Германович В., Турилин А.

«АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ»

Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы.

Введение

Истощение месторождений нефти, угля и газа грозит глобальной энергетической катастрофой. В 2014 году совершенно ясно, что альтернативная энергетика и энергосбережение — это единственный билет в будущее и надежда на выживание основной массы населения планеты.

Устройства, с помощью которых можно получать энергию из неисчерпаемых или возобновляемых природных ресурсов, снижают зависимость от традиционного сырья. А повсеместный переход на альтернативную энергетику может эту зависимость полностью исключить.

Вся современная мировая экономика зависит от богатств, накопленных еще во времена динозавров: нефти, газа, угля и прочих видов ископаемого топлива. Большинство действий в нашей жизни: от поездки в метро до подогревания чайника на кухне, в конечном итоге, требуют сжигания этого доисторического наследства. Основная проблема в том, что эти легкодоступные энергетические ресурсы не возобновляются. Рано или поздно человечество выкачает из земных недр всю нефть, сожжет весь газ и выкопает весь уголь. На чем тогда будем греть чайники?

Не стоит также забывать и об отрицательном экологическом воздействии сжигания топлива. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере приводит к увеличению средней температуры на всей планете. Продукты сгорания топлива загрязняют воздух. Жители крупных городов особенно хорошо на себе это чувствуют.

Все мы задумываемся о будущем, пусть даже это будущее наступит не при нас. Мировое сообщество уже давно осознало ограниченность запасов ископаемого топлива. И отрицательное воздействие их использования на экологию. Ведущие государства уже сейчас внедряют программы постепенного перехода на экологически чистые и возобновляемые источники энергии.

По всему миру человечество ищет и постепенно внедряет замену ископаемому топливу. Уже давно во всем мире работают солнечные, ветряные, приливные, геотермальные и гидроэлектростанции.

Казалось бы, что мешает прямо сейчас обеспечить с их помощью все потребности человечества?

На самом деле у альтернативной энергетики много проблем.

Например, проблема географического распределения энергетических ресурсов. Ветряные электростанции строятся только в районах, где часто дуют сильные ветра, солнечные — где минимальное количество пасмурных дней, гидроэлектростанции — на крупных реках. Нефть, конечно, тоже есть не везде, но ее доставить проще.

Вторая проблема альтернативной энергетики — нестабильность. На ветряных электростанциях выработка зависит от ветра, который постоянно меняет скорость или вообще затихает. Солнечные электростанции плохо работают в пасмурную погоду и вообще не работают ночью.

Ни ветер, ни Солнце не учитывают нужды потребителей энергии. В тоже время выработка энергии тепло- или атомной электростанции постоянна и легко регулируется. Решить данную проблему может только строительство огромных хранилищ энергии, для создания резерва на случай низкой выработки. Однако это очень сильно удорожает всю систему.

Из-за этих и многих других сложностей замедляется развитие альтернативной энергетики в мире. Сжигать ископаемое топливо по-прежнему проще и дешевле.

Однако если в масштабах мировой экономики альтернативные источники энергии и не дают большой выгоды, то в рамках отдельного дома они могут быть весьма привлекательны. Уже сейчас многие ощущают на себе постоянное увеличение тарифов на электроэнергию, тепло и газ. С каждым годом энергетические компании все глубже залазят в карман обычных людей.

Эксперты международного венчурного фонда I2BF представили первый обзор рынка возобновляемой энергетики. По их прогнозам, через 5—10 лет технологии альтернативной энергетики станут конкурентоспособнее и получат массовое распространение. Уже в настоящее время разрыв в стоимости альтернативной и традиционной энергии быстро сокращается (www.active-house.ru).

Под стоимостью энергии подразумевается цена, которую хочет получить производитель альтернативной энергии, чтобы за время жизни проекта компенсировать свои капитальные расходы и обеспечить доходность в 10 % на вложенный капитал. В эту цену также будет включена стоимость долгового финансирования, так как большинство проектов альтернативной и традиционной энергетики строятся с привлечением серьезного рычага заемных средств.

Приведенный график иллюстрирует оценку различных видов альтернативной и традиционной энергетики в 2014 г. (рис. 1).

Рис. 1. Оценка различных видов альтернативной и традиционной энергетики

По приведенным цифрам самой низкой стоимостью из всех видов альтернативной энергетики обладает геотермальная энергия, а также энергия, образующаяся при сжигании мусора и свалочного газа. По сути, они уже могут напрямую конкурировать с традиционной энергетикой, но лимитирующим фактором для них служит ограниченное количество мест, где можно реализовать эти проекты.

Для тех, кто хочет получить независимость от капризов энергетиков, кто хочет внести свой вклад в развитие альтернативной энергетики, кто просто хочет немного сэкономить на энергии, И написана эта книга.

Глава 1

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ ВЕТРА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1. Можно ли использовать бесплатный ветер?

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или ветроэлектростанция) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Устройство ветроэлектрической установки в упрощенном виде представлено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Устройство ветроэлектрической установки

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому.

Примечание.

Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с.

Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами. Например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. И при этом одно другому не мешает — источники будут замечательно друг друга дополнять.

Где находятся ветрообильные районы

Обжитая часть России бедна ветровыми ресурсами. Средняя скорость ветра в 4–5 м в секунду характерна для большинства промышленных районов. Малая скорость ветра означает малую мощность ветрового потока. И, кроме того, значительное количество безветреных дней. ВЭУ в России в основном будут работать треть или половину времени.

Ветрообильные районы — это прибрежные территории, расположенные вдоль морей и крупных озер. Побережье Северного Ледовитого океана, побережье Тихого океана имеют хороший ветровой потенциал, но они мало обжиты, и поэтому создание Ветроустановок, ветропарков представляет там сложности (http://www.manbw.ru).

К районам, благоприятным для размещения ветряков, можно, пожалуй, отнести несколько километров побережья в Ленинградской области вокруг Финского залива и Ладожского озера. Морское побережье Ростовской области и Краснодарского края. Приморский край (район Владивостока). Перспективны ветрозапасы в Мурманской и Архангельской областях, но там более суровые условия для исполнения проектов ветропарков. Средняя скорость ветра в некоторых городах сведена в табл. 1.1.

Ветроустановка хорошо работает только в связке с электросетью. Возможно, в будущем удастся довести до практического и дешевого использования водородную энергетику, что позволит безболезненно запасать энергию, произведенной ветроустановкой. Пока же ветроустановки привязаны к линии электропередач.

Ветроэлектростанция в домашнем хозяйстве

В домашнем хозяйстве ветряк должен рассматриваться в плане существенной экономии затрат на производство тепла, на досвечивание растений в теплицах и, в какой-то мере, снижения потребляемой электроэнергии от электросети. Но задача автономного или почти автономного снабжения жилища от энергии ветра очень сложна. Ветряк должен быть диаметром порядка 20 м.

Кроме перечисленных причин, сложность использования ветра заключена в его непостоянстве. Построить генераторную и стабилизирующую установку для ВЭУ составляет самостоятельную и очень сложную задачу.

Примечание.

Главный тормоз внедрения ветроэнергетических установок— высокая стоимость киловатта установленной мощности. К тому же не следует забывать повышенные эксплуатационные расходы ветряков.

Домашний умелец может прикинуть мощность ветроустановки в зависимости от диаметра пропеллера и скорости ветра. При среднегодовой скорости в 3,5 м/с, характерной для континентальной части России, можно принять, что среднеэнергетическая скорость составит около 5 м/с. А ветряк будет работать треть всего времени.

Важнейшей характеристикой ветряка является т. н. КИЭВ — коэффициент использования энергии ветра. У самых лучших образцов ветряков он составляет до 60–80 %! (в среднем 40–45 %). У любительских (самопалов) — порядка 35 %. Т. о. при скорости ветра 5 м/с получим действительную мощность 0,35 x 90 = 31,5 Вт.

В табл. 1.2 в числителе мощность самодельного ветряка в киловатах при КИЭВ 35 %, в знаменателе обороты пропеллера в об/мин при быстроходности Z = 6.

Простейший расчет ветрогенератора

Для выбора агрегата необходимо точно определить преимущественное направление и среднюю скорость ветров в том месте, где предполагается установить ветрогенератор. Следует помнить, что начальная скорость вращения лопастей ветрогенераторов равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, — 9… 12 м/с. Еще одно замечание. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.

В специальной литературе имеется множество формул расчета мощности ветроустановок. Приведу две, самые простые. Обе они дают примерно одинаковый результат.

Р = D^2V^3/7000, кВт,

где Р — мощность; D — диаметр винта в метрах; V — скорость ветра в м/с.

Р = 0,6∙SV^3,

где Р — это мощность, в ваттах; S — площадь (м^2), на которую перпендикулярно дует ветер; V — скорость ветра, в метрах в секунду (в формуле — в кубе).

Получается, при известной средней скорости ветра, выбор заключается в диаметре винта установки. Ну и еще, сравним расчеты с потребной мощностью. Если она нас устраивает, то хорошо. А если нет, то:

♦ либо надо искать другой источник энергии;

♦ либо строить несколько ветряков.

1.2. Как оценить скорость ветра для ветрогенератора

Почему вообще важно знать скорость ветра?

Скорость ветра — это самый важный фактор, который влияет на количество энергии, вырабатываемой ветрогенератором.

Правило.

Количество электроэнергии, выработанной ветроэлектроустановкой, возрастает кубически с увеличением скорости ветра. Т. е. если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, полученная ротором, увеличивается в восемь раз.

Приведенная внизу табл. 1.3 показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность — 1,225 кг/м^3, атмосферное давление 760 мм рт. столба). Формула расчета количества энергии (определяется в Вт/м^2) выглядит следующим образом:

Р = 0,5∙1,225∙V^3,

где V — скорость ветра в м/с (по данным Датской ассоциации производителей ветротурбин)

Таблица 1.2. Значения энергии ветра в стандартных условиях

Скорость ветра, м/с ∙ Мощность ветра на 1 м^2 площади ветрогенератора, Вт/м^2

1 ∙ 1

3 ∙ 17

5 ∙ 77

9 ∙ 477

11 ∙ 815

18 ∙ 3572

21 ∙ 5672

23 ∙ 7452

Что нужно учитывать при измерении скорости ветра на выбранном участке?

Прежде всего, нужно помнить, что скорость ветра зависит от следующих факторов.

Высота над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизительно на 12 %.

Время года. В большинстве регионов наблюдаются значительные сезонные изменения ветровых потоков. Причем в зимние месяцы скорость ветра обычно выше, чем летом. Дневные изменения скорости ветра наблюдаются, как правило, вблизи морей и больших озер.

Утром солнце нагревает землю быстрее, чем воду, поэтому ветер дует в направлении побережья. Вечером же земля остывает быстрее, чем вода, поэтому ветер дует от побережья.

Характер земной поверхности. Холмы или горные хребты, находящиеся на открытом ландшафте, обычно считаются превосходным местом для ветряка. На холмах скорость ветра выше по сравнению с окружающей равнинной территорией. Необходимо помнить, что ветер может менять свое направление прежде, чем достигнет холма, так как область высокого давления фактически расширяется на некотором расстоянии перед холмом. Также необходимо помнить, что турбулентность, значение которой резко увеличивается в случае крутого холма или его неровной поверхности, может свести на нет преимущества более высокой скорости ветра (см. рис. 1.2).

Рис. 1.2. Хорошие и плохие варианты размещения ветроэлектростанции

Как определить среднюю скорость ветра на участке?

Есть несколько способов определения средней скорости ветра на участке.

Способ № 1. Информация в сети Internet и официальных источниках

Есть несколько сайтов, которые мы можем использовать для определения средних скоростей ветра практически в любом регионе мира, например, http://firstlook.3tier.com

Сайт бесплатно предоставляет информацию о ветре на высотах 20, 50 и 80 м.

Способ № 2; Данные метеослужбы или местного аэропорта

Для получения данных о скорости ветра можно также обратиться в местную метеослужбу или аэропорт. При этом нужно помнить, что у данных, которые они предоставляют, есть некоторые особенности. Рассмотрим их.

Усредненные данные. Обычно метеостанции округляют данные за некоторые промежутки времени, что не дает вам возможности увидеть картину сезонности или изменения скорости ветра в зависимости от времени суток.

Не всегда понятно, как трактовать показания применительно к вашему участку. Значительные расхождения в скорости ветра бывают при сдвиге измерительных приборов на 30–50 м в сторону, не говоря уже про расстояния в 2–5 километров и более. Также очень влияет разница ландшафта вашего объекта и ландшафта места, где находится метеослужба.

Высота замера. Скорость ветра может зависеть от высоты. Те данные, которые предоставляет метеослужба, обычно снимаются на высоте 10 м. Пройдется встать с кресла и отойти от компьютера, чтобы это узнать!

Способ № 3. Замер скорости ветра в будущем месте установки портативной метеостанцией

Преимущества. Достоинством такого подхода является высокая точность данных. При проведении работ по замеру скорости ветра на месте установки, можно установить датчики портативной метеостанции на необходимую высоту. Также можно установить несколько портативных метеостанции в разных местах участка, чтобы определить наиболее ветреное место для монтажа. Данный способ является наиболее объективным и дает самые точные показания по скорости ветра в месте установки.

Недостатки. Длительность времени замера. Для проведения объективных замеров, необходимо устанавливать портативную метеостанцию на длительный срок — желательно не менее одного месяца. В идеальном варианте, портативная метеостанция должна снимать показания в течение целого календарного года, так как во всех регионах существует сезонность ветров (зимой, осенью и весной ветра сильнее). Короткий промежуток времени замера может не дать объективной информации.

Стоимость проведения работ. Стоимость работ по замеру скорости ветра портативной метеостанцией в месте установки стоит дороже, чем общие среднестатистические данные от местных государственных метеослужб. Если вы хотите установить портативную метеостанцию на длительный срок или использовать для нескольких объектов, то имеет смысл приобрести данную систему, а не арендовать ее.

