Элементы энергетических сетей, их типы и принцип работы

Из чего состоят системы энергоснабжения?

Система энергоснабжения включает в себя три уровня: питание, распределение и потребление.

Источниками питания могут быть электростанция/ подстанция энергосистемы или собственная станция объекта. Собственный источник электричества необходим в случае особых требований к сети по надёжности, при размещении объекта в отдалённых от источника питания районах, при большом потреблении энергии.

Транспортировка электричества от источника происходит по линии электропередач и поступает в пункт приёма электрической энергии (например, подстанция предприятия). Через систему преобразования (трансформаторы) по распределительным сетям энергия разводится к потребителям.

Типы систем энергоснабжения

Системы энергоснабжения классифицируют по разным параметрам, главным из которых является назначение. Так, выделяют системы дежурного, резервного, аварийного и автономного энергоснабжения.

Дежурная система предназначена для работы в штатном порядке, выполняя роль основного источника электричества. Резервная является вспомогательной системой энергоснабжения, которая при необходимости может заменить главную. Она включается в автоматическом режиме при исчезновении или падении напряжения в основной питающей сети или её фазе. Аварийный комплекс в экстренной ситуации позволит питать наиболее важные объекты (объекты здравоохранения, МЧС, предприятиях атомной, химической, нефтедобывающей промышленности, насосные станции, водозаборы и т. д.) в течение нескольких часов или дней. Оптимальный способ решения аварийного энергоснабжения — использование источника бесперебойного питания (ИБП) с достаточным ресурсом аккумуляторов.

Автономная система энергоснабжения используется в домах, где по каким-то причинам невозможно подключиться к общей линии энергоснабжения. Также она востребована на предприятиях, где необходим полный контроль над сетью и бесперебойное питание. В таком случае для энергоснабжения применяются электрогенераторы или альтернативные источники электричества (например, солнечные батареи) вместе с мощными ИБП (инверторами). Источники бесперебойного питания одновременно являются резервом, а также стабилизатором напряжения.

Особенности подключения к сетям ЛЭП

Без электричества сейчас трудно представить комфортабельное жилье. Благодаря ему жилище освещается, обогревается, выполняется готовка пищи, и нагрев воды. Вот только далеко не всегда есть возможность обеспечить электричеством жилье, особенно если дом находится далеко от города.

Многим владельцам загородных домов и дачных участков, особенно если они находятся далеко от цивилизации, приходится решать вопрос с энергообеспечением дома.

Самым распространенным решением является подключение дома к сетям ЛЭП, однако они далеко не везде имеются или же ближайшая линия находится на приличном удалении от дома.

В таком случае обеспечение электричеством дома может оказаться очень дорогим удовольствием. Ведь придется согласовывать вопросы по поставкам этого источника энергии с соответствующими органами, оплачивать установку подстанции и опор ЛЭП для подведения к дому.

И особенно неприятно то, что приобретаемое оборудование, причем за немалые деньги (подстанция, провода, опоры) перейдут на баланс местных энергосетей, то есть владельцем всего будут являться они, а владельцу дома еще придется и платить за поставки электроэнергии.

Поэтому такой вариант для многих может стать нецелесообразным, достаточно хлопотным и дорогостоящим.

Автономные источники электроэнергии

Второй вариант обеспечить загородный дом электричеством – использовать автономные источники энергообеспечения. Такими источниками могут стать ветер, солнце, вода и горючие материалы.

Используя автономное энергообеспечение, владелец дома становится полностью независимым в плане получения электроэнергии для потребления.

Не требуется никаких согласований, протяжки ЛЭП и т. д. Конечно, получение электроэнергии все равно будет связано затратами. И на начальном этапе они будут достаточно весомыми, поскольку необходимое оборудование стоит немало.

В дальнейшем необходимо еще и проведение обслуживания всех составляющих системы энергообеспечения, но в итоге все окупиться.

Плюсы и минусы

У автономного электроснабжения есть свои достоинства и недостатки, которые свойственны именно подобным системам.

