Солнечная энергия: как считать?


    Прошло лето — самая активная пора для обладателей солнечных батарей и солнечных электростанций. И как при наличии любой, сколько-нибудь эксклюзивной вещи, хочется знать насколько эффективной оказалась эта система. Для этого надо научиться учитывать приход и расход энергии как от солнца, так и от электросетей.

    image

    На картинке выше продемонстрирована полноценная солнечная электростанция замкнутого цикла, когда прихода энергии ждать больше неоткуда. В моем же случае используется аналогичное оборудование, с той лишь разницей, что есть подключение к электросетям. Гибридный инвертор позволяет подмешивать энергию солнца к сетевой, тем самым снижая потребление от платной электросети, используя бесплатную солнечную энергию. Полный состав моей электросистемы ниже.


    Железо для подсчета энергии


    Погружаясь в тему подсчета накопленной энергии, я изучил массу материалов, где предлагались сторонние контроллеры, считающие поступающую к аккумуляторам энергию, напряжение аккумуляторов, токи ОТ или К инвертору, но недостатки таких методов налицо:
    1. большое количество датчиков
    2. погрешность измерения
    3. непонятный результат при переходе на автономное энергообеспечение (авария на подстанции) и возврат к нормальной работе
    Требовалось снимать данные непосредственно с центра коммутации энергии — инвертора, а еще лучше с инвертора и солнечного контроллера, ведь солнечный контроллер знает о количестве поступившей энергии от солнца, а инвертор знает вообще обо всей потраченной энергии, в том числе, сколько энергии пришло из сети, а сколько от солнца.
    Оказалось, что подобная работа уже проделана и даже готова программная среда для подсчета энергии. Наткнулся я на довольно большую проделанную работу по данному адресу. Система работает на базе Linux, поэтому можно приспособить практически любой старый компьютер или же приобрести под это дело Raspberry Pi, который взял за основу создатель системы. В этом случае все проблемы совместимости и программно-аппаратные проблемы пришлось бы отслеживать самостоятельно. Приятной новостью стало то, что компания «Микроарт», технику которой я у себя установил, поддержала этот проект и даже выпустила готовый комплект: Программно-аппаратный комплекс «Малина». То есть готовое устройство из коробки, которое достаточно подключить и пользоваться.

    Сам комплект состоит из:
    1. Raspberry Pi 2 Model B 1GB
    2. Clear Case for Raspberry Pi Model B+ [512] RASPBERR (корпус)
    3. ADAPTER USB2100 ROBITON (Зарядное устройство)
    4. Кабель USB2.0 AM/microB 5P 1.0 метр (питание)
    5. USB drive 16Gb (с предустановленным ПО)
    6. Карта памяти TransFlash 16Gb MicroSDHC Class 10 (с предустановленным ПО)
    7. Кабель интерфейсный USB 2.0 AM/BM (МАП)

    Выглядит это следующим образом:



    Что он умеет:
    1. Считать приход энергии от солнца
    2. Считать расход энергии от аккумуляторов
    3. Считать количество солнечной энергии подмешанной к сетевой
    4. Считать расход сетевой энергии
    5. Считать количество энергии, потраченной от аккумуляторов
    6. Вычислять реальную остаточную емкость аккумуляторов
    7. Хранить все данные в БД и строить любые графики расхода энергии
    8. Удаленно управлять электросистемой

    На последнем пункте хочется остановиться подробнее.
    Подключить «ПАК МАЛИНА» можно к сети как посредством обычного Ethernet шнурка, так и воткнув в соответствующий порт USB модем. В настройках есть необходимые пункты для активации модема и настройки SMS команд. Кроме того, что можно управлять внутренними процессам контроллера, можно управлять силовыми реле, установленными в солнечном контроллере, а значит и удаленно управлять устройствами в доме.
    Кроме того, если были выбраны LiFePO4 аккумуляторы, то в комплекте с ними обязательно шел модуль BMS, призванный выравнивать напряжение на ячейках, чтобы аккумуляторы не разбалансировались. Наблюдать за состоянием ячеек и управлять этой системой можно также через графический интерфейс.

    Построение графиков позволит выявить лишний расход энергии и распределить нагрузку по времени.



    На графике отчетливо видно, что постоянное энергопотребление дома составляет не менее 300-400 Вт*ч. Если такой расход кажется неоправданно большим, то можно по сегментам вычислить ненужные потребители: это может быть аудио-видеотехника в режиме ожидания, работающая постоянно вытяжка или какой-нибудь насос.
    К примеру, при помощи ваттметра, я выяснил, что проектор и акустическая система в режиме ожидания потребляют порядка 20 Вт постоянно, компьютер в режиме сна потребляет 17 Вт и так далее.

    image

    Если же перейти к графику выработки энергии от солнца, то очень хорошо видно, когда появилось солнце и снизилось потребление энергии от сети. Именно так работает гибридный инвертор: максимум мощности в сеть подается от солнца и только недостающая мощность добирается от общей электросети.



