Автономное электроснабжение дома: Автономные электростанции для загородного дома

Автономные электростанции для загородного дома

Актуальность автономного снабжения дома электроэнергией с различной степенью остроты ощущается многими владельцами загородного жилья. Одних не устраивает неустойчивость работы электросетей в своем населенном пункте – перебои в снабжении или нестабильное напряжение не дают возможности с полным комфортом пользоваться современными приборами. У других и вовсе нет возможности в ближайшей перспективе подключиться к ЛЭП. Третьих настораживают постоянно растущие тарифы, и они, мысля на перспективу, хотят снизить свою зависимость от энергоснабжения, чтобы очередные удорожания не сказывались чувствительно на семейном бюджете. Наконец, ширится круг домовладельцев, которые и вовсе мечтают обрести полную независимость в вопросах энергообеспечения своих владений.

Автономные электростанции для загородного дома

Следует сразу сказать, что реализация подобных задач – дело очень даже непростое, и, на первых порах особенно – довольно затратное. Так что если кто-то собирается заниматься подобным проектом с перспективой получить материальный выигрыш, то полной окупаемости придется радоваться весьма нескоро. Тем не менее, автономные электростанции для загородного дома становятся все популярнее, и прослеживается тенденция к их все более широкому распространению. Особенно в плане использования альтернативных источников энергии. 

В настоящей публикации попробуем рассмотреть основные моменты, связанные с установкой автономных источников электроэнергии. Так проще будет ориентироваться в этом вопросе при составлении наметок собственного проекта.

Достоинства и недостатки автономных систем электроснабжения дома

Чтобы, как говорится, очертить горизонты предоставляемых возможностей, но с другой стороны – несколько «приземлить» излишне радужные, «прожектёрские» настроения, имеет смысл для начала вкратце ознакомиться с общими достоинствами и недостатками автономных систем электроснабжения дома.   

Итак, в пользу автономных домашних электростанций говорит следующее:

• При условии проведения правильных профессиональных расчетов, грамотного составления проекта и его качественной реализации, хозяевам загородного дома больше не придется сталкиваться к «капризами» местных электросетей. Имеются в виду случаи внезапного исчезновения напряжения или сильных его скачков, грозящих вывести бытовые приборы или инструменты из строя. Хорошо отлаженная система работает как часы, домашняя техника – в безопасности.

Аварии на линиях электропередач, скачки напряжения и прочие неприятности – ото всего этого владелец автономной электростанции застрахован.

• Уходят проблемы с возможными лимитами мощности подключения к сетям и объемами потребления энергии. Соответственно – и с оплатой по установленным тарифам. Владелец волен насыщать свой быть любыми приборами в рамках эксплуатационных возможностей своей энергосистемы, то есть создавать любой уровень комфорта.
• Техника, используемая для выработки электроэнергии, как правило, обладает внушительным запасом надежности, и выходит из строя довольно редко. Естественно, при ее правильной эксплуатации и регулярном обслуживании.
• Если мыслить масштабно, и учитывать опыт применения домашних электростанций в странах Западной Европы, то можно не только полностью удовлетворять собственные потребности в электроэнергии, но и реализовывать ее излишки. Для того существуют специальные программы взаимодействия с компаниями энергетического комплекса. Естественно, такой подход ускорил бы окупаемость затрат и даже вывел  собственный «энергоблок» в прибыльное начинание.

Система «зеленого тарифа», когда хозяин электростанции начинает продавать излишки выработанной энергии государству, наверняка заинтересует многих.

Правда, чтобы выйти на подобный уровень требуется не только реализация тщательно продуманного проекта с весьма значительными стартовыми затратами, но и прохождение целого ряда бюрократических процедур и технических экспертиз. Тем не менее, подобное направление в «частной электроэнергетике» наверняка имеет немалый потенциал будущего развития.

Теперь более плотно коснемся недостатков автономной системы электроснабжения.

Устал, лень, очень холодно, потом – никакие отговорки не принимаются, никто за тебя работоспособность системы не восстановит.

• Уже не раз говорилось, но – повторимся, стартовые вложения как на разработку проекта, так и на приобретение необходимого комплекта оборудования, его монтаж и отладку, могут быть очень внушительными. Да и эксплуатационные расходы могут оказаться немалыми. И ожидать быстрой окупаемости было бы неправильно.
• Все риски, в том числе материальные, берет на себя потенциальный владелец электростанции. Это лишний раз говорит о том, с какой тщательностью должен продумываться и прорабатываться проект.
• На хозяев возлагается и полная ответственность за эксплуатацию оборудования, его своевременное техническое обслуживание, соответствующий уход, соблюдение всех требований безопасности. Если система выходит из строя, и дом остается без электроэнергии – жаловаться некому и незачем. Точнее, никто не мешает обратиться за технической поддержкой к специалистам – но это уже будет исключительно за свой счет.

• Проведение регулярных профилактических мероприятий (а без этого – никак) также потребует дополнительных затрат, так как для их выполнения требуется профессиональный подход. Ситуация может усугубляться тем, что дома с автономной электростанцией довольно часто расположены на значительном удалении от крупных центров. То есть придется брать на себя и транспортные затраты для вызова специалистов.

Так что тому, кто загорелся идеей перевести свои владения исключительно на автономное электроснабжение, следует десять раз все продумать, просчитать, взвесить все «pro & contra», прежде чем начать вкладывать средства в реализацию столь масштабного проекта. И не ждать при этом сиюминутной выгоды – окупаемость может растянуться на 10 и более лет. И это при том что само оборудование тоже имеет какой-то, пусть и немалый, но все же ограниченный ресурс эксплуатации.

Помимо перечисленных, различные по принципу работы типы генерирующего оборудования имеют еще и собственные достоинства и недостатки – о них будет рассказано в соответствующих подразделах публикации.

А какие источники энергии можно использовать для автономного электроснабжения?

Здесь совершенно очевидно разделение на две группы.

• К первой можно отнести электрические генераторы, имеющие силовой привод и использующие в качестве источника сторонней энергии один из видов топлива – жидкое (бензин или солярка) или природный газ.
• Ко второй группе отнесём генераторные установки, которые приводятся в действие совершенно бесплатными, природными источниками энергии. К этому определению подойдут ветровые генераторы, солнечные батареи и гидравлические системы.

А теперь познакомимся с этими источниками электроэнергии поближе.

Генераторы, использующие энергетический потенциал жидкого или газообразного топлива

Самый простой и быстрый в реализации способ обеспечить свой дом автономным источником энергии – прибрести генераторную установку, оснащенную приводом, использующим жидкое топливо или природный газ.

Несмотря на различия в типах используемых двигателей, принцип выдерживается общий. Двигатель внутреннего сгорания обеспечивает выработку кинетической энергии – крутящего момента с определённой скоростью вращения. Вращение передается на ротор генератора. Выработанная электроэнергия поступает на точки ее потребления.

Дизельный генератор – надежный источник электроэнергии, но требующий постоянного питания топливом.

Двигатель оснащен системой запуска (стартером), в зависимости от модели стартер может быть ручным или электрическим. Безусловно, для стационарной установки предпочтение отдается второму.

В чем достоинства таких источников электроэнергии:

• Они вырабатывает переменный электрический ток, так сказать, в «готовом к употреблению», то есть к подаче на нагрузку виде – 220 вольт. То есть не требуется никаких дополнительных устройств-преобразователей.
• Топливные генераторы являются отличным решением, если требуется резервный источник энергии на случай перебоев в линиях электропередач. При пропадании напряжении в сети автоматика даст команду на запуск стартера, и спустя непродолжительное время энергоснабжение в доме будет восстановлено. А когда напряжение в подающей линии появится (стабилизируется), произойдет обратное переключение, и двигатель будет заглушен.

Аппаратура ввода резерва может быть уже установлена на бензиновый или дизельный генератор «по умолчанию». Если нет, то можно приобрести ее отдельным блоком – у большинства электростанций имеется адаптированный для ее подключения разъем.

Аппаратура ввода резервного источника энергии часто уже является составной частью приобретаемой силовой установки. Если нет, то предусматривается возможность ее подключения, а сам блок управления приобретается отдельно.

• Генераторы, работающие на жидком топливе, могут стать и основным источником электроэнергии, если загородные владения посещаются хозяевами эпизодически и на не очень продолжительное время. Понятно, что в таких условиях, как правило, дом не перенасыщен бытовой техникой, и есть возможность приобрести довольно компактную установку, которую несложно привезти с собой. Просто чтобы не переживать за ее сохранность в оставляемом, например, на неделю до следующих выходных доме.
• Практически незаменимой становится такая электростанция в условиях ведения загородного строительства, если пока нет возможности подключиться к электросети.

Величайшее достоинство жидко топливных генераторов – это их мобильность, возможность работы в полевых условиях, например, при ведении строительства своего загородного дома.

• Если разобраться, то все другие автономные источники электроэнергии сильно зависимы от времени суток и года, от установившейся на улицы погоды. А вот топливные электростанции способны полноценно работать в любой момент, когда потребуется.

К недостаткам такого подхода в организации автономного электроснабжения дома можно отнести следующее:

• Требуется постоянный запас топлива, которое, кстати, весьма недешевое и, к сожалению, постоянно растёт в цене. А для хранения хотя бы минимального запаса на непредвиденные ситуации необходимо создание определённых условий. Связанных в том числе и с проблемами безопасности проживания в доме.
• Работа жидкотопливной электростанции всегда сопряжена с выхлопом отработанных газов. Такое «соседство» может оказаться и неприятным в плане комфорта, и даже весьма опасным, так как выхлопы весьма токсичны для человека. То есть при стационарной установке этот вопрос придётся продумывать заранее.
• Работа двигателя внутреннего сгорания априори не может быть бесшумной. Это тоже накладывает определенные требования к размещению электростанции. Так как генератор нежелательно оставлять на открытом воздухе, придется для него возводить отдельное помещение на некотором отдалении от жилых построек, с соблюдением требований по его вентиляции и звукоизоляции.

Один из вариантов решения проблемы по стационарной установке автономной дизельной электростанции – расположенный на некотором удалении от жилого дома модуль из сэндвич-панелей.

• Как и любая другая техника с двигателями внутреннего сгорания, генераторы не могут работать беспрерывно – это оговаривается в их характеристиках. Да, выпускаются модели, способные эксплуатироваться весьма длительное время, но все равно паузы для проведения профилактических мероприятий, технического обслуживания нужны.
• Стоимость топлива вряд ли дает возможность говорить о перспективах экономии – сетевое электричество все равно получается значительно дешевле.

Уже отмечалось, что такие электростанции могут быть бензиновыми и дизельными. Если предполагается приобретение генератора для стационарной установки, рассчитанного на продолжительную работу, то предпочтение, безусловно, отдается дизелю. Такие агрегаты, хотя и стоят дороже бензиновых, превосходят надёжностью, устойчивостью выдаваемых оборотов, способностью к длительным безостановочным циклам эксплуатации. Для нечастых и непродолжительных включений может быть достаточно и качественного четырехтактного бензинового генератора, как более простого в обслуживании и запуске, да и более дешевого и менее габаритного.

Цены на бензиновые электростанции Huter

бензиновый генератор Huter

Кстати, некоторые существенные недостатки бензиновых и дизельных электростанций в определенной степени снижены в газовых установках. Здесь и шумность поменьше, и выхлопы не столь «агрессивные», и стоимость «голубого топлива» несравнимо ниже.

Генераторная установка, работающая на природном газе.

Но и с ними тоже есть свои негативные нюансы. Так, установка подобной электростанции потребует согласования с организацией, поставляющей газ, составления проекта, а монтаж ее и пусконаладочные работы должны проводиться только специалистами газового хозяйства. Вторым фактором, существенно ограничивающим широкое распространение таких силовых установок, является их очень высокая стоимость, даже без учета предстоящих затрат на проектные и монтажные мероприятия.

Таким образом, рассматривать топливные генераторы в качестве основного источника электроснабжения при постоянном проживании в доме – вряд ли приходится. А вот в качестве надежного резервного, постоянного готового прийти «на выручку» — лучше ничего и не придумать.

Какой выходной мощности потребуется генератор?

Казалось бы – вопрос несложный. Надо всего лишь просуммировать потребляемые мощности приборов, подключаемых к домашней электросети и заложить определенный эксплуатационный запас.

Но при такой методике вполне можно очень сильно ошибиться как в одну, так и в другую сторону. И то, и другое – плохо. Электростанция с недостаточной мощностью будет глохнуть при высокой нагрузке. Работа с избытком невостребованной мощности негативно влияет на сам генератор. Кроме того, с ростом этого параметра весьма сильно увеличивается и стоимость оборудования.

В чем же особенности расчета?

• Прежде всего, нельзя забывать, что многие бытовые приборы и электроинструмент потребляют не только активную, но еще и так называемую реактивную мощность. И общий показатель получается выше – он определяется отношение номинальной мощности к коэффициенту, называемому cos φ. Этот коэффициент обычно тоже указывается в технических характеристиках изделия. И чем он меньше, тем выше итоговый показатель.

Показатели номинальной мощности и cos φ на шильдике асинхронного двигателя. И 180 Вт номинала превращаются в 265 Вт общей мощности с учетом реактивной составляющей.

• Многие бытовые приборы и инструмент характеризуются пиковыми показателями пускового тока, которые превосходят номинальные порой в несколько раз. Да, они непродолжительные, но вероятность того, что суммарное сиюминутное потребление превысит возможности неправильно просчитанного генератора – все же есть.

Если просто просуммировать показатели потребляемой мощности (тем более, с учетом реактивной и пусковой поправки) все х имеющихся в доме электроприборов, то наверняка получится очень большое значение. Но вероятность того, что вся нагрузка включается одновременно – крайне невелика. Кроме того, если генератор используется в качестве резервного источника питания (как оно обычно и бывает), на время его работы потребуется все же соблюдать определенную «энергетическую дисциплину».

