Выбираем оборудование для домашней ветроэлектростанции: контроллеры, инверторы и аккумуляторы

Чем комплектовать домашнюю электростанцию, работающую от энергии ветра – рекомендации пользователей FORUMHOUSE.

Настоящая статья является продолжением темы, которая посвящена организации автономной ветроэлектростанции на своем участке. В предыдущем материале мы рассмотрели ключевые параметры, по которым следует выбирать основной модуль силовой ветроэнергетической установки – ветрогенератор. Сегодня же предлагаем разобраться в особенностях вспомогательных устройств, обеспечивающих функционирование альтернативной электроустановки в режиме бесперебойного электроснабжения.

В статье будут рассмотрены следующие вопросы:

  • Каким функционалом должен обладать контроллер ветрогенератора и какое устройство подойдет для силовой ВЭУ
  • Как выбирать аккумуляторы для альтернативной системы электроснабжения
  • Как выбрать инвертор и включить его в цепь альтернативной электроустановки

Какой контроллер применим к ветрогенератору

Контроллер заряда аккумуляторов – один из основных элементов альтернативной электроустановки. Его основная функция заключается в том, чтобы обеспечивать правильный и равномерный заряд аккумуляторной батареи, независимо от скорости ветра и разницы в среднесуточном объеме мощности, вырабатываемой ветрогенератором.

В сфере альтернативной энергетики применяются два типа контроллеров: контроллеры для солнечных батарей и контроллеры для ветрогенераторов. Бывают еще гибридные (комбинированные) контроллеры, которые используются в электроустановках, работающих от различных источников тока одновременно (ветрогенератор (ВГ), солнечные батареи (СБ), дизельгенератор и т. д.). И сейчас мы разберемся в том, какие контроллеры подходят именно для ветроэлектростанции.

Если никакого контроллера у вас еще нет, то разумнее всего покупать устройство, которое соответствует особенностям именно вашей системы: если система будет работать исключительно от ветра, то и контроллер нужен для ветрогенератора. Если же система комбинированная (например, ветрогенератор плюс СБ), то и контроллер необходим соответствующий.

Почему контроллер солнечных батарей не рекомендуется подключать к ветрогенератору

Контроллер солнечных батарей можно подключать к ветрогенератору лишь в том случае, если оснастить систему диодным мостом (который будет выпрямлять напряжение, вырабатываемое генератором) и балластной нагрузкой, которая будет обеспечивать электромагнитное торможение ветряка при сильных порывах ветра.

Ветряк должен постоянно находиться под электрической нагрузкой. Дело в том, что когда аккумуляторы зарядятся, контроллер, так или иначе, отключит АБ от источника тока. На состоянии солнечных батарей периодическое отключение нагрузки никак не отражается. Если же во время сильного ветра от нагрузки отключить ветрогенератор, последствия могут быть фатальны: ветряк либо сломается (лишившись нагрузки и раскрутившись до немыслимых оборотов), либо выдаст высокое напряжение и выведет из строя не рассчитанный на это солнечный контроллер.

Мax94 Пользователь FORUMHOUSE

Любой ветрогенератор, являющийся электрогенератором ограниченной выходной мощности, при временном поступлении неограниченной входной мощности должен иметь механизм гашения этой излишней энергии. Вот простой пример: имеем ВГ мощностью 1кВт*ч, рассчитанный на номинальную скорость ветра 12 м/с. При ветре 18-24 м/с входящая мощность возрастает пропорционально «кубу» роста скорости ветра. И эту лишнюю мощность надо куда-то деть. При подключении же ВГ к солнечному контроллеру, который не рассчитан на то, что при превышении каких-то параметров источника этот источник надо как-то замедлить, получим следующую ситуацию: аккумуляторы заряжены, ураган раскручивает ветряк, нагрузки нет, ветряк ломается.

Разумеется, что в конструкции современных ветрогенераторов реализована защита от бури (поворотом лопастей, складыванием хвоста и т. д.). Но механическая защита не рассчитана на защиту самого контроллера (особенно солнечного). И в тот момент, когда она сработает, входные транзисторы устройства уже могут сгореть (ведь рассчитаны они на напряжение солнечных батарей, которое не может превысить максимальных расчетных параметров). В силу этих причин специальные контроллеры ВЭУ оснащаются дополнительной балластной нагрузкой.

Контроллеры ветрогенератора и их особенности

Балластная нагрузка, встраиваемая в электрическую цепь контроллера ВЭУ, представляет собой мощный резистор, который сжигает лишнюю энергию, получаемую с ветряка. Балластная нагрузка включается в работу в тот момент, когда напряжение на клеммах аккумулятора достигает уровня, свидетельствующего о полном заряде АБ (примерно 14.2 Вольт – для батареи номиналом 12 В). С этого момента лишняя энергия будет сжигаться на балласте, одновременно защищая аккумуляторы от перезаряда и не давая ветрогенератору развивать слишком больших оборотов. Так ведут себя наиболее технологичные контроллеры ветрогенератора, которые и рекомендуется включать в комплект альтернативных электростанций.

Более простые и дешевые контроллеры ВЭУ (они часто применяются в бытовых системах) при увеличении напряжения на аккумуляторах выше заданных значений, просто замыкают фазы генератора. Такой «электромагнитный тормоз» полностью останавливает винт генератора и держит его в этом положении до тех пор, пока напряжение на АБ снова не упадет, и ей не потребуется дозарядка. Затем цикл повторяется. Полная остановка ветрогенератора отрицательно сказывается на состоянии аккумуляторных батарей, ведь несоблюдение режимов зарядки значительно сокращает срок их службы.

Чтобы продлить срок службы аккумуляторных батарей, домашнюю электростанцию необходимо комплектовать контроллерами ШИМ (PWM). Это устройства широтно-импульсной модуляции, которые обеспечивают оптимизированный цикл зарядки АБ: вовремя подключают и отключают батарею от источника тока, регулируют напряжение и силу тока на всех стадиях зарядки и т. д.

Leo2 Пользователь FORUMHOUSE

ШИМ контроллеры тоже сбрасывают часть энергии от ветрогенератора на балластную нагрузку, только делают это "умнее" и с относительно высокой частотой. Если ШИМ нет, значит – совсем барахло.

В автономных системах, работающих от солнечных батарей, принято использовать более совершенные контроллеры МРРТ. Они отслеживают точку максимальной мощности на основе вольтамперной характеристики источника тока и обеспечивают оптимальный режим заряда аккумуляторов. Говорить о широком применении МРРТ в ветроэнергетике пока еще рано.

Leo2

С MPPT контроллером было получено в 1,5-2 раза больше мощности от одного и того же ветряка. Но, как я и говорил, MPPT алгоритм контроллера должен быть жестко привязан к конкретной модели ветрогенератора. Скорее всего, именно по этой причине MPPT контроллеры для ВГ по отдельности продаются редко.

Вывод: ШИМ контроллер ветрогенератора с балластной нагрузкой, который не останавливает генератор полностью, а лишь притормаживает его винт (чтобы обеспечить соблюдение основных параметров зарядки АКБ), будет оптимальным решением для домашней ветроэлектростанции. Главное, чтобы номинальные характеристики устройства соответствовали номиналу ветрогенератора.

Также необходимо, чтобы контроллер имел настраиваемые параметры включения и отключения нагрузки («Load»). Это позволит выполнить правильную настройку системы и уберечь аккумуляторные батареи от глубокого разряда (если в составе ВЭУ используются кислотные батареи).

Например, выставив порог отключения нагрузки по напряжению аккумулятора – 10,8 Вольт, можно защитить свинцово-кислотные аккумуляторы от глубокого разряда. Такая настройка позволяет отключать нагрузку, подсоединенную к контроллеру напрямую (не через инвертор), когда уровень разрядки АБ достигает критических значений. Это значительно продлевает срок службы аккумуляторов.