    Общий интерфейс управления позволяет в реальном времени наблюдать состояние всех систем: потребление от сети, состояние аккумуляторов и выработку энергии от солнечных панелей и\или ветроэлектростанции.



    Проведя такой анализ, можно зачастую вдвое сократить энергопотребление, тем самым снизив счета за электроэнергию. Если же имеются установленные солнечные батареи, можно аналогично рассчитать время максимального прихода энергии от солнца и на это время назначать самые энергоемкие задачи, как то: стирка, глажка, работа электроинструментом, включение посудомоечной машины. Большинство приборов позволяют устанавливать таймеры работы, поэтому выгоднее устанавливать работу на время максимального солнца или ночью, если солнечных батарей нет и действует ночной держим.

    Скриншоты интерфейса ПАК Малина





















    Послесловие


    Управлять домашней энергосистемой так же просто, как управлять домашним роутером. Достаточно единожды внести настройки, установить пограничные значения, в случае наступления которых придет SMS уведомление и просто продолжать пользоваться электричеством. Анализ графиков энергопотребления позволит оптимизировать свои расходы и пользоваться энергией максимально комфортно. Солнечная энергетика становится не только доступнее, но и проще с каждым днем. Да прибудет с вами Солнце!
    Поделиться публикацией
    Комментарии 20
      0
      Компьютер в режиме сна 17Вт? Что за бред?
        0
        Ничего удивительного. Попробуйте замерить сами потребление системника с монитором в режиме ожидания
          0
          Попробую сегодня вечером. Но у меня включенный монитор 15Вт ест (который wacom cintiq), так что в standby в 17Вт мне верится со скрипом.
          0
          Угу. Вообще не в коня овёс.
            0
            Может он считал вместе с монитором, который не успел «заснуть»?
              +1
              Если это обычный системник, то обычные компьютерные БП при работе в области минимальной мощности имеют очень фиговый КПД. Который обычно даже не регламинтируется и не указывается в характеристиках (там обычно ватт 50 как минимум).

              В результате вполне может само железо потребрять 5-7 Вт на 5/12в постоянного, а остальное теряться в БП и из 220в сети сосать в 3 раза больше.
              +1
              Пришло лето
              наконец-то
                +2
                Отличное решение для бесперебойной поставки электроэнергии в дома с проблемным подключением, но о какой экономии может идти речь, когда суммарная стоимость железа приближается к 300000 рублей? С точки зрения «экономии» это неокупаемое решение в принципе. Выработает свой ресурс гораздо раньше.
                  +2
                  В моей деревне, всего в 5 км от города, электроэнергию отключают кадый месяц не менее, чем на сутки. Неоднократно наблюдал напряжения в сети по фазам 180, 212, 245В, а однажды было 0,0, 130В. Данная система уже неоднократно окупила себя просто спасая мою электронику дома и продукты в холодильнике. Да и понимание того, что в любой момент времени у меня дома есть электроэнергия, дорогого стоит.
                    +1
                    В аккумуляторной (автономной) системе отработать свой ресурс могут только аккумуляторы, т.к. в режиме циклирования гарантированный срок работы — около 200 циклов (опять же, смотря какова глубина разряда). Всё остальное будет работать намного дольше.
                    А по поводу «экономии» — Вы судите по городскому тарифу в 3,5-4 рубля (в среднем) за киловатт-час. Но есть объекты, где стоимость кВт*ч приближается к 50 рублям. Там такая электростанция при умеренном потреблении окупается за 3-5 лет
                      0
                      Вы полагаете, что все перечисленное оборудование (инвертор, стабилизатор, контроллер, солнечные панели) имеют неограниченный ресурс? :)
                        0
                        Что вы, конечно же, нет
                          0
                          На инверторы гарантия 2 года, а на солнечные панели — 12 лет. Срок службы солнечных батарей более 25 лет (после 25 лет КПД падает на 20%, но сами батареи продолжают работу)
                            0
                            Без учета стоимости панелей цена окупаемостью всё равно не страдает. Решение только для обеспечения электронезависимости, а не экономии. Хотя даже для полной независимости небольшого дома надо и количество панелей увеличивать и независимые от солнечного света источники добавлять.
                              0
                              Речь в данном случае идет об учете энергии и удаленном управлении системой. Ниже z-oleg описал реальный случай, когда комплект стабилизаторов и инверторов позволил не заметить «отвалившуюся» фазу. В данном случае оборудование окупается сразу в момент наступления такого события, поскольку вероятность выхода из строя всех электроприборов в доме стремится к 100%. Вдобавок к этому есть резервное питание на случай внезапного и полного отключения электроэнергии.
                      +1
                      Указанный софт от Микроарт к сожалению не совсем точно учитывает потребление… У меня трехфазная система из 3-х штук MAP и 3-x стабилизаторов + солнечные панели. Для контроля я плюнул на штатное ПО и поставил полноценное АСКУЭ до и после системы, оно пишет получасовки и ведет свою статистику… Так вот оказалось, что на собственные нужды + потери системой в сумме по трем фазам «съедается» примерно 90 Вт в час при нагрузке порядка 1 кВт на каждую фазу, примерно по 30 Вт/ч по каждой фазе (т.е. теряется примерно 2 кВт/ч в сутки, примерно 60-70 кВт в месяц — и эти потери ПО не показывает и не учитывает). Как следствие, если скажем за день солнечные батареи вырабатывают 5 кВт/ч, то штатное ПО покажет эти 5 кВт, но реально то за сутки будет 5-2=3. А если далее будет 2-3 пасмурных дня, то выработки энергии не будет почти никакой, а потери никуда не исчезнут. Следовательно вместо ожидаемой генерации скажем в 150-200 кВт/ч в месяц реально получается в два раза меньше. Подозреваю, что на любом мощном инверторе и стабилизаторе картина будет совершенно идентичной — чудес не бывает, легко предположить, что если КПД связки «инвертор + стабилизатор» 98-99%, то при нагрузке 1-2 кВт и получим те самые 20-30 Вт потерь. Следовательно, в режиме «подкачки» энергии от солнечных батарей при дешевой энергии от сети окупаемость системы будет измеряться десятилетиями… но при этом система будет отменным бесперебойником, который скомпенсирует затраты на собственные нужды и потери, и аккумуляторы там проживут десятилетиями, так как почти не используются.
                        0
                        при этом система будет отменным бесперебойником, который скомпенсирует затраты на собственные нужды и потери, и аккумуляторы там проживут десятилетиями, так как почти не используются.

                        и это замечательно. Остаётся только убедить в этом «русских мужиков, живущих сегодняшним днём». У нас же народ думает как? За десять лет все три раза поменяется и неизвестно ещё где я буду. А уж про дом/дачу — и говорить нечего
                          0
                          Совершенно верно. Добавить к этому могу то, что кпд аккумуляторов далеко от 100%, а значит на заряд батарей уйдёт больше энергии, чем мы сможем потребить из них. Да и поддерживающий заряд требует какое-то количество энергии. Зато в случае внезапного отключения я не останусь с пустыми батареями.
                          Может быть опишите свою систему и опыт эксплуатации? Тем более, раз у Вас сделано трёхфазные резервирование.
                          p.s. на инверторы вышла 22 прошивка, а до нг ожидается новая-отточенная.
                            0
                            >>Может быть опишите свою систему и опыт эксплуатации?
                            Опишу конечно. У меня система по сути полностью повторяет рекомендованное производителем трехфазное решение (там на сайте есть схема, «Трёхфазный комплекс на основе МАП SIN Энергия HYBRID»). Стабилизаторы на 4.5 кВт, инверторы на 4.5 кВт 48В. Из интересного/нестандартного стоит отметить:
                            — я переделал кабели от инверторов к АКБ — сзади внутри стойки с инверторами я закрепил две мощные медные шины, штатные кабели "+" и "-" от инверторов укоротил и прикрутил к шинам. Соответственно шины кабелем с сечением 140 мм.кв. (два кабеля 70 мм. кв. в параллель) подключены к АКБ на 48 вольт, которые стоят рядом в отдельной стойке.
                            — аккумуляторы тягловые панцирные, заправлены фирменным электролитом и снабжены пробками-рекуператорами. Реклама не врет, решение действительно получается необслуживаемое, я раз в полгода проверяю уровень электролита, замеряю плотность рефрактометром и проверяю напряжение на банках. Запаха от АКБ в закрытом помещении нет, но рисковать я не стал и подвел приточно-вытяжную вентиляцию.
                            — солнечные панели у меня монокристалл, 200 Вт, 16 штук. Соединены они последовательно по три штуки, закреплены строго вертикально (чтобы не бороться с пылью и снегом), одна батарея подключена отдельно и заряжает АКБ на 12В для аварийного освещения. Основная группа батарей строго на юг, и еще две — на восток и на запад (у меня в итоге генерация начинается летом в 6-7 утра, и до 6-7 вечера, группы развязаны диодами). Генерации батарей хватает на поддерживающий заряд АКБ, компенсацию потерь в системе и плюс остается еще примерно до 80-150 кВт/ч в месяц летом, 30-70 кВт/ч осенью/зимой — их MAP подкачивает в нагрузку. Контроллер ECO Энергия MPPT Pro
                            — на «родное» ПО я плюнул, сначала для опроса МАП сделал «наколенное решение» в виде микроконтроллера, который опрашивает через COM порт MAP-ы и отдает по запросу в «умный дом» сведения о их состоянии в формате XML (протокол обмена с MAP не секретный, «а-ля Modbus», но довольно корявый… что мешало отдать данные скажем в читабельном и универсальном JSON/XML, для меня осталось загадкой. Равно как применение RS-232 в силовой технике, где логичнее бы применить RS-485. И отсутствие адреса устройства в протоколе, что приводит к необходимости использовать 3 COM порта для опроса). Для точных замеров у меня применяется АСКУЭ — трехфазные счетчики стоят до и после системы.
                            — перед системой стоит рубильник на 3 положения, позволяющий включить нагрузку через систему, напрямую, или вообще отключить. Очень важное дополнение, так как при прошивке MAP приходится разрывать их связь, система перестает быть трехфазной на время, процесс прошивки не быстрый, так как по очереди необходимо прошить все три MAP, а потом восстановить их настройки.
