Возможны три режима заряда: заряд постоянным током, заряд в режиме стабилизации напряжения на высоком уровне (абсорбция), режим стабилизации напряжения на более низком уровне (режим поддержаня).
Режем заряда постоянным током осуществляется тогда, когда аккумуляторная батарея в значительной степени разряжена. Ток может ограничиваться как мощностью источников (солнечных батарей) так и принудительно во избежании повреждения аккумуляторной батареи.
Режим стабилизации напряжения на высоком уровне (абсорбция) нужен для быстрого заряда аккумулятора, при наличии достаточного количества электроэнергии от источников, в противном случае аккумуляторная батарея слишком долго «набирала» бы остаток заряда.
Режим поддержания нужен для того, что бы предотвратить выкипание электролита в аккумуляторной батареи после того, как она будет полностью заряжена.
В процессе заряда аккумуляторной батареи напряжение сначала поднимается до уровня абсорбции и выдерживается в течении определенного времени, после чего происходит снижение напряжения до уровня поддержания. Если в режиме поддержания была включена мощная нагрузка, и из аккумулятора израсходовано некоторое количество заряда, то контроллер учитывает этот заряд. После отключения нагрузки напряжение на аккмуляторной батареи поднимется до уровня абсорбции и продержится на таком уровне, пока заряд не восстановится, после чего напряжение снова возвращается на уровень поддержания. Таким образом достигается быстрое восстановление утраченного заряда. Алгоритм иллюстрирован на Рис.2.
Все параметры заряда аккумуляторной батареи можно задать при помощи пульта или компьютера:
- напряжение абсорбции
- напряжение режима поддержки
- время задержки перехода из режима абсорбции в режим поддержки
- максимальный ток заряда аккумуляторной батареи
Рис.2. Алгоритм заряда аккумуляторной батареи и быстрого восстановления заряда
Работа с ветрогенератором (ВЭУ)
Блок работы с ветрогенератором (далее ВЭУ) изначально был разработан для работы с ветрогенератором «WE-1500» фирмы «WindElecctric». Ета ветроустановка имеет сравнительно невысокую частоту вращения лопастей и незначительный уровень шума, так как не содержит мультипликатора, генератор выполнен на постоянных магнитах. Генератор данной ВЭУ высоковольтный: номинальное напряжение порядка 240В, что облегчает передачу электроэнергии на значительное расстояние. Однако стандартный контроллер данной ВЭУ, выпускаемый производителем ветрогенератора, рассчитан на высоковольтную сборку аккумуляторов (20шт по 12В), что крайне неудобно и нерационально.
При необходимости блок работы с ВЭУ может быть выпущен под вашу ветроустановку с другими параметрами.
Блок работы с ВЭУ, которым снабжается «Электрификатор 3.2» совмещает примущества высоковольтного ветрогенератора и низковольтной сборки АКБ.
В процессе работы контроллер контролирует напряжение, ток и частоту ВЭУ и управялет преобразователем напряжения, которые преобразует напряжение ВЭУ в напряжение подаваемое на заряд АКБ.
Контроллер и ВЭУ могут работать в трех режимах: нормальный отбор мощности от ВЭУ, буревой режим и режим максимального торможения ВЭУ.
Работа в режиме нормального отбора мощности от ВЭУ.
В эот режиме контроллер непрерывно следит за частотой вращения ветрогенератора и, изменяя режим работы преобразователя, обеспечивает отбор от ВЭУ мощности, которая соответвует оптимальной мощности ВЭУ при данной частоте. Зависимость оптимальной мощности ВЭУ от частоты задается таблично. Программа контроллера линейно интерполирует данную зависимость, то есть делает ее более плавной без скачков при переходе от одного табличного значения к другому.
Если частота вращения ВЭУ начинает первышать заданную максимальную частоту, то контроллер начинает увеличивать отбираемую мощность так, что бы ограничить частоту – это повышает безопасность работы при сильных ветрах.
Если мощность вырабатываемая ВЭУ превышает установленный порог перехода в буревой режим, то контроллер переходит в автомачитеский буревой режим, который длится заданное в настройках время.
Буревой режим работы ВЭУ.
Для более безопасной работы при опасных ветрах предусмотрен буревой режим. По сути работа в буревом режиме ни чем отличается от работы в режиме нормального отбора мощности, кроме ограничения частоты вращения на более низком уровне. При этом генерация мощности меньше, чем могла бы быть в режиме нормалього отбора, однако понижается или исключается вовсе риск поломки ветрогенератора сильным ветром.
Переход в буревой режим возможен автоматически или вручную: по команде пользователя с компьютера или пульта. Автоматический режим буря отключается по истечению заданного времени, ручной режим буря может быть отключен только пользователем.
Режим максимального торможения ВЭУ.
В этом режиме напряжение ВЭУ равно напряжению АКБ, при этом ВЭУ вращается очень медленно, выработка электроэнергии минимальна. Этот режим может быть включен и отключен только пользователем и имеет смысл только при угрозе очень сильного ветра или неисправности.
Непосредственно возле ВЭУ распологается «Адаптер ВЭУ» - устройство, которое содержит защиту от обрыва кабеля, ведущего от ВЭУ к электрификатору.
5.3. Описание дополнительных возможностей
Отключение менее важных потребителей в критических ситуациях
«Электрификатор 3.2» позволяет подключить к нему коммутатор (по сути просто рэле) и через него подключить отдельные группы потребителей (по некоторой аналогии с распределительным щитком в домах и квартирах с централизованным электроснабжением). Такое решение позволит в критических ситуацияхдля отключить менее важные по приоритету потребители и оставить работать при этом потребители большей важности. Критическими могут быть ситуации связанные с перегрузкой или разрядом аккумуляторной батареи.
Например можно установить отдельную розетку для электроплитки, электрочайника и электрочайника и т.п. Тогда в случае, если кто-то в доме включит чайник, а другой человек, не зная этого, на улице включит электропилу, насос, триммер или другой мощный потребитель, то отключиться только чайник или электроплита. Электроинструмент и другие нагрузки, например компьютер и освещение, продолжат работать.
Так же в случае если, например из-за пасмурной погоды, заряд аккумуляторной батареи низкий, то ни-кто не сможет случайно включить чайник или электроплитку и быстро израсходовать оставшийся в аккумуляторе заряд. Таким образом исключаются часть неприятностей и продлевается срок службы аккумулятора.
При чем «электрификатор» подает на катушку рэле не все время одинаковое напряжение, а в момент включени максимальное (для срабатывания рэле), а затем в несколько раз его снижает (для удержания во включнном состоянии). Таким образом экономиться электроэнергия.
Автоматическое включение нагрузок при избытке электроэнергии
К «Электрификатору» можно так же подключить рэле, которое будет включать полезную нагрузку, если вырабатываемая источниками электроэнергия не расходуется полностью, а акумулятор заряжен. Таким образом продлевается срок службы аккумулятора, так как он не так сильно разряжается, и повышается эфективность работы системы в целом, так как исключаются потери на заряд-разряд аккумулятора. Благодаря такому решению снижаются требования к емкости аккумулятора, и можно обойтись меньшим и более дешевым.
Например можно подключить таким образом насос, который будет качать воду со скважины или колодца в резервуар, пруд, бассейн или сразу на полив. Таким образом максимально будет использоваться электроэнергия вырабатываемая в данный момент, а не запасенная в аккумуляторе. При этом вам не нужно будет беспокоиться за то, что акумулятор разрядится – насос будет включаться так, что бы использовать только «лишнюю» электроэнергию.
Сброс излишков электроэнергии на нагреватель
В период интенсивной выработки электроэнергии, например в солнечные дни, очень часто не вся электроэнергия не польностью используется потребителями и для зарядки аккумулятора.
«Электрификатор» оснащен функцией сброса избыточной электроэнергии, что дает возможность использовать избыток электроэнергии, наапример, на нагрев воды. Для этого следует подключить нагреватель, например обычный бойлер, через специальный регулятор. В этом случае аккмуляторная батарея не будет разряжаться, так как регулятор будет подавать на нагреватель столько мощности, сколько есть «лишней» в данный момент времени. Если в процессе работы нагревателя, включиться какой-то потребитель, то система сразу же отреагирует и уменьшит мощность нагревателя вплоть до полного отключения.
Существует два варианта реализации данной функции:
- Использовать стандартный нагреватель на 220В включенный через специальный регулятор (как показано на рисунке «упрощенная структура электрификатора и системы автономного электроснабжения в целом».
- Использовать низковольтный нагреватель, подключенный через специальный регулятор к напряжению аккумулятора.
Приимущества первого способа заключаются в том, что можно использовать стандартный нагреватель расчитанный на напряжение 220В. К тому же снижаются потери в проводе ведущем к нагревателю, потому этот способ особенно хорош, если расстояние от «Электрификатора» до нагревателя. Однако в этом случае часть энергии теряется в самом инверторе. Так же недостатком перыого способа является то, что в случае отключения инвертора, например по причине перегрузки или короткого замыкания, сброс избыточной мощности работать не будет. При работе с ветрогенератором такая ситуация может быть весьма необлаговприятной, особенно эсли акумулятор заряжен, так как прекратить отбирать мощность с ВЭУ недопустимо. В этом случае, при порывах ветра, будет срабатывать аварийная защита и резко останавливать ветрогенератор путем его закорачивания, что повышает уровень шума и риск поломки.
6. ВЫБОР КОНФИГУРАЦИИ СИСТЕМЫЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ
Для того что бы система автономного электроснабжения в дальнейшем хорошо функционировала нужно серьезно подойти к выбору ее составляющих. Следует еще до покупки каких-либо ее элементов хорошо обдумать и выбрать нужный вариант. Определитесь с тем что вам нужно от системы электроснабжения. Будете ли вы проживать круглый год или только летом? Какими электроприборами планируете пользоваться летом и какими зимой? Какие электроприборы могут работать одновременно?
Желательно, перед принятием решения, проконсультироваться с несколькими людьми, кто уже пользуется подобными системами. Пусть они расскажут чем они довольны, что хотелось бы улучшить. Сложив это со своими потребностями и проконсультировавшись со специальстом вы, скорее всего примете, правильное решение.
Выбор напряжения аккумуляторной батареи
Выбор напряжения аккумуляторной батареи – пожалуй наиболее важный вопрос, ведь в дальнейшем будет проблематично перейти на другое напряжение батареи, так как прийдется поменять и другое оборудование.
Среди существующего сегодня на рынке оборудования (инверторы, контроллеры солнечных батарей и т.д.) есть те которые рассчитаны на напряжение аккумуляторной батареи 12В, 24В, 48В и даже более.
При разработке модельного ряда «Электрификаторов» было решено остановиться на двух вариантах: 12В и 24В. Дело в том, что более высокое напряжение требует большего количества последовательно включенных аккумуляторов, а это уменьшает надежность и утрудяет замену или наращивание емкости аккумуляторной батареи. К тому же напряжения 12В и 24В применяются в бортовых сетях легковых и грузовых автомобилей, в связи с чем выпускается множество разных электроприборов на такое напряжение: светодиодные лампочки, зарядные устройства для мобильных телефонов и прочее. В случае применения более высокого напряжения аккумуляторной батареи вам прийдется или вовсе отказаться от таких электроприборов и использовать только 220В или применять дополнительные преобразователи.
В каких случаях лучше использовать 12В, а в каких 24В? Основным критерием к выбору напряжения служит максимальная мощность нагрузок (определяется исходя из того какие потребители могут работать одновременно). Если вам достаточно 1000 – 1500Вт, то целесообразно выбрать напряжение 12В, если вам потребуется больше – то лучше использовать напряжение 24В. Так же 24В целесообразнее, если вы хотите подключить много солнечных батарей, суммарной паспортной мощностью более 1200…1500Вт.
Разделение потребителей на группы и применение коммутатора позволяет, при случайном совпадении включения нескольких мощных электроприборов, отключить наименее выжный из них. В этом случае можно обойтись менее мощным и дешевым инвертором («Электрификатором»).
Важное замечание: Производители очень часто на своих электроприборах указывают завышенную мощность (желая показать, что их прибор очень мощный) а в действительности они столько не потребляют. Особенно это касается мелкой техники механического действия, такой как блендеры, соковыжималки, кухонные комбайны и т.п. (например блендер на котором указано 800Вт в действительности может потреблять лишь 150 – 300Вт.) Поэтому желательно получить более обьективные данные.
Выбор основного оборудования (Электрификатора)
Основным оборудованнием в данном случае будем называть то, которое преобразует напряжение источников в напряжение аккумуляторной батареи (контроллеры солнечной батареи, ветрогенератора) и то, которое преобразует напряжение аккумуляторной батареи в 220В (инвертор). В случае применения «электрификатоора» все это содержится в одном изделии.
Основное оборудование выбирается по двум основным критериям: максимальная мощность нагрузки и суммарная мощность солнечных батарей. С мощностью нагрузки мы уже разобрались, а про определение суммарной мощности солнечных батарей читайте далее.
