Olá Habr! Meu nome é Yaroslav Medoks, em Sbertekh, estou envolvido em tecnologias de negócios de investimento corporativo. Nesta nota, falaremos sobre uma casa suburbana muito comum perto de Moscou, que, por capricho de seu proprietário, tornou-se um campo de testes para testar a energia solar.
Em 2008, tive a sorte de comprar uma casa no SNT na região próxima de Moscou. No processo de liquidação, descobriu-se que a eletricidade era regularmente desligada por diferentes, principalmente pequenos, intervalos de tempo. Isso causou um inconveniente considerável, já que a casa é toda elétrica, não há gás. E quando tudo é elétrico, por exemplo, aquecimento ou cozimento, para uma vida útil completa, você precisa de uma potência de pico bastante grande. Bem, digamos pelo menos 6 kW. Um gerador imediatamente vem à mente como uma fonte de energia de backup. No entanto, um gerador dessa potência é uma estrutura volumosa, barulhenta e com cheiro desagradável; portanto, era considerada uma fonte alternativa apenas em caso de interrupções prolongadas. Enquanto isso, para garantir uma estadia confortável em uma casa de campo, decidiu-se usar um inversor e baterias. I.e. fazer uma espécie de UPS, mas para toda a casa. À primeira vista, a tarefa é bastante simples.
No entanto, quanto mais longe na floresta, mais lenha, como eles dizem. Como a fonte de alimentação ininterrupta com esse pico de potência não é um prazer barato, eu tive que estudar cuidadosamente o tópico para não ser enganado. Por exemplo, selecione o tipo de bateria, determine a capacidade mínima, selecione o tipo de inversor. E se tudo estiver mais ou menos claro com as baterias, existem muitos inversores, incluindo os russos. Aqui vou fazer uma pequena digressão. Além das quedas de energia regulares, cada casa da vila era muito limitada na energia máxima que pode ser obtida na rede. E então surgiu a ideia: durante picos de carga, mude para o inversor e não dependa de uma rede de 220V instável.
Assim, além da energia, uma forma sinusoidal da tensão de saída, reinício automático, houve uma demanda por comutação automática para o inversor quando o valor limite do consumo de energia é excedido. A gama de dispositivos diminuiu acentuadamente. Verificou-se que em nosso mercado existe quase o único modelo (2010) que não apenas muda para geração, mas também sabe como apoiar a rede, ou seja, adicione a energia recebida da rede com inversível. Este é um modelo Xantrex XW. Este não é um inversor, mas uma obra de arte: possui duas entradas de 220V - uma rede e um gerador com entrada automática de gerador, possui várias configurações para baterias, vários valores limite. Há uma função de barbear com carga, vendendo energia de volta à rede e muitos outros recursos úteis. Mas, o mais importante, este inversor é inicialmente considerado o centro do sistema de fornecimento de energia da casa, e esse centro pode receber energia não apenas da rede e do gerador, mas também de fontes alternativas - do sol, vento, mini usina hidrelétrica etc.
Para fazer isso, conversores e controladores de energia apropriados são adicionados ao sistema, combinados em uma rede Xanbus proprietária e trabalhando juntos.
Em geral, como convém a um especialista em TI voltado para o sistema, a escolha foi feita em favor do inversor Xantrex XW6048 mais “sofisticado” e das quatro baterias AGM de 200 Ah conectadas em série. Esta é a solução para o problema no momento e tocou o futuro, mas para esse dinheiro não é uma pena. E foi justamente nesse momento que o aparecimento de painéis solares no telhado tornou-se apenas uma questão de tempo, e não uma questão de "é necessário ou não?". Isso também foi facilitado pela configuração bem-sucedida do telhado: uma inclinação de cerca de 45 graus e orientação para o sul. No entanto, o gerador a gasolina apareceu anteriormente :)
Deve-se notar que em alguns anos o gerador deu partida apenas algumas vezes, a maioria das quedas de energia foi interrompida por um inversor com baterias. E para o máximo conforto, foi feito um controlador de inicialização automático baseado no Arduino e uma automação de relé simples para desconectar cargas não reservadas (por exemplo, mandris em um local ou um toalheiro aquecido). Tudo isso foi instalado em 2010.
Mas, como já mencionado, a aparência dos painéis solares era predeterminada. E em 2014, apareceram painéis FSM-320M de cristal único de 6.320 watts.
Eles são fáceis de encontrar na Internet. A potência total instalada dessa maneira é de 1920 watts. Como você se lembra, um inversor híbrido pode adicionar energia da rede e das baterias, para que o consumo máximo de energia não precise coincidir com a potência máxima dos painéis. Além dos painéis com fios, conectores, fusíveis, é claro, eu também precisava de um controlador MPPT *, da mesma linha de equipamentos, mas já sob a asa da Schneider Electric. Por sua vez, é conectado via Xanbus a um inversor e garante a operação conjunta dos dispositivos, reduzindo automaticamente o consumo da rede na presença do sol.
Figura 1 Comparação da energia recebida do Sol e de uma rede de 220V. O período é de fevereiro a dezembro de 2016.Aqui estão alguns números. A produção de energia visível começa em fevereiro e dura até outubro. O gráfico de barras mostra estatísticas para 2016 (exceto janeiro). A cor laranja mostra quanta energia (Wh) é recebida do Sol e azul - quanta é recebida da rede. Obviamente, a transição para o sol é impossível, mesmo no verão. No entanto, se houver gás na casa, os processos que mais consomem energia: aquecimento, água quente sanitária e cozimento podem ser excluídos do balanço geral. Então, no verão, você pode viver completamente com eletricidade solar.
Mais alguns números. Nos picos, a energia recebida do Sol pode chegar a 2200 watts, como regra, em clima frio, mas ensolarado, por exemplo, em abril ou na virada do verão e outono. Durante o dia, é possível coletar até 12 kWh de eletricidade máxima, enquanto o pico de potência raramente excede 1600 watts. Note-se também que, se as baterias estiverem carregadas e a carga na casa for pequena, o potencial do Sol será subutilizado. No exterior, eles permitem vender energia excedente para a rede, usando, assim, painéis 100% solares. Espera-se que também seja legalizada uma prática semelhante em nosso país, o que dará um bom impulso ao desenvolvimento da energia solar.
De um jeito ou de outro, mas com o advento dos painéis solares, apagões curtos e intermitentes não eram mais assustadores. Em geral, se houver um sistema semelhante com uma fonte alternativa e baterias, é suficiente ter um gerador de reserva de baixa energia adicional, por exemplo, 1,5 kW, que fornece recarga de bateria e consumo mínimo em casa. E os picos podem ser cobertos pelo inversor a partir das baterias.
No entanto, a eletricidade solar não é a única maneira de obter energia solar. Existe um método mais eficiente, a coleta de calor solar usando coletores especiais. Eles são muito comuns nos países do sul da Europa. Este método se torna especialmente atraente se não houver gás para aquecimento e água quente. Com a ajuda de coletores, o calor pode ser obtido diretamente, sem transformações adicionais. Os principais tipos de coletores são a vácuo e achatados. O vácuo mantém a capacidade de trabalho no inverno, estável - mais barata e funciona melhor no verão. Resta decidir o que escolher e geralmente decidir sobre a instalação. Depois de ler resenhas sobre o trabalho de vários coletores solares e sistemas baseados neles, decidi instalar um sistema semelhante. Como a energia solar não é uma questão de sobrevivência no inverno para mim, escolhi coletores planos da produção russa Solar. Dois coletores estão localizados no telhado ao lado dos painéis solares em 2015. De acordo com o fabricante, a potência desses coletores é de cerca de 1,5 kW, ou seja, a potência instalada era de cerca de 3 kW. Ficou ainda mais poderoso do que os painéis solares elétricos instalados.
Instalar um coletor solar é uma tarefa mais difícil em comparação com um painel solar, pois existem muito mais opções para incorporá-lo ao sistema de fornecimento de calor de uma casa. Por exemplo, ele só pode ser usado para água quente sanitária ou como fonte de calor adicional em um sistema de aquecimento. Várias opções intermediárias são possíveis. E, ao mesmo tempo, é necessário excluir o congelamento do sistema no inverno, bem como o superaquecimento do sistema com o sol muito quente no verão. E ainda precisa de proteção contra queimaduras com água quente. Bem, e, é claro, é necessário instalar tubos isolados, instalar uma estação de bombeamento e um tanque de expansão, conectar a um trocador de calor, instalar componentes eletrônicos de controle. Confiei todo esse trabalho a uma empresa especializada. E ele determinou o esquema básico de trabalho em consulta com profissionais. O objetivo (além do ventilador de engenharia) é simples: economizar energia na preparação de água quente e aquecimento. Deixe-me lembrá-lo que o gás não foi trazido para a casa.
Figura 2 Esquema harmonizado de uma instalação de energia solar.O elemento central de todo o sistema é uma caldeira de água quente de 300 litros com duas bobinas do trocador de calor. Os coletores solares conectados em série são conectados ao trocador de calor mais baixo. E este é o único "ponto de entrada" de calor solar no sistema de aquecimento e na água quente sanitária. O sol aquece a água na caldeira, a água quente sobe e libera calor para o segundo trocador de calor da bobina superior, que é conectado em série ao sistema de aquecimento doméstico de circuito único. Assim, no sistema de aquecimento, temos dois circuitos completamente isolados - solar e principal, com caldeira elétrica. Eles são preenchidos com anticongelante e expostos ao sol - especialmente com uma ampla faixa de temperaturas operacionais. E o calor é trocado através da água do sistema de AQS. Como resultado, em um dia ensolarado, obtemos água quente e calor para aquecimento. E o aquecimento é necessário mesmo no verão, por exemplo, para um banheiro. Ao longo do caminho, devido à seleção de calor no sistema de aquecimento, a tarefa de proteger a caldeira contra superaquecimento é resolvida. Embora, apenas por precaução, esteja previsto forçar a recirculação da água quente a descarregar o excesso de calor. Olhando para o futuro, direi que durante a observação do sistema, a temperatura da água quente não subiu acima de 60 graus Celsius. O sistema resultante possui as seguintes propriedades:
- Fontes de calor independentes são integradas em um único sistema: um coletor solar, uma caldeira elétrica, um aquecedor.
- Em um dia ensolarado, o consumo de eletricidade para aquecimento de água e aquecimento é reduzido .-
- Foi fornecido armazenamento de calor na caldeira para facilitar a operação do sistema de aquecimento e fornecer calor à casa durante uma falta de energia a curto prazo. Além disso, essa propriedade também é relevante no inverno (quando não há sol), uma vez que a água é aquecida pelo tubo de retorno do sistema de aquecimento através do trocador de calor superior da caldeira. Quando a caldeira é desligada, a água libera calor para o sistema de aquecimento.
- O tempo para aquecer a casa na entressafra foi reduzido. Além disso, a temperatura média na casa aumenta durante um período de ausência de habitantes e desliga o aquecimento.
- A participação total do Sol no balanço energético da casa aumentou de 6-7% para cerca de 15-20%.
Como você pode ver, o sistema é bastante eficaz, os objetivos são alcançados. No entanto, até agora todas as declarações são qualitativas. Ou com base em medições, mas as medições em si não estão disponíveis para coleta, análise e uso em algoritmos de controle. Por exemplo, as temperaturas do líquido de arrefecimento em diferentes pontos do circuito solar são legíveis no controlador que controla a bomba de circulação. Mas, apenas existem disponíveis. Ou a capacidade atual e o "rendimento diário" de eletricidade solar também estão disponíveis apenas na rede Xanbus (veja acima) e não são usados para controle integrado vinculado aos parâmetros do sistema de aquecimento. Essas circunstâncias estão pressionando pela busca de maneiras de desenvolver ainda mais os sistemas de engenharia em casa. Tornar a vida mais confortável e mais econômica em relação à natureza. E, ao mesmo tempo, aprenda algo novo.
Bem, por onde começar, com o estabelecimento de metas, já está claro. Primeiro, você precisa aprender a medir temperaturas em vários pontos do sistema de aquecimento / água quente, incluindo o circuito solar. E mesmo antes da busca da solução final, há um entendimento de que o assunto não será limitado a uma dimensão. Mas, mais sobre isso no próximo artigo. Enquanto eu mostro
captura de tela de um aplicativo móvel que mostra gráficos de várias temperaturas, incluindo um gráfico da temperatura do líquido refrigerante no circuito solar.