Автономка в квартиру (переживаємо блекаути)

Сьогоднішня тема піде про важливе для всіх українців (що живуть в Україні) питання створення максимально зручного, але не дорогого автономного резервного живлення в квартирі.

Відразу хочу зазначити, що якщо вам не подобається ідея АКБ (особливо AGM/GEL) + інвертор – не витрачайте свій час і не читайте цю статтю та не пішіть, що це марне викоритсання грошей. Так, будь-які літієві АКБ кращі за AGM по більшості характеристик, окрім поточної ціни. Одна LiFePO4 на 24В/100А/г буде коштувати зараз майже як уся моя система. При цьому, якщо то, що описано нижче використовувати струмами заряду/розряду як зазначено – система працює та допомагає мати світло, інтернет, холодильник та іноді ТВ (і навіть можна включити чайник/микрохвильовку/інше). Я виходжу зі своїх можливостей та міркувань, відповідно і вибір комплектуючих виходить із моїх уподобань та бюджету. Стаття більше про логіку роботи таких систем та підводні камені процесу.

Отже, має циклічні відключення світла по 4-8 годин і вважаємо, що по 2-3 години проміжку зі світлом. З цих цифр і виходитимемо. Також маємо квартиру з постійним необхідним споживанням:

• Холодильник – 100Вт/год
• Інтернет роутер + конвертер оптики GPON – 25Вт/год
• Освітлення (LED лампи) ~ 40-70Вт/год.

Отже, основне важливе споживання порядку 200Вт/год або 8,3А/год (при 24В схемі АКБ)

Сюди можна накидати роботу ноутбука/телевізора/заряджання телефонів:

• Ноутбук – 50Вт/год в середньому (залежно від ступеня розряду акб, краще завжди заряджати повністю, коли є світло і потім тримати повністю зарядженим, коли світла немає – тоді споживання від інвертора буде найменшим)
• Телефони – 6Вт/год (тут потрібно розуміти, що пристрій зарядився і все, тобто, споживання протягом години-двох, потім його немає, тому розділив 25Вт на 4 години без світла і отримуємо близько 6Вт/год)
• 32 дюйми 2К ТВ + андроїд приставка = 70Вт/год

Разом, за дод. навантаженні = ~326Вт/годину або 13.6А/год (при 24В схемі АКБ)

Зрозуміло, що навіть у квартирних умовах у холодну пору року холодильник можна і не враховувати. Він триматиме внутрішню температуру довше, або продукти взагалі можуть плавно переїжджати на балкон. Тобто мінус 100Вт/год споживання. Освітлення теж за споживанням нестабільне і не потрібне більшу частину часу влітку і потрібне велику частину часу взимку. Вважатимемо, що врівноважується такою періодичністю.

Також варто відзначити, що високе навантаження у вигляді бойлера/плити/посудомийки/мікрохвильової печі/чайника/праски – не розглядаються взагалі. Такими пристроями можна просто не користуватися в період відключення світла і замінити важливі з них (плиту) аналогами. У разі плити я використовую газовий балон із комфоркою на 5л, якого вистачає на 2-3 тижні використання. Бойлер вище 7 поверху будинку взагалі марний, тому що насоси подачі води в будинку не працюють. Нижче 7 поверху – ок, але навіщо таке навантаження при резервному живленні? Помитись можна і в холодній воді влітку, або коли світло з’явитися – взимку. Для присутності води використовую пару 20л пляшок + електропомпи на вбудованому АКБ. Вистачає руки помити і зуби почистити. Відповідно, виходжу з цих міркувань при розрахунку ємності резервної системи.

Тепер про загальну підготовку квартири до використання резервного живлення та розрахунки необхідного запасу енергії:

На вході у щитку квартири високе навантаження (ел. плита, бойлер, посудомийка) повинні висіти на окремому автоматі, який не включається до системи резервного живлення. До резервної системи живлення включаємо тільки автомат від якого живляться розетки/світло, не пов’язані з потужними навантаженнями. У мене в щитку квартири йде: вхідний загальний автомат -> лічильник -> набір паралельно підключених автоматів (перший на плиту + бойлер + посудомийку та другий з ПЗВ на інші розетки та світло). Якщо у вас не так – все ж таки краще викликати електрика або додати/відокремити високе навантаження від решти. Інакше доведеться постійно бігати і думати, що вимикати, а що залишати при включенні резервної схеми живлення.

Тепер розрахуємо скільки запасу нам необхідно для підтримки живлення протягом зазначеного часу: при максимальному навантаженні в 326Вт/год * максимальний час 8 годин = 2608Вт. Однак, потрібно ще врахувати ККД інверторів + мінімальний допустимий поріг розряду АКБ: 2608 * 1,1 (ККД 90%) *1,1 (10% мінімальний залишок в АКБ) = 3155Вт. Тобто, загальний запас енергії, який нам необхідний підтримки максимального навантаження протягом 8 годин часу = 3,2кВт.

Вибір компонентів:

Вся система резервного живлення складається з:

• Інвертера (перетворює постійну напругу від АКБ на змінну 220В)
• АКБ (або набору АКБ)
• Зарядного пристрою для АКБ
• АВР (автомата введення резерву)
• Таймера затримки (автомат для АВР)
• Балансування для АКБ
• Набору проводів та клем
• Вогнегасника

Інвертер: одразу скажу, що дешеві китайські інвертори до 7тис грн, без правильної синусоїди – це шлак. У найкращому разі вони тягнуть половину від заявленої потужності, шумлять, вбивають підключені до них чутливі пристрої та взагалі небезпечні. Їхнє внутрішнє виконання викликає питання, ККД низьке, охолодження погане, контакти слабкі. Враховуючи, що через систему протікатиме до 14А постійного струму (а може і до 30А при 12В АКБ) – інвертер має бути якісним. Інакше все згорить синім полум’ям. Для себе вибрав таку модель: SwiPower SP-2000L24V(LCD) – теж Китай, але дуже високого рівня якості виконання. Синусоїда чиста, не гріється, правильні контакти, достатня пікова та номінальна потужність (із залишком), плавний старт та безшумна робота. Якщо запитаєте, навіщо інвертер на 2кВт номіналу + 4кВт пікової при макс. нарахованому споживанні в 326Вт/год: щоб був запас іноді включати мікрохвильову піч або чайник або ще щось (2кВт) і щоб покрити реактивне навантаження компресорних та інших пристроїв. Наприклад, холодильник хоч і споживає 100Вт/год, але його реактивна потужність при запуску компресора дорівнює 1,1 кВт. Більше того, обраний мною інвертер був дешевшим, ніж якісні аналоги меншої потужності. Тому варто дивитися у бік такого бюджету (7-10,000грн).

Тепер про вибір інвертер чи дбж чи інвертер із функцією зарядки АКБ: тут вже на ваш вибір. Я за розділену систему виходячи з того, що я вже мав хорошу зарядку для АКБ + через бажання повністю контролювати метод і рівень заряду АКБ. Вбудовані в інвертори/дбж зарядки зазвичай заряджають по якомусь алогритму і якимось струмом, без можливості змінювати дані параметри. У мене дві збірки АКБ, вони різні і за хімією, і по ємності. Звідси й неможливість використання вбудованих зарядок. У випадку з ДБЖ ситуація взагалі не дуже цікава, так як ДБЖ, за своєю суттю, повинен постійно працювати, пропускаючи через себе весь струм, поки є світло (+ заряджаючи АКБ) і працюючи від АКБ коли світла немає. Тобто ДБЖ працює завжди, без вашого контролю, завжди певною мірою ганяє АКБ зарядом/розрядом і має бути здатним пропускати через себе всю потужність споживачів, яку ви включаєте додатково. Мені це не підходить через слабкий контроль за компонентами системи та високе навантаження, коли світло є. Інвертер із зарядкою або інвертер + зарядка влаштовує більше.

Вважаю, що вибір ДБЖ або дорожче інвертера з функцією зарядки виправданий тоді, коли в ньому є функція підключення сонячних панелей/генератора і у вас є таке завдання/можливість.

При виборі АКБ раджу звернути особливу увагу на такі типи:

• AGM або GEL (свинцево-кислотні АКБ) з покращеними харакетристиками. Такі АКБ найдешевші по відношенню до інших типів, які підходять для резеврного живлення, і дозволяють більш глибокі розряди/швидкі заряди без суттєвого впливу на життєвий цикл. Перевага: ціна + наявність + розуміння хто зробив, коли і взагалі наявність гарантії. Купувати звичайні свинцево-кислотні (не агм чи гель) – не рекомендую. Вони ніжні по глибині розряду і швидкості заряду, небезпечні по парах, що генеруються, і швидше втрачають свої властивості. До суттєвих недоліків будь-яких типів свинцевих АКБ відносяться загальні правила їх використання: краще не навантажувати більше 1/10 від емності (10А/г струм розряду чи 240Вт/година та 10А струм заряду для 24В / 100А/г АКБ, та не розряджати нижче 11,5В (23В для послідвоної збірки на 24В)). Так, AGM/гель можна і розряджати і зарадяжати струмом до 25-30% (треба дивитися у паспорт) та розряджати до 10% залишку (десь до 11 – 11,2В чи 22-22,5В на збірку 24В). Наприклад, обрані мною АКБ по паспорту мають допуск на зарядний/розрядний струм 27А та циклічний розряд до 10%. Але таке постійне використання все одно суттєво знижує життевий цикл АКБ. Краще триматися правила 1/10 ємності при будь-якій операції, а за рамки виходити тільки при аварійній необхідності.
• LiFe (літій залізо-фосфатні) – найбільш підходящі, але дорогі через тривалий життєвий цикл, з високими допустимими струмами заряду/розряду + можливістю повного розряду без втрати ємності. Однак, ціна та тип. Зараз 24В 100А/г коштують 24-40,000грн, а це майже вартість усієї моєї системи. Більш того, сюди потрапляють різні китайські АКБ, від зібраних у корпусі з пакетів до елементів з розбірок автомобілів. Останні я б взагалі не розглядав як варіант – там вам можуть продати все, що завгодно під виглядом нових і кількість залишкових циклів невідомо. Перший варіант із купівлею складеного акб в корпусі більш прийнятний (хоча і там у корпусі може бути все що завгодно). Купувати ж європейські АКБ такого типу буде дуже дорого.
• Збірка LiON 18650 (і аналогів). Вважаю, що це найцікавіший варіант за співвідношенням якості/довготривалості, але вимагає більших початкових витрат і часу (для здійснення збірки), натомість забезпечує можливість купівлі якісних нових елементів 18650 з повною кількістю циклів і можливістю швидкої зарядки. Але пожежонебезпечність таких елементів вища, ніж у LiFe та свинцево-кислотних. Збірка 24В на 100А/г з елементів NCR на 3,400мАг буде коштувати близько 60,000грн (49,320грн набір із 180 елементів + матеріали, сварка, збірка, бмс, інше). Тобто, дорожче за LiFePo4 за поточніми цінами в Україні.

Також варто враховувати, що для забезпечення довготривалості роботи будь-яких АКБ, якщо їх більше 1 у збірці, необхідні балансири, які вирівнюють напругу між елементами. Для AGM/GEL це найпростіші та недорогі пристрої, а для літієвих акб це складні системи.

Я для себе вибрав AGM як основний тип, але у мене була ще пара хороших звичайних свинцево-кислотних. В результаті у мене 2 пари АКБ, кожна з пар поключення послідовно в 24В схему і стоїть селектор між пари на шляху до інвертера. А ось у питанні 12В – 220В або 24В – 220В (або 48В – 220В) я вважаю, що чим вище – тим краще. Використовувати 1 АКБ або 12В збірку АКБ недоцільно. Занадто високі струми протікають через систему, великий переріз кабелю, великі втрати на нагрівання, нижче за ККД інвертера і т.д. Для квартири та розрахованого споживання ідеально 24В (2 акб послідовно або більше послідовно-паралельно), а ось для будинку або ДБЖ із сонячними панелями/генератором найкращу масштабованість (та найбільшу початкову вартість) матиме система на 48В. Отже, далі працюємо з 24В. У моєму випадку: 1 пара 24В 100Ач + 1 пара 24В 62Ач = 3888Вт * 0.9 (ккд інвертера) * 0.9 (залишок АКБ) = 3149Вт (запас енергії). Розраховано було 3.2 кВт.

Ще раз хочу наголосити, що нормальним для типу свинцево-кислотних АКБ вважається навантаження у 10% ємності при розрядці. Тобто, при 24В схемі та 100А/г ємності = 10А (240Вт) на споживання. Для АГМ можна більше, для звичайних краще триматися у цих рамках. Іноді, але не постійно, навантажуючі до 20-25%. При такому розряді кислотні АКБ прослужать триваліше. Тобто, якщо ви зберете 12В тоді струм буде 20А, при 48В – струм 5А при однаковому споживанні. І це дуже важливий параметр яка ємність та яка збірка потрібна виходячі з разрахованого вами планового навантаження на систему. Літієві АКБ мають тут велику перевагу – у них зазвичай розряд допускається 1 ємністю (іноді і більше) (100А при ємності АКБ 100А/г) та заряд 0,5 (іноді більше) ємності (50 – 200А).

Стосовно того, що користуватися AGM як циклічними АКБ для схеми це жуть: у мене є приклади самостійного використання на протязі 4 років звичайних кислотних які тягнули и померли за цей час, є приклад використання пари звичайних свинцевих на протязі 2 років – воні щє як нові і досі їми користуюся. І є приклади коли люди купляють китайські LiFePO4 в корпусі / чи елементи від авто, а потім одна з банок вмирає і уся збірка їде до сміття… Поки що мені вдається дотримуватись правила 1/10 на розряд/заряд AGM і я встигаю за проміжок часу коли є світло їх повністю заряджати. Тобто мене вони влаштовують. Тим паче, що я купував нові, доволі якісні АКБ, для використання в системах резервного живлення. Але пораджу все ж таки якщо бирати не літієві АКБ, то як найменьше GEL – у них більше циклів і вони більше підходять як тягові (краще переносять глибокі розряди), але вони і більш вимогливі до якості зарядного пристрою і їх потрібно заряджати тільки вказаними токами.

Зарядка для АКБ: у мене вже було перевірена універсальна австрійська зарядка на 1,4 кВт для всіх типів АКБ, яка дозволяє контролювати акб до сотих. Міняти її нема рації, її алгоритми вважаю еталонними. Включив її до схеми, підключивши до +/- входу в інвертері, з’єднавши таким чином з парою АКБ, яка обрана в даний час селектором. Муторно, зарядку потрібно включати окремо і т.д. Тому вважаю, що краще придбати аналог для АКБ такого типу з функцією автоматичної зарядки при підключенні до розетки, типу HTRC P15, P20, P35. Зручність в тому, що якщо правильно усе підлючене – з/п запуститься за почне заряджати при появі зовнішнього світла і закінчить заряд самостійно. Струми та швидкість заряду будуть нижчими та меньш контрольованими, але зручність вища, а ціна істотно нижча. Тільки потрібно шукати зарядку із потужністю, допустимою для ваших АКБ. Загальне правило заряду свинцево-кислотників = 10% ємності. Тобто, якщо АКБ 100Ач, то струм заряду має бути на 10А – HTRC P15 підходить. Однак, для AGM допускаються великі струми до 20-27% ємності. Тобто іноді можна і в 3 рази швидше зарядити… але не раджу робити це часто (HTRC P35/P40). Ось і проблема – або зручна, але малоконтральована авто з/п, або керований з/п з регульованим струмом / напругою, але без автоматики… – Що стосується зарядок в ДБЖ чи інверторах – тут взагалі контролю заряду АКБ мало. Там або буде кнопка-селектор типу АКБ і максимального струму, або взагалі йти зарядка завжди максимальними струмами до 30А, істотно знижуючи кількість життєвих циклів АКБ.

АВР (автомат введення резерву) – встановлюється між виходом 220В інвертера та входом 220В автомата на розетки/світло. Виконує функцію автоматичного селектора між пріоритетним живленням (напруга вдома) та другорядним (напруга від інвертера). Працює за принципом: якщо є напруга від будинку = працює на ньому незалежно від наявності напруги від інвертера. При відключенні напруги будинку або переходить на інвертер (якщо він увімкнений), або нічого не робить, якщо від інвертера теж немає живлення. Як тільки інвертер з’явиться – перейде на нього. Але одразу перейде на напругу від будинку, якщо вона з’явиться. Пристроїв є кілька типів, з більшою чи меншою функціональністю як доп. реле (у мене Geya g2r 2p), але у всіх одна проблема – необхідний таймер між ним та інвертером у вигляді затримки подачі живлення, щоб унеможливити спробу АВР перейти на інвертер поки він плавно запускається. Якщо таймер затримки не додати – соленоїди та контакти АВР підгорятимуть і АВР не прослужить і місяця.

Додам ще, що у АВР типу як на другій картинці є додаткові клеми, які можна використати як сигнали на запуск/гасіння інвертора/генератора/зарядки акб та забезпечити роботу усієї системи в автоматиці.

Таймер затримки: встановлюєтсья між інвертором та АВР. Забезпечує подачу живлення від інвертора на АВР після того, як інвертер вийшов на свою повну робочу напругу (3-5 сек) та нормальне функціонування АВР. Скажу відразу, краще купувати простий таймер (приклад: ETR-10 AC/DC 16А, ETI), а не функціональний пристрій типу з контролем напруги. Саме цей контроль і буде заважати при перемиканні АВР і виникненні брязкоту контактів. Перевірено.

Балансири для АКБ: у випадку з LiON або LiFe (якщо збірка з авто елементів, тобто не готовий заводський пристрій у корпусі) – то тут повно інформації. Балансир обов’язковий та їх повно на ринку. У випадку з AGM|GEL – їх менше, але найпростіший HA01 вішається на послідовну збірку і вирівнює напругу між двома послідовними (і більше, якщо є додаткові паралельні) акумуляторами. Працює як у момент заряду/розряду (максимальний струм балансування 5А), так і у момент спокою. Вважаю, що такі балансири вимагають 2-х доробок у вигляді додавання 10А авто запобіжників на освновні дроти + та – і кнопок розмикання на дроти + та -. Навіщо? Сенс балансувати такі АКБ є лише у стані спокою, коли вони не використовуються. Т. е., зарядили акб повністю, включили балансир – він працює, акб через деякий час рівні по напрузі один до одного. А ось намагатися додавати струм до 5А під час розряду або заряду грітиме сам балансир (якщо навантаження на акб вище і балансир працює тривалий час на повну). Тим більше, що якщо за навантаженням ваші АКБ вже сильно відрізняються за напругою – балансир ні ємність, ні внутрішній опір не відновить, а лише створить ілюзію однакової напруги за рахунок своєї роботи за максимальної віддачі. Такі АКБ краще замінити.

Набір проводів і клем: при розрахованій потужності системи та 24В збірці, переріз кабелю для себе визначив у 16 ​​квадратів для низьковольтного плеча (між акб та інвертером) та 2,5 квадрата для високовольтного (від інвертера до щитка з автоматами). Мідь, багатожилки. Чим коротший кабель між АКБ та інвертером – тим краще. По-перше дешевше, по-друге, менше падіння напруги. У мене 2,5 м (акб стоять у загальному тамбурі, а інвертер у квартирі на вході) та падіння напруги між клемами акб та клемами інвертера вимірюються в сотих. Для прикладу, падіння напруги на кабелі 12AWG (істотно менше перетин) був близько 4-х десятих. А це вже неприпустимо для контролю рівня заряду АКБ. Провід 16 кв.мм обтискаємо мідними клемами за допомогою механічних чи гідравлічних кліщів (можна взяти в оренду – 130-150 грн/доба) або обтиснути у когось. Клеми з отворами під болти м8. Це стандарт для гвинтів на клемниках. Якщо у вас одна пара акб (24В, послідовно), то між інвертером і АКБ можна просто поставити розмикач контакту на кабель (мінус або плюс, не важливо).

Головне, щоб можна було аврійно розірвати ланцюг, або знеструмити інвертор взагалі. Але у мене 2 пари різних акб, тому плюси у мене поєднані з інвертором через магістральний контактник (просто щоб було красиво і в коробочці), а мінуси через селектор пари акб. Тобто, я можу вибирати яку пару акб заряджати/розряджати в даний момент (можна і виставити режим паралельного використання, але, в моєму випадку, марно, оскільки ємність у пар різна). Провід від зарядки підключено у квартирі на клеми інвертера разом з клемами АКБ.

Важливе – вогнегасник. Вважаю, що має бути в кожній квартирі, особливо при блекаутах та використання акб, інвертерів, пальників тощо. Обов’язково – порошковий, тому що літієві акб або високовільні ланцюги гасяться саме таким типом. Піна чи вода лише посилить горіння літію, або замкне все інше.

У результаті ось схематичне зображення всіх підключень. Відразу перепрошую, спец. програм не використовував та правильно не відображав електричні з’єднання/обводи. Але логіка має бути зрозумілою:

Висновок:

Ця система успішно використовується близько місяця, проблем не виявлено. При поточних відключеннях по 4-6 годин і споживанні 100-200Вт/год та присутності світла в проміжках по 2-4 години, акб встигають повністю заряджатися струмами 10% від ємності АКБ. Якщо відключення будуть довшими, а світлові проміжки меншими – можна перейти тільки на АГМ і заряджати більшим струмом.

Якщо у вас декулька пар АКБ, як у мене – то чим гірша ситуація зі світлом – тим краще користуватися найбільш потужною та новою парою. Наприклад: коли я витягую із старої пари звичайних кислотників 10А ємності за проміжок часу без світла – потім я заряджаю ії 1/10 ємності (6,2А для моїх 62А/г АКБ) і витрачаю порядка 2 годин на повний заряд. Але якщо я користуюся новою АГМ парою (100А/г), витягую ті самі 10А – то їх я можу зарядити током 10А за одну-півтори годинуи, а іноді і швидше, якщо дати більше току.

Скільки коштує система?:

• Інвертер = 7,000грн
• 2 АКБ 100Ач AGM = 12,000грн
• 2 АКБ 62Ач = 6000грн
• АВР = 1,500грн
• Таймер = 1,100грн
• Зарядка = 1,000 – 10,000грн
• Селектор АКБ = 900грн
• Кабель, клеми = туту потрібно рахувати, у мене пішло 2,000грн
• 2 балансири = 2,000грн

Разом: 33,500 – 42,500грн (залежно від обраної зарядки). Нагадую, це 3,2кВт запасу, 2кВт номінальної потужності, 4кВт пікової з урахуванняи автоматики та правильним додаванням у мережу квартири. Для порівняння ціна на голу зарядну станцію з меньшою потужністю та 2/3 запасу ємності: Bluetti PowerOak AC200P, 2000Вт, 2000Вт/г – 61,999грн. Перевага такої зарядної станції це все-в-одному (простота використання), але ви лімітовані подовжувачами та розетками, які до неї під’єднали, заряджатися теж буде довго (мала потужність зарядки, 4-5 годин від мережі) та дорога/слабша масштабуємість. Можна і до неї зробити автоматику на всю квартиру, але це ще додаткові витрати. Я за хардкор та більш кастомну систему.