Автономная система и потребности в электричестве

Из всех видов альтернативных источников электроэнергии наиболее распространены и удобны для поместья солнечные батареи и ветрогенераторы. Солнечные батареи привлекают своим длительным сроком службы (производители заявляют 25-30 лет) и необслуживаемостью. Минус - зимой дают меньше электричества за счёт более короткого светового дня. Ветряки, в сравнении с солнечными батареями, как правило, более производительны при той же стоимости. К тому же, могут быть самостоятельно изготовлены в условиях мастерской. Но и менее надёжны. Требуют обслуживания и ремонта, а значит, и человека с правильно растущими руками. По поводу ветряков распространён миф, что они шумят и создают вредную вибрацию в диапазоне инфрачастот. Это справедливо для мощных промышленных установок, но пользователи <бытовых> маломощных (0,2 - 1 кВт) ветряков (в том числе и самодельных) утверждают, что их ветряки не шумят, и не смущают ни птиц, ни грызунов.
Ветряки и солнечные батареи хорошо дополняют друг друга (первые малопроизводительны летом, вторые - зимой), создают устойчивую систему. Но для человека, не имевшего дело с альтернативной энергетикой раньше, лучше начать с приобретения чего-либо одного. Солнечные батареи хороши тем, что для начала можно купить панель небольшой мощности, проверить на практике и прочувствовать свои потребности в электричестве, а затем при необходимости мощность можно наращивать, покупая дополнительные панели или приобрести ветряк. Поскольку опыта эксплуатации ветряков у меня нет, я буду рассказывать, в первую очередь, о солнечных батареях.
Ветряки, солнечные батареи и дополнительные устройства составляют автономную систему. Её более-менее общая схема выглядит так (рис. 1), хотя некоторые устройства в ней и не являются строго обязательными.

Солнечная батарея или ветрогенератор вырабатывают электричество при наличии соответственно солнца и ветра, которое накапливается в аккумуляторе. Контроллер заряда управляет зарядом аккумулятора, ограничивает ток, когда аккумулятор полностью заряжен. Также к контроллеру подключаются потребители, рассчитанные на 12/24 В, и он следит за разрядом аккумулятора, сигнализирует о его состоянии, и при достижении определённой глубины разряда отключается, чтобы не допустить переразряда и сокращения его срока службы. Инвертор - это устройство, которе преобразует постоянный ток с аккумулятора напряжением 12/24 В в переменный 220 В. Он подключается непосредственно к аккумулятору, либо к контроллеру. К выходу инвертора подключаются потребители, рассчитанные на напряжение 220 В. Инвертор, контроллер заряда и зарядное устройство иногда объединены конструктивно в один блок. Если требуется дополнительная мощность, можно использовать жидкотопливный генератор, который питает мощные потребители и одновременно подзаряжает аккумулятор через зарядное устройство.
Как комплектовать автономную систему, во многом зависит от ваших финансовых возможностей, ожидаемой надежности, а также от возможностей и желания её обслуживать. Здесь, как и везде, встаёт соотношение "время/деньги" и "надёжность/деньги". Если вы не стеснены в расходовании средств, а также хотите получить максимально надёжную систему, не требующую обслуживания, не намерены глубоко вникать в технические детали, то, вероятно, лучший выбор для вас - купить через интернет-магазин (например, http://solarhome.ru, http://solwind.ru) готовую солнечную систему (в неё входят солнечные батареи, аккумуляторы, контроллер заряда, инвертор, иногда и ветрогенератор, подобранные друг к другу по параметрам), которую подберут для вас специалисты компании. Если вы точно указали исходные данные, то полученная система после её монтажа, скорее всего, не будет требовать дополнительного обслуживания и особого внимания.
В других случаях умелые руки, светлая голова, и - главное - интерес к технике, позволяют сэкономить очень немало денег. Если у вас это есть, то можно подобрать систему самостоятельно.
Далее в статье приводятся расчёты, помогающие это сделать. Но нужно сказать, что большинство расчётов являются приблизительными, т.к. на работу автономной системы влияет большое количество самых разных факторов. Поэтому они могут потребовать корректировки опытным путём.
Прежде всего, стоит определиться, нужен ли бензо- или газогенератор. (Если он уже есть - у вас или у вашего лучшего соседа - значит, вопрос решён). Солнечная система, способная питать мощные электроинструменты, целесообразна только в том случае, если вы будете ими пользоваться регулярно, даже после окончания вашего строительства (например, у вас столярная мастерская, и вы этим занимаетесь профессионально). Но даже в этом случае, скорее всего, лучше начать с солнечной системы поменьше и бензо-/газогенератора.
Если инструменты нужны только для строительства, а после его окончания будут использоваться изредка (например, 1-2 часа в неделю), то выбор тоже за генератором для питания интструмента, и солнечной системы - для остальных потребителей.
Если стройка уже закончена и инструмент нужен редко, то можно обойтись и без генератора, только солнечной системой.
Важными характеристиками автономной системы являются:
1. Номинальная мощность в ваттах. Означает суммарную мощность потребителей переменного тока 220 В, которые могут быть включены одновременно. Определяется, в первую очередь, номинальной мощностью инвертора.
2. Номинальное напряжение в вольтах. Определяется номинальным напряжением аккумуляторов и способом их соединения и составляет 12 В или 24 В (реже 48 В или 120 В). Солнечные батареи, ветрогенератор, контроллер заряда и интвертор должны иметь такое же номинально напряжение.
Номинальное напряжение 12 В очень удобно тем, что им напрямую, без преобразования (а значит, и более экономично), можно питать многие устройства, например, магнитофон или музыкальный центр, автомобильный зарядник для мобильного телефона, светодиодные лампы, некоторые энергосберегающие лампы, нетбук или ноутбук (но не каждый).
Если вам необходима мощность системы, превышающая 1,2 - 1,5 кВт (и у вас нет бензо-/газогенератора), то напряжение выбирают 24 В, иначе (при 12 В) потери энергии в проводах и соединениях будут слишком большими.
Солнечные батареи.
Основными характеристиками солнечных батарей являются:
1. Номинальная мощность в ваттах. Её не следует путать с номинальной мощностью автономной системы (в большинстве случаев мощность солнечных батарей в 2-10 раз меньше). Мощность батареи указывается исходя из освещённости 1000 Вт/м2. Сложно оценить эмпирически, сколько это именно, но на практике батарея мощностью 100 Вт при прямом солнечном свете в ясный полдень выдаёт на аккумуляторы мощность 60 - 80 Вт. Разумеется, при другой погоде и/или в другое время дня эта величина меньше. При лёгкой облачности - около 30 - 50 Вт, при сплошной облачности - около 10 - 25 Вт, в грозовую погоду или метель - заряд аккумулятора ничтожен. О том, как выбрать номинальную мощность СБ, будет сказано далее.
2. Номинальное напряжение в вольтах. 12 или 24 В. При этом на холостом ходу батарея выдаёт примерно 19 или 38 В соответственно.
3. Односторонние, либо двухсторонние. У двухсторонних панелей тыльная сторона тоже чувствительна к свету (примерно в 2 раза меньше, чем основная). По цене они незначительно дороже односторонних.
При номинальной мощности 100 Вт солнечная панель (включая алюминиевый каркас) имеет площадь около 1,3 м2 и вес около 15 кг. Стоит (на 2010 г) такая панель около 20-21 тыс.рубю Купить несколько небольших панелей может оказаться удобнее, чем одну большую: по цене разницы обычно нет, но упрощается транспортировка и установка. Покупать панели напряжением 12 В предпочтительнее, даже если номинальное напряжение вашей системы выбрано 24 В. В этом случае, в зависимости от способа подключения панелей, их можно использовать как для 12 В, так и для 24 В системы (рис. 2). При этом панелей должно быть чётное число.

Широко распространено мнение, что зимой солнечные батареи не работают. Одни источники говорят, что с понижением температуры кпд батареи уменьшается, другие - что увеличивается. На практике я не заметил особой разницы в работе СБ при минус 5 и при минус 20 градусов - в обоих случаях она работает хорошо. Но зимой излучение солнца намного слабее а так-же световой день короче, в результате дневная производительность СБ меньше.
Летом же, действительно, в жаркую погоду отдача СБ несколько снижается.
У многих людей при упоминании солнечных батарей всплывает ассоциация с крышей дома, устланной панелями. На практике не всё так однозначно. Действительно, если ваши средства позволяют вам иметь много панелей, то наверняка проще всего их расположить на крыше, направив на юг под оптимальным углом к горизонту (об оптимальных углах см. ниже). Если же суммарная мощность батарей не превышает 200 Вт, то может возникнуть желание получить от них максимум отдачи. Например, около 8% дополнительной энергии в течении года (примерно 15% летом и 5% зимой) можно получить, если менять наклон панели раз в сезон, и еще около 40% летом и 10% зимой, если установить панель на поворотной платформе и в течении дня 3-4 раза поворачивать её, следуя за ходом солнца (Разумеется, для этого платформа должна стоять на земле). Это совсем не так обременительно, как кажется на первый взгляд, ведь, живя в поместье, вы всё равно несколько раз за день выходите из дома, и повороты платформы быстро входят в привычку (А если вы уходите из дома на целый день или несколько дней, панель можно повернуть на юг). Если же панель расположена на крыше или на мачте, придётся придумывать специальный механизм, чтобы управлять поворотом снизу. В-третьих, с расположенные на крыше или на мачте панели неудобно чистить от снега. Если снег не убирать, он сойдёт сам через несколько часов или дней, но только если толщина слоя снега на крыше ниже панели позволяет ему сходить. (За время ожидания этого схода вы будете недополучать такую ценную зимой энергию. Опять же, придётся придумывать дополнительные приспособления для чистки панелей. С другой стороны, установка панелей на земле целесообразна только если пространство перед ними более-менее открыто. Если же с южной стороны от вашего дома расположены другие строения или лес, то солнечные батареи придётся поднять на крышу или на мачту. При любом расположении необходимо позаботиться о надёжности креплений, чтобы ветер не сорвал или не опрокинул панели. Града солнечные батареи, как правило, не боятся (в разумных пределах). При расположении на крыше предусмотрите пространство между СБ и кровлей - порядка 10-20 см. Оно нужно для вентиляции и для стекания осадков.

Какой мощности выбрать солнечную батарею?
Для расчётов вам потребуется оценить свои потребности в электричестве.
Мощность, потребляемая устройствами от сети(в ваттах):

1. Зарядка телефона 4-7Вт
2. Ноутбук - 40-80 при зарядке - 30-50Вт
3. Лампа накаливания - 40-150Вт
4. Лампа энергосберегающая 7-28Вт
5. Настольный компьютер, с монитором -  200-500Вт
6. Зарядка фотоаппарата, видеокамеры - 10-20Вт
7. Принтер струйный - 20-40Вт
8. Музыкальный центр 5-40Вт
9. Телевизор 40-80Вт
10. Шуруповёрт ри зарядке - 10-15Вт
11. Электрорубанок - 400-800
12. Дрель - 300-600Вт
13. Электролобзик 200-500Вт
14. Болгарка 800-2000Вт
15. Циркулярная или цепная пила - 1300-2000Вт
16. Глубинный насос - 200-400Вт

Рассчитаем средний дневной расход энергии потребителями :
WАC = P1 * t1 + P2 * t2 + P3 * t3 + ... + Pn * tn
где WAC количество энергии, потраченное за день устройствами, питаемыми соответственно от ~220 В в ватт-часах, Pn - номинальная мощность потребителя в ваттах, tn - среднее время работы этого потребителя в часах в сутки. Если устройство работает не каждый день (например, электроинструмент), то tn = tмес / 30, где tмес - время работы (в часах) данного потребителя за месяц.
Суммарный расход энергии, с учётом потерь:
WAC = 1.2WDC
Коэффициент1.2 введен для учёта потерь энергии в аккумуляторе и при преобразовании постоянного тока в переменный.
Поскольку потребности в электричестве в течение года неодинаковы, также как и неодинакова производительность солнечных батарей, то такой расчёт имеет смысл проводить для декабря (наименее солнечный месяц в период осень - зима), и, к примеру, для марта (наименее солнечный месяц в период весна - лето)..
К примеру, зимой в течении дня у меня 5 часов включено освещение (энергосберегающая лампа 20 Вт) и 4 часа ноутбук (25 Вт), то общий дневной расход зимой получается: 5 * 20 + 4 * 25 = 200 (Вт*ч).

С марта по сентябрь - к примеру, 1 час включено освещение (энергосберегающая лампа 20 Вт), 4 часа ноутбук (25 Вт), и 1 час насос (220 Вт). Дневной расход получаем:1 * 20 + 1 * 220 + 4 * 25 = 340 (Вт*ч).

Следующий шаг - определение средней производительности солнечных батарей в вашей местности. Для этого необходимо знать среднее значение дневной солнечной радиации в расчетном месяце. Эти данные для вашей местности можно попробовать найти в Интернете. Правда, мне не удалось найти единого и универсального российского ресурса, который бы содержал нужные данные по городам в удобном виде. Есть, правда, сайт, предлагающий платную (30 руб) справку на эту тему - http://dcaco.narod.ru/insolation.htm. Его услугами я не пользовался, поэтому не знаю содержание тех данных.
Зато на сайте NASA есть очень содержательный и достойный похвалы раздел их метеорологической службы (http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?uid=3030), разумеется, на английском. Примечательно, что направленность раздела как раз таки "заточена" под альтернативную энергетику. Кроме солнечной радиации, там есть данные о силе ветра (что полезно, если вы хотите устанавливать ветряк) и другая информация. Всё, что требуется - простейшая регистрация (только ваш e-mail - и всё) и географические координаты нужного места.
Оттуда получаем средне дневную велечину солнечной радиации вкВт*ч/м2, оптимальный угол наклона панели по отношению к горизонту, при направлении на юг а так-же углы наклона относительно горизонта для каждого сезона. Если панель закрепляется неподвижно, то стоит выбрать угол, соответствующий марту.
Для панели, установленной на поворотной платформе, оптимальные углы будут другими.
Они примерно равны:
- для лета: географическая широта минус 15 градусов,
- для зимы: географическая широта плюс 15 градусов,
- для весны и осени оптимальный угол равен географической широте.
На основе данных о солнечной радиации можно для каждого сезона рассчитать номинальную мощность солнечной батареи, которая может покрывать потребности в энергии:
Pном = W / (kСБ * kА * Нопт.ср) ,
где Pном - номинальная мощность солнечной батареи, W - средний дневной расход энергии, Нопт.ср - средняя дневная радиация для панели, расположенной под оптимальным углом. kСБ и kА - поправочные коэффициенты.
kСБ введён для учёта расхождения теоретических расчетов с практическими результатами вследствие потерь энергии в самой СБ, отражения света от снега и других факторов. На основе собственных измерений я принял kСБ равным 0.6 летом, 1.2 зимой и 0.9 весной и осенью. Эти данные, разумеется, приблизительные. Для бесснежной зимы kСБ будет меньше 1.2, а для прохладного лета - больше 0.6.
kА учитывает влияние положения СБ на её производительность. Если панель направлена на юг и в течении всего года неподвижно закреплена под углом, оптимальным для марта (из таблицы), то kА берётся равным 0.85 для лета, 0.95 для зимы и 1.00 для весны и осени. Если угол наклона панели изменяется раз в сезон в соответствии с данными таблицы, то kА = 1.
Если панель установлена на поворотной платформе, то kА принимаем равным 1.4 летом, 1.1 зимой и 1.25 весной и осенью.
Например, для рассчитанного в примере выше среднего дневного расхода (W = 200 Вт*ч для зимы и W = 340 Вт*ч для лета) можно рассчитать необходимую мощность СБ для поворотной платформы. Если ведутся расчёты для других периодов, могут понадобиться данные по другим месяцам (наименее солнечным в эти периоды). Их можно взять с упомянутого сайта, либо прикинуть учитывая, что дневная солнечная радиация увеличивается с декабря по июнь и уменьшается с июня по декабрь примерно по синусоиде. Кроме того, необходимо будет скорректировать и коэффициенты kСБ и kА.
Выбираем наибольшее значение в качестве необходимой номинальной мощности.
Не всегда эта величина соответствует декабрю. Например, если летом вы питаете от системы какой-либо мощный инструмент, а зимой - только освещение, то мощность батарей будет определяться <летним> расчётом.
Получается, что СБ мощностью 138 Вт в среднем ежедневно выдаёт 264 Вт*ч в декабре. А в другое время года?
W = kСБ * kА * Pном * Нопт.ср
Для марта: W = 0.9 * 1.25 * 138 * 4.05 = 629 (Вт*ч)
Для июня: W = 0.6 * 1.4 * 138 * 6.37 = 738 (Вт*ч)
На основе этих данных можно составить представление о том, как рационально использовать электричество в различные времена года.
Все эти расчёты я привёл здесь в чисто демонстрационных целях, для общего представления о том, какого порядка должна быть мощность ваших панелей, как изменяется их производительность в течении года и т.п. Результаты никак не претендуют на точность, т.к. уровень солнечной радиации не бывает постоянным каждый год, да и рельеф, окружающие объекты в вашей местности никакими формулами не учтёшь. Всё придётся проверять практикой.
Однако, имея некоторое представление о физике автономной системы, можно научиться неплохо экономить и получать от неё максимум энергии. Например, вы можете перераспределить ваши потребности в электричестве в течении года, чтобы покрыть его недостаток в одни периоды и рационально использовать избыток в другие.
Вы можете варьировать свои потребности в электричестве и в зависимости от погоды, и от степени заряженности аккумулятора. Если, скажем, за окном пасмурно и/или аккумулятор недозаряжен, то включение насоса для наполнения бака водой можно отложить. Можно в такой день меньше сидеть за компьютером и посвятить себя другим делам. В солнечный день и/или при полностью заряженном аккумуляторе - наоборот - время самых энергоёмких дел.
Если включать наиболее мощную нагрузку солнечным днём, то, по сравнению с вечером и с пасмурным днём, электричество экономится сразу по трём причинам:
1) Если аккумулятор заряжен на 70% и более, то контроллер заряда, вероятно, уже немного ограничивает ток заряда аккумулятора. Включив в этот момент некоторую нагрузку, вы используете электричество, которое просто даром пропадает (это особенно актуально, когда ёмкость аккумулятора не очень велика, и/или у вас аккумулятор с жидким электролитом).
2) Ток течёт от солнечных батарей прямо в нагрузку, минуя аккумулятор, следовательно, нет потерь на заряд/разряд.
3) Если мощности солнечной батареи днём не хватает для питания мощной нагрузки и недостаток восполняется из аккумулятора, то ток его разряда будет всё равно меньшим, чем если бы эту нагрузку включили вечером. А при меньшем токе разряда мы получаем бoльшую ёмкость от аккумулятора, чем при бoльшем токе, то есть меньшие потери в аккумуляторе.

Аккумуляторы

Зачастую именно с приобретения аккумуляторов начинается практическая электрификация поместий. Если рядом есть деревня, то первое время можно заряжать аккумулятор там.
Главными характеристиками аккумулятора являются:
1. Тип аккумулятора. В системах автономного электроснабжения применяются обычно кислотно-свинцовые аккумуляторы (их также часто называют просто "кислотные" или просто "свинцовые"). Они, в свою очередь, по технологии изготовления и конструкции бывают нескольких видов. Из их характеристик нас прежде всего интересует возможность работы в режиме глубокого разряда и недозаряда.
Автомобильные стартерные аккумуляторы с жидким электролитом многим знакомы. Это самый дешёвый тип аккумуляторов. У них относительно невысокий срок службы, при глубоком разряде происходит сульфатизация пластин, за счёт чего ёмкость аккумулятора снижается. Но в то же время, при правильном режиме заряда происходит и обратный процесс, и автомобильный аккумулятор поддаётся восстановлению лучше, чем герметизированные батареи, за счёт его чего срок службы продлевается. Также он лучше переносит перезаряд. К недостаткам автомобильного аккумулятора относятся необходимость обслуживания, нежелательность установки в жилом помещении (за счет выделения газов), взрывоопасность, относительно быстрый саморазряд. Кпд немного ниже, чем у других типов. Всё сказанное выше относится, в первую очередь, к малосурьмяным автомобильным аккумуляторам (самый дешёвый класс автомобильных аккумуляторов представителями которого являются, например, Тюменские аккумуляторы, "АкТех", "Пилот", "ПАЗ" и др). Кальциевые (Ca/Ca) батареи (более дорогой класс, который представлен большей частью импортными моделями - "Multu", "Varta" и т.д - и отечественным "Титаном") для целей автономного электроснабжения не подходят, (Убедился на своём горьком опыте) т.к. при глубоких разрядах очень быстро выходят из строя. Другой недостаток кальциевых батарей - медленный процесс заряда и более бысокое зарядное напряжение, вследствие чего зарядные устройства и контролеры могут их недозаряжать. Также не рекомендуется покупать разного рода "зимние" аккумуляторы (в т.ч. малосурьмяные), про которые говорится, что они разработаны специально для сурового климата, что у них улучшенные пусковые характеристики и увеличенная площадь пластин. Все эти достоинства, как правило, достаются ценой снижения выносливости аккумулятора в условиях глубокого разряда. В целом, следует относиться с осторожностью к "навороченным" и "улучшенным" моделям: не всё, что хорошо для автомобиля, хорошо и для автономной энергосистемы.
Аккумуляторы технологии AGM - герметизированные аккумуляторы. Достоинства: не требуют обслуживания, могут быть установлены в жилом помещении, заряжаются быстрее автомобильных, низкий саморазряд. Недостатки: при повышенной температуре эксплуатации сокращается срок службы, при перезаряде быстро выходят из строя.
AGM - аккумуляторы общего назначения предназначены для буферного режима работы (должны быть большую часть времени заряженными, разряд должен быть неглубоким - 30%). Используются в источниках бесперебойного питания, а также как резервное питание аппаратуры связи. Глубокий разряд переносят плохо, поэтому для целей автономного электроснабжения мало подходят. Стоят примерно в 2 раза дороже автомобильных.
AGM - аккумуляторы глубокого разряда (тяговые) используются в погрузчиках, электрокарах и т.д. Относительно хорошо переносят глубокий разряд и недозаряд. Цена при напряжении 12 В и емкости 100 А*ч - около 9 тыс.руб (2010 г).
Гелевые аккумуляторы - тоже герметизированные аккумуляторы, по большинству характеристик превосходят аккумуляторы AGM. Лучше переносят глубокий разряд, и не настолько критичны к перезаряду. Заявленный срок службы - 10-15 лет. Цена при 12В 100 А*ч - порядка 9-10 тыс.руб (2010 г).
При покупке герметизированного аккумулятора (AGM или гелевого) рекомендуется тщательно изучать, что именно берёте. Часто, даже на довольно серьёзных интернет-сайтах, эти два типа путают между собой, либо те и другие называют гелевыми, нередко - гелиевыми (хотя они никакого отношения к гелию не имеют). Также продавцы могут любой из названных аккумуляторов именовать тяговым, даже если это - AGM общего назначения.
OPzS - аккумуляторы (трубчатые) в чём-то схожи с автомобильными. В них также применяется жидкий электролит, поэтому они требуют нечастого обслуживания, и не рекомендуются для установки в жилом помещении. По свойствам они конкурируют с гелевыми, очень выносливы в тяжёлых режимах эксплуатации, и имеют самый высокий заявленный срок службы - 15-20 лет. В России пока мало распространены, опыт их эксплуатации мало изучен. Цена примерно такая же, как у гелевых или немного дороже.
Кроме кислотных аккумуляторов могут быть применены щелочные.
Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы используются на железнодорожном транспорте. Практически совсем не боятся глубокого разряда и обладают рядом других преимуществ. Но требуют более тщательного обслуживания (по сравнению с автомобильными). Также им свойственен "эффект памяти", который, тем не менее, можно нейтрализовать при правильном заряде. Эти аккумуляторы считаются наиболее экологически вредными в ряду других. Ещё один недостаток - низкий кпд - около 50-60% против 70-85% у кислотных. То есть, для системы, где каждый ватт-час на счету, могут не подойти. Срок службы - до 20 лет. Новый щелочной аккумулятор покупать нецелесообразно (он значительно дороже гелевого кислотного). Но б/у аккумулятор при соблюдении правил эксплуатации послужит верой и правдой.
2. Номинальное напряжение в вольтах. Как правило, используются аккумуляторы с номинальным напряжением 12 В.
3. Ёмкость в ампер-часах. Теоретически, эта величина равна произведению тока, отдаваемого аккумулятором в нагрузку, на время его полного разряда в часах, при этом токе:
C = Iразр * t (где C - ёмкость аккумулятора в ампер-часах, Iразр - ток разряда в амперах, t - время разряда в часах).
Например, аккумулятор ёмкостью 60 А*ч теоретически может питать лампу накаливания, потребляющую ток 5 А в течении 12 ч.
Но на практике ёмкость аккумулятора зависит от режима разряда. Номинальная ёмкость, которая указывается на корпусе, рассчитана у кислотно-свинцовых батарей, как правило, на 20-часовой цикл разряда. То есть, для аккумулятора 60 А*ч это соответствует току 3 А.
При большем токе разряда реальная ёмкость оказывается заметно меньше, а при меньшем - больше. То есть, при токе в 15 А батарея ёмкостью 60 А*ч разрядится быстрее, чем за 4 часа, а при токе в 1 А будет работать дольше, чем 60 ч. Кроме того, ёмкость зависит от температуры (при температуре 0...+30 градусов аккумулятор работает оптимально), у автомобильных батарей с жидким электролитом - от уровня электролита, а также от других факторов. Также на её величину влияет режим заряда. В течении срока службы ёмкость аккумулятора снижается. И от того, как его эксплуатировать, зависит, каким будет срок службы.
Общее правило для всех кислотно-свинцовых аккумуляторов: они любят быть всегда заряженными по максимуму, и не любят подолгу быть в недозаряженном состоянии, и особенно - быть разряженными "в ноль", до полного истощения.