Так к плюсам такого вида электроснабжения, можно отнести:

  • Способность работать вне зависимости от внешних электрических сетей.
  • Отсутствие платы за потребленную электрическую энергию.
  • Режим работы автономной системы соответствует режиму, разработанному пользователем, без внеплановых отключений и ремонтов, свойственных внешним электрическим сетям.
  • Качество электрической энергии, вырабатываемой подобными системами, соответствует заявленным параметрам технических устройств, входящих в состав комплекта оборудования.

К недостаткам таких систем, относятся:

  • Высокая стоимость оборудования.
  • Работы по профилактике и обслуживанию лежат на пользователе таких систем, что определяет наличие определенных финансовых затрат, связанных с этими мероприятиями.

Кроме выше приведенных плюсов и минусов автономных систем электроснабжения, которые относятся ко всем видам систем подобного рода, у каждого конкретного вида, в зависимости от способа получения электрической энергии, есть свои специфические достоинства и недостатки. Это определяет их способность вырабатывать электрическую мощность в единицу времени и количество затрат, идущих на ее производство в этот период.

Типы солнечных электростанций


Сетевая Солнечная Электростанция— этот тип электростанции сочетает в себе невысокую стоимость и максимальную простоту эксплуатации. Состоит всего из двух элементов: солнечных панелей и сетевого инвертора. Электричество от солнечных панелей напрямую преобразуется в 220В/380В в доме и потребляется домашними энергосистемами. Но есть существенный недостаток: для работы ССЭ необходима опорная сеть. В случае отключения внешней электросети, солнечные батареи превратятся в «тыкву» и перестанут выдавать электричество, так как для функционирования сетевого инвертора нужна опорная сеть, то есть само наличие электричества. Кроме того, со сложившейся инфраструктурой электросети, работа сетевого инвертора не очень выгодна. Пример: у вас солнечная электростанция на 3 кВт, а дом потребляет 1 кВт. Излишки будут «перетекать» в сеть, а обычные счетчики считают энергию «по модулю», то есть отданную в сеть энергию счетчик посчитает, как потребленную, и за нее еще придется заплатить. Тут логично подходит вопрос: куда девать лишнюю энергию и как этого избежать? Переходим ко второму типу солнечных электростанций.
Гибридная Солнечная Электростанция– этот тип электростанции сочетает в себе достоинства сетевой и автономной электростанции. Состоит из 4 элементов: солнечные панели, солнечный контроллер, аккумуляторы и гибридный инвертор. Основа всего – это гибридный инвертор, который способен в потребляемую от внешней сети энергии подмешивать энергию, выработанную солнечными панелями. Более того, хорошие инверторы имеют возможность настройки приоритезации потребляемой энергии. В идеале, дом должен потреблять сначала энергию от солнечных панелей и только при ее недостатке, добирать из внешней сети. В случае исчезновения внешней сети инвертор переходит в автономную работу и пользуется энергией от солнечных панелей и энергией, запасенной в аккумуляторах. Таким образом, даже если электроэнергию отключат на продолжительное время и будет пасмурный день (или электричество отключат ночью), в доме всё будет функционировать. Но что делать, если электричества нет вообще, а жить как-то надо? Тут я перехожу к третьему типу электростанции.
Автономная Солнечная Электростанция– этот тип электростанции позволяет жить полностью независимо от внешних электросетей. Она может включать в себя больше 4 стандартных элементов: солнечные панели, солнечный контроллер, АКБ, инвертор.
Дополнительно к этому, а иногда вместо солнечных панелей, может быть установлена ГидроЭлектроСтанция малой мощности, ветряная электростанция, генератор (дизельный, газовый или бензиновый). Как правило, на таких объектах присутствует генератор, поскольку может не быть солнца и ветра, а запас энергии в аккумуляторах не бесконечен – в этом случае генератор запускается и обеспечивает энергией весь объект, попутно заряжая АКБ. Такая электростанция легко трансформируется в гибридную, при подключении внешней электросети, если инвертор обладает этими функциями. Основное отличие автономного инвертора от гибридного – это то, что он не умеет подмешивать энергию от солнечных панелей к энергии из внешней сети. При этом гибридный инвертор, наоборот, умеет работать в качестве автономного, если внешняя сеть будет отключена. Как правило, гибридные инверторы соразмерны по цене с полностью автономными, а если и отличаются, то несущественно.

Что такое солнечный контроллер?


Во всех типах солнечных электростанций присутствует солнечный контроллер. Даже в сетевой солнечной электростанции он есть, просто входит в состав сетевого инвертора. Да и многие гибридные инверторы выпускаются с солнечными контроллерами на борту. Что же это такое и для чего он нужен?Солнечный контроллер – это устройство, которое полученную от солнечных панелей энергию преобразует в перевариваемую инвертором энергию. Например, солнечные панели изготавливаются с напряжением кратно 12В. И АКБ изготавливаются кратно 12В, так уж повелось. Простые системы на 1-2 кВт мощности работают от 12В. Производительные системы на 2-3 кВт уже функционируют от 24В, а мощные системы на 4-5 кВт и более работают на 48В. Сейчас я буду рассматривать только «домашние» системы, потому что знаю, что есть инверторы, работающие на напряжениях в несколько сотен вольт, но для дома это уже опасно.
Итак, допустим у нас есть система на 48В и солнечные панели на 36В (панель собрана кратно 3х12В). Как получить искомые 48В для работы инвертора? Конечно, к инвертору подключаются АКБ на 48В, а к этим аккумуляторам подключается солнечный контроллер с одной стороны и солнечные панели с другой. Солнечные панели собираются на заведомо большее напряжение, чтобы суметь зарядить АКБ. Солнечный контроллер, получая заведомо большее напряжение с солнечных панелей, трансформирует это напряжение до нужной величины и передает в АКБ. Это упрощенно. Есть контроллеры, которые могут со 150-200 В от солнечных панелей понижать до 12 В аккумуляторов, но тут протекают очень большие токи и контроллер работает с худшим КПД. Идеальный случай, когда напряжение с солнечных панелей вдвое больше напряжения на АКБ.
Солнечных контроллеров существует два типа: PWM (ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция) и MPPT (Maximum Power Point Tracking – отслеживание точки максимальной мощности). Принципиальная разница между ними в том, что ШИМ-контроллер может работать только со сборками панелей, не превышающими напряжения АКБ. MPPT – контроллер может работать с заметным превышением напряжения относительно АКБ. Кроме того, MPPT-контроллеры обладают заметно бОльшим КПД, но и стоят дороже.

Как выбрать солнечные панели?


На первый взгляд, все солнечные панели одинаковы: ячейки солнечных элементов соединены между собой шинками, а на задней стороне есть два провода: плюс и минус. Но есть в этом деле масса нюансов. Солнечные панели бывают из разных элементов: аморфных, поликристаллических, монокристаллических. Каждая солнечная батарея – это четырехслойный пирог: стекло, прозрачная EVA-пленка, солнечный элемент, герметизирующая пленка. И вот тут каждый этап крайне важен. Стекло подходит не любое, а со специальной фактурой, которое снижает отражение света и преломляет падающий под углом свет таким образом, чтобы элементы были максимально освещены, ведь от количества света зависит количество выработанной энергии. От прозрачности EVA-пленки зависит, сколько энергии попадет на элемент и сколько энергии выработает панель. Если пленка окажется бракованной и со временем помутнеет, то и выработка заметно упадет.

Далее идут сами элементы, и они распределяются по типам, в зависимости от качества: Grade A, B, C, D и далее. Конечно, лучше иметь элементы качества А и хорошую пайку, ведь при плохом контакте, элемент будет греться и быстрее выйдет из строя. Ну и финишная пленка должна также быть качественной и обеспечивать хорошую герметизацию. В случае разгерметизации панелей, очень быстро на элементы попадет влага, начнется коррозия и панель также выйдет из строя.

Как правильно выбрать солнечную панель? Основной производитель для нашей страны – это Китай, хотя на рынке присутствуют и Российские производители. Есть масса OEM-заводов, которые наклеят любой заказанный шильдик и отправят панели заказчику. А есть заводы, которые обеспечивают полный цикл производства и способны проконтролировать качество продукции на всех этапах производства. Как узнать о таких заводах и брендах? Есть пара авторитетных лабораторий, которые проводят независимые испытания солнечных панелей и открыто публикуют результаты этих испытаний. Перед покупкой вы можете вбить название и модель солнечной панели и узнать, насколько солнечная панель соответствует заявленным характеристикам. Первая лаборатория – это Калифорнийская Энергетическая Комиссия, а вторая лаборатория Европейская – TUV. Если производителя панелей в этих списках нет, то стоит задуматься о качестве. Это не значит, что панель плохая. Просто бренд может быть OEM, а завод-производитель выпускает и другие панели. В любом случае, присутствие в списках этих лабораторий уже свидетельствует о том, что вы покупаете солнечные батареи не у производителя-однодневки.

Ветроэлектрические установки

Вторая по популярности автономная система энергообеспечения – ветряная. Для получения электроэнергии используются ветрогенераторы.

По сути, это обычные генераторы, на ротор которых надеты лопасти. За счет ветра ротор вращается и происходит генерация электричества.

Из положительных качеств ветрогенераторов отмечается достаточно компактные размеры, относительная бесшумность работы, экологичность, долговечность. Также существует возможность самодельного изготовления такого генератора.

Но недостатков у ветряной системы больше. Первый из них – стоимость, обойдутся ветряные генераторы не дешево.

Учитывая то, что КПД ветрогенераторов невысокая, то для полного обеспечения дома электричеством, потребуется установка трех и более ветряков небольшой мощности или же одного, но достаточно производительного. И в обоих случаях затраты на приобретение будут значительными.

Опять же необходимо учитывать и климатические условия. В зонах, где средний годовой показатель скорости ветра не превышает 8 м/с, использовать ветрогенераторы будет нецелесообразно, поскольку они неспособны будут работать в оптимальном режиме.

Стоит также учитывать, что в дни полнейшего безветрия можно остаться без электричества, поэтому использовать ветряную автономную систему энергообеспечения лучше, если имеется резервный источник электроэнергии.

Топливные генераторные установки

Резервным источником электроэнергии могут стать генераторы, работающие на жидком или газообразном топливе (бензин, дизтопливо, газ).

Здесь все просто: установка состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора. Двигатель вращает ротор, и генератор вырабатывает энергию.

Полностью автономной такую систему назвать нельзя, все-таки необходимо топливо, которое еще и дорожает постоянно. Но как резервный источник электроэнергии такие генераторные установки являются самыми оптимальными.

В случае, когда пасмурная погода стоит уже несколько дней или же наблюдается безветрие, всегда можно запустить генераторную установку для восполнения заряда батарей.

Из положительных качеств генераторных установок, работающих от топлива, отмечается постоянная доступность электроэнергии, такие установки сравнительно дешевые, они обеспечивают хороший выход энергии.

К недостаткам же их относится потребность в топливе, что обеспечивает постоянные затраты. Такие установки не могут работать длительный период, а двигатели внутреннего сгорания требуют технического обслуживания.

Также для использования генераторных установок необходимо отведение отдельного помещения и организацию отвода выхлопных газов, ну и, естественно, ни о какой экологичности и речи быть не может.

Инверторы как источник автономного электропитания для частного дома

Значительно повысить работоспособность системы способно подключение к генератору силовых инверторов с зарядными устройствами и емких аккумуляторных батарей, которые работают как источник автономного электроснабжения частного дома на высоком уровне.

В таком случае генератор функционирует не весь день, а только то время, которое необходимо для пополнения заряда батарей. Остальные часы все системы загородного дома работают от энергии аккумуляторов, которая преобразуется инвертором в переменный ток с чистым синусом.

Как только аккумуляторы разряжаются, инвертор вновь подключает к работе генератор, обеспечивая переменным током нагрузку и одновременно пополняя заряд батареи. Автономное электропитание, организованное по такому принципу, обеспечивает надежную работу техники, так как переключение между питанием нагрузки от аккумуляторов и генератора происходит автоматически.

Регулирует работу всех устройств инвертор, управление которым возможно при наличии специальных фирменных системных контроллеров. Можно запрограммировать систему, прописав несколько вариантов развития сценария:

  • генератор включается при падении уровня напряжения или степени заряда аккумуляторов;
  • подключение генератора также может быть связано с увеличением нагрузки;
  • автономное энергоснабжение от генератора можно запрограммировать на определенные часы (например, разрешить его работу в дневное время и запретить в ночное).

Использование инверторов и аккумуляторов позволяет продлить срок службы генератора и уменьшить цену содержания объекта, существенно уменьшив расходы на покупку топлива и техническое обслуживание. При этом обслуживание компонентов инверторной системы не требуется.

Работа инверторов с альтернативными источниками резервного питания

Современные силовые инверторы вместе с аккумуляторами позволяют обеспечить автономную работу всех домашних бытовых приборов за счет использования альтернативных источников электроснабжения. В этом случае в гибридную систему включаются, помимо генератора, солнечные панели и ветрогенератор. Также система резервного электроснабжения может функционировать только с возобновляемыми источниками энергии.

Энергию солнца или ветра аккумуляторные батареи могут накапливать при помощи специальных контроллеров заряда в те моменты, когда она доступна. При достаточном уровне заряда АКБ инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторов в переменный с чистой синусоидой, который используется для поддержания работоспособности бытовых приборов и техники.

Еще один вариант применения инверторов — построение систем бесперебойного питания в ситуациях, когда подключение к сети есть, но не отличается стабильностью. Автономный источник питания на базе инверторов с аккумуляторными батареями и солнечными панелями в этой ситуации используется не только при исчезновении напряжения в стационарной сети, но и для приоритетного использования энергии солнца в целях экономии сетевой электроэнергии.

Для работы с альтернативными источниками энергии: солнечными панелями и ветрогенераторами хорошо подходят инверторы Victron серии Phoenix Inverter мощностью от 1,2 кВА до 5 кВА.

Инвертор Victron серии Phoenix представляет собой профессиональное техническое устройство для преобразования постоянного тока в переменный. Разработанный с применением гибридной технологии ВЧ, он рассчитан на соответствие самым высоким требованиям. Его функция заключается в обеспечении питанием любой автономной системы электроснабжения с необходимостью получения высокого качества тока на выходе со стабильным напряжением в виде чистой синусоиды. В быту напряжение с чистым синусом требуют такие приборы, как газовый котел, холодильник, микроволновка, телевизор, стиральная машина и прочее.

Полностью автономное электроснабжение частного дома с различными бытовыми электроприборами требует как высокого качества напряжения, так и возможности инвертора справляться с пусковыми токами трудных нагрузок (компрессор холодильника, электродвигатель насоса и т.п.). Удовлетворить эту потребность может функция SinusMax инвертора Phoenix. Она обеспечивает двукратную кратковременную перегрузочную способность системы. Более простым и ранним технологиям преобразования напряжения это не под силу.

Энергопотребление инвертора:

  • на холостом ходу: от 8 до 25 Вт в зависимости от модели;
  • в режиме поиска нагрузки: от 2 до 6 Вт, этот режим сопровождается регулярным включением системы каждые две секунды в течение короткого периода времени.
  • при постоянной работе в энергосберегающем режиме (AES): от 5 до 20 Вт.

Автономные системы электроснабжения позволяют осуществлять собственное управление и мониторинг через подключение инвертора к компьютеру. Для своих инверторов компания Victron Energy разработало программное обеспечение VEConfigure. Подключение осуществляется через интерфейс MK2-USB.

Инверторы Phoenix Inverter и Phoenix Inverter Compact могут работать как в параллельных конфигурациях (до 6 инверторов на фазе), так и в 3-х фазных. Оптимальные в соотношении «цена/качество» они подходят не только для дома, но и для автономного электроснабжения транспорта, мобильных комплексов.

Система автономного электроснабжения частного дома

Система автономного электроснабжения дома может включать в себя не только инвертор и альтернативные источники энергии, но и генератор. Инверторная система включит генератор в случае необходимости подзарядки аккумуляторов. Для запуска генератора можно использовать или встроенное реле инвертора или реле аккумуляторного монитора BMV-700. По достижении необходимого уровня заряда, генератор отключается. Далее питание нагрузок опять начинают обеспечивать аккумуляторы. Такая схема позволит полноценно обеспечивать электричеством удаленный дом даже при временном отсутствии солнца или ветра.

Как сделать своими руками

Автономную систему электроснабжения можно смонтировать и самостоятельно, не прибегая к услугам специализированных организаций.

В этом случае все будет зависеть от выбранной схемы электроснабжения (из рассмотренных ранее). Так такие элементы, как солнечная батарея и ветровой генератор, можно собрать из комплектующих заводского изготовления или имеющихся в наличии. Правда в этом случае, мощность будет незначительная, что создаст определенные трудности при подключении большого количества электроприемников.

Прочие элементы системы: контроллер, инвертор — лучше всего приобрести заводского изготовления, хотя, имея навыки работы с паяльником и зная основы электротехники, можно собрать и их, благо принципиальных схем устройств данных типов достаточно много.

Дизель генератор или его бензиновый аналог, собрать сложно, это обусловлено специфичностью комплектующих этих аппаратов (двигатель, генератор), которые легче приобрести, чем конструировать самостоятельно.

Зная установочную мощность электрических устройств и конфигурацию электрической сети, можно подобрать требуемое оборудование, чтобы оно соответствовало по параметрам (мощность и напряжение) и условиям работы предъявляемым требованиям, после чего собрать такую систему, способную работать в автономном режиме.

Выгодно ли это?

Насколько выгодно иметь автономную систему электроснабжения решает для себя каждый пользователь индивидуально, в зависимости от внешних факторов и условий, как-то: наличие внешних электрических сетей и стоимость электрической энергии, реализуемой энергоснабжающими организациями в конкретном месте проживания. А также от финансовых возможностей пользователя и его личных предпочтений.

Кроме этого, за создание автономных сетей выступают их достоинства, а против – их недостатки, что в конечном итоге и определяет целесообразность создания автономных сетей электроснабжения.

Основные определения электрической сети

Под системой электроснабжения понимается совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.

Электроустановками называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии. Система электроснабжения является подсистемой электроэнергетической системы и одновременно составной частью электрического хозяйства предприятия, организации.

Электроэнергетическая (электрическая) система — это электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электрической энергии.

Под энергетической системой понимается совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии и теплоты при общем управлении этим режимом.

Электрическая станция — это установка или группа установок для производства электроэнергии или электрической и тепловой энергии.

Электрической сетью называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электроэнергии, состоящая из подстанций, линий электропередачи, токопроводов, аппаратуры присоединения, защиты и управления.

Подстанция — это электроустановка для приема, преобразования и распределения электроэнергии.

Под линией электропередачи понимается устройство, предназначенное для передачи и распределения или только для передачи электроэнергии на расстояние.

Электрическим хозяйством предприятия называется совокупность электроустановок, электрических и неэлектрических изделий, не являющихся частью электрической сети, но обеспечивающих ее функционирование; помещений, зданий и сооружений, которые эксплуатируются электротехническим или подчиненным ему персоналом; людских, материальных и энергетических ресурсов и информационного обеспечения, необходимых для жизнедеятельности электрического хозяйства.

Источники

  • http://PitonElectric.ru/poleznoe/sistemi-ienergosnabzheniya
  • https://ElektrikExpert.ru/avtonomnoe-elektrichestvo-dlya-chastnogo-doma.html
  • https://alter220.ru/elektro/avtonomnoe-elektrosnabzhenie.html
  • https://habr.com/ru/post/460457/
  • https://www.vega-volt.ru/application/avtonomnoe-jelektrosnabzhenie/
  • https://pue8.ru/sistemy-elektrosnabzheniya/25-ponyatiya-o-sistemah-elektrosnabzheniya-i-potrebitelyah-elektroenergii.html

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об инженерных системах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: