Привет, Хабр! Меня зовут Ярослав Медокс, в Сбертехе я занимаюсь технологиями корпоративно-инвестиционного бизнеса. В этой заметке пойдет речь о вполне обычном подмосковном загородном доме, ставшем по прихоти его хозяина полигоном для проверки солнечной энергетики.
В процессе обживания оказалось, что электричество регулярно отключают на разные, в основном небольшие, промежутки времени. 
В 2008 году мне посчастливилось приобрести дом в СНТ в ближнем Подмосковье. А когда всё электрическое, например, отопление или приготовление пищи, то для полноценной жизни нужна довольно большая пиковая мощность. Это доставляло заметные неудобства, так как в доме все электрическое, газа нет. В качестве резервного источника питания сразу приходит в голову генератор. Ну, скажем, не менее 6 кВт. А пока обеспечить комфортное пребывания в загородном доме было решено с помощью инвертора и аккумуляторов. Однако, генератор такой мощности – сооружение громоздкое, громкое и неприятно пахнущее, поэтому рассматривался как альтернативный источник лишь на случай длительных отключений электричества. сделать этакий UPS, но на весь дом. Т.е. На первый взгляд, задача довольно простая.
Поскольку бесперебойное питание на такую пиковую мощность – удовольствие недешёвое, пришлось внимательно изучить тему, чтобы не ошибиться. Однако, чем дальше в лес, тем больше дров, как говорится. И если с аккумуляторами все более-менее понятно, то инверторов существует множество, включая российские. Например, выбрать тип аккумуляторов, определить минимальную емкость, выбрать тип инвертора. Помимо регулярных отключений электричества, каждый дом в посёлке был очень ограничен в максимальной мощности, которую можно получить от сети. Здесь сделаю небольшое отступление. И тогда возникла идея: на время пиковых нагрузок переключаться на инвертор и не зависеть от нестабильной сети 220В.
Круг устройств резко сузился. 
Так, помимо мощности, синусоидальной формы выходного напряжения, автоматического перезапуска, появилось требование автоматического переключения на инвертор при превышении порогового значения потребляемой мощности. складывать получаемую от сети мощность с инвертируемой. Оказалось, что на нашем рынке есть едва ли не единственная модель (2010 год), которая не просто переключается на генерацию, а умеет поддерживать сеть, т.е. Это не инвертор, а произведение искусства: у него два входа 220В – сеть и генератор с автоматическим вводом генератора, у него масса настроек для аккумуляторов, различных пороговых значений. Это модель Xantrex XW. Но, главное, этот инвертор изначально рассматривается как центр системы энергоснабжения дома, и этот центр может брать энергию не только от сети и генератора, но и от альтернативных источников — от солнца, ветра, миниГЭС и т.д. Есть функция load shave, продажа энергии обратно в сеть и множество других полезных особенностей.
Для этого в систему добавляются соответствующие преобразователи энергии и контроллеры, объединяющиеся в проприетарную сеть Xanbus и работающие совместно.
Это и решение задачи в моменте и задел на будущее, а для этого денег не жалко. 
В общем, как полагается системно мыслящему IT-специалисту, выбор сделан в пользу самого «навороченного» инвертора Xantrex XW6048 и четырех последовательно соединенных 200 А*ч AGM-аккумуляторов. Этому способствовала также удачная конфигурация крыши: наклон около 45 градусов и ориентация на юг. И именно в этот момент появление солнечных панелей на крыше стало лишь вопросом времени, а не вопросом «надо или не надо?». А для максимального комфорта был сделан контроллер автоматического запуска генератора на базе Arduino и простая релейная автоматика отключения нерезервируемых нагрузок (например, беседки на участке или полотенцесушителя). Впрочем, бензиновый генератор появился все-таки раньше 🙂 
Надо заметить, что за несколько лет генератор запускался всего пару раз, большинство отключений электроэнергии парировались инвертором с аккумуляторами. Все это было установлено в 2010г.
И в 2014 году появились 6 320-ти ваттных монокристаллических панелей ФСМ-320М. Но, как уже сказано, появление солнечных панелей было предопределено. Суммарная установленная мощность таким образом – 1920 Вт. 
Их легко найти в Интернете. Кроме панелей с проводами, соединителями, предохранителями, понадобился, конечно, и MPPT -контроллер*, из той же линейки оборудования, но уже под крылом Schneider Electric. Как вы помните, гибридный инвертор умеет складывать энергию от сети и от аккумуляторов, поэтому максимальная потребляемая мощность не обязана совпадать с максимальной мощностью панелей. Он, в свою очередь связан по Xanbus с инвертором и обеспечивает совместную работу устройств, автоматически уменьшая потребление от сети при наличии Солнца.
Период февраль-декабрь 2016г. 
Рисунок 1 Сравнение энергии полученной от Солнца и от сети 220В.
Заметная выработка энергии начинается в феврале и длится до октября. Вот некоторые цифры. Оранжевым цветом показано, сколько получено энергии (Вт.ч) от Солнца, а голубым — сколько от сети. На столбчатой диаграмме — статистика за 2016 год (кроме января). Однако если в доме есть газ, то наиболее энергоемкие процессы: отопление, ГВС и приготовление пищи можно исключить из общего баланса. Очевидно, что перейти на Солнце невозможно даже летом. Тогда летом можно прожить полностью на солнечном электричестве.
В пиках получаемая от Солнца мощность может доходить до 2200 Вт, это бывает, как правило, в прохладную, но солнечную погоду, например, в апреле или на рубеже лета и осени. Еще некоторые цифры. Следует также заметить, что, если аккумуляторы заряжены, а нагрузка в доме небольшая, потенциал Солнца будет недоиспользован. За день удается собрать до 12 кВт.ч электроэнергии максимум, при этом пиковая мощность редко превышает 1600 Вт. Остается надеяться, что аналогичная практика будет легализована и у нас, тогда это даст хороший толчок развитию солнечной энергетики. За границей разрешают продавать излишек энергии в сеть, тем самым используя солнечные панели на 100%.
Вообще при наличии подобной системы с альтернативным источником и аккумуляторами, достаточно иметь дополнительно маломощный резервный генератор, например на 1. Так или иначе, но с появлением солнечных панелей периодические короткие отключения сетевого электричества стали больше не страшны. А пики могут покрываться инвертором от аккумуляторов. 5 кВт, который обеспечивает подзарядку батарей и минимальное потребление в доме.
Есть и более эффективный, а именно – сбор солнечного тепла с помощью специальных коллекторов. Однако, солнечное электричество – это не единственный способ получения энергии от Солнца. Особенно привлекательным этот способ становится, если нет газа для отопления и приготовления горячей воды. Они очень распространены в южно-европейских странах. Основные типы коллекторов – вакуумные и плоские. С помощью коллекторов тепло можно получать напрямую, без дополнительных преобразований. Остается решить какие выбрать и вообще решиться на установку. Вакуумные сохраняют работоспособность зимой, плоские — дешевле и лучше работают летом. Поскольку солнечная энергия для меня не является вопросом зимнего выживания, выбрал плоские коллекторы российского производства ЯSolar. Почитав отзывы о работе разных солнечных коллекторов и систем на их основе, решился-таки установить подобную систему. По данным производителя мощность таких коллекторов около 1. Два коллектора расположились на крыше рядом с солнечными панелями в 2015 году. установленная мощность получилась около 3 кВт. 5 кВт, т.е. Вышло даже мощнее установленных электрических солнечных панелей.
Например, его можно использовать только для ГВС, или как дополнительный источник тепла в системе отопления. Установка солнечного коллектора более сложная задача по сравнению с солнечной панелью, так как вариантов его включения в систему теплоснабжения дома гораздо больше. И при этом необходимо исключить замерзание системы зимой, а также перегрев системы при слишком знойном Солнце летом. Возможны различные промежуточные варианты. Ну, и, конечно, необходимо проложить теплоизолированные трубы, установить насосную станцию и расширительный бак, подключиться к теплообменнику, установить управляющую электронику. И еще нужна защита от ожогов горячей водой. А основную схему работы определил в ходе консультаций с профессионалами. Всю эту работу я поручил специализированной фирме. Напомню, газ к дому не подведен. Цель (помимо инженерного фана) простая: обеспечить экономию электроэнергии на подготовку ГВС и отопление.
Рисунок 2 Согласованная схема солнечной энергоустановки.
К нижнему теплообменнику подключены последовательно соединенные солнечные коллекторы. Центральным элементом всей системы является 300-литровый бойлер для приготовления горячей воды с двумя змеевиками-теплообменниками. Солнце прогревает воду в бойлере, горячая вода поднимается вверх и отдает тепло второму, верхнему змеевику-теплообменнику, который включен последовательно в одноконтурную систему отопления дома. И это единственная «точка входа» солнечного тепла в систему отопления и ГВС дома. В них залиты антифризы, причем в солнечный – специальный с широким диапазоном рабочих температур. Таким образом, в системе отопления получилось два полностью изолированных контура – солнечный и основной, с электрическим котлом. В результате, в солнечный день мы получаем и горячую воду и тепло для отопления. А обмен теплом идет через воду системы ГВС. Попутно, за счет отбора тепла в систему отопления, решается задача защиты бойлера от перегрева. А отопление требуется даже летом, например, для санузла. Забегая вперед скажу, что за время наблюдения за системой температура горячей воды не поднималась выше 60 градусов Цельсия. Хотя, на всякий случай предусмотрено принудительное включение рециркуляции горячей воды для сброса избыточного тепла. Получившаяся система обладает следующими свойствами:
- Интегрированы в единую систему независимые источники тепла: солнечный коллектор, электрический котел, ТЭН бойлера.
- В солнечный день сокращается потребление электричества для подогрева воды и отопления.-
- Обеспечено накопление тепла в бойлере для сглаживания работы системы отопления и для обеспечения теплом дома на время краткосрочного отключения электроэнергии. Причем это свойство актуально и зимой (когда нет Солнца), так как вода подогревается обратной магистралью системы отопления через верхний теплообменник бойлера. При выключении котла вода отдает тепло в систему отопления.
- Сокращено время прогрева дома в межсезонье. Более того, повышается средняя температура в доме в период отсутствия обитателей и выключенного отопления.
- Общая доля Солнца в энергобалансе дома выросла с 6-7% примерно до 15-20%.
Как видите, система вполне эффективна, поставленные цели достигнуты. Однако, пока все утверждения — качественные. Или базируются на измерениях, но сами измерения недоступны для сбора, анализа и использования в алгоритмах управления. Например, температуры теплоносителя в разных точках солнечного контура доступны для чтения на контроллере, управляющем циркуляционным насосом. Но, только там и доступны. Или текущая мощность и «урожай за день» солнечного электричества также доступны только внутри сети Xanbus (см. выше), и не используются для комплексного управления, увязанного с параметрами системы отопления. Эти обстоятельства подталкивают к поискам путей дальнейшего развития инженерных систем дома. Чтобы сделать жизнь в нем комфортнее, бережливее по отношению к природе. И, заодно, узнать что-то новое.
Для начала надо научиться измерять температуры в различных точках системы отопления/ГВС, включая солнечный контур. Ну а с чего начать, с постановки каких целей, уже ясно. Но, об этом в следующей статье. И уже до поиска конечного решения есть понимание, что одним измерением дело не ограничится. Пока покажу
скриншот мобильного приложения, на котором видны графики различных температур, включая график температуры теплоносителя в солнечном контуре.
