Электроснабжение — это совокупность мероприятий по обеспечению электроэнергией различных ее потребителей. Системой электроснабжения называется комплекс инженерных сооружений, осуществляющих задачи электроснабжения, или совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.
Сеть электроснабжения характерна тем, что связывает территориально удалённые пункты источников и потребителей. Это осуществляется при помощи линии электропередачи — специальных инженерных сооружений, состоящих из проводников электрического тока (провод — неизолированный проводник или кабель — изолированный проводник), сооружений для размещения и прокладки (опоры, эстакады, каналы), средств изоляции (подвесные и опорные изоляторы) и защиты (грозозащитные тросы, разрядники, заземление).
Рациональное и надежное решение вопроса организации электроснабжения в здании или офисе необходимо практически для всех эксплуатируемых помещений. Задача построения системы электроснабжения, соответствующей современным требованиям надежности и качества, с учетом перспектив развития далеко не всегда проста и обычно предполагает несколько вариантов решений, зависящих от эксплуатационных требований и экономических показателей.
Создание системы электроснабжения включает в себя следующие основные этапы:
· разработка проекта (проектирование электроснабжения),
· поставка необходимого оборудования,
· выполнение электротехнических монтажных и пусконаладочных работ (монтаж электроснабжения),
· гарантийное и послегарантийное обслуживание электрических сетей.
Разработка системы электроснабжения начинается с анализа потребителей, экспертизы объекта, изучения возможных вариантов подключения к действующей системе электропитания объекта. Тщательная работа на стадии предварительного проектирования позволяет оптимизировать задачу электроснабжения конкретного объекта, обеспечить его бесперебойную работу и легкое масштабирование системы в дальнейшем.
Очень важный этап - выбор электротехнического оборудования.
Электротехнические работы в типовом эксплуатируемом помещении (офисное, административное, производственное, складское, торговое и т.п.) состоят из следующих основных частей:
· установка щитов учета и распределения (с автоматами защиты, устройствами защитного отключения, счетчиками электрической энергии);
· устройство электропроводки в помещении, монтаж и подключение электрических приборов (токоприемников).
Электрические распределительные щиты собираются из унифицированных модулей. Устанавливаемые в щит приборы (автоматы защиты, дифференциальные выключатели, реле, контакторы, счетчики, трансформаторы, таймеры, терморегуляторы и т.д.) имеют габаритные размеры кратные размеру одного модуля, щиты выпускаются как для навесного, так и для встроенного монтажа, имеют широкий диапазон типоразмеров, корпуса выполняются из пластмассы или из стали со специальным полимерным покрытием.
Автоматы защиты имеют отключающий механизм, обеспечивающий отключение для защиты от токов короткого замыкания и отключение с временной задержкой по току перегрузки. Автоматы могут быть однофазными и трехфазными.
Выключатели автоматические дифференциальные (дифавтоматы) предназначены для использования однофазной или трехфазной электрической сети в системе электроснабжения с заземленной нейтралью. Дифавтомат реагирует на дифференциальный (остаточный) ток (тип АС) и обеспечивает:
· повышение уровня безопасности при эксплуатации людьми бытовых и аналогичных электроприборов;
· предотвращение пожаров из-за возгорания изоляции токоведущих частей электроприборов от дифференциального (остаточного) тока на землю;
· автоматическое отключение участка электрической сети (в том числе квартирной) при перегрузке (Т3) и токе короткого замыкания (МТ3).
Счетчики электрической энергии - электроизмерительные приборы для учета энергии переменного тока в однофазных и трехфазных сетях 220/380В с номинальной частотой 50 Гц. Счетчики могут быть однотарифные и двухтарифные (основная - дневная зона и льготная - ночь, суббота и воскресенье).
Электропроводка представляет собой совокупность проводов и кабелей. По способу монтажа электропроводка подразделяется на открытую (по поверхности стен, потолков и другим строительным конструкциям), скрытую (внутри стен или перекрытий, в фундаментах, под полом по перекрытиям) и комбинированную (в кабель-каналах и лотках). При выборе кабельной продукции также учитывается класс помещения (по НПБ, ПУЭ) и степень возгораемости строительных материалов на которых монтируется проводка. В зависимости от этих факторов производится выбор марок проводов и кабелей для помещений.
Надежность, долговечность и безопасность проводки во многом определяется выбором материала проводов и кабелей. В современном строительстве не рекомендуется использовать провода и кабели с жилами из алюминия, так как этот металл подвержен коррозии, со временем меняется его кристаллическая структура, а значит и электропроводящие свойства. Увеличение внутреннего сопротивления в итоге ведет к потерям электроэнергии, разогреву проводов и соединений. Медь по сравнению с алюминием имеет значительно более высокие качественные характеристики, поэтому при проведении электротехнических работ все чаще используют провода и кабели на основе меди.
Наиболее простым способом монтажа является открытая проводка. Она удобна тем, что любой ее участок легко доступен для ремонта и подключения новых токоприемников. Монтаж производится быстро, так как связан только с креплением кабеля к несущим конструкциям (стенам, перекрытиям, фальш-потолку и пр.) и с пробивкой стен и перегородок. Недостатком этого способа является малая эстетичность и, в связи с этим, открытая проводка в современных помещениях используется очень редко. Тем не менее, в подсобных помещениях и в индивидуальном жилом секторе (на дачах и т.п.) она применяется довольно часто. Открытая проводка проводов по сгораемым основаниям выполняется по слою листового асбеста. При открытой проводке выключатели и розетки устанавливают на прикрепленных к стене пластмассовых подрозетниках.
Скрытая проводка наиболее распространена и безопасна в эксплуатации, так как расположена в толще несгораемого материала (отсутствуют механические воздействия, доступ воздуха к ней затруднен). Основной недостаток - невозможность без вскрытия стен подключить новые токоприемники. Cкрытые провода выводят на поверхность стен или перекрытий (для присоединения к токоприемникам) через изоляционные пластмассовые трубки. Соединение и ответвление проводов скрытой проводки выполняется сваркой, опрессовкой, пайкой или зажимами в ответвительных коробках. Допускается при скрытой проводке выполнять ответвления проводов во вводных коробках выключателей, розеток или светильников.
Проводка в кабель-каналах (коробах, лотках) находится на стыке открытого и скрытого способа прокладки проводов. С одной стороны, сохраняются все преимущества открытой проводки, с другой стороны, проводка в кабель-каналах более безопасна и изящна. Кроме того, в кабель-канал при наличии разделительной перегородки вместе с электропроводкой можно уложить провода слаботочных систем (компьютерные сети, телевизионный кабель, телефонный провод и т.д.). Этот вид проводки применяется сегодня практически повсеместно. Для прокладки компьютерных сетей, пожарной и охранной сигнализации такой способ является стандартным. Кабель-каналы выпускаются в виде полых коробов различного сечения длиной 2 метра, а также в виде полого плинтуса с внутренними перегородками для укладки кабеля. Крепятся кабель-каналы на саморезы и анкера, прямые и угловые сочленения осуществляются с помощью специальной фурнитуры.
Для проводки в кабель-каналах используют пластиковые короба и металлические лотки. Для скрытой проводки существует целая гамма монтажных изделий для выполнения скрытого монтажа любой конфигурации - монтажные коробки для различных типов стен, распаечные коробки с клемными колодками внутри для разветвления или контактных соединений, ПВХ-трубы или гофротрубы для прокладки проводов в стенах. Для открытой проводки в подвальных и чердачных помещениях используют металлорукав. При открытой проводке за подвесными потолками и под фальш-полом кабель и провода укладываются в гофротрубу (ПВХ).
Электроустановочные изделия - розетки, выключатели, выключатели с инфракрасным датчиком, переключатели, электрические соединители, патроны, регуляторы света, диммеры (электронные регуляторы) и прочее. Материалом для установочных изделий служит ударопрочный пластик или поликарбонат, рамочная конструкция электроустановочных изделий позволяет выполнить набор нескольких функционально различных устройств в едином блоке.
Создание искусственного освещения помещений реализуется подбором светильников мощностью, достаточной для освещения помещения конкретной площади. Светильники представляют собой осветительную арматуру с установленной в нее лампой. Классификация светильников производится по нескольким характеристикам - по распределению светового потока, по углу излучения, по назначению светильника и по типу используемого в светильнике источника света (лампы).
Наиболее широко применяются:
· лампы накаливания (свечение создается путем подогрева вольфрамовой спирали),
· люминecцентные лампы (газоразрядная лампа, свечение создается путем возбуждения слоя люминофора с помощью ультрафиолетового излучения, возникающего во время разряда),
· газоразрядные лампы (свечение создается непосредственно от электрического разряда в газе, парах металла или в их смеси),
· галогенные лампы (заполненная газом лампа накаливания с вольфрамовой нитью).
В проекте должно быть предусмотрено измерение параметров смонтированной электросети, таких как:
· сопротивления изоляции;
· сопротивления цепи фаза-ноль;
· возможного тока короткого замыкания (PSC);
· проверка наличия цепи между заземлителем и заземленным элементом;
· прогрузка автоматических выключателей;
· проверка УЗО;
· испытания контура заземления (сопротивление растеканию).
Одним из самых интересных способов выработки электроэнергии являются солнечные батареи. На сегодняшний день стало актуально использование систем солнечных батарей для электроснабжения небольших объектов, таких например как частный дом.
Простейшая система состоит из следующих элементов: солнечных батарей, контроллера заряда, аккумуляторов и инвертора.
Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов
Фотоэлемент состоит из двух слоев полупроводников с «n» и «p» проводимостью. К слоям с разных сторон припаяны контакты. При попадании света на «n» слой за счет фотоэффекта образуются свободные электроны, которые пересекают p-n переход и образуется разность потенциалов ЭДС, величина которой зависит от многих факторов, таких как интенсивность солнечного излучения, площади фотоэлемента, конструкции, температуры поверхности. Основной материал для изготовления фотоэлементов – кремний.
Разность потенциалов одного фотоэлемента составляет порядка 0,45-0,47В, что слишком мало, чтобы получить достаточную мощность, поэтому фотоэлементы соединяют последовательно, повышая тем самым разность потенциалов, и параллельно, увеличивая ток.
Солнечные батареи состоят из солнечных модулей, которые в свою очередь складываются из фотоэлементов.
Для примера рассмотрим характеристики солнечного модуля на 12Вт:
· количество элементов – 36шт;
· номинальная мощность – 12Вт;
· номинальное напряжение – 12В;
· напряжение максимальной мощности – 17В;
· напряжение холостого хода – 21,8В;
· ток короткого замыкания – 0,88А;
· ток максимальной мощности – 0,71А;
· габаритные размеры – 285х425х27;
· площадь – 0,12м2;
· масса – 1,8кг;
· рабочая температура – от -50 до +75С.
Солнечные батареи с номинальным напряжением 12В выпускаются с диапазоном мощностей 12-140Вт, панели на более высокое напряжение соответственно будут иметь более высокие показатели мощности.
Для чего же нужно повышенное напряжение 17В, если номинальное напряжение аккумулятора составляет 12В?
Согласно данным руководства по эксплуатации широко применяемых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей(АБ) технологии AGM, напряжение подзаряда АБ составляет 2,27В/эл.
Батарея 12В содержит 6 элементов с номинальным напряжением 2В, следовательно в режиме эксплуатации необходимо поддерживать на батарее напряжение не ниже 6х2,27=13,62В.
В режиме ускоренного заряда напряжение на элементе может достигать 2,4В/эл, следовательно на батарее 6х2,4=14,4В.
Таким образом напряжение на АБ для обеспечения режимов ее работы может находится в диапазоне 13,62-14,4 В/эл.
Небольшой запас по напряжению 17-14,4=2,6В необходим для компенсации падения напряжения при нагреве поверхности фотоэлементов и падения напряжения, обусловленном сопротивлением проводников и контактных соединений.
В случае затенения модулей в солнечной батарее в цепочке из последовательно соединенных элементов они перестают генерировать электрическую энергию, становятся потребителями, т.е. рассеивают электрическую энергию, нагреваются и выходят со строя.
Для предотвращения данной проблемы параллельно с каждым модулем или его частью устанавливают шунтирующие диоды. Таким образом если хотя бы одна ячейка затенена, то весь ряд выходит из цепи электропитания.
Аккумуляторные батареи (АБ) служат для накопления электроэнергии, производимой фотоэлементами, и отдачи ее в темное время суток или при недостаче солнечной энергии.
Наиболее распространенными типами АБ для применения в фотоэлектрических системах являются герметичные свинцово-кислотные АБ, выполненные по технологии Absorptive Glass Mat(AGM), а также гелевые АБ Gelled Electrolite(GEL).
AGM – используются сепараторы из стекловолокна, которые служат резервуаром для электролита и разделяют пластины противоположного знака. Жидкий электролит в пористом сепараторе удерживается за счет капиллярного эффекта. Весь находящийся а аккумуляторе электролит впитан в сепаратор и отсутствует в свободном пространстве внутри бака. GEL – электролит имеет гелеобразное состояние благодаря добавлению соединений кремния. Гель обеспечивает герметичность АБ, удерживая в порах неизбежно выделяющиеся при эксплуатации газы и надежно фиксируя материал пластин. Теперь остановимся на основных преимуществах и недостатках батарей вышеуказанных типов.
Преимущества GEL батарей – циклический ресурс(количество циклов заряд-разряд) в 2-3 раза выше чем у AGM батарей, несколько ниже ток саморазряда.
Недостатки GEL батарей – ограничение зарядного тока до 0,2С10, меньшая эффективность рекомбинации газов, чем у AGM батарей, требовательны к качеству зарядных устройств, более высокая стоимость, боле низкий уровень токов короткого замыкания.
Преимущества свинцово-кислотных AGM батарей – более высокий уровень(порядка 30%), толчковых токов, менее требовательны к качеству зарядного напряжения, более высокий уровень токов короткого замыкания.
Недостатки AGM батарей – более низкий циклический ресурс, несколько выше ток саморазряда, чувствительны к перезаряду и глубоким разрядам.
В системах автономного электроснабжения очень важным показателем является цикличность, которая у гелиевых батарей несколько выше, хотя на сегодняшний день выпускаются некоторые типы AGM батарей, циклический ресурс которых сопоставим с гелиевыми АБ. Устанавливаются аккумуляторные батареи на специальных стеллажах либо в шкафах.
Контроллер заряда-разряда предназначен для управления режимами работы аккумуляторной батареи и имеет следующие основные функции:
· автоматическое подключение АКБ к солнечной батарее;
· автоматическое отключение АКБ при полном заряде;
· автоматическое отключение нагрузки при установленном уровне разряда АКБ;
· различные режимы заряда АКБ.
Данные функции необходимы для обеспечения стабильной работы аккумуляторной батареи на протяжении всего срока службы.
Наиболее распространенными типами для работы в системах небольшой мощности являются ШИМ-контроллеры, алгоритм заряда в которых запрограммирован в четыре стадии:
При выборе контроллера необходимо отдавать предпочтение типам с настраиваемыми параметрами, позволяющими настроить емкость и тип подключаемой АБ, напряжений заряда и др. параметров.
Для примера рассмотрим характеристики ШИМ контроллера типа EPHC-10-EC на 12В:
· рабочее напряжение – 12В;
· максимальный входной ток от солнечной батареи – 10А;
· максимальный ток нагрузки – 10А;
· напряжение поддерживающего заряда – 13,7В;
· напряжение ускоренного заряда – 14,4В;
· напряжение отключения нагрузки – 11,1В;
· напряжение включения нагрузки после отключения(автоматически) – 13,1В;
· напряжение включения нагрузки после отключения(вручную) – 12,5В;
· напряжение предупредительной сигнализации о низком заряде – 12В;
· степень защиты – IP22;
Функции: регулирование напряжения заряда, четыре режима заряда, температурная компенсация.
Электронная защита: отключение СБ после достижения конечного напряжения заряда АБ(2,4В), отключении нагрузки при недопустимо низком напряжении на АБ(11,1В), защита от неправильной полярности подключения СБ, АБ и нагрузки, защита от короткого замыкания на входе и выходе устройства, защита от перегрева, защита от перенапряжения на входе, защита от молнии(варистор), защита от обрыва цепи АБ, защита от разряда АБ через СБ.
Напряжение постоянного подзаряда прикладывается к выводам батареи и при температуре 25°С должно поддерживаться на уровне (2,275 Вольт х количество последовательно соединенных элементов) с точностью ±1%, то есть в диапазоне 2,25-2,30 В/эл.
Если напряжение больше верхнего допустимого значения, имеет место перезаряд, при котором уменьшается количество электролита и ускоряется коррозия решеток положительных пластин, что в результате уменьшает срок службы аккумуляторов. В случае, если напряжение меньше указанного нижнего предела, имеет место недозаряд. Это приводит к ускоренной коррозии решеток положительных пластин и деградации активного материала отрицательных пластин. Срок службы также сокращается.
Напряжение ускоренного заряда прикладывается к выводам батареи и при температуре 25°С и должно поддерживаться на уровне 2,4 В/эл. Данный метод используется для сокращения времени заряда с ограничением по току 0,25С10 для AGM и 0,2C10 для GEL и не рекомендуется для частого применения,чтобы не сократить время службы АБ. Метод может быть использован для выравнивания напряжения на отстающих элементах по напряжению.
Аккумуляторная батарея должна быть защищена от переразряда, иначе она выйдет из строя. Поэтому контроллер защищает АБ от переразряда путем отключения нагрузки при падении напряжения на АБ ниже определенного уровня. После того как АБ зарядится от СБ до напряжения повторного включения, нагрузка снова подключается.
Контроллеры заряда рекомендуется размещать в защищенном месте по возможности ближе к АБ.
Инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения 12,24,48В в переменное 220В, поскольку вся нагрузка в нашем доме рассчитана на переменное напряжения 220В.
Для примера рассмотрим характеристики инвертора PS200-12:
· номинальная выходная мощность, Вт: 175;
· максимальная выходная мощность (10 минут), Вт: 210;
· пиковая выходная мощность, Вт: 400;
· выходное напряжение переменного тока (50 Гц), В: 230;
· форма выходного напряжения: чистая синусоида;
· искажения формы выходного напряжения <5% при номинальной мощности;
· допустимый cos (phi) нагрузки: 0.2 — 1.0;
· номинальное входное напряжение, В: 12;
· рабочий диапазон входных напряжений, В: 10.5 — 16.0;
· максимальная эффективность: 90%;
· собственное потребление без нагрузки, Вт: 2.8;
· потребление без нагрузки в режиме ожидания, Вт: 0.6;
· порог включения из режима ожидания, Вт: 10;
· вентилятор охлаждения: с регулируемой скоростью в зависимости от температуры и нагрузки (не работает при нагрузке до 50 Вт);
· защита от короткого замыкания по выходу: есть, электронная;
· защита от перегрузки по выходу: есть, электронная;
· защита от перегрева: есть, электронная;
· защита от низкого напряжения на входе: есть, электронная.
Выбор инвертора осуществляется с учетом пиковой мощности.
Это значит, что некоторые нагрузки электрической энергии имеют пусковой ток, который в несколько раз может превышать номинальный ток.
Умножив пусковой ток на напряжение сети 220В получим пиковую мощность.
Мощность инвертора должна быть не меньше суммы номинальных мощностей нагрузок электроприемников с учетом одновременности их работы плюс мощность электроприемника с самым большим пусковым током.
При создании проекта по электроснабжению объектов на базе солнечных систем необходимо также учитывать форму выходного напряжения.
Инверторы могут иметь чистую синусоидальную, квазисинусоидальную и прямоугольную форму напряжения. Если форма напряжения синусоидальная, то от таких инверторов можно питать любую нагрузку переменного тока. Инверторы с прямоугольной и квазисинусоидальной формой напряжения могут не подходить для некоторых видов нагрузки, например асинхронных двигателей, кроме того могут вызывать потери в мощности, перегрев оборудования и помехи.
Солнечные системы электроснабжения с каждым днем набирают все большую популярность и по мере совершенствования технологий и техники их привлекательность увеличиваеться, возможно скоро и вы захотите приобрести себе для дома подобную систему.