Следует отметить, что в случае применения «Электрификатора» максимальная суммарная мощность солнечных батарей может превышать указанную в его паспортных данных. В этом случае средняя выработка электроэнергии снизиться незначительно, а в периоды когда условия не идеальны (облачность, неидеальный угол солнца, некоторое загрязнение поверхности или сильный нагрев солнечных батарей из-за жары) – и вовсе не снизится. Учитывая то, что при идеальных условиях, как правило, электроэнергию и так девать некуда, можно смело превышать максимальную мощность указанную в паспорте на 15 – 30 %.
Определение суммарной мощности солнечных батарей
Для того что бы определить какая потребуется мощность солнечных батарей следует определить среднесуточное потребление. Для чего перемножте мощность каждого электроприбора в киловатах на время его работы в часах и сложите все вместе. Если часть потребителей могут работать только в летний период, например, полив или электродуховка, которую в похмурую осеннюю погоду вы сможете заменить печкой, то такие потребители следует посчитать отдельно. У вас получаться цифры в кВт*час (это как раз то, что показывает обычный электросчетчик).
Из статистики автора: для севера Украины одна солнечная батарея, паспортной мощностью 250Вт, в летний день с переменной облачностью вырабатывает примерно 1кВт*час электроэнергии (с учетом некоторых потерь в оборудовании). Для южной части Украины примерно на 5 – 15% больше.
Если вы планируете установить солнечные батареи стационарно, не на поворотном устройстве (треккере), которое будет все время направлять батареи на солнце, то в любой ясный день или при незначительной облачности средняя выработка за день в период примерно с конца марта по конец сентября примерно такое же количество электроэнергии. Другое дело, что количество и плотность облаков может отличаться.
Исходя из вышеописанного можно приблизительно подсчитать суммарную мощность солнечных батарей исходя из двух критериев:
1) Для лета (с марта по октябрь): Мощность солн. бат. = среднесуточное потребление кВт*час / 4часа
2) Для остального времени года: Мощность солн. бат = среднесуточное потребелние кВт*час/1…2часа
Далее из двух полученных значений выбираем большее.
Например: если среднее потребелние летом 3,5кВт*час, а в остальное время года 1,5кВт*час, то получаем:
для лета: мощн.солн.бат. = 3,5кВт*час/4часа = 0,875кВт = 875Вт
для остального времени года: мощн.солн.бат. = 1,5кВт*час/1,5часа = 1кВт = 1000Вт
Получаем, что нужно установить солнечных батареи суммарной мощностью 1000Вт.
Эты расчеты весьма приблизительны, можно посчитать более точно используя специальные таблицы с данными о среднем количестве солнечной радиации для конкретного региона. Однако в большинстве случаев и таких приблизительных расчетов вполне достаточно. Не обязательно сразу устанавливать столько солнечных батарей, поскольку их можно добавить в дальнейшем. В ходе эксплуатации будет понятнее сколько стоит добавить. Однако целесообразно сразу выбрать нужное оборудование, место где поместилось бы требуемое количество солнечных панелей и заложить провод нужного сечения, что бы избежать лишних затрат времени и финансов в дальнейшем.
Стоит ли устанавливать солнечный трекер для поворота солнечных батарей за солнцем?
Мощность вырабатываемая солнечными батареями зависит от угла, под которым падает свет на них: если свет падает перепендикулярно, то мощность максимальна, а если под острым углом, то мощность будет существенно меньше. Установка специального поворотного устройства (трекера) позволит повысить среднюю выработку до 30 – 40%, однако только в летние дни. Дело в том, что в летний период солнце восходит на северо-востоке, а заходит на северо-западе и таким образом описывает большую дугу, следовательно угол меняется сильно. В зимние же дни солнце восходит на юго-востоке и заходит на юго-западе и описывает небольшую дугу, следовательно угол меняется не так сильно и солнечный трекер не даст существенного увеличения выработки. Ниже приведена иллюстрация по поводу описанного.
В пасмурную погоду применение солнечного трекера не даст практически никакого результата.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что установка солнечного трекера целесообразна только в том случае, если электричества нехватает именно в летний период и в солничную погоду. А в такие периоды электричества обычно избыток. К тому же в условиях поместья, зачастую не весь горизонт открыт, есть препятствия в виде деревьев, которые закроют утреннее и вечернее летнее солнце. Потому применение солнечных трекеров в автономных системах, особенно в условиях родовых поместий, на мой взгляд, неоправдано. К тому же солнечный трекер – это дополнительные затраты, уменьшение надежности, да и такое сооружение будет куда хуже выглядеть, чем стационарно размещенные солнечные батареи.
Существует еще простой вариант увеличить выработку в летнее время в том числе утренние и вечерние часы. Для этого следует на летний период просто повернуть батарею более горизонтально, а на зимний – снова поднять более вертикально.
Выбор резервного генератора (бензо, газо, дизель)
В случае длительной облачной погоды электричества может вырабатываться существенно меньше, чем потребляться и аккумуляторная батарея будет сильно разряжена. Для того, что бы недопустить полного разряда и продолжить пользоваться электроприборами, можно воспользоваться стандартным бензиновым, газовым или дизельным генератором. При выборе генератора следует учитывать два критерия:
- Максимальная выходная мощность
- Частота выходного напряжения
Мощности генератора должно быть достаточно для питания тех потребителей, которые могут работать в период длительного отсутвия солнца. Например насоса для водоснабжения, какого-нибудь инструмента и т.п. Учитывая то, что «электрификатор» в режиме заряда аккумулятора от генератора может уменьшать ток отбираемый на заряд, можно не выбирать генератор большой мощности. Главное что бы мощности хватило на питание потребителей. Более мощный генератор дороже и будет потреблять больше топлива при небольшой нагрузке.
Частота выходного напряжения генератора должна составлять 50Гц (иногда встречается 60Гц) и так же она должна быть достаточно стабильна. В противном случае режим заряда будет работать только без коррекции мощности (подробнее будет описано в разделе о настройке «электрификатора»). Коррекция мощности уменьшает импульсные токи, которые будет потреблять «электрификатор» при зарядке аккумуляторной батареи, что приведет к немного большему нагреву проводов обмотки генератора. Если мощность отбираемая на заряд аккумулятора меньше 30% номинальной мощности гегнератора, то эот эфект будет незначительным.
Выбор нагревателя для сброса избыточной электроэнергии
Нагрватель длая сброса избыточной электроэнергии следует выбирать по двум параметрам: напряжение и мощность.
Напряжение может быть или равно напряжению аккумуляторной батареи или быть стандартным 220В. В большинстве случаев целесообразнее использовать нагреватель с напряжением 220В, так как можно использовать стандартные изделия, например можно использовать стандартные бойлеры.
Мощность нагревателя, в идеале, выбирается равной максимальной мощности, которую могут вырабатывать панели. Можно выбирать несколько большую а так же менюшую, но желательно в пределах 0,7…1,7 от сумарной мощности солнечных батарей. С более мощным нагревателем может работать менее стабильно, а менее мощный не позволит использовать всю элетроэнергию.
Выбор насоса для работы в автоматическом режиме
Если вам нужно, например, поливать растения или для каких-то других нужд использовать много воды – есть смысль реализовать функцию автоматической накачки воды в период, когда электроэнергии излишек. Для этого может использоваться как отдельный насос, так и тот же, что и для водоснабжения – использовав дополнительный электромагнитный клапан. Подробнее об этом описано в разделе «Реализация дополнительных возможностей».
Насос следует выбирать по двум основным критериям:
- высота подьема воды или давление создаваемое насосом
- потребляемая мощность
Высота подьема выбирается так, что бы обеспечить максимальную эфективность перекачки воды. Максимальная эфективность достигается, когда фактическая высота, на которую нужно поднимать воду (следует так же добавить некоторое гидродинамическое сопротивление труб и, если используется гакопительная груша, то давление в ней) равна 0,4…0,6 от максимальной высоты подьема насосом.
Например: нужно качать воду со скважины, в резервуар расположенный на высоте 3м над землей, глубина от уровня земли до зеркала воды – 15м. То есть фактическая высота подъема воды 18м, добавим к этому некоторое гидродинамическое сопротивление в трубах равное 0,4бар или 4м водяного столба. В итоге получим, что фактическая высота подьема воды 22м. Проведем несложный расчет: 22м/0,4 = 55м, 22/0,6 = 36м.Таким образом стоит выбирать насос с максимальной высотой подьема 36 – 55м.
Потребляемая мощность, в идеальном варианте, выбирается приблизительно равной максимальной мощности вырабатываемой солнечными батареями. В таком случае в полдень при ясной погоде, если не работают никакие другие потребители, насос будет работать непрерывно и аккумуляторная батарея совсем не будет разряжаться. Если мощность насоса будет существенно больше, то это увеличит износ аккумуляторной батареи и снизит эфективность работы, так как добавятся потери на заряд-разряд аккумулятора.