Добрий день, спільнота. Мене звати Сергій Довгий, я з Харкова. З 2008 року я займаюсь комерційним програмуванням. Останні сім років працюю в компанії HOSTiQ на посаді PHP/JS Developer.
У цій статті хочу поділитися досвідом створення бюджетної автономної сонячної станції в приватному будинку. Так, зараз атаки на енергетичну систему України припинились, але війна продовжується, тому краще бути готовими.
Від ідеї до реалізації — аналіз альтернатив
Ідея зібрати станцію виникла давно, але як завжди бракувало часу і фінансів. У моїх «мирних» планах на 2022 рік (до повномасштабного вторгнення) сонячна станція вже була. І коли настала осінь з непередбачуваними блекаутами після обстрілів, потрібно було вирішувати питання з тепловим котлом для обігріва будинку.
Аби забезпечити його безперебійну роботу, а отже — і тепло в приватному будинку — розглядав два варіанти.
Перший варіант — придбати генератор. Один генератор я встиг придбати для ЗСУ ще до осені, за $500. Наступний планував взяти для себе, але ціни стрімко пішли вгору, і це змусило задуматись про сонячну станцію. Окрім високої вартості придбання, генератор для роботи також потребує суттєву кількість палива. Витрата — до 1л бензину за 1 годину роботи. Враховуючи потенційно нестабільну ситуацію з наявністю та вартістю палива, а також шумове забруднення, вирішив відкинути варіант із генератором.
Другий варіант — врешті реалізувати давній план і встановити автономну сонячну станцію. Я дізнавався про такі послуги під ключ у Харкові, але вартість перевищувала мій бюджету. До війни ціна сонячної станції потужністю 1 квт під ключ становила $ 1000, 3 квт — $ 3000, а восени ціни піднялися до $ 4000. Це вартість включно із роботою та обладнанням, але вже тоді був брак устаткування, і потрібно було чекати, коли воно б з’явилося.
Крім того, фактично мені потрібно було три таких станції — для моєї родини, для моїх батьків та для батьків дружини. Враховуючи це, а також завдяки моєму досвіду роботи із системами безпеки, з електромережами, АТС та іншими «дротами» вирішив, що збиратиму сонячну станцію самотужки.
Типи сонячних станцій — як вибрати необхідний?
Залежно від мети використання, можуть бути різні типи сонячних станцій:
- Мережеві сонячні станції, що генерують енергію та віддають її на інвертор, а надлишок генерації віддають в мережу (так званий «зелений тариф»). Такі станції не оснащені акумулятором, і це величезний недолік, бо при відключенні світла така станція не працює.
- Автономні сонячні станції, що надлишок генерації віддають не в мережу, а на акумулятор для подальшого використання. Якщо немає сонця, але є мережа, то ці акумулятори заряджаються від мережі.
Для того, аби підключити сонячну станцію до «зеленого тарифу», потрібні технічні умови, отримання яких — це додаткові кошти. Підключення дозволено лише ліцензованим монтажним організаціям, і вартість їх послуг не завжди демократична. До того ж, видані під час військового стану ТУ доведеться згодом переробляти, що спричинить повторні витрати.
Тому я обрав сонячну станцію суто для власних потреб.
Визначаємо потужність станції, призначення та її складові елементи
Як визначитись з призначенням станції?
Спочатку я спробував визначитись з цілями щоб зрозуміти навіщо мені будувати сонячну станцію. Для цього виділив основні складові енергонезалежності:
- Аварійне живлення — короткотермінова заміна основному живленню (визначитися зі споживачами):
- АКБ + інвертор.
- Резервне живлення (повноцінна заміна основному живленню у випадку його відсутності):
- генератор;
- СЕС;
- СЕС + генератор.
- Основне живлення (використовується в першу чергу. Міська мережа — як резервний варіант):
- економія при сплаті за електроенергію;
- продаж надлишків.
Оскільки я був обмежений суворими термінами (треба встигнути до морозів), було прийнято рішення зібрати два варіанти:
- варіант «для тещі Тетяни» — простий, з мінімально можливим бюджетом. Основна мета — для живлення водяного насосу на твердопаливному котлі. Для таких котлів вимкнення світла може спричинити серйозну небезпеку, та навіть аварію. У жодному разі не можна допускати перегрів працюючого котла. Відповідальним за ручне перемикання на аварійне живлення було призначено оператора перемикання — тестя Євгена. На освітлення будинку та зарядку телефонів також буде достатньо.
