Система автономного электроснабжения 2 кВт, 220В

Обострившиеся в последнее время проблемы с подключением загородных домов и удаленных объектов к сетям централизованного электроснабжения вынуждают к поиску альтернативных способов электроснабжения. Большой интерес вызывают системы с использованием энергии возобновляемых источников энергии. К сожалению, на большей части европейской территории России, ресурсы ветра недостаточны для обеспечения надежного электроснабжения. Солнечная энергия может обеспечить потребности среднего дома в электроэнергии с весны по осень, но в зимнее время, когда возрастает энергопотребление, ресурсов солнца также ясно недостаточно.

В последние годы стоимость подлючения к сетям централизованного электроснабжения значительно возросла. Так, например, в Московской области стоимость подключения 1 кВт установленной мощности составляет более 1000 USD, стоимость прокладки ЛЭП в настоящее время колеблется от 12 до 20 тысяч USD за каждый километр. Добавьте сюда и стомость строительства и оборудования подстанции, и окажется, что для отдельных домов и небольших поселений подлючение к сетям централизованного электроснабжения является непозволительной роскошью.

Самым распространенным способом решения проблемы электроснабжения в таких случаях является использование генераторов переменного тока с приводом от бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Однако такое решение требует высоких эксплуатационных расходов, связанных с доставкой дорогостоящего топлива и частым ремонтом ДВС.

Для работы бытового холодильника с компрессором мощностью 100-200 Вт необходим круглосуточный режим питания и непрерывная работа ДВС в неэкономичном режиме, близким к холостому ходу. Многократного снижения расхода топлива можно добиться путём применения очень дорогих быстро заряжаемых АБ и мощного зарядного устройства. Использование стандартного блока автоматического пуска ДВС почти удваивает стоимость системы.

В такой ситуации, учитывая вероятностный характер возобновляемых источников энергии, относительную дороговизну оборудования возобновляемой энергетики, наиболее оправданным решение является создание гибридной энергосистемы на базе жидкотопливного электрогенератора, фотоэлектрических батарей и/или ветроэлектрической установки.

Для систем электроснабжения небольшой мощности нами разработан новый электроэнергетический комплекс (ЭЭК), работающий в полностью автоматическом режиме. Такой ЭЭК может дополняться ветрогенератором мощностью от 500 до 5000 Вт и фотоэлектрическими батареями мощностью до 2000 Вт.

ЭЭК состоит из двух узлов: в одном смонтирован двигатель внутреннего сгорания с электрическим генератором постоянного тока, в другом - аккумуляторная батарея (АБ) с электронным блоком. На выхлопной трубе двигателя расположен теплообменник, передающий низкопотенциальную тепловую энергию воде, которая с помощью термосифонного контура отводится в теплоаккумулирующую ёмкость для последующего бытового использования.
ДВС мощностью 3.5 л.с. приводит во вращение электромотор-генератор постоянного тока мощностью 1,5 кВт. Основным топливом служит сжиженный газ. Возможна работа на бензине, а также доработка системы для работы на природном газе низкого давления.

Двигатель запускается в автоматическом режиме от электромотора-генератора, питаемым от АБ. Во время старта ДВС, продолжающегося несколько секунд, электромотор потребляет менее 15 Вт.ч. Одновременно блок управления даёт команду на открытие клапана подачи топлива, после чего мотор-генератор переходит в режим генерации. Ёмкость АБ подобрана так, что практически весь ток идёт на заряд АБ. Кратковременно (до 10 секунд) выходная мощность инвертора может повышаться до 8 кВт. Для увеличения срока службы АБ, блок управления постоянно контролирует величину напряжения на АБ и, в зависимости от напряжения, даёт команду или на пуск двигателя и заряд АБ, или на выключение двигателя и прекращение заряда АБ. Верхнее и нижнее значения напряжения на АБ выбираются в зависимости от его типа и характера нагрузки.

