Автономные системы электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Итак, резервное питание подразумевает под собой вспомогательный источник электричества, который в случае пропадания основной линии должен обеспечить дальнейшее электроснабжение силовых электрических потребителей. Им может быть не только полностью независимые системы электропитания (аккумуляторы, и преобразователи, питаемые от них, министанции, топливные элементы и т.д.), но и запасные линии городского электроснабжения.

Автономное электропитание под собой подразумевает полностью отделённую систему электроснабжения, которая способна генерировать или отдавать накопленную электрическую энергию различным потребителям. Такая система в случае пропадания напряжения в основной городской электросети должна взять на себя силовую нагрузку имеющихся потребителей. Хотя, к автономному электропитанию можно отнести и химические источники питания (в том числе и аккумуляторные батареи). Основная идея такого вида электрического источника -- снабжение электроэнергией нагрузки, при условии отсутствия внешнего источника питания (обычная городская электросеть).

По большей части эти два понятия между собой сильно пересекаются, что даёт основание считать их одним и тем же (лишь в некоторых случаях эти термины можно употреблять «поразень»). Задачу независимого электроснабжения можно решать различными путями, а точнее, систему автономного питания возможно сделать основываясь на различных способах производства электрической энергии. Прелесть электричества заключается в том, что эта невидимая человеческому глазу сила универсальна. Различаются только лишь способы преобразования одного вида энергии в другой.

Где, в основном, используется термин -- резервное электропитание? Там где существует большая вероятность отключения основного источника электроснабжения (в роли которого обычно выступает городская электросеть), либо в том случае, когда обесточивание происходят крайне редко, но само явление «обесточки» довольно критично. В данных случаях главной задачей резервного электропитания является своевременное подхватывание имеющейся нагрузки и последующее обеспечение электроэнергией имеющегося потребителя до тех пор, пока полностью не будет восстановлено основное снабжение от городской сети.

Об автономном электропитании больше можно слышать в тех случаях, когда идёт речь о полном отсутствии основного источника электропитания (городской электросети). В данном случае это самое автономное электропитание выступает в роле главной электроснабжающей системы (либо она используется настолько часто, что оставляет за собой право называться таковой). К таким случаям можно отнести осуществление электроснабжения загородного дома (где имеются временные или постоянные проблемы с подводом городской электросети), удалённые от города места (где изначально не предусмотрена городская магистраль) и т.д.

В роле основной электропитающей системы выступает сложная энергетическая сеть, основным узлом генерации электричества у которой выступает АЭС, ТЭС, ГЭС. В случае автономного электропитания центром выработки электроэнергии является мини электрогенерирующие системы, которые работают за счёт горючего топлива (бензин, дизель, газ, уголь и т.д.), энергии ветра (ветряки), солнца (солнечные батареи), химических реакций (химические источники тока -- батареи, аккумуляторы, топливные элементы).

Конкретное использование того или иного источника генерации электроэнергии зависит от имеющихся условий (местности, климата, режимов работы автономных источников, нужды, стоимости и т.д.). Стоит добавить, что в роли резервного источника электропитания может выступать дополнительные параллельные линии электропередач, которые питаются от всё тех же городских электросетей.

Здесь можно предложить два варианта:

· к штатному аккумулятору ИПС параллельно подключить недорогой автомобильный аккумулятор (кстати, у автомобилистов часто остаются вполне работоспособные аккумуляторы, использовать которые зимой они уже не решаются, но заряд такие устройства держат еще неплохо);

· для пары-тройки автомобильных аккумуляторов использовать преобразователь напряжения из 12 в 220 В.

Первый вариант, возможно, вполне сгодится в качестве дешевой альтернативы дорогостоящей замены штатных батарей ИБП, когда источник бесперебойного питания ввиду выхода из строя штатных батарей начинает работать только как сетевой фильтр. Однако в случае глубокой разрядки автомобильного аккумулятора применение нештатного аккумулятора на ИБП чревато серьезными проблемами.

Ведь схема управления ИБП, как правило, рассчитана только на штатную батарею. Например, если вы вздумаете заменить на том же APC BackUPS 500 V·A штатную батарею 12V7AH на новую 12V20AH (по сути такую же, но более емкую), то при зарядке более емкая батарея будет брать больший ток и от перегрева проводов и элементов схемы наверняка выйдет из строя контроллер управления (или сработает защита от превышения тока в схеме подзарядки и зарядка попросту не пойдет).

Что касается автомобильного, гораздо более емкого аккумулятора, то средний ток зарядки не сильно разряженной аккумуляторной батареи не превышает 1/10 от максимального, поэтому при неглубокой разрядке ничего случиться не должно. Однако после сколько-нибудь значительной разрядки дополнительного аккумулятора вам придется отсоединять его от ИБП и заряжать отдельным зарядным устройством, а это не очень удобно.

Что можно предпринять в данной ситуации? Во-первых, можно использовать для подключения дополнительной батареи отдельный контроллер по минимальному и максимальному напряжению. Тогда дополнительная схема автоматического отключения нагрузки по минимально и максимально допустимому напряжению защитит схему ИБП. Пороги срабатывания вы отрегулируете потенциометрами, а диапазон рабочих напряжений будет определяться параметрами используемых транзисторов.

Или же, если вы планируете использовать автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор, то и ИПБ нужно выбирать не со щелочным, а со свинцово-кислотным штатным аккумулятором. Тогда схема подзарядки ИПБ будет рассчитана на использование батарей со сходными параметрами, следовательно, разряженный автомобильный аккумулятор не сожжет контроллер ИБП. Конечно, у любой схемы подзарядки есть некий предел тока и если навесить на совсем уж маломощный ИБП внешний автомобильный аккумулятор, то ИПБ может и сгореть, особенно если доводить аккумулятор до полной разрядки.

Впрочем, можно использовать и смешанную схему, когда автомобильный аккумулятор заряжается постоянно подключенным зарядным устройством для автомобильных аккумуляторов (с контролем от перезаряда и прочей автоматикой) и одновременно аккумулятор подключается к ИБП параллельно штатной батарее. Таким образом, в этом случае ИБП служит лишь преобразователем напряжения из 12 в 220 В.

Вариант со специальным преобразователем напряжения 12/220 В вместо ИБП более надежен, но такой преобразователь напряжения большой мощности сравним по стоимости с ИБП и к тому же все равно потребует приобретения достаточно мощного зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов. При этом маломощное зарядное устройство заряжает очень долго, а мощное стоит довольно дорого и имеет внушительные размеры (то есть наряду с экономической целесообразностью такой системы необходимо будет рассмотреть и ее массогабаритные параметры).

Стоимость автомобильных адаптеров 12/220 В мощностью 600 Вт составляет примерно 80-100 долл. Преобразователь напряжения 12/220 В мощностью 1200 Вт обойдется уже в 200-220 долл., а адаптер мощностью 2500-3000 Вт-- более чем в 400 долл. Как видите, даже цены адаптеров уже вполне сопоставимы с ценами аналогичных по мощности ИБП, а ведь нам еще понадобится зарядное устройство для аккумуляторов.

Рекомендации по выбору автономного источника питания

Первое условие -- потребляемая мощность нагрузки. Эта мощность складывается из мощностей отдельных потребителей электроэнергии. Количество потребителей, из мощностей которых складывается общая мощность нагрузки, будет зависеть лишь от вашего желания. Однако следует иметь ввиду, что те потребители, которых вы не включили в этот список, должны быть отключены вовремя работы автономного источника электропитания. Несоблюдение этого может привести к перегрузке и даже к выходу оборудования из строя.

То есть вам необходимо понять, что вы хотите получить? Обеспечить себе комфортное существование на время отключения независимо оттого, насколько отключилась сеть, или же обойтись несколькими особо важными потребителями, отключение которых может привести к серьезным материальным затратам (например система отопления).

Загородный дом, как правило, потребляет от5до40 кВА. Сюда входит освещение, системы отопления, водоснабжения, канализации, бытовые электроприборы, системы охранной и пожарной сигнализации, системы видеонаблюдения.

Если вырешили запитать от автономного источника часть потребителей (что целесообразно сточки зрения цены), то из всего этого перечня вам необходимо выбрать, в первую очередь, самых критичных к пропаданию напряжения потребителей (аварийное освещение, система отопления), и далее к ним суммируем менее критичные нагрузки. Потребители электроэнергии, у которых отсутствует индуктивная составляющая мощности, называются активными: лампы накаливания, нагревательные приборы. Однако простое суммирование мощностей будет справедливым, пока вы не дойдете дооборудования, которое имеет пусковые токи. Оно имеет свойство потреблять в несколько раз больший номинального ток в момент запуска. Эти токи необходимо учитывать и давать соответствующий запас по мощности (примерно 2,5-3,5раза). Такие потребители называются индуктивными: электродрели, электропилы, насосы, компрессоры, холодильники, лазерные принтеры ит.п. Кроме того, необходимо учитывать и коэффициент одновременности, который показывает процент одновременной работы оборудования.

Основная мощность (Prime Rating Power)- это максимальная мощность, которую ДГУ может развивать при непрерывной работе на переменной нагрузке неограниченное время. Средняя величина нагрузки в24-часо-вый период составляет 70%, если иное неоговорено производителем. Перегрузка в течение 1часа на12часов работы не оговаривается ISO, но допускается. Минимальная величина нагрузки ДГУ составляет 25%отмощности PRP.

То есть если вы предполагаете, что ваша генераторная установка будет работать как основной источник электроэнергии, то вам необходимо ориентироваться именно на эту мощность. Если величина PRP не указывается, то данная генераторная установка может работать только как резервный источник электроснабжения.

Рис. 1

Вспомогательная и резервная мощность (Emergency Standby Power)- это максимальная, которую ДГУ может развивать при работе напеременной нагрузке вовремя возможного перебоя в электросети, которую ДГУ резервирует, при годовом времени наработки не более 500часов. Средняя мощность в течение 24-часового периода 70%, если иное не заявлено производителем. Перегрузка не допускается.



Рис. 2

Минимальная величина нагрузки ДГУ не регламентируется, но составляет 25% от мощности PRP.

То есть эта та мощность, которую генераторная установка может развивать кратковременно, в качестве резервного источника питания. Мощность ESP всегда больше мощности PRP, так как это мощность, которую развивает генераторная установка на непродолжительное время (не более 500 часов в год), но при этом перегрузки не допускаются.

Таким образом, расчет потребляемой мощности является не такой простой, как это выглядит на первый взгляд, задачей. И мы рекомендуем для корректной и правильной оценки потребляемой мощности и безошибочного подбора оборудования обращаться к специалистам.

Следующим важным компонентом условия этой задачи является время автономной работы, то есть время, которое будет работать ваш источник автономного питания, пока не восстановится и не войдет в допустимые пределы напряжение основной электросети.

Для определения этого параметра вам необходимо проанализировать, как часто и насколько повремени происходят отключения электроэнергии и, исходя из этого, определиться со временем автономной работы необходимым для вас.

Объясню, почему это важно. При кратковременных пропаданиях напряжения с небольшой периодичностью одним из вариантов решения проблемы автономного электроснабжения является установка источника бесперебойного питания, который в режиме автономной работы использует электроэнергию аккумуляторных батарей, количество которых можно увеличивать в зависимости от необходимого времени автономной работы (до нескольких десятков минут). При более длительных и частых отключениях вариантом решения этой же проблемы является установка генераторной установки, для которой также необходимо предусмотреть достаточный запас топлива в зависимости от необходимого времени автономной работы.

И еще один момент необходимо учесть при постановке условий этой задачи-- это наличие оборудования, критичного к различного рода скачкам, импульсам, пропаданиям напряжения и отклонениям частоты основной электросети. Это электронные блоки управления оборудованием (например, котлом системы отопления), компьютеры, контроллеры охранной и пожарной сигнализации, плазменные панели ит.п. То есть оборудование, которое требует именно качественного электроснабжения, иначе оно может некорректно работать или просто выйти из строя.

Теперь, когда условия задачи известны, можно приступать к ее решению. Существует несколько вариантов технических решений.

Рис. 3

ИБП по принципу работы можно разделить на две группы это: Off Line и On Line. Off Line (Stand-By) тип ИБП, допускающих перерыв питания нагрузки вовремя переключения со входной сети на инвертор (transfer time, или время переключения). On Line тип ИБП, который обеспечивает непрерывное и фильтрованное питание нагрузки. По определению, on-line ИБП имеют нулевое время переключения; нагрузка никогда не видит прерывания питания.

Как правило, для использования в качестве резервного источника питания для загородных домов используются однофазные ИБП мощностью от 4 до 10 кВА класса On Line.

По сравнению с резервными генераторными установками ИБП имеют ряд неоспоримых преимуществ

· значительно более высокий коэффициент надежности;

· большое время наработки на отказ;

· высокое качество электроэнергии на выходе;

· отсутствие необходимости в периодическом обслуживании и замене расходных материалов;

· бесшумность работы;

· простота подключения и монтажа.

Однако чтобы обеспечить относительно большое время автономии (от нескольких десятков минут до нескольких часов), ИБП должен комплектоваться достаточным количеством аккумуляторных батарей (далее АКБ) определенной емкости, что чаще всего будет ограничиваться техническими возможностями ИБП, а именно возможностями зарядного устройства АКБ. Кроме того, время автономной работы будет зависеть еще от нескольких параметров: степени загруженности ИБП, эффективности конкретного инвертора, температуры окружающей среды, состояния и степени износа АКБ.

Конечно же, есть возможность создания мощной системы бесперебойного питания с большим временем автономии. Но при этом возникает вопрос экономической обоснованности такого решения, а это немаловажный фактор в процессе выбора автономного источника питания.

Рис. 4

В настоящее время на российском рынке существует очень много различного рода генераторных установок, широкий спектр мощностей множества производителей, различные варианты, исполнения которых заставят задуматься даже искушенного покупателя.

Ниже мы приведем классификацию по основным признакам конструкции генераторных установок. И приведем краткие пояснения, так сказать, на бытовом уровне по каждому из пунктов классификации.

По виду исполнения

· портативные -- бытовые, полупрофессиональные и профессиональные бензиновые или дизельные генераторные установки мощностью до12кВА, могут использоваться в качестве резервных источников питания; для питания потребителей со средней и большой интенсивностью; для осуществления индивидуальной деятельности. Имеют воздушную систему охлаждения, могут быть с верхним или нижним расположением клапанов системы газораспределения, надежны, удобны и неприхотливы в эксплуатации.

· стационарные-- профессиональные дизельные электростанции мощностью от10до2500 кВА, используются в качестве основных и резервных источников электропитания. Имеют жидкостную систему охлаждения, как правило, с верхним расположением клапанов системы газораспределения, отличные ресурсные показатели, низкие эксплуатационные затраты. Требуют профессионального монтажа.

По способу охлаждения

· с воздушным охлаждением-- генераторные установки, которые охлаждаются окружающим воздухом.

· с водяным охлаждением-- генераторные установки, которые охлаждаются жидкостью (как правило, гликолевые смеси с водой).

По используемому топливу

· бензиновые-- генераторные установки, в которых в качестве топлива используется бензин.

· дизельные-- генераторные установки, в которых в качестве топлива используется дизельное топливо.

По частоте вращения коленчатого вала двигателя

· 3000об/мин-- двигатели, работающие на такой частоте, дешевле и меньше, но гораздо более шумные, с более высоким расходом топлива и масла и имеют меньший ресурс;

· 1500об/мин-- эти двигатели более тихие, с меньшим расходом и более высоким ресурсом. Могут использоваться в качестве основного источника питания.

По виду генератора переменного тока

· с синхронным генератором, имеют более высокое качество электроэнергии, способны переносить кратковременные перегрузки;

· с асинхронным генератором, конструктивно проще и дешевле. Однако имеют достаточно низкое качество электроэнергии на выходе, неспособны к перегрузкам.

По количеству фаз

· однофазные (220В50Гц), от такой генераторной установки могут быть запитаны только однофазные потребители;

· трехфазные (380В,220В 50Гц) от такой генераторной установки могут быть запитаны как трехфазные потребители, так и однофазные. Однако нужно иметь ввиду, что мощность одной фазы трехфазной станции в3раза меньше общей мощности установки. Также необходимо обеспечить равномерность загрузки фаз во избежание так называемого «перекоса» фаз, который плохо сказывается на состоянии генераторной установки.

По расположению клапанов системы газораспределения

· с нижним расположением клапанов;

· с верхним расположением клапанов.

По способу запуска

· ручной -- используется только для небольших портативных станций, запуск происходит с помощью шнура посредством раскручивания коленвала двигателя до нужной для запуска частоты;

· электростартерный -- используется для всех установок, запуск происходит с помощью электростартера посредством поворота ключа зажигания;

· автоматический -- используется для установок, в которых реализована функция автоматического запуска. Требует наличия дополнительного оборудования. Необязательно присутствие человека при запуске и принятии нагрузки.

Теперь рассмотрим основные виды генераторных установок в комплексе.

Генераторные установки с2-или 4-тактным бензиновым двигателем

· 2-тактные двигатели, как правило, ставятся только на самые маломощные и компактные генераторные установки (наработка на отказ не более 500часов);

· 4-тактные бензиновые двигатели ставятся на более серьезные станции, но не более 15кВА (мощнее бензиновых двигателей нет). Наработка на отказ от1000до4000 часов. Основные производители-- американская компания Briggs&Stratton и японская Honda.

Генераторные установки с4-тактным дизельным двигателем.

Дизельные генераторы с воздушным охлаждением занимают промежуточное положение между бензиновыми двигателями и дизельными с жидкостным охлаждением. Дизельные генераторные установки с воздушным охлаждением до6кВА мало чем отличаются от своих бензиновых собратьев, хотя они обладают большим ресурсом и более надежны. Наработка на отказ более 4000часов. Основной производитель -- японская компания Yanmar.

Более мощные дизельные двигатели с воздушным охлаждением до20кВА капризны к качеству топлива, достаточно шумные и громоздкие. Так что в этом случае лучше искать альтернативу среди дизельных двигателей с жидкостным охлаждением. Основной производитель немецкая фирма Hatz.

Дизельные двигатели с жидкостным охлаждением наиболее надежны и долговечны. Наработка на отказ до20000часов. Они относятся кустановкам промышленного класса.

Самые приемлемые сточки зрения оснащенности различными опциями. Основные производители от 6 до 20 кВА:

1. Mitsubishi, от20до275 -- John Deere, от200до500 кВА

2. Volvo иPerkins, более 500кВА-- MTU.

Теперь подведем итог этому варианту решения. При частых и длительных отключениях электроэнергии или при отсутствии внешней сети выбор очевиден. Однако если вернуться к третьему условию задачи про критичных к пропаданиям и качеству электроэнергии потребителей, мы видим, что этот вариант решения мало приемлем, так как с момента пропадания напряжения до момента его восстановления посредством генераторной установки происходит перерыв в электроснабжении и генераторная установка не защищает от различного рода искажений входной сети.



Рис. 5

автономный электроснабжение энергия

Чтобы обеспечить критичных к качеству электроэнергии потребителей бесперебойным питанием и в тоже время иметь достаточно большое время автономии, мы рекомендуем использовать совместную работу ИБП и ГУ. В момент пропадания напряжения основной электросети ИБП питает энергией АКБ наиболее ответственных потребителей. Остальные потребители остаются обесточенными до момента запуска генераторной установки. После запуска ГУИБП переходит в нормальный режим работы и заряжает АКБ. Это наиболее приемлемый вариант сточки зрения надежности.

Однако при совместной работе ИБП и ГУ необходимо иметь в виду, что при расчете мощности ГУ мощность ИБП, рассчитанную ранее, нужно суммировать с мощностями остальных потребителей электроэнергии, принимая во внимание коэффициент запаса (1,3-2взависимости оттого, какой выпрямитель у ИБП и есть ли THD-фильтры), учитывающий гармонические искажения самого ИБП. Итак, как мы видим, решение проблемы резервного электроснабжения -- достаточно сложная и многогранная задача, требующая серьезной проработки. При этом учитывается множество факторов, касаемых как самой нагрузки, так и оборудования. Мы рекомендуем при решении задач такого рода во избежание совершения ошибок и для экономии вашего времени консультироваться со специалистами.



Рис. 6

Ограниченные САЭ

Для работы САЭ не обязательно наличие всех ее подсистем, при этом работа возможна (с ограничениями):

· при отсутствии стабилизатора -- не обеспечивается форма синусоиды напряжения для потребителей электроэнергии;

· при отсутствии генератора и блока его запуска, при отсутствии блока коммутации -- время работы ограничивается объёмом энергии, накопленной в батареях; работает аналогично ИБП;

· при отсутствии инвертора и блока батарей -- между отключением электричества и запуском генератора проходит значительный промежуток времени (от 10 секунд до нескольких минут); время работы системы ограничивается временем непрерывной работы генератора (обычно от 6 до 12 часов);

· при отсутствии внешней электрической сети-- вся электроэнергия вырабатывается генератором.

Принцип действия САЭ

При работе внешней электрической сети происходит зарядка аккумуляторных батарей системы через инвертор. После отключения внешней электроэнергии инвертор мгновенно (<20 мс) переключается на питание от аккумуляторных батарей. Блок коммутации следит за состоянием батарей и при скором их разряде через систему автоматического запуска генератора включает источник энергии (генератор). После выхода на режим генератора блок коммутации переключает нагрузку на него, а инвертор снова начинает накапливать электроэнергию в аккумуляторные батареи. После зарядки батарей, либо при перегреве генератора, блок коммутации вновь переключает нагрузку на инвертор, генератор выключается. Так происходит до появления напряжения во внешней сети.

Преимуществом данной системы является неограниченного время работы (допустимое время работы генератора обычно 6--12 часов, аккумуляторных батарей-- в зависимости от ёмкости батарей и мощности потребителей). Ограничением является ёмкость бака и моторесурс на отказ источника электроэнергии.

Прогрессивные САЭ

Прогрессивные системы автономного энергоснабжения должны отвечать требованиям надёжности, иметь высокое быстродействие (от 20 мс и вплоть до 5 мс), должны осуществлять непрерывный контроль за различными параметрами системы (например: заряд аккумуляторов, их состояние, количество топлива в генераторе, уровень и давление масла в нем).

По принципу пропорциональности:

· стабилизатор и инвертор должны иметь одинаковую номинальную мощность, но иметь максимальную кратковременную мощность в 2-3 раза выше номинальной. Номинальная мощность стабилизатора и инвертора определяется по максимальной одновременно потребляемой нагрузке;

· номинальная мощность генератора должна быть в 2 раза или более превосходить среднюю потребляемую мощность (которая обычно меньше номинальной), этим обеспечивается гарантированный необходимый запас электрической энергии в батареях.

По принципу совмещения:

· логичным продолжением является объединение стабилизатора и инвертора: при наличии потребителей, чувствительных к форме сигнала, наличие стабилизатора становится обязательным; при этом если инвертор выдает чистый синусоидальный сигнал, пропадает необходимость в наличии стабилизатора;

· встраивание системы автоматического пуска генератора в блок коммутации;

· встраивание системы автоматического пуска, блока коммутации и стабилизатора в инвертор, при этом инвертор выдаёт «чистый» синус;

· совмещение инвертора, блока батарей, генератора и части блока коммутации в единый модуль, который служит для контроля и непосредственной зарядки аккумуляторных батарей от генератора, минуя превращение постоянного тока в переменный и обратно.

В последнее время всё больше получают распространение электрические генераторы, работающие на природном или сжиженном газе. Стоимость киловатт*часа с газового генератора в 2-10 раз ниже чем у бензиновых или дизельных. При этом, если магистральный газ недоступен, либо давление в нем недостаточно, единственным решением является использование сжиженного газа.

Применение газгольдеров позволяет на несколько порядков увеличить время работы систем автономного электроснабжения.

Производители САЭ

На рынке в основном распространены фирмы, создающие лишь компоненты систем автономного электроснабжения. Одни производители предлагают систему из инверторов-зарядных устройств, а другие предлагают генераторы с автозапуском.

Инверторы/зарядные устройства для создания САЭ производятся компаниями:

· МикроАрт (модель МАП SIN Энергия двух модификаций: S, точность до 12% и Pro, точность до 5%; имеет чистый синус)

· Находка (модели Синус и Синусоида имеют чистый синус)

· Штиль (модель УЭП PSS)

· Электромаш (модели серии Исток [например ИДП-1/1-10-220-А] имеют чистый синус)

· CyberPower Systems (модели CPS [например CyberPower CPS1000E, CPS1500PIE] имеют чистый синус)

· Novergy (модель IPC имеет чистый синус)

· OutBack (модель VFX имеет чистый синус; GFX, FX имеют чистый синус и герметичный корпус)

· Simin (модели семейства SIM-****MC [например Simin SIM-1000MC] несинусоидальные; семейства SIM-****PC [например Simin SIM-1000PC] имеют чистый синус)

· Studer Xtender (модели серий XTM, XTH имеют чистый синус)

· Sunny Island

· Tripp Lite (модели APSX****** [например Tripp Lite APSX3024SW] имеют чистый синус)

· Victron Energy (модели EasyPlus, Phoenix Multi и Quattro имеют чистый синус), обычно используются на яхтах

· Xantrex (модели XW, PROwatt SW, имеют чистый синус; модель TR имеет квази-синус)

Инверторы, имеющие в своем составе элементы управления автономных систем:

· Xantrex серия SW (например SW3048E и SW4548E), имеет блок управления генератором или другим источником электропитания

· Xtender серия XTM (например XTM 3500-24), имеет многофункциональные контакты, в том числе для запуска и остановки генератора (зависит от степени подготовки генератора к автоматизации)

Электрогенераторы производятся десятками фирм в Европе, Китае, России (в основном из заграничных комплектующих из Европы или Китая).

Системы автоматического запуска генератора при низком уровне напряжения батарей:

· САП «Энергия»

· XW Automatic Generator Start

Описание основных характеристик и необходимые требования элементов САЭ

Электрогенераторы: бензиновые, дизельные, газовыедля питания САЭ производятся многочисленными компаниями, многие из которых закупают двигатели на стороне и на их основе производят электростанции.

Основные характеристики электрогенераторов:

· Производитель двигателя. Наиболее качественными считаются двигатели Honda, причем двигатели «по технологии Honda», «аналог Honda» таковыми не являются.

· Расположение цилиндров предпочтительно рядное, расположение клапанов -- верхнее (обозначается OHV). Такие двигатели лучше смазываются, ресурс в 1,5--2 раза выше. Потребление масла значительно ниже.

· Мощность электростанции. Наиболее важный параметр, для создания системы автономного электроснабжения рекомендуется брать двухкратную от номинальной потребляемой мощности. Это позволит не изменяя количества потребителей подзаряжать аккумуляторы, создавая резерв времени для охлаждения электродвигателя. Максимальная номинальная мощность двигателя определяется по сумме потребляемой мощности и максимальным током зарядки аккумуляторов. Например, при потребляемой мощности 1200 ВА, при максимальном токе зарядки 50 А и напряжении зарядки 14 В, необходимо вырабатывать 1900 ВА. Помните: электрогенератору гораздо проще работать на низкой нагрузке. Слабые двигатели, постоянно выдающие 100% от допустимой энергии, выходят из строя значительно быстрее более мощных, работающих в пол силы.

· Тип топлива. Наиболее долговечными являются дизельные генераторы, после них идут газовые, следом-- бензиновые. Считается что ресурс дизельных двигателей в полтора раза выше чем у бензиновых. Стоимость на 1 кВт*ч ниже всего у газовых электростанций. Причем стоимость 1 кВт*ч у газовых, работающих от природного газа низкого давления примерно в 10 раз ниже чем у поставщиков городской электросети.

· Тип самого генератора. Синхронный генератор позволяет кратковременно вырабатывать мощность в 2-4 раза выше номинальной, подходит для питания электроприборов с высокими стартерными токами. Асинхронный не может выдавать мощность, значительно выше номинальной, но имеет больший ресурс и не чувствительны к короткому замыканию.

· Для бензиновых двигателей важно количество цилиндров, если цилиндр всего один, высока вероятность залива свечи, в результате чего двигатель не заведется.

· Для газовых электрогенераторов инструкция на русском языке обязательна, газогенераторы без инструкции на русском языке к продаже запрещены.

· Электростартер обязателен. Обычно выполняются в виде синхронного генератора, работающего в режиме стартера.

· Стоимость электроэнергии. Определяется отношением количества потребляемого топлива за час на номинальную мощность генератора, затем путем пересчета стоимости 1 литра топлива определяется стоимость, рублей/кВт*ч. Обычно с увеличением номинальной мощности стоимость уменьшается, но следует учитывать и минимальное потребление топлива электрогенератором.

· Ёмкость бака и потребляемое количество топлива. Чем выше количество потребляемого топлива, тем больше должен быть бак. Материал бака лучше пластиковый, с толстыми стенками. Для газовых генераторов возможно применение бытовых газгольдеров (газовых баллонов большого объёма).

· Уровень шума. Чем меньше тем лучше, качественные электрогенераторы снабжаются глушителями с малым уровнем шума. Дополнительно снизить шум помогают звукопоглощающие кожухи.

· Вес генератора, наличие колес для удобной транспортировки.

· Счетчик моточасов, необходим для своевременного техобслуживания.

· Наличие встроенного автомата запуска (САП).

· Подключение генераторов должно осуществляться по заранее разработанным схемам подключения, исключающим ошибочную подачу напряжения от источника питания во внешние сети электроснабжения.

· При приемке в эксплуатацию автономной электростанции режим работы нейтрали электростанции и защитные меры электробезопасности должны соответствовать режиму работы нейтрали и защитным мерам, принятым в сети энергоснабжающей организации. Нейтраль, как правило, должна быть изолирована.

· Подключение аварийной или резервной автономной электростанции к сетям (электроприемникам) потребителя вручную разрешается только при наличии блокировок между коммутационными аппаратами, исключающих возможность одновременной подачи напряжения в сеть потребителя и в сеть энергоснабжающей организации.

· Автоматическое включение аварийной или резервной автономной электростанции в случае исчезновения напряжения со стороны энергосистемы должно осуществляться с помощью устройств автоматики, обеспечивающих предварительное отключение коммутационных аппаратов электроустановок потребителя от сети энергоснабжающей организации и последующую подачу напряжения электроприемникам от электростанции.

· Для обеспечения автоматического отключения питания применяются устройства защиты и контроля. Их вид и номенклатура определяется при согласовании подключения с сетевой компанией.

Рис. 7

· Эксплуатация автономных источников электропитания, включая переносные и передвижные электростанции, должна проводиться в соответствии с главой 3.5 «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденных приказом Министерства энергетики РФ от 13 января 2003 года № 6, и учитывать дополнительные требования к ним, изложенные в документации завода-изготовителя, государственных стандартах, правилах безопасности.

· Автономные электростанции должны соответствовать требованиям государственных стандартов или технических условий, иметь российские сертификаты соответствия (для оборудования, подлежащего сертификации), инвентарные номера.

· Не используйте генераторы электроэнергии в закрытых помещениях. Нельзя включать дизель-генераторы внутри жилых помещений или не приспособленных для этого транспортных средств, а также в замкнутых пространствах. От стен здания требуется отступить минимум на 1,5 метра. Отработавшие газы содержат крайне токсичное соединение - окись углерода. При высокой концентрации окиси углерода в окружающем воздухе возможен смертельный исход. Следует эксплуатировать дизельные и бензиновые электроустановки только в хорошо проветриваемом месте.

· Прежде чем использовать автономные генераторы, необходимо тщательно изучить руководство и инструкции по безопасности пользователя, чтобы в случае необходимости быстро остановить генераторную установку. Желательно провести несколько тренировочных занятий по изучению назначения всех элементов управления генераторной установки, всех разъемов и соединений.

· Не допускайте к эксплуатации автономной электростанции необученных людей и детей. Не допускайте к работающему генератору животных

Назначение: «AGM» - это генератор электрической энергии постоянного тока напряжением 12В/24В и переменного тока напряжением 220 В с возможностью зарядки от сети 220 вольт, от бортовой сети автомобиля и от солнечных панелей. Для работы «AGM» не требуются двигатели. Он не требует заправки топливом. Имеет встроенное зарядное устройство от сети переменного тока 220В. «AGM» предназначен для обеспечения электричеством осветительных приборов, бытовых электроприборов и техники, электроинструмента, а также для постоянного и аварийного энергообеспечения жилых и офисных помещений, открытых площадок и выездных мероприятий. Является бесшумной и экологичной заменой бензиновых и дизельных электрогенераторов.

Принципы работы и устройства: AGM во включенном состоянии непрерывно формирует выходное напряжение постоянного тока 12В. Для потребителей постоянного тока 12В выходные параметры 12В/20А формируется контроллером. Контроллер не допускает полного разряда аккумуляторной батареи и отключает ее при уменьшении напряжения на клеммах аккумулятора до 11,8В. Переменный ток 220В формируется инвентором переменного тока, закрепленным на боковой панели генератора.( Конкретное значение силы тока и вида синусоиды зависит от применяемой модели инвентора). Для подключения инвертора предусмотрены силовые клеммы 12В/100А. В светлое время суток аккумуляторная батарея заряжается от солнечной батареи через контроллер. Зарядка АКБ начинается при снижении напряжения при клеммах ниже 12,5В. В случае , когда есть возможность подключения к сети 220В, аккумуляторная батарея заряжается через зарядное устройство. Зарядка от бортовой сети автомобиля производится через разъем подсоединения солнечной панели.

Применение:

· Аварийный источник питания для дома и офиса;

· Альтернативный источник питания (с целью экономии затрат на подключение, получение разрешений, оплату электроэнергии);

· Переносной источник питания для полевых работ, выездов;

· Организация освещения выездных работ;

· Электрообеспечение передвижных и полевых лагерей;

· Освещение передвижных вагончиков, палаток, охотничьих заимок, стоянок чабанов, пчеловодов, старателей;

· Электрообеспечение инструмента при проведении ремонтных работ на выезде (замена бензинового генератора).

· Организация электропитания предупреждающих аварийных знаков и светофоров при проведении дорожно-ремонтных работ или ремонта коммунальных сетей;

· Электропитание приборов на полевых выездах;

· Электропитание громкоговорителей и систем оповещения во время проведения массовых мероприятий или ликвидации чрезвычайных ситуаций;

· Прочие нужды.

Возможности: К « AGM» можно подключить любой электроприбор напряжением 12В постоянного и 220В переменного тока. Компактные размеры, небольшой вес солнечного генератора» AGM», а также отсутствие запаха и паров топлива позволяет с легкостью разместить в багажнике автомобиля. «AGM» предназначен для применения в качестве основного и резервного источника электроэнергии жилых домов, коттеджей и дач, небольшого офисов, торговых точек, выездных мероприятий, выставочных площадок, палаточных лагерей, туристических походов и т.д. В качестве резервного и аварийного источника питания солнечный генератор может снабжать электроэнергией холодильник, телевизор, компьютер, оргтехнику, зарядные устройства, систему освещения, дренажные и циркулирующие насосы, отопительные котлы и прочие электроприборы в течении 10-24 часов.

Автономное электроснабжение -- актуальная тема для России. В большинстве некрупных населенных пунктов имеющиеся сети достигли высокой степени изношенности и не могут обеспечить электроэнергией всех потребителей. Есть и более неутешительные данные -- 60 % территории страны не могут быть подключены к сети в принципе. Самыми первыми нехватку энергии ощущают владельцы частных домов и дач. Но они не единственные, кто в ней нуждается. С этой проблемой сталкиваются метеостанции, фермерские хозяйства, базовые станции сотовой связи, научные станции и т. п.

Раньше автономное электроснабжение дома обеспечивалось бензиновыми генераторами. Но такое решение не является оптимальным, поскольку генераторы требуют постоянной дозаправки топливом, им необходимо проводить регулярное ТО, и ресурс их не такой длительный, как хотелось бы. Еще один ощутимый минус -- плохое качество тока на выходе.

Принцип работы инверторных систем как автономного источника питания

Значительно повысить работоспособность системы способно подключение к генератору силовых инверторов с зарядными устройствами и емких аккумуляторных батарей, которые работают как источник автономного электроснабжения частного дома на высоком уровне.

В таком случае генератор функционирует не весь день, а только то время, которое необходимо для пополнения заряда батарей. Остальные часы все системы загородного дома работают от энергии аккумуляторов, которая преобразуется инвертором в переменный ток с чистым синусом.

Как только аккумуляторы разряжаются, инвертор вновь подключает к работе генератор, обеспечивая переменным током нагрузку и одновременно пополняя заряд батареи. Автономное электропитание, организованное по такому принципу, обеспечивает надежную работу техники, так как переключение между питанием нагрузки от аккумуляторов и генератора происходит автоматически.

Регулирует работу всех устройств инвертор, управление которым возможно при наличии специальных фирменных системных контроллеров. Можно запрограммировать систему, прописав несколько вариантов развития сценария:

· генератор включается при падении уровня напряжения или степени заряда аккумуляторов;

· подключение генератора также может быть связано с увеличением нагрузки;

· автономное энергоснабжение от генератора можно запрограммировать на определенные часы (например, разрешить его работу в дневное время и запретить в ночное).

Использование инверторов и аккумуляторов позволяет продлить срок службы генератора и уменьшить цену содержания объекта, существенно уменьшив расходы на покупку топлива и техническое обслуживание. При этом обслуживание компонентов инверторной системы не требуется.

Работа инверторов с альтернативными источниками резервного питания

Современные силовые инверторы вместе с аккумуляторами позволяют обеспечить автономную работу всех домашних бытовых приборов за счет использования альтернативных источников электроснабжения. В этом случае в гибридную систему включаются, помимо генератора, солнечные панели и ветрогенератор. Также система резервного электроснабжения может функционировать только с возобновляемыми источниками энергии.

Рис. 8

Энергию солнца или ветра аккумуляторные батареи могут накапливать при помощи специальных контроллеров заряда в те моменты, когда она доступна. При достаточном уровне заряда АКБ инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторов в переменный с чистой синусоидой, который используется для поддержания работоспособности бытовых приборов и техники.

Еще один вариант применения инверторов -- построение систем бесперебойного питания в ситуациях, когда подключение к сети есть, но не отличается стабильностью. Автономный источник питания на базе инверторов с аккумуляторными батареями и солнечными панелями в этой ситуации используется не только при исчезновении напряжения в стационарной сети, но и для приоритетного использования энергии солнца в целях экономии сетевой электроэнергии.

Для работы с альтернативными источниками энергии: солнечными панелями и ветрогенераторами хорошо подходятинверторы Victron серии Phoenix Inverter мощностью от 1,2 кВА до 5 кВА.

Инвертор Victron серии Phoenix представляет собой профессиональное техническое устройство для преобразования постоянного тока в переменный. Разработанный с применением гибридной технологии ВЧ, он рассчитан на соответствие самым высоким требованиям. Его функция заключается в обеспечении питанием любой автономной системы электроснабжения с необходимостью получения высокого качества тока на выходе со стабильным напряжением в виде чистой синусоиды. В быту напряжение с чистым синусом требуют такие приборы, как газовый котел, холодильник, микроволновка, телевизор, стиральная машина и прочее.

Полностью автономное электроснабжение частного дома с различными бытовыми электроприборами требует как высокого качества напряжения, так и возможности инвертора справляться с пусковыми токами трудных нагрузок (компрессор холодильника, электродвигатель насоса и т.п.). Удовлетворить эту потребность может функция SinusMax инвертора Phoenix. Она обеспечивает двукратную кратковременную перегрузочную способность системы. Более простым и ранним технологиям преобразования напряжения это не под силу.

Энергопотребление инвертора:

· на холостом ходу: от 8 до 25 Вт в зависимости от модели;

· в режиме поиска нагрузки: от 2 до 6 Вт, этот режим сопровождается регулярным включением системы каждые две секунды в течение короткого периода времени.

· при постоянной работе в энергосберегающем режиме (AES): от 5 до 20 Вт.

Автономные системы электроснабжения позволяют осуществлять собственное управление и мониторинг через подключение инвертора к компьютеру. Для своих инверторов компания Victron Energy разработало программное обеспечение VEConfigure. Подключение осуществляется через интерфейс MK2-USB.

Инверторы Phoenix Inverter и Phoenix Inverter Compact могут работать как в параллельных конфигурациях (до 6 инверторов на фазе), так и в 3-х фазных. Оптимальные в соотношении «цена/качество» они подходят не только для дома, но и для автономного электроснабжения транспорта, мобильных комплексов.

Схема автономного электроснабжения дома

Схема автономного электроснабжения дома может включать в себя не только инвертор и альтернативные источники энергии, но и генератор. Инверторная система включит генератор в случае необходимости подзарядки аккумуляторов. Для запуска генератора можно использовать или встроенное реле инвертора или реле аккумуляторного монитора BMV-700. По достижении необходимого уровня заряда, генератор отключается. Далее питание нагрузок опять начинают обеспечивать аккумуляторы. Такая схема позволит полноценно обеспечивать электричеством удаленный дом даже при временном отсутствии солнца или ветра.

Аккумуляторы для автономного энергоснабжения

Компания «Вега» предлагает свинцово-кислотные аккумуляторы для автономного энергоснабжения хорошо себя зарекомендовавших брендов:

· Sonnenschein

· Challenger

· Delta

Эти аккумуляторы выполнены по технологии GEL, устойчивы к глубоким разрядам, не требуют технического обслуживания и долива воды, имеют большее количество циклов, чем AGM-аккумуляторы.

Ни для кого не секрет, что подтвержденных запасов ископаемого топлива - нефти, при современном уровне отечественной добычи, осталось на 40 - 50 лет. Похожа ситуация с нефтяными запасами и в других странах. Цены на топливо неуклонно растут. В России с ее холодными зимами и длительными отопительными периодами, две трети энергии, потребляемой на душу населения, расходуется на теплоснабжение (больше чем в любой другой стране). Соответственно именно российское население в большей степени пострадает от повышения цен на энергоносители в связи с предстоящим вступлением страны в ВТО.

Рис. 9. 1 - солнечные коллекторы; 2-тепловой насос; 3 - аккумулятор тепла; 4 -теплоизоляция; 5 - АСУ + инвертор; 6 - стойка аккумуляторов; 7-бак горячей воды; 8 - утилизатор тепла стоков; 9-"теплые полы"

В складывающейся ситуации только использование возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, тепла земли и т. п.) позволит решить надвигающуюся проблему энергоснабжения жилища. Известно очень много систем, использующих альтернативную энергию для теплоснабжения зданий, но, как правило, это отдельные установки, являющиеся дополнением к традиционным системам энергоснабжения или очень сложные в реализации и просто нереальные с экономической точки зрения системы, о чем и свидетельствует отсутствие таковых. Одним из основных достоинств данной разработки является её доступность для широкого потребителя.

На рисунке представлена уникальная полностью автономная система энергоснабжения дома, которая позволяет вести строительство практически в любом месте, не заботясь о дальнейшей подводке электросети и доставке топлива. Система разрабатывалась с учетом многолетних данных Гидрометцентра северо-западного региона и гарантирует круглогодично комфортную температуру в помещении, а также бесперебойное электроснабжение бытовых приборов, включая электроплиту.

Основным источником электроэнергии является ветрогенератор (на рисунке не показан), а источником тепла тепловой насос и солнечные коллекторы. Управление системой осуществляется высокоинтеллектуальной АСУ и является важнейшим элементом системы.

Экономические расчеты системы энергоснабжения коттеджа показывают что затраты на установку системы окупятся в среднем за два-три года и, в дальнейшем владелец недвижимости навсегда забудет о том, что за тепло и электроэнергию нужно платить.

Помимо экономической независимости человек обретает географическую свободу выбора места проживания, руководствуясь при этом красотой окружающего будущее жилье ландшафта, а не близостью энергетической "трубы".

Описание энергосистемы

Система автономного энергоснабжения от возобновляемых источников энергии разработана группой разработчиков проекта "Автономный Дом". Данная разработка представляет собой полностью автономную систему энергоснабжения, которая позволяет вести строительство жилых и производственных помещений практически в любом месте, независимо от наличия линий электропередач и топлива.

Основные технические характеристики

Количество производимой электроэнергии - 7500 кВт/час в месяц при скорости ветра 4 м/сек (Излишки электроэнергии посредством теплового насоса переводятся в тепловую энергию. Для производства такого количества электроэнергии дизельным электрогенератором потребуется сжечь 32 тыс. литров топлива.)

Максимальная электрическая мощность - до 60 кВт

Средняя тепловая мощность - 30 кВт

Эффективность энергоснабжения за счет возобновляемых источников энергии наиболее целесообразно сравнивать именно с энергоснабжением дизельными электрогенераторами и котлами, так как только эти традиционные источники энергии не привязаны к энергосетям и магистралям, а иначе пришлось бы учитывать стоимость их прокладки. Общее количество энергии, вырабатываемое системой автономного энергоснабжения за год в условиях Северо-Западного региона России эквивалентно энергии получаемой при сжигании как минимум 35,5 т солярки. Одна установка «Автономный Дом» в состоянии обеспечить теплом и электричеством 1000м²современного жилья, что соответствует, например, кондоминиуму на пять семей.

Область применения

Жилищное строительство (коттеджи, усадьбы и т.д.);

Сельское хозяйство (фермерские и небольшие коллективные хозяйства и т.д.);

Небольшие предприятия и сборочные производства;

Освоение новых территорий (удалённые районы, острова и т.д.);

Заповедники, научные станции, дальние армейские гарнизоны, погранзаставы и т.д.

Аналоги

На сегодняшний день известно множество систем, использующих альтернативные источники энергии, но, как правило, это отдельные установки, которые являются дополнением к традиционным системам энергоснабжения, или очень сложные в реализации, либо крайне неэффективны.

В США из потенциальных конкурентов, следует отметить лишь компанию Northern Power Inc., штат Вермонт (www.northernpower.com). Эта компания динамично развивается, однако все разработки Northern Power Inc. основаны на гибридных схемах ветрогенераторов и солнечных батарей, которые экономят потребление топлива дизельным генератором, являющимся базовым элементом всех схемных решений. Система "Автономный Дом" принципиально отличается от других разработок тем, что не использует традиционные источники энергии.

...