Солнечная батарея на балконе: использование grid-tie инвертора

    Привет geektimes. В предыдущей части было рассказано о тестировании контроллера заряда. Днем батарея заряжается, вечером или ночью накопленный заряд можно использовать. Ту систему можно считать законченной, что-либо принципиально новое добавить в нее уже сложно. Все работает, текущей емкости батареи в 12ач хватает для вечернего освещения комнаты светодиодной лентой и зарядки разных гаджетов. Все работает, однако есть и недостатки:

    — Аккумуляторные батареи — достаточно дорогой и не совсем долговечный компонент.
    — Накопленную энергию банально некуда девать. За все время я ни разу не разряжал батарею более чем на 50%.
    — В солнечный день уже утром к 9-10 утра батарея полностью заряжена, соответственно, солнечные панели простаивают впустую.

    В итоге, настала очередь протестировать следующий, более современный и широко используемый подход — отдачу электроэнергии непосредственно в электросеть. Технология весьма актуальна, т.к. устраняет все вышеприведенные недостатки — электроэнергия отдается в домашнюю электросеть и потребляется другими устройствами.

    Как это работает, подробности под катом. Желающие также могут просмотреть краткую видеоверсию в youtube.

    Grid tie инвертор


    Схема подключения инвертора к электросети очень проста:



    По сути grid tie не сильно отличается от обычного преобразователя 12-220В, хотя есть несколько существенных отличий:

    — grid tie синхронизируется с периодами сетевого напряжения,
    — grid tie автоматически прекращает выработку, если сеть отключается (из соображений безопасности, например если сеть обесточили для ремонта),
    — grid tie может использовать технологию MPPT (maximum power point tracking) и находить точку отдачи максимальной мощности для солнечных панелей.

    Чем в итоге удобно использование grid tie?
    — Уменьшаются счета за электричество: потребление дома от городской сети уменьшается на величину, соответствующую выработке инвертора.
    — Уменьшается нагрузка на городскую электросеть.
    — Система проста в подключении и эксплуатации.

    На рынке есть 2 вида инверторов:

    — «Стандартные» (название условно), которые ставятся в доме, и к ним подается напряжение от панелей. Мощность может варьироваться от 250Вт до нескольких киловатт, цена вопроса от 60$ до 6000$.



    — Микроинверторы. Ставятся прямо на панель, таким образом прямо с панели получается сетевое напряжение 220В. Способ удобен тем, что не нужно тянуть толстые провода низкого напряжения, ну и надежность системы в целом получается выше.



    Система легко параллелится и расширяется, примерно так:



    В общем, все это достаточно интересно чтобы протестировать.

    Тестирование


    Перед тестированием «балконной» системы выявилась одна проблема — инверторов для такого малого масштаба просто не производят. Типичные параметры grid tie инвертора — мощность от 250Вт и напряжение панелей 22-65 или 45-90В. У меня же 2 параллельно соединенные солнечные панели по 50Вт давали 12-21В. Наконец, после поисков на ebay была найдена практически единственная модель с длинным названием 500W MPPT Micro Grid Tie Inverter 10.5-28V. Слово «micro» тут явно маркетинг, т.к. возможности крепления на панели не предусмотрено. Инвертор выглядит примерно так (фото со страницы продавца).



    И собственно, тестирование. Все просто, инвертор подключается в розетку через ваттметр, который удобен для оценки показаний. Солнечные панели выходят на восточную сторону, и уже в 9 утра при солнечной погоде выработка составила 30Вт.

    Все хорошо, я только успеваю порадоваться «до чего техника дошла», как слышу весьма громкий шум — в инверторе включился кулер. На габаритах инвертора китайцы сэкономили, и высокооборотный 40мм кулер дает такой шум и свист воздуха, что его слышно в соседней комнате. Конечно, в идеале обороты кулера должны были бы регулироваться в зависимости от температуры инвертора, но в моем случае это не работало. Т.к. использовать инвертор на полную мощность 500Вт я не планирую, то просто заказал другой, менее шумный кулер, которого для 100-200Вт вполне должно хватить.

    Кстати, внутренности инвертора выглядят так:



    Вот так нагреваются его части во время работы, температура компонентов до 40 градусов:



    Это в принципе немного, с другой стороны, и мощность всего лишь 1/10 от максимальной. Было бы интересно проверить его нагрев при полных 500Вт, но такой возможности нет.

    Другой недостаток проявился вечером, когда солнечные панели дают мало энергии — инвертор пытается включиться, загорается светодиод, но напряжение панелей от нагрузки проседает и он выключается, затем процесс повторяется снова. Вряд ли такие включения-выключения полезны для электронных компонентов, с другой стороны, ничего сильно страшного тут в принципе нет. Разработчики могли бы предусмотреть более интеллектуальный способ отключения инвертора, с другой стороны, это самая дешевая модель на рынке, да и работа от 100Вт панели для 500-ваттного инвертора не является штатной.

    Итог: судя по ваттметру, целиком за солнечный день в сеть со 100-ваттной панели было отдано 0.25КВт*ч. В ценах на электричество желающие могут пересчитать сами, как и срок окупаемости инвертора (его цена около 80$). Пиковая мощность, зафиксированная ваттметром, составила 65Вт, а средняя мощность в утреннее время (панели направлены на восток) 30-40Вт. (Теоретически, со 100-ваттной панели можно получить 80-90Вт мощности, если развернуть ее более правильным образом и использовать более толстые провода).

    Следующий день был пасмурным с дождем, и инвертор вполне ожидаемо, не запустился вообще. Он пытался включиться утром каждые 5 секунд, запуская при этом кулер, и «вззз-вззз» было слышно по всей комнате. В общем, с таким инвертором будильник по утрам точно не нужен. Хотя это не проблема инвертора как такового — во-первых, 500-ваттный инвертор просто не рассчитан на использование 100-ваттной панели, во-вторых, он не предназначен для установки в комнате.
    Когда дождь закончился и небо относительно прояснилось, инвертор запустился, отдаваемая в сеть мощность составила около 12Вт.



    Заключение


    Технология grid tie работает, почти как ожидалось, даже с небольшими панелями балконного размера. «Почти», т.к. мощности панелей недостаточно для работы инвертора на полную мощность. В то же время, даже в таком виде инвертор работает, отдавая в сеть энергию уже при 10-20Вт выработки. Для моих балконных панелей пиковая мощность, зафиксированная ваттметром, составила 65Вт, а средняя в утреннее и солнечное время суток примерно 30-40Вт.

    В ясный солнечный день в сеть со 100-ваттной панели было отдано 0.25КВт*ч. Кстати, 0.25КВт*ч это много или мало? Этого достаточно для 15 минут работы микроволновки, 30 минут работы компьютера, 24 часов работы светодиодной лампы или 2-3 использований небольшого электрического чайника.

    Однако показанный выше инвертор я не могу рекомендовать для балконной установки — лучше брать микро-инвертор, не содержащий кулеров, ну и мощность панелей должна составлять не менее 200Вт при напряжении 20-40В.

    PS: C отдачей электроэнергии в сеть есть еще один интересный вопрос — что будет если суммарная выработка панелей больше, чем потребляемая мощность?

    Ответ не так прост как кажется, тут есть 2 варианта.

    Если установлен обычный счетчик, то он просто считает энергию «по модулю», так что излишки энергии уйдут в общедомовую сеть к соседям, а счетчик просуммирует ее как потребленную — за отданную соседям энергию еще и придется заплатить (что конечно обидно).

    Современные счетчики умеют считать «экспорт» и «импорт» электроэнергии, эти пункты показаний есть отдельно в меню. В идеале, это должно учитываться при платежах и расчетах. Увы, возможность экспорта энергии в сеть в РФ пока что официально отсутствует. В Европе такая возможность разумеется, есть. Из стран СНГ реализация электроэнергии доступна в Армении, Украине, Казахстане и Белоруссии. Поэтому устанавливая grid tie инвертор, нужно либо рассчитывать мощность так, чтобы вся она потреблялась домашними устройствами, либо устанавливать дополнительный модуль (grid tie limiter), предотвращающий отдачу в сеть если она больше потребляемой. В России решить вопрос с экспортом электроэнергии обещали в 2018 году, как оно будет, пока неизвестно. Очевидно, что из всех проблем, это не самая насущная в стране, так что быстрого решения вопроса не предвидится. Пока что, как подсказывает гугл, в России есть только один дом, владелец которого в частном порядке оформил возможность экспорта энергии в сеть, но это скорее исключение. В случае балкона, о реализации излишков речи конечно не идет, но даже 50-100 ватт энергии вполне могут пригодиться для компенсации работы WiFi-роутера или мини-сервера, не говоря уже о холодильнике.

    Следующей в очереди на тестирование стоит батарея ионисторов, которую планируется использовать для накопления электроэнергии. Что из этого получится, я не знаю сам. Также планируется выложить на youtube видеодемонстрации работы системы, но это занимает больше времени чем планировалось.

    Продолжение следует.
    Поделиться публикацией

    Комментарии 47

      +1
      Стоит отметить, что КПД микроинверторов ниже, чем у «традиционных». Поэтому при установки большой системы (от пары кВт) имеет смысл ставить «взрослый» сетевой инвертор. Вопрос с потерями в проводах не актуален, т.к. серьёзные инверторы могут иметь рабочее напряжение 250-600В

      Отдельно можно упомянуть гибридные сетевые инверторы, которые ещё и к АКБ подключаются, и в случае пропадания сети — автоматом переключаются на резервное питание. Ну и в них появляется возможность включения разных интересных алгоритмов по использованию (и смешиванию) энергии из разных источников.

      C отдачей электроэнергии в сеть есть еще один вариант — установка лимиттеров (можно найти на Али вместе с некоторыми инверторами), которые не позволяют энергии «утекать» в сеть, если потребление ниже, чем генерация.
        0
        Да, спасибо, я не стал сильно усложнять. Про лимитеры упоминалось в конце.
          0
          у вас лишняя т… установка в своей квартире лимитера чревата большой ценой.
          +1
          Не смог не вспомнить статью о том, что и в России можно отдавать излишки в сеть:
          https://vc.ru/p/solar-power
          Доплачивать за это не будут, но счётчик «двухсторонний», т.е. отдав в сеть лишнее, вы получите «аванс» на отданное количество энергии.
          Итого, можно (и нужно) по итогам месяца выйти в 0, так как система тарификации не поддерживает уменьшение показаний в базе.
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
            0
            Не могли бы прояснить момент как конторолируют куда потечет выработанная энергия? В свой холодильник или к соседу? электронам ведь дорожный знак на перекрестке не поставишь.
              +4
              Представьте что у вас на входе в квартиру счетчик воды. Внутри квартиры к водопроводу подключили дополнительную емкость. Потребители расходуют воду как и раньше, но потребление квартирного счетчика уменьшается. Считать каждую молекулу нет нужды, важно лишь направление потока.
                0
                Дополнительная емкость это не аналогия. дополнительная емкость — это аккумулятор. Инвертор, скорее всего можно сравнить с дополнительным насосом и скважиной. Так вот, какая гарантия, что давление (напряжение) этого насоса в определенный момент не превысит давление (напряжение) на входе счетчика и вода (ток) не потечет в общую сеть? Электроны текут от большего потенциала к меньшему и если наш инвертор даст хотя-бы на 1 вольт больше чем в сети, то ток потечет наружу. Если же напряжение на инверторе упадет ниже сетевого, то на инвертор потечет ток из сети. Что-то тут не так… По-любому должна быть хитрость чтобы это предотвратить.
                  0
                  Ну да, аналогия напора воды это напряжение. Общая идея-то простая — если мы соединяем 2 батарейки параллельно, напряжение не увеличивается, а вот расход тока с каждой сокращается. Одна батарейка это сеть со счетчиком, вторая это инвертор.

