Hola Habr! Mi nombre es Yaroslav Medoks, en Sbertekh me dedico a tecnologías de negocios de inversión corporativa. En esta nota, hablaremos de una casa suburbana muy común cerca de Moscú, que, por capricho de su propietario, se convirtió en un campo de pruebas para probar la energía solar.
En 2008, tuve la suerte de comprar una casa en SNT en la región cercana de Moscú. En el proceso de establecimiento, resultó que la electricidad se apagaba regularmente durante diferentes intervalos de tiempo, en su mayoría pequeños. Esto causó un inconveniente considerable, ya que la casa es totalmente eléctrica, no hay gas. Y cuando todo es eléctrico, por ejemplo, calentar o cocinar, entonces para una vida completa necesita una potencia pico bastante grande. Bueno, digamos al menos 6 kW. Un generador viene inmediatamente a la mente como fuente de energía de respaldo. Sin embargo, un generador de tal potencia es una estructura voluminosa, ruidosa y de olor desagradable, por lo tanto, se consideró como una fuente alternativa solo en caso de interrupciones prolongadas. Mientras tanto, para garantizar una estancia confortable en una casa de campo, se decidió utilizar un inversor y baterías. Es decir hacer una especie de UPS, pero para toda la casa. A primera vista, la tarea es bastante simple.
Sin embargo, cuanto más se adentra en el bosque, más leña, como dicen. Dado que el suministro de energía ininterrumpida a una potencia máxima no es un placer barato, tuve que estudiar cuidadosamente el tema para no equivocarme. Por ejemplo, seleccione el tipo de batería, determine la capacidad mínima, seleccione el tipo de inversor. Y si todo está más o menos claro con las baterías, entonces hay muchos inversores, incluidos los rusos. Aquí haré una pequeña digresión. Además de los apagones regulares, cada casa en la aldea tenía una potencia máxima limitada de la red. Y luego surgió la idea: durante las cargas máximas, cambie al inversor y no dependa de una red inestable de 220V.
Entonces, además de la energía, una forma sinusoidal del voltaje de salida, reinicio automático, hubo una demanda de conmutación automática al inversor cuando se excede el valor umbral del consumo de energía. La gama de dispositivos se ha reducido considerablemente. Resultó que en nuestro mercado existe casi el único modelo (2010) que no solo cambia a generación, sino que también sabe cómo soportar la red, es decir. agregue la potencia recibida de la red con invertible. Este es un modelo Xantrex XW. Este no es un inversor, sino una obra de arte: tiene dos entradas de 220V: una red y un generador con entrada automática de generador, tiene muchas configuraciones para baterías, varios valores de umbral. Hay una función de afeitado de carga, que devuelve energía a la red y muchas otras funciones útiles. Pero, lo más importante, este inversor se considera inicialmente como el centro del sistema de suministro de energía de la casa, y este centro puede tomar energía no solo de la red y el generador, sino también de fuentes alternativas: del sol, el viento, la mini central hidroeléctrica, etc.
Para hacer esto, se agregan convertidores y controladores de energía apropiados al sistema, combinados en una red patentada de Xanbus y trabajando juntos.
En general, como corresponde a un especialista en TI con mentalidad de sistema, la elección se hace a favor del inversor Xantrex XW6048 más "engañado" y cuatro baterías de 200 Ah conectadas en serie de baterías AGM. Esta es la solución al problema en el momento y tocó el futuro, pero por este dinero no es una pena. Y fue precisamente en este momento que la aparición de paneles solares en el techo se convirtió en cuestión de tiempo, y no una cuestión de "¿es necesario o no?". Esto también fue facilitado por la configuración exitosa del techo: una pendiente de aproximadamente 45 grados y orientación hacia el sur. Sin embargo, el generador de gasolina apareció antes :)
Cabe señalar que en unos pocos años el generador arrancó solo un par de veces, la mayoría de los cortes de energía fueron detenidos por un inversor con baterías. Y para la máxima comodidad, se hizo un controlador de arranque automático basado en el Arduino y una automatización de relé simple para desconectar cargas no reservadas (por ejemplo, cenadores en un sitio o un radiador toallero). Todo esto fue instalado en 2010.