Электронный блок создан на базе блока бесперебойного питания "Синусоида-2", поэтому система может работать совместно с нестабильной электросетью и подзаряжать АБ от электросети. Сохраняется функция стабилизации сетевого напряжения в пределах от 180 до 260 В (на выходе 220±10 В). Для экономии углеводородного топлива ЭЭК может работать совместно с любым из генераторов, использующих ВИЭ, например, солнечной батареей или ветроэлектрической установкой.

Комплекс способен питать нагрузку, существенно превышающую мощность электрогенератора. Мощность инвертора 2 кВт и высокое качество синусоиды позволяют питать практически любую бытовую аппаратуру, в том числе и чувствительную к форме питающего напряжения нагрузку (например, асинхронные электродвигатели, аудио и видео аппаратуру и т.п.).

При длительной нагрузке выше 1 кВт, во избежание быстрого разряда АБ, предусмотрена возможность принудительного ручного включения ДВС для подзаряда АБ, независимо от величины напряжения на АБ.

Если суточная потребность электроэнергии в среднем для семьи составляет 6 кВт*ч, то при использовании АБ ёмкостью 90 А.ч с глубиной разряда 20%, для заряда АБ в течение суток достаточно провести 4 цикла по 2 часа включения ДВС. Для генератора 1,5 кВт оптимальным является применение АБ ёмкостью 190 А.ч, у которых зарядный ток близок к току, вырабатываемого мотор-генератором. В этом случае число циклов включения снижается до 2, а продолжительность включения ДВС сокращается до 4 ч в сутки. При расходе сжиженного газообразного пропан-бутана около 0,8 л/ч суточная потребность составляет 3,2 л и газового баллона емкостью 50 л хватит почти на 2 недели.

Стоимость вырабатываемой ЭЭК электроэнергии оценивается в 2,5 руб/кВт.ч при работе на пропан-бутане, а на природном магистральном метане ещё в 4-5 раз ниже, пропорционально его стоимости (~1руб/кг или 0,7 руб/м3).
Утилизация тепловой энергии, выделяемой ДВС на выхлопе, существенно повышает общий КПД комплекса, позволяя за сутки нагревать до 70°С и длительно сохранять горячей около100 л воды.

Технико-экономические показатели

Параметр Значение
1. Мощность двигателя 3,5 л.с.
Вид топлива пропан-бутановая смесь или бензин Аи - 93
3 Мощность в режиме
- электромотора
- генератора:
1000 Вт
1500 Вт
4 Напряжение генератора 57 В
5 Напряжение электромотора в стартерном режиме 48 В
6 Ток зарядки до 26 А
7 Потребляемый ток при запуске 18 А
8 Ёмкость АКБ 4*90 А/ч
9 Номинальная мощность инвертора 2 кВт
10 Максимальная кратковременная мощность инвертора 8 кВт
11 Напряжение входной сети 178 - 252 В
12 Напряжение выходное 50 Гц синусоидальное 204 - 232 В
13 Масса
i. двигатель
ii. электронный блок
iii. АБ 6 СТ-90, 4 шт.
37 кг
28 кг
104 кг
14 Габариты
i. блок двигатель-генератор
ii. электронный блок/АБ
56х46х42 см
60х53х46 см
15 Расход топлива:
i. бензин
ii. газ
0,3 л/кВт.ч
0,5 л/кВт.ч
16 Рабочая температура 0 - +45 °С
17 Влажность до 80%

Таким образом, ЭЭК имеет следующие преимущества:

  • Высокую эффективность работы при малой мощности нагрузки, что обеспечивает стоимость энергии на уровне централизованной энергосистемы.
  • Автоматическое включение ДВС с накоплением энергии в АБ и в виде горячей воды.
  • Бесперебойную подачу энергии.
  • Экономное использование дешёвого газообразного топлива.
  • Питание асинхронных двигателей мощностью до 2 квт с обеспечением пусковых токов
  • Высокое качество электроэнергии на выходе со стабильными напряжением и частотой.
  • Информация предоставлена: http://www.solarhome.ru