- г. Черкассы, ул. Сумгаитская, 17, оф. 35
- 093-606-00-50
- sunckua@gmail.com
Гибридная солнечная электростанция с накоплением электроэнергии в аккумуляторы и подключением зеленого тарифа
Все чаще начали поступать вопросы о гибридных СЭС с возможностью питать электропотребителей в доме во время аварийного отсутствия напряжения в городской сети.
Использование аккумуляторов в солнечных электростанциях позволяет накапаливать электроэнергию вырабатываемую из солнца днем, а в вечернее время её использовать. Эта возможность позволяет полностью перейти на питание от солнечной энергии. Это актуально для:
Автономное питание
применяется для объектов у которых есть проблемы с подключением к городской сети
Резервное питание
применяется для объектов в энергообеспечении которых случаются частые сбои и отключения
Стабилизация
применяется в случаях низкого качества электроэнергии (слишком низкое/высокое напряжение, перекосы фаз и т.д.)
История данного проекта началась с запроса о возможностях солнечной электростанции для обеспечения стабильного автономного электроснабжения частоного дома
Поводом для такого запроса послужили частые аварийные отключениния дома от электросети. Перебои в электроснабжении частного дома очень неприятны и раздражительны, ведь электричество в современной жизни используется уже не только для освещения. С отключением электричества в доме, отключаются так же и все инженерные системы, и все домашнее оборудование. Итого имеем проблемы:
- с приготовлением пищи
- водообеспечением
- отоплением
- безопасностью
- работоспособностью электрооборудования
Для того чтобы дать толковый ответ, конечно же нужно тщательное изучение и анализ.
Паспорт объекта
Тип станции: гибридная, с накоплением электроэнергии в аккумуляторы для автономного питания и возможностью продавать излишки в сеть.
Размещение панелей: скаты оснойвной кровли, герметичный навес над крыльцом, скат хозяйственного строения.
Тип кровельного покрытия: гибкая битумная черепица
Тип и мощность панелей: Поликристал, монокристал, 340-380 Вт
Сумарная мощность панелей: 25000 Вт
Система креплений панелей: Kripter (алюминий)
Инверторы: Victron Energy, Solis
Количество трекеров: 4
Ориентация фотомодулей: юго-восток, юго-запад
АКБ: BYD литий железо фосфатные, 10 кВт/ч,
Перед строительством солнечной электростанции необходимо выполнить предпроектные работы, которые в себя включают:
Анализ
технической возможности подключения электростанции к городской сети, определение мощности подключения
Поиск
наиболее эффективных мест и направлений для установки солнечных батарей
Проверка
конструкции кровли или сооружений, на которые возможно установить солнечные панели
Аэрофотосъемка
с целью составления карты затенений фотомодулей
Рассмотрим все этапы детальнее.
Изучив предоставленные заказчиком данные, выяснили, что данное хозяйство подключено к городской сети максимально допустимой мощностью всего 5 кВт/ч. Периодически случаются перебои с электроснабжением. Так же присутствуют проблемы с качеством электроэнергии в виде скачков напряжений от 160 до 280 Вольт. Для решения данной проблемы были установлены стабилизаторы напряжения на каждую фазу.
Система питания дома имеет возможность работать на разных типах энергоносителей:
- газ
- электричество
- твердое топливо
Все оборудование данных систем требует наличие стабильной и качественной электроэнергии.
Водообеспечение происходит из собственной скважины и глубинного насоса.
Питание электропоприборов всего домашнего хозяйства равномерно распределено по трем фазам. Трехфазным потребителем электроэнергии является только отопительный электрокотел, но не исключается использование других трехфазных потребителей в будущем.
При изучении инфраструктуры участка были выявлены хорошие условия установки солнечных панелей. Двухэтажный жилой дом имеет 4 скатную кровлю, два из которых направлены на юго-восток и юго-запад. Скаты имеют угол наклона около 30 гр.
Для решения проблем с качеством электроэнергии в какой то мере можно обойтись стабилизаторами напряжения. А вот проблему стабильности электроснабжения стабилизаторами не решить. В данном случае не обойтись без резервного источника питания.
В подобных случаях принято использовать бензо-генератор.
На первый взгляд это достаточно простое и дешевое решение, но есть много НО, всплывающих в процессе эксплуатации.
Заправка бензином
Бензо-генератор необходимо периодически заправлять бензином. Данная процедура малоприятна и хлопотна. А для женщин практически нереальна
Шум
При работе бензо-генератор издает заметный шум. Чтобы его снизить, нужно выносить его в отдельное помещение и решать новые проблемы: с безопасностью, отводом выхлопных газов, пожарной безопасностью и т.д.
Проблемы с пуском в холодное время
В бензогенераторах в основном используются ДВС с карбюраторными системами, которые, зачастую, не имеют системы автоматического обогащения топливной смеси при пуске в холодное время.
Автоматический пуск
Для автоматического перехода на питание от бензогенератора нужно дополнительно покупать устройство автоматического ввода резерва (АВР). В данном случае проблема №3 становится особо актуальной.
Это лиш ряд очевидных вопросов, которые предстоит решать, в случае выбора бензо-генератора в качестве источника резервного питания.
Однако есть и другой вариант резервного источника питания - использование аккумуляторов электроэнергии.
У данного варианта так же существует ряд нюансов и особенностей. Но при этом есть и ряд мощных плюсов.
Рассмотрим их подробнее.
Преимущества использования аккумуляторов в качестве резервного источника питания.
Плюсы вытекают из минусов бензо-генераторов.
Не нужно заправлять бензином. Это значит что вам не нужно ездить с канистрами на заправку, дышать парами бензина, стирать и выводить запах из одежды, на которую попали капли бензина. Все эти заботы не грозят ни вам, никому из вашей семьи, в ваше отсутствие.
Работа от аккумуляторов практически безшумна. Их можно размещать прямо в доме. Время свинцово-кислотных обслуживаемых аккумуляторов уже прошло. Сегодня используются полностью герметичные и безопасные литиевые аккумуляторы, подобные аккумуляторам в телефонах. Подробнее об этом ниже.
Нет проблем с пуском и переключением на питание от АКБ. Автоматика уже встроена в инвертор и переключает схему питания за доли секунды. В реальности, это происходит вообще незаметно.
Срок службы современных аккумуляторов гарантирован производителем на уровне 10 лет. Самое главное в этом, отстуствие необходимости их обслуживания. Возвращаясь к примеру с телефоном, срок работы аккумулятора в нем реально может быть и выше 10 лет.
Конечно же можно долго придумывать плюсы АКБ, но есть и минусы.
Электротехника сильно преуспела за последние 100 лет. Однако нет полноценного решения одного важного вопроса-накопление электроэнергии. Несмотря на изобретение все новых и новых технологий производства аккумуляторных батарей, стоимость их по прежнему высока для хранения больших объемов электроэнергии. Если предположить, что человечество изобрело бы безлимитный аккумулятор, то с помощью солнца, гидро, или ветро электростанций, мы бы смогли запасаться электроэнергией на века вперед. Возможно это в будущем, но пока экономические данные позволяют использовать аккумуляторы для накопления весьма небольших объемов энергии. Небольших, но достаточных, для решения задач, подобных нашей.
Итого, главный недостаток АКБ, как можно было догадаться, это их цена. Она явно дороже решения с бензо-генератором. Но есть масса примеров, когда не цена диктует конечное решение.
Все остальные минусы, это скорее особенности конкретно каждой технологии производства аккумуляторов.
Например, при использовании более дешевых AGM аккумуляторов, нужно обязательно учитывать скорость деградации аккумулятора в зависимости от степени разряда аккумулятора. В литиевых аккумуляторах этот момент некритичен.
Используя вышеизложенные толкования, попробуем смоделировать вариант решения данной задачи с помощью гибридного солнечного инвертора, аккумуляторов и солнечных батарей.
Выбор гибридного инвертора для гибридной солнечной электростанции под зеленый тариф для частного дома.
Для решения задач с резервированием питания существует отдельный тип солнечных инверторов - гибридный. Что значит гибридный? Это такой инвертор, который имеет два входа и два выхода. Входы используются для подачи электроэнергии из двух источников:
- Городская сеть
- Аккумуляторы
Выходы используются для подключения потребителей электроэнергии. Их делят на две группы:
- Приоритетные
- Неприоритетные
Приоритетные потребители, в случае отключения городской сети, мгновенно переводятся на резервный источник-аккумуляторы.
Неприоритетные источники, в случае отключения городской сети, отключаются.
Аккумуляторы, в свою очередь, могут заряжаться или от солнца, или от городской сети, если солнца недостаточно.
Если аккумуляторы полностью заряжены, а потребления в доме нет (например днем, когда все на работе/учебе), то излишки электроэнергии передаются в городскую сеть, для продажи по Зеленому тарифу.
Victron Energy Quattro
В данном случае было принято решение использовать гибридные инверторы очень авторитетного европейского производителя Victron Energy.
Данный производитель имеет широкую линейку продукции, для которой практически нет ограничений в строительстве сложных солнечных электростанций.
С учетом данных технических условий и задач, свой выбор мы свели к модели гибридного инвертора Victron Energy Quattro 8000. При выборе инверторов Victron Energy стоит помнить важную особенность - все инверторы однофазные. Однако существует возможность объединения трех однофазных инверторов в трехфазный кластер. Соответственно нужно 3 инвертора. Это и недостаток и преимущество одновременно. Недостаток - цена, преимущество - гибкая возможность масштабирования в будущем. Если в будущем понадобится увеличить мощность по инверторам или по батареям, в данных системах это делается очень просто и, практически, без ограничений. Можно хоть завод в поле запитать автономно.
Выбор аккумуляторов электроэнергии для гибридной солнечной электростанции под зеленый тариф для частного дома.
Практика общения с заказчиками показывает, что у большинства людей, интересующихся автономными солнечными электростанциями, представления о аккумуляторах заложены еще со школьных уроков физики, где использовались щелочные аккумуляторы из позапрошлого века. С того времени многое изменилось в технологиях производства аккумуляторов, и сегодня уже доступны более совершенные типы АКБ, которые не нужно обслуживать, не нужно выделять для них отдельное проветриваемое помещение и т.д.
В основном сегодня строят автономные или гибридные солнечные электростанции используя два типа аккумуляторов:
AGM
это технология изготовления свинцово-кислотных аккумуляторов в которых содержится абсорбированный электролит, а не жидкий, что даёт ряд изменений в свойствах аккумулятора
LiFePO4
литий-железо-фосфатный аккумулятор — тип электрического аккумулятора, являющийся видом литий-ионного аккумулятора, в котором используется LiFePO4 в качестве катода
Рассмотрим подробнее каждый тип аккумуляторов, и выберем подходящий
1. AGM это все тот же старый свинцово-кислотный аккумулятор, но произведенный по современным технологиям для снижения влияния узких проблемных мест данной технологии. А узкие места данной технологии кроются в скорости снижения полезной емкости в зависимости от степени разряда аккумулятора. Что это значит?
Если режим работы аккумулятора предусматривает разрядку его в 0 (глубокий разряд), то среднее количество таких циклов состовляет 200-400. Это значит время жизни такого аккумулятора при ежедневном глубоком разряде составит не более 1.5 года. Для примера, цена на 100А AGM аккумулятор на 2021 год состовляет примерно 200$. Обычно аккумуляторный парк не обходится одним аккумулятором. Например минимальная сборка из четырех 12В 100А аккумуляторов будет стоит уже 800$. А если вспонмить что срок жизни при ежедневном глубоком разряде состоявляет не более 1.5 года. То выходит не так уж и дешево.
2. LiFePO4 это семейство литий-ионных аккумуляторов. На сегодня это самый современный тип АКБ, массово используемый во всем мире. Понимание только то, что литий-ионные аккумуляторы используются во всех телефонах и электромобилях, должно сказать о масштабах применения. Эти аккумуляторы намного сложнее в производстве, по сравнению со свинцово кислотными, но при этом они имеют свойство, наиболее подходящее для ежедневного использования - количество циклов заряд-разряда и падение емкости. По сравнению с AGM аккумуляторами, имеющими 200-400 циклов, литий железофосфатные имеют среднее количество циклов глубокого разряда 3000. Заметное увеличение, не правда ли? Данное преимущество компенсирует главный недостаток лития перед свинцом, цену.
Поэтому, в контексте строительства гибридных и автономных солнечных электростанций принято использовать аккумуляторы разных типов в зависимости от режима эксплуатации станции:
AGM
используется для резервного или аварийного питания. Когда глубокий разряд происходит по случаю, не каждый день.
LiFePO4
используется для ежедневного питания, с ежеденевным глубоким разрядом
Совместно с заказчиком, было принято решение, использовать в данном проекте литий железо фосфатные аккумуляторы мощной китайской корпорации BYD.
Функциональная схема работы гибридной солнечной электростанции
Логика работы гибридной солнечной электростанции
Для того чтобы понять как работает гибридная солнечная электростанция, подключенная к Зеленому тарифу, разделим эксплуатацию на два режима:
1. Штатный. Напряжение в городской сети присутствует
2. Автономный. Напряжение в городской сети отсутствует.
