Hallo Habr! Mein Name ist Yaroslav Medoks, in Sbertekh beschäftige ich mich mit Technologien des Unternehmensinvestitionsgeschäfts. In dieser Notiz werden wir über ein sehr gewöhnliches Vorstadthaus in der Nähe von Moskau sprechen, das nach Lust und Laune seines Besitzers zu einem Testgelände für die Prüfung von Solarenergie wurde.
2008 hatte ich das Glück, ein Haus in SNT in der Nähe von Moskau zu kaufen. Während des Siedlungsprozesses stellte sich heraus, dass der Strom regelmäßig für verschiedene, meist kleine Zeitintervalle abgeschaltet wurde. Dies verursachte erhebliche Unannehmlichkeiten, da das Haus komplett elektrisch ist und kein Gas vorhanden ist. Und wenn alles elektrisch ist, zum Beispiel Heizen oder Kochen, dann brauchen Sie für ein volles Leben eine ziemlich große Spitzenleistung. Sagen wir mindestens 6 kW. Ein Generator fällt sofort als Notstromquelle ein. Ein Generator mit einer solchen Leistung ist jedoch eine sperrige, laute und unangenehm riechende Struktur, weshalb er nur bei längeren Ausfällen als alternative Quelle angesehen wurde. In der Zwischenzeit wurde beschlossen, einen Wechselrichter und Batterien zu verwenden, um einen komfortablen Aufenthalt in einem Landhaus zu gewährleisten. Das heißt, mache eine Art UPS, aber für das ganze Haus. Auf den ersten Blick ist die Aufgabe recht einfach.
Je weiter im Wald, desto mehr Brennholz, wie man sagt. Da eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bei einer solchen Spitzenleistung kein billiges Vergnügen ist, musste ich das Thema sorgfältig studieren, um mich nicht zu irren. Wählen Sie beispielsweise den Batterietyp aus, bestimmen Sie die Mindestkapazität und wählen Sie den Wechselrichtertyp aus. Und wenn mit Batterien alles mehr oder weniger klar ist, gibt es viele Wechselrichter, auch russische. Hier werde ich einen kleinen Exkurs machen. Zusätzlich zu regelmäßigen Stromausfällen war jedes Haus im Dorf in Bezug auf die maximale Leistung, die aus dem Netzwerk bezogen werden kann, sehr begrenzt. Und dann kam die Idee: Schalten Sie bei Spitzenlast auf den Wechselrichter um und hängen Sie nicht von einem instabilen 220-V-Netzwerk ab.
Zusätzlich zur Leistung, einer sinusförmigen Form der Ausgangsspannung und einem automatischen Neustart, bestand daher die Notwendigkeit, automatisch auf den Wechselrichter umzuschalten, wenn der Schwellenwert des Stromverbrauchs überschritten wird. Die Reichweite der Geräte hat sich stark verringert. Es stellte sich heraus, dass es in unserem Markt fast das einzige Modell (2010) gibt, das nicht nur auf Generierung umschaltet, sondern auch weiß, wie das Netzwerk unterstützt werden kann, d. H. Fügen Sie die vom Netzwerk empfangene Leistung mit Invertible hinzu. Dies ist ein Xantrex XW-Modell. Dies ist kein Wechselrichter, sondern ein Kunstwerk: Es verfügt über zwei 220-V-Eingänge - ein Netzwerk und einen Generator mit automatischem Generatoreingang, viele Einstellungen für Batterien und verschiedene Schwellenwerte. Es gibt eine Lastrasurfunktion, die Energie an das Netzwerk zurückgibt, und viele andere nützliche Funktionen. Vor allem aber wird dieser Wechselrichter zunächst als Zentrum des Stromversorgungssystems des Hauses betrachtet. Dieses Zentrum kann nicht nur Energie aus dem Netz und dem Generator beziehen, sondern auch aus alternativen Quellen - von Sonne, Wind, Mini-Wasserkraftwerk usw.
Zu diesem Zweck werden dem System geeignete Energiewandler und -regler hinzugefügt, die zu einem proprietären Xanbus-Netzwerk zusammengefasst werden und zusammenarbeiten.
