Система бесперебойного электропитания для дома и квартиры

Система бесперебойного электропитания для дома и квартиры

Оставшись в кромешной тьме каждый раз после отключения электричества в квартире, можно только посетовать на РЭС и полезть в шкаф: искать свечку или заряженный фонарик. А вот оставшись без света в своем доме, да еще зимой, поневоле задумаешься о том, что кроме электропитания очень быстро не станет еще и воды (запас воды в гидроаккумуляторе невелик, а насос не работает), а в холодное время года - еще и без отопления (практически все современные системы отопления зависят от электричества - электророзжиг котла, насосы, смесительные узлы с электроуправлением и пр.).

Поэтому альтернативная система энергообеспечения - желательная, а для коттеджей - зачастую необходимая часть общего комплекса жизнеобеспечения жилья. Конечно, можно обратиться за помощью к специалистам, которые занимаются вопросом профессионально - но практика показывает, что цена вопроса при этом тоже будет "профессиональной", то есть достаточно высокой (как минимум четырехзначной в долларах). Другой способ - разработать схему обеспечения дома самостоятельно и реализовывать ее поэтапно, путем комплектации необходимыми устройствами.

Итак, для начала разберемся с основами системы бесперебойного питания. Первым делом нужно разделить все компоненты на две группы: аккумулирующую и генерирующую части системы.

Аккумулирование энергии

Современные системы бесперебойного питания способны создать (накопить) в себе запас, позволяющий использовать электроэнергию в течение некоторого времени после отключения основного источника электричества. Простейшим примером такого устройства является компьютерный ИБП (источник бесперебойного питания; англ. UPS, Uninterruptible Power Supply или Uninterruptible Power Source) - тяжелая такая штука, которая при отключении питания заорет дурным голосом, но позволит вам успеть сохранить на компьютере все файлы и корректно завершить, а в случае достаточного запаса мощности - и продолжить работу на стационарном компьютере без наличия "внешнего" электричества.


Так вот, такие ИБП существуют и для бытовых нужд. Впрочем, при этом сразу вспоминается анекдот, в котором работники бухгалтерии жаловались, что при отключении электричества их ИБП в кабинете не дает времени закрыть "1С" и нормально сохраниться на компах. Тщательный анализ показал, что в тройник ИБП кроме компьютеров был запитан чайник и масляный обогреватель: конечно же, емкость и мощность компьютерного ИБП не была рассчитана на питание таких прожорливых потребителей энергии, поэтому время работы такого бесперебойника было минимальным. Поэтому проектирование системы бесперебойного питания необходимо начинать с расчетов системы по мощности и емкости.

Расчет мощности и емкости системы

Источник бесперебойного питания для дома, как правило, представляет собой инвертор (устройство - преобразователь постоянного тока в переменный) с подключенными к нему аккумуляторами. В принципе в такой системе могут использоваться любые аккумуляторы: от пальчиковых батареек до аккумуляторов с подводных лодок, единственное ограничение - подбор по напряжению. Для бытовых систем наиболее распространены инверторы на 12 и 24 вольта постоянного напряжения (чем выше напряжение, тем больше номинальная мощность инвертора). Количество подключаемых к инвертору батарей зависит от мощности самого инвертора и планируемого времени его работы от батарей с учетом нагрузки. Соответственно, для системы бесперебойного питания важны два основных показателя:

1) номинальная мощность инвертора - показатель мощности потребителей, которые могут одновременно питаться от данного инвертора;

2) суммарная емкость аккумуляторов - показатель расчетного времени энергоснабжения потребителей до полного разряда батарей.

Так, например, если мы хотим организовать бесперебойную работу у себя в доме, нам необходимо просчитать пиковую и среднюю мощность всех приборов, подключаемых к сети. Конечно, при отключении основного электричества расчеты следует вести, исходя из минимально необходимых потребителей (котел, холодильник, насос на скважине, освещение, сигнализация и пр.). Пиковая мощность рассчитывается, исходя из предположения, что все эти потребители будут работать одновременно, при этом необходимо помнить, что у электродвигателей существуют так называемые "пусковые токи", которые увеличивают потребляемую мощность электроприбора при запуске примерно в 2-3 раза.

Допустим, что средняя постоянная мощность потребителей в доме составляет около 2 кВт, с учетом максимальных нагрузок и пусковых токов пиковая мощность условно составит до 4 кВт. При этом мы хотим, чтобы система работала на аккумуляторах с инвертором напряжением 12 вольт и поддерживала работу потребителей в автономном режиме до 8 часов.

Исходя из этих данных, мы можем рассчитать необходимую нам мощность системы бесперебойного питания. Правда, для повышения точности расчетов нам потребуется перевести мощность активную (в ваттах) в мощность расчетную (в вольт-амперах, В·А или V·A). Для упрощенного перевода применяется коэффициент 0,7 (мощность в В·А всегда будет больше, чем в Вт). Таким образом, номинальная мощность системы примерно 2,86 (округляем до 3) кВ·А. Теперь мы можем рассчитать мощность для выбранной нами продолжительности работы системы:

3000 В·А ? 8 ч = 24 000 В·А·ч.

Помня, что напряжение АКБ (аккумуляторной батареи) составляет 12 вольт, мы сможем получить нужную нам "чистую" емкость аккумуляторов:

24 000 В·А·ч / 12 В = 2000 А·ч.

Таким образом, для выбранной нами продолжительности работы и мощности потребления эффективный запас емкости аккумуляторов должен составлять 2 тысячи ампер-часов. Учитывая КПД системы и допустимый недоразряд батарей, для покупки батарей в нужном количестве необходимо применить поправочный коэффициент 0,6-0,7, что даст нам потребность в емкости на уровне 2800-3200 А·ч. То есть для нормальной работы системы достаточно будет 15 "аккумов" емкостью 200 А·ч каждый или 30 "стоамперных" батарей.

А теперь посмотрите цены на инвертор номинальной мощностью 2-3 кВт, на аккумуляторы емкости 100-200 А·ч, да еще учтите, что обычные свинцово-кислотные (автомобильные) применять не рекомендуется - для систем ИБП лучше всего подходят гелевые "аккумы", которые дороже обычных примерно на 30-50%. Теперь вы понимаете, что вам совсем ни к чему восьмичасовой запас "аккумуляторной" мощности? В этом случае на помощь приходит включение в систему генератора (автономного производителя электроэнергии).

Генерирование энергии

Действительно, бесперебойность работы системы достигается не только стройными рядами аккумуляторов на стеллаже в подвале или кладовке. Оптимальная по качеству и цене система включает в себя инвертор нужной мощности, два-три аккумулятора общей емкостью 200-300 А·ч, которых вполне хватает на поддержание критических потребителей энергии на протяжении нескольких часов. А вот если электричества не будет более длительное время, в системе должен присутствовать собственный генератор электроэнергии.

На сегодня видов генераторов, которые можно использовать в быту, не так уж и много:

1) С двигателем внутреннего сгорания

Наиболее распространенные и дешевые генераторы. Разнообразие моделей, форм и способов оформления можно условно разделить по таким критериям:

а) по типу двигателя (бензиновые, дизельные, газовые). Бензиновые дешевы, громки и наиболее распространены, дизельные дороги и рассчитаны на более интенсивную эксплуатацию, однако громче и вонючее первых. Газовые генераторы более тихи и экологически чисты, но стоят еще дороже, а при подключении к газовой централи требуют отдельного согласования и квалифицированного подключения;

б) по мощности - самые маленькие генераторы имеют мощность около 1 кВт, большие стационарные модели могут снабжать энергией целый микрорайон и генерируют мощность от 100 кВт и выше;

в) по типу исполнения - бюджетные модели имеют воздушное охлаждение и не оснащены глушителями или звукозащитным корпусом, а также не оборудованы системой автозапуска (чтобы завести их, нужно дергать за рукоятку, вращая стартер вручную). Более мощные и дорогие модели могут запускаться дистанционно (имеют стартер с автозапуском от собственного или внешнего аккумулятора), оборудованы глушителями выхлопа и системой жидкостного охлаждения.

Внизу, слева направо: бензиновый генератор с воздушным охлаждением (2,5 кВт), дизель с водяным охлаждением и глушителем (10 кВт), дизель-электростанция мощностью 100 кВт.

2) Солнечные батареи

Этот вид генераторов преобразовывает солнечную энергию в электричество (путем мудреных химических процессов в фотоэлементах - полупроводниках с участием кремния), однако реальный КПД таких батарей пока невелик и составляет 15-40% - с 1 квадратного метра солнечной панели можно "снять" до 150-200 Вт мощности в идеальных условиях (температуре, освещенности), однако погодные условия в нашем климате и цены на такие панели не позволяют рассматривать этот тип генераторов как полноценную замену основному энергоснабжению. Чаще всего гелиосистемы рассматриваются как дополнительный элемент системы для снабжения электроэнергией маломощных потребителей, подзарядки батарей, в других вспомогательных целях.

3) Ветрогенераторы

Энергия ветра позволяет генерировать электричество путем установки "мельницы", лопасти которой будут крутить динамо-машину. Мощность ветряков может быть достаточно велика, однако общая производительность ветрогенератора напрямую зависит от силы и постоянности ветра на участке, где он установлен. Как правило, ветрогенераторы, как и солнечные фотоэлементы, используют в качестве альтернативного энергоснабжения в системе.

Ниже приведена система подключения бензинового генератора (справа) и генераторов разных типов (слева) в систему бесперебойной подачи энергии для дома.

Разделение потребителей на группы

Как уже говорилось в статье, при отключении основного энергопитания (с учетом дорогостоящего оборудования в системе бесперебойного питания) остро встает вопрос о необходимости запитывания только критичных для жизнеобеспечения жилища потребителей энергии. Согласитесь, подключив инвертор и аккумуляторы в систему, вряд ли захочется "посадить" их в считаные минуты включенным электрочайником или утюгом. А вот работа освещения, системы газового отопления, сигнализации, электроприводов ворот или замка должна осуществляться бесперебойно.

Для того чтобы продлить возможность работы системы от аккумуляторов, еще при строительстве или ремонте жилища целесообразно сделать две параллельные системы разводки проводов: основную, к которой будут подсоединены все без исключения потребители, и резервную, которая будет подведена только к необходимым приборам. Обычно резервная система запитывает освещение, по одной розетке в каждой комнате, насос на скважине, приводы ворот и калитки, систему сигнализации и другие необходимые устройства. И именно к резервной системе подключается в дальнейшем инвертор с аккумуляторами и генератором. Таким образом, при отсутствии электричества в основной сети инвертор автоматически подает напряжение в резервную систему, обеспечивая таким образом непрерывность работы нужных потребителей.

Естественно, для снабжения резервной системы необходимы гораздо менее мощные и ёмкие элементы, нежели для бесперебойной работы основной системы. Таким образом, дополнительные единоразовые затраты на разводку по дому двух систем достаточно быстро окупятся через значительное удешевление системы бесперебойного питания (потребуются инвертор и генератор меньшей мощности, сократятся количество и емкость аккумуляторов, увеличится срок бесперебойной работы системы без подзарядки).

Организация замкнутой автоматизированной системы

Рассмотрев основные принципы организации системы бесперебойного энергоснабжения, можно предложить два типа систем: с генератором (больше подойдет для коттеджей и производственных комплексов) и без (квартирный или офисный вариант).

Вариант № 1: с генератором

Система с генератором может организовываться по двум принципам - с небольшим перерывом во включении (когда пропадает электричество, до запуска генератора проходит несколько секунд) и без такого перерыва. Система прерывистого включения будет включать в себя такие компоненты:

1) генератор (для генераторов с ДВС необходим электрический стартер);

2) АВР (автоматический включатель/ввод резерва) - устройство, которое автоматически переключает сеть на резервный источник электроэнергии;

3) небольшой аккумулятор для автозапуска генератора.

Принцип действия такой системы прост - при пропадании напряжения в основной сети АВР (обычно его устанавливают на распределительном щитке, рядом с предохранителями, счетчиком и другим электрохозяйством) переключает потребителей на питание от генератора, при этом устройство самостоятельно подает питание на электрозапуск генератора. Таким образом, подача электроэнергии восстанавливается сразу после запуска генератора и ограничена только автономным временем работы оного без дозаправки. В случае же восстановления подачи электричества в основной сети тот же АВР подаст команду на выключение генератора и переключится на основной источник.

Генератор с пультом АВР

Система непрерывного энергоснабжения кроме перечисленных компонентов должна включать в себя инвертор необходимой мощности с подключенным к нему аккумулятором (обычно небольшой мощности). Задача инвертора - обеспечить непрерывную подачу питания на момент от пропадания напряжения в сети РЭС до запуска генератора. При такой системе потребители не ощущают никаких перебоев в электроподаче, ведь время переключения между источниками составляет не более 15 мс.

Вариант № 2: система без генератора

Генераторы, на каком бы принципе ни основывалась их работа, либо габаритные, либо шумные устройства. Поэтому в квартире при организации бесперебойной системы питания зачастую обходятся без них, при этом система включает:

1. Инвертор необходимой мощности (большинство современных моделей самостоятельно умеют переключать питание между источниками, выполняя функцию АВР).

2. Набор аккумуляторов с запасом емкости, необходимым для расчетного времени бесперебойной работы.

3. Стабилизатор - устройство "сглаживания" скачков напряжения в сети, выдающее постоянные 220 В и 50 Гц независимо от перепадов напряжения и частоты "за бортом".

Справедливости ради, нужно отметить, что в квартирах многочасовые перебои с электричеством скорее редкость, чем правило, поэтому запаса энергии на 3-4 часа бесперебойной работы вполне хватает, чтобы преодолеть временные отключения питания. Кроме того, как мы уже писали, организация альтернативной разводки для необходимых источников может существенно увеличить срок работы от аккумуляторов.

По материалам сайта: http://podberi-generator.ru