В штатном режиме, в дневное время суток, солнечные батареи генерируют из солнечной энергии в электроэнергию, которая идет на заряд аккумуляторов и на питание дамашних электропотребителей. Если АКБ заряжены, и активных потребитлей в данный момент нет, то излишки электроэнергии продаются в городскую сеть по Зеленому тарифу. В случае нехватки мощности или емксоти батарей, необходимое количество электроэнергии берется из городской сети.
В штатном режиме, в ночное время суток, когда нет солнечной генерации, домашние потребители питаются из энергии накопленной в аккумуляторах. А в случае нехватки мощности или емксоти батарей, необходимое количество электроэнергии берется из городской сети.
До конца действия программы "Зеленый тариф" осталось:
Успей построить свою солнечную электростанцию
В автономном режиме, в дневное время суток, солнечные батареи генерируют из солнечной энергии в электроэнергию, которая идет на заряд аккумуляторов и на питание дамашних электропотребителей. Если АКБ заряжены, и активных потребитлей в данный момент нет, то излишки электроэнергии никуда не продаются и электростанция переходит в режим холостого хода в ожидании потребления электроэнергии.
Панели размещены в четырех массивах:
Юго-восточный скат кровли дома
алююминиевая система для битумной черепицы
Юго-западный скат кровли дома
алююминиевая система для битумной черепицы
Юго-западный скат кровли бани
алююминиевая система для битумной черепицы
Юго-восточный придомовой навес
герметичная система креплений панелей над летней обеденной площадкой
Принцип водоотвода в гереметичных системах
Юго-восточный и Юго-западный скат кровли дома
Принцип водоотвода в герметичных системах креплений солнечных панелей
При выборе места монтажа солнечных панелей преследуются следующие цели:
- Смонтированные панели не должны нести опасность для людей
- Конструкции креплений должны быть достаточно надежны, чтобы панели остались на своих местах при разных погодных условиях
- Иметь углы и направления для эффективной генерации электроэнергии
Кровельная система свеже построенного дома, была выполнено добротно и на совесть. С этим проблем нет. Смело монтируем.
Конструкции креплений были выбраны из алюминия от проверенного украинского производителя Kripter.
Углы скатов кровли находятся в оптимальных диапазонах для нашей местности 30-35 гр.
Над крыльцом дома, была спроектирована несущая конструкция для монтажа солнечных панелей с использованием уникальной системы профилей для возведения герметичного накрытия.
При составлении карты затенений на участке, незаменимым помощником является квадрокоптер. С помощью аэрофотосъемки можно легко увидеть потенциальные места и объекты, которые могу затенять панели. В данном случае участок находится в жилом масиве частных домов, без проблем с затенениями.
Помогаем оформить Зеленый тариф. Бесплатно.
Подключение гибридной солнечной электростанции к Зеленому тарифу
Гибридная солнечная э лектростанция отличается от автономной именно возможностью работать совместно и с солнечными панелями, и аккумуляторами, и городской сетью. Поэтому гибридная электростанция считается наиболее функциональной и универсальной среди остальных типов солнечных электростанций.
На сегодня (2021), в Украине действует программа Зеленый тариф, которая дает возможность собственникам солнечынх или ветроэлектростанций продавать электроэнергию в городскую сеть.
Гибридные электростанции без Зеленого тарифа не потеряют своего функционала, однако потеряют возможность экономического инструмента по возврату средств потраченных на строительство. Поэтому, пока существует возможность подключения Зеленого тарифа, всем своим клиентам мы рекомендуем воспользоваться этой возможностью.
В данном случае, мы взяли на себя всю процедуру увеличения мощности подключенной электроэнергии к дому с 5 кВт/ч до 25 кВт/ч. Мощность в 25 кВт/ч была выбрана исходя из рассчета площадей скатов кровли, на которых планировалась установка солнечных батарей. В качестве сетевого инвертора правильнее было бы использовать инвертор австрийского производителя Fronius. Ведь он позволяет объединиться в одну энергосистему с гибридными инверторами Victron Energy. Однако, на данном объекте, потенциальные четыре плоскости для размещения солнечных батарей находились в разных условиях и направлениях. Поэтому необходимо было 4 независимых трекера. В линейке инверторов Fronius есть сетевые инверторы только с двумя трекерами. Поэтому мы, по экономическим соображениями, выбрали для проекта 4 трекерный инвертор Solis 25 кВт. У данной схемы есть определенные ограничения в чисто автономном режиме, но, озвучив их заказчику, было принято обоюдное решение.