Каталог

Солнечные батареи и тепловой насос — энергетическая независимость

Предисловие:

Тарифы растут на все виды энергии газ и электроэнергию. Очень часто домовладельцы переходят на альтернативные источники энергии, в том числе устанавливая тепловые насосы. Но ведь тепловой насос все же потребляет электроэнергию. Поэтому получение электроэнергии от солнца позволит еще больше повысить энергоэффективность всей системы и экономить еще больше.

Далее мы рассмотрим реальный пример реализации проекта полной энергетически независимой системы элетро- и теплоснабжения дома и офисного помещения. Объект расположен в Киевской области, г.Белая Церковь.

Задача:

Реализация питания офисного и жилого объектов от гибридной солнечной установки (солнечные батареи) в качестве источника основного и резервного питания при взаимодействии со стационарной сетью и дизельным генератором.

Экономическое обоснование:

Установление целесообразности потенциально возможного перехода на “зеленый тариф” при существенной разнице между стоимостью энергии, полученной от стационарной сети и от альтернативных источников энергии.

Объект реализации:

Офис и примыкающий к нему жилой дом с подключением к условной сети 1 и отдельно стоящий жилой дом с подключением к сети 2. 

Тепловой насос:

Для получения тепловой энергии используется геотермальный тепловой насос, работающий с теплообменником, погруженным в реку (вода-вода).

Монтаж и пусконаладочные работы:

В ходе пусконаладочных работ проводится моделирование ситуаций с временным отключением стационарной электросети и перегрузкой, вызванной одновременным подключением большого количества электроприборов в офисе и жилом доме. 

Проектирование и техническое решение по монтажу солнечных батарей:

Проектные ограничения связаны с размерами и площадью кровли, предназначенной для монтажа фотоэлектрической системы, работающей от солнечного света. При использовании всей площади был установлен практический максимум генерации в 20 кВт. Для размещения модулей фотоэлектрической системы использовались четыре ската кровли. Было учтено, что при равном наклоне трех основных скатов потребуется установка двух инверторов мощностью соответственно 15 и 5 кВт. Для оптимизации работы и создания загруженности инвертора типа Unom-600V каждое приемное гелиополе было оборудовано 20-23 элементами генерации. 

Схема размещения солнечных панелей для дома 1

На этапе монтажа элементов возникли трудности с креплением их к черепице нестандартной формы, которые удалось преодолеть путем разработки нестандартных кронштейнов, позволяющих максимально надежно установить конструкцию:

Этапы проектирование системы бесперебойного питания с использованием гибридной установки на солнечных батареях

1. Для начала были произведены расчеты основных параметров работы системы. 

Нагрузка на инверторы в максимальном и среднечасовом значениях. В расчет включены все потребители, создающие нагрузку при использовании энергии аккумуляторов, показатели возможных изменений нагрузки, количества потребителей, количества задействованных для покрытия потребности аккумуляторов. Учтено соотношение стоимости и параметров аккумуляторов.  

2. Расчет длительности использования аккумуляторной батареи.

В формуле учитывается период резервного питания и зависимость от него количества источников питания. В результате расчетов и консультаций было принято решение о применении инверторов VictronEnergyQuattro 48/10000/140 (3 шт), аккумуляторов литий-ионного типа Victron Energy LiFePO4 — 160 Ач (12 шт.). При расчётах учтена необходимость резервирования питания дома 2, для чего был установлен силовой щит АВР, рассчитанный на автоматическое подключение аккумуляторов при отказе питания от стационарной сети.  Для расчета потребления взят часовой период работы с полной нагрузкой при использовании аккумуляторов. Таким образом были смоделированы наиболее сложные условия — отсутствие генерации солнечной батареей при нагрузке потребителей 27 кВт/ч. В реальности достижение такой нагрузки маловероятно, что видно из опыта наблюдений за пиковыми значениями потребления, как правило не превышающими 8 кВт/ч. Во время дневного потребления вся энергия поставляется солнечной батареей, что дает возможность в реальной ситуации в течение примерно 24 часов использовать автономную резервную систему весной и осенью с учетом средней продолжительности светового дня и интенсивности облучения гелиополя. 

Отсутствие резерва для работы теплового насоса

Модель первоначально не предусматривала автономное использование системы зимой и при необходимости резервировать и запитать тепловой насос. Для создания реальных условий установлен дизель-генератор, который был после установки синхронизирован с остальными источниками и потребителями в разных сочетаниях.

Работа системы в нормальных условиях (нормальный режим)

Условия. Объекты 1 и 2 получают питание от внешней стационарной сети, при этом каждый из объектов подключен по индивидуальной, постоянно используемой схеме. Питание теплового насоса обеспечивает сеть объекта 2. 

Покрытие нагрузки от потребителей объекта 1 обеспечивается за счет солнечной батареи с направлением излишков в сеть при заряженной аккумуляторной батарее и работе автономного инвертора. Функции автономного питания при этом явно не просматриваются, однако, они выполняются. Картина такова: ранее при одновременном включении духового шкафа, сауны, кофеварки и СВЧ-печи происходило срабатывание АВ из-за явной перегрузки. При использовании системы PowerAssist превышение мощности потребителей не приводит к отключению питания на объекте 1, поскольку недостаток покрывается аккумуляторами. Говорить о простое системы в данном случае было бы некорректно.

Итого, при запасе мощности 20 кВт и 27 кВт с инверторов и высокой интенсивности облучения гелиополя добавляется еще 20 кВт, что в сумме дает 60 кВт. Не используется запас мощности, которую автономные инверторы способны выдавать при пиковой нагрузке, а это 27 кВт, кратковременное двукратное превышение номинала.

