Нерегулярні та непередбачувані відключення електроенергії, спричинені російськими атаками на українську енергетичну інфраструктуру, спричиняють чимало проблем для українців та українок. І якщо для деяких споживачів вони виливаються у дискомфорт через кілька годин без світла, то в домівках, де опалення, приготування їжі і навіть водопостачання працюють від електрики, це може стати справжнім викликом. Тож вже наявні та потенції перебої в електропостачанні змушують замислитися над власною енергонезалежністю та встановленням альтернативних джерел – малих сонячних електростанцій.
Однак у цій темі більше питань, ніж відповідей: як обрати панелі, скільки їх потрібно і як сильно їх встановлення вдарить по гаманцю? Спробуємо розібратися у матеріалі.
Скільки електроенергії потрібно вашому дому?
Найпростіший спосіб зрозуміти, скільки електрики ви споживаєте – подивитися на лічильник чи у платіжку. Однак якщо ви не плануєте повністю переходити на енергію сонця, а хочете забезпечити нею лише необхідні прилади на випадок відключення, базові потреби можна підрахувати приблизно.
Кожен електроприлад – від лампочки до бойлера – має свою потужність, яка вимірюється у ватах (Вт). Споживання ж електроенергії приладом залежить від часу, протягом якого він працює, і обичслюється у ват-годинах (Вт*год) простим множенням потужності на час роботи. Наприклад, якщо потужність зарядки вашого телефона 10 Вт і він повністю заряджається за 4 години, то споживає такий прилад 40 Вт*год за один цикл заряду.
Так само розраховується і споживання інших приладів, хоча ця цифра лише приблизна і залежить від режиму роботи вашого приладу. До прикладу, чим більше в холодильнику продуктів, тим більше електроенергії потрібно для їх охолодження. У таблиці наведені середні показники споживання електроенергії деякими найпоширенішими приладами, однак зважайте, що для кожного дому ці цифри будуть відрізнятися залежно від моделі ваших приладів та ваших побутових звичок.
Скільки панелей знадобиться?
Отже, ви розрахували свої базові потреби і готові встановлювати панелі. Але тут так само не обійтися без підрахунків. Адже потужність будь-якої панелі, вказана в її документах, є піковою. Тобто стільки енергії вона виробляє лише за сприятливих умов. Однак кількість сонячних годин в році, як і кількість сонячної енергії, що потрапляє на панель, різниться залежно від сезону. Зокрема, узимку панелі можуть генерувати усього 5-10% від свого можливого потенціалу. На продуктивність – тобто кількість виробленої енергії – впливає також кут, під яким падають сонячні промені, географічна широта, на якій знаходиться цей об’єкт, тощо.
Тож аби зрозуміти, скільки панелей вам знадобиться, щоб точно мати достатньо енергії на свої базові потреби, слід поглянути на те, скільки вона здатна виробити у найменш сонячні місяці. До прикладу, сучасна найбільш поширена панель потужністю 400 Вт на широті Києва за грудень виробляє трохи більше 10 кВт*год. З розрахунку на один день це усього 0,33 кВт*год або ж 330 Вт*год (1 кВт = 1000 Вт).
Повернімося до ваших потреб. Якщо, до прикладу, ви працюєте дистанційно і вам необхідно постійно мати заряджений ноутбук, смартфон, домашній інтернет та базове освітлення вдома, то скільки енергії вам знадобиться?
Вище ми підрахували, що повний заряд телефона – 40 Вт*год. Ще 10 Вт – середня потужність роботи роутера, тож за добу він споживає 240 Вт*год. Акумулятори ноутбуків дуже різняться залежно від моделі, але до прикладу, той, з допомогою якого був написаний цей матеріал, має ємність 67 Вт*год. Тобто за 8-годинний робочий день він споживає 536 Вт*год електрики. А 15-ватна лампочка на 8 темних вечірніх годин потребуватиме ще 120 Вт*год. Загалом маємо потребу у майже цілій кВт*год електрики, аби підтримувати нормальну дистанційну роботу. У літні місяці її спокійно може покрити одна 400-ватна панель, яку ми наводили у прикладі вище. Однак у менш сонячні сезони, аби точно забезпечити всі ці пристрої електрикою, їх знадобиться аж три.
Що потрібно мати окрім панелі?
Сонце доступне не постійно, та й наші потреби в електроенергії теж відрізняються залежно від часу доби і наших звичок. Тож аби мати електроенергію не тоді, коли вона є, а тоді, коли вона потрібна, до пари сонячним панелям знадобляться акумулятори. Вони накопичуватимуть вироблену енергію в сонячні періоди та віддаватимуть її, коли вона вам потрібна.
Для стабільної роботи деяких електроприладів (наприклад, комп’ютерних мереж чи насосів систем опалення) також рекомендують купувати джерела безперебійного живлення (ДБЖ) – пристрої, оснащені акумуляторною батареєю та перетворювачем напруги. За нормальних умов вони живляться від мережі і заряджають акумулятори, а при відключеннях продовжують забезпечувати ваші пристрої електрикою від цих акумуляторів.
Вибір ДБЖ та акумулятора також залежить від ваших потреб та споживання. До прикладу, ДБЖ на 300 Вт вистачить для роботи кількох ламп, роутера, телефона та циркуляційного насоса системи опалення. Аби підключити ще й холодильник та телевізор, знадобиться щонайменше 1 кВт. З 3 кВт можна увімкнути один потужний прилад – пральну машинку чи посудомийку. А для роботи кількох із них, знадобиться аж 5 кВт.