                            Из проблем и особенностей могу отметить следующее:
                            — первый запуск закончился оглушительным хлопком, вспышкой, и выбиванием автоматов :) Оказалось, на заводе при сборке стабилизатора перепутали провода «выход-фаза» и «выход-0». Последствия думаю понятны — при соединении выход оказался соединен с землей и наоборот. Производитель воспринял это как должное, мысли предложить заменить стабилизатор у поддержки даже не возникло
                            — стабилизатор при включении создает мощную кратковременную нагрузку на сеть, индуктивного характера — это нужно учитывать при слабой проводке
                            — были проблемы с прошивкой, пришлось на старый ноутбук ставить XP, из Win8 прошивка не хотела идти как положено
                            — оказалось, что перед прошивкой необходимо отключить кабели синхронизации между MAP и главное — отключить кабель связи между контроллером MPPT и MAP. В инструкции по прошивке MAP этого естественно нет (точнее не было — после моего случая вроде дописали), в итоге прошивка закончилась успешно, а перезапуск устройства после нее — взрывом, в прямом смысле этого слова, с огнем, грохотом и ядовитым дымом :) в контроллере MPPT где-то произошел пробой, что привело к замыканию АКБ через плату MPPT, а предохранители там не предусмотрены. Спасло наличие мощных кусачек под рукой… и тот факт, что корпус MPPT толстый и огонь оттуда особенно не вылезет, хотя дым и расплавленное олово летели фонтаном. Плата контроллера MPPT выгорела, все не доходят руки послать MPPT на завод для «трепанации», чтобы хоть понять, в чем причина была. После это желание ставить опыты с установкой новых прошивок у меня отпало… MPPT был уже не гарантийный, поэтом я не стал ругаться с производителем и просто купил новый. Это единственный значимый инцидент за примерно полтора года работы оборудования, в остальном оборудование работает без глюков и поломок
                            — при пропадании сети переход на генерацию происходит медленнее примерно в 2 раза, чем у обычного бесперебойника. Из практики на работу ПК, телевизоров и прочей техники эта особенность никак не сказывается, но если после MAP стоит ИБП, то он успевает отреагировать на переключение (собственно потому он там и стоит, для защиты особо ценного оборудования).
                            — был интересный случай, когда в результате аварии в сети возник перекос фаз, на одной фазе было примерно 40В, на другой — около 300. Стабилизатор снизил напряжение с 300 до приемлемого уровня, MAP на фазе с низким напряжением перешел на генерацию от АКБ, а два соседних начали подкачивать в АКБ ток, примерно равный потреблению первого. В итоге на выходе было нормальное напряжение по всем трем фазам, и АКБ не разряжался — мне такое поведение понравилось, ведь в принципе в такой ситуации система вполне могла бы тупо уйти на работу от АКБ до восстановления сети. Аналогично система ведет себя при пропадании одной из фаз.
                              0
                              -Из под Win8 прошиваюсь нормально с последними программами, а до этого делал эмуляция (WinXP SP3) и запуском с правами администратора.
                              — Взорвавшийся контроллер я бы отправил — это и работа над ошибками у производителя, а может и новый выдадут.
                              — Случай с перекосом фаз и последующая отработка техники шикарна — без стабилизаторов и ИБП что-то бы точно сгорело при 300 Вольтах.

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое