Прямое подключение источников постоянного тока к постоянным нагрузкам может существенно снизить стоимость и повысить устойчивость работы солнечных фотоэлектрических систем.
В большинстве современных солнечных систем постоянный ток, производимый солнечными панелями, преобразуется в переменный ток (AC) с целью совместимости с существующими системами электроснабжения зданий. Однако многие бытовые и промышленные устройства работают от постоянного тока (DC), поэтому они вновь преобразуют переменный ток обратно в постоянный с помощью встроенных адаптеров. Это двойное преобразование сопровождается потерями энергии — до 30%, — которых можно избежать при организации распределения электроэнергии в здании по схеме постоянного тока.
Электроэнергия может передаваться и распределяться как в виде переменного, так и постоянного тока. Переменный ток характеризуется периодическим изменением направления и амплитуды, тогда как постоянный ток сохраняет стабильное направление и напряжение. Конец XIX века ознаменовался техническим и идеологическим противостоянием между сторонниками переменного и постоянного тока — так называемой «войной токов». Победу одержал переменный ток, главным образом благодаря возможности эффективной передачи энергии на большие расстояния.
Электрическая мощность (в ваттах) определяется как произведение силы тока (в амперах) и напряжения (в вольтах). При передаче электроэнергии потери на сопротивление проводов пропорциональны квадрату тока, что делает высокое напряжение ключевым фактором энергоэффективности при транспортировке. Изобретение трансформатора переменного тока в конце 1800-х годов позволило легко увеличивать напряжение для дальней передачи и понижать его в точке потребления.
В отличие от этого, технологии преобразования постоянного тока в высокое напряжение стали практически применимыми лишь с 1960-х годов. До этого передача постоянного тока на расстояния свыше 1–2 километров была технически нецелесообразной.
Распределение постоянного тока в то время требовало строительства множества локальных электростанций в черте города. Это было неэффективно, так как КПД паровых машин, приводящих в движение динамо, зависел от их размеров — более крупные агрегаты демонстрировали лучшую экономичность. Кроме того, паровые установки создавали шум и загрязняли воздух, а невозможность передавать ток на большие расстояния ограничивала использование экологически чистых источников энергии, таких как гидроэлектростанции.
Спустя более века переменный ток остаётся основой глобальной энергетической инфраструктуры. Хотя технологии высоковольтной передачи постоянного тока (HVDC) находят применение при междугородней транспортировке электроэнергии, внутридомовое распределение в жилых и коммерческих зданиях осуществляется исключительно на основе переменного тока — с номиналом 110 или 220 вольт.
Низковольтные постоянные системы продолжают использоваться в транспорте (автомобили, лодки, автодома), телекоммуникационных узлах, удалённых исследовательских станциях и аварийных убежищах. В таких случаях стандартом являются батареи на 12, 24 или 48 вольт.
Возрождение интереса к постоянному току
В последние годы интерес к системам постоянного тока усилился благодаря сочетанию двух факторов. Во-первых, появились доступные и эффективные решения для децентрализованной генерации электроэнергии, прежде всего — солнечные фотоэлектрические панели. Эти установки не зависят от масштабов производства и не наносят вреда окружающей среде. Поскольку панели могут быть установлены непосредственно на месте потребления энергии, отпадает необходимость в дальнем её транспортировании. Более того, солнечные панели, как и аккумуляторы, изначально вырабатывают постоянный ток.
Солнечные панели производят постоянный ток, а всё большее количество бытовых и электронных устройств также используют внутренние DC-системы.
Во-вторых, растёт число электроприборов, работающих от постоянного тока. Сюда входят компьютеры, смартфоны, телевизоры, светодиодное освещение, аудиотехника, микроволновые печи, а также устройства с регулируемыми двигателями: вентиляторы, насосы, компрессоры и электротяговые системы. Согласно прогнозам, в ближайшие 20 лет доля нагрузки постоянного тока в домохозяйствах может достичь 50%.
В зданиях с солнечными панелями, подключёнными к системе переменного тока, энергия проходит два преобразования: сначала DC преобразуется в AC с помощью инвертора, затем адаптеры устройств вновь возвращают ток в форму DC. Эти двойные преобразования сопровождаются потерями, которых можно избежать, если здание изначально оборудовано системой распределения постоянного тока. Такой подход делает использование солнечной энергии более энергоэффективным.
Более эффективное использование солнечной энергии при снижении затрат
Поскольку эксплуатационные затраты на использование солнечной фотоэлектрической системы минимальны, повышение её энергоэффективности позволяет снизить капитальные затраты. Это связано с тем, что для выработки заданного объема электроэнергии требуется меньшее количество солнечных панелей. Дополнительно отпадает необходимость в установке инвертора — дорогостоящего компонента, подлежащего замене хотя бы один раз в течение срока службы всей системы. Сокращение капитальных затрат также означает уменьшение воплощенной энергии: для производства меньшего количества панелей и отсутствия инвертора требуется меньше энергии, что положительно сказывается на устойчивости технологии.
Снижение количества солнечных панелей при заданной выработке электроэнергии
Аналогичные преимущества существуют и для электрических приборов. В зданиях с распределением постоянного тока внутренние устройства на постоянном токе могут обходиться без компонентов, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный. Это упрощает конструкцию приборов, снижает их стоимость, повышает надежность и уменьшает энергозатраты на производство. Компоненты, осуществляющие преобразование переменного тока в постоянный, часто являются критическим узлом с точки зрения срока службы и занимают значительную часть пространства внутри устройства.
Например, около 40% площади печатной платы светодиодной лампы занимает электроника, необходимая для преобразования переменного тока в постоянный. Кроме того, адаптеры переменного/постоянного тока обладают рядом недостатков. Они зачастую разрабатываются индивидуально под конкретное устройство, что приводит к неэффективному использованию ресурсов, финансов и места. Более того, такие адаптеры продолжают потреблять энергию даже в режиме ожидания или когда устройство отключено.
Распределение постоянного тока упрощает конструкцию приборов и снижает энергозатраты при производстве
Еще одним значительным преимуществом низковольтных сетей постоянного тока (до 24 В) является повышенная безопасность с точки зрения электрических ударов. Это позволяет упростить монтаж проводки, исключить необходимость в заземлении, металлических распределительных коробках и защите от прямого контакта. Такой подход снижает затраты на установку и делает возможным самостоятельный монтаж солнечной фотоэлектрической системы. В дальнейшем будет рассмотрено практическое руководство по созданию подобных систем и адаптации приборов с переменным током к работе на постоянном токе.
Оценка экономии энергии при использовании постоянного тока
Следует отметить, что преимущества энергоэффективности систем на постоянном токе не являются универсальными. Суммарная экономия энергии зависит от нескольких ключевых факторов: удельных потерь на преобразование в адаптерах переменного/постоянного тока, времени работы устройств, наличия систем накопления энергии, длины распределительных кабелей и общего энергопотребления электроприборов. Исключение инвертора дает предсказуемую экономию энергии для одного устройства с фиксированной эффективностью порядка 90% (которая может снижаться до 50% при низкой нагрузке). Однако ситуация с адаптерами переменного/постоянного тока более сложная. Количество адаптеров часто равно числу устройств, и их КПД существенно варьируется — от менее 50% для маломощных приборов до более 90% для мощных устройств.
В результате суммарные потери энергии из-за преобразования переменного тока в постоянный зависят от конкретного набора и режима эксплуатации приборов в здании. Как и инверторы, адаптеры теряют относительно больше энергии в режимах низкой нагрузки, таких как ожидание или пониженное энергопотребление. Наибольшие потери наблюдаются у DVD/VCR (до 31%), домашней аудиотехники (21%), персональных компьютеров и сопутствующего оборудования (20%), портативной электроники с возможностью подзарядки (20%), систем освещения (18%) и телевизоров (15%). В то же время более обыденные бытовые приборы, такие как потолочные вентиляторы, кофеварки, посудомоечные машины, тостеры, обогреватели, микроволновые печи и холодильники, характеризуются потерями энергии в пределах 10–13%. Поскольку освещение и компьютерная техника, обладающие высокими потерями, составляют значительную часть энергопотребления в офисах и институциональных зданиях, системы на постоянном токе способны обеспечить более заметную экономию именно в этих условиях. В жилых зданиях разнообразие приборов и их особенности эксплуатации приводят к меньшему эффекту экономии.
Наибольшие преимущества от перехода на системы постоянного тока демонстрируют центры обработки данных, где компьютеры являются основной нагрузкой. Некоторые из них уже внедряют распределение постоянного тока, даже если питание не осуществляется от солнечных источников. Использование централизованных выпрямителей вместо множества индивидуальных адаптеров способно обеспечить сокращение энергопотребления на 5–30%.
Важность хранения энергии
При предположении, что потери энергии в инверторе составляют около 10%, а средние потери всех адаптеров переменного и постоянного тока достигают примерно 15%, можно ожидать потенциальную экономию энергии порядка 25% при переходе на распределение постоянного тока в зданиях, оснащённых солнечными батареями. Однако такая значительная экономия не всегда достигается. В первую очередь, большинство солнечных объектов подключены к электросети и не оснащены локальными системами хранения энергии. В результате излишки вырабатываемой энергии передаются в сеть, а дефицит восполняется оттуда же.
В зданиях с сетевым счётчиком солнечной энергии преимущества сети постоянного тока получают только те нагрузки, которые совпадают по времени с выработкой фотоэлектрической системы.
Это обусловлено необходимостью преобразования избыточной энергии из постоянного тока в переменный для передачи в сеть, а также преобразования энергии из сети из переменного тока обратно в постоянный ток, чтобы обеспечить совместимость с системой распределения здания. Таким образом, выгода от постоянного тока ограничивается только теми нагрузками, которые совпадают с периодом активной генерации солнечных панелей.
Следует отметить, что преимущества систем постоянного тока более выражены в коммерческих зданиях, где основная нагрузка совпадает с периодами генерации постоянного тока от солнечных панелей. В жилых домах пик потребления приходится на утренние и вечерние часы, когда солнечная генерация минимальна или отсутствует. В таких условиях выгода от использования систем постоянного тока с чистым счётчиком оказывается ограниченной, так как значительная часть электроэнергии всё равно проходит преобразование между постоянным и переменным током. Согласно последним исследованиям, переход на систему постоянного тока повышает энергоэффективность жилого дома с солнечными панелями и чистым счётом в среднем на 5% по выборке из 14 домов по территории США.
Внесетевые солнечные системы
Для полной реализации потенциала систем постоянного тока, особенно в жилом секторе, необходимо внедрение локального хранения солнечной энергии в аккумуляторах. Это позволяет накапливать и использовать энергию в виде постоянного тока без дополнительных преобразований. Системы с локальным аккумуляторным хранением могут быть как автономными (внесетевыми), полностью независимыми от сети, так и гибридными — с некоторым количеством батарей, интегрированных в здания с сетевым счётчиком. Однако стоит учитывать, что использование аккумуляторов сопряжено с дополнительными энергетическими потерями при процессах зарядки и разрядки. Круговая эффективность свинцово-кислотных батарей находится в диапазоне 70–80%, тогда как литий-ионные аккумуляторы демонстрируют эффективность около 90%.
К сожалению, накопление энергии в аккумуляторах добавляет новые потери, связанные с зарядкой и разрядкой, что уменьшает экономическую выгоду систем постоянного тока.
Реальный уровень экономии энергии при локальном хранении зависит от временных характеристик нагрузки. Электроэнергия, используемая в дневное время при полной зарядке аккумуляторов, не требует затрат на зарядно-разрядные циклы, и в этом случае экономия может достигать 25% (10% за счёт исключения инвертора и 15% за счёт исключения адаптеров). Однако потребление после захода солнца снижает общую эффективность: для литий-ионных аккумуляторов она может составлять около 15%, а для свинцово-кислотных — варьироваться от отрицательных значений до 5%. Поскольку в реальных условиях энергопотребление распределяется как до, так и после захода солнца, итоговая эффективность колеблется в пределах от -5% до 25% для свинцово-кислотных и от 15% до 25% для литий-ионных аккумуляторов.
Вместе с тем, аккумуляторное хранение позволяет снизить потери, связанные с передачей и распределением электроэнергии переменного тока на значительные расстояния. Эти потери существенно различаются в зависимости от региона: от 4% в Германии и Нидерландах до 6% в США и Китае, и достигают 15–20% в Турции и Индии. При учёте дополнительно примерно 7% экономии за счёт минимизации потерь передачи, автономные системы постоянного тока могут обеспечить общую экономию энергии в диапазоне от 2% до 32% для свинцово-кислотных аккумуляторов и от 22% до 32% для литий-ионных, в зависимости от профиля нагрузки.
В автономных системах постоянного тока потребление электроэнергии может быть покрыто солнечной установкой меньшего размера — на одну пятую или третью часть меньше, в зависимости от типа аккумуляторов.
При условии равномерного распределения потребления энергии между днём и ночью (по 50%), автономная система с использованием свинцово-кислотных аккумуляторов демонстрирует экономию порядка 17%, а с литий-ионными — около 27%. Это позволяет сократить необходимую мощность солнечной системы, снижая капитальные затраты, поскольку инверторы в таких системах либо значительно упрощаются, либо исключаются вовсе. Однако при этом инвестиции в аккумуляторы увеличивают начальные расходы, нивелируя часть выгоды от меньших затрат на компоненты постоянного тока. Аналогично, с точки зрения энергетических затрат на производство, автономные системы постоянного тока требуют меньше энергии на производство солнечных панелей, но включают энергозатраты на производство аккумуляторов.
Важно оценивать эти системы в комплексе: автономные солнечные установки постоянного тока по энергоэффективности и стоимости оказываются выгоднее автономных систем переменного тока, что имеет решающее значение при выборе технологии. При этом анализ жизненного цикла солнечных систем с чистым счётом не отражает полную картину, так как не учитывает существенный компонент локального хранения энергии.
Потери в кабеле
Важным аспектом при проектировании электрических систем является учет потерь мощности, обусловленных сопротивлением кабеля. Эти потери пропорциональны квадрату тока, проходящего по проводнику. Поэтому в низковольтных системах постоянного тока, особенно внутри зданий, потери в кабеле оказываются относительно значительными. Существует два ключевых фактора, которые могут сделать применение постоянного тока менее эффективным: использование мощных нагрузок и большие длины кабельных линий.
Потери энергии в кабелях рассчитываются как произведение сопротивления провода (в омах) на квадрат тока (в амперах). Сопротивление определяется такими параметрами, как длина кабеля, его сечение и материал проводника. Рассмотрим пример: медный провод с поперечным сечением 10 мм², передающий мощность 100 Вт при напряжении 12 В (что соответствует току около 8,33 А) на расстояние 10 метров, демонстрирует потери около 3%, что считается приемлемым уровнем. Однако при увеличении длины кабеля до 50 метров потери возрастут до 16%, а при 100 метрах — до 32%. Такие значения потерь способны нивелировать преимущества использования постоянного тока, даже в наиболее благоприятных условиях.
Высокие потери в кабеле ограничивают применение мощных электроприборов
Существенные потери энергии в кабельных линиях накладывают ограничения на использование приборов с большой потребляемой мощностью. К примеру, если попытаться подключить микроволновую печь мощностью 1000 Вт к низковольтной (12 В) сети постоянного тока, потери энергии при длине кабеля всего в 1 метр составят около 16%, а при длине 3 метра возрастут до 47%. Это однозначно свидетельствует о непригодности таких низковольтных систем для питания высокомощных устройств, таких как стиральные и посудомоечные машины, пылесосы, электроплиты и водонагреватели. Важно отметить, что именно мощность нагрузки определяет масштаб потерь, а не общий объем потребляемой энергии. Так, например, холодильник, работающий круглосуточно, может потреблять больше энергии, чем микроволновка, однако его потребляемая мощность ниже, что позволяет успешно эксплуатировать холодильники в системах постоянного тока. Кроме того, потери в кабелях также ограничивают суммарное потребление энергии всеми маломощными приборами. Если длина кабеля в 12 В системе составляет порядка 12 метров, а максимальные потери в кабеле не должны превышать 10%, суммарное потребление электроэнергии всех подключенных устройств ограничится примерно 150 Вт (потери при этом — около 8,5%). В такой конфигурации возможно одновременное питание нескольких ноутбуков, холодильника постоянного тока и нескольких светодиодных ламп, при этом остаётся небольшой запас мощности для других маломощных приборов.
Методы снижения потерь в кабелях
Для минимизации потерь в кабельных линиях низковольтных систем постоянного тока существует несколько решений. В новых зданиях рациональное планирование внутренней компоновки может существенно сократить длину распределительных кабелей. Так, например, исследователи из Нидерландов смогли уменьшить общую длину кабеля внутри дома с 40 до 12 метров. Для этого кухню и гостиную разместили на первом этаже, непосредственно под кровлей с установленными солнечными панелями, а спальни — на втором этаже. Кроме того, большая часть электроприборов была сгруппирована в центральной части здания, что дополнительно снизило протяжённость кабельных линий.
Альтернативный метод уменьшения потерь — установка нескольких независимых солнечных энергетических систем для отдельных помещений или групп комнат. Такой подход особенно эффективен для больших зданий, изначально не спроектированных для работы на постоянном токе. Хотя эта стратегия требует использования дополнительных контроллеров зарядки, она значительно сокращает длину кабелей, снижая потери энергии и позволяя увеличить общую мощность подключенных приборов.
Использование независимых солнечных систем в отдельных комнатах позволяет снизить потери в кабелях и повысить общий уровень энергопотребления.
Третий способ снижения потерь — повышение рабочего напряжения системы: переход с 12 В на 24 или 48 В. Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, удвоение напряжения сокращает ток вдвое и, соответственно, уменьшает потери в четыре раза; при 48 В потери снижаются в шестнадцать раз. Повышение напряжения расширяет возможности для подключения более мощных устройств и увеличивает суммарную мощность системы. Однако у этого подхода есть свои недостатки. Во-первых, большинство современных низковольтных приборов рассчитаны на 12 В, поэтому переход на 24 или 48 В требует применения дополнительных DC/DC-преобразователей, что приводит к дополнительным потерям при преобразовании. Во-вторых, при напряжениях выше 24 В снижается уровень электрической безопасности, поскольку такие системы требуют мер защиты, сопоставимых с мерами безопасности переменного тока напряжением 110–220 В. Например, в центрах обработки данных и некоторых жилых зданиях США постоянный ток распределяется при напряжении 380 В, что предъявляет жесткие требования к изоляции и технике безопасности.
Медленное электричество
Сокращение длины кабеля или повышение напряжения до 24 В пока не позволяет эффективно применять энергоемкие бытовые приборы, такие как микроволновые печи или стиральные машины. Существуют два основных подхода к решению этой проблемы. Первый — внедрение гибридной системы с совмещённым использованием переменного и постоянного тока. В рамках такой системы сеть постоянного тока применяется для питания маломощных устройств — светодиодных ламп (около 10 Вт), ноутбуков (приблизительно 20 Вт), телевизоров (в диапазоне 30–90 Вт) и холодильников (около 50 Вт). В то же время для более энергоёмких приборов задействуется отдельная сеть переменного тока. Подобный подход поддерживает консорциум производителей продуктов на постоянном токе EMerge Alliance, разработавший стандарт гибридных систем с 24 В постоянного и 110–220 В переменного тока.
Маломощные устройства в среднем составляют от 35 до 50 % общего энергопотребления в жилых помещениях. В случае максимальной доли маломощных нагрузок (около 50 %) гибридная система способна снизить суммарное энергопотребление только на 8,5–13,5 %, в зависимости от используемого типа аккумуляторов. При этом необходимо учитывать дополнительные потери энергии из-за сопротивления в кабелях. Следовательно, эффективность гибридных систем переменного и постоянного тока ограничена и может быть нивелирована эффектом отскока — увеличением потребления вследствие кажущейся экономии.
Второй подход к решению проблемы питания мощных приборов заключается в отказе от их использования. Такая стратегия реализована в системах энергоснабжения парусных яхт, автодомов и караванов, где установка и поддержка сетей переменного тока невозможна или крайне затруднена. Этот способ позволяет не только избежать ограничений постоянного тока, но и снизить общий уровень энергопотребления, что в перспективе обеспечивает значительную экономию энергии — превышающую ранее упомянутые 17–27 %. Таким образом, отказ от энергоёмких приборов и переход к маломощным устройствам может стать эффективным решением для повышения устойчивости и энергоэффективности.
Один из способов решения проблемы мощных устройств — просто не использовать их. Такой подход применяется в парусных лодках, автодомах и караванах.
Данная стратегия предполагает существенные изменения в образе жизни и повседневных привычках. Электроэнергия используется преимущественно для освещения, работы электронной техники и охлаждения. Все остальные бытовые функции выполняются с применением неэлектрических или минимально электрических альтернатив. Аналогично тому, как функционировали первые постояннотоковые системы в конце XIX века, когда основным потребителем электричества было освещение — сначала дуговые лампы, затем лампы накаливания. В таком режиме отсутствуют современные электрические приборы: посудомоечные и стиральные машины заменяются ручным мытьём и стиркой; сушилки — естественной сушкой на бельевой верёвке; современные кухонные приборы, такие как микроволновки и электрочайники, — традиционными плитами, работающими на биогазе, солнечной энергии или ракетной печи; пылесосы — заменяются метлами и выбивалками для ковров.