Солнеч­ная элек­тро­станция в горах

Домик в горах — мечта многих людей. Приятно пожить вдали от циви­ли­за­ции, насла­жда­ясь зву­ками при­роды и свежим воз­ду­хом. В то же время не все готовы отка­заться от таких удобств как холо­диль­ник, интернет или осве­ще­ние.

Обычно для авто­ном­ного элек­тро­пи­та­ния исполь­зуют бен­зи­но­вый или дизель­ный гене­ра­тор, но тогда нару­ша­ется сама идея отдыха на при­роде. Электри­че­ство должно про­из­во­диться без шума и запаха, а лучшим реше­нием этой задачи явля­ется соб­ствен­ная сол­неч­ная элек­тро­стан­ция.

Летом 2019 года к нам обра­тился вла­де­лец неболь­шого домика в горах, рас­по­ло­жен­ного непо­да­лёку от села Бачево (община Разлог, Благоев­град­ская область). Задача — сде­лать две мини-системы: сол­неч­ный кол­лек­тор для горя­чей воды и три фото­воль­та­и­че­ских модуля для элек­три­че­ства.

Учитывая боль­шой опыт уста­новки и мони­то­ринга сол­неч­ных кол­лек­то­ров, мы пред­ло­жили заказ­чику вместо двух малень­ких систем сде­лать одну пол­но­цен­ную элек­тро­стан­цию. Подроб­нее о пре­иму­ще­ствах такого реше­ния можно про­чи­тать в нашей статье о фото­элек­три­че­ском нагреве воды.

Мощность фото­воль­та­и­че­ских моду­лей про­пор­цио­нальна осве­ще­нию, но при нагреве их КПД сни­жа­ется. Горные реги­оны во многих слу­чаях обла­дают повы­шен­ным потен­ци­а­лом для фото­воль­та­ики, это свя­зано с более про­зрач­ной атмо­сфе­рой и про­хлад­ным кли­ма­том:

Учитывая лимит бюд­жета и необ­хо­ди­мость нагрева воды в бой­лере, мы опре­де­лили опти­маль­ную кон­фи­гу­ра­цию для всей системы. Двенадцать сол­неч­ных моду­лей Trina Solar по 280 ватт в сумме дают мощ­ность 3.36 kW при иде­аль­ных усло­виях. На прак­тике это озна­чает 2-3 kW в обыч­ный сол­неч­ный день.

Большин­ство 80-лит­ро­вых бой­ле­ров ком­плек­ту­ются 3-кило­ватт­ным нагре­ва­тель­ным эле­мен­том, а это много для нашей системы. Поэтому мы пред­ло­жили заказ­чику гори­зон­таль­ный бойлер ELDOM Green Line с нагре­ва­те­лем 2 kW, чтобы как можно реже задей­ство­вать акку­му­ля­торы при нагреве воды.

Бойлеры серии Green Line имеют встро­ен­ный теп­ло­об­мен­ник: это поз­во­лит в зимнее время нагре­вать воду от печки на дровах, кото­рая уже есть в доме. Электро­стан­ция в этом случае должна лишь обес­пе­чить работу насоса для цир­ку­ля­ции теп­ло­но­си­теля через бойлер и ради­а­торы отоп­ле­ния.

В сол­неч­ные дни фото­воль­та­и­че­ские модули будут давать доста­точно энер­гии для нагрева воды в бой­лере. В облач­ные дни, когда мощ­ность моду­лей соста­вит около 1.5 kW, допол­ни­тель­ные 500 ватт будут взяты из акку­му­ля­то­ров.

При самой пас­мур­ной погоде, напри­мер во время дождя, сол­неч­ные элек­тро­стан­ции обычно выдают от 5 до 15% номи­наль­ной мощ­но­сти. В нашем случае это 170-500 ватт, чего вполне доста­точно для работы холо­диль­ника, теле­ви­зора и роу­тера. Бойлер в такую погоду лучше не вклю­чать, чтобы не нагру­жать акку­му­ля­торы.

Всю элек­тро­нику и предо­хра­ни­тели мы собрали в фир­мен­ном боксе NENCOM. Для пре­об­ра­зо­ва­ния посто­ян­ного напря­же­ния от фото­воль­та­и­че­ских моду­лей и акку­му­ля­то­ров в пере­мен­ное напря­же­ние 230 вольт исполь­зу­ется инвер­тор Victron Energy MultiPlus-II мощ­но­стью 2.4 kW.

Инвертор имеет встро­ен­ное заряд­ное устрой­ство, кото­рое поз­во­ляет заря­жать бата­реи от внеш­ней сети или гене­ра­тора. В каче­стве резерва мы под­клю­чили к инвер­тору бен­зи­но­вый гене­ра­тор мощ­но­стью 5.5 kW, кото­рый имелся у заказ­чика.

В тече­ние дня лишняя сол­неч­ная энер­гия накап­ли­ва­ется в акку­му­ля­то­рах для исполь­зо­ва­ния в тёмное время суток. Мы под­клю­чили четыре 12-воль­то­вые свин­цово-кис­лот­ные бата­реи Victron Energy AGM Super Cycle ёмко­стью 230 A·h каждая. Батареи соеди­нены после­до­ва­тельно, поэтому номи­наль­ное напря­же­ние блока состав­ляет 48 вольт.

Полезный запас энер­гии при допу­сти­мой для «Super Cycle» глу­бине раз­ряда 80% состав­ляет 230×48×0.8≈8.8 kW·h. На прак­тике с учётом потерь это озна­чает, что пол­но­стью заря­жен­ные бата­реи в тёмное время суток смогут в тече­ние 8 часов выда­вать мощ­ность 1 kW или в тече­ние 16 часов — мощ­ность 500 W.

Для того, чтобы нагреть 80 литров воды в бой­лере с 10 до 60 °C тре­бу­ется около 5 kW·h энер­гии с учётом теп­ло­по­терь (при мощ­но­сти нагре­ва­тель­ного эле­мента 2 kW это займёт 2.5 часа). Так что вполне воз­можно нагреть бойлер даже ночью, исполь­зуя только поло­вину ёмко­сти бата­рей, но лучше этим не зло­упо­треб­лять, так как коли­че­ство и глу­бина циклов «заряд-разряд» влияют на про­дол­жи­тель­ность жизни акку­му­ля­то­ров.

По этой же при­чине вла­дель­цам авто­ном­ных элек­тро­стан­ций нужно по воз­мож­но­сти пла­ни­ро­вать основ­ное потреб­ле­ние энер­гии на свет­лое время суток, чтобы исполь­зо­вать сол­неч­ную энер­гию напря­мую, а не через бата­реи.

В сол­неч­ные дни целе­со­об­разно вклю­чать сти­раль­ную машину, исполь­зо­вать элек­тро­ин­стру­менты и нагре­вать воду в бой­лере до мак­си­мально воз­мож­ной тем­пе­ра­туры. Такой подход не только про­дле­вает жизнь акку­му­ля­то­ров и сни­жает потери энер­гии, но и поз­во­ляет фото­воль­та­и­че­ской системе рас­крыть весь свой потен­циал.

Точное рас­по­ло­же­ние всех ком­по­нен­тов элек­тро­стан­ции было смо­де­ли­ро­вано зара­нее, поэтому монтаж на объ­екте не занял много вре­мени.

Металли­че­ский бокс надёжно защи­щает элек­тро­нику от слу­чай­ного повре­жде­ния и улуч­шает внеш­ний вид системы. Все кабели скрыты в гофрах и кабель­ных кана­лах.

Мы осна­стили элек­тро­стан­цию моду­лем уда­лён­ного мони­то­ринга, кото­рый пока­зы­вает теку­щее состо­я­ние и дета­ли­зи­ро­ван­ную ста­ти­стику, а также поз­во­ляет менять настройки системы. Благодаря посто­ян­ному наблю­де­нию за боль­шим коли­че­ством элек­тро­стан­ций, мы знаем как они рабо­тают в раз­лич­ных погод­ных усло­виях.

Например, 7 декабря 2019 года в селе Бачево было пас­мурно, а сол­неч­ные модули были покрыты 3-сан­ти­мет­ро­вым слоем снега. Не смотря на это элек­тро­стан­ция гене­ри­ро­вала 140 ватт (4% от номи­наль­ной мощ­но­сти моду­лей), что обес­пе­чи­вало работу восьми камер видео­на­блю­де­ния, осве­ще­ние и заряд акку­му­ля­тора:

Конечно, при боль­шой тол­щине снега гене­ра­ция пре­кра­ща­ется. Поэтому в снеж­ных рай­о­нах сол­неч­ные панели жела­тельно уста­нав­ли­вать под боль­шим углом: снег быст­рее будет соскаль­зы­вать с поверх­но­сти моду­лей под соб­ствен­ной тяже­стью. Лучше всего преду­смот­реть это ещё на этапе стро­и­тель­ства дома. В то же время боль­шой угол наклона несколько снизит гене­ра­цию в летние месяцы, когда солнце дви­жется высоко над гори­зон­том.

Важно учи­ты­вать кон­крет­ные задачи заказ­чика, вет­ро­вую нагрузку, эсте­ти­че­ский вид и многое другое. Принимая во вни­ма­ние все эти фак­торы, в том числе и про­стой доступ на крышу для очистки пане­лей от снега, мы вместе с хозя­и­ном дома при­няли реше­ние уста­но­вить их под неболь­шим углом, парал­лельно южному скату крыши.

Дополни­тельно к системе мони­то­ринга мы уста­но­вили датчик тем­пе­ра­туры воды в бой­лере и кон­так­тор для дистан­ци­он­ного вклю­че­ния нагре­ва­тель­ного эле­мента. В любой момент есть воз­мож­ность посмот­реть теку­щую тем­пе­ра­туру воды в бой­лере или ста­ти­стику её изме­не­ния с поми­нут­ной дета­ли­за­цией. Можно прямо с теле­фона вклю­чить или выклю­чить бойлер, а также задать опре­де­лён­ные уловия, при кото­рых бойлер будет делать это само­сто­я­тельно.

Фактиче­ская сто­и­мость этого про­екта в июле 2019 года соста­вила 17 270 лв (8 830 €) с достав­кой, мон­та­жом и НДС. Цены на обо­ру­до­ва­ние для сол­неч­ных элек­тро­стан­ций посте­пенно сни­жа­ются, поэтому в буду­щем подоб­ная система может стоить дешевле, или за эти же деньги можно будет полу­чить больше мощ­ности.