Номинальная ёмкость аккумулятора указывается из условия, что полный разряд - это разряд до напряжения 10.5 В (под нагрузкой 1/10 емкости, например 6 А для 60 А*ч аккумулятора). Если после этого нагрузку не отключить, аккумулятор будет продолжать отдавать ток, но в нём сильно ускорятся необратимые процессы деградации. Поэтому "выжимать" из аккумулятора всё, что он может - категорически нельзя! По этой же причине не следует подключать низковольтные потребители напрямую к батарее, а только через контроллер заряда, который предотвратит переразряд и вовремя отключит нагрузку.
На практике, ёмкость аккумулятора используют не полностью, чтобы таким образом продлить срок его службы. Обычно глубина разряда составляет от 50 до 80%, а иногда - 30%. Она определяется характеристиками контроллера заряда и инвертора, иногда её можно регулировать.
Как выше говорилось, разные аккумуляторы в разной степени чувствительны к недозаряду. Но в любом случае, чем меньше их подвергать недозаряду, тем лучше они будут служить.
Степень заряда аккумулятора часто отображается контроллером. У автомобильных аккумуляторов её можно также при необходимости контролировать путём измерения плотности электролита ареометром во всех банках. Плотность 1.27 - 1.28 у нового аккумулятора соответствует 100% заряду (в процессе эксплуатации этот максимум может чуть-чуть упасть), а плотность 1.20 - 1.21 - 50% заряду.
У автомобильных аккумуляторов раз в 1-2 месяца необходимо проверять уровень электролита, и при необходимости доливать дистиллированную воду (не стоит её заменять "просто чистой водой", даже талой. Это может сказаться на ёмкости и кпд аккумулятора. А дистиллированная вода продаётся в каждом автомагазине и стоит совсем недорого). При длительном пренебрежении этой операцией верх пластин аккумулятора может оголиться, и там начнётся коррозия.
Если вам приходится заряжать аккумуляторы зарядным устройством (от сети или бензогенератора и т.п), проследите, чтобы оно соблюдало корректный режим заряда. По мере заряда напряжение на аккумуляторе растёт, а ток уменьшается.
Ток в начале заряда рекомендуется равным 10% от ёмкости аккумулятора (6А для батареи 60 А*ч), и ни в коем случае не должен превышать 25%. Ускоренный заряд снижает ёмкость аккумулятора, а также может вызвать его перегрев, выкипание (у автомобильных), выход из строя клапанов или разрыв корпуса (у герметизированных).
Напряжение в ходе заряда не должно превышать 14.4 В (кроме процесса восстановления автомобильных аккумуляторов). Особенно неукоснительно это правило должно соблюдаться для AGM-батарей. Если же, напротив, к концу заряда тока уже почти нет, а напряжение не поднялось выше 13.5 В - значит, аккумулятор не будет заряжен полностью, и надо увеличить напряжение на зарядном устройстве.
Как правило, заряд длится 12-14 часов.
Автомобильные аккумуляторы иногда полезно подвергать восстановлению (десульфатизации). Это продлевает срок их службы и возвращает часть утраченной ёмкости. Правда, это требует контроля за процессом заряда. Перед зарядом следует проверить уровень электролита, и при необходимости долить дистиллированной воды. Пробки на время заряда оставляют открытыми. Сначала заряжают током не более 10% от ёмкости до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не поднимется до 14.4 В, затем уменьшают ток до значения не более 5% ёмкости и продолжают заряд и после того, как напряжение достигнет примерно 16-16.5 В (электролит будет интенсивно "кипеть"), заряжают ещё 2-3 часа и затем заряд прекращают. Дольше 3 часов продолжать десульфатизацию не рекомендуется: может произойти перегрев или выкипание электролита. Десульфатизацию нельзя проводить в жилом помещении из-за обильного выделения вредных и взрывоопасных газов!
Итак, какой ёмкости выбрать аккумулятор? Чёткого и однозначного решения, какую ёмкость считать оптимальной для системы с данными характеристиками, быть не может. Эмпирически, подходящая ёмкость лежит где-то в диапазоне от 50 до 200 А*ч на 100 Вт номинальной мощности солнечной батареи при номинальном напряжении 12 В (от 25 до 100 А*ч на 100 Вт при 24 В). Если ёмкость слишком мала, то при нескольких пасмурных днях подряд будут наступать "энергетические кризисы", а в солнечную погоду зарядный ток будет ограничиваться контроллером и/или самим аккумулятором, вследствие чего часть энергии, произведённой СБ, будет пропадать впустую. Если ёмкость слишком велика, аккумулятор, возможно, никогда не будет успевать заряжаться полностью и, может быть, будет всегда балансировать в районе минимума своей заряженности. Это может повлечь быстрый выход из строя аккумулятора. Большая ёмкость оправдана только если выработка энергии солнечной батареей в среднем заметно превышает расход, и вы уверены, что ваш аккумулятор в солнечные дни благополучно заряжается до конца. Поэтому когда стоит выбор - потратить ли деньги на дополнительный аккумулятор или же на дополнительную солнечную панель - второе часто предпочтительнее (если нет явных признаков нехватки ёмкости).
Часто для определения необходимой ёмкости батареи используют следующий расчёт: исходят из того, чтобы при пасмурной погоде энергии хватало на столько-то дней бесперебойной работы потребителей (для простоты здесь не учитывается, что и в пасмурную погоду СБ вырабатывает немного энергии):
C = n * W / (Uн* kр),
где C - ёмкость аккумулятора, n - расчетное количество пасмурных дней подряд, W - дневная потребность в электричестве, Uн - номинальное напряжение системы, kр - коэффициент глубины разряда аккумулятора.
Допустим, W = 200 Вт*ч (Из экспериментального опыта выше) n = 3, Uн = 12 В, kр = 0.5. Тогда
С = 3 * 200 / (12 * 0.5) = 100 (А*ч).
Этот расчёт, как и другие - демонстрационный.
Итак, выбрана ёмкость. Если подобрать аккумулятор соответствующей ёмкости нельзя (например, С > 200 А*ч), ёмкость набирают из нескольких батарей, соединённых параллельно. А если напряжение системы 24 В, то, соответственно, используют одну или несколько пар аккумуляторов, соединённых последовательно-параллельно в полной аналогии с солнечными батареями. При работе в системе 12 В общая ёмкость соединённых аккумуляторов равна сумме емкостей всех батарей; при работе в системе 24 В - в два раза меньше. В целом же, аккумуляторы для получения нужной ёмкости желательно приобретать меньшим числом, но большей ёмкостью каждый.
В системе 24 В аккумуляторы, составляющие пару, должны быть идентичны друг другу по типу и ёмкости, быть примерно одного возраста, и по возможности, одного производителя и одной модели. Перед соединением в пары они должны быть примерно одинаково заряжены. К аккумуляторам (или их парам), соединённым параллельно, предъявляются менее строгие требования. Они могут иметь и разную ёмкость, но желательно, чтобы они были одного типа. Нежелательно совместное использование новых батарей и батарей, выработавших свой ресурс, значительно потерявших ёмкость и т.п. В этом случае последние могут увеличить потери энергии в системе за счёт своего утраченного кпд.

Контроллеры заряда.

Контроллер заряда следит за режимами заряда и разряда аккумуляторов, отключает СБ при полном заряде аккумулятора, а нагрузку - при полном разряде.
Их основные характеристики и функции:
1. Номинальное напряжение - должно соответствовать номинальному напряжению автономной системы. Многие контроллеры могут работать с разным номинальным напряжением системы, которое выбирается вручную, либо автоматически.
2. Максимальный ток заряда аккумулятора - выбирается исходя из того, чтобы максимальный ток, выдаваемый СБ, не превышал этот максимум (Солнечная батарея на 100 Вт 12 В даёт максимальный ток около 7 А, 100 Вт 24 В - 3.5 А).
3. Максимальный ток на нагрузку. Если какие-то потребители низкого напряжения (или их совокупность) потребляют ток выше этого предела, придётся их подключать напрямую к аккумулятору и бдительно следить, чтобы последний не переразрядился.
4. Тип - шунтовые и последовательные. Для работы с солнечными батареями чаще применяются шунтовые. Недостаток таких контроллеров - к ним нельзя подключать ветрогенераторы и другие источники с жёсткой нагрузочной характеристикой.
5. Алгоритм заряда. Простейшие контроллеры просто отключают заряд при достижении определённого уровня напряжения на аккумуляторе (например 14.4 В), и аккумулятор при этом не может быть заряжен больше, чем на 60-70%, вследствие чего служит недолго.
Контроллеры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) при достижении этого уровня продолжают заряд, но снижают зарядный ток, за счёт чего аккумулятор может быть заряжен до 100%. Это самый распространённый тип контроллеров.
MPPT (maximum power point tracking)-контроллеры, наряду с ШИМ, умеют ещё следить за точкой максимальной мощности солнечной батареи за счёт преобразования её выходного напряжения. За счёт этого вечером и в пасмурную погоду выработка СБ увеличивается на 20-30%. Правда, эти контроллеры весьма дороги.
6. Режим выравнивания. - наличие этой функции полезно в системе, где установлены аккумуляторы с жидким электролитом. Контроллер время от времени заряжает их повышенным напряжением (около 15 В), что способствует некоторой десульфатизации пластин аккумулятора и восстановлению его ёмкости. Для герметичных аккумуляторов этот режим применять нельзя.
7. Напряжение отключения при разряде характеризует глубину разряда аккумулятора. Обычно оно в диапазоне 11.0 - 11.5 В, что соответствует глубине разряда примерно 80% - 60%. Если эта величина регулируется - очень хорошо. Разумеется, контроллер способен отключать только ту нагрузку, которая питается через него.
8. Определение уровня заряда и его индикация. Если есть, позволяет вам всегда знать состояние аккумулятора. Некоторые контроллеры хранят в своей памяти информацию обо всём, происходящим с аккумулятором за последние несколько дней, а также могут вычислять полученные/потраченные ампер-часы,ватт-часы, а также ёмкость аккумулятора. Такие контроллеры можно подключать к компьютеру для получения этих данных и для управления.
ШИМ-контроллер с максимальными токами заряда и нагрузки равными 10А стоит в 2010 г на http://solarhome.ru порядка 1500-2000 руб. MPPT-контроллер на 20/20 А стоит около 7000 р.
Дополнительную информацию можно посмотреть здесь: http://solarhome.ru/ru/control/index.htm
Следует заметить, что контроллеры для кислотных аккумуляторов не подходят для щелочных!

Инверторы (преобразователи напряжения).

Для преобразования постоянного напряжения 12/24 В в переменное 220 В применяют инверторы (преобразователи напряжения).
Перед покупкой следует хорошо изучить технические характеристики инвертора.
1. Номинальное входное напряжение - 12 или 24 В.
2. Номинальное выходное напряжение - нас интересуют те, у которых оно равно 220...240 В.
3. Номинальная мощность - от сотен ватт до единиц киловатт. Номинальную мощность инвертора подбирают в зависимости от планируемой нагрузки. При длительной эксплуатации суммарная мощность включенных потребителей не должна превышать номинальную мощность инвертора. Однако, номинальная мощность может быть различной для устройств с активной нагрузкой (нагревательные приборы и лампы накаливания) и реактивной нагрузкой (устройства с электродвигателями, трансформаторами, а также насосы). Для активной нагрузки мощность обычно существенно ниже.
4. Пиковая мощность - мощность, которую инвертор может выдавать оговоренный промежуток времени (в секундах). Устройства с асинхронными электродвигателями (стиральные машины (не автоматы), холодильники, точильные станки) в момент пуска могут потреблять мощность, в 3 раза превосходящую номинальную. То есть, пиковая мощность инвертора должна быть 3 раза больше номинальной мощности двигателя. Если это правило не соблюдается, ничего страшного не произойдёт - инверторы имеют защиту от перегрузок, и не позволяют себя так просто сжечь. Но и нет никаких гарантий, что устройство запустится от инвертора и будет правильно работать. Но опять же, вероятность правильной работы тоже высока. Перед покупкой имеет смысл поискать на интернет-форумах отзывы о работе устройств с конкретной моделью инвертора.
5. Форма выходного тока - может быть чистый синус или квази-синус (он же "модифицированный синус"). Чистый синус годится для питания любых устройств, но инверторы, дающие чистый синус, обычно в 2 и более раз дороже квази-синусоидальных.
Квази-синус лишь очень отдалённо напоминает форму тока в городской электросети. Поэтому не все устройства работают от него правильно. Устройства с электродвигателями (особенно, асинхронными), трансформаторами (блоки питания, кроме импульсных), глубинные насосы могут сильнее, чем обычно, нагреваться и гудеть, падает их полезная мощность и кпд. Простые зарядные устройства без стабилизации напряжения (например, для "пальчиковых" аккумуляторов или для аккумуляторов инструмента, например, шуруповёртов, а также фонарики, заряжающиеся от сети) могут недозаряжать или перезаряжать аккумуляторы. Напряжение квази-синусоидальной формы плохо поддаётся измерению (обычные тестеры часто показывают заниженное значение).
В то же время, не всегда эти теоретические проблемы подтверждаются практикой. У меня дрель и электролобзик замечательно работали на квази-синусе, (другие инструменты подключать не пробовал, т.к. инвертор маломощный).
Нагревательные приборы (например, паяльник), лампы (накаливания и энергосберегающие), устройства с импульсными блоками питания (компьютеры, ноутбуки, многие принтеры, современные телевизоры, зарядные устройства большинства мобильных телефонов, фотоаппаратов, видеокамер и др.), скорее всего, разницы не почувствуют.
Как сам инвертор, выдающий ток квази-синусоидальной формы, так и проводка создают ощутимые радиопомехи.
Использование сетевого фильтра вместе с таким инвертором будет совсем не лишним, особенно для питания сложных и дорогих устройств.
Кпд квази-синусоидального инвертора обычно немного выше, чем синусоидального, и ток потребления на холостом ходу меньше.
Некоторые инверторы могут работать в обоих режимах, а у особо "продвинутых" имеются дополнительные режимы, оптимизированные под конкретный характер нагрузки. Такие инверторы позволяют и экономить энергию, и иметь возможность пользоваться любым прибором.
6. Наличие входа 220 В и возможность работы в качестве стабилизатора и/или зарядного устройства. Эта функция может пригодиться, если у вас есть где "резервно" заряжать аккумулятор от сети.
7. "Спящий" режим. Хорошо, если инвертор умеет автоматически переходить в "спящий" режим при отсутствии нагрузки, и "просыпаться" при появлении. И хорошо, если этот режим можно отключить.
8. Поведение при перегрузке или разряде батареи. Хорошо, если при перегрузке инвертор как-то это сигнализирует, а не молча выключается. Аналогично, при разряде аккумулятора.

Инвертор можно купить через сайты фирм, занимающихся разработкой и продажей устройств альтернативной энергетики, например, те же, что продают солнечные батареи (см. выше). Маломощные инверторы иногда встречаются в магазинах электроники и компьютерных магазинах.
Цена инвертора примерно пропорциональна его мощности. При номинальной мощности 1 кВт квази-синусоидальный инвертор стоит около 6 тыс.руб, синусоидальный - 12 тыс.руб (цены 2010 г, взяты с http://solarhome.ru).
Если вам достаточно небольшой мощности (до 800 Вт) и квази-синусоидальной формы тока, плюс есть желание сэкономить, то заменить инвертор может источник бесперебойного питания (ИБП, UPS), какие продаются в компьютерных магазинах, а также нередко бывают списываемыми на предприятиях. Вам потребуется вторгнуться внутрь ИБП, отсоединить клеммы от его "родного" аккумулятора, и с помощью медных проводов подходящего сечения, соблюдая полярность, подсоединить к вашему основному аккумулятору.
Перед покупкой ИБП очень рекомендуется прочитать его инструкцию и технические характеристики, либо в бумажном варианте, либо (удобнее) в интернете. Поскольку мы собираемся использовать ИБП не совсем по прямому назначению, то слишком "умный" и "навороченный" прибор может таить в себе подвох. Например, автоматически отключаться при работе, с его точки зрения, вхолостую. Всё бы ничего, но один из моих ИБП "не замечал" нагрузку в 40-50 Вт!
Также некоторые модели каждые несколько секунд пищат на протяжении всей работы от аккумулятора. Это неприятно, но "хирургическое" отключение динамика, также как и выдворение ИБП за дверь - тоже не выход. В этом случае при разряде аккумулятора ИБП будет отключаться без предупреждения. Вывод - выбирать модели с разумным способом сигнализации. Вход инвертора подключается непосредственно к аккумуляторам, а сам он устанавливается в непосредственной близости к ним.

Низковольтная нагрузка.

Итак, есть аккумулятор (12 В) или их пара (24 В) и инвертор. Можно преобразовать постоянный ток низкого напряжения в переменный 220 В и питать им все устройства также, как от централизованной сети, ни о чём особо не задумываясь. Однако, многие устройства (особенно, электроника) по своей природе являются низковольтными, и для работы и не требуют напряжения 220 В. Напротив, будучи подключенными к сети, они его понижают до 5 - 24 В и выпрямляют. Подключая эти устройства к инвертору, мы имеем двойное преобразование напряжения и, следовательно, двойные потери - часто совершенно неоправданные. Поэтому, питая низковольтные по своей природе устройства напрямую от аккумуляторов мимо блоков питания этих устройств, мы можем избежать этих потерь.
В первую очередь, от 12 В можно питать любые устройства, напрямую предназначенные для использования в автомобиле - зарядные устройства, портативные телевизоры, автомагнитолы, пылесос, холодильник и т.п. Например, вы можете у себя дома установить гнездо прикуривателя, естественно, соблюдая полярность.
Магнитофон или музыкальный центр легко подключить к 12 В через отсек для батареек.
Для целей освещения можно использовать энергосберегающие люминесцентные лампы на 12 В (правда, они дороже аналогов на 220 В) и светодиодные лампы.
Можно с успехом подключать к аккумулятору и шуруповёрт, который часто может заменить дрель, но при этом в разы более экономичен. (У одного моего друга как-то отключили свет, но он не хотел прерывать начатую работу. Посадил на шуруповёрт <болгарочный> диск по камню и - начал пилить кирпичи! Не слишком быстро, конечно, но к тому моменту, когда свет дали, работа была уже сделана :) )
Большинство ноутбуков и нетбуков тоже поддаются подключению к аккумулятору. Если у ноутбука или нетбука стандартный разъём питания, то можно купить подобный штекер в радиомагазине и подать на него 12 В от аккумуляторов (перед этим уточнить правильную полярность!). У меня, например, штекер весьма "породистый" (ноутбук Dell 500), и найти такой в магазине оказалось нереально. Пришлось подпаять провода от аккумулятора в параллель к проводам от блока питания (доверьте это дело своему местному электронному и компьютерному гуру, чтобы ничего не спалить).
Поскольку блок питания ноутбука обычно выдаёт напряжение явно больше 12 В (часто 18-19 В), то ноутбук может отреагировать на более низкое напряжение по-разному. Может вести себя, как подключенный к сети (может, даже заряжаться), а может и вообще проигнорировать эти 12 В. Мой Dell, например, ухитряется питаться одновременно от внешнего и (немножко) от внутреннего аккумулятора, в зависимости от того, насколько тот и другой заряжены. (На панели задач Windows показывает что-нибудь типа "Осталось 35:11 часов (41%)" ). Время от времени я подзаряжаю свой ноутбук через его родной блок питания, от инвертора.
Один довольно древний ноутбук удавалось подключить к 12 В через клеммы его аккумуляторного отсека (самого аккумулятора не было).
Ноутбук, отказавшийся питаться от 12 В, вполне возможно, заработает от 24 (Один компьютер я так уже подключал, и он работал хорошо). Правда, в системе 24 В днём напряжение на аккумуляторах может достигать 29 В. Слишком ли это много для ноутбука - не могу сказать. Теоретически и практически, любой нормальный ноутбук имеет защиту и сразу отключается, если напряжение превышает норму. Хотя (кто их знает?), некоторый риск всё же есть. Поэтому лучше посоветоваться с упомянутым гуру.
Умеющие люди могут питать от низкого напряжения множество другой нагрузки, которая не имеет специальных разъёмов и клемм для этого. Например, принтер или DVD-плейер. Может, и вам помогут?
А если вы и сами в тесных дружеских отношениях с любой техникой, то можно пойти и дальше - например, заменять двигатели переменного тока 220 В на двигатели постоянного тока низкого напряжения. Таким образом можно переоборудовать миксер или кофемолку, швейную машинку, стиральную машину, центробежный насос, разнообразные инструменты и небольшие станки. Здесь энергия экономится не столько за счёт отсутствия преобразования напряжения, сколько за счёт гораздо более высокой эффективности двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. Экономия может составлять разы!
Для подключений низковольтных потребителей, разумеется, понадобятся разъёмы, обеспечивающие хороший контакт и минимальные потери энергии.
Для маломощных устройств с током потребеления не более 1.5 А можно использовать стандартные разъёмы питания типа "джек". Также хороши и удобны разъёмы USB (типа A или B), их сейчас можно купить во многих радиомагазинах. Лишь бы по ошибке не соединить их с настоящими USB-устройствами или компьютером!
Для устройств помощнее (до 5-6 А) нужны и разъёмы посерьёзнее. Я для подключения ноутбука, например, использую стандартные сетевые разъёмы 220 В (такие, как у блоков питания компьютеров на задней стенке), их тоже не проблема купить. И тоже - не желательно путать с настоящими сетевыми.
Если у вас будут ещё более мощные устройства то можно использовать розетки и вилки от электроплиты (с тремя плоскими штырями), либо от сети 380 В (четыре плоских штыря).
Все перечисленные разъёмы при покупке обязательно надо проверять на качество (толщину и упругость контактов и т.п.), т.к повсеместно продаются китайские муляжи, ни на что не пригодные.

Жидкотопливные генераторы.

Когда появляется необходимость ежедневно активно работать мощным электроинструментом, то аккумулятор с инвертором эти потребности может удовлетворить лишь в самой небольшой части. Здесь могут помочь жидкотопливный генератор, работающий на бензине, солярке или пропане. Но, в то же время, его можно считать лишь временным или резервным источником питания. Относительно небольшой ресурс, шум и экологический вред, а также дорогая эксплуатация не позволяют его считать стратегическим источником энергии.
Генератор работает относительно экономично лишь тогда, когда мощность нагрузки близка к его номинальной мощности. Поэтому относительно маломощные потребители (глубинный насос, лампы освещения и т.п, вплоть до зарядки сотового телефона) имеет смысл включать одновременно с другими потребителями: электроинструментами, например, если их суммарное потребление не превышает номинальной мощности генератора. Кроме того, целесообразно одновременно подзаряжать аккумуляторы. Например, можно стационарно установить зарядное устройство и протянуть провода, чтобы оно было всегда подключено к генератору, а аккумуляторы всегда подключены к зарядному устройству. Также можно стационарно подключиться и к генератору вашего соседа. Такая проводка будет стоить вам примерно от 1.5 до 4 тыс.рублей (при расстоянии 100-200 м). О том, как выбирать провода, речь пойдёт дальше.
Некоторые генераторы имеют встроенное зарядное устройство. Однако, пользоваться им не очень удобно, т.к. генератор обычно располагают в отдалении от дома, а аккумуляторы - внутри дома. Тянуть провода от зарядного устройства до аккумуляторов на такое расстояние нецелесообразно (очень большие потери), можно лишь подносить один из аккумуляторов (например, резервный) для зарядки непосредственно к генератору.
Для размещения генератора можно сделать специальную будку с откидывающимися стенками.