                  Схемотехнически оно понятно хитрее, силовая электроника штука сложная.
                +1
                Что значит как потечет? Счетчик видит «направление тока» идущего через него и мотает в соответствующую сторону, если умеет. А что происходит в домой сети после на него совершенно не влияет, хоть 100 киловатт гоняй от солнечной батареи к кипятильнику.
                Можно конечно рассказать об учете полярности и направления тока и использовании этих данных счетчиком, но общий принцип понятен любому знакомому с электротехникой, а схематические тонкости это уже обычно для более специализированных ресурсов.
                  +1
                  В сети переменного тока уместней было бы говорить не о «направлении тока», а о «направлении потока мощности»
                    0
                    Не все счетчики видят направление потока. Вернее совсем немногие.
                      +1
                      Ну тут вопрос простой — зачем усложнять и удорожать конструкцию счетчика, если его установка и изначально не предполагала возможность подачи энергии в сеть? Даже в перспективе, передача энергии в сеть будет не слишком массовым явлением, и уж наверняка не в многоквартирных строениях.
                      P.S. Если не придумают копеечных панелей, развешиваемых везде где пожелаешь.
                        0
                        Если говорить о современных цифровых счетчиках, то особого усложнения и не требуется. Счетчик должен считать активную энергию, именно за нее мы платим. Для этого счетчик должен интегрировать на протяжении периода частоты сети мгновенную мощность, т. е. произведение мгновенных напряжения и тока. В случае изменения направления потока энергии результат интегрирования автоматически изменит знак, главное, чтобы прошивка счетчика правильно это обработала, а не посчитала за ошибку измерения.
                          0
                          С нынешним использованием процессоров в любом приборе сложнее кипятильника, в возможности наладить учет никто сомневаться не будет. Но отчего-то проходя по подъезду с 5 этажа до 1, «современных цифровых» не особо замечаю. Может они конечно умело маскируются под старые полу-механические, в чем возникают некоторые сомнения. Конечно такие постепенно вымрут, но это же не смартфоны, раз в год из-за моды не меняются.
                  0
                  А каким образом синхронизируются фазы (и напряжение) в таких устройствах?
                  Устройство «Grid tie» подстраивается под сеть?

                  И еще есть вопрос, возможно он покажется «нубским». Каким образом распределяется нагрузка между инвертором и сетью при их подключении.
                  Т.е. у нас есть инвертор, выдающий 300вт (в данный момент) и общая сеть 220В (пусть будет на 10000Вт). Мы включаем в сеть чайник 1000Вт. Будет ли чайник полностью утилизировать 300Вт инвертора, а остальное брать из сети? А если мы включим еще один чайник? Нагрузка распределится параллельно? И что будет с напряжением — в обычной сети возникают скачки при подключении мощной нагрузки. А если не чайник, а, к примеру, что-то с электродвигателем, что требует большой пусковой ток.
                    0

                    Если бы не подстраивалось, сгорело бы первым. Сеть с точки зрения инвертора бесконечная нагрузка, так что ловим переход через ноль на плюс да впихиваем туда все что запасено в магнитном поле выходного трансформатора, на минус то же самое ибо Н-мост.

                      –1
                      На части территории России слышал существует электрическая сеть с постоянным напряжением.
                      Для домовладельцев в зоне действия постоянной сети не нужен инвертор напрочь.
                      Простейшее устройство на базе рэле решит (а возможно, кто-то сообщит из Выборга, что и решает) все перечисленные в статье проблемы.
                      Но существуют целые страны, которым тоже инвертор не нужен: Великобритания, Япония.
                      Имеет ли кто сведения об успехах синтеза частных солнечных батарей, ветро-электростанций и газовых дизель — генераторов с местными электрическими сетями?

                  0
                  Да, именно так, если инвертор выдает 300Вт а чайник потребляет 1000, от городской сети будет потребляться 700. С двумя чайниками будет 1700. Инвертор в данном случае лишь «добавляет» свое напряжение в электросеть, пусковые токи ему не страшны в этом плане (в отличие от использования обычных батарейных инверторов 12-220).
                    0
                    Не всегда нужны большие мощности, но хочется более рационального использования того что есть. Например моему другу необходимо сделать систему автономного питания на яхте, есть солнечная панель на 50Вт и ветряк на 400Вт, пара автомобильных аккумуляторов. Необходим контроллер и отдающий в сеть (при движении под парусами необходим навигатор и холодильник должен работать) и при избытке заряжающий аккумуляторы. Желательно с каким-то дисплеем для контроля происходящего. Как может называться подобное устройство, на что смотреть? Яхта небольшая, увеличить генерирующую мощность невозможно, можно только подключить генератор от дизеля, но это кажется рискованно. У него свой аккумулятор для запуска и это вопрос выживания, поэтому вмешиваться не хочется.
                      0

                      Да любой контроллер подойдёт, лишь бы не заряжал аккумулятор больше 13.8 вольт. Даже тупо прямо провода на клеммы кинуть, но следить за напряжением. Для автомобильных стартерных батарей это ещё легкий режим, особенно если хоть раз в квартал плотность электролита контролировать.

                        0
                        Плотность электролита контролировать сложно, они необслуживаемые и гелевые.
                          0

                          Я бы не стал эксплуатировать на корабле гелевые, шибко требовательные они. Да и AGM в буферном режиме не больше пары лет гарантию имеют. Двухвольтовые панцирные банки надо брать, да где ж их возьмёшь. Хотите надёжности — контролируйте свой электролит! Кстати, в начале прошлого века были интересные показометры остаточного заряда аккумуляторов, на основе ареометра. В отличие от всех нынешних измерителей те работали правильно.

                            0
                            Двухвольтовые панцирные банки надо брать, да где ж их возьмёшь

                            видел в продаже у производителей инверторов МАП
                          +1
                          Стартерная батарея имеет(точнее сказать переживет) всего 50-150 циклов при 100% грубине разряда в цикле.
                            0
                            А много вообще батарей, которые нормально переживают 100% разряд?
                              0
                              Насколько помню, никель-кадмиевые (эффект памяти «обнуляется» как раз полным разрядом и полным зарядом, и это не сильно-то влияет на срок службы), серебряно-цинковые (но эти редки и дороги, к тому же общее количество циклов маловато будет), в ту же степь пойдут и железно-никелевые, там, правда, электролит менять надо.
                              относительно стабильно переносят полный цикл литий-железо-фосфатные аккумы, у них линия разряда ровная и грань между, скажем, 10 и 1% заряда составляет буквально десятую долю вольта, что не всегда корректно ловится контроллерами, особенно под нагрузкой. И тем не менее даже в таких условиях они показывают большое кол-во циклов, порядка 1500-2500 до 20%DOD
                                +1
                                Смотря что считать нормальным. Если просто больше циклов чем у стартерной, то практически любая литиевая химия подойдет для этого гораздо лучше чем любая свинцовая. Если аккумулятор стационарный(т.е. стоит где-то на месте и его вес и габариты не важны), то лучший вариант LiFePO4, если аккумулятор мобильный, то скорее всего смотреть из обычных LiCoO2, LiMn, LiNiCoMnO2 (грубо говоря, самые распространенные химии(которые многие называют «обычными Li-Ion») для аккумуляторов 18650).
                                  0
                                  Например литий-титанатные 10000-30000 циклов.
                              +1

                              Если хочется больше надёжности, аккумуляторы должны состоять из двухвольтовых раздельных ячеек. С контролем балансировки и температуры на каждой. Платиновые рекомбинаторы водорода работают только при плюсовой по цельсию температуре, но вещь в принципе
                              годная. То есть применительно к корабельному делу я бы рекомендовал кидать всю мощность на шины аккумуляторов, но раздельно левого и правого борта.

                              –1
                              Чтобы позанудствовать, возможность отдачи энергии в сеть есть, нет только тарифов для этого. Вот тот дом из гугла как раз-таки официально подключился и отдаёт.
                                0
                                Именно так, технически-то подключить не проблема, а вот реорганизация всех документов, платежек, введение тарифов и прочего, может занять не один год.

                                Про тот дом, как подсказывает гугл, его владелец генеральный директор «1С-Битрикс», его профиль есть на сайте forbes, ну не простой смертный, в общем. Думаю он оформил все это в индивидуальном порядке как филиал офиса своей фирмы, мини-электростанцию или что-нибудь в этом роде. Ну и вопрос цены там явно не стоял, делалось «из любви к искусству».
                                А так чтобы можно было просто придти в местный Энергосбыт, заполнить бумажку и перейти на тариф с отдачей в сеть, думаю несколько лет еще точно пройдет.
                                0
                                Сейчас в моде всё инверторное: стиралки, холодильники, кондиционеры. А каков КПД всех этих инверторов, учитывая что питать возможно приходится тоже через инвертор от солнечных батарей или аккумуляторов? Dc-dc конвертеры в 220 постоянки ещё не выигрывают?
                                  +1
                                  О городских сетях постоянного тока ни разу не слышал, про ЛЭП было где-то.
                                    0
                                    Потому что это очень дорогостояще.
                                    Во-первых, куча техники, которая питается от трансформаторов. Микроволновки 5-7 летней давности, вполне работоспособные, например. Пылесосы, фены… Холодильники опять же старые, кондиционеры…
                                    Что делать с бабушками, которые не способны все это заменить и сидят с допотопными ящиками и холодильниками днепр-2, а то еще и ЗИЛ?

                                    Короче, это весьма трудоемкий, ОЧЕНЬ дорогостоящий и технически не простой процесс перехода будет. А экономического эффекта как такового не будет, разве что в случае повального «опанеливания» всех и вся и перехода на режим «покупка-продажа» для рядового пользователя, когда излишки энергии сливаются в сеть…
                                      0
                                      Гипотетически, вопрос был в том, что может быть (хотя я не уверен) кпд dc-dc преобразователей выше чем у трансформаторов. Но да, даже если выиграется несколько процентов, суммарный экономический эффект будет отрицательным скорее всего.
                                        0
                                        Типичный полный КПД преобразователя типа недорогих китайских на базе XL6009 обычно находится в диапазоне от 80 до 95% в зависимости от некоторых факторов — тока нагрузки, разницы напряжений по входу\выходу, тока по входу и температуры.
                                        В среднем можно считать где-то около 88-92%, как говорится, не прогадаешь. Это в общем-то сопоставимо с трансформаторами (у тех тоже 85-90% приблизительно), но обычно серьезный выигрыш заключается в габаритах и массе.
                                        Впрочем, минусы — сложность, дороговизна, присутствие ВЧ-помех в недорогих моделях, спроектированных «абыкак»… Не то что бы перекрывают преимущества, но порой заставляют задуматься.
                                          0
                                          Вот кстати интересная штука — power pack на мегаватт с 3х фазным инвертором на 250кВт:
                                          Видео

                                  0
                                  Не напишете название применяемого вами инвертора и ссылку бы.
                                    0
                                    Название приведено в статье.
                                    0
                                    — grid tie автоматически прекращает выработку, если сеть отключается (из соображений безопасности, например если сеть обесточили для ремонта),

                                    А принудительно включить нельзя? Если обесточили не для ремонта, а где то произошла авария с таким инвертором останешься без электричества?
                                      0
                                      Штатно вроде нет. Но есть инверторы, способные заодно подзаряжать аккумулятор для резервного питания.
                                      0

                                      Если батарея заряжается так быстро, а сеть тотдать нельзя, то может подумать о механическом накомлении энергии? Пусть и с меньшим КПД. Гиря на цепи, через редуктор.

                                        +1
                                        Никакого запрета отдавать электричество в сеть в РФ нет. Просто счетчик (обычный) считает «по модулю», так что если вы отдаете больше чем потребляет ваш дом, то будете платить за излишки как за входящую энергию по текущему тарифу, что разумеется, бессмысленно.
                                        0
                                        По поводу 2018 года — это уже более-менее известная информация?

                                        Просто помню, как Дворкович предложил разработать проект закона до 1 апреля 2017-го (ха-ха, смешно). Не уверен, что даже проект на данный момент разработан.

                                        А до реализации в ФЗ даже от проекта в нашей стране могут пройти годы

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое