствуют силовые электрические машины — электродвигатель и генератор. До появления мощной электроники преобразователи одного вида напряжения в другой тоже существовали. Они применяются и до сих пор; называются — электромашинные преобразователи. Там всё просто: двигатель, работающий, например, на постоянном токе, вращает генератор, который вырабатывает… да, собственно, вырабатывает то, что требуется.
В статических преобразователях задача решается совсем по-другому.
Центральным элементом такого преобразователя является пара (или пары) силовых ключей, выполненных, как правило, на мощных транзисторах. К каждому из транзисторов пары подводится входное напряжение (в нашем случае от АКБ), а они включены так, что один даёт в выходную цепь положительную «полуволну», а другой — отрицательную. Слово «полуволна» взято в кавычки, потому что форма напряжения на выходе ключей представляет собой отнюдь не плавную кривую, а последовательность чередующихся положительных и отрицательных импульсов.
Ключи управляются специальной микропроцессорной схемой, которая регулирует частоту их открытий/закрытий — это будущая частота синусоиды выходного напряжения, — а также отношение длительности импульсов к частоте их следования. Этот параметр называется скважностью, от него зависит, в конечном итоге, амплитуда выходной синусоиды.
На других участках схемы, после ключей, последовательность сформированных ключами импульсов сглаживается, приближаясь к идеальной синусоиде; можно для простоты назвать эти участки фильтрами.
Дальше уже идёт классическая работа с переменным током: амплитуда выходного напряжения определяется соотношением витков обмоток. Если, например, на выходе фильтров имеем напряжение 44 В, то, для получения 220 В, надо иметь во вторичной обмотке в пять раз больше витков, чем в первичной.
Можно, кстати, представить себе, сколь мощной должна быть электроника статического преобразователя — ведь через её элементы текут «полномасштабные» силовые токи. Так, транзисторы 18-киловаттного инвертора коммутируют токи до 400 А…
Зато электронная схема полностью управляема, что и позволяет регулировать фазу выходного напряжения; в частности, автоматически подстраивать её под фазу «дополняемого» напряжения домашней сети. Для электромашинных преобразователей такая опция практически недоступна.
Как происходит собственно «подкачка»?
При синхронизированных фазах максимумы и минимумы сети и инвертора точно совпадают по времени — волны синусоиды накладываются друг на друга. Инвертор просто выдаёт синусоиду с несколько большей амплитудой — мы помним, что она задаётся регулированием скважности управляющих сигналов — и, таким образом, берёт на себя часть нагрузки. Какую часть взять, он «решает» сам, пользу ясь собственным датчиком.
Такая функция реализована в более сложных, более высококлассных моделях, для которых принято общее название — гибридные инверторы. У компании «МикроАРТ» такая модель называется МАП SIN Энергия HYBRID. Естественно, эти приборы умеют организовывать автоматическую добавку мощности не только к энергии ЛЭП, но и к генератору, если мы находимся в автономном режиме.
В жизни это выглядит так.
У вас есть внешний ресурс ограниченной мощности — возьмём для простоты генератор на 3 кВт. Суммарная мощность обычно работающих потребителей — 2 кВт. Они получают электричество от генератора через инвертор, а оставшийся 1 кВт инвертор направляет на заряд АКБ.
Но вот включился насос, который в течение нескольких секунд пускового режима потребляет 7 кВт. Тогда инвертор временно прекращает заряд и добавляет к 3 кВт от генератора ещё 4 кВт, отбираемые от батареи, — даже если она не дозаряжена. После пуска насоса, когда пусковой ток упадёт, МАП вернётся к заряду.
С помощью гибридного инвертора можно задействовать и источники, которые принято называть альтернативными — солнечные панели, ветрогенераторы, микро-ГЭС. Причём использовать их можно для подкачки энергии не только в домашнюю, но и в промышленную — внешнюю — сеть. Фактически обладатель достаточно мощного ветряка или солнечной панели может стать продавцом электроэнергии!
Правда, в нашей стране частному лицу продать киловатты очень непросто. Во-первых, надо иметь реверсивный счётчик, — чтобы умел вычитать показания при протекании тока в обратном направлении. К таким относится, например, счётчик старого типа, с колёсиком, — СО505 (без значков «+» и «0» на нём). Существуют и электронные варианты подобных счётчиков, но и они не выручат. Потому что для продажи энергии обратно в сеть нужно иметь разрешение, а вот с этим у нас как раз очень сложно. Это не техника, это «административные барьеры»…
МАП SIN Энергия HYBRID дешёвым не назовёшь, самая мощная модель, на 18 кВт, стоит 129 000 руб. Но, во-первых, его возможностями располагают лишь самые совершенные модели, выпускаемые четырьмя самыми именитыми в этой области инофирмами; а во-вторых, их модели в Москве продаются ещё в 2–3 раза дороже.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (слева), являясь новейшей разработкой, обладают рядом уникальных преимуществ, как по сравнению с привычными типами литий-ионных АКБ, так и с современными свинцово-кислотными аккумуляторами. В частности, это рекордное количество циклов (3000 при 80% разрядах), высокий КПД (94%), быстрый заряд (до 40 мин); кроме того, они не портятся в разряженном состоянии. Однако заряд таких аккумуляторов существенно сложнее, чем любых других. Помимо специального алгоритма (он заложен в инвертор МАП SIN), для их нормального заряда и функционирования необходима специальная система управления (в центре). Называется она BMS (Battery Manegement System) и решает задачу распределения энергии между батареями и контроля состоянием каждой из них, причём с обратной связью с заряжающим инвертором.
В обозначение модификация инверторов, оснащённых такой системой, добавляется литера «Li»; оборудоваться системой BMS может любой тип инверторов «МикроАРТ». Стоит отметить, что сегодня цена литий-железо фосфатных АКБ в несколько раз больше самых дорогих кислотных; но ведь среди последних тоже есть рекордсмены по циклам и общему сроку службы (до 1500 циклов при 80% разрядах). Поэтому они всё ещё остаются разумной альтернативой. Это, прежде всего стационарные АКБ, или ещё более дешёвая их разновидность – тяговые АКБ с панцирными электродами (справа), особенно если вместо обычных пробок в них применяются пробки с рекуперацией выделяющихся при заряде газов. Они могут быть ёмкостью от 200 до 3000 Ач, но выполнены на напряжение 2 В. Соединяя их последовательно, можно получить и 12, и 24, и 48 В рабочего напряжения.
А если надо подключить станок?
Если в хозяйстве есть станок, то очень может статься, что он подключается не к однофазной, а к трёхфазной сети.
Установить рядом три инвертора?
Бесполезно. Три независимых инвертора никак не синхронизированы по фазам, и трёхфазный двигатель станка просто не завертится. И уж конечно, невозможно включить такую систему на подкачку: неизбежно возникающий перекос фаз может вообще сжечь электротехнику в доме.
Настоящая трёхфазная сеть должна обеспечивать постоянный и вполне конкретный сдвиг фаз в трёх проводах: волна каждой фазы должна идти со сдвигом на 1/3 периода относительно других фаз. Это и реализовано в трёхфазной системе из трёх МАП HYBRID 3Ф.
Для размещения трёхфазной системы в стандартной 19-дюймовой стойке выпускаются инверторы в соответствующем конструктивном исполнении. Аналогичную систему можно собрать и просто на стеллаже из приборов в обычных корпусах.
Для получения модификации «3Ф» в каждый из трёх инверторов МАП HYBRID устанавливается дополнительная электронная плата для их синхронизации между собой. На плате установлены разъёмы, через которые все МАПы соединяются между собой кабелями, и схемотехника, организующая правильный сдвиг фаз.
И снова надо отметить, что мы имеем дело с чрезвычайно умной системой. В зарубежных аналогах принят переход на генерацию от АКБ по всем фазам при пропадании питания на одном из трёх приборов, который определён как «Ведущий». В системе компании «МикроАРТ» понятие «Ведущий», фактически, не имеет смысла. Потому что при пропадании внешнего напряжения в одной из фаз на генерацию от АКБ перейдёт только инвертор, «сидящий» на этой фазе. Два других продолжат трансляцию внешней энергии, соблюдая необходимую синхронизацию; если нужно, они ещё будут параллельно заряжать батарею.
Точно также будет и при пропадании двух внешних фаз из трёх.
Обратите внимание на последнюю ситуацию. Из внешней сети у нас осталась одна фаза; она заряжает нам аккумулятор. Она также идёт к потребителю; а две другие фазы, отлично синхронизированные, потребитель получает от АКБ через инверторы этих фаз.
Что получилось? Получился преобразователь однофазного напряжения в трёхфазное! Покупайте трёхфазный станок, даже если у вас и ЛЭП, и генератор — однофазные!
Добавим, что при работе с нестабильной частотой, при её колебаниях в пределах 48–52 Гц, а то и больше, инверторы не потеряют связь с сетью (генератором) и между собой, а будут плавно подстраивать свою частоту под необходимое значение.
Мы упомянули о возможности включения в систему электроснабжения нашего дома альтернативных, экологически чистых генераторов электричества — в частности солнечных панелей. Однако здесь есть свои проблемы, и у компании «МикроАРТ» есть решение этих проблем. Об этом — в следующей статье.
Пресса: "Шаг в будущее" (журнал "Техника молодежи" №966 январь 2014г.)
В предыдущей статье («Не иметь проблем с электричеством», ТМ №1 за 2014 г.) мы разобрались, как обеспечить дом бесперебойным питанием, как сделать это наиболее экономным образом, даже как получить настоящую трёхфазную сеть, имея на входе лишь однофазную. Ничто не мешает нам сделать дом совсем автономным — надо только регулярно пополнять запасы солярки. Но почему обязательно — солярка? В XXI веке есть и другие источники энергии.
Не будем длинно рассуждать об ограниченности запасов углево-дородного горючего, о неустранимости экологического вреда даже при самых совершенных технологиях его сжигания, о проблеме отходов даже самой безопасной ядерной энергетики. Равно как и о несомненных преимуществах возобновляемой энергетики, её цветущем многообразии и достижениях последних лет. Всё это многократно обсуждалось в нашем журнале в самых разных аспектах — от цивилизационных обобщений до технических частностей.
Но факт остаётся фактом: запасы нефти, газа, угля не бесконечны, а стоимость их добычи — и тем более продажи — неуклонно повышается.
А «зелёная» энергия дешевеет. Так, стоимость киловатт-часа «солнечного» электричества с 1990 г. уменьшилась в среднем примерно в пять раз. Это не удивительно: с одной стороны, совершенствуются технологии, давая всё более эффективную элементно-агрегатную базу; с другой — работает эффект масштаба производства.
Представив себе две эти тенденции в виде кривых, восходящей и нисходящей, легко понять, что они в один прекрасный момент пересекутся. Причём расчёты некоторых специалистов показывают, что момент этот не так уж далёк. Будущее, так или иначе, за возобновляемыми источниками; мы же хотим обратить внимание на одну их интересную особенность, важную именно для нашей статьи.
Есть в «зелёной» энергетике направления, которые могут быть воплощены лишь в больших, индустриального масштаба установках. Таковы, например, приливные электростанции — их не имеет смысла строить маленькими. А вот ветрогенераторы, солнечные панели — совсем другое дело. Солнечная станция площадью в десятки гектаров обеспечит электричеством город; установка площадью десять квадратных метров обеспечит электричеством дом.
Вот! Она-то нам и нужна! Мы хотим применить её в системе бесперебойного питания нашего дома. Выше уже упоминалось, что современные инверторы допускают применение для заряда АКБ и солнечных панелей (СП), и ветрогенераторов. Но специалисты всегда хотят создать не просто систему, а систему максимально эффективную. И тогда выясняется, что прямо подключать СП к АКБ — далеко на лучший вариант.
Солнечная панель — штука сложная. Она ведёт себя как источник тока (см. график): и при нулевом напряжении на выходе (короткое замыкание) и при напряжении, близком к максимальному (около 17 В на графике), ток остаётся одним и тем же. То обстоятельство, что количество вырабатываемой энергии зависит от освещённости, специально разъяснять не надо; необходимо лишь отметить, что от освещённости зависит как раз напряжение на выводах СП.
Мы собираемся использовать СП для заряда аккумулятора; собственно, так она и используется в большинстве случаев. Правда, появляется всё больше хозяев, которые, имея более или менее приличную сеть 220 В, применяют СП, работающую через обычный или гибридный инвертор без АКБ — просто для экономии сетевой энергии в погожие дни. Но, поскольку безотказная сеть ещё не стала повсеместной реальностью в нашей стране, таких людей пока мало.
Как бы то ни было, из сказанного выше следует два вывода.
Вот такой домик недалеко от Клина. Вся система управления вместе с аккумуляторами (на врезке) помещается под лестницей: на стене — контроллер СП, на стойке вверху — инвертор МАР SYN Энергия, внизу — АКБ.
Во-первых, напряжение на заряжаемой АКБ определяет эффективность СП: когда оно меньше того, что может дать панель при данном уровне освещённости, возможности панели используются не полностью.
Во-вторых, при низкой освещённости напряжение на СП может оказаться ниже напряжения заряжаемой АКБ; этого допускать нельзя, потому что тогда ток пойдёт в обратном направлении — от АКБ на СП. Это не только бессмысленно, но и не полезно для последней.
Но и аккумулятор имеет свои «капризы». Напряжения ниже 10 В на зажимах исправного аккумулятора быть не может. Подача более 14,5 В для него вредна. Зарядный ток должен уменьшаться к концу процесса, иначе аккумулятор испортится.
Надо ещё отметить, что производители СП разрабатывают свои изделия сразу с расчётом на подключение их к стандартным АКБ, то есть на ряд напряжений — 12, 24, 36, 48 В. В действительности этот параметр СП, замеренный при некотором расчётном уровне освещённости, значительно выше: панели должны работать и в не очень солнечную погоду.
Теперь допустим, что мы решили попробовать самый простой способ — будем подключать СП к АКБ напрямую. Тогда нам придётся, во-первых, иметь не одну СП, а несколько. В яркий солнечный день мы будем подключать их параллельно, так как напряжения каждой из них будет хватать для безопасного и эффективного заряда АКБ. А вот в ненастье, когда напряжение СП упадёт ниже «комфортной зоны» АКБ, нам придётся включить их последовательно, иначе получим обратный ток.
Из-за этой же опасности, возникновения обратного тока, перед наступлением ночи мы будем вообще отключать СП от АКБ — это во-вторых. В-третьих, в нашем комплекте должно быть мало солнечных панелей и много аккумуляторов — для того, чтобы ток в конце заряда не превысил допустимое для аккумулятора значение.
Если мы всё сделаем правильно, то процесс заряда АКБ от СП будет соответствовать красной линии на графике — от 10 до 14,5 В.
Однако, хлопотно? Конечно. Для того, чтобы избежать этих манипуляций — а также риска порчи нашей аппаратуры, если какая-то из них не будет вовремя произведена, — применяют специальные устройства — контроллеры.
Сравнительно просты, недороги и потому широко распространены контроллеры с широтно-импульсной модуляцией — ШИМ-контроллеры. Их работа сводится к ограничению тока, передаваемого от панели на АКБ; кроме того, они защищают СП от обратного тока.
Имея такой контроллер, можно применить простую стратегию: скажем, соединить последовательно две панели на 24 В и подключить их к 24-вольтовой батарее. Располагаемые 48 В обеспечат хотя бы небыстрый заряд и в пасмурную погоду. Правда, при ярком солнце напряжение на панелях может стать слишком высоким, так что без вмешательства человека, хотя и гораздо менее частого, чем при прямом подключении, тут не обойтись.
Или надо придумать другой контроллер.
Но об этом ниже, а сейчас — несколько слов об эффективности.
И прямое подключение, и ШИМ-контроллер уравнивают напряжения СП и АКБ; в терминах нашего графика процесс заряда идёт «по красной линии». Это означает, что мощность СП используется лишь частично. Проиллюстрируем это совсем простым расчётом. Предположим, что на графике изображена СП на 12 В мощностью 100 Вт (напомним, что реально панель выдаёт заметно больше, чем 12 В, то есть способна выдавать напряжение, достигающее и превышающее 14,5 В). Начиная от точки короткого замыкания («0» на оси абсцисс) и вплоть до примерно 15 В ток СП будет порядка 6,5 А.
Тогда мощность при соединении напрямую или через ШИМ-контроллер будет меняться, по мере заряда АКБ, от 65 Вт до 94 Вт (6,5 А ? 10 В = 65 Вт; 6,5 А ? 14,5 В = 94 Вт). А максимальная мощность этой панели, отмеченная красным кружок вверху нисходящей ветви тока СП, составляет 6 А ? 17 В = 102 Вт.
Вот бы уметь направлять в аккумулятор всю эту мощность…
Положительно, надо придумать другой контроллер.
Он придуман, и именно это — «перекачка» максимальной мощности СП в аккумуляторную батарею — является его главной функцией.
Называется этот класс приборов: МРРТ-контроллеры. Аббревиатура в данном случае английская: Maximum Power Point Tracking, «сопровождение точки максимальной мощности».
Что это такое, точка максимальной мощности? Это максимальное напряжение на СП, при котором ток ещё не начал серьёзно падать; на нашем графике она находится, как мы уже говорили, на отметке примерно 17 В.
Система собрана и тестируется. Сверху вниз: два контроллера СП, стабилизатор напряжения, инвертор, АКБ. Как видим, эта система более мощная, так как предназначена для более крупного сооружения (оно на врезке)
Здесь текстКлючевое отличие аппаратной части МРРТ от ШИМ — он умеет регулировать не только ток, но и напряжение. Специальный алгоритм выясняет, на каком значении напряжения находится точка максимальной мощности в каждый данный момент, и контроллер держит такое напряжение на своём входе. А дальше он производит качественное преобразование взятой у СП мощности: снижает напряжение до величины, требуемой для АКБ, и соответственно увеличивает ток — разумеется, не переходя предела безопасности аккумулятора; это, как мы знаем, становится критически важным в заключительный период заряда.
Преобразование производится с высоким КПД, порядка 97-98%. В результате эффективность использования солнечной энергии у МРРТ-контроллера на 20–30% выше, чем у ШИМ. Вспомним и о первом факторе, заставившем нас подумать о замене ШИМ-контроллера на что-то более совершенное — о слишком большом напряжении СП в особо солнечный день. Имея возможность регулирования напряжения, МРРТ-контроллеры легко справляются с такой ситуацией.
Как и все виды продуктов человеческого труда, МРРТ-контроллеры выпускаются и сравнительно простые, и более сложные, премиум-класса. Эти последние отличаются обычно большей мощностью, высоким допустимым входным напряжем (обычно до 150 В), автоматическим выбором напряжений установленных АКБ и целым рядом дополнительных и сервисных функций. Одним из таких приборов является ECO Энергия МРРТ Pro 200/100 — разработка компании «МикроАРТ», первый в России МРРТ-контроллер премиум класса. Среди его отличительных особенностей — рекордный, по сравнению с аналогами, максимальный ток — до 100 А. При том, что ECO Pro может работать с АКБ напряжением 96 В, такой ток даёт и рекордную мощность от одного контроллера — до 11 кВт.
Допустимые 200 В входного напряжения позволяют подключать четыре последовательно соединённые СП с номиналом 24 В (их максимальное напряжение 45 В). Встроенные реле позволяют коммутировать бытовые приборы прямо на СП, экономя ресурс АКБ. И, что особенно важно для нашей темы, разработчики ECO Pro предусмотрели возможность его работы в паре с гибридным инвертором на промышленную сеть 220 В, минуя АКБ (хотя минимальные аккумуляторы поставить всё же необходимо).
В связи с вступлением в ВТО Россия взяла на себя обязательство к 2016 г. привести внутренние цены на газ в соответствие с мировыми. А ведь 60% нашего электричества вырабатываются электростанциями, работающими на газе… А цена на электроэнергию в Европе, в переводе на наши деньги, составляет от 9 до 18 руб. за кВт*ч…
Может быть, время всерьёз заняться альтернативными источниками? Причём не только государству, а и частным гражданам? Техника для этого — установки малой «зелёной» энергетики, приборы для наиболее удобного и эффективного использования их энергии, накопители и т.п. постоянно совершенствуются, и выпуск её быстро растёт.
Может быть, пора задуматься о нормативной базе, которая сделает простой и выгодной продажу «альтернативного» электричества, произведённого в собственном дворе, на маленьких, но вполне серьёзных установках?
И тогда такая распределённая сеть генерирующих мощностей станет важной составляющей энергетической инфраструктуры страны?
Почему бы и нет?
