Выбор инвертора и расчет аккумуляторной батареи для домашней солнечной электростанции

В статье «Пример расчета солнечных батарей для дома» мы получили значение суточного потребления – 7919,8 Вт*час и величину энергии необходимой для покрытия суточных нужд перечисленных нами приборов – 396 А*час.

Давайте сделаем классический расчет всей солнечной системы электроснабжения и в том числе солнечной батареи. Сразу хочу предупредить, в данном расчете я не преследовал цель добиться минимизации экономических показателей (этим мы займемся позже), а лишь ставил задачу показать порядок расчета.

Выбор инвертора

Исходя из перечня приборов, которые мы перечисляли, мы можем определиться с основными параметрами инвертора для нашей системы.

Во-первых, поскольку в списке приборов присутствуют устройства имеющие в своем составе двигатели: электронасос, холодильник, стиральная машина, пылесос, речь безусловно может и должна вестись об инверторе имеющем на выходе синусоидальную форму напряжения, а не квазисинусоиду.

Во-вторых, входное напряжение инвертора должно соответствовать выбранному нами напряжению – 24В.

Что касается мощности, её выбор зависит от того, как вы условитесь пользоваться вашими приборами. Если вы сочтете необходимым одновременную работу энергоемких устройств, таких, как стиральная машина, микроволновая печь, утюг и все это на “фоне” работающего холодильника, то вам придется сложить их номинальные мощности.

Вы получите пиковую мощность, которая и определит мощность инвертора (минимум 5 кВт), но сами понимаете, что если эти устройства одновременно не использовать, то мощность инвертора потребуется меньше, соответственно цена его будет ниже. Решать вам.

Учитывая оговоренный перечень приборов и разнеся их использование по времени, можно было бы ограничиться инвертором мощностью 3,0 кВт: производитель OutDack Power Technologies, модель со встроенным зарядным устройством: GVFX3024E, Grid-Interactive GVFX3024E Vented 3000 Вт, 24 В, 80 А (средней стоимостью 99500 рублей).

Расчет аккумуляторной батареи

Теперь давайте поговорим об аккумуляторах. О назначении аккумуляторов мы уже знаем из статьи “Аккумуляторы для солнечных батарей». Необходимо лишь определиться как мы пользуемся домом. Если вы приезжаете по выходным дням, соответственно и основное потребление электроэнергии будет осуществляться по выходным. А вот накопление её, т.е. заряд аккумуляторов будет происходить всю неделю – с понедельника до вечера пятницы. Я, к примеру, приезжаю в свой дом по выходным.

Запас энергии предусмотрим на один день. Почему один? Потому, что за пять дней моего отсутствия вероятность полного заряда аккумуляторов достаточно высока. Можно обеспечить гарантированного запаса энергии и на два дня, но это возможно за счет увеличения общей емкости аккумуляторов, а значит и стоимости всей системы.

Целесообразно ограничиться одним днем, а когда обрисуется стоимость всей системы ещё и поиграть с вариантами комплектации и посмотреть на реакцию стоимости.

Необходимо учесть еще несколько моментов.

Первое: дело в том, что разряжать аккумуляторы на большую “глубину разряда” все равно, что собственными руками приводить их в негодность (срок службы сокращается значительно). Ориентироваться следует на 20 процентную глубину разряда.

Второе: с точки зрения безопасной эксплуатации, лучше всего пользоваться герметизированными аккумуляторами, поскольку не герметизированные в процессе работы выделяют вредные для дыхания и взрывоопасные газы. Несмотря на использование герметизированных аккумуляторов, я бы рекомендовал помещение для их установки выбрать все же хорошо проветриваемым.

Третье: по эксплуатационным характеристикам для автономной системы наиболее подходящий тип аккумуляторов, хотя и не самый дешевый – гелевые аккумуляторы (GEL).

И последнее. Следует учитывать и температуру окружающей среды для расчета необходимой емкости аккумуляторов, если приходится эксплуатировать аккумуляторы в холодные периоды.

При пониженной температуре окружающей среды емкость аккумулятора снижается, т.е. снижается энергоемкость, которую аккумулятор способен отдать при данной температуре. Это означает, что при расчете необходимой емкости аккумулятора (или аккумуляторов) вам следует вычисленное значение емкости увеличить, чтобы создать запас на случай её понижения.

Простыми словами, вам следует вычисленную емкость умножить на соответствующий температуре коэффициент:

Источник

Время работы инвертора от аккумулятора

Изучив эту статью, вы узнаете, какие батареи лучше всего подходят для организации бесперебойного питания загородного дома, и при необходимости сможете рассчитать, сколько проработает инвертор от аккумулятора при отключении централизованной подачи, топливного генератора или других источников энергии.

Кроме этого, мы дадим советы по продлению срока автономной работы системы электроснабжения на базе преобразователей.

Тип АКБ

Для систем бесперебойного или резервного электроснабжения подойдут только батареи глубокого цикла. В отличие от стартерных (автомобильных) аналогов они способны переносить длительные зарядку и разрядку.

Изделия долговечны. Ресурса современных моделей хватает на 12 и более лет эксплуатации. Автомобильный аналог выйдет из строя после 10 разрядок.

Аккумуляторные батареи глубокого цикла бывают:

• гелевыми (GEL), электролит представляет собой гелеобразную массу;
• свинцово кислотными (AGM), электролит находится в порах пластин, изготовленных из тонких стеклянных волокон.

Оба вида батарей имеют свои достоинства и недостатки.

Гелевые модели отличаются более высоким КПД. Устройства можно размещать в любом положении, т. к. жидкий электролит отсутствует. Возможна даже работа инвертора от аккумулятора с поврежденным корпусом. GEL-технология была разработана для авиационной и военной промышленностей. По статистике гелевые батареи работают чуть дольше AGM-аналогов в циклическом режиме эксплуатации.

К недостаткам оборудования относят: необходимость поддержки точного тока подзарядки (гелевые батареи применяют с микропроцессорными контроллерами) и возможность разбухания и взрыва АКБ при закипании электролита.

В AGM-аккумуляторах вышеперечисленные недостатки отсутствуют. К достоинствам батарей этого типа также относят высокую стойкость к глубоким разрядам (устройства выдерживают более 600 таких циклов).

AGM-технология обеспечивает поддержание стабильно высокой силы тока при любой степени заряда батареи. Еще одно достоинство таких АКБ — низкий саморазряд. За год простоя емкость уменьшится всего лишь на 20 %.

Расчет времени автономной работы системы резервного электроснабжения

Расчет мощности инвертора потребует построения специальной таблицы. В два столбца внесите список электроприборов и потребляемую ими мощность. Получится примерно так.

Чем выше емкость АКБ или системы батарей, тем дольше проработает подключенное оборудование при отсутствии централизованного электроснабжения или доступа к другим источникам энергии.

Для расчета времени автономной работы инвертора напряжения от аккумуляторов нужно знать:

• емкость и количество батарей;
• мощность, потребляемую нагрузкой в течение часа.

В процессе расчетов следует учитывать тот факт, что максимальная мощность электроприборов не отражает реальную нагрузку на АКБ. Устройства включаются и выключаются. Во многих случаях потребляемая оборудованием мощность находится гораздо ниже максимального значения.

Рассмотрим пример. В данном случае к инвертору подключены:

• электрический чайник;
• холодильник класса А;
• 15 энергосберегающих ламп;
• двигатель и система управления откатных ворот;
• котел с принудительной горелкой;
• 4 циркуляционных насоса системы отопления;
• скважинный насос.

Вычисляем среднечасовую норму энергопотребления приборов. Получаем следующее.

Прибор	Среднечасовое потребление
Электрический чайник 2кВт, кипятящий воду в течении 6 мин, т.е. 1/10 часа (при условии, что он включался только оди раз за этот час)	200 Вт/ч
Холодильник А-класса	70 Вт/ч
Энергосберегающие лампы освещения (каждая по 20 Вт/ч), допустим, всего горит 15 ламп	300 Вт/ч
Ворота 1,5 кВт, время открытия и закрытия — 1 минута (2часа = 1/30 часа)	50 Вт/ч
Котел с принудительной горелкой 100 Вт/ч и 4 циркуляционных насоса отопления по 75 Вт/ч каждый	400 Вт/ч
Насос скважины 3 кВт, включается 3 раза на 2 мин в течение часа (6 мин = 1/10 часа)	300 Вт/ч
Итого в сумме:	1320 Вт/ч

Теперь рассчитаем общую емкость имеющихся аккумуляторов. Допустим, в системе 12 12-вольтовых АКБ (емкость каждой — 200 апмер-час). Получаем 12*12*200 = 28800 Ватт/ч.

Учитываем коэффициент потерь. В примере рассмотрены новые аккумуляторы. КПД максимальный – 95 %. Получаем 2800*0,95=27360 Вт/ч.

Теперь разделим это значение на среднечасовую нагрузку и в итоге получим время работы инвертора от аккумулятора. 27360/1320 = 20,7 ч. Округлим результат в меньшую сторону. Получилось, что ресурса системы батарей хватит на 20 часов автономной работы подключенного оборудования.

В данном примере мы рассмотрели типовой (теоретический) расчет. На время автономной работы устройств влияет множество разных факторов. Среди них:

• возраст и степень заряда аккумуляторных батарей;
• температура окружающей среды;
• реальный режим эксплуатации подключенной техники;
• и др.

Источник

Автономный дом – аккумуляторные батареи и инверторы (часть вторая)

Несмотря на то, что электроэнергия необходима вам, фактически пользоваться ею будете не вы, а бытовая техника, «поселившаяся» в доме. И именно ее потребности будут определять, какая сумма уйдет на хранение запасов электроэнергии.

Расчет емкости аккумуляторов и мощности инвертора

Для вычисления эксплуатационных характеристик ИБП и инвертора необходимо рассчитать энергопотребление в автономном доме. Составляем первый вариант таблицы:

Наименование потребителя	Мощность, Вт
Энергосберегающая лампа	18
Энергосберегающая лампа	11
Холодильник	300
Телевизор	160
Стиральная машина	1400
Утюг	1400
Ноутбук	340
Пылесос	800
Электрочайник	1100
Микроволновка	1500
Фен	500

В таблицу требуется вписать все электроприборы, которые используются как минимум раз в месяц и особенно те из них, что потребляют высокое напряжение. Если лампы имеют различное энергопотребление, их следует записать отдельно. Приведенные в таблице цифры, обозначающие потребляемые каждым прибором киловатты, нужно найти либо в инструкции к нему, либо в специальной табличке на его корпусе (на бытовой технике она расположена с обратной стороны либо сбоку). Ориентироваться на киловатты, указанные в таблице выше нельзя – они даны условно, с целью объяснения порядка расчетов.

Далее вводим в таблицу новые столбцы – количество приборов и время их ежедневной работы.

Наименование потребителя	Мощность, Вт	Количество, шт	Время , ч
Энергосберегающиая лампа	18	5	4,0
Энергосберегающая лампа	11	4	0,5
Холодильник	300	1	12,0
Телевизор	160	1	3,0
Стиральная машина	1400	1	0,3
Утюг	1400	1	0,14
Ноутбук	340	2	2,0
Пылесос	800	1	0,4
Электрочайник	1100	1	1,0
Микроволновка	1500	1	1,0
Фен	500	1	0,14

Подчитываем время работы бытовой техники, используемой периодически, таким образом: утюг необходим во время глажки, осуществляемой два раза в неделю по полчаса. Следовательно, за месяц утюг будет работать полчаса, умноженные на два (раза в неделю) и на четыре (недели в месяце). Получаем цифру четыре, делим ее на 30 (количество дней в месяце), выходит 0,14 часов в день (с округлением в большую сторону). И так далее…

А сейчас введем в таблицу пятый столбик и вычислим, сколько киловатт потребляет за сутки каждый бытовой прибор и все они вместе:

Наименование потребителя	Мощность, Вт	Количество, шт	Время, ч	За сутки, Вт•ч
Энергосберегающая лампа	18	5	4,0	360
Энергосберегающая лампа	11	4	0,5	22
Холодильник	300	1	12,0	3600
Телевизор	160	1	3,0	480
Стиральная машина	1400	1	0,3	420
Утюг	1400	1	0,14	196
Ноутбук	340	2	2,0	1360
Пылесос	800	1	0,4	320
Электрочайник	1100	1	1,0	1100
Микроволновка	1500	1	1,0	1500
Фен	500	1	0,14	70
Итого:			9428

Итак, мы определили суточное потребление в доме – в моем случае это 9428 Вт.

Выбор напряжения

Оптимальным, как правило, будет либо напряжение в 12 В, либо в 24 В – если автономное энергоснабжение используется только в летнее время и вы не намерены увеличивать число электрогенераторов, то 12 В достаточно. В противном случае стоит выбрать 24 В напряжение и ориентироваться в поисках оборудования для автономного электроснабжения именно на него. В примере расчетов остановимся на 12 вольтах.

Требуемое количество электроэнергии за 24 часа (в сутки). Делим полученное ранее потребление за сутки на выбранное напряжение 9428÷12 и получаем 786 А•ч. Поскольку КПД инвертора не может быть 100% — часть энергии прибор потратит на себя – нужно ввести эти потери в расчеты. Умножаем 786 А•ч на «инверторный» коэффициент 1,2, результат с округлением – 944 А•ч.

