Источник бесперебойного питания в системе освещения дома от солнечных батарей
В доме автора нередко отключают электропитание, что очень некстати в тёмное время суток, когда детям нужно делать уроки, а у остальных членов семьи остаются незаконченными домашние дела. Это побудило его изготовить резервную систему питания.
Было выяснено, что потребляемая полностью включённым освещением дома мощность при использовании люминесцентных ламп не превышает 600 Вт. В наличии имелся компьютерный источник бесперебойного питания (ИБП) PowerCom BNT-1000AP мощностью 1000 В·А, который и был включён в разрыв электролинии, питающей освещение. Теперь при отключении электричества освещение в доме продолжает работать.
В дальнейшем были куплены две панели солнечных батарей напряжением 24 В и мощностью 200 Вт каждая, а также недорогое зарядное устройство для двух соединённых последовательно аккумуляторных батарей напряжением 12 В и ёмкостью по 80 А·ч. Это могло полностью избавить освещение от капризов электроснабжения. Оставалось лишь получить из постоянного напряжения 24 В переменное 230 В. Но из-за высоких цен приобрести готовый преобразователь не представилось возможным, поэтому я решил использовать уже имеющийся ИБП, способный работать от аккумуляторной батареи с общим напряжением 24 В.
Но возникла проблема. Автоматическое включение при подаче напряжения от сети или от аккумуляторной батареи в применённом ИБП не предусмотрено, для этого необходимо нажать на кнопку «Пуск». Для устранения этой проблемы и разработано предлагаемое устройство, схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема устройства
С появлением источника света (солнца) солнечные батареи с помощью зарядного устройства заряжают аккумуляторную батарею. Когда её напряжение, поданное на контактную колодку XT1, достигает заданного порога, срабатывает реле к1, контакты которого через разъём XP1 подключены параллельно контактам кнопки «Пуск» ИБП.
При отсутствии нагрузки в течение 4 мин ИБП PowerCom BNT-1000AP самостоятельно выключается, что экономит запасённую в аккумуляторной батарее энергию. Но чтобы эта функция действовала, необходимо при включении ИБП удерживать его кнопку «Пуск» нажатой около четырёх секунд. Чтобы ИБП работал без нагрузки, не выключаясь, кнопку следует удерживать нажатой 6 с.
В рассматриваемом устройстве можно установить желаемую продолжительность имитируемого им «нажатия» на кнопку «Пуск». Для этого нужно включить его при нажатой кнопке SB1, а затем отпустить её. После этого контакты реле K1.1 будут замыкаться на время, равное прошедшему с момента включения устройства до отпускания кнопки SB1. Это позволяет использовать устройство с разными ИБП. Изменять длительность «нажатия» можно много раз.
Стабилизатор DA1 понижает напряжение с 24 до 12 В, необходимых для реле K1. Далее стабилизатор DA2 понижает его до 5 В, нужных для питания микроконтроллера.
На колодку XT2 поступает переменное напряжение с выхода ИБП. Если оно есть, через резисторы R1, R2 и излучающий диод оптрона U1 течёт ток, поэтому фототранзистор оптрона открыт. В результате на входе микроконтроллера установлен низкий уровень напряжения, что программа воспринимает как признак наличия напряжения на выходе ИБП. Диод VD1 защищает излучающий диод оптрона от обратного напряжения.
Транзистор VT1 служит усилителем генерируемого микроконтроллером сигнала управления реле к1. Разъём XP1 соединяют с контактами кнопки «Пуск» ИБП.
Кнопка SB1 предназначена для задания продолжительности удержания контактов реле K1.1 замкнутыми. Если она нажата, уровень напряжения на входе PB2 микроконтроллера при включении устройства остаётся низким. Обнаружив это, программа начинает отсчёт времени, который заканчивается в момент, когда кнопка SB1 отпущена и уровень на входе PB2 благодаря резистору R6 стал высоким. Полученный результат программа записывает в энергонезависимую память и использует его при отсчёте длительности формируемого на выходе PB0 импульса.
Напряжение, поступающее на колодку XT1 от аккумуляторной батареи, микроконтроллер измеряет с помощью своего АЦП. Оно поступает на его вход ADC3 через резистивный делитель напряжения R3R4, уменьшающий напряжение на входе микроконтроллера до допустимого, не превышающего 5 В. Если напряжение аккумулятора превысило заданный уровень, программа проверяет наличие переменного напряжения на выходе ИБП и, обнаружив, что его нет, формирует на выходе PB0 импульс установленной длительности, имитирующий с помощью транзистора VT1 и реле K1 нажатие на кнопку «Пуск» ИБП.
С появлением напряжения на выходе ИБП устройство переходит в режим ожидания. Но как только напряжение аккумуляторной батареи снизится до 11,5 В, ИБП самостоятельно выключится. Когда аккумуляторная батарея вновь зарядится от солнечных батарей, микроконтроллер DD1, выйдя из «спящего» режима, повторит запуск ИБП.
Программа микроконтроллера написана на языке Basic в среде разработки Bascom AVR. Его конфигурация должна быть установлена в соответствии с таблицей.
Автономный источник питания из ИБП и солнечной панели
Шаг первый. Подготовка ИБП
Первым делом автор разобрал свой старый ИБП, нам понадобится только преобразователь напряжения, он должен быть исправным. Автор откусил лишний резистор (кто в курсе, подскажите зачем), а также убрал динамик, чтобы он не пищал на нервы.
Шаг второй. Вентилятор и гнездо зарядки
В корпус автор врезал вентилятор для компьютера, в жарких регионах при работе устройства будет греться трансформатор и электроника. На корпусе размечаем отверстие, вырезаем круг и затем на болтики с гайками крепим вентилятор.
Также автор врезал в корпус гнездо для подключения блока питания. Благодаря гнезду ИБП можно зарядить от зарядки или от солнечной панели.
Шаг третий. Сборка и испытания
Внутрь самоделки устанавливается зарядный модуль для аккумулятора, на нем можно отрегулировать нужное напряжение и ток зарядки. Также устанавливаем аккумулятор, у автора он самодельный, на аккумуляторе обязательно должна быть плата BMS для защиты аккумулятора от глубокой разрядки.
Ну а выходные провода аккумулятора подключаются к повышающему инвертору, в итоге на выходе получаем 220В.
Для демонстрации работы автор подключает к самоделке две лампы накаливания по 100Вт, лампы горят ярко. Ну а далее автор просто подключил ИБП к солнечной панели и питает энергией роутер. Получилась отличная автономная зарядная станция.
На этом самоделка завершена, удачи и творческих вдохновений, если решите повторить подобное!
Полная энергетическая автономия или как выжить с солнечными батареями в глубинке (часть 4. Сделано в России)
В России есть вся инфраструктура и собственные средства для построения солнечной электростанции в конкретно взятом хозяйстве. Более того, вся необходимая электроника, да и солнечные батареи производятся у нас самостоятельно и все это отлично работает. После экспериментов с ноунеймом, брендовым европейским китаем и прочей техникой, я решил обратиться к российским разработчикам техники для автономки и на себе испытать эти устройства. Первым попал на тест гибридный инвертор МАП HYBRID v.1 24В: 4.5 кВт , а следом за ним пойдет производительный солнечный MPPT-контроллер.
Недаром на главной картинке крупно вынесена надпись «Сделано в России». Все, что Вы увидели на фотографии, действительно сделано в России: солнечные панели изготовлены компанией «Телеком-СТВ», завод которой расположен в г.Зеленоград, аккумуляторы производятся компанией Лиотех и выпускаются в Новосибирской области, а инверторы и солнечные контроллеры производятся в Москве компанией МикроАРТ.
В прошлой части я определился с моделью инвертора и составил список требований, которому должно отвечать устройство:
1. Работа в режиме ИБП
2. Резервирование отдельной фазы питания в доме
3. Подкачка энергии от солнечных батарей в домашнюю сеть для снижения потребления из внешней сети
Именно поэтому я выбрал гибридный инвертор. В принципе, любой мощный бесперебойник справился бы с первыми двумя пунктами, но последний пункт доступен только гибридам и дальше я объясню это на примере МАП SIN HYBRID.
Логика работы девайса такова:
1. Транслируем сквозь себя внешнюю сеть, пока она не выходит за параметры напряжения, заданные пользователем (выше или ниже порога — переключаемся на питание от батарей).
2. Если пользователь подключает приборы, потребляющие больше энергии, чем может предоставить внешняя сеть (задается в настройках контроллера), то инвертор начинает добавлять энергию из аккумуляторов.
3. Если инвертор соединили с солнечным контроллером этого же производителя по шине I2C кабелем, то при потреблении электроэнергии солнечный контроллер сразу знает от инвертора, какая мощность требуется и выдает всю энергию, если она доступна.
Именно последний пункт меня порадовал, поскольку наблюдается прямое взаимодействие двух устройств. Поясню, чем это лучше использования стороннего контроллера, на примере логики их работы.
Любой солнечный контроллер:
1. Если напряжение на аккумуляторе достаточное, обеспечиваем поддерживающий заряд.
Включаем нагрузку
2. Если напряжение на аккумуляторе немного просело, но не критично, ничего не меняем.
3. Если напряжение на аккумуляторе просело сильно — отдаем максимум энергии на заряд
Снимаем нагрузку
4. Если напряжение на аккумуляторе стало выше достаточного, снижаем подачу тока
Солнечный контроллер, работающий в паре с инвертором:
1. Если напряжение на аккумуляторе достаточное, обеспечиваем поддерживающий заряд.
Включаем нагрузку
2. Если инвертор сообщил, что включена нагрузка 500 Вт, выдаем 500 Вт (или сколько могут обеспечить солнечные панели)
Снимаем нагрузку
3. Если инвертор сообщил, что нагрузка снята, снижаем подачу энергии, продолжаем поддерживать заряд аккумулятора
На примере этих двух процессов видно, что солнечный контроллер, работающий независимо, будет работать с запаздыванием, а значит энергия какое-то время будет отбираться от аккумуляторов, вводя их в цикличный режим и снижая ресурс.
Во втором случае, когда инвертор и солнечный контроллер объединены одной шиной, солнечный контроллер выдаст столько энергии, сколько потребляет нагрузка, если это возможно в текущий момент времени. Таким образом сохраняется ресурс аккумулятора. Но к солнечному контроллеру и его испытанию я вернусь в следующем материале, а в этом продолжу работать с инвертором.
Первое подключение
Первым делом его надо подключить. Делается это проще простого, но необхоимо перевести систему с 12В на 24В (старая система строилась на 12В, а новая на 24В — об этом я писал в третьей части). Так как у меня аккумуляторы уже поработали какое-то время и куплены были с разницей в год, необходимо максимально выравнять их характеристики. Для этого нужно выполнить ряд действий
1. Зарядить аккумуляторы стабилизированным напряжением 14.4В в течение нескольких часов
2. Отключить от зарядного устройства и дать им отстояться несколько часов
3. Проверить напряжение на каждом из аккумуляторов, чтобы не было дисбаланса (напряжение должно быть одинаковым или максимально близким, в пределах погрешности измерений).
4. Подключить аккумуляторы последовательно
5. Проверить напряжение
6. Подключить инвертор
Чтобы не было так скучно, весь этот процесс я заснял на видео и снабдил комментариями.
На видео снято только подключение к аккумуляторам. В этом случае, устройство будет работать только на генерацию. Для работы в гибридном режиме его следует подключить к сети и сделать вывод питания для нагрузки. Для этого на задней панели имеется колодка с подписями, чтобы не было необходимости лезть в паспорт устройства. Удобно и понятно:
В одной из предыдущих статей я писал, как мне пришлось столкнуться с гарантийным сервисом китайского устройства под немецким брендом. Производитель все чинил и высылал назад за свой счет, а мне приходилось оплачивать только отправку в Германию и ждать 3 месяца. С сервисом отечественного производителя мне тоже пришлось столкнуться, так как возникли интересные глюки при подключении к сети (на табло появлялись надписи «выбросы в сети», «высокое напряжение в сети»). Первый звонок в службу поддержки, которая работает в будние дни, привел меня к толковому инженеру, с которым можно общаться терминами, не подбирая нужных слов. Тут я вспомнил техподдержку опсосов и Интернет-провайдеров, когда на первой линии сидят девочки, вечно переадресующие другому оператору, и порадовался грамотному технарю на другой стороне линии. Решить проблему на месте не удалось и меня попросили отправить инвертор в сервис. Когда подвернулся случай, я сам заехал в сервис, отдал устройство и решил подождать. Диагностика и исправление заняли порядка 1.5 часов, а так как других клиентов не наблюдалось, мне удалось разговориться с работниками и узнать массу любопытных фактов, которые напрямую не относятся к моей автономке, поэтому я их напишу в конце статьи.
Вскрытие показало.
Ну какой же тест без вскрытия? Получив исправленный инвертор на руки и заручившись обещанием сохранения гарантии при самостоятельном вскрытии устройства, я отправился домой и приступил.
Инвертор на 4.5 кВт весит 23 кг. Главный оценщик сразу занял стратегическое положение:
На задней панели устройства основной выключатель, провода, толщиной с палец, для подключения к аккумуляторам и колодка подключения к сети. Да, еще здоровый кулер, который работает по датчику температуры.
Чуть ли не половину пространства занимает тороидальный трансформатор тоже, кстати, российского производства.
Низкочастотная технология предусматривает использование больших трансформаторов. Именно поэтому инверторы, изготовленные по этой технологии, легко переносят пиковые нагрузки, обладают возможностью мощного заряда (ведь заряд идёт от сети или генератора, а у них низкая частота 50 Гц). Но за всё надо платить – инверторы по такой технологии больше, тяжелее и стоят дороже высокочастотных инверторов. Диаметр тора 17 см.
На предыдущей фотографии хорошо видны радиаторы силовых ключей и связка конденсаторов. Для сохранения температурного режима под нагрузкой, всю электронику обдувает сбоку второй кулер:
Вся управляющая электроника закреплена надежно и я не решился снимать платы, чтобы посмотреть, какой процессор используется. Зато виден уровень пайки smd компонентов. Кстати, изготовление плат также производится в России на Зеленоградском заводе.
Возможности роста
Приятно, что производитель периодически выпускает новые прошивки и они доступны у них на сайте. Частенько учитываются пожелания пользователей. Из текущих плюсов можно отметить возможность резервирования не только одной фазы, как это сделано у меня, но сразу трех. Правда при этом потребуются сразу три инвертора, но при подключении их к одной шине, инверторы будут производить необходимый сдвиг фаз для правильной работы трехфазного оборудования. Согласно информации производителя уже имеются готовые комплекты резервирования или автономного обеспечения 3 фаз с суммарной мощностью 54 кВт (18 кВт х3 фазы). Напомню, что стандартно на дом выделяется 15 кВт (5 кВт x3 фазы).
Что хотелось бы увидеть в дальнейшем? Возможность синхронизации и наращивания мощности одной фазы при использовании двух-трех инверторов разной мощности. То есть сначала приобрести инвертор на 4.5 кВт, если этого не будет хватать, то докупить такой же или мощнее и посадить их на одну фазу, чтобы увеличить потребляемую мощность.
- Компания МикроАРТ начинала с производства клонов компьютеров ZX Spectrum под марками ATM Turbo и Пентагон
- Статистика по гарантийному ремонту составляет 1,7% от проданного количества устройств
- Гидрометцентр России приобрел 5000 инверторов МАП для своих метеостанций
- Елабужский производитель реанимобилей заказал инверторы МАП для обеспечения работы аппаратуры в авто
- Корабли, ходящие под флагом Анголы, заказали инверторы МАП для обеспечения работы оборудования на судне
В следующем материале я объединю солнечный контроллер и инвертор в одну сеть и проверю возможность подкачки в домашнюю сеть от солнечных батарей. Хотелось бы узнать, какой формат подачи теста удобнее: фото, видео или совместить?
Источник https://www.radioradar.net/radiofan/power_supply/power_supply_solar_panels_home_lighting_system.html
Источник https://usamodelkina.ru/22622-avtonomnyj-istochnik-pitanija-iz-ibp-i-solnechnoj-paneli.html
Источник https://habr.com/ru/post/255207/