Имеется в виду, что ряд приборов, безусловно, остаются включёнными практически всегда – это холодильник, система обеспечения работы газового котла, освещение в требуемых объёмах. Вряд ли хозяева захотят остаться без телевизора или (и) компьютера. Но вот с остальными приборами требуется осмотрительность. Скажем, если в данное время готовиться пища на электроплитке, то, по всей видимости, стоит подождать с запуском стиральной или посудомоечной машинки, с микроволновкой или обогревателем. И так далее – должны задействоваться те приборы, без которых на период работы резервного источника электроэнергии действительно нельзя обойтись.

Аналогичный подход должен распространяться и на электроинструмент, если генератор используется в период строительства, или же требуется срочное выполнение каких-то работ по хозяйству. Вряд ли имеет смысл, например, одновременно проводить сварочные работы и запускать какое-то обрабатывающее оборудование. Впрочем, решать хозяевам.

Безусловно, хозяева дома сам вольны выбирать режим потребления энергии, то есть составлять перечень приборов и инструментов, одновременную работу которых должен обеспечивать генератор. Но во всем должна быть осмотрительность и «трезвый» взгляд.

Ниже читателю предлагает онлайн-калькулятор, который поможет быстро и с достаточной степень точности просчитать требуемую мощность генератора. Пользователю предстоит лишь указать тип и количество ламп, используемых для освещения, а затем галочками отметить те приборы или инструменты, которые, по его мнению, должны одновременно обеспечиваться электроэнергией. В алгоритм расчеты внесены средние показатели мощностей приборов и инструментов уже с поправками на реактивную составляющую и на пусковые токи.

Калькулятор расчета необходимой мощности топливного генератора

Перейти к расчётам

Вот на этот показатель, учитывающий еще и эксплуатационный запас, следует ориентироваться при выборе модели топливного генератора.

Электростанция на солнечных батареях

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии автономной электроэнергетики является использование солнечных батарей. Специальные полупроводниковые фотоэлементы способны преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. У каждого из элементов не особо выдающие показатели вырабатываемой мощности, но они составляются в большие по площади панели, а определенное количество таких панелей уже способно обеспечивать энергией домашнее хозяйство.

Солнечные панели на крыше дома

Что можно сказать о достоинствах такой системы:

• Оборудование не нуждается в топливе – для получения электрическая используется исключительно энергия солнечных лучей.
• Отсутствие каких-либо сложных механических кинематических узлов делает такие электростанции очень надежными и долговечными. Срок их службы исчисляется десятилетиями.
• Солнечные электростанции не требуют сложных профилактических работ – достаточно содержать в чистоте рабочую поверхности панелей.
• Если генераторы, преобразующие кинетическую энергию (вращение) в электрическую, имеют какое-то конечное значение своей мощности, то солнечная электростанция при необходимости и достаточности места может наращиваться дополнительным количеством панелей. То есть система получается более гибкой и имеет широкий потенциал к дальнейшему развитию.
• Солнечная электростанция совершенно бесшумна, не имеет ограничений по месту установки. Точнее, для монтажа панелей может подойти любой незатенённый участок как на крыше дома и хозяйственных построек, так и на придомовой территории

Теперь несколько слов о недостатках:

• Совершенно очевидно, что работоспособность такой станции имеет выраженную цикличность – в темное время суток выработки энергии не происходит. Кроме того, прослеживается очень высокая зависимость от продолжительности светового дня и погодных условий. Для работы с полной эффективностью панелям требуется прямой солнечный свет. В пасмурную погоду выработка резко падает.
• Существенным недостатком является и высокая стоимость самих панелей. Даже без учета монтажных работ и приобретения всего необходимого для организации полноценной электростанции оборудования. Так, один ватт выработанной энергии потребует самих панелей на сумму, сопоставимую с 1,5 доллара. Несложно подсчитать, во что примерно обойдется приобретение фотоэлементов для, скажем, гелиосистемы с отдачей в 1 и более кВт – многих это отпугивает сразу.
• Солнечные панели вырабатывают электричество с небольшим показателем напряжения, и его требуется привести к стандартам потребления.

В силу последнего пункта, а также из-за нестабильности выдаваемой мощности, солнечная электростанция организуется по принципу аккумуляции и дальнейшего преобразования выработанной энергии.   Примерно эта схема выглядит так:

Примерная схема домашней солнечной электростанции

Выработка электроэнергии происходит в установленных в требуемом количестве солнечных панелях (поз. 1). Специальный прибор – контроллер системы (поз. 2), направляет выработанный потенциал на заряд аккумуляторных батарей (поз. 3). При включении нагрузки постоянный электрический ток напряжением 12 или 24 В поступает в инвертор (поз. 4), где преобразуется в переменный напряжением 220 В/50 Гц, и уже в таком виде передается на точки потребления (поз 5).

Схема, понятно, дана с большим упрощением. Так, на ней показан один аккумулятор, а на деле это обычно целая батарея из нескольких накопителей энергии, обладающая очень высокой ёмкостью.

Несколько аккумуляторов высокой ёмкости, собранные в одну батарею.

Нередко непосредственно от аккумуляторов (точнее, от контроллера) отводится низковольтная линия, минующая инвертор. К ней можно подключить систему освещения дома, укомплектованную, например, светодиодными лампами, требующими напряжения всего в 12 вольт.

Выходную мощность инвертора рассчитать можно по тому же принципу, что и мощность генератора, применив тот же калькулятор. Но это, как говорится, сиюминутная мощность, показывающая возможность одновременного подключения той или иной нагрузки. А вот расчет количества самих солнечных панелей и аккумулирующего блока все же стоит поручить специалистам. Здесь немало тонкостей, сложных для неискушённого в этих вопросах человека.

Система расчета основана на том, что скрупулезно просчитываются все точки потребления энергии (освещение, бытовые приборы и т.п.), с учетом их мощности и средней продолжительности работы за определенный период (допустим, сутки). После суммирования получается результат, выраженный в киловатт-часах (кВтч) – такое количество энергии необходимо обеспечить ежедневно для полноценной устойчивой работы всего электрического оборудования дома.

Исходя из этого показателя и напряжения аккумуляторов просчитывают их необходимую суммарную емкость, выраженную в ампер-часах (Аh). При этом учитывается и эксплуатационный запас, и определенный уровень, ниже которого разряжать АКБ не рекомендуется (скажем, 25÷30 % от полной зарядки). Соответственно, по суммарному показателю подбирается требуемое число аккумуляторов, из которых собирается общая батарея.

Наконец, рассчитывается число солнечных панелей определённой мощности, которое будет способно обеспечить систематическое восполнение заряда аккумуляторов. При этом принимается в расчет множество факторов – помимо характеристик самих панелей, учитываются географическая широта региона, продолжительность светового дня, климатические особенности, специфика места размещения панелей и другое. Конечным результатом должно стать оптимальное количество панелей.

Провести подобные вычисления самостоятельно – тоже, конечно, можно, но велика вероятность совершить ошибку, просто из-за некорректной оценки исходных данных. Впрочем, как уже говорилось, система отличается большой гибкостью, и при необходимости (или при появлении материальной возможности) ее можно наращивать.

Грамотно спланированная и качественно смонтированная система вполне способна стать основным источником электроэнергии для загородного дома. Но если она используется «в чистом виде», то всегда остается вероятность остаться без электричества в силу непредвиденных внешних обстоятельств – затянувшейся непогоды, когда при привычном потреблении приток энергии становится минимальным, что ведет к разрядке аккумуляторов.

Следует быть готовым, что первоначальные затраты будут весьма внушительными, и строить надежды на слишком быструю окупаемость вложенных средств – несколько наивно.

Видео: Пример домашней солнечной электростанции на 6 кВт

Ветровые электростанции

Колоссальную энергию перемещения воздушных масс (ветра) человек использует с древнейших времён. Достаточно вспомнить парусные корабли или, например, ветряные мельницы. Нашла она применение и ветроэнергетике, причем в некоторых странах эта отрасль поставлена буквально на промышленную основу.

Применяются ветровые установки и для обеспечения электроэнергией частных домов.

По сути, такая установка представляет собой обычный генератор, на оси ротора которого установлена крыльчатка с лопастями, приводимыми во вращение потоком воздуха. Как вариант – на ось ротора вращение передается посредством той или иной кинематической схемы (редуктора) – смысла это не меняет. А расположение оси крыльчатки может быть как горизонтальным, так и вертикальным.

Компоновка ветрового генератора может быть горизонтальной (на рисунке — слева) и вертикальной.

Что можно сказать о достоинствах ветровой электростанции?

• Источник энергии – совершенно бесплатный.
• Работа электростанции не сопровождается никакими выбросами в атмосферу.
• Существуют технологии самостоятельного изготовления энергетических установок, например, с использованием обычных электродвигателей или даже просто мощных неодимовых магнитов.

Недостатков больше, причем – они весьма существенные.

• Ветровая установка также очень зависима от установившейся погоды.
• Для того чтобы поймать хороший ветер иногда приходится поднимать ветряк на значительную высоту, что усложняет и без того непростой монтаж.
• Работа такой станции может сопровождаться весьма неприятными звуковыми эффектами.
• Не стоит ожидать от домашнего ветряка слишком высокой отдачи – позднее мы посмотрим на этот вопрос чуть пристальнее.
• Стоимость готовых ветровых станций – весьма высокая, и окупаемости, если рассчитывать только на энергию ветра, ожидать вообще не приходится.

Ветровую энергетическую установку в принципе следует рассматривать всерьез в качестве варианта только в том случае, если среднегодовой показатель ветра составляет не менее 4-5 м/с. В противном случае такая станция вообще не принесет никакой ощутимой пользы.

Карта примерного распределения показателей среднегодовой скорости ветра на территории России.

Этот показатель выводится по результатам многолетних метеорологических наблюдений, с учётом и максимальных значений, и полностью безветренных дней. Таким образом, он позволяет с достаточной степенью достоверности рассчитывать выработку «ветровой» электроэнергии на определенный период: неделю, месяц, год и т.п. На карте-схеме показаны лишь приблизительные значения, но узнать конкретное для своего населенного пункта несложно – достаточно обратиться в местную метеослужбу.

А вот в технических характеристиках ветровых генераторов обычно фигурирует другой показатель – расчетная скорость, которая обычно превосходит среднегодовую в 1,5 — 2 раза.  Ориентироваться на него при расчетах на перспективу – будет неверным. Он, скорее, показывает номинальную мощность генератора при оптимальной скорости вращения ротора.

Чтобы убедиться в том, что вряд ли стоит надеяться только лишь на «ветровую» электроэнергию, достаточно провести расчет возможной ее выработки.

Следует правильно понимать, что каким бы совершенным ни был сам ветряк или подключенный к нему генератор, объем энергии все равно определяется площадью, с которой она будет «сниматься». В случае с «классическим» горизонтальным ветряком эта площадь ограничена площадью круга, описываемого вращающимися лопастями. А ветровая энергия лежит в прямой зависимости от скорости перемещения потока и плотности воздуха. То есть никак «выше головы не прыгнешь».

Интересно, что при этом не имеет значения количество лопастей (выпускаются установки даже с одной лопастью). Наоборот, когда лопастей больше трех, появляются негативные аэродинамические моменты, снижающие общую производительность системы.

Цены на популярные бензиновые электростанции

 

Итак, существует формула, учитывающая упомянутые параметры, а также коэффициент использования ветровой энергии, коэффициенты полезного действия самого генератора (как правило, он не выше 0,85) и редуктора. КПД редуктора тоже бывает обычно не выше 0,9, но если вращение с крыльчатки на генератор передается напрямую, то можно принять его и за единицу.

Формулу приводить не станем – она заложена в алгоритм расчета предлагаемого вниманию онлайн-калькулятора:

Калькулятор прогнозируемой мощности, вырабатываемой ветровым генератором

Перейти к расчётам

Не составит трубе провести самостоятельный расчет, чтобы убедиться в весьма невысоких показателях выработки энергии. И это еще – для идеальных условий, когда практически полностью отсутствуют какие-то естественные или искусственные помехи ветру. И еще без неизбежных потерь в системе преобразования выработанной энергии.

Так как и ветровые, и солнечные источники энергии, для того чтобы стать полноценной электростанцией, требуют примерно одинаковой аппаратной оснащенности, их обычно объединяют в одну систему с общим управлением

Понятно, что ветровая электростанция, как сильно зависимая от внешних условия, должна оснащаться системой накопления и преобразования энергии. По этому критерию она мало чем отличается от солнечной. Поэтому очень часто их даже объединяют в общую систему, значительно повышая тем самым ее эксплуатационные возможности.

Ветровой источник электроэнергии – «за» и «против»

Установка ветрового генератора – довольно неоднозначное решение, требующее особого подхода к планированию и оценке работоспособности и рентабельности. Подробнее об этом, а также о возможности изготовления ветрогенератора своими руками – в специальной публикации нашего портала.

Наилучший выход – комплексное использование различных источников электроэнергии

Если владелец дома все же одержим желанием полной автономизации в вопросах электроснабжения, то оптимальным вариантом следует считать создание комплексной энергетической системы. Она будет включать в себя ветровой генератор (один или несколько), требуемое количество солнечных панелей, аккумуляторную станцию, всю необходимую аппаратуру коммутации и преобразования (контроллер, инвертор). И плюс к этому – резервный источник энергии в виде стационарно установленного дизельного или бензинового генератора.

При таком подходе полноценно используются все преимущества каждой из рассмотренных схем, сглаживаются имеющиеся недостатки. И в целом домашняя электростанция предстает полноценным «организмом», способным полностью удовлетворить энергетические потребности загородного дома.

Расширенная схема домашней электростанции с несколькими источниками энергии.

Нумерация позиций на этой схеме сохранена, по аналогии с рассмотренной в разделе солнечных электростанций. Но, как видно, есть и существенные отличия.