Pero, como ya se mencionó, la apariencia de los paneles solares estaba predeterminada. Y en 2014, aparecieron paneles FSM-320M de cristal único de 6.320 vatios.
Son fáciles de encontrar en Internet. La potencia total instalada de esta manera es de 1920 vatios. Como recordará, un inversor híbrido puede agregar energía de la red y de las baterías, por lo que el consumo máximo de energía no tiene que coincidir con la potencia máxima de los paneles. Además de los paneles con cables, conectores, fusibles, por supuesto, también necesitaba un controlador MPPT *, de la misma línea de equipos, pero ya bajo el ala de Schneider Electric. A su vez, se conecta a través de un Xanbus con un inversor y garantiza el funcionamiento conjunto de los dispositivos, reduciendo automáticamente el consumo de la red en presencia del sol.
Figura 1 Comparación de la energía recibida del Sol y de una red de 220V. El período es de febrero a diciembre de 2016.Aquí hay algunos números. La producción de energía notable comienza en febrero y dura hasta octubre. El gráfico de barras muestra estadísticas para 2016 (excepto enero). El color naranja muestra cuánta energía (Wh) se recibe del Sol y azul: cuánta energía se recibe de la red. Obviamente, la transición al sol es imposible incluso en verano. Sin embargo, si hay gas en la casa, entonces los procesos más intensivos en energía: calefacción, agua caliente sanitaria y cocina pueden excluirse del balance general. Luego, en el verano, puede vivir completamente con electricidad solar.
Algunos números más. En los picos, la energía recibida del Sol puede alcanzar hasta 2200 vatios, esto ocurre, por regla general, en clima fresco pero soleado, por ejemplo, en abril o al comienzo del verano y el otoño. Durante el día, es posible recolectar hasta 12 kWh de electricidad máxima, mientras que la potencia máxima rara vez supera los 1600 vatios. También debe tenerse en cuenta que si las baterías están cargadas y la carga en la casa es pequeña, el potencial del Sol se subutilizará. En el exterior, permiten vender energía excedente a la red, utilizando paneles 100% solares. Se espera que también se legalice una práctica similar en nuestro país, entonces esto dará un buen impulso al desarrollo de la energía solar.
De una forma u otra, pero con la llegada de los paneles solares, los apagones intermitentes ya no daban miedo. En general, si hay un sistema similar con una fuente alternativa y baterías, es suficiente tener un generador de respaldo adicional de baja potencia, por ejemplo, 1.5 kW, que proporciona la recarga de la batería y un consumo mínimo en la casa. Y los picos pueden ser cubiertos por el inversor desde las baterías.
Sin embargo, la electricidad solar no es la única forma de obtener energía del sol. Existe una más eficiente, a saber, la recolección de calor solar mediante colectores especiales. Son muy comunes en los países del sur de Europa. Este método se vuelve especialmente atractivo si no hay gas para calefacción y agua caliente. Con la ayuda de colectores, se puede obtener calor directamente, sin transformaciones adicionales. Los principales tipos de colectores son de vacío y planos. La aspiradora mantiene la capacidad de trabajo en invierno, plana, más barata y funciona mejor en verano. Queda por decidir qué elegir y, en general, decidir sobre la instalación. Después de leer reseñas sobre el trabajo de varios colectores solares y sistemas basados en ellos, decidí instalar un sistema similar. Como la energía solar no es una cuestión de supervivencia invernal para mí, elegí colectores planos de producción rusa Solar. Dos colectores se encuentran en el techo junto a los paneles solares en 2015. Según el fabricante, la potencia de estos colectores es de aproximadamente 1,5 kW, es decir, La potencia instalada era de unos 3 kW. Resultó aún más potente que los paneles solares eléctricos instalados.
La instalación de un colector solar es una tarea más difícil en comparación con un panel solar, ya que hay muchas más opciones para incorporarlo al sistema de suministro de calor de una casa. Por ejemplo, solo se puede usar para agua caliente sanitaria o como fuente de calor adicional en un sistema de calefacción. Varias opciones intermedias son posibles. Y al mismo tiempo, es necesario excluir la congelación del sistema en invierno, así como el sobrecalentamiento del sistema con demasiado sol en verano. Y todavía necesita protección contra quemaduras con agua caliente. Bueno, y, por supuesto, es necesario tender tuberías aisladas, instalar una estación de bombeo y un tanque de expansión, conectarse a un intercambiador de calor, instalar la electrónica de control. Confié todo este trabajo a una empresa especializada. Y determinó el esquema básico de trabajo en consulta con profesionales. El objetivo (además del ventilador de ingeniería) es simple: ahorrar energía en la preparación de agua caliente y calefacción. Déjame recordarte que no se ha traído gas a la casa.
Figura 2 Esquema armonizado de una instalación de energía solar.El elemento central de todo el sistema es una caldera de agua caliente de 300 litros con dos bobinas de intercambiador de calor. Los colectores solares conectados en serie están conectados al intercambiador de calor inferior. Y este es el único "punto de entrada" del calor solar al sistema de calefacción y al agua caliente sanitaria. El sol calienta el agua en la caldera, el agua caliente sube y emite calor al segundo intercambiador de calor de la bobina superior, que está conectado en serie al sistema de calefacción doméstica de circuito único. Por lo tanto, en el sistema de calefacción tenemos dos circuitos completamente aislados: solar y principal, con una caldera eléctrica. Están llenos de anticongelante y al sol, especiales con una amplia gama de temperaturas de funcionamiento. Y el calor se intercambia a través del agua del sistema de ACS. Como resultado, en un día soleado recibimos tanto agua caliente como calor para la calefacción. Y se requiere calefacción incluso en verano, por ejemplo, para un baño. En el camino, debido a la selección de calor en el sistema de calefacción, se resuelve la tarea de proteger la caldera del sobrecalentamiento. Aunque, por si acaso, se prevé forzar la recirculación de agua caliente para descargar el exceso de calor. Mirando hacia el futuro, diré que durante la observación del sistema, la temperatura del agua caliente no aumentó por encima de los 60 grados centígrados. El sistema resultante tiene las siguientes propiedades:
- Las fuentes de calor independientes se integran en un solo sistema: un colector solar, una caldera eléctrica, un calentador.
- En un día soleado, el consumo de electricidad para calentar agua y calefacción se reduce.
- Se proporcionó almacenamiento de calor en la caldera para suavizar el funcionamiento del sistema de calefacción y proporcionar calor a la casa durante un corte de energía a corto plazo. Además, esta propiedad también es relevante en invierno (cuando no hay sol), ya que el agua es calentada por la tubería de retorno del sistema de calefacción a través del intercambiador de calor superior de la caldera. Cuando se apaga la caldera, el agua emite calor al sistema de calefacción.
- El tiempo para calentar la casa fuera de temporada se ha reducido. Además, la temperatura promedio en la casa aumenta durante un período de ausencia de habitantes y apaga la calefacción.
- La participación total del Sol en el balance de energía de la casa aumentó de 6-7% a aproximadamente 15-20%.
Como puede ver, el sistema es bastante efectivo, se logran los objetivos. Sin embargo, hasta ahora todas las declaraciones son cualitativas. O se basan en mediciones, pero las mediciones en sí mismas no están disponibles para la recolección, el análisis y el uso en algoritmos de control. Por ejemplo, las temperaturas del refrigerante en diferentes puntos del circuito solar son legibles en el controlador que controla la bomba de circulación. Pero, solo hay disponibles. O bien, la capacidad actual y el "rendimiento diario" de la electricidad solar también están disponibles dentro de la red Xanbus (ver arriba), y no se utilizan para el control integrado vinculado a los parámetros del sistema de calefacción. Estas circunstancias están presionando para buscar formas de desarrollar aún más los sistemas de ingeniería en el hogar. Para hacer la vida más cómoda, más frugal en relación con la naturaleza. Y, al mismo tiempo, aprender algo nuevo.
Bueno, por dónde empezar, con la fijación de objetivos, ya está claro. Primero debe aprender a medir temperaturas en varios puntos del sistema de calefacción / ACS, incluido el circuito solar. E incluso antes de la búsqueda de la solución final, se entiende que el asunto no se limitará a una dimensión. Pero, más sobre eso en el próximo artículo. Mientras muestro
captura de pantalla de una aplicación móvil que muestra gráficos de varias temperaturas, incluido un gráfico de la temperatura del refrigerante en el circuito solar.