Опыт показывает, что при развитии “зеленой энергетики” появится возможность покрывать потребность в энергии во время пиковых нагрузок за счет автономной системы, а не путем увеличения потребления из сети. Экономический эффект в данном случае выражается в том, что при достижении “зеленым тарифом” значений стоимости ниже, чем стоимость сетевой энергии использование альтернативного источника становится выгодным. В большинстве стан Европы такая картина уже наблюдается. Вполне реальным становится использование  в качестве основного источника питания автономной системы и привлечение сетевой энергии только в периоды пиковых нагрузок.

В ночное время система переходит на питание от аккумуляторов через инвертор, а при интенсивной солнечной генерации появляется возможность перенаправить энергию от солнечных батарей в сеть для продажи избытка мощности, подключаясь к внешнему источнику для покрытия собственной потребности или пиковой нагрузки. Баланс соблюдается при условии, что собственные солнечные батареи заряжены:

График потребления электроэнергии: красный — сеть, зеленый — дизель-генератор, синий — аккумуляторы солнечной системы, желтый-солнце

Автономные инверторы обладают весьма полезным свойством контроля параметров сети. При отклонении от заданных нормальных значений, они производят переключение системы на автономное питание до тех пор, пока внешние параметры не восстановятся в нормальных пределах. Это хорошая возможность защитить приборы от перепадов напряжения в сторонней сети. 

Работа системы в нормальных условиях (резервный режим)

Условия: отсутствие питания от внешних сетей на объектах 1 и 2, освещенность солнцем нормальная, облачность минимальная.

При таких условиях наблюдается использование объектами 1 и 2 энергии от солнечной батареи и периодически, при отсутствии нагрузки, зарядка аккумуляторов. При отсутствии освещения питание переводится на аккумуляторы до полного разряда.

Следует учитывать, что в ходе этой части опыта не подключается тепловой насос, который перекрывает своей потребностью мощность инверторов и разряжает аккумуляторы примерно за полчаса. Для работы теплового насоса используется ДГ. При кратковременном отключении от сети (до нескольких часов), тепловой насос может простаивать, пока не появится реальная опасность разморозки отопления или просто остывания дома до некомфортной температуры.

При необходимости можно перенастроить инверторы так, чтобы они обеспечили работу теплового насоса в течение определенного периода времени. Можно создать схему, которая обеспечит автоматический перевод теплового насоса на питание от ДГ при определенном разряде аккумуляторов или по прошествии заданного периода времени.

Работа системы в нормальных условиях (резервный режим)

Условия — отсутствует внешнее питание на объектах 1 и 2, аккумуляторы разряжены, питание обеспечивает генератор. Погода солнечная.

В этой ситуации оба объекта получают энергию от генератора, а солнечная система частично разгружает его за счет покрытия избытка нагрузок на объектах.

Для обеспечения такого режима устанавливается алгоритм управления, предусматривающий автоматический запуск генератора и переключение на него нагрузки по достижении определенного уровня разряда аккумуляторов. При этом генератор может быть настроен на отключение после зарядки аккумуляторов или появления внешнего питания. При работе теплового насоса желательно установить режим работы от ДГ до появления внешнего питания, так как насос очень быстро разрядит аккумуляторы. Этот режим характерен для зимнего периода, так как в это время сложнее отключить тепловой насос и пользоваться солнечной энергией из-за короткого светового дня.

Мониторинг и управление системой

Получение информации от генератора осуществляется через информационный интерфейс modbus для “умного дома” и Ethernet для контроля работы ДГ на удалении. При падении уровня топлива до критических значений подается световой сигнал.

Общий мониторинг системы осуществляется зак счет световых индикаторов на щитах АВР, которые сообщают о ряде параметров:

  • питание объектов 1 и 2 от сторонней сети с контролем фаз для каждой сети;
  • отображение режима перехода объекта 2 на резервную систему объекта 1 при отключении внешней сети — автоматическое или ручное переключение;
  • режим питания — сеть, аккумуляторы, генератор.

Подобная система индикации предельно проста и построена на контакторной схеме с автоматическим замыканием. Более интеллектуальное решение состоит в использовании светодиодов, которые сообщают о режиме работы инверторов при использовании панели управления ColorControlGX. На ней можно настроить множество параметров для отображения, в том числе состояние системы в целом и устройств по отдельности в реальном времени, индикацию изменения режимов работы устройств. При этом возможно использование удаленного мониторинга и управления системой.

Источниками информации в данном случае могут служить: генератор, сетевые инверторы, панель ColorControl GX.

Для мониторинга системы во время опыта использовалась панель, которая отображает информацию о состоянии двух других источников и выводит ее на удаленный портал. Там можно наблюдать:

  • распределение и потребление энергии в общей системе;
  • режим генерации/потребления от сети/в сеть.

Информационная цепочка организуется за счет прохождения нагрузок через инверторы, которые передают данные на панель управления для анализа и последующего направления на портал VRM, отображающий:

  • сигналы об авариях и предупредительные сообщения;
  • мощность и состояние PV инвертора;
  • мощность генерации или потребления;

состояние AC генератора в виде показателей потребляемой и выходной мощности, напряжения и тока (входных и выходных), частоты (вход и выход).

Для просмотра информации на портале достаточно подключенного к сети интернет консольного устройства — мобильного телефона, планшета, ПК. При возникновении аварий в системе собственник (оператор) получает уведомление на электронную почту или мобильный телефон. Одновременно уведомляется и компания-оператор для принятия оперативных мер реагирования.

Портал VRM ведет историю работы и состояний системы, запись истории можно настроить на определенные параметры с фиксацией даты, времени и характера изменений.