Система автономного электроснабжения
Обострившиеся в последнее время проблемы с подключением загородных домов и удаленных объектов к сетям централизованного электроснабжения вынуждают к поиску альтернативных способов электроснабжения. Большой интерес вызывают системы с использованием энергии возобновляемых источников энергии. К сожалению, на большей части европейской территории России, ресурсы ветра недостаточны для обеспечения надежного электроснабжения. Солнечная энергия может обеспечить потребности среднего дома в электроэнергии с весны по осень, но в зимнее время, когда возрастает энергопотребление, ресурсов солнца также явно недостаточно.
В последние годы стоимость подключения к сетям централизованного электроснабжения значительно возросла. Так, например, в Московской области стоимость подключения 1 кВт установленной мощности составляет более 1000 USD, стоимость прокладки ЛЭП в настоящее время колеблется от 12 до 20 тысяч USD за каждый километр. Добавьте сюда и стоимость строительства и оборудования подстанции, и окажется, что для отдельных домов и небольших поселений подключение к сетям централизованного электроснабжения является непозволительной роскошью.
Самым распространенным способом решения проблемы электроснабжения в таких случаях является использование генераторов переменного тока с приводом от бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Однако такое решение требует высоких эксплуатационных расходов, связанных с доставкой дорогостоящего топлива и частым ремонтом ДВС.
Для работы бытового холодильника с компрессором мощностью 100-200 Вт необходим круглосуточный режим питания и непрерывная работа ДВС в неэкономичном режиме, близким к холостому ходу. Многократного снижения расхода топлива можно добиться путём применения очень дорогих быстро заряжаемых АБ и мощного зарядного устройства.
Частичным решением этой проблемы является использование генератор-аккумуляторной системы. Но и эта система имеет свои недостатки, в основном связанные с быстрым выходом из строя аккумуляторов вследствие их хронического недозаряда. Свинцово-кислотные аккумуляторы для своего полного заряда требуют более 10 часов, причем в конце заряда зарядный ток очень небольшой. Поэтому в большинстве случаев генератор выключается гораздо раньше того момента, когда АБ заряжены на 100%.
Большой интерес вызывают системы с использованием энергии возобновляемых источников энергии – солнечной, ветровой, малых рек и т.д. К сожалению, на большей части европейской территории России, ресурсы ветра недостаточны для обеспечения надежного электроснабжения. Солнечная энергия может обеспечить потребности среднего дома в электроэнергии с весны по осень, но в зимнее время, когда возрастает энергопотребление, ресурсов солнца также явно недостаточно. В такой ситуации, учитывая вероятностный характер возобновляемых источников энергии, относительную дороговизну оборудования возобновляемой энергетики, наиболее оправданным решение является создание гибридной энергосистемы на базе жидкотопливного электрогенератора, а также фотоэлектрических батарей и/или ветроэлектрической установки. При этом фотоэлектрические батареи и ветроэлектрические установки выбираются исходя не из полных потребностей в электроэнергии с учетом пасмурных или безветренных дней, а для обеспечения некоторой базовой нагрузки (например, освещение, радио, холодильник) из расчета солнечного или ветреного дня, а остальная энергия производится жидкотопливным электрогенератором. В некоторых случаях, когда в месте эксплуатации оборудования практически нет возобновляемой энергии (например, дом в глухом лесу), установка солнечных батарей или ветроустановок нецелесообразна.
В общем случае, система состоит из:
- серийного дизельного или бензинового электрогенератора мощностью от 3 кВт до нескольких десятков кВт, который дорабатывается специальным образом для сопряжения с системой автоматизации запуска и останова. Возможно применение практически любых генераторов с электростартером. Если ваш генератор имеет 2-ю систему автоматизации, это в многих случаях немного облегчает доработку генератора (но не удешевляет ее).
- блока бесперебойного питания, состоящего из инвертора и мощного зарядного устройства
- системы автоматического запуска и останова генератора в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее. Эта система может выполняться как встроенной в ББП, так и отдельным блоком
- аккумуляторной батареи с емкостью, достаточной для питания среднесуточной нагрузки
- дополнительного источника на возобновляемом энергоресурсе (солнечных фотоэлектрических модулей или ветроустановки)
Принцип работы системы
Блок-схема автоматизированной системы электроснабженияна базе ЖТГ и аккумуляторов
Двигатель внутреннего сгорания (дизельный, бензиновый или работающий на сжиженном или природном газе) приводит во вращение электрогенератор переменного тока. Во время работы генератора, нагрузка питается напрямую от генератора через реле передачи, установленное в блоке бесперебойного питания. Одновременно происходит заряд аккумуляторных батарей. При этом микропроцессор ББП управляет зарядным током так, чтобы не перегружать генератор и обеспечить эффективный заряд аккумуляторной батареи.
Двигатель запускается в автоматическом режиме от встроенного стартера генератора, питаемым от встроенной стартерной АБ. Одновременно блок управления даёт команду на открытие клапана подачи топлива, после чего система переходит в режим генерации. Для увеличения срока службы основной АБ, блок управления постоянно контролирует величину напряжения на АБ и, в зависимости от напряжения, даёт команду или на пуск двигателя и заряд АБ, или на выключение двигателя и прекращение заряда АБ. Верхнее и нижнее значения напряжения на аккумулятора выбираются в зависимости от его типа и характера нагрузки.
Электронная часть системы выполняется на базе инверторов с зарядным устройством производства Steca-Studer, SMA или Xantrex. При некоторой доработке и использовании отдельного блока автоматического запуска возможно использование блоков бесперебойного питания Outback и других. Все эти инверторы выдают высококачественную электроэнергию с чистой синусоидой. Для экономии углеводородного топлива данный комплект может работать совместно с любым из источников, использующих возобновляемую энергию, например, солнечной батареей, микроГЭС или ветроэлектрической установкой.
В определенных режимах комплекс способен питать нагрузку, существенно превышающую мощность электрогенератора. Такие режимы обеспечиваются инверторами Steca Xtender (режим Smart Boost), Xantrex XW (режим PowerShaving), SMA и Rich Electric. В таких режимах мощность инвертора прибавляется к мощности генератора.
Высокое качество синусоиды позволяют питать практически любую бытовую аппаратуру, в том числе и чувствительную к форме питающего напряжения нагрузку (например, асинхронные электродвигатели, аудио и видео аппаратуру и т.п.).
Все применяемые инверторы имеют многостадийный интеллектуальный заряд аккумуляторов, который позволяет наиболее эффективно использовать энергию генератора и обеспечивает максимальный срок службы аккумуляторов. При длительной максимальной нагрузке, во избежание быстрого разряда АБ, предусмотрена возможность принудительного ручного включения ДВС для подзаряда АБ, независимо от величины напряжения на АБ.
В такой автономной системе аккумуляторы работают в тяжелых циклических режимах. Поэтому необходимо применять аккумуляторы, хорошо работающие в этих режимах – гелевые или типа OPz. При применении аккумуляторов AGM нужно выставлять высокое напряжение для включения генератора, что может приводить к частым запускам генератора.
Таким образом, предлагаемая система имеет следующие преимущества:
- Высокую эффективность работы при малой мощности нагрузки, что обеспечивает стоимость энергии на уровне стоимости электроэнергии от централизованной электросети.
- Автоматическое включение жидкотопливного генератора с накоплением энергии в аккумуляторах
- Бесперебойную подачу электроэнергии.
- Возможно применение генераторов с питанием от сжиженного или природного газа.
- Питание нагрузки, требовательной к форме напряжения, например асинхронных двигателей насосов (в т.ч. циркуляционных в системах отопления), холодильников, различной электроники, силовых трансформаторов и т.п. При этом инвертор обеспечивает пусковые токи электродвигателей, превышающие номинальную мощность инвертора в 2-3 раза (для различных моделей)
- Высокое качество электроэнергии на выходе со стабильными напряжением и частотой.
- Возможность кратковременно увеличить мощность за счет сложения мощностей генератора и инвертора.