- варіант «продвинутий» — резервне живлення власного будинку. Підходить для лінивих, домогосподарок та для мене. Основна ціль — для живлення водяного насосу системи опалення при перебоях з мережею.
Для збору станції для вашого конкретного об’єкту необхідно знати потребу — скільки потужності вам необхідно? Цю статистичну інформацію я брав із системи моніторингу мого дому. Для прикладу ось моє споживання електроенергії за пару днів.
Також ці дані можна розрахувати із показників лічильника електроенергії за місяць або за рік. Вийшло, що для автономного функціонування будинку мені достатньо 3000 Вт — середній показник споживання енергії у моєму випадку. Він складається:
- із загального споживання малопотужних та середньо потужних приладів, що працюють протягом доби (світло, телевізор, ноут, роутер, відеокамери, холодильник, акваріум та інше. Загалом не перевищує 700 Вт);
- споживання потужних приладів — електрочайник, мікрохвильова піч, фен, пральна машина тощо. Це потужні сплески на графіку до 2,5 кВт.
Також потрібно враховувати, що в деякий час потужність буде більше, ніж звичайна. А також треба мати додатковий запас потужності, щоб інвертор не вимикався через перенавантаження.
Знаючи цю потужність (3 кВт) далі можу розрахувати, що саме мені потрібно.
Мінімально для сонячної станції необхідні сонячні панелі, МРРТ-контролер заряду акумулятора, акумулятори, та інвертор. Тобто найпростіша схема, яку можна зібрати в даних умовах: дві сонячні панелі і схема поєднання контролер-інвертор-акумулятор.
Акумулятори для сонячної станції — які обрати?
Акумуляторна батарея у моїй станції складається зі вживаних акумуляторів від електромобіля Nissan Leaf. Я купував окремі комірки в Польщі, бо в Україні вони на той момент закінчилися. З польського сайту olx їх дуже швидко доставили — 3 дні до складу, і 3 дні до мене. Вага однієї комірки до 4 кг, сборка із 7 шт важить близько 30 кг. Акумулятори в дуже гарному стані, не маю жодних нарікань, незважаючи на те, що вони вживані.
Коли я розробляв цю схему, то спочатку планував встановити свинцеві акумулятори, але в процесі довелося відмовитись від них. Чому? Бо свинцеві акумулятори дуже повільно заряджаються. Розряджений акумулятор ємністю на 100 А/год заряджається близько 12–20 годин. У поточних умовах блекаутів це нереально використовувати.
Літієві акумулятори в даному випадку набагато краще — вони мають більшу ємність і швидко заряджаються великими токами.
Є інший тип акумуляторів: літій-залізо-фосфатні (LiFePo4) — це найзручніший вид акумуляторів для сонячних станцій і взагалі для будинку. Але вартість їх дуже висока. Я декілька разів поцікавився на форумах у продавців, що возять такі акумулятори з Китаю. Збірка акумуляторів ємністю до 100 А/год на 24 вольта коштує приблизно $1000. Такі акуми дорогі. Тому «консерви» з Nissan Leaf — наш варіант.
Кожна комірка аккумулятора Nissan Leaf складається з 4 пакетів, які з’єднуються попарно паралельно, а потім послідовно. Для зручності буду далі розглядати два паралельно з’єднаних пакети як один.
У варіанті «для тещі Тетяни» знадобиться схема збірки 3s2p, робоча напруга 10,5–12,3 В, надалі 12 В.
Для моєї збірки на 24 В потрібна схема 7s2p, робоча напруга 24,5–28,7 В, надалі 24 В.
3s2p — означає що є дві паралельні збірки, кожна збірка складається з трьох пакетів, які з’єднуються послідовно.
7s2p — означає що є дві паралельні збірки, кожна збірка складається з семи пакетів, які з’єднуються послідовно.
Для максимально ефективного використання акумуляторних комірок знадобиться перекомутувати одну з них, щоб можна було розділити її навпіл і використати обидві половини.
Так виглядає «консерва» Nissan всередині з перекомутованими пакетами. Штатні виходи залишилися, але тепер вони з’єднані не послідовно, як раніше, і дають змогу під’єднати паралельно дві збірки.
так виглядає збірка 3s2p на 12 В.
А так виглядає моя збірка 7s2p на 24 В.
Особливості користування сонячними панелями
У Харкові я перевірив оголошення з продажу вживаних сонячних панелей, оскільки на цьому можна трішки зекономити. Я придбав панелі потужністю по 250 ватт по 5000 грн за штуку, перевірку працездатності здійснював безпосередньо в гаражі у продавця. Такі панелі мають розмір 1˟1,65 м.
Сонячні панелі, які я придбав, мають заявлену потужність 250 ватт. Оскільки я брав вживані панелі, то припустимо, що їх потужність коливається в межах 220–230 ватт. І саме на цьому моменті пригадуємо шкільний курс астрономії: щоб отримати заявлену потужність, сонце має падати на наші панелі під кутом 90 градусів. Для цього потрібно, щоб панелі поверталися на деякий кут щотижня, або що-два тижні. Таку механічну хитрість можна зробити (і я планую робити), щоб отримати максимум з цих панелей.
Влітку кут нахилу панелей до горизонту буде приблизно 30 градусів для наших широт, практично горизонтальне положення даватиме максимум ефективності. А от взимку це буде кут нахилу 70–80 градусів. Тобто панелі будуть майже вертикально. Якщо сонячні панелі встановити на даху будинку в стаціонарному положенні, то максимум неможливо буде досягнути майже ніколи.
Також отриманий результат залежить від кількості годин потрапляння сонця на панелі. Якщо це кілька годин зранку або ввечері, то цього недостатньо. Якщо південна сторона — це дещо краще.
Ми з моїм тестем Євгеном запустили ці панелі наприкінці року. Зима, дні короткі та сірі. У таких умовах з панелей можна отримати максимум 5–10% їх потужності, і це не впродовж всього дня. На момент тестування панелі стоять на південно-західну сторону, пізніше вони будуть розташовані на даху.
Протягом дня заряд є, але недостатньо, бо взимку заважають хмари, і кут нахилу не 90 градусів до сонця. Будь-які тіні, що потрапляють на панелі (тінь від стовпа або сусідського будинку), хмари, сніг на панелях — знижують виробіток енергії.
Маленький акумулятор, 12В 66 А/год, якщо його повністю розрядити, взимку буде заряджатися (від панелей) пару днів, чи навіть більше. У сонячний день дещо швидше. Ток, що отримується від сонячних панелей, невеликий, не зранку до ночі. 350 ватт — це максимум, що вдалося отримати, може, протягом декількох години під час більш-менш яскравого сонця, а зазвичай ця цифра набагато менша. Взимку цього току недостатньо для заряду.
Тому сонячні панелі — це добре, але якщо планувати, щоб вони заряджали акумулятори, і ця зарядка була швидка, їх потрібно взимку значно більше, ніж влітку. А якщо панелей багато, на це потрібен суттєвий капітал.
Інвертор
Хочу окремо розповісти про сонячний гібридний інвертор. У цій коробочці є МРРТ-контролер для панелей, і сам інвертор, і зарядка для акумуляторів. Тобто цей пристрій заміняє одразу кілька окремих вузлів. Серед його плюсів можна виділити:
- компактність;
- працює як безперебійник;
- має багато налаштувань, можна виставити напругу, визначити коли заряджати і яким током;
- сумісність і з літієвими, і зі свинцевими акумуляторами, сам заряджає акумулятори;
- безшовна подача світла — при переключенні світла нічого не вимикається.
Серед недоліків — пристрій шумний при навантаженні.
Також цей інвертор має датчик, що підключений до системи моніторинга і надсилає дані щодо споживання енергії до сайту статистики. Також можна ці дані використовувати в домашній системі моніторингу розумного будинку. У мене це виглядає так:
Такий пристрій дещо дорожчий, але значно комфортніший у використанні. Можна замовити з Китаю від $350, але враховувати, що очікування може бути до 2-х місяців. У нас вони будуть мінімум вдвічі дорожчі.
У кожного такого інвертора є контролер, що розрахований на певну потужність панелей. Якщо ми хочемо підключити 2 панелі, потрібно дивитись вхідні параметри інвертора. Він може давати можливість підключити 2 панелі, а може від двох і не буде працювати. Це параметр, який може впливати на вибір самого інвертора.
Безпека системи
Безпека акумуляторної зборки — це пріоритет.
Акумулятори взагалі, і літієві зокрема, дуже і дуже бояться перенапруги, або глибокого розряду. Рекомендується не заряджати повністю батареї, а десь відсотків на 90. Розряджати теж не до мінімуму. Тобто принцип такий: чим менше ти над акумулятором знущаєшся, тим довше така батарея працюватиме. Якщо розряджати до мінімуму — то приблизно 300 циклів термін служби такого акумулятора, а якщо розряджати на половину — то і 600 циклів може бути. Для обслуговування акумуляторів використовують додаткові пристрої.
Smart bms (battery management system) — це пристрій, який під'єднується до акумулятора і заряджає його не цілком як один об’єкт, а кожну комірку окремо. Він розуміє, що якщо одна комірка зарядилася, він її блокує і не заряджає, а в цей час заряджає іншу. Це знижує ризик виходу з ладу акумулятора, або навіть його вибуху.
Пристрій має програмне забезпечення для тонкого налаштування.
Щоб цього не було, комірки мають бути +/– однакові. Якщо комірки з однієї зборки, то вони +/– однакові за параметрами, різниця невелика. Але якщо є відхилення, то необхідно використовувати балансири напруги.
Один з таких пристроїв — активний балансир. Його завдання — збалансувати напругу на окремих комірках. Цей пристрій переганяє надлишок енергії з однієї комірку на іншу. Тобто коли є дисбаланс між комірками, він починає працювати.
Наприклад, гібридний інвертор дозволяє виставляти напругу в системі до десятих вольт, що знижує ризик з обслуговуванням АКБ. Тому зараз я використовую лише активний балансир та моніторю стан АКБ.
Наприклад, різниця між зарядом комірок в 0,007В — це дуже гарний показник для акумуляторної збірки
Безпека устаткування
Безпека системи також включає реле напруги, яке має відключати систему від перевантаження, завищеної та заниженої напруги. Після тривалого блекауту підключення може бути нестабільним, реле напруги вимикає мережу від напруги понад 250 вольт. Реле напруги має багато налаштувань:
- Узо — захищає в разі виникнення диференціального струму,
- Грозо захист — захищає лінію від наводок під час грози.
- Запобіжники та автоматичні вимикачі — для захисту силових кабелів.
- Захист для сонячних панелей.
- Заземлення — вказане останнім в переліку, проте воно не останнє за значенням, це чи не найголовніший пункт в безпеці.
Вартість отриманої станції та час зборки
Без урахування доставки з Китаю, збірка системи зайняла у мене три дні. Один день — зібрати систему акумуляторів із комірок від Nissan Leaf, переробити під власні потреби. Другий день — монтаж інвертора. Якщо ви не дуже знайомі зі схемою — накинути ще +1 день. Навіть якщо на підключення ви витратите тиждень — це гарна інвестиція часу.
Під час блекауту, станція працювала 7,5 год. не в режимі економії. Я не вимикав ані холодильник, ані телевізор. Тому задоволений результатом. Якщо потрібна більша потужність — можна ще один акумулятор встановити.
Мінімальний бюджетний варіант такої станції:
- варіант «для тещі» — $800
- варіант «Продвинутий» — приблизно $2000
Враховуючи власний досвід, можна купити гібридний інвертор і акумуляторний блок + панелі. Але потрібно рахувати термін їх окупності. Якщо ставити 6 панелей, то окупність для мене буде складати приблизно 30 років. Це пов’язано з тим, що якщо не продавати залишки по зеленому тарифу, а споживати тільки самостійно, як я, то така сонячна станція не рентабельна. З неї користь — тільки автономність, а автономність ми розглянули і без панелей.
Висновки та поради
Враховуючи свій досвід, я б розглядав поетапне розгортання системи автономності:
- Варіант «для тещі» не рекомендую. Дешевий, але не дуже комфортний, потребує оператора Євгена, оскільки має лише ручний режим перемикання.
- Рекомендую варіант «Продвинутий»: встановити гібридний інвертор і акумуляторний блок. Зараз на ринку з’явилися готові збірки, коштують вони від $2500. Цього буде достатньо для автономного живлення від 7 годин і більше, якщо зменшити навантаження.
- Далі можна встановити сонячні панелі, якщо є умови для їх розташування. Це дасть можливість збільшити автономність та з’явиться можливість окупності системи в майбутньому.
Зима закінчиться, прийде весна. Україна переможе!