Що ж до того, у скільки це обійдеться – приблизно оцінити можна так. Панель на 400 Вт коштує в середньому $170 плюс від $25 доведеться доплатити за кріплення. ДБЖ на 300 Вт коштує від $180, а на 5 кВт – від $750. Вартість акумуляторів залежить від їх типу і може коливатися від кількасот до кількох тисяч доларів.
Однак у будь-якому випадку, вибір потужності й типу пристроїв, а також їх встановлення та підключення дуже залежить від особливостей вашої домівки і ваших потреб. Тому підібрати найефективніші рішення, як і оцінити їх точну вартість, можуть лише професіонали. Тож аби у вашому домі було світло й тепло незалежно від зовнішніх обставин і спроб росії похитнути ваш спокій, звертайтеся до спеціалізованих компаній, що можуть проконсультувати вас більш детально.
Ми незалежно перевіряємо товари та технології, які рекомендуємо.
Як відбувається генерація енергії у сонячних панелях та які фактори впливають на ефективність?
Сонячна панель є набором фотоелектричних комірок кожна з яких виготовляється з двох шарів напівпровідника — P-тип і N-тип. Найбільш популярним матеріалом є кремній, але для підвищення ефективності виробітку енергії також підмішують фосфор. Якщо говорити зрозумілою мовою, то при попаданні сонячного світла на поверхню відбувається вивільнення електронів та їх упорядкований рух, що, по суті, є визначенням електричного струму.
Схематично процес можна представити так:
Один модуль може складатися з різної кількості фотоелектричних комірок. Способів обробки кремнію також декілька. Від цих характеристик залежить максимальна ефективність (ККД) сонячної панелі, на основі якої відбувається розрахунок потужності під конкретні проєкти. Але кількість одержуваної енергії залежить і від другорядних умов, які пов'язані з розташуванням та обслуговуванням.
Вибір сонячної панелі буде зробити набагато простіше, якщо визначити всі фактори, що впливають на ефективність вироблення електроенергії:
- Спосіб виготовлення та кількість фотоелектричних комірок;
- Матеріали виготовлення;
- Добова сонячна активність;
- Наявність хмар;
- Напрямок та кут нахилу панелей;
- Рівень забруднення зовнішньої поверхні.
Важливо розуміти, що сонячні батареї є лише ланкою повноцінної системи, а для реалізації проєкту знадобиться додаткове обладнання:
- Контролер;
- Інвертор;
- Акумулятори;
- Компоненти для монтажу (стійки, кабелі, конектори).
Оскільки основний об'єм річної генерації відбувається з квітня до жовтня (70%), розглядати застосування сонячної енергії для електричного опалення в зимовий період немає сенсу. Але при розгортанні масштабної «ферми» для заробітку такий варіант теж можливий. У більшості випадків домашні сонячні електростанції покривають щоденні побутові потреби з можливістю акумулювання надлишків у батареях для резервного живлення у похмурі дні.
Переваги стаціонарних та портативних моделей залежно від умов місцевості та призначення
При виборі сонячних панелей важливо визначитися із призначенням. Виробники пропонують портативне та стаціонарне обладнання, яке підходить для певних умов.
Портативні сонячні панелі
Призначені для забезпечення мінімальних потреб та нерегулярного застосування. Це мобільний варіант для дачі, пікніків, автомобіля, туристів та екстремалів. Конструкція найчастіше складана і вміщується в багажник, похідний рюкзак.
Для розгортання такої системи достатньо кількох хвилин, не потрібні інструменти та досвід. Найчастіше панелі оснащені контролерами та всіма необхідними роз'ємами для живлення ноутбуків, мобільних гаджетів, USB-світильників тощо.
Переваги портативних сонячних панелей:
- Невеликі розміри та вага;
- Простота встановлення та експлуатації;
- Не потребує додаткових витрат;
- Наявність роз'ємів USB/DC.
Недоліком портативних сонячних панелей можна вважати обмежену вихідну потужність, яка рідко перевищує 300 Вт. Цього недостатньо, щоб покрити потреби побутової техніки, електроінструменту та систем опалення. Найкращий сценарій використання – створення резервного світлодіодного освітлення, підзарядка смартфонів, повербанків, ліхтариків, живлення комп'ютерної техніки, мережевого обладнання, портативних колонок.
Стаціонарні панелі
Призначені для реалізації складних проєктів, націлених на створення автономного енергопостачання приватного будинку чи квартири, заробітку на «зеленому тарифі». Монтаж здійснюється на землі або на даху за допомогою спеціальних конструкцій, які можуть мати різну функціональність. Одні є нерухомими, інші дають змогу змінювати кут нахилу вручну в залежності від сезону. Найбільш прогресивними вважаються сонячні трекери, які автоматично повертають панелі за рухом сонця.
Стаціонарні сонячні модулі збираються в єдину систему та здатні генерувати достатню кількість енергії для живлення побутової техніки та навіть опалювального обладнання. Вихідна потужність залежатиме від кількості панелей і відповідно від розмірів. Подібні системи можуть займати десятки квадратних метрів для побутового використання та гектари у разі бізнес-проєктів.
Переваги стаціонарних сонячних панелей:
- Забезпечують повне автономне електропостачання;
- ДАють можливість заробляти на надлишку потужності, що генерується.
Важливо розуміти, що встановлення сонячних батарей коштує недешево, а окупність становить близько 10 років. Це довгостроковий проєкт на багато років уперед. Неякісні панелі зношуються швидше та втрачають ефективність, генерують менше електрики. Давайте визначимося, на які характеристики потрібно звернути увагу, щоб зробити правильний вибір.
Який тип кристалічного покриття обрати для отримання максимального ККД?
Сонячні панелі можуть мати різну структуру кристалів кремнію. Технологія виробництва визначає тип панелі, її максимальний ККД та інші властивості.
На ринку присутні 3 основні види сонячних панелей:
- Монокристалічні (Mono-Si) ;
- Полікристалічні (Poly-Si) ;
- Тонкоплівкові (TFSC).
Для зручності порівняння характеристик кожного типу пропонуємо ознайомитись з таблицею:
| Показник | Монокристалічна (Mono-Si) |
Полікристалічна (Poly-Si) |
Тонкоплівкова (TFSC) |
|---|---|---|---|
| Ефективність / ККД | Висока (До 22%) |
Середня (До 18%) |
Низька (близько 10%) |
| Довговічність | Висока (близько 30 років) |
Висока (близько 25 років) |
Низька (близько 10 років) |
| Температурний коефіцієнт | Низький | Високий | Середній |
| Ціна | Висока | Середня | Низька |
Очевидно, що монокристалічні модулі найпрогресивніші, що позначається на вартості. Вони виготовляються із цільного шматка кремнію з різними добавками для підвищення ККД та довговічності.
Панелі Mono-Si повністю розкривають свій потенціал при прямому контакті із сонячними променями та оптимально підходять для південних регіонів. Низький температурний коефіцієнт мінімізує втрати при нагріванні поверхні. Хоча і за розсіяного світла ККД буде досить великим, що робить їх найбільш популярними. Панелі дають змогу отримати максимум енергії (близько 1 кВт із кожних 6-8 м²), тому добре вписуються в обмежену площу приватного домоволодіння. Візуально їх можна визначити за насиченим чорним кольором поверхні.
Полікристалічні модулі складаються з великої кількості кристалів кремнію, що робить їх ефективними при обробці розсіяного світла або під сильним кутом (захід і схід сонця). Poly-Si оптимально підходить для регіонів, де активність сонця протягом року невелика, і небо часто затягнуте хмарами. Варто зазначити, що різниця в ефективності монокристалів та полікристалів невелика, але для генерації електрики останні потребують більшої площі поверхні (близько 1 кВт з кожних 8-10 м²). Таким чином, поліпанелі добре підходять для глобальних проєктів, де немає обмежень за розмірами. Модулі характеризуються гарним балансом ціна/ефективність, тому окупність відбувається швидше. Але треба враховувати високий температурний коефіцієнт – при нагріванні від прямих сонячних променів відбувається зниження ККД. Візуально виділяються синім кольором поверхні.
Тонкоплівкові панелі відрізняються підвищеною гнучкістю та мінімальною вагою. Їх легко наклеїти на дах будинку, машини, закріпити на опорах та каркасах, згинати під різними кутами та брати із собою в дорогу. Тонкі пластини кремнію не дають багато енергії, але вироблення більш стабільне, незалежно від нахилу сонячних променів та нагріву. Каменем спотикання є низька довговічність та швидка втрата ефективності генерації з кожним роком експлуатації. Особливості гнучкої конструкції також перешкоджають створенню надійного захисту від механічних пошкоджень, який притаманний моно і полі панелям.
Як розрахувати потужність для реалізації різних проєктів?
Насамперед необхідно визначити реальне споживання електроенергії з урахуванням пікових навантажень. Для цього необхідно провести розрахунки на базі параметрів всіх домашніх приладів. Розглянемо на прикладі невеликого приватного будинку площею близько 100 м² у літній період.
Основними споживачами є:
- Холодильник – 150 Вт;
- Комп'ютер/ноутбук – 200 Вт;
- Телевізор – 100 Вт;
- Посудомийна машина – 1500 Вт;
- Пральна машина – 1500 Вт;
- Праска – 1500 Вт;
- Мікрохвильова піч – 600 Вт;
- Духова шафа – 600 Вт;
- Кондиціонер – 2000 Вт;
- Освітлення внутрішнє та зовнішнє – 300 Вт;
- Зарядний пристрій для гаджетів – 15 Вт.
Сумарна цифра буде дуже великою, але одночасне використання всіх пристроїв навіть уявити неможливо. Головним споживачем у цьому разі є кондиціонер. З огляду на площу це може бути один потужний прилад з центральним повітроводом або 3 звичайні спліт-системи, встановлені в різних частинах будинку (кухня, коридор, спальні кімнати).
Тому необхідно визначити максимум, який може споживати сім'я протягом дня:
| Обладнання | Потужність споживання, Вт/год | Сумарна потужність, Вт/год |
|---|---|---|
| Холодильник | 150 | 4700 |
| ПК | 200 | |
| Телевізор | 100 | |
| Кондиціонер | 2000 | |
| Посудомийна, пральна машина або праска | 1500 | |
| Мікрохвильова піч або духова шафа | 600 | |
| Внутрішнє або зовнішнє освітлення | 150 |
Таким чином, забезпечивши сумарну потужність панелей 4700 Вт/год, приватний будинок та всі його користувачі зможуть повноцінно функціонувати без особливих обмежень.
Тепер давайте порахуємо, скільки панелей знадобиться для досягнення бажаного показника, і яку площу займатиме домашня сонячна електростанція. Візьмемо за основу стандартну стаціонарну монокристалічну батарею із заявленим показником 400 Вт та розмірами 1700 х 1000 мм (1.7 м²). Варто врахувати, що цифри є актуальними за ідеальних умов, у яких тестуються товари на етапі виробництва (STC). Реальні показники генерації (NOCT) зазвичай є меншими і залежать від багатьох факторів, які ми визначили на самому початку статті. Уважно вивчіть паспорт продукту. Перевірені бренди завжди вказують стандартні та номінальні параметри.
Орієнтовно розрахункова потужність панелі становитиме 320 Вт. У результаті нам знадобиться 15 таких модулів (15х320=4800 Вт/год), а площа займатиме мінімум 25.5 м². Але і це ще не все, тому що об'єм електрики, що генерується, знижується вранці і ввечері через великий кут нахилу сонячних променів, а також при хмарній погоді. Більше того, частина енергії йтиме на зарядку акумуляторів (ще близько 20%). Тому далі у користувача є 2 варіанти:
- Залишити розрахункову вихідну потужність без змін. У сонячну погоду вироблення буде максимальним і достатнім. В інших умовах доведеться використовувати резервні акумулятори, центральне електропостачання або скоротити споживання (наприклад, одночасно вмикати 1 кондиціонер або на мінімальну потужність).
- Компенсувати можливі втрати (близько 40%), встановивши додаткові панелі (близько 6 шт.), що також збільшує площу, що займається, майже до 36 м².
Таким чином, розмістити подібну СЕС (сонячну електростанцію) на даху чи у дворі цілком реально. Надлишок можна віддавати державі, отримуючи прибуток, витрачати на обслуговування ділянки (освітлення, полив) чи розваги (басейн, електрогриль, атракціони).
Як вибрати інвертор для сонячних панелей
Ми незалежно перевіряємо товари та технології, які рекомендуємо.
1. Типи інверторів
Інвертори для систем сонячної генерації діляться на три великі табори, від чого напряму залежать задачі, що покладаються на них.
Мережеві (on-grid)
Моделі типу on-grid працюють синхронно із централізованою мережею електропостачання. Говорячи простими словами, вони перетворять сонячну енергію на змінний струм з параметрами загальної мережі. Вироблену електрику можна використовувати всередині будинку для живлення побутових приладів, а її надлишки допускається передавати в централізовану мережу за «зеленим тарифом» (це має підтримуватись самим інвертором, до того ж знадобиться придбати двонаправлений електролічильник). Якщо вироблення електрики від сонячних батарей не покриває потреби домогосподарства, частина енергії береться із загальної мережі.
Мережеві інвертори також називають безакумуляторними — справа в тому, що системи сонячної генерації на їх основі не мають батарейного буфера. Тобто. вони здатні зберігати надлишки енергії, вироблені у періоди високої продуктивності. Перед моделями мережевого типу on-grid ставиться інша пріоритетна задача – економічна вигода від використання сонячних панелей. За умови регулярного продажу надлишків виробленої електроенергії у загальну мережу сонячна система швидко окупається та дає змогу значно скоротити плату за користування електрикою.
Зворотний бік медалі мережевих інверторів — жорстка прив'язка до загальної електромережі та її параметрів. При відхиленні штатних характеристик від норми, відключеннях світла або перебоях з централізованим енергопостачанням сонячна генерація просто припиняється. Для автономного забезпечення житла електроенергією від сонця моделі типу on-grid не годяться.
Плюси мережевих інверторів:
- Високий ККД (98% – це норма), оскільки мережеві інвертори не витрачають зайву енергію на взаємодію із умовним батарейним буфером.
- Висока «чистота» електрики, що виробляється.
- Ефективне використання енергії від сонячних панелей
- Економічна вигода.
Мінуси мережевих інверторів:
- Жорстка прив'язка до централізованої електромережі.
- Відсутність автономності та можливості резервування.
- Залежність від параметрів спільної мережі (нестабільна напруга чи збої можуть вплинути на роботу інвертора).
Автономні (off-grid)
Автономні інвертори типу off-grid не потрібно підключати до загальної електромережі – вони перетворять сонячну енергію виключно на потреби домогосподарства. Вироблена електрика може споживатися побутовими приладами та паралельно накопичуватися в акумуляторних буферах про запас. Повна незалежність від мережевої електроенергії доречна при частих перебоях зі світлом, віялових відключеннях і блекаутах.
Отже, інвертори off-grid працюють у замкненій внутрішній енергосистемі. При надлишку генерації надлишки накопичуються в акумуляторних батареях, а використовувати їх передбачається у похмуру погоду та темний час доби. Збірки АКБ для накопичення енергії доведеться докуповувати окремо – інвертор підключається до них напряму через відповідні клеми.
Простими словами принцип роботи автономного інвертора можна пояснити так. Припустимо, сонячні панелі генерують 1000 Вт потужності, а для живлення умовного навантаження необхідно 500 Вт потужності – інвертор забезпечить передачу половини вироблення електрики на підключених споживачів, а частину, що залишиться, відправить на зарядку акумуляторних батарей. Якщо знадобиться живити навантаження потужністю 1500 Вт, вся генерація буде передана на навантаження і ще 500 Вт буде взято з акумуляторного буфера. Так само можна «лавірувати» й у періоди зниження активності сонця.
Плюси автономних інверторів:
- Повна незалежність від централізованої електромережі.
- Можливість накопичення енергії.
- Гнучкість розподілу навантаження.
Мінуси автономних інверторів:
- Залежність від погодних умов.
- Обмежена потужність.
- Необхідно окремо купувати акумуляторний буфер.
- Складність встановлення та налаштування.
Гібридні (hybrid)
Найкращу гнучкість роботи забезпечують гібридні інвертори hybrid. Вони є своєрідною комбінацією мережевих та автономних моделей. Тобто. не тільки перетворять постійний струм на змінний, а також можуть накопичувати надлишки електроенергії в батарейному буфері і мають здатність віддавати електроенергію в централізовану мережу за «зеленим тарифом». Головне ж – це найтонше налаштування співвідношення споживання. На цьому моменті важливо зупинитись детальніше.
Гібридні інвертори найкраще придатні для грамотного автоматичного розподілу енергії. Наприклад, при дефіциті вироблення електрики від сонячних панелей такий перетворювач бере недостатню потужність від АКБ або «підмішує» з централізованої мережі — все це гнучко конфігурується в налаштуваннях (за підтримки відповідних функцій). Стадію постачання від АКБ можна взагалі пропустити, зберігаючи таким чином накопичені резерви. Надлишки вироблення інвертор відправляє на зарядку батарейного буфера або передає у загальну мережу – за обраними пріоритетами.
Прогресивні моделі «гібридів» часто оснащуються окремим входом для підключення генератора. Інвертор може автоматично вмикати та вимикати генератор при дефіциті вироблення електрики або для підтримки оптимального рівня заряду АКБ, щоб система знаходилася в повній готовності у будь-який час. Знову ж таки, всі ці процедури можна повністю автоматизувати – причому нерідко через мобільні додатки або зручний веб-інтерфейс.
Плюси гібридних інверторів:
- Можливість роботи як з автономними, так і мережевими системами.
- Гнучкість розподілу енергії.
- Ефективне використання надлишкового вироблення сонячної енергії.
- Можливість накопичення енергії.
- Варіативність управління.
Мінуси гібридних інверторів:
- Висока ціна.
- Складність встановлення та налаштування.
2. Робоча напруга, потужність та ККД
Важливим аспектом при виборі інвертора для систем сонячної генерації є «вилка» допустимих напруг PV (масиву панелей). Робочий діапазон перетворювача знаходиться між точками напруги старту та максимальної напруги. Якщо на вхід перетворювача надходить менша напруга — він просто не запуститься, більша — загрожує швидким перегріванням інвертора і виходом з ладу. Максимально допустима напруга в ланцюзі розраховується для граничної температури сонячної батареї -25 °С, адже вольтаж зростає саме при падінні температури панелі і перевищувати його не рекомендується. Мінімальний поріг – рахується для граничної температури панелей +70 °С. Обидва отримані значення визначають структуру підключення сонячних батарей у стрінг, їх допустиму кількість та спосіб з'єднання (послідовний, паралельний, паралельно-послідовний). Щоб не вираховувати параметри за спеціальними формулами, вони нерідко наводяться в характеристиках конкретних інверторів (мін. напруга PV та макс. напруга PV).
існують спеціальні пошукові фільтри.
Вихідна потужність – основна характеристика будь-якого інвертора. Номінальна потужність вказується з розрахунку сумарного енергоспоживання всього передбаченого до підключення навантаження. Приблизно оцінити його можна за паспортами електроприладів або спеціалізованими таблицями потужностей. А щоб інвертор не відчував перевантажень, понад потужність, що вийшла, бажано накинути хоча б 10-20% запасу.
| Електроінструмент | Побутові прилади | ||
|---|---|---|---|
| Споживач | Потужність, Вт | Споживач | Потужність, Вт |
| Електролобзик | 250-700 | Електролампи | 5-50 |
| Електроточило | 300-1100 | Телевізор | 100-400 |
| Дриль | 400-800 | Холодильник | 150-600 |
| Електрорубанок | 400-1000 | Комп'ютер | 400-750 |
| Перфоратор | 600-1400 | Пилосос | 1000-2000 |
| Шліфувальна машина | 650-2200 | Фен для волосся | 450-2000 |
| Дискова пила | 750-1600 | Праска | 1000-2000 |
| Насос високого тиску | 2000-2900 | Тостер | 500-1000 |
| Електроприлади | Кавоварка | 800-1500 | |
| Споживач | Потужність, Вт | Духовка | 2000-3500 |
| Водяний насос | 500-900 | Електрочайник | 2000 |
| Електромотори | 550-3000 | Обігрівач | 1000-2000 |
| Тепловентилятор | 750-1700 | Електроплита | 1100-6000 |
| Компресор | 750-2800 | Бойлер | 1500-2000 |
| Кондиціонер | 1000-3000 | Мікрохвильова піч | 700-1000 |
| Циркулярна пила | 18000-2100 | Пральна машина | 1000-2500 |
Крім того, варто приділити увагу піковій потужності, яка набагато більша за номінальну. Справа в тому, що деякі електроприлади на кшталт холодильників, кондиціонерів або свердловинних насосів у перші кілька секунд при запуску споживають набагато більше ампер, ніж коли працюють у штатному режимі. Інвертор повинен спокійно витримувати такі підвищені струми. Зазвичай номінальна та пікова потужність вказуються в характеристиках перетворювача.
Потужність інвертора за постійним DC-струмом залежить від характеристик масиву сонячних панелей і коливається в межах від 80 до 120% відносно номінальної вихідної потужності. Справа в тому, що зазвичай рекомендується трохи «перевантажувати» інвертор на стороні постійного струму, оскільки потужність сонячних батарей задається для умов STC (стандартних тестових умов, що відображають роботу сонячної панелі в ідеалі), які рідко досягаються на практиці. Переважну більшість часу сонячні панелі працюють на 80-90% від закладеної потужності, а протягом експлуатації їх фотоелементи деградують, що також призводить до просідання потужності. Для умовної моделі на 5 кВт оптимальне значення сумарної потужності сонячних батарей перебуватиме в діапазоні від 4 до 6 кВт (80% від 5 кВт та 120% від тих самих 5 кВт). На підставі отриманого діапазону можна надалі розрахувати за спеціальними формулами кількість панелей у сонячній системі.
Що ж до коефіцієнта корисної дії, бажано віддавати перевагу моделям з ККД близько 90-95% і більше. У результаті перетворення і передачі струму від сонячних панелей частина енергії неминуче втрачається, а ще частинка використовується для потреб інвертора (наприклад, забезпечення роботи його системи охолодження). Втрати понад 10% – недозволена розкіш для систем сонячної генерації, де на рахунку перебуває кожен ват.
Сонячні інвертори видають напругу різної форми: прямокутної, квазісинусоїдальної та чистої синусоїди.
на третьому – чиста синусоїда.
Перший варіант зустрічається вкрай рідко і зовсім не годиться для живлення індуктивних навантажень (холодильника, кондиціонера, електроінструменту тощо). Трохи краще себе проявляють моделі з формою сигналу у вигляді квазі-синусу – це певна проміжна ланка. Для чутливих навантажень підходить з певною натяжкою, однак і обходиться набагато дешевше, ніж у випадку інверторів з чистою синусоїдою. Плавна хвиля на графіці – ознака напруги правильної синусоїдальної форми. Вона сумісна з усіма побутовими електроприладами, характеризується стійкістю до навантажень та підходить для енергопостачання делікатної техніки.
4. Функціональність
Якщо вхідна потужність перевищує можливості приладу або потрібно наростити загальну ефективність системи сонячної генерації, стане в нагоді функція паралельного підключення двох і більше інверторів. Паралельно з'єднані перетворювачі синхронізуються між собою через стандартні протоколи зв'язку (наприклад Modbus або CAN). Інтерфейсами для сполучення служать роз'єми RS232, RS485, LAN (RJ-45). Інвертори у такому разі працюють спільно, генеруючи електроенергію з однаковою частотою і синхронізованістю по фазі.
Паралельне підключення інверторів дає змогу не тільки збільшити загальну потужність вироблення електрики, а й оптимізувати продуктивність роботи сонячних батарей. Подібна схема забезпечує можливість з'єднувати панелі різної орієнтації та кутів без зниження загальної ефективності системи. У випадку з одним інвертором для цих же цілей послужить MPPT-контролер, що оптимізує вироблення електроенергії за будь-яких змін метеоумов. Він визначає найбільш оптимальне співвідношення напруги та струму, що знімаються з сонячних батарей, тим самим забезпечуючи максимальну продуктивність окремих ланцюжків послідовно з'єднаних панелей (стрінгів). У деякі схеми вводяться кілька MPPT-контролерів – їх кожен вихід розрахований на підключення одного стрінга.
Інші інтерфейси на борту інверторів можуть бути представлені класичним USB для конфігурування обладнання з ПК, модулями зв'язку Wi-Fi або Bluetooth. Бездротове підключення послужить для управління роботою пристрою зі сполученого смартфона або планшета. У мобільному додатку або веб-інтерфейсі зазвичай доступні гнучкі налаштування контролю та моніторингу енергоспоживання.
Автономні та гібридні інвертори нерідко мають функцію ДБЖ – при недостатній сонячній генерації або відключенні живлення від централізованої електромережі такі моделі автоматично переходять в режим автономної роботи від акумуляторних батарей. Тим самим забезпечується автоматичне резервування підключеного навантаження.
5. Особливості експлуатації
Важлива увага в інверторах приділяється відведенню тепла від внутрішніх компонентів. Для малопотужних моделей буде достатньо системи пасивного охолодження, а якщо інвертор потужний і часто навантажується на повну котушку – варто придивитися до моделей з кулером.
При вуличному розміщенні або експлуатації в умовах підвищеної вологості варто враховувати захист корпусу інвертора від вологи IP65 і вище. А при встановленні сонячного перетворювача всередині житлових приміщень ще й рівень шуму. Джерелом шумності може бути вищезгаданий вентилятор для обдування внутрішніх компонентів, до того ж дуже гучно працюють дешеві китайські інвертори.
Зрештою, дуже важливо правильно підключити інвертор до побутової мережі і не потрібно перевищувати параметри пікового навантаження. Сучасні моделі хоч і забезпечені захистом від перевантажень, перепадів напруги та замикання, навантажувати їх надміру все ж таки не рекомендується.
6. Висновок
Резюмуючи сказане, для синхронної роботи з централізованою електромережею та продажу надлишків вироблення електрики за «зеленим тарифом» чудово згодяться мережеві інвертори. Робота в замкнутому контурі енергопостачання із накопиченням електрики в батарейних буферах – прерогатива автономних інверторів. А максимум гнучкості дають гібридні інвертори, що функціонують як в автономній, так і в центральній мережі.
Поширені типи акумуляторних батарей
Ми незалежно перевіряємо товари та технології, які рекомендуємо.
На ринку існує велика кількість різновидів акумуляторів. Вони відрізняються один від одного будовою і характером хімічних процесів, що протікають усередині. У світлі перебоїв з енергопостачанням та великого попиту на АКБ для розгортання автономних систем живлення в рамках матеріалу ми розглянемо найпопулярніші типи акумуляторів: автомобільні, для джерел безперебійного живлення та автономних комплексів на базі сонячних панелей або вітрогенераторів. Між собою ці різновиди батарей схожі найбільше.
- Вони відрізняються від спеціалізованих батарей для «безперебійників» тривалістю циклу роботи та рівномірністю виділення електричного струму, що обумовлюється різною товщиною пластин-електродів.
- Автомобільні АКБ мають трохи більшу робочу напругу (14-14.2 В проти 13.5-13.8 В), як наслідок батарея з машини буде постійно недозаряджена.
- У процесі заряджання негерметичні автомобільні акумулятори виділяють пожежонебезпечний водень.
Свинцево-кислотні (SLA)
Свинцево-кислотний тип є старійшиною у розрізі інших поширених різновидів акумуляторів. Технологію винайшов французький фізик Гастон Планте ще 1859 року. Свинцево-кислотні АКБ підкуповують універсальністю застосування та відносно доступною вартістю. Їх використовують у різних видах автотранспортних засобів, системах автономного чи резервного енергопостачання тощо.
Конструктивно цей тип акумуляторів будується в пластиковому корпусі і складається зі свинцевих пластин, занурених в електроліт (водний розчин на основі сірчаної кислоти). Принцип дії АКБ полягає у перетворенні хімічної енергії на електричну при розрядці і навпаки – електричної енергії на хімічну при зарядці. Зазначимо, що під час розрядки на пластинах утворюється наліт із сульфату свинцю. І чим більше батарея розряджена, тим товстішим буде шар відкладень. Як наслідок, напруга акумулятора падає. В ході зарядки АКБ відбувається процес десульфатації, проте на практиці пластини електродів не очищаються повністю і згодом свинцево-кислотні акумулятори втрачають початкову ємність.
1 – пластини з діоксиду свинцю; 2 – свинцеві пластини; 3 – рідкий електроліт; 4 – корпус.
Свинцево-кислотні АКБ мають низький саморозряд, можуть похвалитися відсутністю «ефекту пам'яті» і зберігають працездатність у широкому діапазоні температур. Водночас чим менше заряду в таких акумуляторах, тим менше вони видають струму. Також свинцево-кислотні батареї бояться глибоких розрядів, довго заряджаються, мають великі габарити та вагу. Моделі конструкції, що обслуговується, на додаток виділяють шкідливі пари, що не дає змогу експлуатувати їх в закритих приміщеннях.
Основні плюси:
- Висока надійність
- Низький саморозряд
- Відсутність «ефекту пам'яті»
- Широкий діапазон робочих температур
- Доступна вартість
Основні мінуси:
- 200–500 циклів зарядки/розрядки
- Бояться глибоких розрядів
- Виділення шкідливої пари
- Тривалий час зарядки
- Велика вага
Свинцево-кислотні (EFB)
Багато недоліків оригінальних свинцево-кислотних акумуляторів виправлені в батареях EFB (Enhanced Flooded Battery – покращена батарея з рідким електролітом). У «нутрощах» таких АКБ встановлені товсті свинцеві пластини без будь-яких домішок, причому пластина з позитивним зарядом знаходиться в мікроволоконному конверті з наповненням рідким електролітом. Пакети з мікроволокна запобігають обсипанню активної маси та суттєво уповільнюють процес сульфатації пластин при глибоких розрядах акумулятора. Як наслідок, забезпечується висока продуктивність струмовіддачі та запобігається ризик виникнення коротких замикань.
Через застосування потовщених пластин акумуляторам EFB потрібно більше часу для поповнення енергетичних запасів. Заряджати їх необхідно відповідними пристроями, скрупульозно контролюючи вольтаж, інакше електроліт може скипіти і випаруватися. За всіма іншими пунктами програми удосконалені свинцево-кислотні АКБ мають лише низку переваг: вони стійкі до глибоких розрядів, зберігають високу продуктивність роботи в широкому спектрі температур і демонструють низький рівень саморозряду. Коштують акумулятори EFB дорожче за оригінальних свинцево-кислотні візаві.
Основні плюси:
- Висока надійність
- Стійкість до глибоких розрядів
- Продуктивна робота при високих та низьких температурах
- Низький рівень саморозряду
Основні мінуси:
- 300-700 циклів зарядки/розрядки
- Виділення шкідливої пари
- Тривалий час зарядки
- Велика вага
- Дорожнеча
Гелеві (GEL)
Гелеві АКБ – це ще прогресивніший різновид свинцево-кислотних акумуляторів зі спеціальним загусником у складі, який доводить електроліт до желеподібного стану. Гелевий електроліт забезпечує максимальний контакт з негативними та позитивними пластинами, зберігаючи при цьому однорідну консистенцію по всьому об'єму. Виготовляються гелеві акумулятори в герметичному корпусі, в роботі вони не виділяють жодних шкідливих речовин і не потребують обслуговування.
Гелеві АКБ підкуповують високою надійністю, екологічністю, низьким рівнем саморозряду, тривалим експлуатаційним ресурсом. Водночас вони не найкраще підходять для буферного режиму роботи — довгий час стояти напоготові, щоб короткостроково підтримати енергопостачання в резервному режимі живлення. Придбати такі батареї для ДБЖ має сенс, коли «безперебійнику» доводиться вмикатися практично щодня — наприклад, для нестабільних мереж із постійними та тривалими збоями у подачі енергії.
Основні плюси:
- 500-1000 циклів зарядки/розрядки
- Висока надійність
- Стійкість до глибоких розрядів
- Низький рівень саморозряду
- Відсутність необхідності обслуговування
- Тривалий ресурс експлуатації
Основні мінуси:
- Чутливість до якості заряду
- Чутливість до коротких замикань
- Бояться низьких температур
Абсорбований електроліт (AGM)
Електроліт в акумуляторах типу AGM (Absorbed Glass Mat) абсорбований пористими волокнами для надання йому желеподібної структури. Такі батареї виготовляються в герметичних корпусах і мають зменшений електричний опір, що дає змогу віддавати значні струми в короткі відрізки часу. Акумулятори AGM підходять на роль стартових для запуску силових агрегатів в машинах і часто застосовуються в системах резервування електроживлення.
Конкурентні переваги акумуляторів AGM включають тривалий термін служби, низьку вартість обслуговування та собівартість в цілому, велику енергоємність, стійкість до трясіння та вібрацій. Однак батареї AGM погано переносять перезарядку, мають чутливість до низьких температур і велику вагу.
Основні плюси:
- Можуть віддавати високі струми за короткий час
- Терпимість до глибоких розрядів
- Низький рівень саморозряду
- Швидка зарядка
- Герметичний корпус
- Стійкість до трясіння та вібрацій
Основні мінуси:
- 400-800 циклів зарядки/розрядки
- Погана переносимість перезаряду
- Чутливість до низьких температур
- Велика вага
- Дорожнеча
Літій-іонні (Li-Ion)
Літій-іонні акумулятори Li-Ion застосовуються у сучасних реаліях повсюдно. Вони набули широкого поширення в побутовій техніці та мобільних гаджетах, знайшли себе як джерела живлення в електромобілях та накопичувачах енергії. Складаються такі батареї з позитивного анода на мідній фользі та негативного катода на алюмінієвій фользі. Заряд і розряд в акумуляторах Li-Ion пов'язані з перенесенням іона літію між електродами.
АКБ типу Li-Ion мають найбільше співвідношення ємності відносно розмірів корпусу, завдяки чому реалізована можливість виготовлення потужних акумуляторів з мінімальними габаритами та вагою. Застосовується цей тип батарей у пристроях з великим енергоспоживанням або за необхідності забезпечити максимальну тривалість автономної роботи.
Батареї цього типу мають великий резерв циклів заряду/розряду, підтримують прискорену процедуру зарядки, Характеризуються повною відсутністю «ефекту пам'яті» і низьким саморозрядом. Зворотний бік медалі акумуляторів Li-Ion — висока пожежна небезпека, схильність до деградації з часом і чутливість до низьких температур. Зарядний процес літій-іонних АКБ відстежує спеціальна BMS-плата, яка контролює зарядку та розрядку, аналізує стан компонентів, знімає показники температури, напруги та опору, балансує струми між компонентами батареї.
Основні плюси:
- 500-1500 циклів зарядки/розрядки
- Висока ємність при компактних розмірах
- Великий резерв за циклами заряду/розряду
- Швидка зарядка
- Низький рівень саморозряду
- Повна відсутність ефекту пам'яті
Основні мінуси:
- Пожежонебезпека
- Швидка втрата ємності за низьких температур
- Потрібна електронна схема захисту
- Схильність до «старіння»
Літій-полімерні (Li-Pol)
Головна відмінність акумуляторів Li-Pol від батарей Li-Ion полягає в типі електроліту, що застосовується. У літій-полімерних АКБ його роль виконує спеціальний полімер із струмопровідними добавками. Структура електроліту буває різною: сухою, гомогенною у формі гелю або з дрібнопористою полімерною матрицею. Акумулятори Li-Pol можуть набувати гнучких форм і часто випускаються в м'якій оболонці замість жорсткого корпусу.
Позитивні та негативні якості у літій-полімерних АКБ ідентичні типу Li-Ion. З тією різницею, що таким акумуляторам можна надати абсолютно будь-які форми. Вони відрізняються витонченістю і тонкими формами, проте коштують дорожче за літій-іонні.
Основні плюси:
- 300-1000 циклів зарядки/розрядки
- Висока питома ємність та енергощільність
- Стабільність напруги у процесі розряду
- Швидка зарядка
- Низький рівень саморозряду
- Повна відсутність «ефекту пам'яті»
- Компактні розміри та мала вага
- Варіативність форм
Основні мінуси:
- Пожежонебезпека
- Швидка втрата ємності при низьких температурах
- Потрібна електронна схема захисту
- Деградація при тривалому зберіганні
Літій-залізо-фосфатні (LiFePO4)
Найкращими за сукупністю параметрів для масових споживачів вважаються літій-залізо-фосфатні акумулятори LiFePO4. На голову вище за них стоять хіба що літій-титанатові АКБ, однак і коштують вони на порядок дорожче. У амплуа матеріалу катода LiFePO4 застосовується літій-ферофосфат. Головними перевагами цього типу АКБ є велика кількість робочих циклів заряду/розряду (понад 2000), хімічна та термічна стабільність, здатність без проблем працювати на морозі, менший час заряду (зокрема високими струмами) та підвищена безпека експлуатації.
Контроль та управління цими батареями покладається на BMS-плату, яка гарантує безпечні межі напруги та струму. Акумулятори LiFePO4 мають найменшу ймовірність теплового розгону та займання. Робоча напруга у них знижена. Втім, у цього є й плюси: вона призводить до меншого внутрішнього опору та підвищеної швидкості заряду/розряду. Єдине, чого бояться такі батареї, так це прямої дії вологи – при взаємодії з водою відбувається втрата активного літію та знижується щільність енергії. Також акуми LiFePO4 мають більші розміри в порівнянні з літієвими «однокласниками» (приблизно на 30%), а ще їх не можна заряджати при негативних температурах. Як стартові акумулятори для авто такі батареї використовується рідко, оскільки дуже дорого обходиться BMS-плата управління, заточена під високі стартові струми.
Основні плюси:
- 2000-5000 циклів зарядки/розрядки
- Несприйнятливість до глибоких розрядів
- Стабільність напруги
- Швидка зарядка високими струмами
- Немає вираженого «ефекту пам'яті»
- Широкий діапазон робочих температур
- Довговічність
- Висока безпека
Основні мінуси:
- Низька номінальна напруга
- Чутливість до прямого впливу вологи
- Не можна заряджати при негативних температурах
- Більші розміри порівняно з літієвими акумуляторами
Висновок
Щоб зробити правильний вибір на користь накопичувачів енергії, необхідно правильно розставити пріоритети і врахувати особливості подальшого використання батарей. Вибір акумулятора за типом – задача не така складна, якщо підійти до питання з розумом і зважити всі «за» і «проти» для кожної поширеної технології.