В целом, настраивая рабочие параметры контроллера, следует руководствоваться паспортными характеристиками аккумуляторных батарей.

О рациональном использовании излишков электрической мощности

Излишки энергии необязательно «сжигать» с помощью балластной нагрузки. Их можно перенаправить на другие цели.

Вонг Пользователь FORUMHOUSE

А в чем радость от бестолково крутящегося ветряка? Вот использовать свободную энергию, например, для подогрева воды в ГВСе – это хорошее дело.

Эту идею легко реализовать на практике: достаточно вместо балласта подключить к контроллеру обычный нагревательный ТЭН.

t34 Пользователь FORUMHOUSE

Контроллеры с балластной нагрузкой автоматически греют балласт, когда аккумуляторы заряжены. Вот вам и подогрев.

Подобная схема позволяет присоединить к ветрогенератору даже солнечный контроллер. Главное, чтобы контроллер СБ имел настраиваемые режимы включения и отключения нагрузки (Load). Балластную нагрузку (электрический ТЭН) можно подключить на выходные клеммы «Load» контроллера или непосредственно на клеммы генератора (через реле). Реле в последнем случае будет управляться контроллером, своевременно включая и отключая балластную нагрузку от генератора.

Настройки включения балласта следует отрегулировать следующим образом:

  1. Параметр «Load on» установить на 14,5 В.
  2. Параметр Load off – на 13,5 В.
Если мощность ТЭНа соответствует мощности ветрогенератора, то ветряк будет всегда находиться под нагрузкой, успевая и генератор зарядить, и воду в бойлере нагреть.

Если к ветрогенератору подключается солнечный контроллер, система обязательно должна быть укомплектована диодным мостом. Например, готовой диодной сборкой, через которую контроллер подключается к генератору.

Это необходимо для выпрямления переменного тока и для того, чтобы защитить аккумуляторы от разряда в тихую или безветренную погоду.

Тема сброса лишней энергии с ветрогенератора имеет множество нюансов. И если она вас заинтересовала, рекомендуем изучить вопрос, посетив соответствующий раздел нашего портала. Мы же вернемся к комплектации ветровых электростанций.

Выбор аккумуляторных батарей

Нестабильность объемов выработки и расхода электричества приводит к необходимости использовать накопители электроэнергии – аккумуляторные батареи. 

Чтобы правильно выбрать аккумулятор для домашней ветроэлектростанции, необходимо обратить внимание на следующие критерии:

  • тип устройства (щелочной, кислотный и т. д.);
  • емкость АБ;
  • количество циклов заряда-разряда, на которые рассчитана батарея, а также средний срок ее службы.

Типы аккумуляторных батарей и их характеристики

Самыми дешевыми и доступными аккумуляторами являются всем знакомые свинцовые (автомобильные) батареи. К сожалению, свинцово-кислотные аккумуляторы менее остальных пригодны для эксплуатации в составе альтернативных электростанций. Частый разряд батареи (более чем на 20 – 30% от номинальной емкости), регулярный недозаряд аккумулятора (в безветренную погоду) – все это приводит к сульфатации пластин, к снижению емкости аккумуляторов и к быстрому выходу АБ из строя.

Свинцово-кислотные (буферные) батареи рассчитаны на кратковременный интенсивный разряд и быстрое восстановление заряда. Другие режимы эксплуатации для них губительны. Поэтому, выбирая накопительные устройства для автономной электростанции, не следует поддаваться соблазну, обусловленному низкой стоимостью свинцово-кислотных батарей. Стартерные аккумуляторы придется часто менять, что совершенно не оправдывает подобную покупку.

Если ваш выбор, несмотря ни на что, был сделан в пользу стартерных батарей, обеспечьте им такие условия работы, при которых в процессе эксплуатации они будут разряжаться не более чем на 30%:

  • установите соответствующий порог отключения нагрузки от АБ, используя настройки инвертора и контроллера;
  • увеличьте емкость системы, соединив параллельно несколько аккумуляторов с одинаковыми параметрами.

Комплектуя автономную систему электроснабжения, правильнее будет ориентироваться на тяговые и специализированные батареи для альтернативной энергетики. Они, в отличие от буферных АБ, рассчитаны на глубокий разряд и способны отдавать энергию постепенно – в течение длительного времени.

Рассмотрим, к примеру, кислотные панцирные аккумуляторы для стационарного использования: их применение открывает гораздо более выгодные перспективы в сравнении с обычными стартерными батареями. Они могут «безболезненно» отдавать потребителям до 70%...80% от своей номинальной емкости, при этом срок службы таких устройств превышает тысячу рабочих циклов.

Amotkov Пользователь FORUMHOUSE

Особенно интересно будет посмотреть на кислотные панцирные батареи, то есть на OPzS (с жидким электролитом), как на наиболее «живучие». А также – на OPzV (гелевые), как на самые удобные в эксплуатации (по графикам они имеют тысячу циклов против 1500 – у OPzS).

Все это свинцово-кислотные батареи, которые разрабатывались специально для автономных систем электроснабжения. Их ключевой недостаток – высокая стоимость.

Щелочные аккумуляторы

Щелочные никель-кадмиевые (НК) и никель-железные (НЖ) батареи нашли довольно широкое применение в ветроэнергетике.

Они обладают неплохим потенциалом в плане долговечности (до 900 циклов заряда-разряда), но при небольшом ветре такие батареи не всегда себя оправдывают. Номинальные токи зарядки таких батарей начинаются с показателя – 0,1С (где С – емкость аккумулятора). Поэтому при небольших зарядных токах щелочные АБ могут не принимать заряд вовсе.

Leo2

У щелочных АБ низкий КПД заряда, и они не могут заряжаться малыми токами (ток идет – заряда нет). Оба этих момента важно учитывать в ветроэнергетике: более половины вырабатываемой энергии не может быть полезно использовано для заряда щелочных АБ.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

Современные литий-ионные батареи lifepo4 – это идеальный вариант для домашней автономной электростанции. В последнее время наметился положительный сдвиг в сторону некоторого удешевления этих аккумуляторов. При правильном обращении они выдерживают до 5000–7000 рабочих циклов. Поэтому, занимаясь строительством ветроэлектростанции, возможность их применения целесообразно рассмотреть в первую очередь.

Aleksei2011 Пользователь FORUMHOUSE

Осенью АКБ заменю на lifepo4: поставлю батарейку на 2кВт. Ее лет на 20 хватит, а стоит она в три раза меньше щелочных.

Чтобы правильно рассчитать емкость аккумуляторных батарей (чтобы батареи смогли обеспечить ваши потребности в электроэнергии), необходимо номинальную емкость аккумуляторов (А*ч) перевести в количество энергии (кВт*ч), которую можно получить, разрядив аккумулятор до определенного уровня. Вычислить значение мощности можно, умножив номинальное напряжение батареи на ее емкость. Например, автомобильный 12-ти вольтовый аккумулятор емкостью 250 А*ч способен хранить в себе 3 кВт*ч электроэнергии.

12(В) * 250(А*ч) = 3000 Вт*ч = кВт*ч.

Но, учитывая, что его не рекомендуется разряжать более чем на 30%, за один рабочий цикл из него можно получить только 1 кВт*ч.

Выбор инвертора для ветроэлектростанции

Если электроприборы, которые вы панируете подключать к ветрогенератору, являются потребителями постоянного тока (к примеру, это может быть линия светодиодного освещения), то, выбрав аккумуляторы подходящей емкости, комплектацию альтернативной электростанции можно завершить. Потребители, в данном случае, подключаются на выход «Load» контроллера (через автомат защитного отключения), после чего системе остается пожелать умеренного ветра и исправной работы.