Im Allgemeinen wurde, wie es sich für einen systemorientierten IT-Spezialisten gehört, die Wahl zwischen dem „anspruchsvollsten“ Xantrex XW6048-Wechselrichter und vier in Reihe geschalteten 200-Ah-Batterien mit AGM-Batterien getroffen. Dies ist die Lösung für das Problem im Moment und hat die Zukunft berührt, aber für dieses Geld ist es nicht schade. Und genau in diesem Moment wurde das Erscheinen von Sonnenkollektoren auf dem Dach nur eine Frage der Zeit und nicht der Frage „notwendig oder nicht?“. Dies wurde auch durch die erfolgreiche Konfiguration des Daches erleichtert: eine Neigung von etwa 45 Grad und Ausrichtung nach Süden. Der Benzingenerator erschien jedoch früher :)
Es ist zu beachten, dass der Generator in einigen Jahren nur ein paar Mal gestartet wurde und die meisten Stromausfälle von einem Wechselrichter mit Batterien pariert wurden. Für maximalen Komfort wurde eine auf dem Arduino basierende automatische Startsteuerung und eine einfache Relaisautomatisierung zum Trennen nicht reservierter Lasten (z. B. Dorne auf einer Baustelle oder ein beheizter Handtuchhalter) hergestellt. All dies wurde im Jahr 2010 installiert.
Wie bereits erwähnt, war das Erscheinungsbild von Sonnenkollektoren vorbestimmt. Im Jahr 2014 erschienen 6.320-Watt-Einkristall-FSM-320M-Panels.
Sie sind im Internet leicht zu finden. Die auf diese Weise installierte Gesamtleistung beträgt 1920 Watt. Wie Sie sich erinnern, kann ein Hybrid-Wechselrichter Energie aus dem Netzwerk und den Batterien hinzufügen, sodass der maximale Stromverbrauch nicht mit der maximalen Leistung der Panels übereinstimmen muss. Neben Panels mit Drähten, Steckern und Sicherungen benötigte ich natürlich auch einen MPPT-Controller * aus derselben Ausstattungslinie, der sich jedoch bereits unter der Leitung von Schneider Electric befand. Es ist wiederum über einen Xanbus mit einem Wechselrichter verbunden und stellt den gemeinsamen Betrieb von Geräten sicher, wodurch der Verbrauch aus dem Netzwerk bei Sonneneinstrahlung automatisch reduziert wird.
Abbildung 1 Vergleich der von der Sonne und einem 220-V-Netz empfangenen Energie. Der Zeitraum ist Februar-Dezember 2016.Hier sind einige Zahlen. Die spürbare Energieerzeugung beginnt im Februar und dauert bis Oktober. Das Balkendiagramm zeigt Statistiken für 2016 (außer Januar). Die orange Farbe zeigt an, wie viel Energie (Wh) von der Sonne empfangen wird, und blau - wie viel vom Netzwerk empfangen wird. Offensichtlich ist der Übergang zur Sonne auch im Sommer nicht möglich. Befindet sich jedoch Gas im Haus, können die energieintensivsten Prozesse: Heizen, Warmwasser und Kochen vom allgemeinen Gleichgewicht ausgeschlossen werden. Dann können Sie im Sommer komplett von Solarstrom leben.
Noch ein paar Zahlen. Auf den Gipfeln kann die von der Sonne empfangene Leistung bis zu 2200 Watt erreichen. Dies geschieht in der Regel bei kühlem, aber sonnigem Wetter, beispielsweise im April oder im Sommer und Herbst. Tagsüber ist es möglich, bis zu 12 kWh maximalen Strom zu sammeln, während die Spitzenleistung selten 1600 Watt überschreitet. Es sollte auch beachtet werden, dass das Potenzial der Sonne nicht ausgeschöpft wird, wenn die Batterien aufgeladen sind und die Last im Haus gering ist. Im Ausland können sie überschüssige Energie an das Netzwerk verkaufen und dabei 100% Sonnenkollektoren verwenden. Es ist zu hoffen, dass eine ähnliche Praxis auch in unserem Land legalisiert wird, dann wird dies einen guten Impuls für die Entwicklung der Solarenergie geben.
Auf die eine oder andere Weise, aber mit dem Aufkommen von Sonnenkollektoren waren zeitweise kurze Stromausfälle nicht mehr beängstigend. Wenn es ein ähnliches System mit einer alternativen Quelle und Batterien gibt, reicht es im Allgemeinen aus, einen zusätzlichen Notstromgenerator mit geringem Stromverbrauch, z. B. 1,5 kW, zu haben, der das Aufladen der Batterien und einen minimalen Verbrauch im Haus ermöglicht. Und die Spitzen können vom Wechselrichter aus den Batterien abgedeckt werden.
Solarstrom ist jedoch nicht der einzige Weg, um Energie aus der Sonne zu gewinnen. Es gibt eine effizientere, nämlich die Sammlung von Sonnenwärme mit speziellen Kollektoren. Sie sind in südeuropäischen Ländern sehr verbreitet. Diese Methode wird besonders attraktiv, wenn kein Gas zum Heizen und Warmwasser vorhanden ist. Mit Hilfe von Kollektoren kann Wärme ohne zusätzliche Umwandlungen direkt gewonnen werden. Die Haupttypen von Kollektoren sind Vakuum und Flachkollektoren. Vakuum hält die Arbeitskapazität im Winter flach, billiger und arbeitet im Sommer besser. Es bleibt zu entscheiden, was gewählt werden soll und allgemein über die Installation zu entscheiden. Nachdem ich Bewertungen über die Arbeit verschiedener Solarkollektoren und darauf basierender Systeme gelesen hatte, entschied ich mich, ein ähnliches System zu installieren. Da Solarenergie für mich keine Frage des Überlebens im Winter ist, habe ich mich für Flachkollektoren der russischen Produktion olarSolar entschieden. Auf dem Dach neben den Sonnenkollektoren befinden sich 2015 zwei Kollektoren. Nach Angaben des Herstellers beträgt die Leistung solcher Kollektoren etwa 1,5 kW, d.h. Die installierte Leistung betrug ca. 3 kW. Es erwies sich als noch leistungsstärker als die installierten elektrischen Solarmodule.
Die Installation eines Solarkollektors ist im Vergleich zu einem Solarmodul eine schwierigere Aufgabe, da es viel mehr Möglichkeiten gibt, ihn in das Wärmeversorgungssystem eines Hauses zu integrieren. Beispielsweise kann es nur für Warmwasser oder als zusätzliche Wärmequelle in einem Heizsystem verwendet werden. Verschiedene Zwischenoptionen sind möglich. Gleichzeitig ist es notwendig, ein Einfrieren des Systems im Winter sowie eine Überhitzung des Systems mit zu heißer Sonne im Sommer auszuschließen. Und brauchen noch Schutz vor Verbrennungen mit heißem Wasser. Nun, und natürlich ist es notwendig, isolierte Rohre zu verlegen, eine Pumpstation und einen Ausgleichsbehälter zu installieren, an einen Wärmetauscher anzuschließen und die Steuerelektronik zu installieren. Ich habe diese ganze Arbeit einem spezialisierten Unternehmen anvertraut. Und er legte in Absprache mit Fachleuten das grundlegende Arbeitsschema fest. Das Ziel (zusätzlich zum technischen Ventilator) ist einfach: Energie bei der Aufbereitung von Warmwasser und Heizung zu sparen. Ich möchte Sie daran erinnern, dass kein Gas ins Haus gebracht wurde.
Abbildung 2 Harmonisiertes Schema einer Solarstromanlage.Das zentrale Element des gesamten Systems ist ein 300-Liter-Heißwasserkessel mit zwei Wärmetauscherspulen. Seriell angeschlossene Solarkollektoren sind an den unteren Wärmetauscher angeschlossen. Und dies ist der einzige "Einstiegspunkt" für Sonnenwärme in das Heizsystem und das Warmwasser. Die Sonne erwärmt das Wasser im Kessel, heißes Wasser steigt auf und gibt Wärme an den zweiten oberen Wärmetauscher ab, der in Reihe mit dem Einkreis-Hausheizungssystem geschaltet ist. So haben wir in der Heizungsanlage zwei vollständig isolierte Stromkreise - Solar- und Hauptstromkreise mit einem Elektrokessel. Sie sind mit Frostschutzmittel gefüllt und in der Sonne - speziell mit einem breiten Bereich von Betriebstemperaturen. Und Wärme wird durch das Wasser des Warmwassersystems ausgetauscht. Infolgedessen erhalten wir an einem sonnigen Tag sowohl heißes Wasser als auch Wärme zum Heizen. Und auch im Sommer ist eine Heizung erforderlich, beispielsweise für ein Badezimmer. Auf dem Weg dorthin wird durch die Auswahl der Wärme im Heizsystem die Aufgabe gelöst, den Kessel vor Überhitzung zu schützen. Für alle Fälle ist jedoch vorgesehen, die Umwälzung von heißem Wasser zu erzwingen, um überschüssige Wärme abzuleiten. Mit Blick auf die Zukunft möchte ich sagen, dass die Temperatur des heißen Wassers während der Beobachtung des Systems nicht über 60 Grad Celsius gestiegen ist. Das resultierende System hat die folgenden Eigenschaften:
- Unabhängige Wärmequellen sind in einem einzigen System integriert: einem Solarkollektor, einem Elektrokessel und einer Heizung.
- An einem sonnigen Tag wird der Stromverbrauch zum Heizen von Wasser und Heizen reduziert.
- Im Kessel wurde ein Wärmespeicher bereitgestellt, um den Betrieb des Heizungssystems zu glätten und das Haus während eines kurzfristigen Stromausfalls mit Wärme zu versorgen. Darüber hinaus ist diese Eigenschaft auch im Winter (wenn keine Sonne vorhanden ist) relevant, da das Wasser durch die Rücklaufleitung des Heizungssystems durch den oberen Wärmetauscher des Kessels erwärmt wird. Wenn der Kessel ausgeschaltet ist, gibt Wasser Wärme an das Heizsystem ab.
- Die Zeit zum Aufwärmen des Hauses in der Nebensaison wurde verkürzt. Darüber hinaus steigt die Durchschnittstemperatur im Haus während einer Zeit der Abwesenheit von Bewohnern und schaltete die Heizung aus.
- Der Gesamtanteil der Sonne an der Energiebilanz des Hauses stieg von 6-7% auf etwa 15-20%.
Wie Sie sehen, ist das System sehr effektiv, die Ziele werden erreicht. Bisher sind jedoch alle Aussagen qualitativ. Oder basierend auf Messungen, aber die Messungen selbst stehen nicht zur Erfassung, Analyse und Verwendung in Steuerungsalgorithmen zur Verfügung. Beispielsweise sind die Kühlmitteltemperaturen an verschiedenen Stellen im Solarkreislauf auf der Steuerung ablesbar, die die Umwälzpumpe steuert. Es sind aber nur dort verfügbar. Oder die aktuelle Kapazität und der „Tagesertrag“ von Solarstrom sind auch nur innerhalb des Xanbus-Netzes verfügbar (siehe oben) und werden nicht für eine integrierte Steuerung verwendet, die mit den Parametern des Heizungssystems verknüpft ist. Diese Umstände drängen auf die Suche nach Möglichkeiten zur Weiterentwicklung von Engineering-Systemen zu Hause. Um das Leben darin komfortabler und sparsamer in Bezug auf die Natur zu gestalten. Und gleichzeitig etwas Neues lernen.
Nun, wo man mit dem Setzen von Zielen anfangen soll, ist bereits klar. Zuerst müssen Sie lernen, wie Sie Temperaturen an verschiedenen Stellen im Heizungs- / Warmwassersystem messen, einschließlich des Solarkreises. Und noch vor der Suche nach der endgültigen Lösung besteht das Verständnis, dass die Angelegenheit nicht auf eine Dimension beschränkt sein wird. Aber mehr dazu im nächsten Artikel. Während ich zeige
Screenshot einer mobilen Anwendung, die Diagramme verschiedener Temperaturen zeigt, einschließlich eines Diagramms der Temperatur des Kühlmittels im Solarkreislauf.