Копилка для киловатт: экскурсия на производство накопителей электроэнергии
Накопитель электроэнергии — полезная штука для дома, которая позволяет обезопасить себя от блэкаутов и необходима для работы с солнечными панелями.
Компания VOLTS разрабатывает и производит накопители электроэнергии на литий-ионных аккумуляторах с 2017 года. Она использует счетчики WB-MAP3E в качестве измерителя параметров качества электрической энергии, отсюда и партнерские связи с Wiren Board. Недавно компания переехала на новую производственную площадку в Санкт-Петербурге в историческом месте — на территории пивзавода имени Степана Разина. В статье мы расскажем о накопителях, рассмотрим их начинку и проведем экскурсию по производству. А также приведем ответы технических специалистов VOLTS на наши каверзные вопросы.
Зачем нужен домашний накопитель электроэнергии?
Сразу скажем: даже если у вас дома стабильное электропитание, то подобный накопитель вам тоже может быть полезен. Чтобы было понятнее, мы приведем наиболее часто используемые сценарии.
1. Источник бесперебойного питания
Вполне типичный сценарий: пропадает электричество или его качество становится недопустимым. В этом случае «прозрачно» для пользователя включается накопитель и все системы дома/квартиры продолжают работать как ни в чем не бывало. Время автономной работы зависит от емкости накопителя (количества модулей АКБ внутри) и мощности потребителей в доме.
2. Удаленная точка без электричества с генератором или солнечными панелями
Тоже довольно частый сценарий. Если в какой-то локации электричества нет совсем, то его можно выработать с помощью солнечных панелей или генератора. Можно, конечно, использовать генератор и без накопителя, но:
придется мириться с круглосуточным шумом;
КПД генератора при низком потреблении будет низким, а это бо́льшая часть суток;
генератор, способный работать круглосуточно, стоит сильно дороже доступных бытовых генераторов.
С накопителем этих проблем нет. Причем автоматика VOLTS может управлять запуском генератора, что обеспечивает непрерывность подачи электроэнергии.
Кстати, здесь можно поднять тему модных глэмпингов, для которых подобные накопители отлично подходят.
3. Покупаем энергию по дешевому тарифу
Если на объекте есть существенная разница в тарифах в определенные часы, то во время действия дорогого тарифа имеет смысл подключать питание от накопителя, а заряжать его — во время действия дешевого тарифа. Это эффективно и для частных потребителей, но в случае организаций может быть критично. За сверхнормативное потребление юридические лица жестко штрафуют.
В подобных ситуациях эффективность (и окупаемость) накопителя будет тем выше (быстрее), чем более емкий накопитель вы используете. Если не хватит емкости на весь период действия дорогого тарифа — придется переключаться обратно на сеть и «платить больше».
4. Подключаем более мощные потребители, чем позволяет сеть.
Мы в быту потребляем электроэнергию очень неравномерно. Электрические сети легко обеспечивают наше суточное потребление, а вот пиковое могут и не обеспечить. Особенно в деревнях, где и сети длинные и старые, и трансформатор перегружен. Накопитель в этом случае будет отличным демпфером: подключили мощную нагрузку — получили недостающую энергию от аккумуляторов, отключили — заряжаем аккумуляторы от сети небольшим током и равномерно. И сетям хорошо, и нам комфортно.
А вот и фирменная подсветка стеклянной крышки
5. Зарабатываем, отдавая энергию в сеть?
Действительно с 2021 года у российских потребителей есть возможность продавать электроэнергию (см статью). Для этого нужно написать заявление в электроснабжающую организацию, после чего необходимо заменить счетчик на модель, учитывающую отдачу энергии в сеть. Если у вас есть солнечные панели или своя мини- ветро- гидроэлектростанция, которая генерирует излишек электроэнергии, ее можно продавать поставщику электроэнергии. Но вот зарабатывать на разнице тарифов не получится: цена вашей электроэнергии будет посчитана по самому дешевому оптовому тарифу.
FAQ по накопителям
Готовясь к поездке, мы попросили инженеров Wiren Board сформулировать интересующие их вопросы по теме накопления электрической энергии. А непосредственно перед экскурсией специалисты VOLTS Battery на эти вопросы ответили. Вот этот блиц-опрос.
Срок службы АКБ? Они работают в плохом режиме эксплуатации (вечный заряд с очень редким разрядом).
Прогнозируемый срок службы аккумуляторов — 10 лет. Такой срок обеспечивается применением литий-ионных аккумуляторов, которые не обладают эффектом памяти, и состояние полной заряженности для которых не столь критично, как для свинцово-кислотных. Дополнительно в накопителе используется система управления батареей (BMS), которая обеспечивает оптимальный режим работы аккумуляторов как при зарядке, так и при разряде.
Время переключения — почувствуют ли бытовые приборы провал напряжения (сброс часов, перезагрузка компов и т.д.)?
Время переключения не превышает 20 мс. Подавляющее большинство бытовых электропотребителей этого не почувствует.
Как с пусковыми токами? В частном доме самый мощный потребитель в аварийном режиме — скважинный насос, который процентов на 60 определяет мощность накопителя, если мы его используем для питания только минимально необходимого (экономим).
Мощность одного инвертора — 5 кВт. Инвертор допускает перегрузку до 8 кВт в течение 5 с. Этого с запасом хватит на запуск любого бытового электропотребителя.
Насколько опасны АКБ в плане пожарной опасности? Есть требования к помещению для АКБ?
Наверное, самый важный вопрос. Аккумуляторы становятся опасными при их физическом повреждении и при чрезмерном заряде. Для исключения механического повреждения мы и сам накопитель, и каждый аккумуляторный блок помещаем в прочный металлический корпус. Ячейки мы соединяем ультразвуковой сваркой, что исключает риск их повреждения. А при перевозке используем прочные деревянные ящики. От чрезмерного заряда спасает надежная система BMS. Также на каждой ячейке есть клапан — в случае повышения внутреннего давления цепь через нее разрывается. Ну и при выборе производителя ячеек и плат BMS на качестве не экономим.
К помещению специальных требований нет: те же требования, как для жилых помещений — разумная температура и влажность.
Как понять, что АКБ пора менять?
Базовая характеристика — сколько блок АКБ отдает энергии. Это видно в мобильном приложении. Ну и можно опираться на прогнозный срок службы в 10 лет.
Что делает продукция Wiren Board в накопителях?
Для оценки качества электроэнергии, получаемой от сети, используется измеритель параметров электроэнергии WB-MAP3E. Нам он пришелся по вкусу — в одном компактном недорогом устройстве есть все необходимое. То, что производитель российский — тоже большой плюс.
Видно ли при работе от АКБ, на сколько времени их хватит при текущем уровне нагрузки?
Видно в мобильном приложении.
Возможна ли совместная работа с генератором (сигнал на запуск генератора, на остановку)?
Возможна. Все необходимые сигналы автоматика накопителя выдает.
О чем и как система уведомляет владельца?
Предусмотрены push-уведомления владельца об отключении/подключении сети, о разряде АКБ. Для сервисной организации предусмотрены уведомления о всех ошибках.
Может ли автоматика накопителя отключать неприоритетную нагрузку?
Штатно такой функции не предусмотрено. Но ее легко реализовать на том же оборудовании WIren Board.
Как это все согласовывается с энергоснабжающей организацией? Как обеспечить защиту от обратного перетока в сеть при автоматическом включении накопителя в работу?
Если вы не собираетесь продавать электроэнергию, ничего специально согласовывать не нужно. Конструкция накопителя исключает возможность перетока электроэнергии от накопителя в сеть.
Из чего состоит домашний накопитель электроэнергии?
Что же это за чудо — накопитель энергии? Мы назвали его чудом не просто так — выглядит он сказочно. Видно, что поработали промдизайнеры — накопитель отлично впишется в интерьер, если нужно.
Внешний вид накопителя. Оцените дизайн
Хоть это и законченное изделие, состоит он из модулей: обязательных и опциональных.
Модули накопителя: преобразователь (справа вверху); плата управления (справа внизу); четыре модуля АКБ (найдете четвертый?)
Преобразователь
Первый (обязательный) компонент накопителя Volts — преобразователь. Он содержит инвертор с функцией зарядного устройства, МРРТ контроллер для солнечных батарей и панель управления.
Преобразователь с панелью управления (на фото старая панель управления, использовалась до июня 2023)
Что касается мощности инвертора, то он способен выдать в нагрузку 5 кВт (планируется увеличение до 6 кВт), кратковременно 8 кВт (в течение 5 с). Если надо больше, то можно установить несколько (до трех) накопителей, они будут работать как единая система.
Модули АКБ
К преобразователю можно подключить от одного (обязательно) до шести (опционально) модулей АКБ емкостью по 2 кВт·ч (48 В, 41,6 А·ч).
Устройство блока АКБ
То есть максимальная емкость одного накопителя — 12 кВт·ч. Причем, модули АКБ можно докупать и устанавливать самостоятельно. При использовании нескольких накопителей максимальная емкость, соответственно, составит 36 кВт·ч. Можно и еще больше, но это уже кастомизированные решения, и их надо обсуждать вместе со специалистами «Вольтс Групп». Со слов представителей компании, это обычная практика, и около половины продаж — именно такие кастомизированные решения.
Блок АКБ набирается из литий-ионных аккумуляторов (208 шт.) емкостью 2,6 А·ч каждый.
Аккумуляторы
Проводники к аккумуляторам привариваются ультразвуковой сваркой. Каждый элемент приваривается двумя тонкими проводниками намеренно: в случае короткого замыкания проводники сгорают, элемент исключается из цепи. Алюминиевые токоведущие шины подключаются к медным проводникам через алюмомедную шайбу.
Обратите внимание на тонкие проволочки, которыми приваривается каждая ячейка
Следит за «здоровьем» аккумуляторов контроллер BMS (Battery Management System).
Контроллер BMS, хорошо видна и алюмомедная шайба
Контроллер BMS работает автономно, по «зашитому» алгоритму, связи с платой управления у него нет. Но в будущем планируется перейти на другую плату BMS собственной разработки уже с возможностью управления.
Модуль АКБ упакован в прочный корпус, на чем его сборка и заканчивается.
Готовый и закрытый модуль АКБ
Плата управления
Управляет всем этим хозяйством плата управления VOLTS, которая установлена в собственный корпус.
Плата управления VOLTS
Плата VOLTS в корпусе
Плата собственной разработки выполнена на микроконтроллере STM32F405RGT6.
По интерфейсу RS-232 она общается с преобразователем. Интерфейс RS-485 служит для связи со счетчиками WB-MAP3E, от которых приходят данные о качестве и параметрах электрической энергии на вводе. Счетчики расположены в блоке АВР, который мы покажем ниже.
Алгоритм управления питанием
Для совместной работы нескольких накопителей их платы общаются между собой по шине CAN. Также VOLTS обеспечивает интерфейс с пользователем как на локальной панели управления, так и на удаленных мобильных устройствах. Плата связывается с облаком через GPRS (есть слот для SIM-карты) или Wi-Fi, после чего мобильное приложение пользователя видит облачные данные.
Корпус накопителя
Все перечисленное устанавливается в корпус — получается накопитель. Можно выбрать светлую или темную расцветку накопителя.
Темная
Светлая
Из-за большого веса накопитель и модули АКБ транспортируются раздельно, что удобно при погрузке/разгрузке/монтаже. Накопитель Volts устанавливается на пол или на стену, затем уже в него инсталлируются блоки АКБ.
Блок АВР
В отдельном корпусе устанавливаются блоки АВР (автоматического ввода резерва), по одному на каждый электрический ввод.
Блок АВР на стенде вне корпуса
В них есть контакторы для автоматического переключения источников и байпасный рубильник, который позволяет питать объект от сети непосредственно, минуя накопитель — это нужно для проведения его обслуживания. На фото можно увидеть счетчик WB-MAP3E, который измеряет ток, напряжение, мощность и прочие параметры, характеризующие качество электрической энергии. Все параметры передаются на сервер, часть из них отображается в приложении. Если качество электроэнергии в сети станет недопустимым, то объект перейдет на питание от аккумуляторов.
Самая распространенная среди покупателей конфигурация накопителя — с однофазным инвертором при трехфазном вводе сети. То есть при проблемах в сети важные однофазные потребители, которые надо обеспечить бесперебойным питанием, переключаются на электропитание от накопителя. Остальные потребители при этом остаются без питания.
Приложение
Ну и вишенкой на торте является бесплатное мобильное приложение VOLTS — energy storage.
Есть версия приложения для iOS и Android.
В приложении есть push-уведомления четырех видов: включение или отключение сети, разряд аккумуляторов до 30%, полный заряд аккумуляторов. Есть и технические оповещения, но обычным пользователям они не видны — только сервисным инженерам.
Графики выработанной, потребленной и купленной электроэнергии. Можно увидеть и график уровня заряда накопителя: слева — за сегодня, справа — за все время
Слева: состояние аккумулятора, прогноз выработки энергии и сэкономленная электроэнергия. Справа: настройки приложения
Слева: сэкономленную энергию можно посчитать в сохраненных деревьях. Справа: можно задать стоимость энергии, чтобы приложение прогнозировало примерный счет за электричество
Слева: задано расписание заряда аккумулятора от сети (когда дешевый тариф). Справа: расписание автономного питания жилья (когда дорогой тариф)
Слева: структура накопителя энергии. Справа: прогноз погоды и выработки от солнечных панелей
Экскурсия на производство
Производство накопителей разделено по постам, где выполняются различные операции.
Начнем со склада компонентов: на него поступают мелкие детали на стеллажах. Крупные компоненты хранятся в другом месте.
Склад компонентов
Следующий пост — нарезки проводов и опрессовки. На фотографии показан толстый пучок проводов — это жгуты постоянного тока для подключения аккумулятора.
Пост нарезки проводов и опрессовки
Жгуты постоянного тока для подключения аккумуляторов
Переходим к посту полуфабрикатов. Здесь собираются монтажные панели, в корпус устанавливается плата управления, ставятся клеммы и крепятся провода.
Пост полуфабрикатов
Монтажная панель
Пост подготовки аккумуляторов и BMS — здесь к блоку ячеек добавляется плата BMS с пассивной балансировкой. Ячейки закупаются только класса А, но они все равно проходят входной контроль — проверяется, что здесь нет разбалансировки (разница до 20 мВ на начало эксплуатации).
Готовые блоки ячеек на посту подготовки аккумуляторов и BMS
Нас заинтересовал стенд для испытаний аккумуляторов. Здесь проверялись два массива ячеек с активной и пассивной балансировкой. Напомним, что пассивная балансировка (выравнивание напряжения) выполняется резисторами, при этом энергия заряженных ячеек утилизируется в тепло, пока не будут заряжены все ячейки батареи. В активных BMS энергия перераспределяется между неравномерно заряженными ячейками как во время заряда, так и во время разряда. Это позволяет не только повысить КПД циклов заряд/разряд, но также увеличить отдаваемую емкость и сократить тепловыделение. Однако стоят такие системы дороже.
Щит стенда для испытаний аккумуляторов. Обратите внимание на обилие счетчиков WB-MAP — требуется снимать много различных параметров
Плата VOLTS стенда прикреплена к фанере — вне корпуса с инвертором
В качестве нагрузки использовался тепловентилятор мощностью 2 кВт. Специалисты компании на основе проведения многомесячных наблюдений за циклами разрядки/зарядки собирают статистику о том, как будет изменяться емкость. В сутки система успевает провести около трех циклов. Причем буквально на каждую ячейку есть информация изменения емкости по циклам.
Пост упаковки понятен по названию, обратите внимание на брендированные деревянные ящики.
Деревянные ящики красиво брендированы
Еще один пост выделен под приклеивание фирменного стекла к металлической двери основного аккумуляторного блока. Стекло прижимается металлу на несколько часов и приклеивается. Также есть и подсветка.
Ящики с готовыми аккумуляторными модулями и АВР
Здесь творится магия приклеивания стекла к металлу
А вот и результат: стеклянная панель приклеена к металлу, включена подсветка
Заключение
Приятно, что накопители электроэнергии становятся все востребованнее. Сегодня на рынке появляются решения, которые можно поставить в обычный дом, после чего забыть о блэкаутах. Кроме того, можно добавить солнечные панели и приобщиться к зеленой энергии, чтобы уменьшить счет за электроэнергию от сети.
Мы надеемся, что наша небольшая экскурсия по производственной площадке VOLTS была интересной. А что вы думаете насчет подобного накопителя в своей квартире или доме? Смогли бы вы найти ему применение? Может быть, у вас есть свои интересные сценарии? Пишите в комментариях.
