Автономное электроснабжение.Общая информация - All

Читайте в данном разделе:
•
Автономное электроснабжение
•
Гибридная ветросолнечная система
•
Расчёт ёмкости аккумуляторной батареи
•
Солнечное электричество
•
О бестопливных генераторах
•
Собственная электроэнергия
•
Сколько мы тратим энергии
•
Производство своей электроэнергии
Автономное электроснабжение
У Вас есть загородный дом, но нет возможности протянуть к нему линию электропередач
(ЛЭП)?
Или подключение к централизованным сетям электроснабжения непомерно дорого?
А, может быть, лучше сравнить эти 2 варианта — электроснабжение от ЛЭП и автономное
электроснабжение?
Нами были проведены такие расчёты. Они показали, что если суммарная мощность Ваших
потребителей (электрических нагрузок) не превышает нескольких кВт, а расстояние до
точки подключения к сетям централизованного электроснабжения более нескольких сотен
метров, то автономная система электроснабжения для Вашего дома может быть более
выгодна, чем подключение к сетям.
При этом, нужно учитывать следующие моменты:
•
При подключении к сетям централизованного электроснабжения, Вы должны
будете оплатить стоимость подключения к сетям, стоимость прокладки
низковольтной ЛЭП (стоимость колеблется в разных регионах от 10000 до 17000
долларов США за 1 км), а также, платить за потребляемую электроэнергию по
расценкам энергосетей.
Хорошо, если таких, как Вы, — несколько, и Вы можете разделить стоимость
подключения и строительства ЛЭП. Если же Вы хотите делать это самостоятельно,
Вам потребуется немало денег. Точнее, много.
•
Другой вариант — создание собственной автономной системы
электроснабжения. Плюсы этого варианта — Вам не нужно платить за подключение
к сетям централизованного электроснабжения и строительство ЛЭП, Вы не зависите
от цен на электроэнергию.
Вы сами являетесь хозяином своего оборудования и можете вырабатывать
электроэнергию тогда, когда Вам хочется. Минусы — Вам придётся уделять время
на техническое обслуживание и ремонт Вашего оборудования.
Особенно это относится к системе, содержащей дизель- или бензоэлектрический
агрегат (как основной или резервный источник электроснабжения). Нужно будет
следить за состоянием Вашей аккумуляторной батареи. Минимум обслуживания
требуют фотоэлектрические батареи.
Из чего же должна состоять система автономного электроснабжения? Обычно, состав
энергосистемы следующий:
1. Источник энергии. Их может быть один или несколько. Им может быть:
•
жидкотопливный генератор ЖТГ (бензо- или дизель-электрический агрегат);
•
фотоэлектрическая батарея;
•
ветроэлектрическая установка.
В качестве основного, может применяться любой из перечисленных источников.
Остальные могут использоваться, как дополнительные или резервные.
2. Аккумуляторная батарея (АБ). В системах на возобновляемых источниках энергии, в
силу непостоянства возобновляемого ресурса, это — необходимый элемент.
Даже, если основной источник у Вас ЖТГ, наличие аккумуляторной батареи позволит
Вам включать его на непродолжительное время в течение дня, а электроэнергию иметь
непрерывно.
3. Инвертор, т.е., преобразователь постоянного тока в переменный. Необходим, если у
Вас есть потребители переменного тока на напряжение 220 В, или, если Ваши
потребители находятся на значительном расстоянии от АБ (потери в проводах
постоянного тока низкого напряжения могут оказаться существенными).
4. Контроллер заряда АБ. Необходим для предотвращения перезаряда и переразряда АБ.
Очень часто бывает встроен в инвертор.
5. Нагрузка. В автономной системе электроснабжения необходимо использовать только
энергоэффективные приборы.
Например, использование ламп накаливания очень не рекомендуется, так как они
потребляют ток в 4 раза больший, чем люминесцентные лампы.
Несмотря на то, что, обычно, энергоэффективные приборы дороже, их использование
может обернуться значительной экономией, за счёт снижения мощности источника
энергии и ёмкости АБ.
Источники резервного электропитания
Вы думаете, как построить систему электроснабжения Вашего загородного дома?
К Вашему дому подведена линия электропередач (ЛЭП), но из-за частых отключений сети
или ограничений наподключаемую мощность Вы не можете с удовольствием
пользоваться Вашими электроприборами?
Из-за частого отключения электроэнергии Вы не можете оставить без присмотра
холодильник?
Качество электроэнергии оставляет желать лучшего?
У Вас нередки перенапряжения и подсадка в сети, из-за того, что сосед на соседней или на
одной с вами фазе включает сварочный аппарат или электрообогреватель мощностью,
превышающей допустимую?
Мы поможем Вам решить эти проблему. Если у Вас уже подведена ЛЭП, то всё, что Вам
нужно — это источник бесперебойного резервного питания (ИБП). Он обычно состоит из:
•
инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный;
•
аккумуляторной батареи (АБ), которая подзаряжается во время наличия
электроэнергии от внешнего источника;
•
контрόллера, который следит за зарядом и разрядом АБ, а также, за
напряжением во внешней сети.
Если величина напряжения выходит за допустимые пределы (или напряжение пропадает),
контроллер даёт команду системе переключиться на питание от АБ через инвертор.
Мы предлагаем Вам следующие системы резервного электроснабжения:
Система с синусоидальной формой выходного напряжения
Такие системы должны применяться там, где потребители (нагрузка) чувствительны к
форме питающего напряжения.
Например, некоторые электродвигатели, а также, трансформаторы и другая индуктивная
нагрузка, перегреваются и отдают меньшую мощность, при питании их
несинусоидальным током.
Мы предлагаем Вам системы с выходной мощностью 1 и 2 кВт.
Система с квазисинусоидальной формой выходного напряжения
Такие системы должны применяться там, где потребители (нагрузка) нечувствительны к
форме питающего напряжения.
К таким потребителям относятся различные нагревательные приборы, приборы с
импульсным блоком питания (современные телевизоры, компьютеры и т.п.), различная
осветительная нагрузка, коллекторные двигатели переменного тока (различный
электроинструмент) и т.п.
Обе системы используют АБ различной ёмкости для хранения электроэнергии.
Несмотря на то, что в системах бесперебойного питания можно применять и обычные
автомобильные АБ, мы настоятельно рекомендуем к применению специальные
высокоэффективные герметичные аккумуляторы.
Такие АБ можно хранить и устанавливать в обычных помещениях (для стартерных и
других негерметичных батарей необходимо специальное хорошо проветриваемой
помещение и поддержание температурного режима, потому что, при своей работе, они
выделяют ядовитые газы).
Возобновляемые источники энергии
А что делать, если ЛЭП находится далеко от Вас, и её подключение невозможно или
экономически невыгодно?
В этом случае, мы предлагаем Вам установить систему с использованием возобновляемых
источников энергии (ВИЭ).
Если в вашей местности большую часть года светит яркое солнце, или дуют сильные
ветры, то, даже при существующих ценах, электроснабжение Вашего дома от
возобновляемых источников энергии будет более дешёвым вариантом, чем прокладка и
подключение ЛЭП.
Мы предлагаем Вам системы электроснабжения с питанием от следующих источников:
•
Солнечных фотоэлектрических батарей.
•
Ветроэлектрических установок различной мощности.
•
А также, термоэлектрические генераторы (для питания отдельных
осветительных и бытовых приборов).
А что делать, если сети нет в принципе? И её подведение — невозможно или стоит, ну
очень больших денег?
В этом случае, наша система будет состоять из следующих компонентов:
•
Источника бесперебойного питания (ИБП) (со встроенным контроллером
заряда АБ).
•
Аккумуляторной батареи.
•
Резервного бензоэлектрического генератора, мощностью 1-3 кВт.
•
Фотоэлектрической батареи (ФЭБ) или ветроэлектрической установки (ВЭУ).
Введением в систему резервного бензоэлектрического генератора (БЭГ), мы добиваемся
решения нескольких проблем.
Во-первых, БЭГ используется, как резервный источник электроснабжения.
Во-вторых, от БЭГ можно осуществлять форсированный заряд аккумуляторной батареи,
если она разрядилась до опасного уровня.
При этом, БЭГ будет работать с максимальной загрузкой, что обеспечивает минимальное
удельное потребление топлива.
В-третьих, появляется возможность кратковременно питать относительно большую
нагрузку — стиральную машину, производственный инструмент (станки и т.п.), утюг и т.д.
На время работы такой нагрузки, Вы включаете БЭГ и питаете Вашу нагрузку напрямую
от него.
Остальное время, нагрузка может питаться от ИБП и АБ.
Если же, в Вашем районе ярко светит солнце, и часто дуют сильные ветры, то можно
свести до минимума время работы БЭГ (и, следовательно, расходы на топливо и
техническое обслуживание). Как?
Путём введения в систему фотоэлектрической батареи (если у Вас много солнца) или
ветроустановки (если дуют ветры).
Особенность построения систем на базе возобновляемых источников энергии заключается
в относительно жёсткой привязке к местности и доступным ресурсам возобновляемой
энергии.
Мы можем рассчитать Вам систему на базе ВИЭ для Вашего конкретного случая.
Гибридная система электроснабжения с фотоэлектрической батареей и бензо-генератором
для питания нагрузки переменного тока (освещение, телевизор, аудиосистема,
холодильник, стиральная машина и т.д.).
Готовые фотоэлектрические системы
Система электроснабжения автономного дома, на базе фотоэлектрической солнечной
батареи состоит из следующих компонентов:
•
Солнечной батареи необходимой мощности.
•
Контроллера заряда аккумуляторной батарея, который предотвращает
губительные для батареи глубокий разряд и перезаряд.
•
Батареи аккумуляторов (АБ).
•
Инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный.
•
Энергоэффективной нагрузки постоянного и переменного тока.
Для обеспечения надёжного электроснабжения, необходим резервный источник
электропитания .
В качестве такого источника может использоваться небольшой (2-6 кВт) бензо- или
дизельэлектрогенератор.
Введение такого резервного источника электроэнергии резко сокращает стоимость
солнечной батареи из-за отсутствия необходимости рассчитывать её на худшие
возможные условия (несколько дней без солнца, эксплуатация зимой, и т.п.)
В этом случае, в систему также вводится зарядное устройство для быстрого заряда (в
течение нескольких часов) АБ от жидкотопливного электрогенератора (ЖТЭГ).
Возможно применение блока бесперебойного питания, в котором возможность заряда АБ
уже встроена.
Ниже приведён вариант такой системы для электроснабжения удалённого жилого дома.
Принимаются следующие исходные данные:
•
Суточное потребление энергии — 3 кВтч (среднестатистические данные по
России).
•
Приход солнечной радиации — 4 кВтч/м2 в день (средний приход солнечной
радиации для европейской части России летом).
•
Максимальная пиковая мощность нагрузки — 3 кВт (можно одновременно
включить стиральную машину и холодильник).
•
Для освещения используются только компактные люминесцентные лампы
переменного тока.
•
В пиковые часы (часы максимальной нагрузки, например, когда включены
стиральная машина, электрокипятильник, утюг и т.п.), для предотвращения
быстрого разряда АБ, включается ЖТЭГ.
•
ЖТЭГ также будет включаться, при пасмурной погоде, если АБ разряжается
до нижнего допустимого напряжения.
Если необходимо минимизировать время работы жидкотопливного электрогенератора, с
целью сохранения топлива, солнечная фотоэлектрическая система электроснабжения
будет состоять из элементов со следующими параметрами:
•
пиковая мощность солнечной батареи равна 1000 Вт;
•
минимальная номинальная мощность инвертора (ИБП) — 2 кВт, с
возможностью кратковременной нагрузки до 3 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;
•
аккумуляторная батарея общей ёмкостью 1000 Ач (при напряжении 12 В);
•
контроллер заряда на ток до 40-50 А (при напряжении 24 В);
•
бензогенератор мощностью 3-4 кВт;
•
зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до 150 А;
•
кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы, разъёмы,
электрощиты и т.п.).
Стоимость такой системы, при существующих ценах на комплектующие, будет около
7800 USD.
Если допустимо увеличение времени работы ЖТЭГ, стоимость системы можно снизить,
за счёт его более частого включения.
В этом случае, энергия от солнечной батареи будет использоваться для электроснабжения
минимальной нагрузки — освещение, радио, телевизор — а ЖТЭГ, будет включаться
несколько раз в день (от 2 и более, в зависимости от выбранной ёмкости АБ).
При этом, начальная стоимость системы снижается, как за счёт уменьшения пиковой
мощности солнечной батареи, так и за счёт снижения емкости АБ.
Такая оптимальная система для электроснабжения жилого дома может состоять из
следующих компонентов:
•
солнечной батареи с пиковой мощностью 300-320 Вт;
•
инвертора (ИБП) мощностью 2 кВт, с возможностью кратковременной
нагрузки до 3 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;
•
аккумуляторной батареи, общей ёмкостью 400 Ач (при напряжении 12 В);
•
контроллера заряда на ток до 40-50 А (при напряжении 24 В);
•
дизель генератора, мощностью 4-6 кВт;
•
зарядного устройства, для заряда АБ от бензогенератора, на ток до 150 А;
•
кабелей и коммутационной аппаратуры (выключатели, автоматы, разъемы,
электрощиты и т.п.).
Стоимость такой системы, при существующих ценах на комплектующие, будет около
5500-6000 USD.
При этом, необходимо учитывать, что возрастут эксплуатационные расходы, за счёт
большего расхода топлива.
Гибридная ветросолнечная система
Предназначена для питания маломощной нагрузки постоянного тока и переменного тока
(опция).
Предлагается, примерно, такой же набор систем, на базе ветроэлектрической установки.
Автономная ветроэлектрическая система, позволяющая питать 2-3 люминесцентных
светильника, телевизор, радио и другую маломощную нагрузку постоянного тока.
Автономная ветроэлектрическая система для питания осветительной нагрузки дома (4-6
светильников), телевизора, небольшого холодильника.
Гибридная система электроснабжения с ветроэлектрической установкой и бензогенератором, для питания нагрузки переменного тока (освещение, телевизор,
аудиосистема, холодильник, стиральная машина и т.д.).
Ветросолнечная электростанция
В большинстве районов, приход солнечной радиации и наличие ветра находятся в
противофазе (т.е., когда светит яркое солнце, обычно, нет ветра, а если дует сильный
ветер, то солнца нет).
Поэтому, для обеспечения бесперебойного электроснабжения автономного объекта,
уменьшения необходимой мощности ветротурбины, солнечной батареи и ёмкости
аккумуляторной батареи, улучшения режимов работы станции, во многих случаях,
целесообразно использование гибридной ветросолнечной электростанции.
Особенно ощущаются преимущества гибридных станций, при круглогодичном
использовании.
При этом, в зимнее время, основная выработка электроэнергии приходится на
ветроэлектрическую установку, а летом — на солнечные фотоэлектрические модули.
Инвертор с синусоидальным напряжением
Блок бесперебойного питания (ББП) предназначен для работы электробытовых приборов
и другой аппаратуры на ~220 В, суммарной мощностью — до 1 кВт, как от источника
переменного тока (электросеть, бензо-дизель генератор), так и от аккумуляторной батареи,
которая может заряжаться от солнечной батареи или ветроэлектрической установки.
Также, существует модификации мощностью 1,2, 2 и 5 кВт.
Условия, параметры работы, правила эксплуатации — аналогичны описанным ниже для
ББП мощностью 1 кВт.
Если Вам не нужна функция блока бесперебойного питания, возможна модификация,
состоящая только из инвертора.
В этом случае, нет функций зарядки от сети и слежения за наличием и качеством сети.
Инвертор подключается к АБ, а к его выходу — подключается нагрузка переменного тока.
Параметры по входному и выходному напряжению, а также, другие характеристики, не
относящиеся к функции ББП, расположены в описании моделей.
Инвертор с квазисинусоидальным напряжением
Предлагаются блоки автономного электропитания с выходными максимальными
мощностями 0,9/1,5/2/3/4,5/6 кВт.
Назначение
Блок автономного электропитания, в комплекте с аккумуляторной батареей, предназначен
для обеспечения бесперебойной работы электробытовых приборов и другой аппаратуры,
как от источника переменного тока (электросеть, бензо-дизель генератор с напряжением
~220 В, при частоте 50 Гц), так и от аккумуляторной батареи, которая может заряжаться
от солнечной батареи или ветроэлектрической установки.
Расчёт ёмкости аккумуляторной батареи
При расчёте системы автономного электроснабжения, очень важно правильно выбрать
ёмкость аккумуляторной батареи.
Для предварительного расчёта, Вы можете руководствоваться следующими простыми
правилами:
•
ёмкость, которую должна выдавать АБ рассчитывается, исходя из количества
электроэнергии в Вт*ч, потребляемого от АБ в режиме разряда. Значение
количества электроэнергии рассчитывается, исходя из данных вашей нагрузки и
режимов её работы (т.е., когда и сколько будет работать нагрузка данной мощности,
в течение определённого периода времени, например, дня или недели). Это
количество электроэнергии нужно поделить на напряжение аккумуляторной батареи
(12, 24 или 48 В) для получения значения необходимой емкости;
•
номинальная ёмкость АБ (т.е., та, которая указывается в спецификации или
названии АБ), будет зависеть от ряда факторов, таких, как допустимая глубина
разряда, температура окружающей среды, тип АБ и т.д. Значение, полученное в
первом пункте, нужно будет умножить на коэффициенты, учитывающие эти условия
работы.
•
в общем случае, нужно руководствоваться следующими параметрами:
допустимая глубина разряда — не должна превышать 30-40% для герметичных
необслуживаемых батарей, и 20% для стартерных батарей. Это — средние цифры,
так как, при быстром разряде большими токами, допускается более низкое конечное
напряжение батарей;
•
ёмкость АБ понижается с понижением температуры. Используется
коэффициент от 1 до 2,5;
•
срок службы АБ понижается, при увеличении температуры окружающей
среды выше 25 градусов Цельсия.
Температурный коэффициент для аккумуляторной батареи
Температура в градусах
Коэфф.
Фаренгейта
Цельсия
80F
26.7C
1.00
70F
21.2C
1.04
60F
15.6C
1.11
50F
10.0C
1.19
40F
4.4C
1.30
30F
-1.1C
1.40
20F
-6.7C
1.59
Часть расчётов по определению потребляемой мощности и необходимой мощности АБ,
является общей для всех систем автономного электроснабжения.
Типичная потребляемая мощность бытовой нагрузки
Нагрузка
Кофемолка
Мощн.,
Нагрузка
Вт
200
Бритва
Кофеварка
800
Ноутбук
Тостер
8001500
Настольный
компьютер
Мощн.,
Нагрузка
Вт
Мощн.,
Вт
15
Люминесцентная
лампа, экв. 40 Вт
лампы
накаливания
11
20-50
Люминесцентная
лампа, экв. 60 Вт
лампы
накаливания
16
80-150
Люминесцентная
лампа, экв. 75 Вт
лампы
накаливания
20
100
Люминесцентная
лампа, экв. 100 Вт
лампы
накаливания
30
Компактные
люминесцентные
лампы- 20Вт
22
Блендер
300
Принтер
Микроволновая
печь
6001500
Электрическая
80-200
печатная машинка
Электроплитка
1200
TV — 25» цв.
150
1/4» Дрель
250
Автоматическая
стиральная
машина
500
TV — 19» цв.
70
1/2» дрель
750
Ручная
стиральная
машина
300
TV — 12» ч-б.
20
1» дрель
1000
Пылесос
200-700 Видеомагнитофон
40
9» болгарка
1200
Ручной пылесос
100
CD плейер
35
3» Belt Sander
1000
Sewing Machine
100
Радио, стерео
10-30
12» цепная пила
1100
Утюг
1000
Радиочасы
1
14» Band Saw
1100
Электросушилка
для вещей
400
Спутниковая
тарелка
30
7-1/4» дисковая
пила
900
Радиопередатчик
CB
5
8-1/4» дисковая
пила
1400
3
Холодильник с
морозильной
камерой 20cf (15
часов)
540
100
Холодильник с
морозильной
камерой 16cf (13
часов)
475
Газовая сушилка
300
для вещей
Насос
Электрические
250-500
часы
Потолочный
вентиллятор
10-50
Лампы
накаливания
100Вт
Настольный
вентиллятор
10-25
Компактные
люминесцентные
лампы 25Вт
28
SunFrost 12cf DC (7
70
часов)
Электроодеяло
200
Лампы
накаливания на
постоянный ток
50Вт
50
Freezer 14cf DC (15
440
часов)
Сушилка
1000
Галогеновые
лампы 40Вт
40
Freezer 14cf DC (14
350
часов)
Использование солнечного электричества
Мы можем использовать энергию солнца для разных целей.
Одна из них — это выработка электрической энергии. При использовании солнечных
батарей, энергия солнца напрямую преобразуется в электрическую.
Этот процесс называется фотоэлектрический эффект (сокращенно ФЭ).
Использование солнечного электричества имеет много преимуществ.
Это — чистый, тихий и надёжный источник энергии. Впервые фотоэлектрические батареи
были использованы в космосе на спутниках.
Сегодня солнечное электричество широко используется.
В удалённых районах, где нет централизованного электроснабжения, солнечные батареи
используются для электроснабжения отдельных домов, для подъёма воды и охлаждения
лекарств.
Эти системы зачастую используют аккумуляторные батареи для хранения выработанной
днём электроэнергии.
Кроме того, калькуляторы, телекоммуникационные системы, буи и т.д. работают от
солнечного электричества.
Другая область применения — это электроснабжение домов, офисов и других зданий, или
генерация электричества для сетей централизованного электроснабжения.
Солнечные фотоэлектрические установки могут быть следующих основных типов:
Автономные, в случае если нет подключения к сети.
Солнечные модули генерируют электричество для целей освещения, питания телевизора,
радио, насоса, холодильника или ручного инструмента.
Обычно, для хранения энергии используются аккумуляторные батареи.
Соединённые с сетью, если объект подключён к сети централизованного
электроснабжения, солнечные батареи могут использоваться для генерации собственного
электричества.
Избыток электрической энергии, обычно, продаётся электросетям.
Резервные системы, фотоэлектрическая системы подключается к сетям плохого качества.
В случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения, для
покрытия нагрузки используется солнечная система
Фотоэлектрические модули
Солнечные панели состоят из солнечных элементов.
Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии
для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для
того, чтобы производить больше электричества.
Солнечные панели (также называемые фотоэлектрические или солнечные модули),
производятся многих типов и размеров.
Наиболее типичные — это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью 40-60 Wp
(пиковый ватт, т.е., мощностью максимум в 40-60 Вт, при ярком солнце).
Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до 0,6 м2.
Однако, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен в продаже.
Солнечные панели могут соединяться между собой для того, чтобы получить большую
мощность (например, 2 модуля по 50 Wp, соединённых вместе, эквивалентны модулю
мощностью 100 Wp).
КПД доступных в продаже модулей варьируется в пределах 5-15%.
Это значит, что 5-15% от количества энергии, падающей на солнечный элемент, будет
трансформировано в электричество.
Исследовательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для СЭ с
более высоким КПД (до 30%).
Стоимость производства — также очень важна.
Некоторые новые технологии (такие как, например, тонкоплёночные), позволяют
производить СЭ в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и
модулей.
Солнечный свет проходит свой путь от Солнца до Земли по прямой линии. Когда он
достигает атмосферы, часть света преломляется, а часть достигает земли по прямой линии.
Другая часть света поглощается атмосферой. Преломлённый свет — это то, что обычно
называется диффузной радиацией, или рассеянным светом.
Та часть солнечного света, которая достигает поверхности земли без рассеяния или
поглощения — это прямая радиация. Прямая радиация — наиболее интенсивная.
Солнечные модули производят электричество даже, когда нет прямого солнечного света.
Поэтому, даже при облачной погоде, фотоэлектрическая система будет производить
электричество.
Однако, наилучшие условия для генерации электроэнергии будут, при ярком солнце и при
ориентации панелей перпендикулярно солнечному свету.
Для местностей северного полушария панели должны быть ориентированы на юг, для
стран южного полушария — на север.
На практике, солнечные панели должны быть ориентированы под определённым углом к
горизонтальной поверхности.
Около экватора солнечные панели должны располагаться под очень маленьким углом
(почти горизонтально), для того, чтобы дождь смывал пыль и грязь с фотоэлектрических
модулей.
Небольшие отклонения от этой ориентации не играют существенной роли, потому что, в
течение дня, солнце двигается по небу с востока на запад.
Доля производства энергии фотоэлектрической системой, при наклоне 45 градусов, для
широты местности 52 градуса северной широты.
Выработка максимальна (100%), когда панели расположены под углом 36 градусов и
ориентированы на юг.
Разница между направлениями на юг, юго-восток и юго-запад — незначительна.
Ориентация солнечных панелей — угол наклона
Солнце двигается по небу с востока на запад. Солнечные панели наиболее эффективно
работают, когда они направлены на солнце и их поверхность перпендикулярна солнечным
лучам.
Солнечные панели, обычно, располагаются на крыше или поддерживающей конструкции
в фиксированном положении и не могут следить за положением солнца в течение дня.
Поэтому, обычно, солнечные панели не находятся под оптимальным углом (90 градусов) в
течение всего дня.
Угол между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью обычно называют углом
наклона.
Вследствие движения Земли вокруг Солнца, имеют место также сезонные вариации.
Зимой солнце не достигает того же угла, как летом. В идеале, солнечные панели должны
располагаться летом более горизонтально, чем зимой.
Поэтому, угол наклона для работы летом выбирается меньше, чем для работы зимой.
Если нет возможности менять угол наклона дважды в год, то панели должны
располагаться под оптимальным углом, значение которого лежит где-то посередине
между оптимальными углами для лета и зимы.
Для каждой широты есть свой оптимальный угол наклона панелей. Только для местностей
около экватора солнечные панели должны располагаться горизонтально.
Обычно принимается для весны и осени оптимальный угол наклона, равным значению
широты местности.
Для зимы, к этому значению прибавляется 10-15 градусов, а летом — от этого значения
отнимается 10-15 градусов.
Поэтому, обычно рекомендуется менять дважды в год угол наклона с «летнего» на
«зимний».
Если такой возможности нет, то угол наклона выбирается, примерно, равным широте
местности.
Небольшие отклонения, до 5 градусов, от этого оптимума, оказывают незначительный
эффект на производительность модулей.
Различие в погодных условиях более влияет на выработку электричества.
Для автономных систем оптимальный угол наклона зависит от месячного графика
нагрузки, т.е., если в данном месяце потребляется больше энергии, то угол наклона нужно
выбирать оптимальным именно для этого месяца.
Пример
Оптимальный угол наклона для широты 52 градуса (северной широты) для соединённых с
сетью систем составляет 36 градусов. Однако, для автономной системы с примерно
равной потребностью в энергии в течение года, оптимальный угол наклона будет
составлять около 65-70 градусов.
Фотоэлектрические системы
Для того, чтобы фотоэлектрические модули были надёжным источником электроэнергии,
необходимы дополнительные элементы в системе: кабели, поддерживающая структура и,
в зависимости от типа системы (соединённая с сетью, автономная или резервная), ещё и
электронный инвертор и контроллер заряда с аккумуляторной батареей.
Такая система, в целом, называется солнечной фотоэлектрической системой, или
солнечной станцией. Есть три основных типа солнечных фотоэлектрических систем:
Автономные системы для отдельных домов.
Системы, соединённые с сетью.
Резервные системы.
Годовая инсоляция одного квадратного метра
горизонтальной площадки в разных городах России
в мегаваттах.
Архангельск 0.85
/мегаватт/
Новосибирск 1.14
/мегаватта/
Петербург 0.93 /мегаватта/
Екатеринбург 1.1
/мегаватта/
Омск 1.26 /мегаватта/
Ростов на Дону 1.29
/мегаватта/
Москва 1.01 /мегаватта/
Астрахань 1.38 /мегаватта/
Количество попадающего на освещаемую поверхность потенциально полезного
солнечного излучения определяется понятием, именуемым инсоляцией. Солнечная
инсоляция сильно изменяется от одной точки земной поверхности к другой. Степи
Астрахани получают значительно больше света, чем Петрозаводск или Санкт-Петербург.
При нахождении величины инсоляции какого-либо района необходимо учитывать
несколько факторов:
-влияние времени года, обуславливающее более низкую освещенность и долготу дня
зимой;
-характер местности, освещаемой солнцем (наличие загораживающих солнце деталей
рельефа);
-местные погодные условия (облачность, туман, дождь);
-длительность солнечного облучения, т.к. солнечные лучи, падающие на освещаемую
поверхность под очень малым углом, малопригодны для использования. Как говорится,
"…и хотя закат может быть восхитительным, его лучи далеко не так энергичны, как
хотелось бы " ;
На этой страничке приведена таблица характеристик солнечной радиации в основных
районах России с градацией по месяцам года и ориентации световоспринимающей
плоскости в пространстве.
Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт.ч/м2.
Астрахань, широта 46.4 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек
Горизонтальная панель
Вертикальная панель
Наклон панели " 35.0°"
Вращение вокруг
полярной оси
Владивосток, широта
43.1
Горизонтальная панель
Вертикальная панель
Наклон панели - 50.0°
Вращение вокруг
полярной оси
год
32,4 52,9 95,5 145,5 189,4 209,9 189,7 174,7 127.8 81.7 45.0 26.6 1371.1
62.1 75.9 99.5 103.0 97.1 92.0 91.8 112.1 123.2 116.5 86.4 52.7 1112.2
56.1 77.9 122.5 161,6 187.8 197.7 184.5 189.9 164.6 124.7 80.2 46.9 1593.6
69.4 96.0 157.1 218.3 268.0 293.3 269.1 276,1 229 164,4 102,3 57,3 2200,2
янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек
72.7 93.2 130.0 135,1 143.9 129.2 124.3 124.8 119.1 94.3 64.6 57.8 1289.5
177.0 166.0 139.2 90.2 74. 9 64.4 66.9 79.0 105.2 126.8 127.7 147.1 1364.2
169.0 171.8 173.0 138.1 121.1 109.6 109.1 121.7 144.1 147.5 130.3 139.5 1681.3
194.9 211.1 227.0 189.3 178.9 150.6 142.8 164.3 194.2 184.0 151.9 157.6 2146.7
Москва,Котельническая
янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек
наб,широта 55.7
Горизонтальная панель
Вертикальная панель
Наклон панели - 40.0°
Вращение вокруг
полярной оси
Петрозаводск,широта
61.
Горизонтальная панель
Вертикальная панель
Наклон панели - 45.0°
Вращение вокруг
полярной оси
год
год
16.4 34.6 79.4 111.2 161.4 166.7 166.3 130.1 82.9 41.4 18.6 11.7 1020.7
21.3 57.9 104.9 93.5 108.2 100.8 108.8 103.6 86.5 58.1 38.7 25.8 908.3
20.6 53.0 108.4 127.6 166.3 163.0 167.7 145.0 104.6 60.7 34.8 22.0 1173.7
21.7 62.3 132.9 161.4 228.0 227.8 224.8 189.2 126.5 71.6 42.2 26.0 1514.3
янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек
год
7.1 19,9 66,7 101,1 141.0 167,1 157.7 109,6 56,5 23.0 8.2 2.4 860.0
20.0 41.3 120.2 107.1 102,7 112.0 113,6 98,1 67,6 36,0 14,4 2.8 835,6
16,8 36.9 116.4 127.7 148.1 166.3 163.7 128.6 77.3 36.7 13.5 2.8 1034,6
19.9 44.6 159.1 177.5 215.2 258.0 252.1 179.7 96.4 42.7 15.0 2.9 1463,0
ПетропавловскКамчатский,широта
53.3
Горизонтальная панель
Вертикальная панель
Наклон панели " 50.0°
Вращение вокруг
полярной оси
Сочи, широта 43.6
Горизонтальная панель
Вертикальная панель
Наклон панели - 35.0°
Вращение вокруг
полярной оси
Южно-Сахалинск,
широта 47
Горизонтальная панель
Вертикальная панель
Наклон панели 45.0°
Вращение вокруг
полярной оси
янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек
год
30.2 49.6 94.3 127.3 152.9 155.8 144.9 131.1 91.0 64.4 33.6 23.3 1098.4
77.7 99.7 133.3 116.1 96.5 90.3 91.3 99.5 97.1 111.5 86.8 78.5 1178.3
70.6 95.9 142.3 148.1 147.4 142.5 137.6 140.9 120.2 118.0 81.6 69.8 1414.9
80.2 114.5 181. 5 200.8 202.7 202.5 189.3 193.0 156.0 147.0 95.9 80.2 1843.6
янв
37.0
65.8
62.0
февр
55.2
76.5
80.2
март апр май июнь июль авг сент окт нояб
84.0 116.6 167.1 199.0 206.8 185.0 130.1 95.4 54.2
Я1.1 80.0 86.9 86.2 95.7 113.6 119.0 130.0 97.6
103.5 125.0 163.0 184.9 198.1 197.0 161.6 141.7 92.8
дек год
34.7 1365.1
67.6 1099.9
61.7 1571.4
76.0 99.1 129.9 160.1 222.1 269.3 289.0 284.0 222.0 185.8 117.2 75.6 2129.9
янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек
год
50.9 77.1 128.8 138.6 162.8 157.5 146.7 128.5 105.9 79.4 49.7 41.7 1267.5
113.2 137.8 1.32.2 103.4 90.3 81.9 82.9 87.3 99.5 111.4 97.9 97.7 1265.5
102.2 132.7 175.4 149.1 153.7 142.2 136.6 131.5 130.4 124.2 94.8 87.2 1560.2
118.5 160.6 219.3 191.8 206.6 193.4 176.3 167.5 167.7 153.8 111.7 99.9 1966.9
Автономные фотоэлектрические системы (АФС)
Автономные фотоэлектрические системы используются там, где нет сетей
централизованного электроснабжения.
Для обеспечения энергией в тёмное время суток или в периоды без яркого солнечного
света, необходима аккумуляторная батарея (АБ).
АФС часто используются для электроснабжения отдельных домов. Малые системы
позволяют питать базовую нагрузку (освещение и иногда, телевизор или радио).
Более мощные системы могут также питать водяной насос, радиостанцию, холодильник,
электроинструмент и т.п.
Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных
на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера
разряда - заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо
иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инверторпреобразователь постоянного напряжения в переменное.
Есть простая форма, которая может быть использована для расчёта автономной
фотоэлектрической системы: для подсчёта количества необходимых модулей, ёмкости
батареи и т.д. Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности
модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и емкости
АКБ; мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров
соединительных кабелей.
Прежде всего надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых
одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах
изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не
менее, чем в 1,25 раза больше расчетной. Следует иметь в виду, что такой хитрый прибор
как компрессорный холодильник в момент запуска потребляет мощность в 7 раз больше
паспортной. Номинальный ряд инверторов 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для
мощных станций (более 1кВт) напряжение станции выбирается не менее 48 В, т.к. на
больших мощностях инверторы лучше работают с более высоких исходных напряжений.
Следующий этап - это определение емкости АКБ. Емкость АКБ выбирается из
стандартного ряда емкостей с округлением в сторону, большую расчетной. А расчетная
емкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на
произведение напряжения АКБ на значение глубина разряда аккумулятора в долях.
Например, если суммарная мощность потребителей 1000 Втч в сутки, а допустимая
глубина разряда АКБ 12 В - 50 %, то расчетная емкость составит :
1000 / (12 * 0,5) = 167 Ач
При расчете емкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во
внимание и наличие в природе пасмурных дней в течении которых аккумулятор должен
обеспечивать работу потребителей.
Последний этап –это определение суммарной мощности и количества солнечных модулей.
Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется в период работы
станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного
использования - это декабрь.
В таблице годовой инсоляции даны месячные и суммарные годовые значения солнечной
радиации для основных регионов России, а также с градацией по различным ориентациям
световоспринимающей плоскости.
Взяв оттуда значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на
1000, получим так называмое количество пикочасов, т.е., условное время, в течении
которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.
Например, для широты Москвы и месяца-июля значение солнечной радиации составляет
167 кВтч/м2 при ориентации площадки на юг под углом 40о к горизонту. Это значит, что
среднестатистически солнце светит в июле 167 часов (5,5 часов в день) с интнсивностью
1000 Вт/м2, хотя максимальная освещенность в полдень на площадке, ориентированной
перпендикулярно световому потоку, не превышает 700-750 Вт/м2.
Модуль мощностью Рw в течении выбранного периода выработает следующее количество
энергии :
W = k Pw E / 1000, где Е - значение инсоляции за выбранный период, k- коэффициент
равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период.
Он (k) делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце,
а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течении дня.
Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в
зимний период.
Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы легко расчитать суммарную мощность модулей. А зная ее, простым делением ее на
мощность одного модуля, получим количество модулей.
При создании ФЭС настоятельно рекомендуется максимально снизить мощность
потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только
люминисцентные лампы. Такие светильники, при потреблении в 5 раз меньшем,
обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания.
Для небольших ФЭС целесообразно устанавливать ее модули на поворотном кронштейне
для оптимального разворота относительно падающий лучей. Это позволит увеличить
мощность станции на 20-30 %.
Хотя, умелый человек и может сделать большую часть работы по установке системы сам,
электрические соединения должны быть сделаны квалифицированным персоналом.
Солнечные ФС, соединённые с сетью
Когда есть сеть централизованного электроснабжения, но есть желание иметь
электроэнергию от чистого источника (солнца), солнечные панели могут быть соединены
с этой сетью.
При условии подключения достаточного количества фотоэлектрических модулей,
определённая часть нагрузки в доме может питаться от солнечного электричества.
Соединённые с сетью фотоэлектрические системы, обычно, состоят из одного или многих
модулей, инвертора, кабелей, поддерживающей структуры и электрической нагрузки.
Инвертор используется для соединения фотоэлектрических панелей с сетью. Существуют
также, так называемые, AC-модули, в которых инвертор встроен на задней части модуля.
Солнечные панели могут быть установлены на крыше здания под оптимальным углом
наклона с помощью поддерживающей структуры или алюминиевой рамы.
Простые системы с AC-модулями и заводскими поддерживающими структурами
выпускаются всё в более крупных масштабах.
Резервные системы
Резервные солнечные системы используются там, где есть соединение с сетью
централизованного электроснабжения, но сеть — ненадёжна.
Резервные системы могут использоваться для электроснабжения в периоды, когда нет
напряжения в сети.
Малые резервные солнечные системы электроснабжения наиболее важной нагрузки —
освещение, компьютер и средства связи (телефон, радио, факс и т.п.).
Более крупные системы могут также снабжать энергией и холодильник во время
отключения сети.
Чем больше мощность необходимая для питания ответственной нагрузки, и чем дольше
периоды отключения сети, тем большая мощность фотоэлектрической системы
необходима.
Система состоит из фотоэлектрических модулей, контроллера, аккумуляторной батареи,
кабелей, инвертора, нагрузки и поддерживающей структуры.
Контроллеры заряда для фотоэлектрических систем
Контроллеры заряда используются в автономных фотоэлектрических системах для
защиты аккумуляторных батарей (АБ) от глубокого разряда (когда есть перерасход
энергии) или перезаряда (когда батарея заряжена, а солнечная панель вырабатывает
избыток электричества).
Использование контроллеров заряда настоятельно рекомендуется.
Он отключает нагрузку, когда аккумулятор недопустимо разряжен.
Обычно, фотоэлектрические солнечные комплекты снабжаются контроллером заряда.
Наблюдайте за вашим контроллером заряда для определения степени заряженности АБ;
обычно на контроллере есть красный индикатор, который загорается, когда АБ разряжена,
и зелёный индикатор, который загорается, когда АБ заряжена.
Старайтесь, чтобы зелёный индикатор горел, как можно чаще. Это повысит срок службы
аккумуляторной батареи.
Никогда на подключайте нагрузку напрямую к АБ, минуя контроллер заряда, для того,
чтобы получить «последнюю порцию» энергии от батареи. Этим вы можете вывести вашу
АБ из строя.
Поддерживающая конструкция
Важной частью солнечной фотоэлектрической системы является поддерживающая
конструкция для солнечных панелей.
Поддерживающая конструкция обеспечивает правильный угол наклона панелей, а также,
необходимую жёсткость конструкции.
Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями должна
выдерживать порывы ветра и другие воздействия окружающей среды.
Имеется большое разнообразие конструкций — от самодельных до промышленно
изготавливаемых для больших фотоэлектрических систем.
Поддерживающая конструкция может быть изготовлена из металла или синтетического
материала.
Есть несколько типов поддерживающих конструкций, в зависимости от того, где
устанавливается фотоэлектрическая система.
Для соединённых с сетью систем, это может быть плоская или с малым наклоном
крышная конструкция, или конструкция для фасада здания.
Соединённые с сетью системы, также могут быть элементом конструкции здания
(интегрированные солнечные системы). Для таких применений разрабатываются и
изготавливаются специальные конструкции.
Интеграция со зданием стала важным аспектом для соединенных с сетью солнечных
фотоэлектрических систем.
Для уменьшения стоимости системы, интеграция в здание может иметь большое значение.
Более того, интеграция в здание может быть отличным способом улучшить архитектуру
здания и показать, что элементы конструкции здания также могут выполнять функцию
генерации электричества
Собственная электроэнергия
Обоснование необходимости
Сейчас мало кто из нас задумывается, включая электроприбор, какой путь проходит
электричество до того, как попасть на наш выключатель.
Его источник — большая электростанция, работающая на энергии воды, тепла или атома,
как наиболее распространённых сегодня.
Любая из них — источник негативной антропогенной нагрузки на окружающую среду.
ГЭС образует гниющие водохранилища, ТЭЦ требует добычи угля или газа
(невозобновляемых природных ресурсов), а АЭС провоцирует радиоактивное загрязнение,
все последствия которого нам ещё, возможно, аукнутся через несколько поколений.
Доставка энергии потребителю ведётся через высоковольтные линии, распространяющие
вокруг себя вредные излучения, а вторичная сеть электрораспределения существует
вокруг нас, подобно паутине, в подземных кабелях и воздушных линиях, замурованная в
стенах наших квартир.
Конечно, централизованное электроснабжение, это удобно, если не думать обо всём
вышесказанном. Зашёл домой, повернул выключатель, — светло.
Никто из нас не готов отказаться от такого удобства. Но, в наших силах, отказаться от
использования центральных сетей, чтобы не быть соучастниками глобального
негативного воздействия на природу.
Кроме того, пользуясь услугами поставщиков электричества, мы ставим себя в
зависимость от проводимой ими политики цен, порой, основанной на собственном
обогащении, к тому же, они не слишком утруждают себя заботой о качестве своей работы
и мы часто сидим в темноте по причине внезапного отключения.
Что нам дает автономное электроснабжение?
•
Во-первых, независимость от внешних источников, их руководителей и их
бесхозяйственности.
•
Во-вторых, отсутствие затрат на оплату энергопотребления.
•
В-третьих, использование возобновляемых источников энергии: ветра и солнца.
•
В-четвёртых, что важно для людей, желающих гармонии существования с
природой, автономное электроснабжение исключает ваше участие в глобальном
негативном антропогенном факторе — разрушительном влиянии энергосистем на
окружающий мир и здоровье живых существ, в том числе и самого человека.
Компоненты собственной электростанции
Солнце светит, в лучшем случае, только половину суток, а ветер дует не всегда, поэтому,
рассчитывать на прямое питание электроприборов от солнечных модулей или
ветрогенератора не стоит.
Электроэнергию надо накапливать и хранить. Возникает скользкий вопрос об
эксплуатации аккумуляторных батарей, которые, как известно, весьма вредные устройства.
Однако, современные аккумуляторы имеют достаточно долгий срок эксплуатации — 1015 лет, а их вредные компоненты надёжно упрятаны в герметичный корпус, не боятся
низких температур, не требуют обслуживания и не выделяют испарений.
Кроме того, отслужившие свой срок аккумуляторы перерабатываются на
специализированных предприятиях, с которыми всегда можно заключить договор.
Бытовые приборы, в основном, рассчитаны на переменный ток напряжением 220 В.
Ветрогенератор и солнечный модуль вырабатывают постоянный ток напряжением 12 В
(можно 24 В, 48 В).
Поэтому, потребитель может найти приборы, питающиеся от источника постоянного тока,
а может укомплектовать свою электростанцию инвертором, который хоть и увеличит
общую стоимость, но избавит вас от поиска редкоиспользуемых 12 вольтовых устройств и
от контроля за зарядом/разрядом аккумуляторов.
Таким образом, схематично, ваша электростанция выглядит следующим образом:
Для расчёта параметров каждого из компонентов необходимо знать несколько простых
вещей:
•
электроэнергию ваши приборы потребляют не постоянно, а ограниченное
время;
•
аккумуляторную батарею желательно иметь с запасом ёмкости;
•
не стоит бездумно тратить электричество, в условиях автономности этот
вопрос, как никогда, актуален;
•
мощность вашей электростанции можно наращивать постепенно;
•
лучше иметь две малых системы, чем одну большую;
А теперь, перейдём к подробному анализу каждого из компонентов.
Нагрузка или потребляемая мощность ваших электроприборов
Можно сказать сразу — забудьте о мощной бытовой технике. Не планируйте применение
1,5 кВт электрочайников, фритюрниц, тостеров, электроплит, микроволновых печей и
прочей ерунды, без которых вполне можно обойтись.
Кроме того, влияние на организм человека пищи, приготовленной в микроволновой печи,
например, ещё далеко не изучено. Если у вас пылесос 1,5 кВт — лучше купите послабее.
Используйте вместо ламп накаливания экономичные-люм, дающие такую же силу света,
но потребляющие в 3-4 раза меньше электроэнергии.
Стиральную машину-автомат приобретайте с возможностью подключения горячей и
холодной воды, без нагревательного элемента, потому что горячую воду вы сможете
получать иным способом, без электрозатрат. Составьте список электроприборов по
степени убывания их важности.
Разделите список на группы, если будете наращивать мощность своей электростанции
постепенно, т. е., сначала подключив самую важную группу, через пару месяцев —
другую, после приобретения, к примеру, дополнительной солнечной батареи и
аккумулятора и т. д. Например:
Группа-1
1. Осветительные приборы.
2. Утюг.
3. Стиральная машина.
4. Насос для воды .
Группа-2
5. Пылесос.
6. Телевизор.
7. Компьютер.
8. Холодильник.
Группа-3
9. Видеомагнитофон.
10. Электроинструмент.
11. Кофеварка.
Для кого телевизор важнее, чем насос для воды, поменяйте местами, или просто добавьте
его в группу первой важности.
У каждого электроприбора есть паспортная потребляемая мощность, измеряемая в Ваттах
(или в кВт, киловаттах).
Если люм-лампа, дающая свет, как 100-ваттная лампа накаливания, потребляет всего 30
Вт, то пользуясь ею 5 часов, вы потратите всего 150 Втч электроэнергии.
Если у вас в доме 20 лампочек, по 30 Вт каждая и вы, не заботясь об экономии, включите
в 6 часов вечера сразу все и будете жечь их до 12 ночи, то потратите 3600 Втч или 3,6
кВтч, за 6 часов.
Но нужны ли были вам сразу все лампы всё время? Конечно, нет! Помните плакат:
«Уходя, гасите свет!»
Не принимайте на веру слова «знающих» специалистов, которые ссылаются на нормы —
думайте сами. Вполне возможно, что нормы рассчитаны не на вас.
Так что, если вам скажут, что надо считать, исходя из 1 кВт на человека, — усомнитесь,
сядьте за калькулятор и пересчитайте.
Производство своей электроэнергии
Ветрогенераторы
Будем ориентироваться на недорогие, малошумные и компактные ветряки с
многолопастным ветроколесом. Для нас наиболее интересными будут являться те, что на
выходе имеют мощность не менее 0,5 кВт.
Надо учесть, что, в зависимости от скорости ветра, они вырабатывают разное количество
электроэнергии.
Обычно, номинальная мощность ветрогенератора рассчитывается для скорости ветра 9-10
м/с. График зависимости выработки генератором электрической мощности от скорости
ветра выглядит, примерно, так.
У некоторых генераторов хуже, у некоторых — лучше, но, в настоящее время
выпускаются ветрогенераторы, которые, при скорости ветра выше 5 м/с, вырабатывают
уже 50% мощности.
Необходимо учитывать, что скорость приземного ветра всегда ниже, потому что при
соприкосновении с землёй, воздушный поток замедляется.
Чем выше, тем скорость ветра больше. График зависимости скорости ветра от высоты над
уровнем моря выглядит, примерно, так.
Метеостанции обычно измеряют скорость ветра на высоте 10 м.
Пусть наш ветрогенератор расположен именно на этой высоте (чуть выше конька крыши
двухэтажного дома) и примем скорость ветра, равную 5-6 м/с, обычную для Хабаровска.
Значит, имея номинальную мощность 0,5 кВт, он будет вырабатывать 250 Вт/ч
электроэнергии в час, а в сутки — 6000 Вт/ч (6 кВт/ч)!
Даже, если в течение 12 часов будет стоять полный штиль, что весьма нехарактерно для
нашей местности, мы можем получить не менее 3 кВт/ч.
Если у вас достаточно аккумуляторной ёмкости, то всю её можно будет сохранить и
использовать в удобное для вас время. Обратите внимание, что полученного запаса
вполне достаточно, чтобы перекрыть потребность в электричестве для первой группы
потребления.
Ниже приведены картинки с ветрогенераторами мощностью 0,5 кВт. Генератор Aero6Gen,
Англия и генератор WindElectric, Украина.
Солнечные модули
Преобразование энергии солнца в электрическую осуществляют пластины из
монокристаллического кремния.
Несколько пластин крепятся на каркасе, закрываются специальным стеклом и получается
симпатичная панель, называемая солнечным модулем.
В зависимости от количества пластин, они бывают разной мощности, но, обычно,
мощность одного модуля не превышает 100 Вт. Размеры 100 ваттного модуля, примерно,
1580х720х50 мм, а вес — около 16 кг.
Если вы установили 100 Вт солнечный модуль, это не значит, что он будет выдавать вам
100 Вт в час.
Всё зависит от уровня освещённости, температуры модуля (чем он сильнее нагревается,
тем меньше его КПД), угла наклона к направлению солнечного потока.
Судя по данным, приведённым на различных сайтах, уровень солнечной радиации в
нашей местности позволяет надеяться лишь на 40-70% от номинальной мощности
солнечного модуля, в зависимости от времени года, хотя, возможно, что я ошибаюсь.
Пусть пять 100 ватных модулей дают нам, в среднем, 250 Вт в час с 10 часов утра до 17
часов вечера, т. е., в течение 7 часов.
Это позволит нам сохранить в аккумуляторах 1750 Вт/ч в сутки. Таким образом, одними
солнечными батареями нам не обойтись, но в часы безветрия они не позволят нам
остаться без подзаряда аккумуляторов.
Сколько мы тратим энергии
Если вам скажут, что надо считать, исходя из 1 кВт на человека, — усомнитесь, сядьте за
калькулятор и пересчитайте.
Начнём с освещения
Допустим, вы имеете дом с тремя спальнями. В добавление к этому — прихожая, гостиная,
кухня, две лестницы и подвал.
Помните, как горит 100 Вт лампочка? Её вполне хватает для освещения одной комнаты.
Для гостиной — прибавим ещё одну, а на лестницы и подвалы возьмем по 60 Вт.
По потреблению электроэнергии 100 Вт-ой лампочке соответствует 30 Вт-ая, а 60 Вт-ой
— 15 Вт-ая. Значит, всего потребляемой мощности у вас набирается 255 Вт. Т. е., если вы
включите их все одновременно, энергопотребление составит 255 Вт/час.
Но вы же не будете так делать! Если у вас в семье четыре человека и все сидят вечером по
разным комнатам, то должно гореть максимум 5 ламп, т. е., по максимуму — 150 Вт/ч.
Освещение вы используете лишь вечером, т. е., 5-6 часов в сутки. Таким образом, в сутки
вы потратите на него всего лишь 900 Вт/ч, прибавим к этому 100 Вт на походы в подвал и
другие неожиданные включения, получим 1 кВт/ч в сутки.
Стирка и глажение белья
Автоматическая стиральная машина, без электронагревателя воды, потребляет около 600
Вт в час. Полный цикл редко превышает 1 час.
Если считать, что вы будете стирать трижды в неделю (обычно, хватает и двух), то за
месяц вы потратите на стирку 7200 Вт/ч. Отведём на глажение белья 20 минут в день —
добавим ещё 300 Вт/ч.
Результат:
•
полный постирочный день — 900 Вт/ч;
•
средний суточный расход — 360 Вт/ч (из расчёта среднего за месяц).
Подкачка воды
Мощность насосов для воды обычно составляет 250-500 Вт. Возьмём 400 Вт насос.
Воспользуемся нормой водопотребления — 40 л на человека в сутки. Для четверых
членов семьи — 160 л/сут.
Такой насос может подавать воду — до 1.5 куб.м/ч, т. е., для обеспечения водой всех
членов семьи, он должен работать чуть больше часа (можно приобрести более мощный
насос и качать воду за 10 минут).
Результат: 500 Вт/ч в сутки.
Итого, по первой группе энергопотребления:
•
среднесуточный расход — 1860 Вт/ч;
•
максимальный расход в сутки — 2400 Вт/ч (светим, стираем, гладим и льём
воду);
•
минимальный расход в сутки — 1500 Вт/ч (не гладим, не стираем).
Остальные группы энергопотребления вы можете рассчитать сами, далее в этой статье
будем использовать только 1-ю группу и по самому худшему дню, а именно — 2400 Вт/ч
в сутки.
Аккумуляторные батареи
Аккумуляторы — очень хозяйственные приборы. Они сохранят каждый ватт
электроэнергии, который вы не успели растранжирить.
Вы спите и в доме ничего не работает — энергия накапливается, вы ушли на работу и в
доме никого нет — энергия накапливается, вы пользуетесь всего двумя лампочками —
остальная энергия накапливается.
Но, вот выдался плохой день — ни ветра, ни солнца, т. е., аккумулятор не заряжается.
Энергетики, в таком случае, считают по принципу: на сколько времени хватит энергии
аккумулятора, если подключить всю имеющуюся нагрузку?
Надо понимать так, что если вы вдруг замечаете темноту и полный штиль, то тут же
включаете все электроприборы и сидите с секундомером, злорадно потирая руки: «Вот я
сейчас посмотрю, когда ты сдохнешь…», думая об аккумуляторе. Это же — бред!
Но, всё равно, — посчитаем. Пусть ваша совесть не позволила вам включить утюг и три
лампочки, т. е., вы решили умертвить ваши аккумуляторы нагрузкой в 2000 Вт.
По данным сайта www.invertors.ru четыре аккумулятора, каждый ёмкостью по 190 А/ч,
перестанут снабжать вас энергией через 4 часа.
Но, если у вас хватит ума, в таком случае использовать только 10 ламп одновременно на
освещение, то батарея будет работать 26 часов.
А если учесть, что освещение нам надо только 6 часов в сутки, то, при полном штиле и
абсолютной темноте, мы сможем жить при электрическом свете 4 с лишним суток! При
этом, солнце может не всходить…
Для того, чтобы узнать, сколько времени Т (ч) понадобится батарее ёмкостью С (А/ч),
чтобы разрядиться под воздействием нагрузки мощностью Р (Вт) используйте следующую
формулу:
Т = (С х 8.5) / Р.
Олег Казаков
Альтернативные источники энергии
На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудно
разрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего это высокая
капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Вовторых, высокая материалоемкость : создание мощных ПЭС требует, к примеру,
огромных количеств металла, бетона и т.д, В-третьих, под некоторые станции требуется
значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие
использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой
специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и
международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.
Рост цен на традиционные энергоносители (нефть и газ) будет продолжаться по мере
исчерпания ресурсов традиционных энергоносителей (относительно нефти последнее
может случиться, по некоторым данным, уже через 50-70 лет, т.е. еще до истечения
расчетного срока эксплуатации огромного числа уже существующих и строящихся
капитальных зданий);
Учитывая рост потребностей в нефти и газе многих производственных технологий
(прежде всего, быстро развивающейся химической промышленности), использование
нефти, нефтепродуктов, а в скором будущем и газа в качестве топлива следует признать
бесперспективным;
Развитие энергетики на базе угля и кокса сопряжено с неизбежным ухудшением
экологической обстановки, т.к. безвредные технологии в данной области требуют
чрезмерно больших капиталовложений;
Развитие гидроэнергетики будет иметь крайне ограниченные масштабы в силу сложности
экологических проблем, возникающих при устройстве ГЭС;
Развитие атомной энергетики требует значительных трудовых, материальных затрат и
сопряжено с повышенным риском возникновения аварий континентального масштаба
(аналогичных Чернобыльской), что предполагает целесообразность постепенного
свертывания АЭС вплоть до полного отказа от их использования в энергетике (например,
в Швеции, где на АЭС получают до 50% всей энергии, принята государственная
программа по свертыванию атомной энергетики к 2010 г. ; несмотря на дефицит энергии
законодательно запрещено строительство АЭС в Дании); жизненно необходим скорейший
переход к получению энергии на основе термоядерного синтеза (по прогнозам
отечественных ученых, в промышленных масштабах этот переход может произойти не
ранее 2030-х годов);
Выработку электроэнергии за счет традиционных методов сжигания топлива следует
признать бесперспективным вследствие высокой ресурсоемкости данного способа
производства (в среднем, на получение 1 усл. ед. электроэнергии затрачивается более 2.5
усл. ед. сжигаемого топлива, при этом к 2000 г. доля электроэнергии в мировом
энергобалансе достигнет, по некоторым прогнозам, 18%);
Необходим и неизбежен форсированный переход на широкое использование
альтернативных возобновляемых источников энергии: солнца, ветра, грунта, водоемов,
биомассы и др. (так, в США к 2000 году предполагалось довести долю солнечной энергии
в общем энергобалансе страны до 30%, а в Японии - до 70%);
Жизненно необходимы усиленные научные и инженерно-технические разработки в
области альтернативной энергетики, наращивание масштабов их внедрения во все сферы
жизнедеятельности, т.к. сегодня переориентация энергетики на преобладающее
использование возобновляемых источников невозможна в силу низкой экономической
эффективности имеющихся технологий: высокой стоимости при небольшом к.п.д.
(например, в Дании, ориентирующейся на развитие ветроэнергетики, несмотря на ее
экспериментально подтвержденную высокую экономическую эффективность, энергией с
ветровых электростанций в обозримой перспективе рассчитывают обеспечить лишь 10%
общей потребности; а в практике использования солнечной энергии экономически
приемлемые результаты сегодня показывают лишь пассивные - не требующие монтажа
специальных технических систем - средства ее утилизации, что наглядно, хотя и косвенно,
выразилось значительным снижением в конце 1980-х годов объемов производства
солнечных энергетических установок на основе гелиоколлекторов;
Основным источником энергии на ближайшую перспективу станет ее экономия: затраты
на экономию 1 т. условного топлива в настоящее время в 2-3 раза меньше затрат на
добычу эквивалентного количества дополнительного топлива.
Так, сегодня в России экономия и продажа 1% энергии может принести около 1 млрд.
$ прибыли. А если учесть, что энергоемкость российских промышленного и
строительного комплексов в 4-5 раз выше, чем в среднем в западных странах, можно
говорить о фантастической эффективности капиталовложений в энергосберегающие
мероприятия, и прежде всего, за счет продажи сэкономленной энергии. Например, в
отечественном строительном комплексе резервы энергосбережения специалисты
оценивают в 50-60% от общего потенциала.
Международный опыт показывает, что направление вырученных средств на
технологические разработки в области энергосбережения, выплату льготных кредитов
населению для проведения мероприятий по снижению энергопотребления и т.п. дает
возможность существенного и безболезненного сокращения энергозатрат, повышения
эффективности и одновременно удешевления технологий по использованию
альтернативных источников энергии.
Необходимо отметить, что глобальные качественные изменения среды обитания человека
и его образа жизни, в наибольшей степени должны определяться не столько новым
строительством, сколько реконструкцией уже существующего фонда недвижимости: в
максимальной степени актуальна проблема энергетической реконструкции именно
существующих архитектурных и градостроительных объектов, эксплуатация которых и
привела к известным последствиям. Эти реконструктивные мероприятия, очевидно,
должны приобрести первостепенное значение в современном архитектурно-строительном
процессе, стать приоритетным направлением экономической политики, проектной и
строительной деятельности, и прежде всего, в России, где в условиях финансовой
нестабильности и слишком затянувшегося процесса перераспределения собственности
остаются пока неясными экономические механизмы решения проблемы: отсутствие
инвестиций на соответствующие современным требованиям реконструктивные
мероприятия (во многом это связано с недостаточной гибкостью новых или
непригодностью устаревших нормативных документов и требований, в том числе по
вопросам охраны культурного наследия), недостаточная компетентность подавляющего
числа занятых в строительстве специалистов обусловливает слабую разработанность
проблемы, как на теоретическом, так и на практическом уровне.
Приоритетность реконструктивных мероприятий целесообразна еще и в силу существенно
меньшей, относительно нового строительства, стоимости при высокой экономической
эффективности капиталовложений, что особенно важно в условиях жесткого и, повидимому, длительного финансового дефицита, имеющего место в России. Так,
энергетическая реконструкция "хрущевок", ведущаяся в Литве при участии датских
специалистов, дала ошеломляющие результаты: в среднем, комплекс мер по
энергосбережению в одной квартире обходится приблизительно в 6000 $, но при этом
доход от сокращения эксплуатационных затрат составляет около 4000 $ в год! То есть,
срок окупаемости затрат в данном случае равен 1.3 года, что является очень высоким
показателем для современного строительства, где окупаемость капиталовложений
наступает, в среднем, через 5-8 лет. Такую же высокую эффективность - со сроками
окупаемости от 1.5 до 3-х лет показывают мероприятия по реконструкции и замене систем
инженерного обеспечения (в основном, отопления, вентиляции и кондиционирования
воздуха) общественных и производственных зданий. Однако, значимым экономическим
стимулом энергосбережение может стать только при отмене государственных дотаций на
оплату коммунальных услуг: к примеру, в 1992 году население России платило за тепло
только 3%, а за электричество - только10% от реальной стоимости, что, понятно, слабо
стимулирует действия населения по сокращению энергопотребления.
Кроме того, в современных условиях, характеризующихся тенденцией к неизбежному
росту стоимости энергоносителей, при оценке энергоэффективности зданий существенное
значение стали приобретать показатели энергозатрат на производство и транспортировку
строительных материалов и конструкций, определяя проектную стратегию их выбора в
направлении снижения массы и энергоемкости.
Энергия биомассы
Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а
также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях
энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем
переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения
топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем
биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна
биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных
странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы.
Наиболее широкое распространение получило производство спирта.
Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы
– производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из
углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3 .
Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно
получить 10-12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода
полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В
хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых
можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы
культурных растений , трав и др.
Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в
двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.
Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно
три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и
экологическую.
Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов,
центров переработки сельскохозяйственного сырья.
Энергоэффективные приборы
Вырабатываемая автономной энергосистемой электроэнергия имеет сравнительно
высокую цену.
Поэтому, нужно принимать все возможные меры для сохранения энергии и уменьшения
её потребления.
Для этого, нужно использовать энергоэффективные приборы, т.е., приборы потребляющие
минимум энергии для получения определённого результата — будь то освещение,
охлаждение продуктов или нагрев и отопление.
Экономия энергии является наиболее экономически выгодным методом увеличить
полезное энергопотребление.
Например, экономия одного кВт часа электроэнергии обойдётся вам гораздо дешевле, чем
увеличение мощности фотоэлектрической батареи или ветроустановки (не говоря уже о
постоянных дополнительных затратах на топливо, если вы используете жидкотопливный
генератор) для выработки этого дополнительного кВтч.
Некоторые советы для уменьшения потребления электроэнергии
без ухудшения качества жизни.
• Нужно стараться максимально использовать приборы постоянного тока; в этом
случае, вы избежите потерь на преобразование энергии в инверторе (это — от 10 до
40%), сможете использовать инвертор меньшей мощности, а может, обойдётесь и
вообще без него.
• Для уменьшения расхода электроэнергии на освещение, необходимо применять
компактные люминисцентные лампы. Если у вас большой дом или участок и
протяжённая электропроводка, можно использовать компактные люминесцентные
лампы напряжением 220В. Сейчас они есть почти во всех магазинах, торгующих
электроприборами.
• Если же у вас есть возможность проложить отдельную проводку постоянного тока,
то лучше использовать специальные компактные люминесцентные лампы
напряжением 12 В. Мы предлагаем такие лампы мощностью от 12 Вт со
стандартным цоколем E27, что позволяет использовать их в обычных светильниках
и люстрах.
• Многие бытовые приборы имеют блоки дистанционного управления и таймеры.
Такие блоки есть почти во всех современных телевизорах, музыкальных центрах,
СВЧ-печах, и т.д. Эти блоки постоянно потребляют энергию (около 2-4 Вт).
Теперь, представьте, что у вас несколько таких приборов постоянно включены в
сеть. Во-первых, ваш инвертор будет постоянно работать с минимальной нагрузкой,
а в таком режиме он имеет очень низкий КПД (около 10-20%).
Многие современные инверторы имеют ждущий режим, который бывает, при
отсутствии нагрузки, и, при этом, инвертор потребляем намного меньше (в десятки
раз) энергии, чем в режиме холостого хода.
Поэтому, если вы выключаете приборы более чем на, скажем, час, не поленитесь
выключить их через основной выключатель-кнопку, а не с пульта дистанционного
управления. Если у какого-то конкретного прибора нет общего основного
выключателя, нужно будет запитать его через специальный выключатель.
• Если в вашем доме — печное отопление, то мы очень рекомендуем, для более
экономного сжигания дров и угля, использовать, так называемые, печи длительного
горения.
В таких печах, за счёт особой конструкции, дрова горят очень медленно,
практически тлеют. Благодаря этому, одной загрузки хватает на несколько (8-10)
часов, а дрова расходуются очень экономно.
Если интегрировать такую печь в систему центрального отопления, то вы получите
удобную и лёгкую в обслуживании систему отопления всего вашего дома.
• При этом, не забывайте использовать элементы пассивного солнечного отопления
здания, этим вы значительно снизите расходы на отопление вашего дома.
Солнечные коллекторы и системы
В среднем, по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток
солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая
пиковых значений в полдень, при ясном небе, практически в любом (независимо от
широты) месте, около 1000 Вт/м2.
В условиях средней полосы России, солнечное излучение «приносит» на поверхность
земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг у.т./м2 в год.
Практическая задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида
солнечных установок, состоит в том, чтобы наиболее эффективно «собрать» этот поток
энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию), при
наименьших затратах на установку.
Простейшим и наиболее дешёвым способом использования солнечной энергии является
нагрев бытовой воды в, так называемых, плоских солнечных коллекторах.
Принцип работы солнечной водонагревательной установки
Круглогодичная солнечная водонагревательная установка СВУ (см. Рис.) состоит из
солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора.
Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз).
Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией солнца и отдаёт затем
тепловую энергию воде, через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор.
В баке-аккумуляторе хранится горячая вода, до момента её использования, поэтому, он
должен иметь хорошую теплоизоляцию.
В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться
естественная или принудительная циркуляция теплоносителя.
В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой
автоматический нагреватель-дублёр.
В случае понижения температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной
(продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния
зимой) нагреватель-дублёр автоматически включается и догревает воду до заданной
температуры.
Отопление
Отопление: технологии и проектные решения
Обеспечение своего дома теплом и горячей водой для жителей Дальнего Востока является
насущной проблемой. Особенно — полностью автономного, независимого дома.
Почти ежегодно мы наблюдаем чрезвычайные ситуации в Приморье, где бедные горожане
каждую зиму мёрзнут в своих благоустроенных квартирах и сражаются с городскими
теплотрассами и сплочённым безответственным чиновничьим братством.
Там где ситуация выглядит лучше, например, в Хабаровском крае, рядовой обыватель
почти не задумывается о том, как дорого обходится обществу и окружающей среде
обыкновенное тепло наших квартир.
Сколько людей и средств задействовано в добыче и доставке угля, мазута, газа, в
строительстве и эксплуатации ТЭЦ и теплотрасс, какое количество тепла улетает в трубы
котельных, греет наружный воздух и уходит в землю.
А сколько совещаний, исследований и заседаний проводят чиновники в неусыпной заботе
о нас. И всё это — только ради обыкновенного тепла в доме, которое легко можно
получить самостоятельно. Без ЖЭУ, ЖПЭТ, службы заказчика, аппарата администрации,
работников ТЭЦ, шахтёров и других людей.
Классификации
Данная статья не претендует на полный и тщательный анализ существующих технологий,
оборудования и материалов, а только анализирует имеющуюся информацию, с точки
зрения будущего домовладельца, кроме того, учитывает наше стремление к экологической
культуре.
Отопление наших домов должно отвечать следующим требованиям:
•
Надёжность и простота эксплуатации.
•
Отсутствие централизованных теплотрасс.
•
Отказ от использования невозобновляемых ресурсов.
•
Полная переработка продуктов сгорания.
•
Использование теплосберегающих технологий и аккумуляцию тепла.
•
Использование возобновляемых топливных ресурсов.
Тепло, как известно, получают путём сгорания различных видов топлива, либо другими
хитроумными способами, о которых в этой статье ничего не будет сказано (атомную — в
расчёт не берем).
Разделим, по вышеуказанным принципам, возможные виды используемого топлива или
источников тепловой энергии.
Неподходящее топливо (источник
тепловой энергии)
Подходящее топливо (источник тепловой
энергии)
Мазут, дизтопливо и др. производные
нефти — не возобновляемые
природные ресурсы. При горении,
выделяют токсичные газы и взвеси,
требуют дорогостоящего производства
и надёжного обеспечения перевозки и
хранения. В любом состоянии
загрязняют окружающую среду.
Дерево — возобновляемый природный ресурс,
который, при сгорании, выделяет углекислого
газа столько же, сколько при обычном гниении в
лесу. Проще говоря, старые деревья можно и
нужно жечь, от этого только польза лесу и
человеку. Продукты сгорания можно
использовать в виде удобрений. Сжёг одно
дерево — посади два.
Уголь — не возобновляемый
природный ресурс. Требует
дорогостоящей добычи. При сгорании,
получаются до 40% токсичных отходов,
для которых требуется специальные
золоотвалы.
Отходы деревообрабатывающих производств
— то же самое, что и дерево, но более
экологичный вид топлива, ведь, таким образом
решаются сразу две задачи: утилизация отходов
и получение тепла. Обладает повышенной
теплоотдачей и малой зольностью.
Электричество — как источник
тепловой энергии, очень
дорогостоящий, требует больших
затрат для производства,
транспортировки и аккумуляции, имеет
малый КПД.
Солнце — дармовой ресурс, в наших краях почти
неиспользуемый, ввиду низких зимних
температур. Современные технологии позволяют
исправить это недоразумение.
Биогаз — в отличие от природного газа, —
возобновляемый ресурс. Уступает природному
Природный газ — не возобновляемый лишь на 10-15% по теплоотдаче. Его
природный ресурс. Ввиду его
использование также решает две задачи:
экологичности, при сгорании, может
переработку отходов животноводства (и
быть использован, но, рано или поздно, собственных, кстати, тоже) и получение
закончится и он.
превосходного топлива, с помощью которого
можно не только получать тепло, но и
электричество.
Земные недра — дармовой ресурс. Ниже 2.5 м в
земле или воде всегда плюсовая температура. Её
можно отбирать нехитрыми устройствами, вроде
холодильника наоборот — тепловыми насосами.
Для начала дороговато, но, в ближайшем
будущем, вполне возможно.
Теперь — о видах оборудования, которые мы можем использовать для выработки тепла.
•
Котлы, печи, камины — самые известные сегодня устройства для сжигания
различных видов топлива. Незаслуженно забытые горожанами в благоустроенных
квартирах, они, в последнее время, приобретают всё большую популярность в
загородном строительстве. К сожалению, профессия печника, долгое время
невостребованная, сегодня — редкое явление. Особенно такого, который не только
умеет просто печи класть, но ещё и разрабатывает новые эффективные конструкции
и технологии.
•
Коллекторы — имеются в виду солнечные или геотермальные. Так как
горячих источников у нас не предвидится, то только солнечные. По виду
теплоносителя, различаются водные и воздушные. Умеют нагревать воду до
температуры 50-60°С. Эффективны, в основном, в летнее время, максимум — до 8
месяцев в году. Можно рассматривать, в качестве источника тепла для горячего
водоснабжения летом.
•
Тепловые насосы — холодильник наоборот. Потребляют электроэнергию
только для обеспечения циркуляции теплоносителя, т. е., только для центробежного
насоса. Переносят тепло земных недр и превращают его в высокотемпературное
тепло. В настоящее время — достаточно дороги, но неприхотливы и долговечны,
решают проблему сразу и с горячей водой и с отоплением.
Необходимо обратить внимание на устройства, которые сегодня используются весьма
редко — аккумуляторы тепла. Их суть проста — избыток тепла надо держать про запас.
Самые простые тепловые аккумуляторы используют либо воду, либо каменную засыпку
для накопления тепловых запасов. Итак:
•
Каменные тепловые аккумуляторы — используются, в основном, для
аккумуляции тепла, путём воздушного теплообмена. Тёплый воздух поступает либо
от печи, либо от солнечных коллекторов. В любом случае, требуется принудительная
циркуляция воздуха. Для горячего водоснабжения обычно не используются, только
для отопления.
•
Водные тепловые аккумуляторы — используются для аккумуляции тепла,
путём нагрева воды в хорошо изолированном водном резервуаре. Резервуар отдаёт
тепло через трубчатые теплообменники, так называемые, вторичные тепловые
контуры, с помощью которых возможно как отопление, так и горячее водоснабжение.
Солнечная энергия
Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во
всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 сек. – 170 млрд. Дж. Большую часть
этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её
достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части,
которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз
больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная
энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной
электростанции.
Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее
используемый человеком источник энергии.
В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос.
Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании
непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.
Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все
сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть
потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные
потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень
небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная
причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет
показывает, что если снимаемая с 1 м 2 освещенной солнцем поверхности мощность в
среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с
площади в 1,6 км 2. Ни один из известных в настоящее время способов преобразования
энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.
Выше говорилось о средних величинах. Доказано, что в высоких широтах плотность
солнечной энергии составляет 80 – 130 Вт/м2, в умеренном поясе – 130 – 210, а в
пустынях тропического пояса 210 – 250 Вт /м 2. Это означает, что наиболее
благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в
развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в
отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для
этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.
Однако даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо)
плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м 2. Поэтому, чтобы
коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для
удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130
000 км 2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того,
влечет за собой значительные материальные затраты, Простейший коллектор солнечного
излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый)
лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая
за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для
непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов
солнечного излучения площадью 1 км 2, требует примерно 10000 тонн алюминия.
Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170000 000 тонн.
Из вышеизложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность
солнечной энергетики.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии.
Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское
увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для
добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов,
коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия,
рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая
традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят
на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и
экономические проблемы.
Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят, и они работают.
Солнечную радиацию при помощи гелиоустановок преобразуют в тепловую или
электрическую энергию, удобную для практического применения. В южных районах
нашей страны созданы десятки солнечных установок и систем. Они осуществляют горячее
водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха жилых и общественных зданий,
животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции,
термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной
воды и др.
С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция.
Она невелика – мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в
окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без использования
органического топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт
электроэнергии.
С начала 50-х годов в нашей стране космические летательные аппараты используют в
качестве основного источника энергопитания солнечные батареи, которые
непосредственно преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Они
являются практически незаменимым источником электрического тока в ракетах,
спутниках и автоматических межпланетных станциях.
Освоение космического пространства позволяет разрабатывать проекты солнечнокосмических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти станции, в отличие от
земных, не только смогут получать более плотный поток теплового солнечного излучения,
но и не зависят от погодных условий и смены дня и ночи. Ведь в космосе Солнце сияет с
неизменной интенсивностью.
Продолжается изучение возможностей более широкого использования гелиоустановок:
«солнечные» крыши на домах для энерго- и теплоснабжения, «солнечные» крыши на
автомобилях для подзарядки аккумуляторов, «солнечные» фермы в сельских районах и т.д.
Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых
возможностей использования солнечной энергии. Возникают новые идеи, новые проекты.
О дровах
Существует сбалансированный кругооборот между произрастанием деревьев и сжиганием
древесного топлива.
Тем самым, сжигание этого топлива никоим образом не влияет на парниковый эффект, так
как, в процессе горения, углекислого газа образуется не более того количества, которое
выделяется в атмосферу вследствие естественного процесса гниения деревьев в лесу.
Только что срубленное дерево содержит до 50% влаги. И прежде чем использовать его в
качестве топлива, его надо просушить.
Даже после двухлетнего хранения, в нём содержится до 15-20% влаги. С точки зрения
пригодности для сжигания, при таком соотношении, можно считать дрова сухими и
использовать для топки камина или печи.
Остаточные продукты горения, при использовании дров, в сравнении с использованием
других видов топлива, довольно незначительны.
Они составляют, примерно, 0,6-1% относительно веса загруженного топлива. Для
сжигания пригодно только необработанное дерево.
Насколько велик должен быть приток воздуха, зависит от процесса горения, температуры
пламени, но также и от сухости (влажности) дров.
В процессе обугливания поленьев, примерно, 85% древесины превращаются в летучие
газы и только около 15% остаются в виде угля.
Быстрота горения зависит от плотности дерева, у пород с более мелкими порами она ниже,
чем у более рыхлых пород деревьев.
Теплотворная способность топлива
По теплотворной способности 1 м3 берёзовых дров равноценен: 0,75 м3 дубовых, 1,1 м3
ольховых, 1,2 м3 сосновых, 1,3 м3 еловых, 1,5 м3 осиновых.
Какие деревья относят к твёрдым породам?
К твёрдым породам относят дрова от широколиственных деревьев, они обладают высокой
теплотворной способностью.
Дуб и граб. Дубовые дрова и дрова из граба трудно колоть, растапливать, но зато, они
дают долго тлеющий древесный уголь.
Бук. Дрова из бука тоже трудно колоть, растапливать, но они могут гореть сырыми.
Тис. Тисовые дрова тяжело колоть и трудно растапливать.
Боярышник, ясень, берёза, лещина. Дрова из этих пород колоть легко, но трудно
растапливать, зато, они горят невысушенными.
Яблоня, груша. Дрова из этих деревьев легко колоть, они хорошо горят, издавая аромат.
Какие деревья относят к породам средней твёрдости?
К среднетвёрдым породам относят некоторые фруктовые и хвойные деревья, их дрова
имеют среднюю теплотворную способность.
Вишня. Вишнёвые дрова легко колоть, но трудно растапливать, при горении, они немного
дымят.
Вяз. Дрова из вяза колются очень плохо, их трудно растапливать и они, при горении,
дымят.
Платан. Дрова из платана тяжело колоть, но легко растапливать.
Берёза. Березовые дрова чаще всего применяют для топки каминов. Они легко колются и
хорошо горят. Березовые дрова содержат мало влаги, поэтому, их можно топить и сырыми.
Кедр. Кедровые дрова легко колоть, но тяжело пилить, зато, они дают долго тлеющие
угли.
Пихта. Дрова из пихты легко колоть и растапливать, но они сильно дымят и искрят.
Какие деревья относят к мягким породам?
К мягким породам относят в основном хвойные деревья. Они имеют неплотную структуру,
низкую теплотворную способность и оставляют отложения смолы в трубе.
Сосна. Сосновые дрова легко колоть и растапливать, но они немного дымят.
Ель. Еловые дрова легко колоть и растапливать, но они искрят.
Тополь. Дрова из тополя легко колоть, трудно пилить. Сгорают они быстро, разбрасывая
искры.
Ольха. Ольховые дрова трудно колоть, легко пилить. Горят эти дрова хорошо
Теплопотери здания и их снижение
Теплопотери в зданиях происходят, преимущественно, в виде дисперсии тепла
наружными ограждениями, возникающей и усиливающейся при нарастании разницы
температур внутреннего и наружного воздуха, а также в результате усиленной
инфильтрации наружного (и соответственно, эксфильтрации внутреннего) воздуха под
давлением ветра и вследствие возникновения в застройке различных аэродинамических
эффектов (эффектов “угла”, “вихревого ролика”, Вентури, “связи”, “отверстий”,
“канализации” и др., возникающих, как показывают исследования, при высоте застройки
более 15 м). С другой стороны, было установлено, что объемно-планировочными и
ландшафтными средствами можно добиться существенного снижения теплопотерь, в
частности, за счет:
сокращения площади наружных ограждений относительно внутреннего объема здания, т.е.
повышением его пространственной и объемной компактности; так, минимальные
соотношения площади поверхности к внутреннему объему имеют шар, цилиндр и куб -
именно эти формы обеспечат предельное снижение дисперсии тепла зданием: по данным
отечественных исследователей, изменение удельного периметра стен на 0.01 м приводит к
изменению удельного расхода тепла на 1.25 - 1.75% в пяти и на 1.5 - 2.0% в
девятиэтажном здании; кроме того, компактность формы повышается с увеличением ее
размеров: так, существенное снижение удельного расхода тепла происходит при
увеличении ширины корпуса здания (с 11 до 14 м - на 6 - 7%, до 15 - 16 м - на 12 - 14%, до
18 м - на 16 - 20%); методика оценки энергоэффективности здания по показателям его
компактности достаточно хорошо разработана и освещена в литературе;
оптимизации площади светопроемов, объективно обладающих высокой
теплопроводностью и потому являющихся основным источником теплопотерь в зданиях;
например, при увеличении нормативной освещенности жилых помещений с 1:5.5 до 1:4
(соотношения площадей светопроема и пола) удельный расход теплоты возрастает в
среднем на 5% в пяти и на 6 - 7% в девятиэтажных зданиях;
теплового зонирования отапливаемого объема здания и устройства вокруг него т. наз.
буферных пространств - неотапливаемых помещений с промежуточной (относительно
внутренней и внешней среды) температурой; известно, что скорость теплопередачи, а
следовательно, и масштабы теплопотерь, определяются амплитудой температур
контактирующих сред: скорость тем выше, чем больше эта амплитуда; таким образом,
тепловое зонирование, предполагающее формирование теплового ядра здания из
помещений с максимальными расчетными температурами и теплоемкими конструкциями,
и буферные пространства, формирующие двойную оболочку отапливаемого объема
создают эффект "энергетического каскада” опосредованной (многоступенчатой)
теплопередачи от внутренней среды к внешней: сокращение амплитуды температур
контактирующих сред позволяет заметно снизить теплопотери; соответственно,
наибольший эффект буферные пространства дают при размещении их в тех частях здания,
где наблюдаются максимальные амплитуды температур отапливаемых помещений и
внешней среды: в зоне покрытия (где функции буфера выполняет чердак) и у плохо
прогреваемых солнцем стен северной ориентации (буфером могут являться различные
хозяйственные пристройки, пристенные холодные шкафы и т.п.); кроме того, буферные
пространства защищают ограждения от ветровых воздействий, исключая нежелательную
"напорную" инфильтрацию наружного воздуха в отапливаемый объем здания и
переувлажнения, влекущего, как правило, резкое ухудшение теплотехнических качеств
ограждений и их ускоренное разрушение;
рассеивания воздушных потоков - использованием соответствующих пространственных и
объемных форм ландшафта (в т.ч. зданий); известно, что кроме собственно скорости
воздушного потока сила ветрового напора определяется углом падения потока на
поверхность; поэтому наименьшее ветровое давление испытывают обтекаемые
(аэродинамичные) - сферические, цилиндрические и др. криволинейные, а также
коноидальные и пирамидальные (“эффект пирамиды”) объемные формы (по данным Ю.
Лебедева, наиболее приспособленной к восприятию, например, гравитационных и
ветровых нагрузок является форма конуса;
снижения скорости движения и турбулентности воздушных потоков вблизи зданий (их
ограждающих конструкций) - например, использованием форм растительности в качестве
естественных ветрозащитных барьеров: известно, что растительные формы различной
плотности и высоты способны весьма значительно сокращать скорость ветрового потока,
обеспечивая при этом зоны "ветрового затишья" глубиной, равной 20 - 25 высотам такого
растительного барьера; пристенная растительность также существенно снижает
активность ветровых воздействий на здания (турбулентность воздушных потоков у
наружных ограждений; суммарное снижение теплопотерь благодаря разумному
использованию растительных форм ландшафта может достигать 40%.
Наиболее эффективно проблемы снижения энергопотерь решаются, как показывает
практика, при комплексном привлечении этих и других средств, в основе использования
которых лежат бионические принципы организации, формообразования и
конструирования архитектурно-градостроительных объектов, раскрывающие
эволюционно выработанные механизмы адаптации к условиям внешней cреды различных
живых организмов.
Ветровая энергия
Огромная энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто
раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле
дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих
ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный
океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы
легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Почему же столь обильный,
доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши
дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых
потребностей в энергии.
Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись
ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна. За пятьдесят с лишним веков
ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Например, в Англии имеется
мельница, построенная в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она
исправно трудится и по сей день. В России до революции насчитывалось приблизительно
250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых составляла около 1,5 млн. кВт. На
них размалывалось до 3 млрд. пудов зерна в год.
Техника XX века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача
которой стала другой - получение электроэнергии. В начале века Н. Е. Жуковский
разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы
высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого
ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных,
чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих
отраслей знания.
Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии.
Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна.
Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие
высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они
оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии,
например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины нашего
века. Часть их действует и в настоящее время.
Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления.
Мельникам приписывали общение с нечистой силой.
В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической
установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее
целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями
ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых
установок.
Типы ветрогенераторов
Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси
вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть
классифицированы:
• с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока;
• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные
водяному колесу);
• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока.
Энергия ветра
Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники,
тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь
ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на
Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем
в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.
Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так
слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну
тысячную мировых потребностей в энергии.
Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в
год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное
препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство
ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает
себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности
солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше
площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для
сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с
достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется
умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. –
ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного,
Балтийского, арктических морей.
Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической
энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин
привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают
десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать
настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для
снабжения электроэнергией отдельных домов.
Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное
колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который
одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.
Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно
работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах
сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и
электростанций общего пользования.
Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для
автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в
засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющих
подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно
применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры
радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и др.
По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без
существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче
энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет
применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.
Мощные ветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на
морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т.д.) Такие установки уже
используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.
Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока
препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить
не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся
слишком дорого.
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную
погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок
энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос,
который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него,
приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.
Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных
аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого
воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива.
Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от
ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в
сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности
Ветроэнергетика
Ветроэнергетика, использующая ветроколёса и ветрокарусели, возрождается сейчас,
прежде всего, в наземных установках.
Ветер дует везде — на суше и на море. Человек не сразу понял, что перемещение
воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением земли,
но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.
В глубине материка — нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши,
в разное время года, нагреваются по-разному, можно говорить только о
преимущественном сезонном направлении ветра.
Кроме того, на разной высоте ветер ведёт себя по-разному, а для высот до 50 метров —
характерны рыскающие потоки.
Для приземного слоя, толщиной в 500 метров, энергия ветра, превращающаяся в тепло,
составляет, примерно, 82 триллиона киловатт-часов в год.
Конечно, всю её использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто
поставленные ветряки будут затенять друг друга.
В то же время, отобранная у ветра энергия, в конечном счёте, вновь превратится в тепло.
Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с.
Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность,
то везде можно ставить эффективный ветроагрегат.
Упряжь для ветра
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо
с лопастями, передавая крутящий момент, через систему передач, валу генератора,
вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или электрогенератору.
Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем
больше энергии вырабатывает агрегат.
Принципиальная простота даёт здесь исключительный простор для конструкторского
творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой
конструкцией.
Традиционная компоновка ветряков — с горизонтальной осью вращения — неплохое
решение для агрегатов малых размеров и мощностей.
Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как,
на разной высоте, ветер дует в разные стороны.
В этом случае, не только не удаётся оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и
возникает опасность разрушения лопастей.
Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью создают
шум.
Однако, главное препятствие на пути использовании энергии ветра, всё же,
экономическое — мощность агрегата остаётся небольшой и доля затрат на его
эксплуатацию оказывается значительной.
В итоге, себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать
реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.
По прогнозам фирмы Боинг (США) — длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не
превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки
мощностью 7 МВт.
Сегодня самые крупные из них — вдвое «слабее».
В большой ветроэнергетике, только при массовом строительстве, можно рассчитывать на
то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов.
Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию, примерно, втрое более дорогую.
Для сравнения, отметим, что серийно выпускавшийся в 1991 году НПО «Ветроэн»
крыльчатый ветродвигатель, имел размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт.
Его киловатт-час обходился в 8...10 копеек.
Типы ветродвигателей
Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена
их изобретателей.
Типы ветрогенераторов:
Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рисунке. Они делятся на две
группы:
•
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);
•
ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1)
и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.
Крыльчатые
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при
действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев,
требуется устройство автоматического поворота оси вращения.
С этой целью применяют крыло-стабилизатор.
Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать, при
любом направлении ветра не изменяя своего положения.
Коэффициент использования энергии ветра (см. рис.) у крыльчатых ветродвигателей
намного выше чем у карусельных.
В то же время, у карусельных — намного больше момент вращения.
Он максимален для карусельных лопастных агрегатов, при нулевой относительной
скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их
вращения.
Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без
мультипликатора.
Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей — обратно пропорциональна количеству
крыльев, поэтому, агрегаты с количеством лопастей больше трёх, практически не
используются.
Карусельные
Различие в аэродинамике, даёт карусельным установкам преимущество, в сравнении с
традиционными ветряками.
При увеличении скорости ветра, они быстро наращивают силу тяги, после чего, скорость
вращения стабилизируется.
Карусельные ветродвигатели — тихоходны и это позволяет использовать простые
электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию,
при случайном порыве ветра.
Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование — использование
многополюсного генератора работающего на малых оборотах.
Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование
мультипликаторов (мультипликатор [лат. Multiplicator — умножающий] — повышающий
редуктор) — не эффективно, из-за низкого КПД последних.
Ещё более важным преимуществом карусельной конструкции стала её способность, без
дополнительных ухищрений, следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно
для приземных рыскающих потоков.
Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.
Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция
обеспечивает максимальный момент, при запуске ветродвигателя и автоматическое
саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы.
С увеличением нагрузки, уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий
момент вплоть до полной остановки.
Ортогональные
Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой
энергетики.
Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определённые
трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.
В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом
самолёте (см. рис. 6).
Самолёт, прежде чем «опереться» на подъёмную силу крыла, должен разбежаться. Так же
обстоит дело и в случае с ортогональной установкой.
Сначала к ней нужно подвести энергию — раскрутить и довести до определённых
аэродинамических параметров, а уже потом, она сама перейдёт из режима двигателя в
режим генератора.
Отбор мощности начинается, при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность
достигается при скорости 14...16 м/с.
Предварительные расчёты ветроустановок предусматривают их использование в
диапазоне от 50 до 20 000 кВт.
В реалистичной установке, мощностью 2000 кВт, диаметр кольца, по которому движутся
крылья, составит около 80 метров.
У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако, можно обойтись и малыми — взять
числом, а не размером.
Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем, можно просуммировать
выходную мощность вырабатываемую генераторами.
В этом случае, повышается надёжность и живучесть ветроустановки.
Использованы текстовые материалы авторского проекта «Строительство и
архитектура» APXU.RU