Расчет мощности инвертора

Учитывая, что среди бытовой техники обязательно присутствуют стиральная машина, холодильник и пылесос, то следует выбрать инвертор с чистой синусоидой на выходе. Поскольку в примере расчетов выбрано входное напряжение в 12 В, то необходим инвертор с таким напряжение на входе – вы выберите напряжение, подходящее для системы автономного энергоснабжения вашего дома.

Оценка возможного пикового напряжения

Вернитесь к таблице с расчетами – представьте ситуацию, когда микроволновка (1500 Вт), утюг и стиральная машина (вместе 2800 Вт), электрочайник (1100 Вт) и пылесос (800 Вт) включены в сеть одновременно. Сетевая нагрузка в этой ситуации составит 6,2 кВт и для ее обеспечения понадобится инвертор мощностью не ниже 6,5 кВт. Но такая модель будет очень и очень дорогой – почему нельзя распределить энергоемкие приборы по времени так, чтобы они не запитывались сразу все и не нагружали сеть? И в этом компромиссном варианте достаточной номинальной мощностью для инвертора будет 3 кВт. Дешевым его, конечно, не назовешь, но он и не будет излишне дорогим – модель на 3 кВт, оснащенная MPPT контроллером заряда аккумуляторных батарей, стоит порядка 33000 руб.

Расчет мощности ИБП

Зная по итогам расчетов суточный расход электроэнергии, решаем – как долго будут его обеспечивать аккумуляторные батареи? Расценки на них недешевы, поэтому лишняя емкость будет не только «лишней», но и попусту затратной. Я в дальнейших расчетах буду исходить из того, что дом посещается двое суток в неделю, т.е. источники бесперебойного питания должны обеспечить мне электроэнергию на этот срок, а остальное время находится под зарядом.

Также на выбор емкости и тип аккумуляторов будут влиять минимально допустимый уровень заряда, условия их эксплуатации, температура окружающей среды в месте размещения АКБ.

Для кислотных необслуживаемых аккумуляторов максимальный разряд не должен превысить 20% — учтем этот порог в расчетах.

Каждый тип аккумуляторных батарей рассчитан на эксплуатацию в определенном диапазоне температур, причем АКБ реагируют снижением емкости и на низкие температуры и на высокие. Значит необходимо заранее увеличить расчетную емкость, применив один из следующих температурных коэффициентов:

• коэффициент 1,00 при t max + 26,7 о С;
• коэффициент 1,04 при t max + 21,2 о С;
• коэффициент 1,11 при t max + 15,6 о С;
• коэффициент 1,19 при t max + 10,0 о С;
• коэффициент 1,30 при t max + 4,4 о С;
• коэффициент 1,40 при t max – 1,1 о С;
• коэффициент 1,59 при t max – 6,7 о С.

Приступаем к расчетам:

Мною выбрана мощность ИБП, достаточная для двух суток автономного энергопотребления. Умножаю 944 А•ч на 2, получаю 1888 А•ч.

С учетом минимального порога разрядки аккумуляторных батарей, их емкость будет равна 1888 А•ч деленные на 0,2 – получается 9440 А•ч.

Выбрав летнее посещение дома, нужно применить коэффициент для самой высокой температуры 9440 А•ч умножаю на единицу – остается 9440 А•ч.

Требуемая мне емкость АКБ известна – 9440 А•ч. Сколько же аккумуляторных батарей нужно, чтобы ее обеспечить? Выбираю Gel аккумуляторы с номинальной емкостью 200 А•ч и делю 9440 А•ч на 200 А•ч = 47,2 шт. Учитывая, что 1/5 часть АКБ мне не достать, округляю число аккумуляторов до целого – мне понадобится 48 аккумуляторных батарей.

Мною выбрано напряжение в 12 В, но что, если пришлось выбрать 24 В, а номинальное напряжение аккумуляторов – лишь 12 В? В этом случае требуется разделить напряжение системы на напряжение АКБ – полученное число будет означать, сколько аккумуляторов нужно будет соединить последовательно, в то время как остальные – параллельно.

В завершении

Разумеется, приведенный порядок расчета несколько преувеличен в большую сторону. Для точного определения потребностей необходимы данные, применимые к конкретному местоположению загородной усадьбы и подробная оценка мощностей системы автономного энергообеспечения.

И если на стоимость оборудования повлиять в некоторых случаях сложно, то домовладельцу вполне по силам сократить потребности в обеспечении электричеством, заменив часть бытовых потребителей менее энергоемкими, а также уменьшив их количество.

Серия материалов, в которой изучались вопросы «Автономного электроснабжения загородного дома», на этом закончена.

Источник