Немного теории

ИАС vs ДГУ

Николай МИХЕЕВ

 

Дизель-генераторная установка стала своего рода классическим резервным источником при построении СГЭ для автономного и аварийного электроснабжения различных объектов. Альтернативой ДГУ для питания (в том числе и бесперебойного) электро-оборудования сравнительно небольшой мощности (до 10 кВт) таких объектов, например, как частный дом, коттедж, вполне может стать инверторно-аккумуляторная система (ИАС). Если говорить о загородных домах, владельцам которых, прежде всего, она адресована, то речь идет обычно о нескольких кВт мощности и суточном расходе электроэнергии десяток-другой кВт/час. Очевидно, основными потребителями будут: освещение, телевизор, холодильник, водяной насос, котел отопления, электропривод въездных ворот. От использования таких устройств, как стиральная машина, кондиционер можно и отказаться на время отсутствия напряжения в сети.


Альтернатива дизель-генератору

Для построения инверторно-аккумуляторных систем применяют так называемые гибридные инверторы (можно встретить также обозначения подобных устройств: «инвертор с зарядным устройством» и «блок бесперебойного питания»), предназначенные для работы в системах резервного электропитания с использованием возобновляемых источников энергии. Такие решения экономически оправданы там, где сеть централизованного электроснабжения территориально удалена, ненадежна или ее прокладка обходится дорого (загородные дома, коттеджные поселки, сельская местность и др.).

В отличие от обычных инверторов, которые предназначены для преобразования постоянного напряжения в переменное, гибридные, по сути, являются off-line ИБП с большим временем автономности. Они могут работать с АКБ значительной емкости, так как оборудованы мощными зарядными устройствами и способны, соответственно, обеспечить длительное время питания нагрузки (до 1-2 суток, особенно, если речь идет о загородном доме, где можно отказаться от некоторых электроприемников на время пропадания централизованного электроснабжения и, тем самым, снизить потребление).

При наличии внешней электросети инвертор подает напряжение из нее на нагрузку, а встроенное зарядное устройство подзаряжает батареи, которые работают в буферном режиме. Когда сеть на штатном вводе пропадает, инвертор в течение 10-20 мс переключается на работу от аккумуляторов и преобразует постоянное напряжение АКБ в переменное, обеспечивая бесперебойное электроснабжение потребителей.

Конечно, такую систему можно построить, используя и источник бесперебойного питания (ведь каждый ИБП имеет инвертор), если он оборудован достаточно мощным зарядным устройством для подзарядки АКБ большой емкости. Но это не всегда так.

Вот мнение на этот счет Григория Питателева, директора компании «Пульсар-Лимитед»: «Как правило, «обычные» ИБП не имеют достаточно мощных штатных зарядных устройств, чтобы конкурировать с гибридными инверторами. Это характерно для небольших (несколько кВА) мощностей. У таких ИБП возможность наращивания времени автономности ограничена максимум 1-2 часами — с помощью дополнительных плат ЗУ или батарейных шкафов-контейнеров (cabinet) со встроенными вспомогательными зарядными устройствами. ИБП большей мощности обычно строятся как системы с двойным преобразованием энергии, а это уже иные сферы применения и возможности, другая стоимость. При этом мне только однажды удалось найти (была потребность) подобный ИБП мощностью 10 кВт с возможностью обеспечить автономность максимум 5-6 час».

Наконец, ИАС можно построить и на базе обычного инвертора, оснастив его внешним зарядным устройством требуемой мощности. Однако практика показывает, что система, собранная из отдельных узлов, оказывается дороже или имеет меньше возможностей по сравнению с устройством «все в одном», выпущенным заводом-изготовителем.

В таблице приведены основные характеристики некоторых гибридных инверторов.

Из таблицы видно, что инверторы при сравнимой мощности способны обеспечить различное время автономности, поскольку их зарядные устройства эффективно работают с АКБ разной емкости (учитывая, что ток заряда составляет 10% от емкости батареи).

 

 

ИАС по сравнению с ДГУ обладает рядом бесспорных преимуществ, среди которых следует выделить прежде всего следующие: экологичность (отсутствие вредных выбросов в окружающую среду), практически бесшумность, небольшие габариты, автономность (не требуется пополнять топливо при работе), меньшие по сравнению с ДГУ эксплуатационные расходы и отсутствие затрат на техническое обслуживание.


Сравнительный анализ решений

Рассмотрим некоторые положения подробнее, сравнивая два типа источников резервного питания — ИАС и ДГУ. Если перегрузочная способность дизель-генераторов в длительном режиме работы обычно не превышает 10% от номинальной мощности, то у инверторных систем — это все 200%, то есть если ИАС рассчитана на 4-5 кВт, то она способна кратковременно отдать в нагрузку 8-10 кВт. Между тем некоторое оборудование (например, водяные насосы, компрессоры) в момент запуска потребляют токи в 5-7 раз больше номинальных. И если инверторная система небольшой мощности справится с пуском такого устройства, то ДГУ такой же мощности, скорее всего, просто не запустится. Поэтому нельзя выбирать дизель-генератор в расчете на его номинальную мощность. И сравнивать нужно ИАС с ДГУ, у которого номинальная мощность в 1,5-2 раза выше.

Далее. КПД дизель-генератора обычно не превышает 25-30%. Эффективность инверторной системы намного выше (никак не меньше 90%).

ДГУ имеет солидные габариты и вес (так, одна из моделей генератора на 10 кВт имеет размеры 500 X1400 X1400 мм и весит 500 кг), размеры же инвертора на 5 кВт ненамного превосходят микроволновую печь, а габариты аккумуляторов
— 500 X 200X200 мм.

Для установки дизель-электро-станции необходимо выделить свободное место, а зачастую и отдельное помещение, решить проблему его вентиляции и отвода выхлопных газов и др. Ввод ИАС в эксплуатацию занимает считанные часы. Инвертор можно смонтировать прямо в доме (например, на стене в районе распределительного щитка). Аккумуляторы установить где-нибудь рядом. В условиях отапливаемого помещения без больших колебаний температуры и влажности они будут работать долго и надежно.

 

 

Срок службы лучших, мощных ДГУ может достигать 20 тыс. моточасов (до серьезного капитального ремонта) при соблюдении правил эксплуатации, своевременном и качественном обслуживании. Ресурс более дешевых дизель-генераторов — от 1 тыс. до 4 тыс. моточасов (у бензиновых и газовых агрегатов он меньше, чем у дизельных). Срок службы инверторной системы определяется ресурсом аккумуляторов.

Между ДГУ и ИАС есть принципиальная разница. Если дизель- генератор включается только при пропадании сети на внешнем вводе объекта, то инверторная система включена постоянно — аккумуляторы работают в буферном режиме и подзаряжаются от ЗУ. Поэтому ресурс ИАС должен быть выше, чем у ДГУ.

Даже качественные, мощные дизель-генераторные электростанции в среднем каждые 250 часов наработки нуждаются в регулярном техническом обслуживания (замена масла, фильтров, охлаждающей жидкости, регулировки и т.д.), не говоря уже о маломощных бюджетных агрегатах. Инверторная система не нуждается в топливе, смазочных материалах, фильтрах, поэтому эксплуатационные расходы по ее содержанию если не равны нулю, то незначительны. В буферном режиме электроэнергия тратится только на подзаряд аккумуляторов, а это максимум 100 миллиампер на 100 А^ч емкости АКБ. Да, конечно, аккумуляторные батареи имеют ограниченной срок службы и подлежат замене. Комплект АКБ емкостью, например, 200 А^ч на напряжение 48 В (если выбран инвертор, работающий от такого напряжения) — это четыре батареи емкостью 200 А^ч стоимостью каждая порядка $500 (итого: около $2 тыс.). Казалось бы, приличная сумма. Но это на 10 лет эксплуатации аккумуляторов, то есть $200 в год или $0,7 в день — не так уж много за решение проблемы гарантированного бесперебойного питания.

Если ДГУ оснащено блоком автоматического ввода резерва (АВР), то все равно потребуется время на его включение (обычно не меньше 10 секунд), которое увеличивается в холодное время года. Это не обеспечивает бесперебойности электропитания. Кроме того, станция может вообще не запуститься в холод. Этим особенно страдают генераторы, оснащенные двигателем с воздушным охлаждением (в жару они, наоборот, будут быстро перегреваться и выключаться). ДГУ небольшой мощности, предназначенные для применения в быту, вообще непросто запустить в мороз. Инвертор же обычно устанавливают в доме, в техническом помещении, подвале, гараже, где температура зимой не опускается ниже 00 С и условия для эксплуатации аккумуляторов нормальные. Сам инвертор рассчитан для работы в широком диапазоне температур.

Опыт показывает, что при использовании АКБ емкостью 400 А^ч в инверторной системе мощностью порядка 3,5 кВт вполне хватает для достаточно комфортной жизни в течение по крайней мере суток с учетом потребления электрочайника (1,5-2 кВт), микроволновой печи (700 Вт), освещения (даже с использованием ламп накаливания мощностью 150-200 Вт), телевизора (200-300 Вт), холодильника.

ДГУ восприимчивы к работе недостаточно нагруженными и, тем более, без нагрузки. В этом случае они гораздо быстрее вырабатывают свой ресурс и могут выйти из строя. Такого недостатка лишены инверторные системы. Они одинаково эффективно работают и на малую нагрузку (время поддержки сети у них при этом, напротив, увеличивается). К тому же это сугубо электронные системы, которые не имеют движущихся, изнашиваемых механических деталей.

Генераторы малой мощности (до 10 кВА), особенно бензиновые и газовые, обычно не имеют стабилизации напряжения по частоте. Это приводит к гармоническим искажениям и ненормальной работе различного оборудования, которое даже может выйти из строя. Особенно чувствительны к качеству электроэнергии отопительные котлы, электродвигатели (например, водяной насос), люминесцентные лампы, а также автоматические выключатели и предохранители. Инверторы же отличаются высоким качеством работы: высокой стабильностью частоты, отсутствием гармонических искажений и скачков напряжения.

ДГУ шумны в работе. И не только выполненные в открытом исполнении. Даже лучшие образцы, снабженные звукоизолирующим кожухом, создают заметный звуковой фон (порядка 65 дБ). Кроме того, кожух — это дополнительные затраты и зачастую существенные. ИАС практически бесшумны.

Выхлопные газы дизель-генераторных электростанций содержат угарный и углекислый газы, окислы азота, соединения свинца и углеводородов. Отвод выхлопов является отдельной технической задачей и лишь частично решает проблему чистоты воздуха. Инверторные системы экологичны и не имеют каких-либо выбросов в окружающую среду.

Оценим стоимость того и другого оборудования. ДГУ, предназначенные для бытового применения, стоят $1-3 тыс. Инверторы — $1-5 тыс. Цена аккумулятора емкостью 200 А*ч со сроком службы 10 лет составляет $400-700. Таким образом, средняя стоимость инверторной системы с четырьмя аккумуляторами — порядка $5 тыс. и превышает стоимость дизель-генератора бытового применения.

Однако, учитывая стоимость рас-ходных материалов, приобретение ДГУ и ее эксплуатация обойдутся заведомо дороже, чем ИАС. Да, через 10 лет придется заменить комплект аккумуляторов, но на этот срок о существовании инверторной системы можно забыть, она самодостаточна.

Как правило, нецелесообразно использовать ИАС в качестве мощного источника электропитания. В этом случае с увеличением мощности емкость и, соответственно, стоимость АКБ будут расти буквально в геометрической прогрессии. Здесь ДГУ остаются вне конкуренции.

Очевидно, стоит подумать и тогда, когда питание отключают часто и на длительное время. В таком случае выбор может быть тоже в пользу дизель-генератора. Ну и, конечно, он будет незаменим для мобильных применений.

Инверторные системы нашли, например, широкое применение для питания отопительных котлов, что требует мощности порядка 100-300 Вт и АКБ емкостью 65-150 А^ч.

Автор благодарит компанию «Пульсар-Лимитед» за идею публикации и предоставленные материалы, а также компании «Бест Пауэр Украина», «Энерголайн РБК», «Пауэр Дженерейшн», «НТТ Энергия», «Цеппелин Украина», «Мадек», «Астон Инжиниринг», «Экстрим ЛТД», «Аквилон- Энергия», PowerExpert, «Акку-энерго», «Аллюр-макс», «Пульсар-Лимитед», Entel Service, Масtak, «Синапс», «Феникс Ред» за помощь, оказанную при подготовке статьи.

Николай МИХЕЕВ,

СиБ 

№ 4 (сентябрь) 2012