Солнечная электростанция на балконе. Личный опыт
Привет Хабр.
Эта статья является продолжением экспериментов с солнечными панелями в городской квартире, первые опыты делались три года назад, но затем из-за переезда все пришлось свернуть и распродать. Однако опыт, как известно, не пропьешь, и было решено с учетом полученной практики, начать сначала.
Фото © smartflower.com
Я покажу все компоненты системы и весь процесс, от настройки и сборки до передачи электроэнергии в электросеть. Также я покажу как запрограммировать «умную розетку» для сбора статистики сгенерированной электроэнергии.
Для тех, кому интересно как это работает, продолжение под катом.
Зачем это нужно?
Уверен, что вопрос «зачем» будет самым первым в комментариях, поэтому отвечу на него сразу. С экономической точки зрения, солнечная батарея на балконе — невыгодна, масштабы генерации увы, не те, в идеале, нужна крыша собственного дома. Но с технической и инженерной точки зрения это достаточно интересно в плане изучения новых и современных технологий. Плюс не стоит забывать, что современные квартиры потребляют все больше энергии, особенно с учетом растущей популярности различных «смарт»-устройств, подключенных постоянно роутеров, умных лампочек, умных розеток, умных котокормушек и прочего. Компенсировать эти затраты солнечной энергией в принципе, не так уж плохо и вполне экологично. Ну и наконец, посмотреть на электросчетчик и увидеть на экране «текущее потребление -100Вт» просто приятно.
Общая информация
Как известно, существуют два основных принципа работы домашних солнечных электростанций.
- Накапливание энергии в аккумуляторах.
- Отдача энергии в электросеть.
Первый способ подразумевает ситуацию, когда нужно действительно автономное электроснабжение, т.е. электричества либо нет совсем, либо оно подается нерегулярно. В таком случае энергия солнечных панелей сначала запасается в аккумуляторах, затем через инвертор создается «обычное» напряжение 220В. Плюс наличия аккумуляторов в том, что система может работать при отсутствии внешнего электричества. Увы, минусов тут гораздо больше, чем плюсов. Аккумуляторные батареи дорогие и их ресурс службы ограничен 2–3 годами для свинцовых аккумуляторов. Нужно думать, как переключать потребителей между «основной» и «солнечной» сетью. Аккумулятор может быть глубоко разряжен или перезаряжен, и то и другое для них плохо. Если аккумулятор полностью заряжен, то панели работают впустую, и энергия пропадает зря. Плюс нужно думать про балансировку ячеек аккумулятора, если их несколько, и так далее. Правда, в последние годы наметился некий прогресс, в частности, с Tesla Powerwall — там все работает «из коробки», используются литиевые батареи и гарантия 10 лет, однако при цене в 6500$, окупаемость такой штуки под вопросом.
Второй способ, и он же наиболее эффективный — это напрямую отдавать электроэнергию от солнечных панелей в электросеть. В этом случае панели подключаются к специальному grid-tie инвертору, который не только преобразует постоянный ток от панелей в 220В, но и синхронизирует фазу с электросетью. Отданная «в розетку» электроэнергия потребляется внутри квартиры/дома, избытки уходят в городскую сеть, таким образом мы не только добываем электроэнергию себе, но и помогаем соседям/городу немного разгрузить общие электросети. В случае современного законодательства и наличия электросчетчика, умеющего считать «импорт» и «экспорт», мы даже можем получить немного денег, но не во всех странах это пока работает.
В моем случае «автономка» была неактуальна, загромождать квартиру аккумуляторами резона не было, так что выбор был очевиден. Кстати, минус у grid-tie инвертора один — в случае пропадания напряжения электросети он отключается, таким образом, даже имея целую крышу солнечных панелей на 3–4КВт, можно оказаться без электричества если оно вдруг пропало. Но в моем случае отключения настолько редки, что ими можно пренебречь, на крайний случай, сейчас огромный выбор довольно эффективных DC-DC конвертеров, которыми можно запитать и ноутбук, и смартфон, и LED-лампы, так что при желании это вполне можно доделать.
Итак, общая идея того что делать, ясна, let’s get started.
Схема соединений будет крайне простой, берем солнечные панели, подключаем к инвертору, включаем его в розетку: 
Рассмотрим все компоненты системы последовательно.
1. Солнечные панели
Первый актуальный вопрос это выбор панелей. Доводилось читать мнения экспертов, что солнечные панели отличаются по КПД, и надо брать наиболее эффективные. С этим трудно поспорить, однако, как показал поиск, разница составляет 2–3%. Судя по статье Most Efficient Solar Panels 2020 топ-10 панелей по эффективности выглядит так:
Однако в наличии таких панелей просто не было, а там где были, разница в цене была бы гораздо больше чем заявленные 2–3% разницы в КПД. В общем, на этот пункт я просто забил и выбрал те, что были в наличии на местном Амазоне и имели лучшие отзывы.
Остается выбрать мощность. Тут все просто, чем больше панель, тем она в пересчете на ватт дешевле, оптимум получился в районе 160Вт:
В принципе, есть более крупные панели на 320 или 360Вт, но они довольно громоздкие и тяжелые, с более дорогой доставкой, и для балкона уже великоваты. В общем, 160 Вт оказалось оптимальным значением. Размер такой панели составляет 150×70 см, а вес 12.5 кг.
К солнечным панелям также был куплен крепеж с регулируемым углом наклона:
Практически, две 160Вт панели нормально помещаются на балконе, можно даже было бы поставить третью, но тогда балкон был бы занят полностью, и выходить туда уже было бы неудобно:
Здесь на фото панели еще не развернуты к Солнцу, да и угол наклона не совсем правильный, плюс провода желательны потолще, на этих теряется несколько ватт. Разумеется, в случае застекленного балкона конструкция была бы другой, в общем, тут большой простор для творчества.
2. Grid-tie инвертор
Выбор инверторов для таких микромощностей не так уж велик, из основных моделей можно отметить такой:
Это довольно простой китайский инвертор ценой 80–100Евро, есть модели под разное входное напряжение, 11–30В и 22–60В. Если есть возможность использовать более высокое напряжение и соединить две панели последовательно, то лучше второй вариант, но если солнечная панель одна, то остается первый.
У этого инвертора есть минус — он периодически шумит, т.к. внутри есть кулер. Включается он только днем при мощности более 100Вт, ночью солнца нет, но это все же стоит иметь в виду если инвертор стоит в жилой комнате.
Другой вариант, это так называемый «микро-инвертор», который закрепляется прямо на солнечной панели:
Способ достаточно эффективный и удобный. Решается проблема шума, плюс за счет более высокого напряжения меньше потерь в проводах. Но из соображений электробезопасности я не захотел выводить на балкон 220В, так что пришлось остановиться на первом варианте, когда с балкона идут только низковольтные провода.
Сбор данных
В принципе, наша система готова — достаточно подключить панели к инвертору, включить его в обычную розетку, и все будет работать. Однако хочется, как минимум, видеть сколько мощности отдается с панелей, а как максимум, иметь более продвинутое логирование получаемой энергии.
Для начала нам пригодится измеритель мощности, выводящий текущие показания на экран.
Он может выводить основные параметры (мощность, напряжение, ток, сумма киловатт-часов), однако никаких «сетевых» функций, как и возможности сохранения данных, он не имеет.
Сумма киловатт-часов полезна, если речь идет об утюге или холодильнике, однако для солнечных панелей актуально видеть выработку в течении дня. Поиск показал, что наилучший функционал обеспечивает смарт-розетка TP-Link Kasa HS110 ценой порядка 25Евро — она умеет не только показывать данные о мощности, но и под неё существует Python API, позволяющий получать текущие данные. Важно не перепутать с моделью HS100, измерения мощности в ней нет. Кстати, как бонус, софт от TP-Link имеет собственное «облако», и видеть значения генерации можно онлайн из любой точки мира:
К сожалению, ни на одной из «умных розеток» нет своего LCD-экрана (я давно знал, что все маркетинговые и дизайн-решения принимаются алиенами, которые в данном случае, считают что удобнее взять смартфон и сделать 10 тапов чтобы посмотреть мощность, чем просто взглянуть на LCD-экран). В итоге, получился такой «паровозик» — первая «не-умная» розетка показывает значения генерации на экране, вторая «умная», но зато без экрана, обеспечивает коннект по WiFi. Честь и хвала современным маркетологам (а может так и задумано, я ведь потратил в итоге деньги на 2 устройства вместо одного).
Однако, встроенного ведения логов в приложении TP-Link нет, пришлось дописать это самостоятельно, для этого использовалась библиотека https://github.com/python-kasa/python-kasa. Разумеется, это можно было бы автоматизировать с помощью OpenHAB или Home Assistant, но держать целый сервер на выделенном устройстве для того, что можно сделать из 20 строк кода, мне показалось избыточным.
Код записи лога весьма прост:
from kasa import Discover, SmartPlug, SmartDevice
import datetime, logging, time, asyncio
log_format = "solarlog-%Y-%m.csv"
def get_power_from_meter() -> float:
try:
logging.debug("Connecting the smart plug...")
devices = asyncio.run(Discover.discover())
for addr, dev in devices.items():
if dev.is_plug:
asyncio.run(dev.update())
if dev.has_emeter:
logging.debug("Smart Plug found: %s", addr)
emeter_status = asyncio.run(dev.get_emeter_realtime())
power = emeter_status['power']
return float(power)
logging.debug("Smart Plug was not found")
except Exception as e:
logging.error("get_power_from_meter exception: %s", e)
return -1.0
def write_log(power: float):
log_name = datetime.datetime.now().strftime(log_format)
with open(log_name, "a") as logfile:
logfile.write(f'{datetime.datetime.now().isoformat()},{power}\n')
if __name__ == "__main__":
logging.basicConfig(level=logging.DEBUG, format='[%(asctime)-15s] %(message)s')
logging.debug("App started")
# Read meter and save to the log
try:
while True:
power = get_power_from_meter()
logging.debug("Power reading: %f W", power)
write_log(power)
time.sleep(60.0)
except KeyboardInterrupt:
pass
logging.debug("App done")
При работе программы будут создаваться csv-файлы лога с шагом примерно в минуту и разбивкой по месяцам. Я запустил сбор лога на своем роутере с dd-wrt, для чего достаточно команды nohup python3 /opt/solar.py >/dev/null 2>&1 &. При желании можно добавить скрипт в автозагрузку, чтобы не вводить команду каждый раз при включении роутера. Была также идея добавить в программу свой веб-сервер для доступа к логу, но на практике стандартного WinSCP оказалось вполне достаточно, чтобы раз в несколько дней скачать новый лог.
Результаты
Довольно сложно подгадать с погодой, чтобы день был либо полностью ясным, либо совсем пасмурным. Когда такие данные будут, добавлю скриншоты в текст. Пока из самых свежих данных, выработка электроэнергии в день на момент написания текста выглядит так:
В моем случае балкон ориентирован на запад, утром панели в тени, и полноценная выработка начинается со второй половины дня. Хотя уже в 9 утра в электросеть отдается до 25Вт, что в целом неплохо. Как можно видеть из графика, пиковая мощность составила порядка 175Вт, также хорошо видны «провалы» на графике из-за набегающих иногда туч. Заканчивается генерация после 21 час — летом световой день длинный, зимой он будет, разумеется, короче.
За весь этот день было выработано 0.73КВт*ч электроэнергии:
Если бы туч не было совсем, наверно можно было бы рассчитывать на прирост 20–30%, т.е. суммарно получится ровно 1кВт*ч/день. Панели кстати, работают и в пасмурную погоду, но выработка при этом разумеется, меньше, и лишь при совсем темных грозовых тучах, может упасть до нуля.
Из негативного, можно отметить, что КПД получился не такой высокий, как хотелось бы. Увы, производители пишут на панелях максимальное значение мощности, полученное под прямым углом падения солнечных лучей и кристально чистом воздухе на Луне в Гималаях. В реале Солнце постоянно движется по небу, и оптимальный угол падения будет длиться не более 1–2 часов в день. Ничего страшного в этом разумеется нет, просто нужно учитывать, что к примеру, реальных 100Вт со 100-ваттной солнечной панели практически никогда вырабатываться не будет.
Экспорт энергии в электросеть
Наконец, мы подошли к вопросу экспорта энергии в электросеть. Тут все просто с технической точки зрения, но все сложно с экономической. Технически, мы просто добавляем в наше домохозяйство новый источник энергии. Которая будет расходоваться подключенными устройствами, а излишки через электросчетчик (это важно) уйдут в городскую сеть. Счетчик здесь важен потому, что именно от него будет зависеть, как будет подсчитываться экспортируемая энергия.
Здесь есть варианты:
- Старый дисковый счетчик при реверсе напряжения скорее всего не будет крутить диск (в нем есть специальный стопор), т.е. выработанное нами электричество будет отдаваться в сеть бесплатно, показания на счетчике изменяться не будут.
- Старый дисковый счетчик без стопора будет крутить диск в обратную сторону, т.е. показания счетчика будут уменьшаться, что разумеется, выгодно владельцу солнечных панелей. Но такие счетчики сейчас не выпускаются и стали музейной редкостью.
- Цифровой счетчик, не умеющий считать экспорт электроэнергии, будет считать её «по модулю» независимо от направления, т.е. за каждый отдаваемый городу киловатт владелец солнечных панелей будет платить как за потребленный.
- Современный цифровой счетчик, умеющий считать как экспорт, так и импорт электроэнергии, будет показывать отдельные значения по всем параметрам. Всего на таком счетчике 4 сменяющих друг друга варианта показаний: импорт дневной, импорт ночной, экспорт дневной, экспорт ночной.
Разумеется, дело не только лишь в счетчике, а в возможности всей инфраструктуры и бюрократической системы принимать и обрабатывать такие платежи. Скажу честно, как обстоят дела в России, я не знаю. В 2019 году был принят закон о возможности микрогенерации с мощностью до 15КВт (https://habr.com/ru/post/479836/), но работает ли это реально, и можно ли просто придти в магазин и купить новый счетчик с возможностью учета экспорта, сказать сложно. Тем более, не уверен, что в российских платежках за электроэнергию уже появился такой пункт как «генерация». Можно лишь сказать, что в Европе это вполне работает, счетчики во многих домах и квартирах уже заменены муниципалитетом на новые. Для примера, в Голландии для регистрации «солнечной электростанции» достаточно уведомить государство, заполнив форму на сайте:
Разумеется, для балконной станции мощностью 100–200Вт это не так критично, большинство электроэнергии скорее всего и так будет потребляться внутри квартиры холодильником и прочими устройствами. Так что даже если у кого-то нет современного электросчетчика, проще рассматривать это лишь как благотворительный вклад в экологию — даже если «подарить» городу несколько КВт*ч в месяц и заплатить за них, ну скажем, 50 рублей, вряд ли владелец от этого обеднеет. Проше считать, что эти деньги пойдут на развитие электросетей… Конечно, если панелей реально много, то целесообразно ставить специальный grid-tie инвертор с так называемым лимитером — датчиком тока, который ставится сразу после электросчетчика и ограничивает выработку инвертора, чтобы наружу ничего не отдавалось.
В моем случае, современный счетчик уже был бесплатно установлен муниципалитетом, так что в солнечный день на экране действительно можно видеть отрицательные значения потребляемой электроэнергии:
Кстати, вопрос о том, сколько можно «заработать» на генерируемом и продаваемом государству электричестве, экономически весьма непростой. В Германии например, вначале были введены специальные льготные тарифы для отдаваемой электроэнергии, что дополнительно мотивировало владельцев ставить солнечные панели. Но потом льготы стали отменять, и сейчас, это вроде бы уже не так выгодно. Аналогичный закон про «зеленый тариф» с реально высокими ценами за генерацию был принят в Украине, и это привело к значительному росту числа солнечных станций, но долго ли он продержится, неизвестно. Понятно, что в Украине хотят получить максимальную энергонезависимость от соседей, поэтому цены покупки электричества пока высоки. В России наоборот, генерируемое электричество будет покупаться дешевле чем потребляемое — энергоресурсов в РФ и так в избытке, и желания у правительства мотивировать людей на установку солнечных панелей нет. Но в любом случае, речь идет об излишках — то электричество, которое потребляется внутри дома, является прямой и чистой экономией, уменьшая платежи по обычному тарифу, а лишь излишки продаются государству. По идее, цель инсталляции солнечных панелей для домовладельца — уменьшить до нуля потребление электричества от внешней сети, а возможность продажи излишков городу это лишь приятный бонус, но не самоцель.
Кстати, если говорить об окупаемости в настоящее время, то судя по немецкому онлайн-калькулятору, окупаемость для панелей на крыше площадью 31 м2 составляет для Германии порядка 9 лет:
Заключение
Получение солнечной энергии это достаточно интересный хобби-проект, в плане приобщения к чему-то новому. Ведь как известно, лучший способ изучить новую технологию это попробовать её самостоятельно. Можно сколько угодно читать чужие статьи, но увидеть собственными глазами результаты работы, влияние угла наклона панелей, придумать защиту от ветра, сбор статистики, и так далее — оно гораздо более интересно и дает гораздо больше опыта и понимания разных тонкостей.
В целом, результатами работы я вполне доволен. Стоимость проекта составила около 500Евро, что в плане затрат на хобби не астрономическая сумма, которая вполне сопоставима со средним игровым смартфоном или фотоаппаратом. 2 панели обеспечивают выработку от 10 до 180Ватт в зависимости от погоды и времени суток, что неплохо компенсирует работу разных домашних устройств, при этом даже если текущего потребления нет, излишки не пропадают, а уходят в городскую электросеть.
Всем кто захочет повторить что-то подобное самостоятельно, желаю удачных экспериментов и побольше солнечных дней.
