Автономное энергоснабжение: виды и основные характеристики

Аккумуляторы

Для накопителей, выравнивающих энергопотребление, обычные свинцово-кислотные аккумуляторы не подходят. Это связано с малым количеством циклов заряда-разряда, а также необходимостью обслуживания аккумуляторов (при-ходится регулярно доливать дистиллированную воду из-за испарения электролита). В солнечных электростанциях небольшой мощности применяются так называемые гелевые аккумуляторы. В них электролит находится не в форме жидкости, а в форме геля. Такие аккумуляторы не требуют обслуживания. Их недостатком является то, что при зарядке свыше номинального уровня они быстро выходят из строя, но эта проблема решается при помощи современных микропроцессорных контроллеров. Уникальным преимуществом гелевых аккумуляторов является их возможность работы при низких (до —15°С) температурах. Благодаря этому нет необходимости специально отапливать накопитель, размещенный на улице, достаточно тепла, отводимого от контроллера.

Более совершенными являются никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Они надежны и обеспечивают сохранение большего количества энергии в меньшем объеме. Тем не менее для накопителей энергии, сглаживающих пики потребления в сети, данные аккумуляторы непригодны из-за ярко выраженного «эффекта памяти». При неполном разряде и последующем заряде емкость аккумулятора снижается. Требуется полностью разряжать аккумулятор и потом заряжать его до 100%. Для рассматриваемого применения такие аккумуляторы непригодны. Более продвинутые никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы обладают большей емкостью, «эффект памяти» в них менее выражен, но все-таки присутствует.

Аккумуляторы типоразмера 18650 используются в электромобилях, и они же являются основой накопителей энергии

Наиболее популярным сейчас являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Именно их сейчас используют в накопителях, устанавливаемых непосредственно у потребителей, а также в ключевых местах электросети. Кстати, идея создания накопителя, стоящего у потребителя дома, возникла из необходимости использования аккумуляторов типоразмера 18650, применяемых в электромобилях. По мере износа аккумуляторной батареи в электромобиле производитель забирает ее себе обратно (почему — будет сказано далее). Аккумуляторы, которые уже не могут обеспечить нужную тягу электромобилю, тем не менее подходят для использования в бытовом накопителе энергии. После всестороннего тестирования их туда и ставят. Что же касается накопителей, устанавливаемых на узлах электросети, то в них используют новые аккумуляторные батареи, но есть проекты построения таких накопителей и на основе аккумуляторов, ранее стоявших в электромобилях.

Накопитель Tesla Powerwall 2

Преимуществами Li-Ion аккумуляторов являются: высокая плотность накапливаемой энергии, пренебрежительно малый уровень «эффекта памяти», низкое выходное сопротивление, что позволяет на пиках нагрузки отдавать потребителю большую мощность. Но есть и недостатки. При неправильных зарядке и эксплуатации аккумуляторы не просто выходят из строя, они могут воспламеняться и даже взрываться. Проблема решается с помощью микропроцессорных контроллеров в зарядных устройствах, тем не менее, иногда такие устройства могут давать сбои. Литий — чрезвычайно токсичный химический элемент, вот почему производители электромобилей в обязательном порядке забирают себе обратно отработавшие свое аккумуляторы. Наконец, запасы лития в мире ограничены, уже в ближайшее время прогнозируется нехватка этого металла.

Виды домашних аккумуляторов

Для обеспечения аварийного питания внутренней электросети дома используют четыре вида аккумуляторных источников электроэнергетики:

1. Кислотно-свинцовые АКБ.
2. Гелевые батареи.
3. AGM аккумуляторы.
4. Никель-кадмиевые АКБ.

Кислотно-свинцовые АКБ

Аккумулятор для ИБП

Самые распространённые аккумуляторы для ИБП по своему устройству ничем не отличаются от автомобильных батарей. В банках АКБ расположены свинцовые пластины, залитые электролитом (водным раствором серной кислоты).

Внимание! Хранить большие кислотно-свинцовые АКБ следует в отдельных помещениях с хорошей вентиляцией. Дело в том, что в процессе разрядки батареи выделяют газ, вредный для здоровья человека

К недостаткам таких устройств нужно отнести то, что они требуют постоянного обслуживания (контроль уровня электролита и восполнение его падения дистиллированной водой).

Гелевые батареи

В электролит добавляют элементы кремния, в результате он приобретает форму геля (застывший пористый раствор из серной кислоты и силикагеля). Густая структура геля не даёт разрушаться электродам, что значительно увеличивает срок службы АКБ. Преимуществом такой батареи является то, что эксплуатировать аккумулятор можно в любом положении, не боясь вытекания электролита.

Гелевая батарея

Гелевые аккумуляторы отличаются большим временным промежутком хранения заряда. Они хорошо служат для освещения, маломощных бытовых приборов (компьютеров, телевизоров и прочего). В то же время ИБП с такими АКБ не могут обеспечить большой ток для питания мощного оборудования (электродвигатели различного назначения).

Важно! Нельзя допускать перегрев гелевой батареи – она может взорваться. Нужно обеспечить контроль температуры корпуса АКБ

Батареи этого вида долговечны. Они выдерживают от 600 до 800 циклов заряда – разряда. Специалисты рекомендуют их использовать в резервировании питания для светильников, ПК, ТВ и маломощных кухонных приборов: миксеров, комбайнов и кофемолок.

AGM аккумуляторы

Аббревиатура AGM сложилась из начальных букв Absorbent Glass Mat, что означает влагопоглощающие стеклянные маты. В последнее время батареи AGM завоёвывают передовые позиции на рынке аккумуляторов. Суть их конструкции состоит в том, что раствором серной кислоты пропитывают капиллярные синтетические маты, которые помещают между свинцовыми пластинами.

Пластины изготовляют из свинца высокой химической чистоты с добавками кальция и сурьмы. Присадки предотвращают разрушение электродов, что значительно увеличивает срок службы аккумуляторов.

Некоторые AGM устройства имеют спиральное расположение матов. Такое решение позволяет значительно увеличить контактную площадь для протекания химических реакций, что повышает КПД батарей.

AGM аккумулятор

AGM аккумуляторы занимают большой объём в производимой продукции таких брендов, как Bosh, Delta, Fiamm и др.

Никель-кадмиевые АКБ

Аккумуляторы настоящего типа уступают другим видам батарей в величине ёмкости. Это пальчиковые батарейки и крупные бочонки. Их соединяют никелевой полосой в блоки точечной сваркой. Ими заполняют корпуса ИБП, предназначенные для бесперебойного питания портативной техники и стационарных компьютеров.

Блок никель-кадмиевых батарей

Заряжают никель-кадмиевые аккумуляторные блоки в корпусе ИБП, который подключают к бытовой электросети. Также восполняют потенциал в отдельных специальных зарядных устройствах.

Инверторный бензогенератор

На сегодняшний день этот агрегат чаще всего используется для резервного энергоснабжения загородных домов. Причина такой популярности – доступная цена генератора и простота его использования. Никакого монтажа и настройки. Залил бензин, нажал кнопку и получил свет.

Однако, любой комфорт имеет свою цену, и она у бензогенератора весьма велика. Давайте подсчитаем, во сколько обходится 1 Киловатт час электричества, выдаваемого этим устройством.

Для расчета возьмем однофазный генератор HERZ IG2200E (Германия) мощностью 2 кВт.

• Затраты на покупку — 21000 руб.
• Ресурс генератора — 4000 часов.

Себестоимость киловатта рассчитывается следующим образом:

При нагрузке 2000 Вт расход бензина АИ-92 по паспорту генератора составляет 1,4 л/час (стоимость топлива принимаем равной 36 руб.) Получаем цену 1кВт*ч = 36х1,4/2=25,2 руб.

Стоимость генератора делим на его моторесурс и получаем: 21 000 руб./4 000 часов = 5,25 руб.

В итоге себестоимость 1кВт*ч = 25,2 + 5,25 = 30,45 руб.

Цена 1 кВт часа сетевой электроэнергии для Московской области в первом полугодии 2021 года составляет 5,03 руб. Мы видим, что у бензогенератора она получилась в 6 раз дороже.

Выводы:

• Применять бензогенератор для долговременного электропитания дома невыгодно.
• Применение генератора (за исключением установок с автозапуском) требует присутствия человека — завести, долить бензин и следить за работой.

Использование бензоненератора на даче экономически оправдано только в качестве аварийного либо резервного источника питания. При отсутствии внешних электросетей его лучше эксплуатировать непродолжительное время (4-5 часов в сутки).

Сегодня многие производители выпускают универсальные установки, работающие как от бензина, так и от баллонного газа. Поскольку стоимость сжиженного газа почти в 2 раза меньше, чем у бензина, то экономически выгоднее получать электроэнергию именно от этого вида топлива.

Чистый синус и его влияние на котел

В первую очередь при выборе ИБП для котла обращайте внимание на форму выходного напряжения. Существует 2 типа выходного напряжения:

Существует 2 типа выходного напряжения:

чистый синус

квазисинус (меандровый сигнал)

При выборе всегда делайте акцент на модели с чистым синусом

Почему это важно?. Котлы и его оборудование не любят как перепады напряжения, так и изменение частоты выходного сигнала

Если вы купите ИБП с квазисинусом, котел может определить данное напряжение как ошибку, и будет уходить в аварию

Котлы и его оборудование не любят как перепады напряжения, так и изменение частоты выходного сигнала. Если вы купите ИБП с квазисинусом, котел может определить данное напряжение как ошибку, и будет уходить в аварию.

Электронике конечно неправильный синус не страшен. А вот насосы отопительного оборудования, типа RS или UPS начинают гудеть.

Двигатель в насосах асинхронный и этот псевдосинус дает много гармоник, которые значительно понижают КПД и вызывают нагрев и гудение.

Кроме того, в самом котле имеется свой встроенный циркуляционный насос, а иногда и не один, отсюда и такие жесткие требования.

Всегда обращайте внимание на способность ИБП выдерживать большие пусковые токи (двух-трехкратные). Кроме самого котла, есть же еще и другое оборудование которое нужно запитать, например погружной насос

Типовое решение и модернизация

Инвертор МАП SIN Энергия 48-220 18 кВт HYBRID

В зависимости от потребностей и частоты отключения тока приобретается один или несколько элементов, которые соединяются последовательно или параллельно.

Для установки конструкции внутри помещения лучше брать модели AGM и гелевые. Они герметичны, хорошо переносят полный разряд и не требуют обслуживания.

Изделия с жидким электролитом выделяют пары кислоты, опасные для здоровья. Их можно устанавливать только вне жилых помещений. Такие модели при частых разрядах быстро изнашиваются.

постоянно работает над усовершенствованием своей продукции. При этом она выпускается как серийно, так и под заказ.

Клиент может приобрести товар с такими модернизациями и характеристиками:

• мощность;
• емкость;
• сила тока;
• напряжение;
• продолжительность работы;
• количество фаз.

Исходя из внесенных изменений определяется конечная цена.

Конструктивно-функциональная схема

Они включают в свою структуру три функциональных блока:

• аккумуляторные батареи большой емкости;
• инверторный блок (устройство, преобразующее переменный ток в постоянный и наоборот);
• интеллектуальную систему управления.

Система управления выполняет следующие функции:

• измеряет параметры прибора и управляет режимами его работы;
• контролирует и управляет АКБ, обеспечивает безопасный режим при ее зарядке и разрядке;
• контролирует и управляет инвертором;
• отвечает за противоаварийную систему изделия;
• блокирует несанкционированные действия и защищает оборудование;
• контролирует параметры потребителей энергии;
• контролирует параметры сети.

Помимо интеллектуальной системы управления, определяющую роль в работе сетевых электрических накопителей играет двунаправленный инвертор (DC/AC преобразователь), управляющий мощностью с использованием ШИМ-технологии.

Сферы применения накопителей энергии

В зависимости от назначения и мощностных характеристик, промышленные накопители электроэнергии большой мощности выполняются в виде блоков либо напольных шкафов, и могут применяться в следующих случаях:

• при кратковременных перебоях в сети для аккумулирования энергии – они будут выполнять функции ИБП, обеспечивая аварийное снабжение объекта электрической энергией;
• в качестве резервного источника питания при продолжительном отсутствии электроэнергии от автономных источников (бензиновых, дизельных или газогенераторов);
• в случае отсутствия централизованной электросети, энергонакопитель может входить в состав альтернативных систем снабжения электроэнергией (ветряной, солнечной или комбинированной);
• накопитель электрической энергии может быть элементом комбинированной системы, которая запитана от централизованной сети, но использует альтернативные источники для аккумуляции и стабилизации напряжения.

Преимущества использования электрических устройств для аккумулирования энергии

• обеспечение автономного электропитания на короткий и длительный сроки;
• экономия электроэнергии;
• стабилизация напряжения;
• большая энергоемкость и продолжительный срок службы аккумуляторных батарей;
• они отличаются высокой надежностью по сравнению с аварийными или альтернативными системами энергообеспечения;
• простота установки и настройки (он элементарно подключается к солнечным батареям, домашней и линейной сети);
• их можно использовать в качестве источников бесперебойного питания;
• гарантия высокого качества выходного синусоидального переменного напряжения;
• характеризуются широким диапазоном входных напряжений, независимо от того, питаются ли они от солнечных батарей или централизованной сети;
• высокая степень безопасности: любой тип автоматически отключается при перегреве, перегрузке или аварийной ситуации;
• наличие функции байпаса – в случае аварии прибор автоматически предает входное напряжение мощностью 220В;
• аккумулирующие устройства имеют продолжительный срок службы и не требуют текущего обслуживания, что сводит эксплуатационные расходы к минимуму.

Резервные источники питания для частного дома: генераторы против батарей

В качестве альтернативных источников электроэнергии в быту на сегодняшний день применяются генераторы с двигателем внутреннего сгорания (чаще всего дизель-генераторы) и аккумуляторные батареи (АКБ), укомплектованные инвертором — преобразователем тока (из постоянного в переменный и наоборот). АКБ подключаются к сети через инвертор, с помощью него же происходит подзарядка батарей, когда электричество в сети есть.

Источник бесперебойного питания, укомплектованный аккумуляторными батареями и инвертором, не займёт много места в доме

Оба типа имеют свои достоинства и недостатки. Главным минусом генераторов являются шум и выхлопные газы, производимые при работе. Зато дизель теоретически может функционировать сколько угодно, лишь бы было топливо. Во всяком случае, несколько дней подряд он проработать должен.

Для установки мощных ИБП с аккумуляторными батареями понадобится отдельная стойка

Системы, основанные на АКБ, имеют более существенные ограничения по времени работы. Обычно от нескольких десятков минут до нескольких часов. Для большей длительности потребуются аккумуляторы значительной ёмкости, и, соответственно, система получится слишком дорогой. Судите сами: недорогой дизель-генератор с выходной мощностью 2 кВт можно купить за 25–30 тыс. руб.

Комплект аккумуляторов, способных выдавать 2 кВт в течение 2–3 ч, обойдётся примерно вдвое дороже. Прибавьте к этому стоимость инвертора — минимум 30–40 тыс. руб. Полностью в сборе источник бесперебойного питания (ИБП) на полчаса-час работы обойдётся минимум в 100 тыс. руб. Зато использовать ИБП в качестве резервного источника — сплошное удовольствие. Ни выхлопа, ни шума, ни топлива, а переключение происходит практически мгновенно (генератор нужно ещё запустить).

Модульный трёхфазный ИБП средней мощности Trimod HE (Legrand) со встроенным микропроцессором и модульной системой батарейных блоков

Для размещения аккумуляторов требуется отдельное, хорошо проветриваемое помещение, в котором устанавливаются изолированные стеллажи. Температура в нём не должна быть ниже рекомендованной производителями батарей (обычно 15 °С). Подробнее о выборе типа и марки аккумуляторов, их использовании и хранении мы поговорим в отдельной статье.

Схема системы бесперебойного электроснабжения

Компактный однофазный ИБП KEOR S 3 кВA 20′ (Legrand), мощность от 3 до 10 кВА (от 133 тыс. руб­.)

Все источники резервного питания подбираются в зависимости от мощности подключаемой нагрузки. Она зависит от потребностей домовладельцев. Чтобы её подсчитать, нужно суммировать мощность всех устройств, которые будут подключены к источнику питания. Учтите, что чем больше выйдет эта сумма, тем дороже получится ИБП, поэтому имеет смысл ограничить нагрузку, оставив только самое необходимое — аварийное освещение, питание компонентов системы отопления и водоснабжения (вентиляция, скважинный насос и т. д.). Плюс одна-две розетки, чтобы можно было подключить телевизор или другую бытовую технику.

При выборе генератора или установке инверторной системы в первую очередь нужно определиться, как часто понадобится использовать дополнительный источник электроэнергии. Так, если вы бываете на даче только по выходным в летний период, достаточно бензинового генератора. При этом нужно помнить, что бензиновые или дизельные генераторы создают во время работы сильный шум и неприятный запах. Поэтому их нужно размещать в проветриваемых помещениях с хорошей звукоизоляцией. Более удобными в использовании являются инверторно-аккумуляторные системы, особенно если вы много времени проводите на даче и бесперебойный источник энергии нужен постоянно. Такая система, как правило, состоит из инвертора, аккумуляторных батарей, зарядного устройства, которое обеспечивает заряд аккумуляторов, контроллера, следящего за зарядом батареи.

Технический специалист

Принцип работы бесперебойника для ПК (сервера)

Источник бесперебойной работы переменного тока – устройство, в котором питание есть всегда. Однако стоит учесть, что это не резервный источник питания, а аварийный – включается в случае “форс-мажоров” и лишь на короткое время.

Основная функция ИБП – мгновенная подача питания в момент отключения основного напряжения сети – реализована посредством аккумуляторной батареи, которая накапливает энергию. Встроенное в корпус ИБП зарядное устройство контролирует уровень напряжения на аккумуляторе, при необходимости включаясь в режим подзарядки.

При включении в рабочий режим бесперебойник подает звуковой или световой сигнал, оповещая пользователя о проблемах с питанием ПК.

В зависимости от емкости батареи и мощности компьютера, бесперебойник обеспечивает переменное напряжение на выходе на небольшое время, которое нужно для сохранения текущего сеанса и завершения работы компьютера.

Из чего состоит ИБП

Компоненты блока ИБП:

• аккумуляторы для накопления энергии;
• зарядное устройство, поддерживающее работоспособность батареи;
• инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
• управляющая схема.

Способ подключения

UPS оборудован несколькими гнездами-выходами, расположенными на задней панели прибора. Подключить персональный компьютер и периферию, отключение которой грозит негативными последствиями, соответствующими кабелями не составит труда при соблюдении порядка действий:

• после первой зарядки отключаем бесперебойник от сети;
• выключаем компьютер;
• подключаем сетевой кабель компьютера на соответствующий разъем ИБП;
• присоединяем сетевой кабель бесперебойника к сети;
• нажимаем и удерживаем кнопку включения ИБП, ждем светового или звукового сигнала о начале работы;
• включаем компьютер;
• устанавливаем драйвера UPS.

Правила использования ИБП

Приобретая бесперебойник для организации резервного питания, необходимо понимать, совместно с какими приборами его можно использовать. Иногда обойтись только ИБП невозможно и тогда нужно принимать дополнительные меры по обеспечению дома электричеством.

Подключение бытовых приборов

Компьютеры, модемы, роутеры, видео- и аудиоаппаратура – типичные домашние или офисные приборы, к которым подключают бесперебойники. Если эта техника содержит обыкновенные импульсные блоки питания, то достаточно будет приобрести относительно дешевые модели, которые не выдают чистую синусоиду.

Современные модели компактны и имеют привлекательный дизайн, который гармонично вписывается совместно с другой техникой в интерьер жилой комнаты

Для освещения также не нужно приобретать дорогие изделия. Здесь главное правильно рассчитать максимальную мощность и время автономной работы.

При частых отключениях актуальна проблема незапланированной разморозки холодильников и порчи продуктов питания. При защите такого оборудования с асинхронными двигателями понадобятся ИБП более сложного устройства, так как потребуется “чистый” синусоидальный сигнал.

Кроме того, необходимо учесть наличие стартовых токов, возникающих при пуске двигателя. Упрощенно для холодильного оборудования их величину можно определить, умножив значение мощности на 5.

Если, например, на кухне есть холодильник с полной мощностью 300 Вт (при запуске – 1500 Вт) и морозильная камера на 200 Вт (при запуске – 1000 Вт), то нужен блок питания с чистой синусоидой и максимальной мощностью не менее 1700 Вт. Это значение получено на случай, когда будет работать морозильник, а в это время произойдет включение холодильника. Одновременный пуск обоих моторов маловероятен, да и такой ИБП выдержит односекундный всплеск в 2,7 кВт.

Блок онлайн типа с максимальной мощностью 2000 Вт сможет проработать около получаса при суммарном потреблении 500 Вт. Так как режим охлаждения занимает около 5 минут, то бесперебойника гарантированно хватит на 6 запусков обоих устройств.

В частных домах и коттеджах также актуально использование ИБП для поддержки системы отопления с принудительной циркуляцией. Насосам тоже необходим чистый синус

Бесперебойники также активно используют для работы газовых отопительных котлов. Учитывая стоимость подключаемого оборудования, экономить на качестве ИБП в этом случае не следует.

Резервное и дополнительное электропитание

Для многих бытовых приборов невозможно подобрать недорогой ИБП, так как будет необходима значительная максимальная мощность при длительном периоде автономной работы. Стиральные машины, электрические духовки, системы распределенного кондиционирования потребляют много электричества.

Можно, конечно, обойтись без этих устройств на время отключения электроэнергии. Это целесообразно в том случае, если такие перебои происходят редко и на короткое время. Но если все же будет принято решение по обеспечению мощных потребителей автономным питанием, то лучше использовать бензиновый или дизельный генератор. Для их быстрого запуска при отсутствии напряжения используют систему автоматического ввода резерва (АВР).

При наличии дополнительного источника питания, ИБП все же стоит использовать, хотя бы для компьютеров. Мгновенного запуска генератора и восстановления электроснабжения добиться невозможно.

Стабилизация пониженного напряжения

Проблема пониженного напряжения актуальна для объектов, подключенных к старым или маломощным электросетям. Если такая ситуация возникает постоянно, то лучше использовать входной стабилизатор.

При наличии стабилизатора, напряжение внутридомовой сети будет приведено к нормативным показателям. Это затронет и приборы, которые не подключены к ИБП

При пониженном напряжении возрастает сила тока, проходящего по внутридомовой сети. Например, пусть общая мощность подключенных к ИБП потребителей будет 1,5 кВт, а подаваемое напряжение равно 190 В.

Тогда по закону Ома:

• I1 = 1500 / 190 = 7,9 A – сила тока в цепи до ИБП без стабилизатора;
• I2 = 1500 / 220 = 6,8 A – сила тока в цепи до ИБП со стабилизатором.

Таким образом, внутридомовая сеть без стабилизатора будет испытывать повышенную нагрузку, что могло быть не учтено при выборе сечения проводки.

Поэтому при постоянном пониженном напряжении лучше установить стабилизатор. В этом случае и нагрузка на автотрансформатор ИБП будет меньше, что продлит срок его службы. Кроме того, с учетом выравнивания вольтажа, можно приобретать более дешевые бесперебойники.