Если задачи, которые возлагаются на ветрогенератор, выходят за рамки обслуживания цепей постоянного тока, то без инвертора – не обойтись.

Большинство современных электроприборов работают от переменного тока бытовой частоты (50 Гц) и напряжения (220 Вольт). Инвертор приводит параметры тока аккумуляторных батарей к значениям, которые характерны для бытовых систем электроснабжения. К инвертору подключается все бытовое электрооборудование, при этом сам инвертор, через защитную автоматику, подключается к аккумуляторным батареям.

Перечислим ключевые параметры, по которым следует выбирать инвертор для домашней ВЭУ:

Номинальная мощность

Номинальная мощность инвертора должна соответствовать максимальной потребляемой мощности подключенных к нему потребителей. Например, если все лампочки, телевизоры и другие потребители, подключенные к инвертору и одновременно задействованные в работу, потребляют 0,5 кВт*ч, то номинальная мощность инвертора не должна быть ниже этого значения, имея при этом определенный запас (примерно 30%).

Пиковая мощность

Если к инвертору подключен холодильник, одномоментная пусковая мощность которого достигает 1 кВт, то пиковая мощность инвертора (максимальная кратковременная нагрузка, действующая на устройство в течение нескольких секунд) должна быть примерно на треть выше этого значения.

График напряжения на выходе из инвертора

Если к инвертору планируется подключать электроприборы, чувствительные к частотным характеристикам напряжения (холодильники, кондиционеры и т. д.), то график напряжения на выходе инвертора должен иметь синусоидальную форму. Инверторы, которые оптимально подходят для работы в комплекте с большинством бытовых электроприборов, называются инверторы «с чистым синусом». Информация о кривой напряжения, а также о прочих параметрах инвертора отражается в технических характеристиках устройства.

Инвертор должен иметь настраиваемые параметры включения и отключения нагрузки. Это позволит защитить аккумуляторные батареи от глубокого разряда.

Если функционал инвертора не предусматривает настройку параметров отключения нагрузки, то ситуацию можно исправить с помощью программируемого реле напряжения. Оно подключается на выход «Load» контроллера и отключает инвертор от аккумулятора при падении напряжения до заданных параметров (например, до 12,37 вольт, соответствующих 30% разряда свинцово-кислотного аккумулятора).

Более подробно узнать о том, как правильно настраивать рабочие параметры инвертора и контроллера, а также о том, какие устройства лучше всего подходят для автономной системы электроснабжения, вы можете, прочитав статью, посвященную особенностям  электроустановки на основе солнечных батарей. Системы, работающие от ветрогенераторов и от солнечных батарей, имеют между собою много общего. Поэтому альтернативные источники электроэнергии нередко объединяют в одну электроустановку. Для этого используют гибридные контроллеры, инверторы и специальные аккумуляторы.

Чтобы альтернативная система была надежна с точки зрения эксплуатационной безопасности, в ее комплект обязательно должны входить защитные автоматы соответствующего номинала.

Особенно важно защитить автоматикой цепь аккумуляторов и инвертора, а также цепь аккумуляторов и контроллера.

Бывалый1406 Пользователь FORUMHOUSE

Добавил в гибридную систему контроллер СБ, немного изменил схему подключения компонентов: добавил распределительные колодки и два рубильника. Необходимо ещё установить автомат 100А в линию между контроллером ВГ и АКБ.

Более подробно о защитных автоматах, а также о порядке подключения электрооборудования, входящего в комплект автономной системы электроснабжения, вы можете узнать из статьи «Сборка солнечной электростанции». Много практических советов можно получить, посетив раздел о ветряках, солнечных батареях и гибридных системах автономного электроснабжения. А видеосюжет, посвященный перспективам использования инвертора в домашних системах электроснабжения, расскажет о том, как можно восполнить недостаток электроэнергии, не обращаясь за увеличением электрической мощности к услугам энергоснабжающих организаций.