Итак, в качестве внешнего источника бесплатной энергии одновременно используются и солнечные панели, и ветровой генератор (поз. 1а). При идеальных условиях, то есть в ясный ветреный день они одновременно будут работать на заряд аккумуляторов. Ничего страшного – если уровень заряда достигнет верхнего предела, котроллер или выберет приоритет, отключив один из источников, или даже временно отключит оба.

Понятно, что в ночное время или при длительной пасмурной погоде работать будет только ветряк. Аналогично, при безветрии основным источником энергии становятся солнечные батареи.

Если же обстоятельства складываются таким образом, что ни один из источников не работает полноценно, а накопленного заряда становится недостаточно (аккумуляторы приближаются к нижнему допустимому пределу разрядки), автоматически запускается жидкотопливный или газовый генератор (поз. 6). Он, в зависимости от конкретных условий или произведенных настроек, будет работать или только на подзарядку аккумуляторного блока, или возьмет на себя одновременно и общее энергоснабжение дома.

В итоге хозяева (при наличии достаточного запаса топлива) получаются полностью застрахованными — электроэнергия у них будет при любых складывающихся обстоятельствах.  

Безусловно, создание такой универсальной «умной» системы требует профессионального подхода. При составлении проекта предстоит учесть множество исходных критериев, правильно подобрать оборудование, чтобы избежать возможных конфликтов между отдельными узлами и модулями. Реализация проекта потребует очень немалых затрат как в плане приобретения оборудования, так и для проведения монтажных и пусконаладочных работ.

Но зато на выходе будет система, которую при любом рассмотрении можно будет считать полноценной автономной домашней электростанцией.

Узнайте, как сделать солнечный воздушный коллектор своими руками, из нашей новой статьи на нашем портале.

*  *  *  *  *  *  *

В публикации были рассмотрены основные источники получения электроэнергии в условиях домашней автономной электростанции. Правда, «за скобками» остались еще несколько вариантов, которые на практике используются нечасто или даже просто существуют пока только в виде экспериментальных образцов.
Так, если крупно вывезло, и через участок протекает речка или ручей, вполне можно установить водяное колесо или турбину, связанные с генератором. Учитывая то, что скорость потока обычно сохраняется стабильной, такой источник электроэнергии будет работать независимо о капризов погоды. Правда, в зимнее время года в условиях нашего климата большинство подобных водоемов замерзает, что затрудняет работу станции или даже делает ее полностью невозможной.

Если территорию участка пересекает ручей или речка, то почему бы не воспользоваться потенциалом движущейся воды?

Другие способы – более экзотичные. Так, в интернете можно найти и чертежи, и обсуждения проектов станций, вырабатывающих ток из атмосферного электричества. Другим направлением является использование неиссякаемой геотермальной энергии. Но говорить о серьезности таких подходов на современном уровне развития технологий и доступности требуемого оборудования – пока не приходится. Тем не менее, надо полагать, что в будущем подобные источники для получения электроэнергии станут обыденным делом.

Система резервного автономного электроснабжения загородного дома

Электроснабжение в доме играет очень большую роль. От него напрямую зависит работа практически всех коммуникаций. Особенно это важно, если в доме имеется насосная система подачи воды или нет газового обеспечения. Всё основывается на электричестве, и большинство людей для загородных домов выбирают центральную подачу электричества, но некоторые делают ставки на автономное электроснабжение дома.

Вернуться к оглавлению

Содержание материала

Центральное электроснабжение

Для обеспечения электричеством загородного дома может служить несколько источников:

• центральная электрическая сеть;
• топливные электростанции;
• возобновляемые источники.

Центральное обеспечение электричеством довольно дорогое удовольствие и не всегда применяется в загородных домах.

Совет. Перед тем, как заключать договор с центральной станцией электрообеспечения, предварительно стоит оценить свои затраты электроэнергии. Возможно, выгоднее осуществлять автономное обеспечение электрической энергией.

Топливные электростанции

Топливные электростанции считаются автономным обеспечением электричества, так как работают на основе топлива. Они имеют один большой недостаток, который основывается на том, что топливные генераторы не могут обеспечивать круглосуточное бесперебойное обеспечение электричеством всего дома. Также генератор во время своей работы издаёт довольно неприятные звуки. Покупка такого источника электричества обойдётся в копеечку – станет постоянной необходимость приобретать топливо. Но если всё-таки есть возможность приобрести его, то лучше всего остановить свой выбор на более известных фирмах производителей.

Совет. Топливный генератор можно использовать в доме, предназначенном для временного проживания, и подача электричества производится выборочным путём.

Схема работы топливной электростанции для частного дома

Генераторы могут подавать электрический ток, независимо от погодных условий и состояния центральных электрических сетей. Такой метод обеспечения электричеством дачного домика считается экономически выгодным, так как на генератор работает не постоянно. Но есть такой тип генераторов, которые способны вырабатывать электроэнергию постоянно, они требуют значительных финансовых затрат.

Вернуться к оглавлению

Возобновляемые источники подачи электричества

Такими источниками вырабатывания электрического тока могут быть ветер или солнце. Природные источники энергии считаются экологически чистыми и с каждым годом набирают всё большую популярность. Практически каждый фермер стремится отказаться от центрального электроснабжения и обезопасить себя от ненужных расходов на оплату электричества, и сделать это можно с помощью солнечных батарей на крыше дома.

Возобновляемые источники электрической энергии не требуют топлива и лишних затрат, так как их стоимость зависит от ценовой политики такой системы электрообеспечения, экологически чистые источники энергии считаются экономически выгодными.

Солнечные батареи, расположенные на крыше дома

Выбор электрообеспечения

При постройке дома собственнику приходится решать большое количество вопросов, связанных с коммуникациями. Первым делом встаёт вопрос об обеспечении дома или дачи электричеством.

Очень часто с помощью электричества работает система водоснабжения и даже канализации. Именно по этой причине загородный дом требует постоянной подачи электричества. Чему именно отдать предпочтение решать может каждый самостоятельно. Но в большинстве случаев предпочтение отдают автономному электроснабжению.

Вернуться к оглавлению

Система автономного электроснабжения дома

Такие системы представляют собой совокупность источников преобразования электроэнергии, которые могут существовать отдельно от центрального электрообеспечения. Они в состояние обеспечивать электричеством не слишком большой объект. Для них как раз подойдёт маленький дачный домик.

Совет. Если площадь дачного или загородного дома довольно большая, то будет уместно использовать не один, а несколько таких систем для обеспечения электричеством дома.

Система автономного электрического тока включает в себя:

• непосредственный источник электрической энергии;
• систему преобразования энергии;
• автоматический пуск;
• аккумуляторные батареи;
• блок коммутации;
• стабилизатор напряжения;
• подвод внешней электрической энергии.

Схема подключения такого электроснабжения небольшого дачного дома

Как правило, на сегодняшний день отключение электрической энергии происходит только в аварийных ситуациях. К сожалению, на дачных участках бесперебойной подачи электричества нет, и очень часто энергия поступает до определённого времени. Решением такой проблемы стали системы автономного электрического обеспечения. Современные системы продуманы до мелочей. Они могут обеспечивать электричеством огромные здания и даже стадионы, и дают возможность бесперебойно работать любому жилому помещению.

Топливные генераторы

топливные генераторы имеют два вида обеспечения: бензин и дизель.

Для маленького дачного домика, который будет обеспечиваться электричеством непостоянно, будет рационально использовать электрический генератор, который работает на бензине. Его мощность относительно небольшая. Он имеет свои преимущества:

• низкий уровень шума при работе;
• доступная цена;
• компактность;
• практичность.

Как правило, такие модели генераторов оснащены автозапуском и электростартером. Они могут автоматически запускаться при отключении основного питания и помогают предотвратить некоторые нежелательные последствия, которые связаны с потерей электричества.

Если перебои в подаче электрической энергии очень частые, то в таком случае будет лучше использовать генератор, который работает на дизеле. Он поможет обеспечить электричеством жилой дом на довольно длительный промежуток времени. Зачастую он способен достигать и нескольких дней. Такой генератор остаётся выбором большинства людей.

Схема устройства топливного генератора

Дизельные генераторы стоят в разы дороже генераторов, которые работают на бензине. Но, не смотря на это, такой вид автономного электроснабжения считается экономичным. Всё это происходит по причине низкой стоимости самого топлива и экономичном расходе его при работе генератора.

Совет. Если площадь дома велика, то лучше всего использовать дизельные генераторы, которые вырабатывают электрическую энергию в несколько раз дольше и больше, чем бензиновые.

Не стоит забывать и о безопасности дизельных генераторов. Дизель в обычных условиях не имеет тенденцию к возгоранию и горению. Но здесь необходимо учесть качество самого топлива, которое должно соответствовать всем ГОСТам и европейским стандартам. Перед применением топлива нужно провести ряд работ. Надо очистить дизель при помощи специальных фильтров — влагоотделителей.

Выбор генератора

Осуществлять выбор такого автономного электрического обеспечения, нужно исходя из требуемой мощности. Для этого необходимо определится с приборами, которые будут использоваться в доме и определить их характеристики. Большое значение имеет применение в доме насосов, разнообразных моек, сварочных аппаратов и много другого. Расчёт необходимой мощности немного усложняется.

Совет. Если в доме будет использоваться большое количество электрических приборов, то лучше остановить свой выбор на мощном генераторе, который обеспечит бесперебойную работу всех приборов.

Для того чтобы обеспечить правильное обеспечение электрической энергией загородного дома, изначально стоит сделать правильную разводку электропроводов и рационально распределить напряжение в сети.

Дизель-генератор высокой мощности

Такие генераторы способны удовлетворять потребности довольно большого жилого дома. Иногда их используют для обеспечения электрической энергии целого посёлка или промышленного предприятия. Такой вид генератора считается очень серьёзным аппаратом, который в полной степени может заменить центральное электроснабжение. Самым главным в любом генераторе будет его двигатель, который может быть бензиновый или дизельный.

Пример дизель-генератора высокой мощности

Фазы генератора

При выборе генератора стоит обращать внимание не только на вид топлива, от которого он будет работать, но и на количество допустимых фаз. Генератор может быть однофазным и трёхфазным.

Трёхфазные модели рассчитаны на большие площади. Генераторы с одной фазой очень часто применяют для маленьких дачных домиков, где требуется обеспечить бесперебойную работу только бытового оборудования. Если же в дальнейшем будет нужда применять и другое оборудование, которое требует большой подачи электрической энергии, то можно и приобрести трёхфазный генератор. Есть возможность также выбрать вид топлива, на котором будет работать такой агрегат. Такую установку можно приобрести на шасси, что в значительной степени обеспечит лёгкость при транспортировке аппарата.

Совет. Помещение для генератора также должно соответствовать всем стандартам. В нём не может быть повышенной влажности, постоянно должен поддерживаться один и тот же температурный режим.

Шумоизоляция и охлаждение генератора

В любом генераторе уже имеется система собственного охлаждения. Она может быть двух видов: жидкостной и воздушной.

Воздушное охлаждение очень часто применяется только в генераторах с небольшой мощностью. Жидкостное охлаждение приемлемо для более мощных аппаратов, между такими видами охлаждения практически нет разницы.

Работа генератора создает много шума, для того чтобы в доме обеспечить комфортное пребывание, стоит изначально задуматься над системой звукоизоляции помещения, в котором будет работать генератор.

Чертёж устройства системы охлаждения генератора

На сегодняшний день очень большое количество производителей генераторов выпускают модели таких агрегатов с низким уровнем шума. Генератор имеет дополнительный шумоизоляционный кожух. Также сам двигатель стоит в линейке низкошумных аппаратов. Всё это не может обойти стороной и ценовую политику. Такой генератор будет стоить в несколько десятков раз дороже, чем стандартные модели.

Совет. Можно специально для генератора изготовить контейнер, в который он будет помещаться вместе с блоком автоматического управления.

Как правило, резервное электроснабжение дома осуществляется при помощи генераторов.

Газопоршневые электростанции

Такие системы электроснабжения работают на основе природного газа. Они привлекают покупателей своей стоимостью. Мощность мини-станции довольно небольшая. Система подключается непосредственно к газопроводу. Газопоршневые электростанции можно использовать только в том случае, если на дачном участке есть газовое обеспечение. В противном случае, применение таких аппаратов просто невозможно.

Газопоршневая электростанция

Солнечные батареи

На сегодняшний день способ обеспечения электрической энергией при помощи солнечных батарей очень популярен. Деньги на установку такой системы могут быть потрачены значительные, но в скором времени они окупятся и станут даже приносить прибыль.

Схема устройства электроснабжения дома с помощью солнечных батарей

Выработка электричества в таких системах зависит от количества поступающей солнечной энергии на специальный фотоэлектрический модуль. А солнечная энергия в каждом регионе может быть разной. Именно по этой причине стоит предварительно перед вложением в солнечные батареи оценить количество поступающей солнечной энергии в определённом месте и составить чертёж расположения панелей. Это можно сделать на основе исследований разнообразных метеостанций или гидрометеослужб.

При строительстве загородного дома всегда желательно предварительно продумать автономное электроснабжение дома. Оно может понадобиться в любой момент в случае аварийного отключения централизованного электропитания.

Автономное электроснабжение загородного дома: готовые решения

Тип	Мобильная, Автономная
Мощность, Вт	300
Пик. мощность, Вт	360
Eco-режим	Нет
Выход	12В DC, 220В AC
Тип контроллера	PWM
Кол-во СП	1*100
Суммарная мощность панелей, Вт	100
Генерация в сутки (МО-лето), кВт*ч	0.5
Тип панелей	Поликристалл
Суммарная емкость АКБ, Ач	55
Технология АКБ	GEL
Выходной сигнал	DC
Страна изготовления	Китай
Гарантия, мес	12

Автономное электроснабжение загородного дома

Мой дом — моя крепость. Большинство обладателей частного дома согласятся с этим пусть и старым, но по-прежнему актуальным выражением английского юриста Эдуарда Кока. А какая же крепость долго устоит перед нашими, порой весьма суровыми зимами без необходимого обеспечения?

Конечно, воду можно получить из скважины на собственном участке, дом обогреть автономной отопительной системой, а продукты закупить в ближайшем супермаркете. Но вода подается насосом, отопления не будет без котла, а еда хранится в холодильнике. И работают все эти полезные приборы лишь в том случае, если у вас есть электричество, отключить которое в наше время могут в любой момент. 

Основные причины поломки электроприборов

Да и стабильностью работы энергетики не балуют — случаи скачков напряжения, сопровождающиеся сгоревшими электроприборами и пожарами, случаются у нас пока с завидной регулярностью. А для того чтобы не зависеть от изношенных электросетей, несвоевременных отключений и случайных аварий, стоит задуматься о приобретении собственного источника бесперебойного электропитания.

Автономное электроснабжение дома

Перечень используемого для автономного электроснабжения дома оборудования весьма широк:

• аккумуляторы,
• стабилизаторы,
• инверторы,
• системы автозапуска,
• защитные блоки и устройства,
• генераторы,
• электростанции и др.

Все это многообразие делится, в свою очередь, еще и по техническим параметрам, производителям, ценам и степени надежности. И не каждый специалист сможет разобраться во всем этом, а рядовой обыватель вообще может потеряться между противоречивыми советами из Интернета, горой технических инструкций и маркетинговым натиском производителей, каждый из которых уверит вас в том, что их оборудование лучшее.

В итоге нередко возникает ситуация, когда затрачено немало времени и еще больше денег, а оборудование совершенно не оправдывает надежд. Поэтому главное — правильно подобрать конфигурацию источника бесперебойного питания для дома.

Дом с автономным электроснабжением

Как выбрать подходящее решение

Лучший вариант — обратиться не просто к электрику, а конкретно к профильному специалисту, имеющему соответствующую квалификацию и опыт для проведения правильных расчетов. Например, один из главных критериев выбора — определение необходимой мощности, при подсчете которой многие делают одну и ту же ошибку: простое суммирование мощности имеющихся в доме электроприборов.

Но такая арифметика верна лишь для активных электроприборов, преобразующих электроэнергию в тепло и свет. К ним относятся:

• электроплиты,
• утюги,
• лампы
• накаливания,
• обогреватели и пр.

А вот мощность, необходимую для реактивных потребителей, преобразовывающих электроэнергию в свет и электромагнитные поля, уже требуется специально высчитывать по формулам, определяя нужную цифру не в киловаттах, указанных в паспорте, а в вольт-амперах. К таким потребителям относятся

• телевизоры,
• дрели,
• кондиционеры и другие приборы.

И это лишь один из нескольких критериев выбора, в которых надо хорошо разбираться для правильной комплектации необходимого электрооборудования. Поэтому мы готовы предложить вам два варианта: изучить самостоятельно информацию по правильному подбору оборудования для электроснабжения или обратиться к нашим специалистам за квалифицированной консультацией. Если вам нужен быстрый и грамотный результат, то второй вариант для вас.

Зачем нужно дополнительное оборудование?

Наиболее распространенными системами автономного электроснабжения являются электростанции, оборудованные двигателями внутреннего сгорания. В качестве топлива они используют дизтопливо, бензин или газ, цена на которые довольно высока. Добавьте к этому низкую экологичность, высокий уровень шума, необходимость обеспечивать специальные условия для работы электростанций и дороговизну сервисного обслуживания, и картина автономного электроснабжения сразу теряет свою привлекательность.

А вот для устранения как этих, так и других недостатков электродвигателей используют специальные электронные системы аккумулирования энергии. Основная часть такой системы — инвертор повышенной мощности, обеспечивающий зарядку и быструю перезарядку внешних аккумуляторных батарей.

Оборудование для решения проблем бесперебойного электроснабжения

Один из наиболее важных параметров инвертора — тип генерируемого тока. Для большинства бытовых электроприборов достаточно переменного напряжения с упрощенной формой сигнала. А для медицинских, телекоммуникационных, лабораторных и других, чувствительных к форме сигнала электроприборов, необходим инвертер с синусоидальным выходным напряжением.

Помимо типа электрического сигнала, при определении необходимого типа инвертора обычно учитывают его мощность и емкость аккумуляторных батарей. Как правило, для оптимального энергообеспечения мощность энергопотребления не должна превышать мощность инвертора более, чем на 75 %. К выбору инвертора необходимо подходить особенно тщательно, ведь цена на них может отличаться в 15 раз!

Автономное и резервное электроснабжение дома

Если в местности, где расположен ваш дом или дачный участок с домом, часты внезапные отключения электроэнергии продолжительностью несколько часов, то для полноценного проживания (нормальной работы системы освещения, сигнализации, отопления и бытовой техники) вам необходимо установить систему резервного электроснабжения.

Если же в местности, где находится ваше жильё или дача вообще нет стационарного электроснабжения, вам придётся задуматься об установке системы автономного (независимого) электроснабжения. Разница между ними только в продолжительности работы, резервная система рассчитывается на некоторое конечное время работы (обычно на максимальное время отключения сети электроснабжения). Автономная же система предназначена для постоянной работы.

Необходимо отметить, что поскольку в природе действует закон сохранения энергии, то мы не сможем потратить энергии больше, чем произвели и накопили. В этом плане можно привести аналогию с деньгами как средством учёта труда. Мы не сможем потратить больше денег, чем их имеется в нашем распоряжении. Интересно заметить, что автономной системе энергоснабжения соответствует (по аналогии с деньгами) наша заработная плата, резервной системе – кредиты и займы (на какое-то время).

Отсюда следует важный вывод, что без расчётов, без проекта, хотя бы приблизительного, прикидочного, создать работоспособную систему резервного и автономного электроснабжения нельзя!

Что же нам понадобится для создания системы автономного или резервного электроснабжения?

Во-первых, генераторы электроэнергии – устройства, преобразующие в электрическую энергию другие виды энергии. На сегодня промышленно выпускаются блоки из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и генератора, который преобразует сначала с помощью ДВС энергию топлива в механическую энергию, а затем механическую энергию двигателя с помощью электрогенератора – в электрическую. Для получения механической энергии, преобразуемой генератором, могут использоваться ветряные двигатели (ветряки) или гидротурбины. Могут быть использованы и относительно новые источники электроэнергии – солнечные батареи, в которых энергия солнечного света непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

Все эти устройства имеют свои преимущества (у генераторов с приводом от ДВС – стабильная непрерывная работа; у ветровых, гидростанций и солнечных батарей – практически дармовая энергия) и недостатки (у генераторов с приводом от ДВС – высокая стоимость топлива и ограниченный моторесурс, у ветровых и солнечных батарей – зависимость от наличия ветра и солнечного света). Для установки минигидроэлектростанции необходимо наличие рядом с домом водного потока. Опять-таки при выборе генерирующего устройства необходимо обращение к специалистам и поиск с их помощью наиболее экономически выгодного варианта производства электроэнергии.

Во-вторых, устройства накопления и сохранения электроэнергии. Это, как правило, аккумуляторные батареи. Они позволяют превратить неравномерное и нестабильное поступление электроэнергии от генерирующих устройств в постоянное и стабильное. По аналогии можно рассмотреть систему пневмоснабжения промышленных предприятий – использование энергии сжатого воздуха для работы оборудования. Сжимающий воздух компрессор выдаёт на выходе пульсирующий поток сжатого воздуха, а для работы оборудования требуется стабильный и постоянный поток с давлением 6 атмосфер. Чтобы его получить, после компрессора ставится ресивер – ёмкость для накопления и хранения сжатого воздуха с клапаном регулирования давления. В результате на выходе ресивера мы имеем постоянный поток воздуха под давлением 6 атмосфер, причём давление сохраняется, даже если компрессор на время прекращает работу.

Вот таким «ресивером» в нашем случае и являются аккумуляторы. Основной показатель аккумуляторной батареи – это электрическая ёмкость, измеряемая в ампер-часах (А-ч). Что она означает? К примеру, батарея ёмкостью 200 А-ч теоретически способна выдавать ток в 200А в течение часа, или ток 20А в течение 10 часов. Практическая же отдача у батарей всегда меньше теоретической и зависит от многих факторов, например температуры.

Нетрудно подсчитать, что аккумуляторная батарея с рабочим напряжением 12 вольт и ёмкостью 200 А-ч накапливает теоретически 12х200= 2400 ватт-часов или 2,4 кВт-часов электроэнергии. Практически – около 2 кВт-ч, что может обеспечить, к примеру, освещение дома мощностью 500 ватт в течение 4 часов или приготовление обеда на электроплите (2кВт) в течение часа.

Обычно используется некоторое количество батарей, определяемое расчётом – проектом автономного или резервного электроснабжения дома. Батареи могут соединяться последовательно, повышая выходное напряжение, или параллельно, обеспечивая работу при том же напряжении, но с повышением токоотдачи.

В-третьих, преобразователи тока, так называемые инверторы.

Дело в том, что аккумуляторные батареи аккумулируют и выдают электроэнергию в виде постоянного тока напряжением 6, 12, 24 и т.д. вольт. Солнечные батареи – постоянный ток напряжением 24 вольта. Для зарядки аккумуляторов требуется напряжение выше рабочего и автоматически регулируемый ток зарядки. А для работы домашних электроприборов и бытовой техники требуется переменный ток под напряжением 220 вольт и с частотой 50 герц.

Для преобразования постоянного тока под низким напряжением 12 – 24 вольта в переменный ток под напряжением 220 вольт и служат инверторы. Инвертор – электронный прибор (без движущихся частей) как раз и делает такое преобразование. Стоит сказать несколько слов о форме преобразованного инвертором тока. Дело в том, что у переменного тока, получаемого из стационарных сетей электропитания, изменение напряжения во времени происходит по синусоиде (геометрической кривой) с частотой 50 циклов в секунду. Это обусловлено конструкцией промышленных генераторов – вращением ротора. В преобразователе способ получения синусоиды другой – искусственный. Поэтому выдаваемый преобразователем ток по форме лишь приближается к синусоиде (его форма – так называемая «квазисинусоида»). Это может влиять на работу некоторых электронных приборов – телевизоров, мониторов и т.д. и вызывать у звуковой аппаратуры так называемый «фон» — неприятный призвук.

Более дорогие инверторы рекламируются как выдающие «чистую синусоиду». При выборе инвертора это необходимо учитывать и при необходимости использовать инверторы с «чистой синусоидой».

И ещё, электродвигатели в момент пуска (когда ротор ещё неподвижен) работают как бы в режиме короткого замыкания, пусковой ток ограничивается только сопротивлением обмоток, которое невелико. Поэтому пусковые токи таких устройств, как электронасосы, пылесосы и т.д. могут в 4-5 раз превышать номинальные. А инверторы допускают превышение тока в 1,5 раза. Нужно иметь это в виду и для решения проблемы обращаться к специалистам.

В-четвёртых, электронные устройства автоматического управления, регулирования и защиты.

Как правило, ими оснащаются современные инверторы. Это могут быть релейные устройства, автоматически запускающие генератор с двигателем внутреннего сгорания для зарядки аккумуляторов при их разряде. Это устройства, которые быстро и незаметно для потребителей электроэнергии переводят домовую электросеть в режим резервного питания при внезапном отключении сети.

Более подробно с устройствами инверторов можно ознакомиться по их описанию и проконсультировавшись со специалистами.

Так же устройствами управления, регулирования и защиты оснащаются генераторы с приводом от ДВС.

В заключение приведем несколько примеров типовых схем резервного и автономного электроснабжения:

1. Простейшая система резервного электропитания = инвертор + аккумулятор

Дополнение к электросети при частых отключениях. Пока в электросети есть напряжение– инвертор включает зарядку аккумулятора и регулирует её, при внезапном отключении– инвертор моментально (незаметно для подключённых приборов) подключает к домовой сети питание от аккумулятора. Применяется при непродолжительных отключениях и при небольшом ограниченном энергопотреблении (как правило, некоторой группой особо важных потребителей (сигнализация, холодильник и т.д.))

2. Автономное и резервное электропитание = генератор с приводом от ДВС + аккумуляторы + инвертор

При разрядке аккумуляторов инвертор через реле автоматически запускает двигатель генерирующей установки и заряжает аккумуляторы. Двигатель внутреннего сгорания работает циклами, что увеличивает его моторесурс и уменьшает расход топлива. В случае использования установки в качестве резервного электроснабжения, инвертор при отключении основной сети автоматически переключает питание на резервное от аккумуляторов.

3. Автономное электроснабжение от генератора с приводом от ДВС

Вполне приемлемый вариант – выпускаемые двигатели-генераторы рассчитаны на такую работу. Однако необходимо учесть, что двигатели имеют ограниченный моторесурс, к примеру, дешёвые двухтактные двигатели имеют ресурс всего 500 – 1000 часов. К тому же электроэнергия, вырабатываемая таким образом, имеет высокую себестоимость. Другими словами, такой вариант подходит при временном (сезонном) проживании, к примеру, для дач. А для автономного электроснабжения при условии постоянного проживания лучше всего применить следующий вариант.

4. Автономное электроснабжение = Ветровой электрогенератор или (+) солнечные батареи или (+) минигэс или (+) генератор с приводом от ДВС + аккумуляторы (несколько штук по расчёту) + инвертор

Наиболее оптимальный вариант с экономической точки зрения, к тому же достаточно долговечный. Однако и самый дорогой.

Надеемся, что данная статья поможет вам более осознанно подойти к выбору системы автономного или резервного электропитания и её элементов. При желании оборудовать свой дом такими системами – обращайтесь к специалистам, которые составят проект и смету расходов и дадут советы по выбору конкретного, наиболее подходящего оборудования.

Системы автономного электроснабжения для частного дома

Просмотров: 8

Устройство независимой электросистемы позволит обеспечить энергией частные постройки, не подключенные к централизованным сетям. Сооружение дополнительных мини электростанций поможет сократить энергетические расходы дач и домов, снабжаемых электричеством. Но для того чтобы воспользоваться перечисленными плюсами, надо точно знать, как сделать автономное электроснабжение частного дома. Ведь правда?

Мы рады поделиться с вами достоверной информацией об устройстве независимых систем энергоснабжения. У нас вы найдете основополагающие принципы устройства и важные нюансы организации подачи электричества в частные жилые объекты. Представленная нами информация тщательно проверена, систематизирована, сведения соответствуют строительным нормативам.

В предложенной нами статье досконально разобраны варианты устройства частных энергетических систем, приведены и оценены все возможные источники получения энергии. Подробно изложены принципы сооружения и действия автономного электроснабжения, представленные данные подкреплены фото и видео.

Содержание статьи:

• Общие требования к домашним автономным системам
• Взвешенная оценка независимой системы
  • Достоинства автономной электрики
  • Недостатки независимого электроснабжения
• Определение наилучшего источника энергии
• Особенности работы генераторов
• Автономные солнечные электростанции
• Энергия ветра для автономного электроснабжения
• Локальные системы гидроэнергии
• Аккумуляторы для автономных систем
• Выводы и полезное видео по теме

Общие требования к домашним автономным системам

Чтобы автономный комплекс корректно работал и производил объем энергии, полностью покрывающий потребности всех домашних устройств и предметов бытовой техники, перед монтажом оборудования проводят предварительный расчет общей мощности имеющихся в наличии электропотребителей. К их числу относятся такие агрегаты, как:

• отопительная система жилого дома;
• холодильная техника;
• устройства по очистке/охлаждению воздуха;
• крупно- и мелкогабаритные бытовые приборы;
• насосный комплекс, осуществляющий поставку в дом воды из колодца или скважины;
• электрический инструмент для текущего ремонта, осуществляемого своими руками, и ухода за строениями и приусадебным участком.

Базовую мощность узнают из сопроводительных документов, выданных производителем и прилагающихся к каждому агрегату. Этот показатель у всех разный, но любые приборы и устройства одинаково требуют стабильной подачи энергии с определенной частотой электропотока и без перепадов напряжения.

В некоторых случаях учитывают еще и такой параметр, как синусоидальность формы переменного напряжения.

Автономная электрическая система позволяет круглогодично обеспечивать необходимый уровень комфорта в домах, расположенных далеко от центральных коммуникационных систем, отвечающих за поставку энергоресурса в жилые помещения

Данные о мощности приборов суммируют и таким способом выясняют, сколько реальных киловатт часов должна бесперебойно вырабатывать в день автономная электросистема. Профессионалы рекомендуют превышать полученное число на 15-30%, чтобы в будущем иметь солидный запас на увеличение потребления энергии.

Наличие в частном доме комплекса автономного электроснабжения обеспечивает владельцу полную свободу действий. У него в распоряжении всегда будет нужный ресурс, независимо от того, какую цену установит на электричество государство

На следующем этапе определяют основные технические характеристики будущей энергосистемы. Эти параметры напрямую зависят от ее назначения.

Собираясь сделать резервный источник, подключающийся только в определенный момент, когда недоступно получение электричества через централизованные коммуникации, устанавливают предполагаемое время работы автономного оборудования, и на основании этих данных вычисляют нужную для нормального функционирования системы мощность.

Если же на «плечи» автономного оборудования планируют возложить все электрообеспечение в жилом помещении, хозяйственных постройках и на самом приусадебном участке, заранее четко высчитывают примерное дневное потребление.

На эту цифру накидывают еще 20-25% и таким способом получают фактическую базовую мощность, необходимую для полноценной работы коммуникационных сетей, оборудования и бытовой техники.

Выбирая в качестве альтернативного источника поставки энергии солнечные батареи, следует помнить, что в зимний период модули производят в 2-3 раза меньше ресурса, нежели во время наивысшей солнечной активности (с марта по сентябрь)

Имея на руках подробную техническую информацию, приступают к разработке проекта и выводят смету с полным объективным обсчетом предстоящих финансовых затрат на покупку агрегатов и оплату услуг по установке.

Специалисты, разумеется, справятся с монтажом быстрее и качественней, однако, попросят за это солидную сумму. Домашние мастера тоже могут осилить основные части задачи, но для осуществления отдельных этапов все же разумнее будет пригласить профессионалов или хотя бы воспользоваться их советами.

Взвешенная оценка независимой системы

Современные системы для автономного электроснабжения используют самые разные ресурсы для выработки энергии. Это позволяет получать качественное электричество без перепадов даже в самых отдаленных и малонаселенных местах, куда еще не успели добраться все блага цивилизации.

Достоинства автономной электрики

Основное достоинство систем автономного электроснабжения – отсутствие норм потребления и платы за использованную энергию. Это позволяет обеспечить в жилом доме любой уровень комфорта, независимо от того, проходят ли рядом центральные коммуникации или нет.

Если предварительные расчеты мощности произведены верно и не занижены, система будет работать как часы и хозяева не столкнутся с такими проблемами, как неожиданное отключение электричества и перепады напряжения.

Веское преимущество автономного энергоснабжения заключается в отсутствии скачков, падения и превышения напряжения в сети, из-за которого в разы быстрее выходит из строя бытовая и компьютерная техника

Сведется к нулю риск того, что бытовая техника, имеющаяся в жилом помещении, выйдет из строя или сгорит из-за неожиданного скачка мощности. Количество и качество получаемой электроэнергии всегда будет одинаковым и именно таким, как было запланировано изначально в проекте.

Оборудование, обеспечивающее независимые поставки электроэнергии, имеет высокий уровень надежности и крайне редко выходит из строя. Это преимущество сохраняет актуальность при соблюдении базовых правил эксплуатации и регулярном обслуживании отдельных элементов и всей системы целиком.

Кроме того, уже сегодня работают экспериментальные программы, позволяющие владельцам продавать излишки электроэнергии государству. Однако об использовании этой интересной возможности стоит подумать заблаговременно, еще на стадии разработки проекта системы электрообеспечения.

Дополнительно потребуется оформить пакет разрешительных документов, подтверждающих способность имеющихся в наличии приборов вырабатывать нужный объем энергии надлежащего качества.

Недостатки независимого электроснабжения

К минусам независимой системы электроснабжения относят довольно высокую стоимость оборудования и значительные расходы на эксплуатацию.

К недостаткам автономного энергоснабжения относят необходимость выделять пространство под размещение оборудования, проводить самостоятельное обслуживание системы и замену изношенных элементов за свой счет

Электрики настоятельно рекомендуют хозяевам очень внимательно производить все расчеты и четко выяснять технические параметры запланированной к монтажу системы. Иначе может возникнуть ситуация, когда агрегат, производящий электроэнергию, выйдет из строя, так и не успев окупиться.

Ремонт автономного комплекса владельцы тоже осуществляют за свой счет, а эти услуги стоят значительных денег. Если же дом находится в отдаленном или труднодоступном районе, за мастерами придется поехать лично или дополнительно оплачивать выезд бригады на место. Причем делать все понадобится достаточно быстро, так как домашние коммуникации и удобства, работающие на электроэнергии, в это время будут недоступны.

Если в качестве автономной системы по выработке энергии выбраны модули из солнечных батарей, их потребуется периодически очищать от мусора в ветреную погоду, а в зимний период обязательно освобождать от снега. Только при таком уходе они будут полноценно функционировать в течение всего эксплуатационного периода

Значительно снизят шанс поломки автономных устройств регулярный профилактический осмотр и плановое техническое обслуживание действующих агрегатов, но и для этого может понадобиться визит специалистов, стоящий денег. Конечно, часть таких работ хозяин сделает самостоятельно, но более серьезные моменты, требующие определенного опыта и специфических знаний, все равно повлекут за собой профессиональное вмешательство.

Определение наилучшего источника энергии

Выбор альтернативного источника энергии для автономного электрообеспечения жилого дома – очень важный и ответственный момент, требующий серьезного подхода. К самым популярным и наиболее распространенным вариантам относятся:

• генераторы, работающие на дизельном топливе или бензине;
• солнечные батареи и коллекторы;
• аккумуляторы большого объема и мощности;
• гидроэлектросистемы;
• преобразователи ветряной энергии.

Каждый источник имеет собственные уникальные характеристики и особенности. Владельцам следует заранее с ними ознакомиться и на основании этой информации определить оптимальный вариант системы, способной удовлетворить все электрические нужды частного жилого дома.

Особенности работы генераторов

Генератор – это самый быстрый и простой способ обеспечить частный дом электричеством. Для работы агрегат использует бензин или дизельное топливо и в результате его сжигания выдает необходимое количество энергии.

Главным преимуществом является полная независимость устройства от сезонных изменений и погодных колебаний. К недостаткам относится обязательное наличие на участке специально оборудованного хранилища для топлива, рассчитанного на объем от 200 литров.

Дизельная генераторная установка удобна и проста в эксплуатации, но для полноценного функционирования ей необходимо получать не менее 250 мл горючего в час. Мощные станции, способные обеспечить энергией небольшой частный домик с фактическим потреблением ресурса в несколько киловатт за сутки, будут «есть» примерно литр солярки в течение 60 минут

Чаще всего бензиновые и дизельные генераторные установки используют в качестве резервных или временных источников получения электроэнергии. Это обусловлено тем, что для полноценной работы приборы требуют значительных объемов горючего, стоимость которого постоянно увеличивается. Само оборудование тоже имеет высокую цену и нуждается в профилактическом обслуживании.

Мощный бензиновый или дизельный генератор способен при наличии нужного объема топлива обеспечить бесперебойную подачу электричества. Однако устройство в процессе работы производит очень много шума. Чтобы не страдать из-за нежелательных звуков, стоит разместить агрегат в одном из прилегающих хозяйственных помещений, расположенных на некотором расстоянии от собственного жилья и соседских домов

К более выгодным вариантам генераторных установок относят газовые агрегаты. Они не нуждаются в бесперебойных поставках горючего и не требуют наличия хранилища для топливных материалов. Однако, полноценную работу этих приборов обеспечивает такой пункт, как обязательное подключение к центральной газовой сети, что далеко не всегда является возможным и доступным.

Установка в доме газового генератора осуществляется только на основании пакета разрешительных документов и при обязательном участии в монтаже бригады мастеров из местного газораспределительного предприятия. Подключать к газопроводу прибор самостоятельно не рекомендуется во избежание потенциально возможных в будущем утечек и различных неполадок

Именно из-за этих сложностей генераторы редко выбирают в качестве основного источника для поставки электричества в частный дом.

Автономные солнечные электростанции

Для снабжения частного жилого дома применяют солнечные коллекторы или батареи. Эти устройства поглощают световую энергию и преобразовывают ее в ток, который потом питает системы, устройства и приборы, работающие на электричестве.

Солнечные батареи (панели) представляют собой набор соединенных вместе и заключенных в раму полупроводниковых элементов, перерабатывающих ресурсы света в электрическую энергию. Оборудование не потребляет топлива и не нуждается в сложном высокопрофессиональном обслуживании.

Для содержания объекта в порядке достаточно просто время от времени протирать поглощающее зеркало от пыли и убирать с него мелкий мусор. Установка агрегата на некотором возвышении под углом около 70 градусов создаст условия, при которых в зимний период времени снег не сможет скапливаться на поверхности батарее и препятствовать ее корректной работе.

Регулировка гелиосистемы происходит автоматически. Владельцу не требуется включать или выключать оборудование. Выработанная энергия скапливается в специальных аккумуляторных комплексах и позволяет использовать электричество круглосуточно в индивидуальном, удобно лично для хозяина режиме.

Солнечная батарея напрямую преобразует энергию света в электроток и, в отличие от генераторных установок, делает это абсолютно бесшумно, не мешая таким образом ни жильцам, ни соседям

Солнечные батареи высокого качества очень надежны и рассчитаны на полноценную эксплуатацию в течение как минимум 25 лет. К концу этого периода их работоспособность немного снижается и следующие 20 лет панели выдают ресурс в объеме около 80% от базовой изначальной мощности, заявленной производителем.

Таким образом, общий срок службы батарей составляет 45 лет, что значительно превышает показатели прочих автономных систем.

В отличие от ветряных генераторов, напрямую зависящих от определенных метеорологических явлений, солнечные батареи гарантированно выдают электроэнергию каждый день. В непогожие пасмурные дни их производительность становится немного меньше, но не прекращается полностью

Так как солнечный свет имеется практически везде, гелиопанели почти не имеют ограничений по установке. Размещать их можно на любом незатененном пространстве участка, обращая принимающую поверхность под определенным углом на южную сторону.

Выбирая место для расположения солнечных панелей на приусадебной территории, нужно следить, чтобы рядом не было высоких деревьев и строений, загораживающих солнце и отбрасывающих тень. Иначе батарея не сможет работать в полную силу

Если размеры приусадебной территории не позволяют выделить для оборудования отдельное свободное место, уместно использовать для монтажа системы поверхность крыши жилого дома или кровлю хозяйственных построек.

Несмотря на некоторую хрупкость, солнечные панели имеют значительный вес и требуют четкого и надежного крепления. Специалисты настоятельно рекомендуют перед монтажом оснастить кровельную конструкцию прочными балками или подпорками, чтобы в будущем крыша не обвалилась, не выдержав дополнительной нагрузки, не предусмотренной изначальным проектом

Ветряные и жидкотопливные системы имеют фиксированный уровень мощности. У гелиосистем эта величина плавающая и зависит только от количества установленных батарей. Если в большом количестве энергии на данный момент нет потребности, можно поставить агрегат миниатюрных габаритов, а в случае надобности в удобное время нарастить дополнительные панели и увеличить объем получаемого ресурса.

Энергия ветра для автономного электроснабжения

В том случае, когда метеорологические или какие-либо другие объективные причины не позволяют установить солнечные батареи или коллекторы, есть смысл обратить внимание на ветряной генератор. Он представляет собой турбину, размещенную на высоких (от 3 метров) башнях.

Она улавливает кинетическую энергию вихревого потока, преобразует ее в механическую энергию вращением ротора и потом превращает в электроресурс посредством специальных инверторов.

Владелец частного дома, запланировавший установку ветряного генератора мощностью более 10 кВт, должен тщательно изучить информацию об изменениях направления и силы ветра в своей местности за последние 20 лет. Статистику могут предоставить метеослужба и различные интернет-сервисы, позволяющие наблюдать за погодой в онлайн-режиме. Если ветра в регионе считаются редким явлением и не имеют нужной силы, монтировать «ветряк» будет нецелесообразно

Агрегат отличается надежностью, не создает вредных выбросов в атмосферу и не оставляет отходов производства, но для полноценной работы остро нуждается в постоянном ветре, дующем со скоростью не менее 14 километров в час. Это очень важное условие, и если его не соблюсти, прибор просто не справится с поставленными задачами.

Локальные системы гидроэнергии

Использование гидротурбины для обеспечения жилого дома электричеством – вполне реальный и выгодный вариант, но лишь в том случае, когда вблизи строений располагаются речка или озеро. Небольшая система, работающая на энергии воды, абсолютно безопасна как в экологическом, так и в социальном плане, очень проста в эксплуатации и имеет хороший КПД.

Малые гидротурбины полностью автоматизированы и не требуют участия в своей работе человека. Качество вырабатываемой ими энергии соответствует всем требованиям ГОСТа как по частоте, так и по уровню напряжения

Полный ресурс работы оборудования превышает 40 лет. Для корректного функционирования система не нуждается в крупных водохранилищах и не требует затопления больших территорий. Перед установкой необходимо составить проект монтажа и получить соответствующие разрешительные документы.

Аккумуляторы для автономных систем

Принцип работы аккумулятора понятен и несложен. Пока в центральной сети имеется электричество, батареи заряжаются от розетки и накапливают в своих блоках ресурс.

Когда поставки энергии прекращаются, модули через специальную инверторную установку отдают электрику бытовым приборам и различным домашним системам.

Выбирая аккумулятор для создания резервной электросистемы в жилом доме, стоит определить, какие приборы и модули бытовой техники обязательны к подключению в случае отсутствия света. Сложив вместе их базовую мощность, можно получить число, обозначающее емкость аккумулятора, способного обеспечить энергией самые необходимые устройства

Для постоянного обеспечения жилого помещения электричеством они не подходят, зато с ролью резервного комплекса справятся на отлично.

Выводы и полезное видео по теме

Ролик №1 наглядно продемонстрирует, как собрать своими руками автономную систему электроснабжения частного дома из солнечных батарей. В видео даны полезные советы от мастера с подробным показом каждого действия и описанием используемого оборудования:

Ролик №2 знакомит с тем, что следует выбрать для создания в доме резервной электрической системы: генератор или аккумулятор. Обзор агрегатов, плюсы и минусы, сравнительные характеристики и принцип работы поможет самостоятельным мастерам в осуществлении идеи:

Ролик №3 представляет, как работает ветрогенератор, способен ли он покрыть все потребности среднестатистического жилого дома в электроэнергии:

Роликом №4 представлен независимый комплекс электроснабжения для загородного дома с использованием различных ресурсов и установок. Обозначены достоинства и недостатки системы из солнечных панелей, инвертора МАП и прогрессивного ветрогенератора:

Потребность в организации автономного электричества для частного дома может возникнуть по разным причинам, например, из-за проблематичности подключения к уже существующей сети или ввиду отсутствия центральных коммуникаций в районе расположения жилья. Нестабильно подающееся напряжение, перебои питания или регулярные отключения тоже могут вынудить владельцев недвижимости задуматься о получении энергии из альтернативных источников.

Правильно рассчитанная и корректно смонтированная система позволит забыть о всех проблемах с электрикой и больше никогда не зависеть от того, какие цены на ресурс и ограничения на потребление выставит государство.

7 преимуществ использования технологий умного дома

В цифровой сфере все подключено к Интернету. Дело не только в смартфонах, но и в домах. Теперь мы можем управлять устройствами от водяных приборов до окон, даже когда мы вдали от дома.

Тогда просто выберите «домашний умный дом» и с этого момента превратите свой дом в пространство с дистанционным управлением? Давайте посмотрим на преимущества использования технологий умного дома с новым уровнем контроля.

1.Наблюдение

Получение мгновенных уведомлений позволяет немедленно реагировать на чрезвычайные ситуации. Удаленное наблюдение за домом — важное соображение, особенно для работающих людей. Дома, на которые нападают воры, чаще всего пустуют днем, поэтому стоит подумать о системе удаленного наблюдения.

Когда вы в отпуске или на работе, вы можете контролировать свой дом с помощью систем умной домашней автоматизации, таких как камеры видеонаблюдения.

Arlo Pro 2

Звонок видеодомофона

Камера наблюдения Blink

2.Интеллектуальное отопление / охлаждение

Регулируйте температуру воды на работе и будьте готовы принять расслабляющий душ, когда вернетесь домой. Звучит так здорово, правда? Снизить температуру в доме, когда вы в пути, так легко, когда у вашего телефона есть доступ к кондиционеру. Технологии умного дома предлагают комфорт и дистанционно управляемый образ жизни. Вот лучшие продукты для умного отопления и охлаждения.

Nest Learning Thermostat

Контроллер кондиционера Sensibo Sky

ecobee3 lite

3.Домашний помощник

Позвольте им помочь вам по дому. Когда вы уходите с работы голодным, вы, вероятно, захотите приготовить ужин, когда вернетесь домой. Что ж, вы можете предварительно разогреть духовку, даже когда вас нет дома. Технологии умного дома предоставляют вам безграничные возможности для управления устройствами простым голосом, чтобы вы могли расслабиться после долгого рабочего дня, управляя повседневными делами со своего смартфона.

Если у вас есть домашнее животное, вы даже можете следить за тем, что они делают дома, и разговаривать с ними, получать уведомления о том, что они делают, и сразу же планировать время кормления благодаря умной домашней автоматизации, специально разработанной для домашних животных.

iRobot Roomba Vacuum

Furbo Dog Camera

Logitech Harmony Elite

4. Экономия энергии и денег

Иногда установка системы умного дома кажется слишком дорогой, но если задуматься о будущем , это сэкономит вам много средств. Иногда мы забываем выключить свет, но с системой умного дома, когда вы выходите из комнаты, он выключается автоматически.

С помощью умных домашних помощников вы можете управлять потреблением энергии и находить решения для большей экономии.Вы будете получать еженедельные и ежемесячные аналитические отчеты, показывающие, как вы используете энергию. Использование меньшего количества энергии имеет большое значение в вашей жизни.

Rachio 3

Sense Energy Monitor

Таймер орбитального крана

Philips LED Smart Bulb

ecobee Switch

5. Отслеживание работоспособности

Если у вас плотный график Практически невозможно обратиться к врачу и убедиться, что ты здоров. Затем вам следует попробовать использовать умные трекеры здоровья.Дело не только в калориях, но и в вашем импульсе, частоте сердечных сокращений и режиме сна. С вашими интеллектуальными устройствами, отслеживающими вас, вы можете изменить свой распорядок к лучшему и контролировать свой уровень стресса.

Nima Gluten Sensor

QardioBase 2

6. Безопасность

Кто не хочет спокойствия вдали от дома? Если вы все время думаете, есть ли где-то протечка воды или вы запирали двери, выходя из дома, вам просто нужна система умного дома.Устройства умного дома предотвращают любой риск, позволяя вам следить за своим домом в любое время. Например, датчики воды могут обнаруживать нежелательную воду и сразу же предупреждать вас.

August Smart Lock Pro

SimpliSafe 9-компонентная система безопасности

Ring Alarm 5-Piece Kit

7. Kitchen Assistant

Так как кухня — это место, где мы проводим слишком много времени и зависаем гулять с друзьями, почему бы не сделать эту комнату такой же умной, как и все остальные комнаты в доме? Чтобы приготовить лучшее блюдо, не беспокоясь о его пережарке, возможно, вам просто понадобится умный помощник.Они работают с приложением на вашем смартфоне, и вы можете управлять ими, просто используя свой голос.

Для тех из вас, кому трудно вставать с постели по утрам, есть умные кухонные приборы, позволяющие приготовить кофе, используя только Wi-Fi.

Atomi Smart Coffee Maker

Instant Pot Smart WiFi

Кулинарная плита Anova

Автономные датчики: существующие и перспективные применения

1.Введение

Постепенное распространение беспроводных сенсорных сетей [1] подразумевает увеличение использования батарей и, как следствие, озабоченность по поводу их надлежащей утилизации в конце их срока службы. Вместе с уменьшением габаритов устройств уменьшение доступного пространства для электроники и аккумуляторов обычно подразумевает меньшую автономность работы по сравнению с предыдущими решениями.

Более того, саморазряд батареи может стать проблемой, когда ее необходимо хранить в устройстве в течение длительного времени, как это обычно происходит в случае применения датчиков.Таким образом, альтернативная технология электропитания, которая обеспечивает жизнеспособное решение для улучшения с точки зрения эксплуатационной эффективности, становится одной из основных интересных тем, касающихся реализации беспроводных сенсорных сетей.

Есть несколько способов обеспечить постоянную готовность датчика к работе, учитывая, что аккумуляторные батареи могут работать дольше, если их заряжать от альтернативного источника питания. Стандартные аккумуляторные батареи можно подключать параллельно к альтернативному источнику питания, например, фотоэлектрическому элементу или пьезоэлектрическому генератору, через зарядное устройство.В некоторых случаях можно использовать один или несколько источников питания одновременно.

Учитывая эти идеи, можно было бы иметь автономный беспроводной датчик, работающий только за счет энергии, поступающей из окружающей среды: никаких батарей на борту не потребуется. Этот подход сейчас становится популярным как «технология сбора энергии» [2]. В этой главе мы сосредоточимся на инновационном решении, сочетающем фотоэлемент и пьезоэлектрический или электромагнитный накопитель энергии вибрации. Эти генераторы используют разные источники энергии, и они могут дополнять друг друга, например, в ситуациях, когда один из двух может быть временно недоступен.

Можно заметить, что общая стоимость устройства не зависит только от затрат на разработку и производство, но для устройства с батарейным питанием также необходимо учитывать затраты на обслуживание. Эти затраты явно связаны с характеристиками устройства; чем больше он потребляет, тем чаще требуется замена и утилизация батареи. Как следствие, необходимо учитывать как минимум три дополнительных вида затрат: стоимость покупки батареи, стоимость замены батареи и стоимость ее утилизации.

Очевидно, что система, не требующая батареи, является очень хорошим кандидатом для развития будущих сетей беспроводных датчиков.

2. Типичный автономный датчик

Обычно один или несколько источников питания могут использоваться одновременно; например, на блок-схеме, показанной на Рисунке 1, представлены вибрация и уборщик солнечной энергии. Он преобразует часть энергии окружающей среды, присутствующей в рабочей области датчика, в электричество, которое можно использовать для питания самого датчика.Это означает, что датчик может работать практически вечно.

Генерируемый ток от харвестера может быть постоянным, переменным или иногда может иметь случайное поведение, в то время как схема внутреннего датчика ожидает постоянного значения входящего тока; поэтому необходима схема согласования мощности для выпрямления и регулирования напряжения, поступающего от источников энергии.

Рисунок 1.

Блок-схема автономного беспроводного датчика

После стабилизации питания требуется контроллер напряжения для правильного включения или выключения каждой электронной части датчика.Без этого компонента электронное устройство, такое как микроконтроллер, может постоянно включаться и выключаться, даже не начиная работать должным образом.

В качестве блока обработки датчика обычно используется микроконтроллер. Он посвящен сбору, обработке и передаче информации, поступающей из окружающей среды и собираемой датчиком, через радиочастотный приемопередатчик. Микроконтроллер может получить одну или несколько переменных среды. Некоторые примеры изображены на рисунке 1: напряжения, температуры, уровни освещенности и многое другое.

Микроконтроллер может работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами, что позволяет системе собирать большое количество разнообразной информации. После получения данных они сериализуются и затем отправляются на радиочастотный приемопередатчик для передачи на удаленный приемник. В конце передачи процессор может выключить все устройства и сам себя для экономии энергии. По истечении заранее установленного времени микроконтроллер включается, и сбор и передача значений переменных начинается снова.

3. Источник питания

Как упоминалось ранее, каждое электронное устройство требует для работы источника электроэнергии. Обычно батареи используются для обеспечения достаточного питания датчика. Размер батареи зависит от ожидаемого срока службы системы и от мощности, необходимой для работы. Напротив, автономная система работает без батарей или других традиционных источников энергии. Это означает, что требуемая мощность должна предоставляться сама по себе. Энергия не может быть произведена, но ее можно только преобразовать или передать из одного состояния в другое.

Задача комбайна для сбора энергии — преобразовать энергию окружающей среды в электричество. Для этого подходят несколько различных источников энергии: вибрации, температурные градиенты, световые и электромагнитные поля. Выбор использования одного источника по сравнению с другим зависит от количества доступной энергии. Обычно извлекаемая энергия непостоянна: иногда она колеблется ежедневно, как солнечный свет, иногда она изменяется более быстро, как колебания колеса на дороге.

Поскольку электронное устройство требует постоянного источника питания, необходимо устройство хранения, чтобы энергия была постоянно доступна. Запоминающее устройство может быть реализовано в виде конденсатора с низкой саморазрядкой и высокой емкости или тонкопленочной перезаряжаемой твердотельной батареи.

Более того, очень важно уменьшить потери энергии во время преобразования, увеличив его эффективность, чтобы иметь возможность сохранять как можно больше энергии. Таким образом, при фиксированной потребности в мощности такое же количество энергии будет отдавать меньший харвестер, что приведет к соответствующему размеру и снижению стоимости всей системы.

3.1. Сборщик энергии

Могут быть реализованы несколько типов сборщиков энергии, которые могут использоваться для получения электроэнергии, необходимой датчику для обеспечения энергетической автономности. Невозможно сказать, какой из них лучший, можно сказать, какой из них лучше всего подходит для конкретного приложения. Выбор непрост, потому что необходимо оценить множество параметров, но сначала можно выбрать один из нескольких типов:

• Сборщик энергии вибрации

• Сборщик солнечной энергии

• Сборщик энергии тепловых градиентов

• Уборочный комбайн с электромагнитной энергией

Каждый харвестер может быть реализован с использованием различных технологий, поэтому количество возможных способов его изготовления обеспечивает большую свободу выбора.

Также можно объединить больше комбайнов для сбора энергии, чтобы получить более высокую вероятность постоянного источника питания. Может случиться так, что источник энергии временно недоступен, но другой все еще может присутствовать (например, вибрация и солнечная энергия).

Комбайны вибрационной энергии могут быть реализованы с использованием различных технологий и материалов.

• Пьезоэлектрические устройства для сбора энергии: пьезоэлектрический материал подвергается воздействию вибраций, в результате чего возникает электрический ток, пропорциональный их интенсивности.Можно использовать различные формы и размеры пьезоэлектрического материала, от простого кантилевера (рис. 2) до изогнутой балки и чего-то более сложного, например фрактала.

Рис. 2.

Двухслойный пьезоэлектрический кантилевер

• Магнитострикционные накопители энергии: магнитострикционный материал деформируется вибрациями, создавая переменное магнитное поле, которое в сочетании с индуктором (Рис. 3) может создавать электрическое ток пропорционален их интенсивности.

Рисунок 3.

Магнитострикционный накопитель энергии вибрации

• Индукционный накопитель энергии: вибрации вызывают относительное движение магнита и индуктора (Рисунок 4). Благодаря закону Фарадея-Неймана в катушке индуктивности генерируется электрический ток.

Рис. 4.

Схема индукционного харвестера

При проектировании виброуборочного комбайна также важно учитывать его динамику.За несколько лет исследований было продемонстрировано, что наилучшие результаты достигаются с нелинейной динамической системой. Сборщик энергии, основанный на бистабильной нелинейной динамике, является одним из самых простых (Рисунок 5).

Рисунок 5.

Бистабильный нелинейный пьезоэлектрический накопитель энергии

Рассматривая консоль, нелинейную бистабильную динамику можно получить с помощью двух магнитов [3]: этот харвестер показан на рисунке 5. U (x) — потенциальная энергия кантилевера, V — генерируемое напряжение, γ — постоянная демпфирования, K _c и K _v — константы связи и τ _p — постоянная времени пьезоэлектрика.Δ — это расстояние между магнитами, которое контролирует высоту барьера потенциала: см. Рисунок 6.

Рисунок 6.

Возможная функция бистабильного нелинейного маятника

Рисунок 7.

Временная шкала эффективности преобразования энергии солнечных элементов (из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии — США)

Ток, вырабатываемый сборщиком энергии вибрации, представляет собой переменный ток, поэтому он должен быть выпрямлен для использования датчиком. Сборщики солнечной энергии вместо этого используют фотоэлектрический эффект для производства постоянного тока; это не нужно исправлять.Для производства новых солнечных элементов используются и изучаются несколько различных технологий.

Учитывая, что мощность излучения, приходящего на поверхность земли, составляет приблизительно 1 кВт / м ² , единственный способ увеличить мощность, преобразуемую из света, — это повысить эффективность преобразования. На Рисунке 7 показана эффективность преобразования материала, использованного для изготовления с 1976 по 2012 год.

Рис. 8.

A Термоэлектрический генератор (из проекта «Эффективное генерирование возобновляемой энергии с использованием кремния нанофабрикатом (GREEN Silicon)», Проактивная инициатива EC FP7 ICT FET «На пути к ИКТ с нулевым потреблением энергии» №257750 Университет Глазго, Великобритания; Миланский политехнический университет, Италия; Universität Linz)

Другой источник энергии представлен температурными градиентами и используется так называемым термоэлектрическим генератором или ТЭГ. Обычно эффект Зеебека используется для создания электрического тока.

Типичный КПД термоэлектрических генераторов составляет около 8-10%. В более старых устройствах на основе Зеебека использовались биметаллические переходы. В более поздних устройствах используются полупроводниковые p-n-переходы из теллурида висмута (Bi2Te3), теллурида свинца (PbTe), оксида кальция и марганца, сверхрешеток Ge / SiGe [4].

Это твердотельные устройства и в отличие от предыдущих не имеют движущихся частей. Выбор материала, который будет использоваться для изготовления, зависит также от температуры. На рисунке 8 показан вид ТЭГ, созданного с использованием объемных двумерных сверхрешеток Si / SiGe и Ge / SiGe, одномерных нанопроволок с латеральной структурой и квантовых точек 0D, изготовленных по технологии гетероструктуры Ge / SiGe.

Также возможно извлекать энергию из радиоволн. Антенна используется для преобразования падающей волны в ток.Если антенна предназначена для работы в широком диапазоне частот, можно извлечь немалое количество энергии. Передача энергии с помощью радиоволн описывается вектором Пойнтинга S , величиной, представляющей величину и направление потока энергии в электромагнитных волнах.

Вектор S определяется как векторное произведение S → = (1 / μ) E → × B →, где μ, — проницаемость среды, через которую проходит излучение, E — амплитуда электрического поля. , а B — амплитуда магнитного поля.Направление вектора S → перпендикулярно плоскости, определяемой векторами E → и B →. Для бегущей электромагнитной волны вектор Пойнтинга указывает направление распространения волны. Учитывая это, легко понять, что плотность мощности электромагнитной волны обычно довольно мала, поскольку E и B уменьшаются пропорционально квадрату расстояния от источника. Но если комбайн находится близко к источнику или источник очень сильный, например, рядом с вышкой теле- или радиовещания, можно извлечь достаточно энергии для питания датчика.

Ток, протекающий от антенны, является переменным, поэтому его необходимо выпрямить. Процесс ректификации тратит энергию, и это необходимо учитывать при проектировании системы уборки урожая. Как показано на рис. 9, в центральной части диполя можно разместить небольшой сигнальный диод для выпрямления радиочастотного сигнала.

Рис. 9.

Антенна, используемая для сбора ВЧ-энергии

Выпрямление может выполняться с помощью диодов, таких как p-n диоды или диоды Шоттки, или активных выпрямителей.Первые — это пассивные устройства, и они вносят потери из-за порогового напряжения перехода. Последние являются активными устройствами и могут достигать более высокой эффективности преобразования энергии благодаря очень низким пороговым напряжениям. В них используются активные диоды, обычно сделанные на полевых транзисторах, и для их включения и выключения в правильной последовательности требуется схема управления. Так что выбор выпрямителя — нетривиальная задача, которую необходимо учитывать при проектировании системы уборки урожая.

3.2. Управление питанием

Энергия, поступающая от комбайна, не всегда постоянна по амплитуде. Лишь немногие устройства генерируют колебания постоянной амплитуды, например двигатель, вращающийся с постоянной скоростью. Например, колебания автомобиля, как правило, имеют переменную амплитуду и частоту. Может случиться так, что у него будет очень высокий всплеск, а через несколько миллисекунд практически ничего.

На рисунке 10 показан временной ряд реальной вибрации колесной оси автомобиля: как видно, это практически случайный сигнал.

Рис. 10.

Временной ряд вибрации оси колеса

При использовании пьезоэлектрического устройства сбора энергии вибрации выходное напряжение генератора будет пропорционально амплитуде ускорений. В некоторых ситуациях возможно достижение пикового напряжения до 20 В и более. Следовательно, потребуется регулятор напряжения для регулирования напряжения источника питания до фиксированного значения, например 3,3 В.

Существует множество типов регуляторов напряжения, от простой комбинации резистора и стабилитрона до более сложной коммутации. регулятор.Первый имеет низкий КПД: много энергии тратится на резистор и переход, когда напряжение достигает порога стабилитрона.

С другой стороны, импульсные регуляторы гарантируют более высокую эффективность регулирования, но они требуют более жестких условий работы: например, им требуется короткое время, даже если оно не нулевое, для начала работы. Учитывая, что реальные вибрации могут быть непостоянными, может случиться так, что этот тип регулятора не запустится должным образом, потому что напряжение, поступающее от комбайна, иногда будет достаточно высоким, чтобы он мог запуститься, но не всегда.

В некоторых случаях оптимальным решением может быть простой и недорогой стабилизатор напряжения с малым падением напряжения (LDO). Он может работать с непостоянным напряжением, для работы не требуются часы и гарантирует низкое падение напряжения, уменьшая потери энергии из-за потерь напряжения между его входом и выходом.

Общая схема цепи электропитания может быть представлена ​​на Рисунке 8. Выход регулятора напряжения обычно подключен к накопителю энергии.Это может быть конденсатор с очень малыми потерями или аккумулятор. Наиболее важно использовать устройство с низким саморазрядом и очень низким внутренним сопротивлением. При низком саморазряде количество потерь энергии невелико, и можно гарантировать более длительный срок службы.

Низкое внутреннее сопротивление необходимо, когда нагрузка требует высокого пикового тока во время рабочего цикла. Маленькие и высокоэффективные тонкопленочные аккумуляторы не подходят для работы с пиковыми токами, поскольку они обычно могут выдавать только 10 мкА / см ² [5].Используя танталовый конденсатор емкостью 1000 мкФ в качестве накопителя энергии, можно оценить время, необходимое системе на Рисунке 11 для достижения номинального напряжения 3,3 В. Вибрации, использованные для испытания, представлены на Рисунке 10. Двойной слой используется пьезоэлектрический нелинейный бистабильный комбайн энергии. Размер кантилевера, используемого для испытаний, составляет 2,74 х 0,67 х 0,032 дюйма. В результате, как показано на рисунке 12, напряжение на конденсаторе возрастает от нуля до 3,3 В примерно за 90 с с непостоянным наклоном, в зависимости от амплитуды ускорений.На этом же рисунке можно увидеть момент включения датчика. Через 56,4 с напряжение на конденсаторе превышает пороговое значение 2,35 В, и контроллер напряжения подключает конденсатор к нагрузке. Таким образом, он получает питание только тогда, когда напряжение питания достаточно высокое, чтобы гарантировать правильное напряжение питания, необходимое для электронного устройства.

Рисунок 11.

Цепочка электроснабжения

3.3. Микроконтроллер

Датчик — это устройство, которое должно определять некоторые параметры, а затем отправлять их электрическое представление для сбора и различного использования, в зависимости от приложения.Можно получить, обработать и отправить получателю множество различных переменных среды. Все эти задачи обычно выполняются микроконтроллером.

Микроконтроллер может быть очень простым устройством, похожим на сеть с комбинационной логикой, или чем-то более сложным, например, небольшим компьютером с несколькими периферийными устройствами. Микроконтроллеры — это не микропроцессоры, они похожи на небольшую сложную систему, состоящую из ЦП, памяти программ, памяти данных, таймеров, аналого-цифровых преобразователей, интерфейсов последовательного порта, цифрового ввода-вывода и т. Д.Они программируемы: это очень важно, потому что они могут выполнять множество различных задач, просто изменяя код, а не оборудование.

Все эти компоненты требуют питания. Обычно автономная система должна работать очень долгое время без обслуживания. Каждый компонент должен быть рассчитан на работу с минимально возможной мощностью. Таким образом, можно получить систему с чрезвычайно низким энергопотреблением, подходящую для работы только с количеством энергии, извлеченной из окружающей среды.

Некоторые современные микроконтроллеры спроектированы и реализованы с учетом очень длительных приложений. Некоторые компании имеют в своем портфолио несколько устройств с очень низким энергопотреблением в спящем режиме. Фактически, чтобы снизить общее энергопотребление, микроконтроллер должен оставаться в спящем режиме столько, сколько он может.

Предполагая, что мы измеряем температуру в помещении каждые десять секунд, можно запрограммировать наш датчик, чтобы он оставался в спящем режиме большую часть времени и в активном режиме только на время, необходимое для измерения температуры, для подготовки данные для передачи и отправки их через радиочастотный трансивер.Таким образом, потребляемая мощность за период 10 секунд является суммой мощности, необходимой во время сна и активного режима. Учитывая, что активный режим может длиться около 7 мс, очевидно, что очень важно иметь очень низкое энергопотребление во время сна (9,993 с).

В качестве примера был разработан и испытан небольшой гибридный автономный датчик [6]. В нем используется пьезоэлектрический нелинейный бистабильный комбайн и два небольших солнечных элемента для питания беспроводного узла, состоящего из микроконтроллера семейства MSP430 и радиочастотного приемопередатчика производства Texas Instruments.В спящем режиме его потребность в токе составляет около 500 нА при 3,3 В. Во время передачи данных по радио ток возрастает примерно до 25 мА при 3,3 В. Среднее значение тока во время активного режима составляет около 7 мА при 3,3 В. V.

Можно оценивать требуемую энергию каждые 10 секунд, как показано в уравнении (1-3).

Esleep = 0,5 * 10-6 * 3,3 * 9,993 = 16,488 μJE1

Eactive = 7 * 10-3 * 3,3 * 0,007 = 0,161 mJE2

Etotal = Esleep + Eactive≅EactiveE3

Понятно, что если ток требуемая во время ожидания будет даже всего на один порядок выше, 5 мкА, требуемая энергия будет определяться режимом ожидания.Другими словами, можно было бы сказать, что большая часть энергии будет потрачена на тепло.

Программирование микроконтроллера также важно, потому что время, необходимое для нахождения в активном режиме, пропорционально количеству циклов, которые должен выполнить CPU. Обычно микроконтроллеры программируются на C, языке программирования общего назначения, или на других языках более высокого уровня; иногда, чтобы избежать накладных расходов на языки высокого уровня, лучше писать на языке ассемблера, чтобы оптимизировать длину каждой функции или подпрограммы.

Рисунок 12.

Напряжение на конденсаторе и выходное напряжение супервизора

3.4. Радиочастотный трансивер

После того, как данные попадают в память микроконтроллера, они должны быть переданы на приемник, который просто получит и сохранит их в базе данных и, в конечном итоге, будет использовать их для некоторой обработки автоматического управления или человеческой деятельности. Приемопередатчик, с помощью которого отправляются данные, выполняет функцию представления данных с помощью радиочастотных сигналов и передачи их последовательно на определенное расстояние.

Диапазон беспроводной связи может составлять от нескольких метров до нескольких километров и даже больше, но обычно автономные датчики представляют собой маломощные устройства, а мощность, доступная для радиопередачи, составляет несколько мВт. Следовательно, они обычно работают на расстоянии до 100 метров.

Выбор типа используемого трансивера очень важен и зависит от многих переменных. В первую очередь трансиверы различают друг друга по рабочему диапазону частот. В каждой стране есть несколько бесплатных частот, предназначенных для маломощных радиослужб, таких как телеметрия, называемые диапазонами ISM — промышленные, научные и медицинские: для использования этих частот не требуется никаких лицензий.Полосы частот ISM приведены в таблице 1.

Одной из наиболее часто используемых полос частот является 2,4–2,5 ГГц. Он используется для связи по Wi-Fi и Bluetooth. Это технологии связи с низким энергопотреблением и высокой скоростью передачи данных, которые обычно не подходят для автономных датчиков из-за их высокой вычислительной стоимости; например, их протоколам требуется много времени для установления соединения между двумя узлами.

Диапазон частот		Полоса пропускания	Центральная частота.	Наличие
6,765 МГц	6,795 МГц	30 кГц	6,780 МГц	При условии принятия на местном уровне
13,553 МГц 60381	13397 13,553 МГц
26,957 МГц	27,283 МГц	326 кГц	27,120 МГц
40,660 МГц	40,700 МГц	40 кГц	40.680 МГц
433,050 МГц	434,790 МГц	1,74 МГц	433,920 МГц	Только для региона 1 и при условии местного признания
902,000 МГц	928,0007	928,0007	928,0007	Только для региона 2
2,400 ГГц	2,500 ГГц	100 МГц	2,450 ГГц
5,725 ГГц	5,875 ГГц	150 МГц	5.800 ГГц
24,000 ГГц	24,250 ГГц	250 МГц	24,125 ГГц
61,000 ГГц	61,500 ГГц	500 МГц	122,000 ГГц	123,000 ГГц	1 ГГц	122,500 ГГц	При условии принятия на местном уровне
244,000 ГГц	246,000 ГГц	2 ГГц	245.000 ГГц	При условии принятия на местном уровне
Район 1 включает: Европу, Африку, Ближний Восток к западу от Персидского залива, включая Ирак, бывший Советский Союз и Монголию. Район 2 охватывает Америку, Гренландию и некоторые восточные острова Тихого океана.

Таблица 1.

Диапазон частот ISM (Промышленный, научный и медицинский)

Автономные датчики — это устройства, которые обычно передают несколько байтов данных, а связь длится несколько миллисекунд.Для этого можно использовать и другие технологии. Полностью проприетарные протоколы могут быть реализованы по радиоканалу с использованием таких схем модуляции, как OOK, FSK или QPSK. Эти протоколы могут обеспечивать простую одноранговую связь или более сложные сетевые возможности, такие как маршрутизация и оптимизация пути. Но все имеет свои вычислительные затраты, поэтому, как правило, предпочтительнее работать с простой одноранговой сетью с одной точкой доступа или координатором и несколькими узлами с ограниченной функциональностью (звездообразная топология): см. Рисунок 13.

Как уже обсуждалось, пиковая мощность, требуемая радиочастотным приемопередатчиком, может быть очень высокой, особенно по сравнению с мощностью, запрашиваемой всем датчиком. Следует принять во внимание, что современные технологии дают нам возможность выбирать среди множества различных схем модуляции. У каждого из них есть свои плюсы и минусы: стоимость, сложность, полоса пропускания, спектральная эффективность, отношение сигнал / шум (S / N), необходимое для заданного BER — коэффициента битовых ошибок (или коэффициента ошибок символа). Последний — очень важный параметр, который необходимо учитывать при настройке радиолинии, потому что, зная количество энергии, необходимое в приемнике для получения отношения сигнал / шум для данной вероятности ошибки и заданного расстояния передачи , можно установить уровень передаваемой мощности.

На рисунке 14 показан BER как функция отношения между энергией на бит E ₀ и шумом N ₀ для трех различных методов модуляции. Если требуемый BER составляет 10 ^-3 , для приемника PSK отношение E ₀ / N ₀ должно быть немного меньше 10 дБ. Если расстояние между передатчиком и приемником остается неизменным, для получения такой же вероятности ошибки в бите (BER = 10 ^-3 ) при использовании приемника с ЧМн или ASK потребуется более высокая мощность.Глядя на график на рисунке 14, можно оценить необходимое соотношение E ₀ / N ₀ для желаемой модуляции: оно немного меньше 16 дБ, на 6 дБ больше, чем для модуляции PSK.

Рисунок 13.

Сеть с топологией «звезда»

Рисунок 14.

BER в зависимости от отношения сигнал / шум для трех различных модуляций комментариев

И последнее, но не менее важное: использование высокопроизводительной антенны с точки зрения усиления и диаграммы направленности является желательным, поскольку уменьшит количество энергии, необходимое для преодоления расстояния между передатчиком и приемником.Было разработано и реализовано несколько типов антенн. Не существует идеальной антенны для каждого приложения, поэтому каждый раз необходимо выбирать правильную антенну для получения желаемых характеристик.

Антенны могут быть напечатаны на схеме или могут быть реализованы как отдельное устройство. Они также могут быть реализованы в виде небольшого интегрированного чипа, например, в технологии LTCC, или непосредственно напечатаны на диэлектрической подложке с помощью струйного принтера.

4. Датчик на основе RFID

Автономные датчики иногда могут опрашиваться бесконтактно без использования батареи.Этот тип устройств интересен для приложений, в которых использование проводных решений, например, в упаковке или при измерениях тела, было бы очень затруднительным. Для этих приложений обслуживание и замена батарей всегда является проблемой.

В литературе описаны приложения [7,8], в которых автономная сенсорная система использует электромагнитное поле для питания устройства. В целом RFID-метки делятся на две основные категории: пассивные; они получают свою рабочую энергию из сигнала считывателя RFID, не имеют реального передатчика, модулируют и излучают своей антенной сигнал, передаваемый считывателем.Расстояния, на которых они могут работать, составляют, самое большее, порядка нескольких метров или нескольких сантиметров в зависимости от рабочей частоты. Активный; они питаются от батарей. Они включают как приемник, так и передатчик в качестве считывающего устройства. У них обычно большая память, часто перезаписываемая. Расстояния, на которых они могут работать, зависят от передатчика и батарей и обычно составляют не более 200 метров.

С точки зрения энергопотребления датчики с поддержкой RFID также можно разделить на две категории: активные и пассивные.Активные сенсорные метки с поддержкой RFID используют батареи для питания своих схем связи и имеют относительно большой радиус действия беспроводной связи. Однако потребность во внешних батареях ограничивает их применение только там, где замена батарей возможна и доступна по цене. В случае пассивных сенсорных меток с поддержкой RFID, когда считыватель опрашивает пассивную сенсорную систему, переданный радиочастотный сигнал используется для питания системы, а затем данные считывания передаются считывателю по беспроводной связи через электромагнитное поле и антенный интерфейс.Фактически, все большее развитие датчиков, основанных на технологии RFID, основано на комбинации катушек антенн и ИС, использующих принцип обратного рассеяния для обеспечения возможности цифрового и аналогового зондирования.

В последнее время растет интерес к материалам, используемым в сенсорных приложениях: сверхчувствительный композит, который может быть напечатан непосредственно на той же подложке вместе с антенной, когда технология струйной печати выбрана для сверхбыстрого прототипирования и низкой стоимости, гибкие решения, анализируются.Было обнаружено, что композиты углеродных нанотрубок (УНТ) обладают высокой электропроводностью, очень чувствительной к чрезвычайно малым количествам газов. В этом разделе мы стремимся привести пример в качестве доказательства концепции, нового подхода, который предполагает устранение микросхемы IC и ее замену чувствительным элементом, непосредственно интегрированным с антенной для беспроводной передачи конфиденциальных данных в ближайшем будущем. «нулевой мощности» мода.

В [9] сенсорный узел на основе углеродных нанотрубок с поддержкой RFID был представлен в качестве доказательства концепции.В качестве чувствительного элемента была выбрана пленка из слоев УНТ. Электрическое сопротивление пленки УНТ меняется в зависимости от присутствия газов в окружающей среде. Как упоминалось ранее, в пассивных RFID считыватель отправляет сигнал запроса на метку RFID, которая образована антенной и микросхемой в качестве нагрузки. Интегральная схема реагирует на изменение входного импеданса считывающего устройства, тем самым модулируя ответ сигнала обратно считывающему устройству. Обычно используемый тип модуляции — это модуляция ASK, амплитудная манипуляция, при которой интегральная схема меняет свой импеданс между согласованным и несовпадающим состояниями.

В системе RFID можно рассчитать коэффициент отражения антенны для оценки силы отраженной волны. Тот же механизм можно использовать для реализации сенсорных узлов с поддержкой RFID. Пленка SWNT работает как настраиваемый резистор, величина которого зависит от наличия тестируемого газа в окружающей среде. Считыватель RFID контролирует уровень мощности обратного рассеяния, и когда есть изменения в этом уровне, это означает, что обнаружен целевой газ. Концептуальная схема принципа работы показана на рисунке 15.

Рис. 15.

Концептуальная схема предлагаемого модуля датчика с поддержкой RFID.

5. Выводы

В этой главе был представлен обзор автономных датчиков. Эти устройства питаются только от энергии окружающей среды, что исключает необходимость замены батарей. Требуемая энергия обеспечивается различными типами комбайнов. Каждый из них отличается от другого видом энергии, который может преобразовывать.

В разделе 2 представлена ​​схема базового датчика. Были выделены и кратко описаны его основные части, пытаясь сосредоточить внимание на теме требований к мощности.

В разделе 3 обсуждалась тема сбора энергии с акцентом на основные принципы, лежащие в основе каждой технологии. Есть несколько разных подходов, и у каждого есть свои преимущества и недостатки.

Затем была представлена ​​тема управления питанием и проанализирована цепочка согласования мощности.Было показано, что необходимы три основных части: регулятор напряжения, регулятор напряжения и устройство хранения энергии.

Затем была описана активная схема датчика. Обычно он состоит из микроконтроллера, некоторых чувствительных устройств и радиочастотного приемопередатчика. На рынке уже представлено множество различных устройств, но лишь немногие из них подходят для систем сбора энергии из-за требований к мощности. На самом деле очень важно использовать устройства с очень низким энергопотреблением, потому что количество энергии, доступное от типичного энергоуборочного комбайна сантиметрового масштаба, на порядки меньше, чем у обычной батареи AAA.

Далее последовал краткий анализ схем модуляции радиосвязи. При выборе беспроводного трансивера важно учитывать количество энергии, необходимое для передачи каждого бита информации, чтобы иметь заданную вероятность ошибки на стороне приемника. Было бы желательно иметь меньшую мощность, передаваемую с меньшим количеством ошибок: это обычно означает более сложные модуляции и, как следствие, более сложную схему радио.

Наконец, было обсуждено краткое описание пассивных устройств RFID.Эти датчики получают необходимую энергию от электромагнитного поля, излучаемого считывателем. Таким образом, они могут считаться действительно автономными системами, потому что в них не используются батареи и они состоят из всех схем, необходимых для преобразования энергии электромагнитных волн, сбора данных и их передачи на приемник.

Автономное и резервное электроснабжение дома

В случае невозможности или затруднения подключения домохозяйства к промышленной электросети альтернативой может стать система автономного энергоснабжения.

При низком качестве подаваемой электроэнергии следует рассмотреть вариант использования резервного источника.

Рассмотрим основные компоненты системы.

Источники электроэнергии

Устройства, преобразующие различные формы энергии (механическую, солнечную, кинетическую энергию ветра и воды в электричество.

• Мобильная электростанция. Представляемый агрегат, состоящий из генератора, получает крутящий момент от бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания.Это системы с автоматическим запуском и настройкой для прямого подключения нагрузки.
• Панели солнечных батарей. Относительно новый тип источников, непосредственно преобразующих энергию светового излучения в электрическую.
• Гидравлические или ветряные турбины.

Запоминающее устройство и накопитель энергии

Обычные свинцово-кислотные или щелочные батареи. Использовать рекомендованные не требующие обслуживания герметичные продукты.

Немного лучше выглядят эксплуатационные характеристики гелевых аккумуляторов (вместо жидкого электролита в гелевом состоянии), но цена их существенно выше.

Батарейный модуль также функционирует как фильтр, обеспечивая стабильный и равномерный поток энергии.

Инвертор — преобразователь напряжения

Преобразует постоянное напряжение 12-24DCV, необходимое для электроприборов и освещения (220 ACV, синусоидальное, 50 Гц). Инверторы различаются по амплитуде выходного напряжения.