Прямое соединение источников постоянного тока с постоянными нагрузками может привести к значительно более дешевой и устойчивой солнечной системе.
В современных солнечных фотоэлектрических системах постоянный ток, поступающий от солнечных панелей, преобразуется в переменный ток, что делает его совместимым с электрическим распределением здания. Поскольку многие современные устройства работают внутри на постоянном токе (DC), переменный ток (AC) затем преобразуется обратно в постоянный ток адаптером каждого устройства. Это двойное преобразование энергии, которое генерирует до 30% потерь энергии, можно устранить, если электрическое распределение здания преобразуется в постоянный ток. Прямое соединение источников постоянного тока с нагрузками постоянного тока может привести к значительно более дешевой и устойчивой солнечной системе. Однако для достижения этой цели необходимо выполнить некоторые важные условия. Электроэнергия может производиться и распределяться с использованием переменного тока или постоянного тока. В случае переменного тока ток периодически меняет направление, в то время как напряжение меняется вместе с током. В случае постоянного тока ток течет в одном направлении, а напряжение остается постоянным. Когда в последней четверти девятнадцатого века была введена передача электроэнергии, переменный и постоянный ток конкурировали за право стать стандартной системой распределения электроэнергии — период в истории, известный как «война токов». Переменный ток победил, в основном из-за его более высокой эффективности при передаче на большие расстояния. Электрическая мощность (выраженная в ваттах) равна току (выраженному в амперах), умноженному на напряжение (выраженное в вольтах). Следовательно, заданное количество энергии может быть произведено низким напряжением с более высоким током или высоким напряжением с более низким током. Однако потери мощности из-за сопротивления пропорциональны квадрату тока. Поэтому высокие напряжения являются ключом к энергоэффективной передаче электроэнергии на большие расстояния.
Изобретение трансформатора переменного тока в конце 1800-х годов позволило легко повышать напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния, а затем снова понижать его для локального использования. С другой стороны, электричество постоянного тока не могло быть эффективно преобразовано в высокое напряжение до 1960-х годов. В результате стало невозможным эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния (>1–2 км).
Сеть постоянного тока подразумевала установку относительно небольших электростанций в каждом районе. Это было неидеально, поскольку эффективность паровых двигателей, которые питали динамо-машины, зависела от их размера — чем больше паровой двигатель, тем он эффективнее. Кроме того, паровые двигатели были шумными и загрязняли воздух, в то время как низкая транспортная эффективность постоянного тока исключала использование более удаленных, чистых источников гидроэнергии. Более ста лет спустя переменный ток по-прежнему составляет основу нашей энергетической инфраструктуры. Хотя высоковольтный постоянный ток набирает популярность для транспортировки на большие расстояния, все распределение электроэнергии в зданиях основано на переменном токе, либо на 110 В, либо на 220 В. Низковольтные системы постоянного тока сохранились в автомобилях, грузовиках, автодомах, караванах и лодках, а также в телекоммуникационных офисах, удаленных научных станциях и убежищах для аварийных ситуаций. В большинстве этих примеров устройства питаются от батарей, работающих от постоянного тока напряжением 12 В, 24 В или 48 В.
Возобновление интереса к постоянному току
В последнее время два совпадающих фактора возобновили интерес к распределению постоянного тока. Во-первых, теперь у нас есть лучшие альтернативы для децентрализованной генерации электроэнергии, наиболее значимой из которых являются солнечные фотоэлектрические панели. Они не загрязняют окружающую среду, а их эффективность не зависит от их размера. Поскольку солнечные панели могут быть расположены прямо там, где есть спрос на энергию, передача электроэнергии на большие расстояния не является обязательным требованием. Более того, солнечные панели «естественным образом» вырабатывают постоянный ток, как и химические батареи, которые являются наиболее практичной технологией хранения для фотоэлектрических систем.
Солнечные фотоэлектрические панели естественным образом вырабатывают постоянный ток, и все большее количество наших электроприборов работают от внутреннего источника постоянного тока.
Во-вторых, все больше наших электроприборов работают от постоянного тока. Это касается компьютеров и всех других электронных гаджетов, а также твердотельного освещения (светодиодов), телевизоров с плоским экраном, стереооборудования, микроволновых печей и все большего количества устройств, работающих на двигателях постоянного тока с переменной скоростью (вентиляторы, насосы, компрессоры и тяговые системы). В течение следующих 20 лет мы могли бы увидеть, как до 50% от общей нагрузки в домохозяйствах будет составлять потребление постоянного тока.
В здании, которое генерирует солнечную фотоэлектрическую энергию, но распределяет ее внутри помещения через электрическую систему переменного тока, требуется двойное преобразование энергии. Во-первых, постоянный ток от солнечной панели преобразуется в переменный ток с помощью инвертора. Затем переменный ток преобразуется обратно в постоянный ток адаптерами внутренних приборов постоянного тока, таких как компьютеры, светодиоды и микроволновые печи. Эти преобразования энергии подразумевают потери мощности, которых можно было бы избежать, если бы здание, работающее на солнечной энергии, было оборудовано распределением постоянного тока. Другими словами, электрическая система постоянного тока могла бы сделать солнечную фотоэлектрическую систему более энергоэффективной.
Больше солнечной энергии за меньшие деньги
Поскольку эксплуатационное использование энергии и затраты солнечной фотоэлектрической системы равны нулю, более высокая энергоэффективность означает меньшие капитальные затраты, поскольку для генерации заданного количества электроэнергии требуется меньше солнечных панелей. Кроме того, нет необходимости устанавливать инвертор, который является дорогостоящим устройством, которое необходимо заменить по крайней мере один раз в течение срока службы солнечной фотоэлектрической системы. Более низкие капитальные затраты также подразумевают меньшую воплощенную энергию: если требуется меньше солнечных панелей и не требуется инвертор, то для производства солнечной фотоэлектрической установки требуется меньше энергии, что имеет решающее значение для повышения устойчивости технологии.
Для выработки определенного количества электроэнергии требуется меньше солнечных панелей
Аналогичное преимущество применимо к электрическим устройствам. В здании с распределением постоянного тока внутренние электрические устройства постоянного тока могут обойтись без всех компонентов, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный. Это сделает их более простыми, дешевыми, надежными и менее энергоемкими в производстве. Адаптеры переменного/постоянного тока (которые могут быть размещены во внешнем источнике питания или в самом устройстве) часто являются ограничивающим срок службы компонентом внутренних устройств постоянного тока, и они довольно существенны по размеру.
Например, для светодиодной лампы примерно 40% печатной платы занимают компоненты, необходимые для преобразования переменного тока в постоянный. 3 Адаптеры переменного/постоянного тока имеют больше недостатков. В результате сомнительной коммерческой стратегии они обычно специфичны для устройства, что приводит к пустой трате ресурсов, денег и пространства. Более того, адаптер продолжает потреблять энергию, когда устройство не работает, и даже когда устройство к нему не подключено.
Распределение постоянного тока сделает устройства более простыми, дешевыми, надежными и менее энергоемкими в производстве.
И последнее, но не менее важное: низковольтные сети постоянного тока (до 24 В) считаются безопасными от ударов, что позволяет электрикам устанавливать относительно простую проводку без заземления или металлических распределительных коробок и без защиты от прямого контакта. Это еще больше увеличивает экономию средств и позволяет вам самостоятельно установить солнечную систему. Мы продемонстрируем такую систему своими руками в следующей статье, где также объясним, как получить приборы постоянного тока или преобразовать приборы переменного тока в постоянный.
Сколько энергии можно сэкономить?
Однако важно отметить, что преимущество энергоэффективности сети постоянного тока не является данностью. Экономия энергии может быть значительной, но она также может быть очень небольшой или даже отрицательной. Является ли постоянный ток хорошим выбором, зависит в основном от пяти факторов: удельные потери преобразования в адаптерах переменного тока/постоянного тока всех устройств, время «нагрузки» (потребление энергии), наличие электрического накопителя, длина распределительных кабелей и энергопотребление электроприборов. Исключение инвертора приводит к вполне предсказуемой экономии энергии. Это касается только одного устройства с довольно фиксированной эффективностью (+90% — хотя эффективность может упасть примерно до 50% при низкой нагрузке). Однако этого нельзя сказать об адаптерах переменного тока/постоянного тока. Адаптеров не только столько же, сколько и внутренних устройств постоянного тока, но и их эффективность преобразования также сильно различается: от менее 50% для устройств малой мощности до более 90% для устройств большой мощности.
Следовательно, общие потери энергии адаптеров переменного/постоянного тока могут сильно различаться в зависимости от того, какие приборы используются в здании — и как они используются. Как и инверторы, адаптеры тратят относительно больше энергии, когда используется мало энергии, например, в режиме ожидания или режиме пониженного энергопотребления. Потери преобразования в адаптерах самые высокие для DVD/VCR (31%), домашнего аудио (21%), персональных компьютеров и соответствующего оборудования (20%), перезаряжаемой электроники (20%), освещения (18%) и телевизоров (15%). Потери электроэнергии ниже (10-13%) для более обыденных приборов, таких как потолочные вентиляторы, кофеварки, посудомоечные машины, электрические тостеры, обогреватели, микроволновые печи, холодильники и т. д. Освещение и компьютеры (которые имеют высокие потери переменного/постоянного тока) обычно составляют большую долю общего потребления электроэнергии в офисах, магазинах и институциональных зданиях. В домохозяйствах больше разнообразных приборов, включая устройства с меньшими потерями переменного/постоянного тока. Следовательно, система постоянного тока обеспечивает большую экономию энергии в офисах, чем в жилых зданиях. Наибольшее преимущество в центрах обработки данных, где компьютеры являются основной нагрузкой. Некоторые центры обработки данных уже перешли на системы постоянного тока, даже если они не питаются от солнечной энергии. Поскольку большой адаптер более эффективен, чем множество маленьких адаптеров, преобразование переменного тока в постоянный на локальном уровне (с использованием объемного выпрямителя), а не на отдельных серверах, может обеспечить экономию энергии от 5 до 30%.
Важность хранения энергии
Если предположить, что потери энергии в инверторе составляют 10%, а средние потери для всех адаптеров переменного/постоянного тока — 15%, то можно ожидать экономии энергии около 25% при переключении на распределение постоянного тока в здании, работающем на солнечных батареях. Однако такая существенная экономия не гарантирована. Начнем с того, что большинство зданий, работающих на солнечных батареях, подключены к сети. Они не хранят солнечную энергию в локальных батареях, а полагаются на сеть, чтобы справиться с излишками и дефицитом.
В здании с сетевым счетчиком солнечной энергии только нагрузки, совпадающие с выходом солнечной фотоэлектрической энергии, могут получать выгоду от сети постоянного тока.
Это означает, что избыточная солнечная энергия должна быть преобразована из постоянного тока в переменный, чтобы отправить ее в электрическую сеть, в то время как энергия, полученная из сети, должна быть преобразована из переменного тока в постоянный, чтобы быть совместимой с электрической распределительной системой здания. Следовательно, в здании с сетевым измерением солнечной энергии на солнечных фотоэлектрических панелях только нагрузки, совпадающие с выходом солнечной энергии на солнечных фотоэлектрических панелях, могут получить выгоду от сети постоянного тока.
Опять же, это означает, что преимущества эффективности системы постоянного тока обычно больше в коммерческих зданиях, где большая часть потребления электроэнергии совпадает с выходом постоянного тока солнечной системы. В жилых зданиях, с другой стороны, потребление энергии часто достигает пика утром и вечером, когда мало или совсем нет солнечной энергии. Следовательно, есть только небольшое преимущество, которое можно получить от системы постоянного тока в жилом здании с чистым счетчиком, так как большая часть электроэнергии в любом случае будет преобразована в переменный ток или из него. Недавнее исследование подсчитало, что система постоянного тока может повысить энергоэффективность американского дома с солнечным питанием и чистым счетчиком в среднем всего на 5% — этот показатель является средним для 14 домов по всем США.
Внесетевые солнечные системы
Чтобы реализовать весь потенциал сети постоянного тока, особенно когда это касается жилого здания, нам необходимо хранить солнечную энергию в локальных батареях. Таким образом, система может хранить и использовать энергию в форме постоянного тока. Хранение энергии может происходить в внесетевой системе, которая полностью независима от сети, но добавление некоторого количества аккумуляторных батарей к зданию с сетевым счетчиком также улучшает преимущество системы постоянного тока. Однако хранение энергии добавляет еще один тип потерь энергии: потери при зарядке и разрядке батарей. Эффективность кругового цикла для свинцово-кислотных батарей составляет 70–80%, а для литий-ионных — около 90%.
К сожалению, накопление энергии добавляет еще один тип потерь энергии — потери при зарядке и разрядке аккумуляторов — и сводит на нет ценовые преимущества системы постоянного тока.
Точное количество энергии, которое можно сэкономить с помощью хранения аккумуляторов на месте, снова зависит от времени нагрузки. Электричество, используемое в течение дня — когда аккумуляторы полностью заряжены — не влечет за собой никаких потерь на зарядку и разрядку аккумуляторов. В этом случае экономия энергии системы постоянного тока может составить 25% (10% при исключении инвертора и 15% при исключении адаптеров). Однако, электричество, используемое после захода солнца, снижает экономию энергии до 15% для литий-ионных аккумуляторов и от -5% до +5% для свинцово-кислотных аккумуляторов. В действительности электричество, вероятно, будет использоваться как до, так и после захода солнца, поэтому повышение эффективности будет где-то между этими крайностями (от -5% до 25% для свинцово-кислотных и 15-25% для литий-ионных).
С другой стороны, хранение в аккумуляторах дает дополнительное преимущество: меньше или — в полностью независимой системе — нет дополнительных потерь энергии при передаче и распределении электроэнергии переменного тока на большие расстояния. Эти потери сильно различаются в зависимости от местоположения. Например, средние потери при передаче составляют всего 4% в Германии и Нидерландах, но 6% в США и Китае и от 15 до 20% в Турции и Индии. 1415 Если мы добавим еще 7% экономии энергии за счет избежания потерь при передаче, то автономная система постоянного тока может обеспечить экономию энергии от 2% до 32% для свинцово-кислотных аккумуляторов и от 22% до 32% для литий-ионных аккумуляторов в зависимости от времени нагрузки.
В автономной системе постоянного тока потребление электроэнергии может быть удовлетворено с помощью солнечной системы, которая на одну пятую или одну треть меньше, в зависимости от типа используемых батарей.
Предполагая 50% использования энергии днем и 50% использования энергии ночью, мы получаем выигрыш в 17% для автономной системы, использующей свинцово-кислотные аккумуляторы, и 27% для литий-ионного хранилища. Это означает, что потребление электроэнергии может быть покрыто солнечной системой, которая на одну пятую или одну треть меньше соответственно. Общая экономия затрат останется немного больше, поскольку нам по-прежнему не нужен инвертор, а затраты на установку ниже или отсутствуют вовсе. К сожалению, внедрение локального хранения электроэнергии снова повышает капитальные затраты, поскольку нам нужно инвестировать в аккумуляторы. Это сведет на нет преимущество в стоимости, которое мы получили при выборе системы постоянного тока. То же самое касается энергии, вложенной в процесс производства: автономная система постоянного тока требует меньше энергии для производства солнечных панелей, но она потребляет по крайней мере столько же энергии для производства батарей Однако мы должны сравнивать яблоки с яблоками: автономная солнечная система постоянного тока дешевле и более энергоэффективна, чем автономная система переменного тока, и это то, что имеет значение. Анализ жизненного цикла солнечных систем с чистым измерением не отражает реальность, поскольку он игнорирует существенный компонент солнечных энергетических систем.
Потери в кабеле
Однако следует учесть еще один важный момент. Как мы видели, потери мощности из-за сопротивления пропорциональны квадрату тока. Следовательно, низковольтные сети постоянного тока имеют относительно высокие потери в кабеле внутри здания. Есть два способа, которыми потери в кабеле могут сделать выбор в пользу системы постоянного тока контрпродуктивным. Первый — использование мощных устройств, а второй — использование очень длинных кабелей.
Потери энергии в кабелях равны квадрату тока (в амперах), умноженному на сопротивление (в омах). Сопротивление определяется длиной, диаметром и проводящим материалом кабелей. Медный провод с поперечным сечением 10 мм2, распределяющий 100 Вт мощности при 12 В (8,33 А) на расстояние 10 метров, дает приемлемые потери энергии в 3%. Однако при длине кабеля 50 метров потери энергии становятся 16%, а при длине 100 метров потери энергии составляют 32% — достаточно, чтобы свести на нет преимущества эффективности сети постоянного тока даже в самом оптимистичном сценарии.
Относительно высокие потери энергии в кабелях ограничивают использование мощных приборов.
Относительно высокие потери в кабеле также ограничивают использование мощных приборов. Если вы хотите запустить микроволновую печь мощностью 1000 Вт в сети постоянного тока 12 В, потери энергии составят 16% при длине кабеля всего 1 метр и подскочат до 47% при длине кабеля 3 метра. Очевидно, что низковольтная сеть постоянного тока не подходит для питания таких устройств, как стиральные машины, посудомоечные машины, пылесосы, электроплиты, электрические духовки или водонагреватели. Обратите внимание, что в этом отношении важно потребление мощности, а не потребление энергии. Потребление энергии равно потреблению мощности, умноженному на время. Холодильник потребляет гораздо больше энергии, чем микроволновая печь, потому что он включен 24 часа в сутки, но его потребление энергии может быть достаточно малым, чтобы работать в сети постоянного тока. Потери в кабеле также ограничивают совокупное потребление энергии маломощными устройствами. Если предположить, что длина кабеля 12 В составляет 12 метров, и мы хотим, чтобы потери в кабеле не превышали 10%, то общее потребление энергии всеми приборами ограничено примерно 150 Вт (потери в кабеле 8,5%). Например, это позволяет одновременно использовать два ноутбука (по 20 Вт каждый), холодильник постоянного тока (45 Вт) и пять светодиодных ламп по 8 Вт (всего 40 Вт), что оставляет еще 25 Вт мощности для пары более мелких устройств.
Как ограничить потери в кабеле
Существует несколько способов обойти потери при распределении низковольтной системы постоянного тока. Если это касается нового здания, его пространственная компоновка может значительно ограничить длину распределительного кабеля. Например, голландским исследователям удалось сократить общую длину кабеля в доме с 40 метров до 12 метров. Они сделали это, переместив кухню и гостиную (где используется большая часть электроэнергии) на первый этаж, прямо под крышу (где находятся солнечные батареи), а спальни переместив на первый этаж. Они также сгруппировали большую часть приборов в центральной части здания, прямо под солнечными батареями (см. иллюстрацию ниже).
Другой способ сократить потери в кабеле — установить несколько независимых солнечных систем на одну или две комнаты. Это может быть единственным способом решить проблему в большом существующем здании, которое спроектировано без учета системы постоянного тока. Хотя эта стратегия подразумевает использование дополнительных контроллеров заряда солнечных батарей, она может значительно сократить потери в кабеле. Этот подход также позволяет энергопотреблению всех приборов превышать 150 Вт.
Установка независимых солнечных систем для одной или двух комнат — один из способов ограничить потери в кабелях и увеличить общее потребление энергии.
Третий способ ограничить потери в кабеле — выбрать более высокое напряжение: 24 или 48 В вместо 12 В. Поскольку потери энергии увеличиваются пропорционально квадрату тока, удвоение напряжения с 12 до 24 В уменьшает потери в кабеле в 4 раза, а переключение на 48 В уменьшает их в шестнадцать раз. Такой подход также позволяет использовать более мощные устройства и увеличивает общую мощность, которую может использовать система постоянного тока. Однако более высокое напряжение также имеет некоторые недостатки. Во-первых, большинство низковольтных приборов постоянного тока, которые в настоящее время представлены на рынке, работают от 12 В, поэтому использование сети постоянного тока 24 или 48 В подразумевает использование большего количества DC/DC-адаптеров, которые понижают напряжение и также имеют потери преобразования. Во-вторых, более высокое напряжение (выше 24 В) исключает преимущества безопасности системы постоянного тока. В центрах обработки данных и офисах, а также в американских жилых зданиях, упомянутых в исследовании ранее, постоянное электричество распределяется по всему зданию при напряжении 380 В, но это требует столь же строгих мер безопасности, как и при использовании переменного тока напряжением 110 В или 220 В.
Медленное электричество
Укорачивание длины кабеля или удвоение напряжения до 24 В все еще не позволяет использовать мощные устройства, такие как микроволновая печь или стиральная машина. Есть два способа решить эту проблему. Первый — установить гибридную систему переменного/постоянного тока. В этом случае сеть постоянного тока настраивается для маломощных устройств, таких как светодиодные лампы (10 Вт), ноутбуки (20 Вт), телевизоры (30–90 Вт) и холодильники (50 Вт), а отдельная сеть переменного тока настраивается для мощных устройств. Такой подход для домов и небольших офисов продвигает EMerge Alliance, консорциум производителей продуктов постоянного тока, который разработал стандарт для гибридной системы 24 В постоянного тока / 110–220 В переменного тока.
Устройства малой мощности (в среднем) отвечают за 35–50 % от общего потребления электроэнергии в доме. Даже в лучшем случае (50 % нагрузки) гибридная система вдвое снижает прирост энергоэффективности, который мы рассчитали выше, что дает нам экономию энергии всего от 8,5 % до 13,5 % в зависимости от типов используемых батарей. Эти цифры будут еще ниже из-за потерь в кабеле. Короче говоря, гибридная система переменного/постоянного тока обеспечивает довольно небольшую экономию энергии, которая может быть легко сведена на нет эффектом отскока. Второй способ решения проблемы устройств большой мощности — просто не использовать их. Это подход, который применяется в парусных лодках, автодомах и караванах, где поддерживающая система распределения переменного тока просто невозможна. Это наиболее устойчивое решение ограничений мощности постоянного тока, поскольку в этом случае выбор постоянного тока также приводит к снижению спроса на энергию. Таким образом, общая экономия энергии может оказаться намного больше, чем рассчитанные выше 17–27%, и тогда мы, наконец, получим радикально лучшее решение, которое может иметь значение.
Один из способов решения проблемы мощных устройств — просто не использовать их. Такой подход применяется в парусных лодках, автодомах и караванах.
Очевидно, что эта стратегия подразумевает изменение нашего образа жизни. Это означало бы, что электричество будет использоваться только для освещения, электроники и охлаждения, в то время как для всех остальных приборов будут выбраны неэлектрические альтернативы. Неслучайно, это очень похоже на то, как работали сети постоянного тока в конце девятнадцатого века, когда единственной электрической нагрузкой было освещение — сначала дуговые лампы, а затем лампы накаливания. Таким образом, никакой посудомоечной машины, но мытье посуды вручную. Никакой стиральной машины, но стирка в прачечной или с помощью машины с ручным управлением. Никакой сушильной машины, но бельевая веревка. Никаких удобных и экономящих время кухонных приборов, таких как электрочайники, микроволновки и кофемашины, но традиционная плита для приготовления пищи, работающая на (био)газе, солнечная плита или ракетная печь. Никакого пылесоса, но метла и выбивалка для ковров. Никакого морозильника, но свежие ингредиенты. Никакого электрического водонагревателя, но солнечный бойлер и небольшая стирка в раковине, если не светит солнце. Никакого электромобиля, но велосипед.
P.S. — Сейчас уже постоянный ток отвоевывает позиции с другой стороны подачи тока. Существуют линии электропередач HVAC. .