1.3. Немного теории ветродвигателя

Секундная энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости, т. е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока возрастает в 23 = 2 x 2 x 2 = 8 раз.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также пропорционально квадрату диаметра ветроколеса, т. е. при увеличении диаметра в 2 раза, мощность при той же скорости ветра увеличивается в 4 раза (http://www.freeenergyengines.ru/).

Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энергии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветроколесо. Это объясняется тем, что поток за ветроколесом также имеет некоторую скорость.

В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:

♦ что скорость потока за ветроколесом не может быть равна нулю;

♦ что наилучший режим работы ветродвигателя будет в том случае, когда скорость непосредственно за ветроколесом составляет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ветроколесо.

Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается греческой буквой % (кси).

Величина коэффициента использования энергии ветра χ, прежде всего, зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов.

Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, χ = от 0,42 до 0,46. Это означает, что ветроколеса таких ветродвигателей могут полезно использовать, т. е. превращать в механическую работу, 42–46 % энергии, которой обладает ветровой поток, проходящий через ветроколесо. Для тихоходных ветродвигателей значения % могут быть в пределах от 0,27 до 0,33. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии ветра у идеальных крыльчатых ветродвигателей равно 0,593.

Определение.

Под идеальным ветродвигателем принято понимать такой двигатель, который имеет наиболее совершенное ветроколесо, лишенное каких-либо аэродинамических потерь.

Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распространение, и только они выпускаются промышленностью. Крыльчатые двигатели делятся на две группы:

♦ быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4;.

♦ тихоходные (многолопастные), имеющие от 4 до 24 лопастей, а в некоторых случаях и больше.

Примечание.

Чем меньше число лопастей, тем при прочих равных условиях ветроколесо имеет большее число оборотов.

Вот почему малолопастные ветродвигатели называются быстроходными. Быстроходность является одним из серьезных преимуществ этих ветродвигателей, так как делает более простой передачу мощности * таким быстроходным машинам, как, например, электрический генератор.

Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более легкие, чем тихоходные. Как указывалось выше, они имеют более высокий коэффициент использования энергии ветра.

Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания, т. е. вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроколес.

На рис. 1.3 приведены для сравнения аэродинамические характеристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых имеет 3, а другое — 18 лопастей.

Рис. 1.3. Аэродинамические характеристики тихоходного 18-лопастного и быстроходного 3-лопастного ветроколесо

Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные — 3-лопастное ветроколесо. По горизонтальной оси на этом графике отложена быстроходность, или число модулей Z ветроколеса.

Эта величина определяется отношением окружной скорости ω∙R конца лопасти к скорости V ветра, набегающего на ветроколесо.

Примечание.

На рис. 1.3 видно, что наибольший коэффициент использования энергии ветра ветроколесо имеет лишь при определенной быстроходности, т. е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное число оборотов, при котором мы получаем максимальный χ.

Кроме того, при одинаковой скорости ветра тихоходное ветроколесо имеет в несколько раз больший момент, чем быстроходное и, следовательно, будет начинать работать в случае одинаковой нагрузки при меньших скоростях ветра. Это очень важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветродвигателя увеличивается.

Крыльчатые ветродвигатели работают за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воздушного потока. Так же, как и на крыльях самолета, на крыльях ветроколеса возникают подъемная сила и сила сопротивления поверхности. Подъемная сила и создает вращающий момент на ветроколесе.

Для того чтобы лучше использовать энергию ветра, т. е. получить большую мощность, крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы). На рис. 1.4 представлена схема крыльчатого ветроколеса.

Рис. 1.4. Схема крыльчатого ветроколесо

Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти и маха, с помощью которого оно скрепляется со ступицей.

Определение.

Угол, который составляет лопасть с плоскостью вращения ветроколеса, называется углом заклинения и обозначается буквой φ. Углы, под которыми ветер набегает на элементы лопасти, обозначаются буквой а и называются углами атаки.

Если бы ветроколесо было неподвижным, то направление потока, набегающего на лопасть, совпадало бы с направлением ветра (т. е. по стрелке V). Но так как ветроколесо вращается, то каждый элемент лопасти имеет определенную окружную скорость ω∙R, которая тем больше, чем дальше отстоит элемент от оси ветроколеса. Эта скорость направлена в плоскости вращения ветроколеса. Таким образом, поток обдувает элементы лопасти с какой-то скоростью, складывающейся из скоростей V и ω∙R. Эта скорость получила название относительной скорости потока и обозначается буквой W.

Для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и набегает под разными углами α. А так как наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, то и приходится углы заклинения φ делать переменными по длине лопасти.

Важно иметь в виду, что если лопасти выполнены одинакового качества и профиля, то мощность ветродвигателя практически очень мало зависит от числа лопастей.

Ведь мощность ветродвигателя, как и любого другого двигателя, определяется произведением развиваемого двигателем вращающего момента М на угловую скорость ω.

Примечание.

Момент, развиваемый ветродвигателем, с уменьшением числа лопастей падает, однако примерно в той же пропорции возрастает число оборотов, т. е. угловая скорость. Таким образом, произведение М∙ω остается почти постоянным, мало зависящим от числа лопастей.

Кроме ветродвигателей крыльчатого типа, известны карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели.

Первые два типа имеют вертикальную ось вращения, а последний — горизонтальную.

В отличие от крыльчатых ветродвигателей, у которых все лопасти работают одновременно, создавая вращающий момент, у карусельных и барабанных ветродвигателей одновременно работает лишь часть лопастей, а именно тех, движение которых совпадает с направлением ветра.

Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми.

Вращающий момент на ветроколесах этих типов двигателей возникает за счет разности давлений на лопастях.

Ввиду малой эффективности (χ у этих ветродвигателей не превышает значения 0,18) и громоздкости, а также вследствие того, что они очень тихоходны, карусельные, барабанные и роторные двигатели в практике не нашли применения.

1.4. Упрощенная схема работы ветрогенератора

На сегодня существует два основных варианта работы ветрогенераторов.

Классическая несетевая схема: работа с аккумуляторными батареями и обычным инвертором. Этот вариант позволяет полностью или частично использовать автономное энергообеспечение. Для него неважно наличие общественной электросети (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Упрощенная несетевая схема ветроэлектростанции

Сетевая схема: работа с сетевым инвертором без аккумуляторных батарей (рис. 1.6). В этой схеме можно частично или полностью компенсировать расходы на электроэнергию. Также возможна продажа электроэнергии по «зеленому тарифу». Наличие общественной сети необходимо.

Рис. 1.6. Упрощенная сетевая схема ветроэлектростанции

Существует также множество комбинированных и второстепенных по значимости вариантов работы ветровых станций и солнечных панелей (без инвертора, с источником бесперебойного питания и т. д.)

На рис. 1.5 представлена классическая схема работы ветрового электрогенератора (http://blog.ae.net.ua).

Аккумуляторные батареи (АКБ или АБ) — это накопительная емкость для произведенного ветрогенератором электричества. Электроэнергия направляется в аккумуляторы и находится в батареях до того момента, пока потребитель не воспользуется ею.

Примечание.

Задача аккумуляторов состоит в сохранении электроэнергии в промежутке между ее производством и потреблением.

Если объем аккумуляторной батареи будет мал, то она будет быстро заполняться, а излишки энергии будут пропадать. Объем аккумуляторной батареи должен быть большим, иначе потерь электроэнергии не избежать. Но большая батарея стоит дороже, занимает больше места и требует большего ухода. А если купить батарею огромного объема, то она никогда не будет заполняться на полную емкость, что будет элементарным расточительством средств. Необходимо учесть также и саморазряд батарей в течение очень длительного хранения энергии.

Объем аккумуляторной батареи должен быть таким, чтобы при выработке ветряного электрогенератора или фотомодулей на максимальной мощности или при максимальном потреблении электроэнергии процесс заряда-разряда аккумуляторной батареи составлял не менее 10 часов (это обязательное условие для всех свинцовых, кислотных, AGM, щелочных и гелевых батарей). К примеру, если номинальная мощность нашего ветряка 5 кВт, то объем аккумуляторной батареи должен составлять не менее 50 киловатт-часов.

Инвертор, преобразовывающий постоянный ток из аккумуляторных батарей в переменный ток, необходимый для домашней сети. Именно к нему уже подключаются потребители и электроприборы.

Примечание.

Мощность инвертора (он же частотный преобразователь) ограничивает максимальную мощность всех электроприборов, которые могут работать от вашей системы одновременно.

То есть, если инвертор ограничен по мощности 3 кВт, то вы никак не сможете одновременно использовать оборудование на 5 кВт. Таким образом, вы не сможете подключить одновременно:

♦ электрочайник (2 кВт);

♦ электробойлер (3 кВт);

♦ две-три лампочки (по 100 ватт каждая).

Тут у вас есть выход: использовать эти приборы поочередно или наращивать количество/мощность инверторов. Можно установить более мощный инвертор на 6–7 кВт.

Совет.

Если инвертора такой мощности не окажется, то можно добавить к системе еще один инвертор 3 кВт и разделить между ними электроприборы: первый инвертор будет для чайника и лампочек, а второй — для электробойлера.

Но не забываем, что все инверторы потребляют на свои нужды 5—10 % электроэнергии! Это означает, что при получении на выходе 5 киловатт-часов, инвертор потребит из аккумуляторной батареи 5,2–5,5 киловатт-часа. Тут вывод аналогичен: необходим инвертор или группа инверторов, которые по мощности смогут обеспечить одновременное подключение всех потенциальных потребителей.

Таким образом, систему характеризуют следующие элементы:

♦ сила ветра (энергетический потенциал);

♦ мощность ветрогенератора (вырабатывает электроэнергию);

♦ емкость аккумуляторной батареи (накапливают электроэнергию);

♦ мощность инвертора (выдают электроэнергию потребителю).

Каждый компонент энергетической системы работает независимо

от других, но определяет тот или иной важный параметр. Каждый параметр критичен и от него зависит общая работоспособность системы возобновляемой энергетики (ветрового генератора).

Вывод.

Для того чтобы система ветрогенератора функционировала правильно, необходимо четко сформулировать задачи, которые надо достичь и предоставить исходные данные для расчета. В таком случае успех гарантирован.

1.5. Что нужно учесть перед началом сборки ветрогенератора

Безопасность. Самым большим приоритетом должна быть безопасность. Человеческая жизнь важнее любого электричества. Ветрогенераторы могут быть очень опасны из-за быстродвижущихся частей, электрических искр, меняющихся погодных условий. Ваше рабочее место должно быть хорошо освещено, вы должны обязательно работать в перчатках, электросистема должна быть заземлена, при подъеме к генератору используйте страховые веревки и т. д.

Тип генератора. Прежде всего, нужно определиться, будет ли ветрогенератор горизонтальным или вертикальным (роторным). В Интернете почему-то много информации о том, как создать именно роторный ветрогенератор, например, из старой бочки.

Во-первых, что коэффициент съема ветра у такого роторного генератора будет, мягко говоря, не очень высоким. Во-вторых, мало кто знает, что балансировка роторного генератора — процесс довольно сложный. Производитель учитывает множество нюансов, чтобы защитить свое творение от разноса на сильных ветрах. И если сравнивать заводской процесс балансировки горизонтального и вертикального ветрогенератора, то «вывести» горизонтальный проще (это, кстати, один из факторов, почему вертикальные ветрогенераторы дороже).

Если бочка стоит на мачте высотой в метр и упадет из-за плохой балансировки, то не страшно. Только вот, заводские вертикальные генераторы ставят на мачты 17–21 м. Представляете, если раскрученная на ветру, плохо сбалансированная «бочка» слетит с такой высоты?

Выбор мощности генератора. Казалось бы, ответ очевиден: чем мощнее, тем лучше. Но сложность в том, что с ростом мощности установки увеличивается диаметр (а значит и вес) ветроколеса.

Такое колесо нужно надежно сбалансировать и закрепить. Есть много историй о том, как выглядит развороченная мачта после установки на нее несбалансированного колеса (для расчетной мощности 2,6 кВт диаметр составляет около 6 метров, представьте на минутку).

Расчеты, и еще раз расчеты. Многие не верят, но стандартные заводские генераторы проектируют специально обученные люди. А потом этим машины зачастую еще испытываются в аэродинамической трубе, их конструкция доводится, т. е. устраняются технологические недостатки и дефекты.

Пожалуйста, примите это во внимание, если вы планируете сделать ветрогенератор своими руками «на коленке». Подумайте, сможете ли вы повторить конструкцию или придумать аналог той или иной детали. И сколько времени, денег и сил это у вас займет.

Аккумуляторные батареи. Типичная фраза: «я поставлю аккумуляторы от ЗИЛа, чтобы сэкономить». Так не пойдет… Дело в том, что у автомобильных аккумуляторов, например, от КАМАЗа, есть некоторые нюансы:

♦ для них нужно специальное проветриваемое помещение, т. к. они выделяют газы и взрывоопасны;

♦ имеют небольшой срок службы от 1 до 3 лет;

♦ требуют постоянного ухода (следить за уровнем электролита, доливать воду, менять электролит и т. д.);

♦ не предназначены для эксплуатации в циклическом режиме постоянного заряда/разряда, поэтому они ненадежны.

Необходимо использовать специальные стационарные герметичные аккумуляторы, предназначенные для работы в составе систем альтернативной энергетики. Они не требуют ни ухода, ни специального помещения, срок службы 10 лет и выше, но они и несколько дороже. Тем не менее, тут лучше экономить, выбирая более дешевый вариант. Например, производитель RITAR снизил цены в связи с выходом на наш рынок. Батарея емкостью 200 А-ч обойдется всего в $370.

Подводные камни. Человечество использует ветрогенераторы уже много лет. За это время накопился некоторый опыт, построенный на большом количестве ошибок, и шишек.

Например, что условия эксплуатации в зимний и летний период в наших условиях различаются. Что иногда и в наших широтах дует ураганный ветер и т. п.

Человек, который собирается делать ветрогенератор своими руками, должен смириться с риском того, что он не учтет в конструкции «какой-то ерунды» и устройство, в которое было вложено немало труда, времени и денег, не грохнется на землю в один, далеко не прекрасный, день.

Так что будьте внимательны и осторожны. Если вы решили создать ветрогенератор своими руками, пожалуйста, оцените еще раз то количество времени и сил которые вам потребуются чтобы реализовать задуманное.

Зайдите, например, на http://avtonom.com.ua, может подберете готовый комплект для самостоятельной сборки ветрогенератора.

1.6. Лопасти ветроэлектростанции своими руками

Виды ветрогенераторов

Теперь, прежде чем выбрать ветряной генератор, посмотрим какие же они бывают.

♦ Карусельные — с вертикальной осью вращения.

♦ Крыльчатые — с горизонтальной осью вращения.

Карусельные ветряные генераторы, конечно, имеют свои преимущества. Они быстро набирают силу тяги при увеличении силы ветра, а затем скорость вращения остается почти неизменной. Установка сама следит «откуда ветер дует», следовательно, ей не нужны никакие дополнительные устройства. Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять простые электросхемы для съема энергии, в частности асинхронные генераторы.

В то же время тихоходность и ограничивает применение карусельных ветрогенераторов, так как вынуждает применять повышающие редукторы — мультипликаторы, имеющие очень низкий КПД. Без мультипликатора такую установку эксплуатировать проблемно; многополюсные тихоходные генераторы мало распространены, во всяком случае, в широкой продаже их нет.

Крыльчатые ветрогенераторы имеют большую скорость вращения. Благодаря этому обстоятельству они могут непосредственно соединяться с генератором, без мультипликаторов

Лопасти крыльчатого ветряного генератора должны располагаться вертикально — перпендикулярно потоку воздуха. Для достижения этого применяется специальное устройство — стабилизатор. У крыльчатых ветрогенераторов намного выше коэффициент использования энергии ветра. В то же время скорость вращения у них обратно пропорциональна количеству крыльев. Вследствие этого установки с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов.

Основные этапы развития ветродвигателя

От конструкции устройства, преобразующего энергию ветра в кинетическую энергию вращающегося вала, зависит конструкция всей ветроэлектростанции (http://ntpo.com/).

Диапазон применения ветрогенераторов довольно широк.

Конечно, можно использовать ветряной генератор в чисто декоративных целях. Сделали пропеллер, поставили куда нравится, да еще и трещотку к нему приделали — интересно, занятно. Небольшой ветряк при слабом ветре может поднять из колодца или скважины 30–50 л воды за час.

Последние 100 с лишним лет ветряки используются для получения электроэнергии. Это самый оптимальный вариант применения ветряных генераторов.

Рассмотрим основные этапы развития ветродвигателя.

Этап 1. «Мельница» (рис. 1.7). История ветряков началась в Персии. Бескрайние пустынные просторы этого государства, обдувающиеся сухими ветрами, подтолкнули древних изобретателей использовать силу ветра на свое благо.

Рис. 1.7. Ветряная мельница

До нас дошли лишь туманные описания первых ветряных мельниц. Но судя по ним, прообраз современного ветрогенератора с его классической горизонтальной осью и вращающимися лопастями, был заложен еще в 7 веке до нашей эры.

Этап 2. Ротор Савониуса (1929 г.). Как видно из картинки, данный ветрогенератор с вертикально расположенной осью вращения (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Ротор

Лопасти представляют собой полуцилиндры. Данное ветроколесо просто в изготовлении, характеризуется низким уровнем шума, широким диапазоном рабочих ветров. К минусам следует отнести низкие обороты.

Этап 3. Ротор Дарье (1931 г.). Про роторы Дарье (рис. 1.9) можно сказать, что они состоят из одних недостатков: подвержены сильным вибрациям и шумам. В отличие от ротора с горизонтальной осью вращения, где все лопасти повернуты к ветру под оптимальным углом Савониуса атаки и не перекрывают друг друга, лопасть вертикального ротора проходит половину пути с подветренной стороны в возмущенном и ослабленном «тыловом» потоке.

Постоянно меняющиеся углы атаки вызывают периодический срыв потока с лопастей. Ко всему прочему, система обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром.

Рис 1.9. Ротор Дарье

Этап 4. «Жиромельница» (рис. 1.10). Это подтип турбины Дариуса с прямыми лопастями. Преимуществом «жиромельницы» являются небольшая сила ветра, необходимая для запуска.

Рис 1.10. Жиромельница

Этап 5. Современный ветрогенератор:

♦ с вертикальной осью вращения (рис. 1.11, а);

♦ с горизонтальной осью вращения (рис. 1.11, б).

Рис. 1.11. Современные ветрогенераторы: с вертикальной осью вращения (а), с горизонтальной осью вращения (б)

Варианты изготовления ветряного пропеллера

Пропеллер — устройство типа винта самолета. Конструктивно пропеллер много проще и легче ветроколеса. Пропеллер вращается значительно быстрее и в определенных условиях позволяет обойтись без мультипликатора (см. рис. 1.12).

Рис. 1.12. Конструкция пропеллера

Для ветроэлектростанций целесообразней использовать два пропеллера одновременно (см. рис. 1.13): один из них связывается с ротором электрогенератора и вращается в одну сторону, другой — со статором и вращается в противоположную сторону. Использование такой конструкции аналогично применению мультипликатора с передаточным отношением 1:2.

Рис. 1.13. Конструкция с двумя пропеллерами

Рассмотрим еще вариант изготовления пропеллера. Пропеллер диаметром 1,5 м изготавливается следующим образом. Выбирается чистая еловая, осиновая или березовая доска толщиной 25 мм, шириной 110–120 мм и гладко выстругивается до толщины 20–23 мм. Находится центр доски и от него в обе стороны отмеряется по 60–70 мм, помечается рисками (см. рис. 1.14).

Рис. 1.14. Вариант изготовления пропеллера

Это центральная часть доски — ступица. К ней четырьмя болтами крепится металлический фланец, который надевается на ось ротора генератора или мультипликатора.

Обе половины доски от ступицы к концам стесываются так, чтобы получились усеченные четырехутольные пирамиды поперечным сечением на концах 80x10 мм (см. сечения 3–3,4-4). Далее лицевые поверхности пирамид стесываются (половина их объема удаляется), причем на одном конце стесывается одна сторона, на другом — другая.

В результате вся лицевая сторона имеет вид пропеллера. На тыльной стороне по всей длине доски от ступицы до концов плавно закругляется прямой угол. Поперечное сечение должно иметь форму поперечного сечения крыла самолета (см. сечения 1–1, 2–2). Пропеллер окрашивается масляной краской.

Совет.

Концы лопастей и его переднюю кромку лучше аккуратно оковать тонким алюминиевым листом во избежание преждевременного изнашивания.

Быстроходность пропеллера зависит от толщины доски (толщины ступицы). Чем тоньше ступица (в разумных пределах), тем быстроходней пропеллер. После установки, пропеллер необходимо сбалансировать.

Варианты изготовления ветряного колеса

Ветряное колесо — основная деталь ветродвигателя, отмечается на http://tehnojuk.ru/.

Постройку ветродвигателя следует начать именно с него — основной детали ветродвигателя.

Ветряное колесо по конструкции намного сложнее пропеллера и представляет собой круглую пространственную решетку из лопастей, смотри рис. 1.15.

Рис. 1.15. Конструкция

Лопасти ветряного колеса могут выполняться из листовой стали, алюминиевого или дюралевого листа толщиной 1,5–2 мм.

Ветряное колесо — тихоходное устройство. Так как все без исключения электрогенераторы работают эффективно при частоте вращения 1000 об/ мин и выше, поэтому между ветряным колесом и генератором необходимо установить мультипликатор С передаточным отношением (1:15, 1:20). ветряного колеса

Большим преимуществом ветроколеса является то, что оно работает практически бесшумно и способно вращаться при сравнительно малой скорости ветра. К недостаткам относится сложная конструкция, громоздкость и тихоходность.

Рассмотрим еще один вариант изготовления ветряного колеса. Для этого варианта нам необходимо два листа толстого кровельного железа, желательно нового, лучше оцинкованного. Сложив листы вместе и временно скрепив их бортами между собой, на них следует вычертить четыре окружности диаметрами 300, 800,1400 и 2000 мм.

Затем большую окружность нужно разделить на 16 равных частей и соединить точки на окружности с центром ее. Практически это делается так: через центр круга у нас уже проведен один диаметр — это линия соединения двух листов железа. Перпендикулярно к нему проводится еще один диаметр. Таким образом, мы получили круг, разделенный на четыре равных сектора. Если мы проведем еще два перпендикулярно пересекающиеся диаметра так, чтобы их линии делили секторы пополам, то получим еще восемь одинаковых секторов. Разделив их еще пополам, получим желаемые 16 секторов. Иными словами, каждый сектор, то есть будущая лопасть нашего ветряного колеса, должен иметь 22,5°.

Когда сделана такая разметка, каждый сектор надо разделить еще надвое между первой и второй окружностями, а по третьей окружности в центре каждой лопасти сделать пометку для отверстий.

Разметив таким образом ветряное колесо, обе его половины вырезают по четвертой окружности и затем разрезают на секторы до первой окружности. Работу эту производят ножницами по металлу или зубилом. Когда разрезка будет окончена, у каждой лопасти вырубается зубилом по половине площади между первой и второй окружностями. Полученные таким образом отверстия дадут возможность ветру, дующему на центр колеса, свободно проходить в них и тем самым не оказывать сильного давления на центр ветряного колеса, что является большим тормозом при работе ветродвигателя.

По сделанным отметкам на третьей окружности делаются сквозные отверстия — в каждой лопасти диаметром в 5–6 мм. В них будет продеваться кольцо из толстой железной проволоки, служащее для упрочения конструкции ветроколеса. Разметка ветроколеса показана на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Детали многолопастного ветряного двигателя:

а — разметка ветроколеса многолопастного ветродвигателя; б — крестовина ветроколеса и сцепление ее планок

Для крепления ветроколеса связывается деревянная крестовина. Для крестовины необходимо взять доску (не тоньше 40 мм) и вырезать из нее три бруска длиной по 800 мм каждый и шириной один — 80 мм и два — по 40 мм. Затем эти бруски связываются в крестовину, на которую крепится ветроколесо так, чтобы полудиски его сходились на широком брусе.

Совет

Ветроколесо лучше прикрепить к крестовине не гвоздями, а шурупами

Лопасти ветроколеса повертываются слева направо приблизительно под углом в 25°.

Для укрепления конструкции берется отрезок железной проволоки толщиной в 5–6 мм, употребляемой для стяжек, и длиной 4500 мм и свивается кольцо диаметром в 1400 мм. Это кольцо осторожно продевается через все отверстия в лопастях, сделанных по третьей окружности, и затем кольцо прочно скрепляется проволочными скрутками.

Теперь ветряное колесо будет достаточно прочно и устойчиво. Затем ветряное колесо надо насадить на главный вал. В качестве этого вала может быть применена металлическая трубка диаметром 40–45 мм и длиной 1000 мм или же цельнометаллический стержень таких же размеров.

Ветроколесо прочно насаживается на вал так, чтобы оно не смогло вращаться на нем. Для этого желательно в широком брусе крестовины в борту его против отверстия для вала просверлить сквозное отверстие для болта диаметром 10–15 мм. Такое же отверстие следует просверлить и на конце вала, отступив от его торца на 40 мм. При насаживании ветроколеса на вал эти отверстия должны совпасть. Через них пропускается болт и закрепляется гайкой. Такое крепление ветроколеса на валу обеспечит необходимую прочность их соединения.

Когда таким образом будет собрано ветроколесо, нужно произвести его балансировку, т. е. уравновешение его на валу. Для этого главный вал ветроколеса следует положить концами на два горизонтально расположенных бруса, например, положенных на концах стола.

Вал должен свободно вращаться вместе с ветроколесом на этих брусьях. Если при повороте ветроколеса оно будет сохранять любое приданное ему положение, можно считать, что оно сбалансировано. Но если при поворотах ветроколеса будет всегда возвращаться в одно и то же положение, т. е. какая-то лопасть его всегда будет стремиться занять нижнее положение, то это значит, что эта половина ветроколеса перевешивает другую половину.

Для уравновешивания ветроколеса к брусу крестовины, который находится в верхнем положении, прикрепляется полоска железа, и продолжают проверку ветроколеса. Если после этого, наоборот, станет перевешивать часть колеса, к которой прикреплена железная полоса, ее надо подрезать. Таким образом, уменьшая или увеличивая дополнительный груз одной части ветроколеса, производят его балансировку и достигают полной равномерности его вращения.

После балансировки ветроколесо покрывают масляной краской на натуральной олифе. Это необходимо для защиты его от ржавчины. Если же ветроколесо будет изготовлено из оцинкованного железа, то красить его не нужно.

1.7. Выбор и работа электрооборудования

Выбор электрогенератора

Первым определяющим параметром является частота вращения, которая должна быть малой. Вторым определяющим параметром является мощность, третьим — надежность.

Если мощность ветроэлектростанции 50—100 Вт, то может быть использован генератор, применяемый на тракторах марки Г-31 А, мощность 60 Вт. Это синхронный шестиполюсный генератор с вращающимися магнитами и шестью неподвижными катушками (см. рис. 1.17).

Рис. 1.17. Синхронный шестиполюсный генератор

Электрогенераторы такого типа хороши тем, что требуют минимального ухода: здесь нет ни угольных щеток, ни коллектора, которые время от времени нужно чистить.

Для более мощной ветроэлектростанции подойдет электрогенератор используемый на автобусах, например, Г-2 мощность 720 Вт, напряжением 12 В и током отдачи 60 А. Такой генератор имеет небольшой диаметр (0,25 м) и при частоте вращения 500–600 об/мин уже может давать ток заряда.

Примечание.

Этот генератор снабжен двумя катушками внешнего возбуждения, что позволяет иметь мощность, меняющуюся в широких пределах.

Ток возбуждения подводится к катушкам через три угольные щетки с тремя контактными кольцами и может изменяться от долей ампера до 1,5 А.

Поскольку в электромагнитных генераторах имеется остаточных магнетизм, то с помощью диодов можно использовать это явление для самовозбуждения генератора, самовозбуждающийся генератор позволяет ветродвигателю легко трогаться с места и быстро набирать обороты.

Выбор привода

Широкое распространение получил гидропривод, включающий в себя и гидропередачи. Гидропередачи используют для передачи момента вращения от ветродвигателя на вал ротора электрогенератора. В гидропередачах энергия передается за счет движения жидкости, находящейся под большим давлением (см. рис. 1.18).

Рис. 1.18. Схема гидропривода

Наверху мачты монтируется гидронасос объемного действия, например:

♦ или шестеренчатый марки НШ-10У на давление 10 МПа;

♦ или аксиально-поршневой марки 210.12 на давление 16 МПа, или др.

Напорная линия от него в виде стальной трубки диаметром 1/2" или гибкого шланга опускается в полость мачты, такой же шланг или трубка опускается вниз из всасывающего отверстия насоса на глубину 0,5–0,7 м.

Внизу на платформе, приваренной к трубе мачты, монтируется гидродвигатель с электрогенератором, валы которых сочлены обычными муфтами. Напорный патрубок гидродвигателя присоединяется к напорному шлангу гидронасоса, а сбросный патрубок соединяется с внутренней полостью трубы мачты, которая заливается минеральным маслом.

Примечание.

Если рабочий объем гидродвигателя меньше рабочего объема насоса, то частота вращения гидродвигателя будет больше частоты вращения насоса, т. е. пропеллера.

Работа привода

Пропеллер вращает вал гидронасоса, насос по всасывающей трубе засасывает минеральное масло из полости трубы мачты и под давлением подает его по напорной трубе в напорное отверстие гидродвигателя.

Из отводного отверстия гидродвигателя масло поступает снова во внутреннюю полость мачты. Гидродвигатель при этом вращается и приводит в движение электрогенератор. Из-за чувствительности к мелким частицам в систему ставят фильтр масла.

Частота вращения агрегатов регулируется клапаном напорного или сливного шланга. Перекрытый клапан «выключит» ветроагрегат в штормовую погоду. Гидронасосы и гидродвигатели подбирают из тракторных или авиационных.

Сравнение генераторов для домашней электростанции

Вариант 1. Генератор переменного тока от автомобиля

Достоинства: дешевый, легко найти, уже собран.

Недостатки: требуется высокая скорость вращения, требуется зубчатая передача или шкив, небольшой выход энергии, токосъемник требует постоянного техобслуживания.

Пригодность для ветроэлектростанции: низкая.

Главная проблема при использовании автомобильных генераторов для ветряков — то, что они разработаны для слишком высоких скоростей — для получения ветряной энергии приходится выполнить множество значительных модификаций. Даже маленькая и работающая на сравнительно быстрых оборотах ветряная мельница требует скорости 600 об/мин, что даже близко нельзя назвать достаточным для автомобильного генератора. Это значит, что придется использовать зубчатые передачи или шкивы, чтобы большая часть энергии тратилась на вращение.

Стандартный автомобильный генератор электромагнитный — то есть часть вырабатываемой энергии должна быть послана на якорь через щетки и токосъемники, чтобы создать магнитное поле. Генератор, который использует электричество для возникновения поля, менее эффективный и более сложный. Тем не менее, его проще регулировать, так как магнитный поток может быть изменен настройкой мощности поля.

Кроме того, щетки и токосъемники имеют тенденцию изнашиваться, требуя постоянного ухода. Генератор также может быть перемотан для выработки энергии на более низких скоростях. Это возможно путем замены существующих витков статора более частыми витками из более тонкой легированной стали.

Вариант 2. Самодельный генератор с постоянными магнитами

Достоинства: низкая стоимость киловатт-часа, высокая эффективность, возможно получение большой мощности, удивительно крепкая конструкция.

Недостатки: трудоемкий, сложный проект, требующий обработки на токарном станке.

Пригодность для ветроэлектростанции: хорошая.

Многочисленные эксперименты показали, что самодельный генератор с постоянными магнитами является наиболее мощным и экономным решением для ветрогенератора. Он способен отлично работать на низких скоростях вращения, на высоких же скоростях он буквально выдает амперы благодаря своей эффективности. Наиболее часто самодельные генераторы производятся из тормозных дисков от Volvo, так как они очень прочные и имеют встроенные упорные подшипники. Так как такой генератор производит переменный ток, требуется выпрямитель для преобразования его в постоянный и последующей зарядки батареи.

Наилучшие результаты показывает трехфазный генератор, однако его сложнее построить, чем однофазный, так что при построении генератора необходимо решить, сможете ли вы построить трехфазный или ограничитесь однофазным.

Генератор для ветряка 2 м в диаметре выдает больше 60 А в 12-вольтную батарею, а это более 700 Вт. На пике мощности он может выдавать даже 100 А. Пока что это решение наиболее эффективно.

Вариант 3. Конверсионный асинхронный генератор переменного тока

Достоинства: дешевый, легко найти, сравнительно легко переоборудовать, хорошая работа на низких оборотах.

Недостатки: результирующая мощность ограничена внутренним сопротивлением, неэффективен на высоких скоростях, требует обработки на токарном станке.

Пригодность для ветроэлектростанции: средняя.

Обычный асинхронный электродвигатель, вырабатывающий переменный ток, может достаточно просто быть перестроен в генератор с постоянными магнитами. Эксперименты показывают, что получившийся генератор хорошо работает на очень низких скоростях, но быстро становится неэффективным на высоких скоростях.

Асинхронный двигатель не имеет никаких проводов в сердечнике, только переменные пластины из алюминия и стали (снаружи они выглядят гладкими). Если вы выдолбите желоба в центре сердечника и вставите туда постоянные магниты, электродвигатель станет генератором с постоянными магнитами.

На практике такой генератор выдает около 10–20 А. Он очень быстро становится малоэффективным: при возрастании скорости ветра количество результирующих ампер возрастает незначительно, остальная же мощность тратится на нагрев самого генератора. Асинхронный электродвигатель обмотан слишком тонкой проволокой и не может поддерживать ток большой мощности. Для того же ветряка диаметром 2 м пиковая сила тока равна всего 25 А.

Если вас устраивает небольшой ток при высоких скоростях ветра, асинхронный двигатель может оказаться хорошим решением. Рекомендуется выбирать трехфазный двигатель. Такой генератор производит переменный ток, поэтому требуется выпрямитель для преобразования его в постоянный ток и последующей зарядки батареи.

Вариант 4. Генератор постоянного тока

Достоинства: простой и уже собранный, некоторые хорошо работают на низких оборотах.

Недостатки: прихотливый, большинство плохо работают на низких оборотах, очень сложно найти генератор достаточно большого размера, маленькие генераторы не могут выдавать большую мощность.

Пригодность для ветроэлектростанции: слабая.

Выбор генератора постоянного тока на первый взгляд кажется логичным, так как батарея заряжается именно постоянным током, и такой системе не потребуется преобразователь. На практике же генераторы постоянного тока даже близко не могут сравниться с генераторами переменного тока. Их щетки требуют постоянного наблюдения, а передающий механизм часто выходит из строя. Такие генераторы могу быть использованы как дополнение к генераторам постоянного тока и выдавать порядка 12 В, что эквивалентно 100–200 Вт. Это немного, но при желании может хватить для небольшого ветряка высотой 1–2 м.

Выбор места установки ветродвигателя

Наилучшим местом установки ветроэлектростанции является участок с наименьшей затеняемостью от ветра большими деревьями и постройками с минимальным расстоянием от их 25–30 м. Высота ее должна превышать высоту ближайших строений на 3–5 м. По линии господствующего направления ветра деревьев быть не должно.

1.8. Ветрогирлянды — альтернатива лопастям большого диаметра

Гиганты или карлики

Компоновка роторов в подвешиваемую гирлянду при использовании современных легких, достаточно прочных и недорогих материалов выглядит вполне оправданной. Гирлянды-спирали весьма технологичны в изготовлении, и могут найти самое разнообразное применение, от уличной рекламы до приливных ГЭС. Некоторые варианты ветродвигателей можно легко построить своими руками, причем при минимальных расходах (http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Не исключено, что со временем ветропарки гирлянд в зонах отчуждения ТЭЦ станут обычным делом, — в странах, необремененных изобилием недр, и не загипнотизированных их мнимой неисчерпаемостью.

Важность развития энергетики на возобновляемых источниках энергии не подлежит сомнению. Ветроэнергетика, — одна из старейших отраслей этого направления, — сталкивается с известными технологическими трудностями. Энергия ветра рассеяна в большом пространственном объеме, собирать ее одним могучим ветроколесом накладно: требования к прочности растут вместе с сопротивлением среды пропорционально квадрату скорости, а стоимость — уже кубу, если верить авиастроителям. Длина крыла современного ветрогенератора может достигать 30–40 и даже 60 м.

Ничего удивительного, что киловатт установленной мощности ВЭС обходится в копеечку. Выходит, за высокую мощность ветродвигателя, — вожделенный куб скорости ветра, — приходится платить «один к одному».

Примечание.

Поэтому имеет прямой смысл заняться миниатюризацией: сумма кубов растет гораздо медленнее, чем куб суммы. Заменяя одного великана на много карликов можно значительно понизить требования к прочности отдельной укороченной лопасти.

К сожалению, параллельно с естественным удешевлением малогабаритных ветродвигателей возникает проблема эффективного суммирования мощностей. Компактные электрогенераторы — не самые дешевые устройства.

Самое элементарное суммирование достигается закреплением роторов на одном и том же валу.

Примечание.

Лучше всего такая схема подходит для т. н. ортогональных ветродвигателей, — с поперечной потоку осью вращения. Обычные ветроколеса объединять подобным образом, как правило, неэффективно: желательно, чтобы между пропеллерами было расстояние порядка 10–12 диаметров для восстановления силы и стабильности потока (интересное решение предложено на сайте http://www.selsam.com).

Чрезвычайно удачной в плане конструктивной простоты является гирлянда ортогональных роторов, закрепленных на тросе-приводе (рис. 1.19). Такое решение неплохо зарекомендовало себя и в гидроэнергетике. Очень заманчиво использовать подобную схему и для преобразования энергии ветра.

Идея ветрогирлянд занимала умы изобретателей и раньше. Пришло время вновь обратить на нее пристальное внимание.

Рис. 1.19. Гирлянда ортогональных роторов, закрепленных на тросе-приводе

Ветрогирлянда в кустарно-огородном исполнении

Самую примитивную и дешевую ветрогирлянду легко собрать на даче, — лишь бы было к чему ее подвесить. Пусть это будет дерево приличной высоты или прочный шест с телеантенной на крыше дома (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Исходные материалы для классического ротора Савониуса (рис. 1.20): металлический трос толщиной 2–3 мм (10–15 руб. за метр), пластиковая труба для канализации диаметром 110 мм (90 руб. за метр), лист оцинкованного железа ДЛЯ горизонтальных площадок, разделяющих соседние роторы.

Рис. 1.20. Принцип построения ротора Савониуса:

а — двухлопастный; б — четырехлопастный

Разумеется, еще понадобятся подшипники для закрепления концов гирлянды вверху и внизу, можно попробовать использовать для этих целей ступицы колес от старого велосипеда.

О недорогих тихоходных многополюсных электрогенераторах на постоянных магнитах приходится только мечтать. Поэтому, скорее всего, придется соорудить мультипликатор для повышения частоты вращения генератора. Ротор из двух полусфер диаметром 110 мм и перекрытием лопастей 20 мм будет иметь общий диаметр 200 мм. Это значит, что на скорости 5 м/с при быстроходности 0,7 частота вращения составит 330 об/мин. Повышения частоты в 4–5 раз будет уже достаточно, чтобы подобрать к ветроустановке промышленный генератор.

Конструкция мультипликатора может быть самой разнообразной, с использованием ремней ГРМ или велосипедных звездочек. Единственное утешение в этой почти неизбежной возне с повышением частоты вращения состоит в том, что не надо взгромождать эту конструкцию на самый верх пятнадцатиметровой мачты. Вместе с генератором этот прибор прекрасно разместится на земле под гирляндой.

Разобравшись с мультипликатором, можно приступать к сборке гирлянды. Для начала следует нарезать из листа железа торцевые площадки для закрепления лопастей — круги диаметром примерно 250 мм.

Обрезки пойдут на изготовление фиксирующих скоб — держателей лопастей и троса. Эти уголки нужно закрепить саморезами или винтами на площадке вдоль посадочного места лопасти как показано на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Принцип построения лопасти

Последний подготовительный шаг, — разрезать пластиковую трубу на сегменты длиной 50–70 см, затем каждый сегмент вдоль на две половинки. Слегка зашкурить края, — и лопасти готовы.

Монтаж ветродвигателя проще всего производить прямо на месте установки, подтягивая гирлянду вверх по мере сборки.

Совет.

Весьма разумно сделать гирлянду опускаемой, перекинув верхний конец через шкив.

Порядок такой: закрепить болтами верхнюю площадку на тросе, присоединить снизу лопасти (например, саморезами), подтянуть трос вверх, привернуть к лопастям нижнюю площадку, зафиксировать ее на тросе, и т. д.

Цена вопроса. Один квадратный метр ометаемой площади такой «ветроканализационной» установки, — 5 погонных метров гирлянды, — без стоимости генератора, мультипликатора и подвеса обойдется по ценам подмосковных стройрынков в 500–550 руб.

С учетом того, что при среднегодовой скорости ветра 5 м/с и качественном электрогенераторе с квадратного метра удастся получить в лучшем случае 12–13 Вт, это, пожалуй, дороговато. Однако отметим, что нам не понадобилось никаких глубоких знаний аэродинамики для сооружения долговечной ветроустановки приличной площади, причем буквально на коленках. Она не будет изводить соседей жутким воем, и не подвергнет вашу жизнь опасности при оледенении лопастей.

Если удастся в кустарных условиях изготовить лопасти из оцинкованного железа (лист 0,55 мм стоит 200 руб. за м^2), и не в форме полусфер, а с оптимизированным профилем, то можно получить уже 20–22 Вт при стоимости гирлянды 320–330 руб. за квадратный метр ометаемой площади.

Совет.

Лучше сделать диаметр больше, например, 40–50 см. Правда, и весить она будет больше пластмассового варианта.

Каким образом можно еще упростить и удешевить конструкцию? Избавиться от горизонтальных площадок, закручивая сплошные лопасти по спирали вокруг вертикальной оси, и перейти к каркаснотепличному дизайну. Конструкций «завитых» Савониусов в сети предостаточно, попробуем сделать гирлянду, примерно как на фотографии с сайта www.aerotecture.com, только без всех этих окружающих палок и стержня, которые выгоднее пустить на нормальную мачту с растяжками.

Гирлянда-спираль

Для начала, можно попробовать изготовить каркас (рис. 1.22) из алюминиевой полосы 2x12 мм по розничной цене 25 руб. за два метра. Разрезав на 4 части по 50 см и загнув по шаблону, получим 2 ребра для фиксации полиэтиленовой пленки. Диаметр гирлянды составит примерно 44 см (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

Рис. 1.22. Принцип создания каркаса

Полиэтиленовая пленка довольно хорошо тянется. Зажав пленку между полосами (свинченные вместе полосы будут хорошо сопротивляться изгибанию), нижнее ребро следует немного закрутить относительно верхнего против часовой стрелки.

Совет.

Чтобы спираль не развернулась обратно, по боковым кромкам пленки так же следует пустить полосы, фиксирующие поворот горизонтальных ребер и обеспечивающие поперечное натяжение полотна.

В качестве дополнительных мер против разгибания гирлянды можно с помощью тонкой проволоки или капронового шнура связать зигзагом края и выступы соседних лопастей.

При вертикальном шаге между ребрами в 50 см на один погонный метр гирлянды уйдет примерно 6,5–7 м полосы или 85 руб.

Каркас для ометаемой площади в 1 м^2 (при диаметре 44 см это 2,27 погонных метра) обойдется в 200 руб. Цена обычной 100 мкм пленки 8–9 рублей за м^2. Итого: 210–215 руб. при минимальной массе гирлянды.

Конечно, лучше использовать светостабилизированную пленку, устойчивую к ультрафиолету. По заверениям производителей ее срок службы может доходить до двух-трех лет, при стоимости всего на 15–20 % дороже. Пусть будет 225 руб. С армированной пленкой, — 240 руб. С алюминиевой 100 мкм фольгой, используемой при теплоизоляции бань, — 270 руб.

Можно также использовать недорогую парусную ткань или любой другой подходящий материал. При всей своей недолговечности полиэтиленовая пленка за счет своей прозрачности имеет изрядное преимущество в эстетическом плане, делая гирлянду менее бросающейся в глаза. Да и тени меньше. Фольга, безусловно, претендует на приз зрительских симпатий за футуристический дизайн, — только представьте пляшущие по любимым грядкам солнечные зайчики.

Можно немного упростить конструкцию с полиэтиленом, заменив сдвоенные полосы на одну трубу 1x10 мм (19 руб. за п. м.), и крепя пленку к трубе, например, широким скотчем. В качестве походного варианта подойдет синтетическая ткань с нашитыми поперечными. полосами-карманами для труб-ребер и завязками по краям полотна.

Промышленное исполнение гирлянд и материалоемкость

Как и в любой другой конструкции, несущий каркас позволяет использовать очень тонкий материал для изготовления спирали. Вариантов каркасного исполнения можно придумать множество, соблюдая разумный баланс между ценой, прочностью, весом и сроком службы гирлянд.

Представляется интересной и другая возможность, — делать гирлянду-спираль сгибанием из достаточно тонкого алюминия или оцинковки, выпускаемых промышленностью в рулонах разной ширины, в том числе с уже нанесенным покрытием (П. Колосов, http://rosinmn.ru/vetro/girland/girland.htm).

По себестоимости материала это выйдет в 150–200 руб. за квадратный метр ометаемой площади (оптовые цены). Занятным вариантом было бы выгибать спираль нужной длины прямо на месте установки ветрогирлянд, а не соединять из коротких сегментов, загнутых в цеху. Для предотвращения разворачивания можно также использовать тонкий металлический трос, овивающий спираль в направлении, обратном закрутке лопастей.

Главной особенностью гирлянды является отказ от жесткого несущего стержня-опоры, что значительно облегчает и упрощает конструкцию ветродвигателя. Вес гирлянды является важным параметром, т. к. сильно влияет на требования к прочности и внешних опор, и тросов подвеса, и материала самой гирлянды. Поэтому естественно возникает вопрос, можно ли еще как-то улучшить отношение ометаемой площади к затраченному на лопасти материалу?

В принципе, можно вместо увеличения хорды лопастей оптимизированного профиля попробовать разнести их на некоторое расстояние друг от друга (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Модернизация ротора Савониуса

Конечно, такой вариант уже трудно назвать ротором Савониуса, в котором важную роль для повышения КИЭВ играет именно взаимодействие лопастей.

Можно ли пожертвовать определенной частью КИЭВ при условии, что некоторую потерю эффективности существенно перекроет рост ометаемой поверхности гирлянды? С одной стороны, конструкции в стиле чашечного анемометра серьезно уступают Савониусу. С другой, — профиль из упомянутого выше отчета в первую очередь подвергался оптимизации именно как отдельное крыло. Как поведет себя ветрогирлянда из двух разнесенных полуспиралей? Похоже, получить ответ можно лишь опытным путем.

Напрашивается опробовать гирлянду вообще из одной лопасти-спирали. При двукратном выигрыше в материалоемкости заметное падение КИЭВ, вообще-то, еще не гарантировано. Однолопастные пропеллеры, например, эффективнее многолопастных, а проблема балансировки для гирлянды-спирали из нескольких витков и с небольшой быстроходностью не так уж и актуальна. Конструкция однолопастной спирали в «каркасно-тепличном» исполнении очевидна.

Ветрогирлянды в городских условиях

Сплошные гирлянды-спирали из металлических или полимерных листов с современным долговечным декоративным покрытием (используются для изготовления наружной рекламы и отделки зданий, довольно дороги) могут найти интересное применение на городских улицах. Сочетание низкого шума, высокого КПД и привлекательного нарядного внешнего вида делают их отличными кандидатами на размещение вместо флагов на фонарных столбах городских магистралей.

Три трехметровые гирлянды (рис. 1.24) диаметром 33 см, закрепленные на одном столбе, эквивалентны по мощности ветроколесу диметром 2 метра — неплохой довесок к декоративной функции. Можно также располагать ветрогирлянды поперек улиц аналогично рекламным растяжкам. Вообще, вращающаяся гирлянда-спираль может неплохо вписаться в облик современного города, открывая новые возможности для дизайнеров и снижая затраты на уличное освещение.

Рис. 1.24. Строенная установка из трех гирлянд

Например, панно из размещенных вплотную ветрогирлянд с согласованной частотой вращения (т. е. механически замкнутых на один генератор) и с нанесенными на поверхность спиралей элементами изображения, может создавать различные визуальные эффекты, включая некое подобие анимации.

Такой необычный рекламный щит за счет двойного применения может иметь высокую окупаемость. В безветрие или при слабом ветре, не несущем почти никакой энергии, ветрогирлянды могут принудительно стопориться, или приводиться в движение с нужной угловой скоростью для формирования рекламного изображения, и вырабатывать электричество при сильных ветрах, которые собственно и переносят львиную долю энергии, но дуют относительно небольшое количество часов в году.

Удачное место для размещения малошумных гирлянд в городской черте, — плоские крыши высоких домов. Во-первых, это гарантированное обдувание со всех сторон, а во-вторых, размещенные по периметру здания крайние гирлянды также могут выполнять декоративные и рекламные функции.

Объединение гирлянд

При среднесезонной скорости ветра в 5 м/с, качественно изготовленной гирлянде и общем КПД мультипликатора и генератора 70 %, один квадратный метр ВЭУ выдаст 20–21 Вт электроэнергии. Для производства одного киловатта понадобится 50 м^2, или сто погонных метров при диаметре 50 см.

Ясно, что вместо одной очень длинной гирлянды в большинстве случаев придется вешать несколько коротких. Здесь возможны две стратегии. Во-первых, устанавливать на каждую гирлянду многополюсный генератор на постоянных магнитах соразмерной мощности. Гирлянда диаметром 80 см и длиной 25 м имеет площадь 20 м^2, как у ветроколеса диаметром 5 м, — теоретически можно раскошелиться и на отдельный генератор, суммируя затем уже электрическую мощность.

Однако есть и альтернатива установке мультипликатора и генератора под каждой гирляндой. Можно с помощью механических передач замыкать их на один генератор. Этому способствует маленький диаметр гирлянд, — их можно располагать достаточно близко. Очевидный вариант объединения механической мощности таков: угловые редукторы с парой конических шестерен передают вращающий момент от гирлянд общему горизонтальному тросу, закрепленному одним концом на валу генератора.

Это приведет к потере 3–5 процентов мощности на каждой гирлянде в одном ряду, и если рядов несколько, то еще столько же при вторичном суммировании рядов.

Примечание.

Эти потери (включая стоимость редукторов и горизонтальных тросов) будут экономически оправданы, если стоимость большого числа маленьких мультипликаторов/генераторов в сравнении со стоимостью такого же числа угловых редукторов и одного мощного мультипликатора/генератора окажется много больше.

Так же вполне возможно, что оптимальной будет установка одного генератора промежуточной мощности на один ряд гирлянд, гибко сочетая оба вида суммирования: механический внутри ряда и электрический между рядами.

Подшипники вверху и внизу гирлянды необходимы в любом случае. В сущности, подвес и редуктор — единственные узлы ветродвигателя как такового, требующие серьезного механического производства.

Поскольку для ВЭУ достаточной мощности их потребуется не один и не два, а действительно много, их себестоимость в достаточно крупносерийном производстве должна быть умеренной.

Возможно, для удешевления механических редукторов подойдет стратегия их изготовления на китайский манер, — из пластика с ограниченным сроком службы и последующей периодической заменой быстроснашиваемых деталей.

Внимание.

Чтобы соседние гирлянды не перекрывали друг друга, желательна минимальная дистанция между ними в 10 диаметров.

По крайней мере, Такого правила придерживаются при сооружении ветропарков традиционных пропеллерных установок. Не исключено, что гирлянды можно будет разместить и несколько плотнее. В любом случае, не следует без особой нужды ставить их очень близко друг к другу, экономя пару десятков рублей на стоимости нескольких лишних метров троса, и теряя гораздо больше на фактическом снижении эффективной площади ветродвигателя.

Мачты

Как известно, за удовольствие надо платить, и в случае ветрогирлянд это вопрос о мачте, — к чему подвешивать? Хорошо, если речь о даче, и можно натянуть горизонтальный несущий трос между парой деревьев или между деревом и шестом на крыше, чтобы цеплять одну или несколько гирлянд уже к нему. Для установок, претендующих на нечто более чем 50—100 Вт, понадобится специальное сооружение.

Очевидным плюсом является возможность использовать в качестве опоры мачту на растяжках, которая дешевле решетчатых башен как минимум в 2–2,5 раза. За счет потенциально высокой пространственной плотности размещения даже на одной мачте можно подвесить гирлянды значительной суммарной ометаемой площади.

Но желательно как можно дальше разнести гирлянды друг от друга, и от ствола. Наверное, это будут (увы, быстро) понижающиеся от мачты кольца гирлянд, или одно кольцо в виде расходящегося шатра. К сожалению, максимально использовать жизненно необходимую ветроустановкам высоту в случае одной единственной опоры очень трудно.

Уже легче, если мачт будет две, можно выстроить ряд гирлянд, или лучше два параллельных ряда, обеспечив просвет между плоскостями с помощью горизонтальных распорок, вставленных между несущими торсами рядов. Вариантов расположения и для одной, и для двух мачт можно придумать множество, нужно только не забывать, что:

♦ во-первых, система несущих тросов должна быть опускаемой;

♦ во-вторых, нижний край гирлянд также лучше закреплять на несущих тросах, растянутых на достаточном расстоянии от земли.

Совет.

Ветра у самой поверхности мало, и площадь под гирляндами лучше использовать в сельскохозяйственных целях.

Ясно, что действительно значительное количество гирлянд можно подвесить лишь на пространственных ячейках по 3 или 4 опоры. Тогда одна мачта сможет поддерживать утлы сразу нескольких соседних ячеек с высокой плотностью заполнения гирляндами. Это существенно увеличивает минимальные начальные затраты на ветроустановку с одной ячейкой, зато если мощность планируется постепенно наращивать, добавление следующей ячейки потребует дополнительной установки уже только одной/двух, а не трех/четырех мачт.

О тихом ветре

По данным метеорологических наблюдений среднегодовая скорость ветра на большей части территории России редко достигает даже 5 м/с. Для Подмосковья средний ветер составляет 3,2 м/с летом и 4,2 м/с зимой. Казалось бы, какие уж тут ветроустановки, — гоняться за несколькими ваттами с квадратного метра. Но не все так плохо:

♦ во-первых, по оценкам самих метеорологов скорость ветра на многих городских метеостанциях систематически занижается на 1–2 м/с;

♦ во-вторых, в приземном слое почти всегда имеется значительная горизонтальная турбулентность, — те самые порывы ветра.

Примечание.

Вертикальноосевые турбины прекрасно работают в непостоянном по направлению потоке, а ротор Савониуса эффективно реагирует и на резкие скачки в силе ветра, — при внезапном падении быстроходности его крутящий момент только растет.

Нетрудно понять, что при слабом ветре его энергия в основном заключена именно в порывах. Так, ветер со средней скоростью 4 м/с, периодически на 15 % времени возрастающий еще на 4 м/с (классифицируется в метеорологии как ровный, а не порывистый!), будет содержать в 2 раза больше энергии, чем ламинарный поток 4 м/с.

В условиях городской застройки, когда сильные порывы чередуются с полным затишьем, эта разница будет еще большей. Обычное ветроколесо в подобных условиях, скорее всего, даже не сможет стартовать, не то что выработать электроэнергию. Так же, из этих соображений установка отдельных генераторов под каждой гирляндой выглядит несколько предпочтительней механического суммирования (и тем самым усреднения) моментов.

Можно возразить, что соответствующую турбулентным возмущениям пульсацию электрической мощности на выходе ветроэлектростанции трудно утилизировать, и даже не стоит за ней гнаться. Да, эта проблема существенна, причем для любых ветроустановок, включая и классические пропеллеры. Для ветряков в составе систем автономного питания удаленных от сети централизованного энергоснабжения фермерских хозяйств и поселков обычно предусматривают разделение потребителей на группы по требовательности к качеству электропитания. По крайней мере, в зимнее время скачки мощности всегда пригодятся для отопления помещений.

Можно надеяться, что проблема запасания энергии впрок, актуальная для всех установок на возобновляемых источниках энергии, все-таки обретет в недалеком будущем приемлемые по стоимости решения. Технологический прогресс в этой области налицо, включая бесчисленные варианты топливных элементов, тепловые аккумуляторы для коттеджей, и даже механические маховики.

Например, вот этот проект (http://www.membrana.ru/articles/technic/2006/08/30/133800.html) составит неплохую компанию ветропарку гирлянд для сглаживания кратковременных пульсаций.

Относительно простой способ накопления энергии в серьезных объемах, — гидроаккумулирующие электростанции. Однако, их сооружение требует особых географических условий и значительных затрат.

Варианты применения гирлянд

В отличие от ветроколес гирлянды могут легко сочетаться с другими сооружениями, если соответствующая дополнительная ветронагрузка будет заложена на стадии их проектирования. Ветрогенерирующая ЛЭП — звучит довольно заманчиво. Различные варианты такого «симбиоза» предлагает Билл Бекер (www.energy2006.net/presentations/Becker_3A.pdf):

♦ подЛЭП;

♦ на опорах контактной сети железной дороги для энергоснабжения станций, переездов, депо, с выдачей излишков в контактную сеть;

♦ между вантами и под полотном подвесного моста;

♦ горизонтальные гирлянды на несущем тросе в горных условиях, под пролетами мостов;

♦ мобильный вариант с подъемом на воздушном шаре от метеозонда.

1.9. Построение небольшого ветряного генератора

Выбор электромотора

Пусть стоит задача для использования в отдаленной от цивилизации местности установить ветряную турбину, которая давала бы хоть немного электроэнергии, а позднее дополнить ее несколькими панелями солнечных батарей. AlexAAN по заказу РадиоЛоцман сделал перевод интересной американской статьи на эту тему.

Реально можно установить не дорогую, покупную турбину, а самодельную, которая не стоит почти ничего. Нужны лишь навыки работы руками и минимальные познания в электронике.

Конструирование ветряка автор Майкл Дэвис (USA) начал с поиска в Гугле информации о самодельных турбинах. Там было найдено множество описаний, самых различных по конструкции и по сложности. Пять элементов были общими для всех вариантов:

♦ генератор;

♦ ветроколесо;

♦ устройство, разворачивающее ветроколесо к ветру;

♦ мачта;

♦ аккумуляторы и электроника управления.

Проект можно урезать до пяти небольших частей. Если заниматься каждой последовательно, проект выглядит относительно простым. Исследования в Интернете показали, что очень многие делали свои собственные генераторы. Это показалось слишком сложным, по крайней мере, для первого раза. Остальные использовали моторы постоянного тока с постоянными магнитами. Такой вариант явно был проще, и автор приступил к поиску подходящих моторов.

Как показалось, многие предпочитают использовать моторы накопителей на магнитной ленте от старых компьютеров. Лучшими, по-видимому, были несколько моторов, выпускавшиеся фирмой Ametek. А наиболее подходящим из них, для использования в качестве генератора, был мотор 99 В DC. К сожалению, достать такие моторы в наши дни практически невозможно. Хотя есть много других моторов Ametek, некоторые из которых все еще можно приобрести, скажем, на Ebay.

Примечание.

Обращаю внимание, что указанные технические средства применимы для американского континента, где стандартом для сети переменного тока является напряжение 120 В 60 Гц. Но принципы построения ветроэлектростанции не отличаются.

Вероятно, еще есть немало моторов с постоянными магнитами, разных изготовителей и моделей, которые можно было бы использовать в качестве генераторов; Но, при выборе мотора помните, что двигатель постоянного тока с постоянными магнитами может работать генератором, но его никогда не конструировали как генератор. Поэтому генераторы из них неважные.

Некоторые моторы совсем не годятся. Используемые в качестве генераторов, моторы, как правило, вынуждены вращаться со скоростью намного большей, чем та, для которой их рассчитывали.

Примечание.

Мотор, который необходимо выбрать, должен быть рассчитан на максимальное напряжение питания, максимальный ток, и иметь минимальную скорость вращения.

Держитесь подальше от низковольтных или высокооборотных моторов. Вам необходим мотор, способный обеспечить 12 В при невысокой скорости вращения, и отдавать достаточный ток. Можно ожидать, что мотор с номинальной скоростью вращения 325 об/мин и номинальном питании 30 В, включенный генератором, сможет вырабатывать +12 В.

С другой стороны, мотор с номинальной скоростью 7200 об/мин и номинальном питании 24 В, вероятнее всего, не сможет дать вам 12 В, т, к. скорость его вращения слишком велика для ветряной турбины.

На Ebay автору удалось, всего лишь за $26, купить один из хороших 30-вольтовых моторов Ametek (рис. 1.25). Сейчас они уже стоят намного дороже из-за того, что все считают их идеальными генераторами. Но не зацикливайтесь на Ametek. Моторы других брендов тоже работают нормально.

Рис. 1.25. Внешний вид мотора Ametek

Купленный мотор работал великолепно. Даже поворачивая вал пальцами, можно было заставить ярко светиться 12 В лампочку. Но настоящий тест бы устроен вращением мотора электродрелью. К мотору была подключена нагрузка, на которой развивалась мощность в несколько сотен ватт.

Стало ясно, что если удастся сделать хороший комплект лопастей для вращения этого мотора, энергия от него обязательно будет получена.

ПВХ лопасти для ветровой турбины

Следующий шаг — изготовление лопастей и ступицы. Многие вырезают лопасти из дерева. Такой вариант является чрезмерно трудоемким.

Лопасти можно вырезать из секций ПВХ трубы. Сначала вы должны решить для себя, какого размера лопасти нужны. Затем можете отправляться в магазин. Само собой разумеется, вы должны купить отрезок трубы такой же длины, какими будут лопасти.

Примечание.

Диаметр трубы должен быть в 5 раз меньше длины лопасти.

Например, для лопастей 50 см надо купить трубу диаметром 10 см. Из одного отрезка трубы можно сделать 4 лопасти.

Итак, вы принесли домой ПВХ трубу. В нашем примере, для лопастей 50 см. Этапы создания лопастей представлены на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Этапы создания лопастей

Первым делом надо разрезать трубу вдоль на четыре одинаковых секции. Размечать цилиндрическую поверхность трубы без каких-либо приспособлений сложно. Лучше всего взять большой лист бумаги и плотно обмотать его вокруг трубы. Край листа поможет провести прямую линию на трубе.

Ширина листа будет равна, длине окружности. Затем сложите лист бумаги пополам и отметьте половину окружности трубы. Наконец, сложите лист в четыре раза. Таким методом вы сможете аккуратно провести прямые линии по всей длине трубы. А теперь берите пилу, и разрезайте трубу на две половины. А теперь каждую половину еще раз пополам.

Обработайте четыре заготовки. Теперь, с каждой из четырех заготовок, мы должны проделать следующее:

♦ сделать прямоугольные вырезы длиной порядка 5 см у основания будущих лопастей. Прежде чем резать заготовки, надо просверлить в углах отверстия, чтобы не нарушать структурную целостность материала. Вырезы следует делать аккуратно, стараясь не задеть пилой просверленные отверстия;

♦ обрезать заготовки наискосок от конца к основанию.

Следуя общему рецепту (рис. 1.26), кое-что можно сделать по-другому (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Вариант методики создания лопастей

Купить трубу из ABS, а не ПВХ. Диаметр трубы взять 150 мм, вместо 100 мм. И увеличить длину лопастей с 50 см до 61 см. Разрезать трубу вдоль на четыре части. Вырезать одну лопасть и дальше использовать ее как шаблон для вырезания остальных. В результате получаться три рабочие лопасти и одну запасную.

Затем, используя шкурильную машину, снять с лопастей заусенцы и сгладить края, стараясь придать им лучшую аэродинамическую форму. Не знаю, насколько это улучшает их свойства, но уж точно, портит (рис. 1.27, б).

Изготовление ступицы

Теперь надо сделать ступицу, чтобы привернуть к ней лопасти и насадить на вал мотора. Нужен зубчатый шкив, который бы идеально надевался на вал. Если имеющийся у вас вал имеет слишком маленький диаметр, чтобы присоединить лопасти, то можно использовать алюминиевый диск диаметром 125 мм.

Привернуть к нему лопасти было возможно, но надеть на вал мотора нельзя. Соединяем эти две детали вместе (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Изготовление ступицы

Сверля отверстия, стуча молотком и закручивая болты, делаем ступицу. Вот ветроколесо в сборе, после присоединения лопастей к ступице (рис. 1.29, а). А на рис. 1.29, б изображено ветроколесо с другой стороны.

Рис. 1.29. Ветроколесо в сборе, после присоединения лопастей к ступице

Можно закрыть ступицу обтекателем. С ним ветроколесо приобретало бы совсем профессиональный вид, и никто не поверил бы, что оно сделано из сантехнической трубы и хлама, найденного в мастерской.

Но на одном сайте есть утверждение, что такие обтекатели срывают воздушный поток и снижают эффективность турбины. Поэтому было решено обтекатель не устанавливать. По крайней мере, на первом этапе.

Рис. 1.30. Использование обтекателя

Изготовление флюгера и окончательная сборка

Теперь надо было собрать турбину. Считая, что все должно быть просто, насколько возможно, мотор был притянут двумя хомутами к куску доски сечением 5x10 см.

Из куска 100 мм ПВХ трубы был вырезан кожух, чтобы защитить мотор от непогоды. Хвост, благодаря которому флюгер разворачивался бы по ветру, можно вырезал их куска алюминиевого листа. Размеры указаны на рис. 1.31. Хотя вряд ли хоть один из них может быть критичным.

Рис. 1.31. Внешний вид и габариты флюгера

Создание мачты и подшипника

Далее нужно сделать мачту и подшипник, который позволял бы флюгеру легко разворачиваться по ветру. Замечено, что стальная труба диаметром 1" с минимальным трением вращается внутри стальной ЕМТ трубы 1^1/4", используемой при прокладке электропроводки. Тогда в качестве мачты можно использовать длинную трубу 1^1/4", а на ее концах водопроводные фитинги 1».

К флюгеру (рис. 1.32), на расстоянии 19 см от генератора, нужно привернуть стальной дюймовый фланец и ввернуть в него кусок трубы длиной 25 см. Этот кусок, вставленный в мачту, мог бы вращаться в ней не хуже, чем в подшипнике. Провода от мотора следует пропустить бы в мачту через отверстие, просверленное в доске флюгера.

Рис. 1.32. Основание флюгера

Основание мачты (рис. 1.33) диаметром 60 см можно вырезать из фанеры.

Рис. 1.33. Конструкция основания мачты

Затем следует сделать U-образную конструкцию из водопроводных фитингов, вставив тройник посередине. Тройник свободно вращается, что впоследствии позволит опускать мачту. После этого, через переходник с 1^1/4" на 1", нужно привернуть отрезок трубы длиной 30 см.

Между переходником и тройником желательно вставить еще один 1" тройник, через отверстие которого можно было бы выпустить идущие от флюгера провода. Рекомендуется просверлить отверстия в деревянном круге, чтобы иметь возможность закреплять основание на земле с помощью шпилек.

На рис. 1.34 флюгер и основание показаны вместе. Теперь вы можете представить себе, как будет выглядеть вся конструкция после того, как две части будут соединены трехметровой трубой. Однако постройкой генератора автор Майкл Дэвис занимался во Флориде, а использовать его собирался в Аризоне.

Рис. 1.34. Флюгер и основание вместе

Затем все деревянные детали желательно покрасить в два слоя, например, белой латексной краской. Последний снимок (рис. 1.35) сделан после того, как ветроколесо было присоединено к мотору. Сборка генератора закончена.

Рис. 1.35. Сборка генератора закончена

Контроллер заряда — поиск решения

Теперь, когда все части генератора были готовы, пришло время подумать об электронной части проекта. Ветроэлектростанция должна состоять из:

♦ из ветрогенератора;

♦ одной или нескольких аккумуляторных батарей, для сохранения энергии, получаемой от генератора;

♦ блокировочного диода, который не позволяет генератору раскручиваться от напряжения аккумуляторов;

♦ балластной нагрузки для «слива» избыточной энергии после полного заряда аккумуляторов, и управляющего всем узлами контроллера.

Для целей солнечной и ветроэнергетики разработано множество контроллеров. Почти все можно купить на Ebay. Но автор решил сделать собственный, и опять полез в Google. Информации нашлось много, включая полные принципиальные схемы контроллеров заряда. За основу своей схемы была взята эта:

http://www.fieldlines.eom/story/2004/9/20/0406/27488

На этом англоязычном сайте все описано в мельчайших подробностях, поэтому затрону описание контроллера в довольно общих выражениях. Независимо от того, покупная у вас турбина, или самодельная, контролер для нее нужен всегда. Основное назначение контроллера состоит в том, чтобы отслеживать напряжение на аккумуляторах и энергию турбины направлять:

♦ либо в аккумуляторы;

♦ либо, если аккумуляторы полностью зарядились, в дополнительную нагрузку.

Схема и пояснения из приведенной выше ссылки хорошо объясняют принцип его работы.

На рис. 1.36 представлено фото контроллера в сборе.

Рис 1.36. Внешний вид контроллера

Для начала все детали можно привернуть к листу фанеры. Со временем желательно смонтировать их в водонепроницаемом корпусе.

Небольшая макетная плата по центру В нижней части фотографии, с микросхемами и другими деталями, — собственно, и есть контроллер. На серебристом уголке под макетной платой установлены две кнопки, с помощью которых можно вручную переключать ток генератора либо на аккумуляторы, либо на дополнительную нагрузку.

На большом черном теплоотводе в нижнем левом углу находятся два блокировочных диода на ток 40 А.

Пока используется только один, но второй понадобится, если встанет задача поставить еще один ветрогенератор или солнечную батарею.

Двойной ряд золотистых прямоугольников вверху — это гасящая нагрузка, собранная из мощных резисторов. Сопротивление каждого резистора 2 Ом. Они используются для отвода мощности турбины при полном заряде аккумулятора, и кроме того, служат эквивалентом нагрузки при испытаниях турбины.

В дальнейшем можно использовать эту энергию каким-либо более полезным способом. Например, для нагрева воды, или для заряда еще одного аккумулятора. Ниже гасящей нагрузки, слева, установлен главный предохранитель ветрогенератора. Небольшой серый кубик — это автомобильное реле на 40 А. Именно оно переключает ток турбины между аккумулятором и нагрузкой. По правой стороне расположился ряд клеммных контактов, с помощью которых я произвожу все внешние подключения.

Схема контроллера заряда

Генератор турбины подключается к контроллеру. От контроллера идут провода к аккумулятору. Туда же подключается и нагрузка. Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 11,9 В, контроллер подключает генератор к аккумулятору, и последний начинает заряжаться (рис. 1.37).

Если напряжение аккумулятора достигает 14 В, контроллер подключает к нему дополнительную нагрузку. Оба пороговых напряжения, 11,9 В и 14 В, можно изменять подстроечными резисторами. Интересуясь в Интернете, какими же должны быть эти пороги для свинцовых аккумуляторов, я обнаружил некоторые расхождения у различных авторов. Для своей схемы я взял усредненные значения.

При напряжении аккумулятора между 11,9 В и 14 В, контроллер может переключать систему между зарядом и отдачей тока в нагрузку.

Примечание.

Пара кнопок позволяет делать эти переключения в любое время, независимо от контроллера. Очень удобно при наладке устройства.

Желтый светодиод зажигается во время зарядки аккумулятора. Когда аккумулятор заряжен, и избыточная мощность отводится в дополнительную нагрузку, загорается зеленый светодиод. Таким образом, имеется минимальная обратная связь, позволяющая понять, что происходит в системе. Кроме того, с помощью мультиметра можно измерять напряжения в любых точках. Все это не очень удобно.

Еще желательно добавить вольтметр и амперметр, возможно, например, от автомобильного приборного щитка.

При исследовании схемы с помощью внешнего источника питания можно имитировать различные режимы заряда и разряда аккумулятора, и настроить контроллер. Устанавливая напряжение 11,9 В, а затем 14 В, нужно выставить подстроечными резисторами требуемые пороги.

Исследовав подробнее правила заряда свинцовых аккумуляторов, верхний порог автор установил равным 14,8 В.

Внимание.

В первую очередь, надо подключать к контроллеру аккумулятор, и только потом ветрогенератор или солнечную батарею. Если генератор подключить первым, волны напряжения не будут сглаживаться аккумулятором, контроллер будет работать неправильно, реле хаотически переключаться, а броски напряжения, в конце концов, приведут к выходу из строя микросхем.

Короче, всегда подключайте аккумуляторную батарею первой, а ветрогенератор вслед за ней. И наоборот, разбирая систему, убедитесь, в первую очередь, что генератор отключен. Батарею отключайте последней.

Наконец, представлю вам принципиальную схему. Она лишь немного отличается от прототипа, ссылка на который приводилась выше. Некоторые детали автор заменил на те, которые уже были у него, чтобы не тратиться на покупку новых. Советую вам поступать также. Совершенно не обязательно повторять схему один в один.

Замечание: С3с и IC3d не используются. Заземлите их входы, а выходы оставьте свободными.

IC1 — LM7808 стабилизатор напряжения +8 В

IC2 — LM1458 сдвоенный операционный усилитель

IC3 — CD4001 4 логических элемента «2И-НЕ»

Q1  — IRF540 MOSFET

D1…D3 — блокировочные диоды, рассчитанные на максимальный ток подключаемых источников

D4 — 1N4007

LED1 — желтый светодиод LED2 — зеленый светодиод

F1 — предохранитель, рассчитанный на максимальный суммарный ток всех подключаемых источников

F2 — предохранитель 1 А в шине питания электроники контроллера RLY1 — автомобильное реле на коммутируемый ток 40 А РВ1, РВ2 — кнопки без фиксации

Все резисторы 0,25 Вт ±10 %

Рис. 1.37. Принципиальная схема генератора

Установка мачты

Первым делом нужно сделать и установить мачту. Нужен трехметровый кусок водопроводной трубы диаметром 1^1/4 дюйма. Дальше сборка происходила быстро. Вбив в землю четыре больших деревянных кола, следует привязать к ним нейлоновые растяжки (рис. 1.38).

Рис. 1.38. Установка мачты

Талрепы на нижних концах растяжек должны позволять без труда выровнять мачту по вертикали. Со временем нейлоновые растяжки могут быть заменены тросами, а деревянные крылья стальными. Но и сейчас все работало прекрасно.

А на этой фотографии (рис. 1.39) с близкого расстояния показано, как закрепить растяжки в верхней части мачты.

Рис. 1.39. Крепление растяжек в верхней части мачты

На фотографии (рис. 1.40) видно установленное на землю основание мачты, и провод, выходящий через тройник в нижней части трубы.

Рис. 1.40. Основание мачты

Для подключения генератора к контроллеру можно использовать старый сетевой удлинитель со сломанной розеткой, обкусив его с обоих концов. Протащить провод через трубу было совсем легко, т. к. стояла холодная погода, и провод был очень жестким. В теплую погоду для этого, скорее всего, потребовалась бы специальная стальная поволока.

На этой фотографии (рис. 1.41) показана турбина, установленная на конце мачты. Следует нанести смазку на трубу в нижней части флюгера и вставить ее в верхнюю часть водопроводной трубы. Получился прекрасный подшипник.

Рис. 1.41. Турбина, установленная на конце мачты

Подул ветер, и турбина закрутилась (рис. 1.42). Впрочем, турбина все равно давала много энергии, несмотря на то, что скорость ветра не превышала 10 м/с.

Рис. 1.42. Подул ветер, и турбина закрутилась

Работа устройства

На этой фотографии (рис. 1.43) показаны контроллер, аккумулятор и всяческая, подключенная к ним, электроника и электротехника. Вы можете видеть инвертор на 120 В (вариант для Северной Америки. Прим. редактора) и мультиметр для наблюдения за напряжением аккумулятора и турбины.

Рис. 1.43. Электроника ветрогенератора и нагрузки крупным планом

К инвертору подключены электробритва и зарядное устройство для аккумуляторов. Позднее с помощью сетевого удлинителя автор провел электричество прямо в свою палатку.

На рис. 1.43 электроника видна крупным планом. Мультиметр показывает, что турбина вырабатывает напряжение 13,32 В. А электробритва и зарядное устройство через инвертор нагружают систему.

А на рис. 1.44 мультиметр показывает, что турбина вырабатывает напряжение 13,49 В. Следует отметить, что напряжение нагруженной турбины от скорости ветра зависит мало. Как только начинает дуть ветер, турбина разворачивается к нему и начинает вращаться. Турбина раскручивается все быстрее и быстрее, до тех пор, пока ее выходное напряжение не превысит сумму напряжения на аккумуляторе и падения на диоде (это что-то около 13,2 В, в зависимости от степени заряда аккумулятора).

Рис. 1.44. Напряжение нагруженной турбины от скорости ветра зависит мало

Как только напряжение превышается, турбина сразу получает нагрузку из-за подключения аккумулятора. Теперь, чем сильнее дует ветер, тем большим током заряжается аккумулятор, а скорость вращения турбины от скорости ветра почти не зависит. Система прекрасно саморегулируется.

Конечно, как поведет себя турбина при шторме, сказать сложно. Но очевидно, что балластная нагрузка, подключаемая контроллером к турбине, очень эффективно выполняет функцию тормоза, даже при сильных порывах ветра. А замыкание турбины накоротко тормозит ее еще лучше.

Дальнейшая модернизация проекта

Во что же обошлась такая самодельная ветроэлектростанция автору этой конструкции в США? Примерно в 150 долларов. Не так уж плохо. Промышленная турбина соизмеримой мощности, промышленные контроллер и мачта обошлись бы $750—$1000.

Дальнейшие пути по усовершенствованию этой системы:

♦ смонтировать электронику в водонепроницаемом корпусе.

♦ подключить приборы для контроля напряжения батарей и тока заряда/разряда.

♦ подключить тахометр для измерения скорости вращения.

♦ увеличить количество аккумуляторов.

♦ добавить еще одну турбину или солнечную батарею.

♦ приобрести более мощный инвертор.

♦ придумать что-то для автоматического флюгирования или торможения турбины при сильном ветре.

♦ сделать для мачты бетонный фундамент

♦ увеличить высоту мачты и заменить нейлоновые растяжки стальными тросами.

О чем спрашивают автора на сайте

Сайт автора этой ветроэлектростанции стал очень популярным. Ответы на наиболее часто задаваемые вопросы он размещает на сайте. Некоторые помещу в книгу (http://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=61775).

Вопрос 1:

Что вы делаете, чтобы защитить силовой кабель внутри мачты от закручивания?

Ответ:

Этот вопрос мне задают чаще всего. Отвечаю лаконично: ничего не делаю. Ничего страшного с кабелем не происходит. Ветер разворачивает турбину то в одну сторону, то в другую, и никаких тенденций к закручиванию кабеля не наблюдается. В конце концов, если потребуется, совсем несложно отключить кабель внизу и раскрутить его вручную. Впрочем, у меня есть идея, как легко сделать кольцевой токосъемник, который исключил бы малейшую возможность закручивания кабеля. Но, повторю, большой необходимости в этом нет. Может быть, я испытаю токосъемник на следующей турбине.

Вопрос 2:

Можете ли вы помочь мне сконструировать такую турбину, которая снабжала бы электричеством весь мой дом (ферму), чтобы я мог уйти из-под опеки энергетической компании?

Ответ:

Короткий ответ: нет. И не только потому, что у меня мало свободного времени, а прежде всего, потому, что моя система никогда не конструировалась для электроснабжения целого дома или фермы. Она хороша там, где в условиях полного отсутствия электрических сетей вам надо получить несколько сотен ватт мощности. Я работаю над созданием новых турбин, и даже солнечных батарей, чтобы увеличить производство электроэнергии. Но, даже в случае успешного завершения моих разработок, их мощности никогда не хватит на дом или ферму. Моя конечная цель только в том, чтобы питать небольшой автоприцеп и обсерваторию на участке в Аризоне, где потребность в электроэнергии возникает лишь время от времени. Если вам нужна более мощная система, помочь сможет только человек с опытом конструирования больших турбин.

Вопрос 3:

Над чем вы работаете сейчас?

Ответ:

Если позволит время, я переделаю контроллер заряда. Он будет спрятан в водонепроницаемый контейнер и оснащен автомобильными приборами для контроля тока и напряжения. У меня есть все, что нужно для этого, не хватает только времени. Кроме того, я конструирую турбину, которая автоматически отворачивалась бы от слишком сильного ветра, чтобы не допустить ее разрушения. Я начал, также, работу по созданию солнечных батарей из дешевых фоточувствительных панелей и легкодоступных материалов.

1.10. Походная ветроэлектростанция

Создание лопастей

Походная ветроэлектростанция проста в изготовлении, не требует особых материалов. Методика создания представлена на http://www.freeseller.ru/. Электрическим генератором служит велосипедная «динамка», вал которой вращается с помощью пропеллера.

Лопасти пропеллера вырезаются из фанеры толщиной 3 мм и крепятся винтами М4 к втулке, выстроганной из деревянного бруска.

При изготовлении втулки надо учитывать следующее: лопасти устанавливают так, чтобы пропеллер вращался по часовой стрелке. В середине втулки сделайте отверстие диаметром немного меньшим, чем диаметр шкива генератора. В этом месте втулка усиливается металлической накладкой, которая прибивается мелкими гвоздями. Шкив во втулку надо запрессовать. Пропеллер накручивается на вал генератора и закрепляется гайкой. Чертежи походной ветроэлектростанции показаны на рис. 1.45.

Рис. 1.45. Походная ветроэлектростанция

Изготовление штанги

Штанга изготовлена из деревянной рейки. На переднем конце ее сделана выемка и просверлено отверстие для крепления генератора.

Выемка усилена металлической накладкой, прибиваемой к штанге. На заднем конце штанги двумя шурупами закреплен хвостовик, вырезанный из фанеры толщиной 3 мм.

Штанга надета на полую ось-трубку, для чего в штанге просверлено отверстие по диаметру трубки. Сверху и снизу прибиты накладки из жести. Штанга закреплена на оси с помощью кольца, изготовленного из отрезка резиновой трубки. Надетая на трубку, штанга должна легко поворачиваться при изменении направления ветра.

Электрооборудование

Зарядное устройство собрано на плате, которая помещается в коробку. Эта коробка сколочена из двух дощечек и трех фанерок. Фанерная крышка коробки привинчена шурупами.

Все деревянные детали ветроэлектростанции следует дважды покрасить масляной краской или нитрокраской для защиты от влаги.

Генератор походной ветроэлектростанции работает на зарядку аккумуляторной батареи. Переменный ток, вырабатываемый «динамкой», выпрямляется с помощью моста из четырех диодов с током не менее 100 мА. Выпрямленный ток поступает на зарядку трех аккумуляторных элементов типа Д-0,26, которые собираются в батарею и вставляются между зажимами, изготовленными из латуни или жести.

Параллельно выпрямителю надо подсоединить электролитический конденсатор емкостью 50—100 мкФ. Он сгладит пульсацию. Для измерения напряжения следует приобрести вольтметр на 10 В.

Время зарядки аккумуляторов зависит от величины напряжения, которое дает «динамка» или вернее — от силы ветра. Чем сильнее ветер, тем быстрее произойдет зарядка. Обычно она занимает несколько часов.

Провода, идущие от генератора, сначала подсоединены к винтам клеммника, выполненного из изоляционного материала. Далее провода пропущены через трубку и затем подсоединены к другому клеммнику на опорной стойке. Лишь после этого провода подключены к выходным клеммам зарядного устройства, закрепленного на стойке.

В рабочем положении походной ветроэлектростанции опорная стойка привязывается или прибивается к временному опорному шесту.

Использование ветрогенератора для освещения

Чтобы использовать походную ветроэлектростанцию для освещения, придумано специальное устройство. Оно состоит из корпуса от электрического фонарика, в который вместо батареек вставлен деревянный вкладыш. Один провод идет от лампочки через отверстие в крышке корпуса, второй крепится к корпусу снаружи. Оба провода подключаются к зарядному устройству.

Походная ветроэлектростанция компактна и весит около 1,5 кг, быстро разбирается: отвинчивается пропеллер, снимается лопасть, штанга снимается с оси, отсоединяется хвостовик. После этого части ветроэлектростанции укладываются в чехол из плотной материи. В чехле есть карманы для фонарика и зарядного устройства. Желательно пришить к чехлу ремень, чтобы носить ветроэлектростанцию через плечо.

1.11. Самодельная ветроэлектростанция с самовращающимся барабаном

Принцип действия

В принцип работы ветроэлектростанции заложена известная еще в давние времена схема с самовращающимся барабаном (подробности см. на http://idea-master.ru/). Устройство представляет собой две половинки полого цилиндра, которые после его разрезки раздвигались в стороны от общей оси. Образовавшееся тело обладает ярко выраженной аэродинамической несимметричностью. Набегающий поперек его оси поток воздуха как бы соскальзывает с выпуклой стороны одного полуцилиндра. Зато другой стороне, обращенной к ветру своеобразным карманом, оказывается значительное сопротивление. Барабан поворачивается, полуцилиндры меняются местами все быстрее и быстрее, и вертушка, таким образом, быстро раскручивалась.

Подобная схема выгодно отличается от ветроэлектростанции с пропеллерной вертушкой. Во-первых, она не требует при изготовлении большой точности и дает широкий выбор применяемых материалов. Во-вторых, она компактна.

Примечание.

Мощность генератора, приводимого в действие барабаном диаметром всего около метра, будет такой же, как при использовании трехлопастного пропеллера диаметром 2,5 м!

И если пропеллерную вертушку нужно устанавливать на высокой штанге или на крыше дома (этого требует техника безопасности), то вертушку-барабан можно ставить прямо на земле, под навесом.

Есть у барабана и еще ряд достоинств:

♦ большой крутящий момент при малых оборотах (значит, можно обойтись либо совсем без редуктора, либо использовать простейший одноступенчатый);

♦ отсутствие щеточного токосъемного механизма.

Конструкция ветроэлектростанции представлена на рис. 1.46.

Рис. 1.46. Конструкция ветроэлектростанции

Как изготовить барабан

Лопасти можно сделать из фанеры, кровельного железа, дюралюминиевого листа или листового пластика подходящих размеров.

Совет.

В любом варианте старайтесь избегать применения излишне толстых заготовок — ротор должен быть легким. Это уменьшит трение в подшипниках, а значит, барабан будет легче раскручиваться ветром.

Если вы воспользуетесь кровельным железом, вертикальные края лопастей усильте, подложив под отбортовку металлический пруток диаметром 5–6 мм. Если вы решили сделать детали вертушки из фанеры (ее толщина должна быть 5–6 мм), не забудьте пропитать заготовки горячей олифой. Щеки барабана можно изготовить из древесины, пластмассы или легкого металла. Собирая барабан, не забудьте промазать места стыков густой масляной краской.

Крестовины, соединяющие отдельные лопасти в ротор, лучше сварить или склепать из стальных полос сечением 5x60 мм. Можно использовать и древесину: толщина заготовки не менее 25 мм, ширина — 80 мм. Ось для вертушки проще всего сделать из двухметрового отрезка стальной трубы с внешним диаметром около 30 мм.

Перед тем как подбирать заготовку для оси, найдите два шарикоподшипника, желательно новые. Согласовав размеры трубы и подшипников, вы избавите себя от лишней работы по подгонке трубы к внутренним обоймам подшипников. Стальные крестовины ротора привариваются к оси, деревянные крепятся эпоксидным клеем и стальными штифтами диаметром 5–6 мм, проходящими одновременно через каждую крестовину и трубу. Лопасти смонтируйте на болтах M12.

Примечание.

Внимательно проверьте расстояния от лопастей до оси: они должны быть одинаковыми и составлять 140–150 мм.

Собрав барабан, снова покройте стыки деталей густой масляной краской. Главный элемент установки готов.

Как изготовить станину

Ее можно сварить или склепать ее из металлического уголка (годится и деревянный вариант). На готовую станину установите шарикоподшипники.

Примечание.

Проследите, чтобы не было перекоса, иначе ротор не сможет легко вращаться.

Все детали установки дважды покройте масляной краской, на нижнем конце оси закрепите набор шкивов различного диаметра.

Перекинутый через шкив вертушки ремень соедините с генератором электрического тока, например, автомобильным (как вариант, можно попробовать применить электродвигатель стеклоочистителя). Построенный образец ветроэлектростанции при скорости ветра 10 м/с сможет обеспечить мощность, передаваемую на генератор, равную 800 Вт.

Использование аккумулятора

Ну а если стоит безветренная погода или ветер слишком слаб, чтобы давать необходимую электроэнергию? Перебоев в выработке электричества не будет, если воспользоваться накопителем энергии — аккумулятором. Ветер есть — пускайте электричество напрямую к потребителю, ветра нет — включайте заряженные от ветроэлектростанции аккумуляторы.

Возможен вариант накопления электроэнергии и получения переменного напряжения 220 В. Для этого можно использовать электронную «начинку» от компьютерного источника бесперебойного питания (UPS), как правило, в них чаще всего первым выходит из строя аккумулятор, поэтому б/у UPS всегда можно купить за символические деньги.

Если ветряк будет использоваться для поливки огорода или сада, его нужно смонтировать прямо над источником воды.

1.12. Как построить простой ветрогенератор практически из отходов

Состав ветроэлектростанции

Рассмотрен ветрогенератор, сделанный практически из отходов (http://www.velacreations.com/makechispito.html). Большинство инструментов могут оказаться в вашей мастерской или легко куплены.

Система использует мотор постоянного тока с напряжением 260 В и с током 5 А.

Материалы: квадратная трубка толщиной 25 мм и длиной 90 см; фланец 5 см; ниппель (патрубок) 5x15 см; 3 фиксирующих винта длиной 20 мм.

Для мотора: собственно мотор 260 В 5 А; блокирующие диоды на 30–50 А; два болта для мотора на 9 мм; полихлорвиниловую трубку 8x30 мм.

Для хвостовика: примерно 30x30 см легкого материала; 2 винта по 9 мм.

Для лопастей: полихлорвиниловая трубка длиной 600 мм диаметром 200 мм; 6 болтов 7 мм диаметром; 9 шайб по 7 мм.

Чертеж лопастей и хвостовика показан на рис. 1.47.

Рис. 1.47. Лопасти и хвостовик

Вырезание лопастей

Возьмите полихлорвиниловую трубку длиной 60 см и диаметром 20 см. С помощью транспортира разметьте углы: 100°, 100°, 100° и 60° (рис. 1.48). Напротив каждой отметки прочертите на трубе вертикальную линию. Распилите лобзиком трубу по вертикальным линиям. Куски по 100° получатся шириной примерно по 174 мм. Кусок 60° остается лишним.

Рис. 1.48. Разметка лопастей

Нанесите на каждом куске метку на расстоянии от края 29 мм, а от другого края (на противоположной стороне) на расстоянии 145 мм (в сумме 145+29 и составят 174 мм). Нанесите карандашом линию между линия а этими метками и распилите лобзиком кусок трубы по этой линии (рис. 1.49).

Рис. 1.49. Распилка лопастей

Получили 6 фрагментов лопастей. Далее каждый фрагмент нужно зачистить для получения желаемой формы. Лопасти стыкуются между собой, образуя переднюю и заднюю стенки, соответственно ведущий край и отстающий край. Ведущий край нужно закруглить, а отстающий край — заточить. Размещение краев и стенок показано на рис. 1.50.

Рис. 1.50. Размещение лопастей

Фрагменты лопастей скрепляются винтами. Лопасти в сборе привинчиваются к втулке каждая 2 винтами. Полная комплектация ветроэлектростанции показана на рис. 1.51.

Рис. 1.51. Комплектация ветроэлектростанции

1.13. Выбираем ветрогенератор промышленного производства

Не так просто, как кажется, выбрать ветрогенератор, отвечающий всем требованиям. Поддавшись рекламе продавцов, потратив деньги и время на установку ветрогенератора, в скором времени большинство потребителей убеждаются, что он может быть в лучшем случае игрушкой (отмечается на http://eko-save.ru/a-energy/165).

Каждый продавец утверждает, что его ветрогенераторы самые лучшие, и приводит массу доводов в пользу этого утверждения. Для примера возьмем ВЭУ-2000, который позиционируется на российском рынке как самая лучшая модель ветрогенератора. Так ли это на самом деле?

Производители заявляют, что он изготавливается на основе высоких технологий обороной промышленности и содержит набор оригинальных технических решений. Они обеспечили ему значительный отрыв от конкурентов. Производители утверждают, что это уникальная машина, аналогов которой в мире сегодня нет.

Достоинств много. Этот ветрогенератор практически не шумит, длительное время не требует технического обслуживания. Срок эксплуатации рассчитан на десять лет. Специальная металлокерамическая пленка покрывает трущиеся поверхности, снижая трение до чрезвычайно малых значений. Точно так же обрабатываются подшипники установки.

Мощность ветряка в 2000 Вт производители считают вполне достаточной. Они говорят, что если применить энергосберегающие лампочки и прочее современное домашнее электрооборудование энергосберегающего класса — этой мощности хватит с запасом.

Действительно большинство ветряков шумит так, что конфликты с соседями будут неизбежны, но этот на самом деле малошумный и этому требованию отвечает. Что касается выдаваемой мощности, здесь мягко выражаясь, сильно преувеличено.

Примечание.

Для ветряков, расположенных на территории России, самый важный показатель — это способность выдавать номинальную мощность на малых ветрах. Россия не славится сильными ветрами, и ветер у нас редко превышает 5 метров в секунду. Поэтому следует выбирать ветряк, способный выдавать номинальную мощность при ветре 4–5 м/с, не больше.

Российский ветрогенератор «ВЭУ-2000» выдает номинальную мощность при ветре 10 м/с. Поскольку вся его мощность составляет 2000 Вт, при ветре до 5 м/с он будет выдавать столь малый процент от своей мощности, что его практически ни на что не хватит. Вывод однозначный — это далеко не лучший ветрогенератор для моловетрянных районов!

Есть ли на рынке вообще ветрогенератор, отвечающий российским требованиям? Есть, но выпускают их на Украине. Это бесшумный, инерционный — «ЩРПМ — DPV (G)200-2.0», собирается на производственных площадях ДП Верано в Одесской области. Он еще называется ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРО-ГЕНЕРАТОР памяти АДАМСА. Его конструкция представлена на рис. 1.52.

Рис. 1.52. Конструктивно-силовая схема расположения и фиксации модулей генератора Адамса

Примечание.

ЩРПМ — DPV (G)200-2.0 является на сегодняшний день максимально эффективным.

Кроме бесшумности, он отвечает главному требованию — вырабатывает номинальную мощность уже при ветре 3 м/с, начинает вращение при ветре 0,17—0,5 м/с. Этот ветрогенератор вертикального исполнения, ему неважно направление ветра, не требуется поворотное устройство. Он безредукторного типа, снабжен всего одним опорным подшипником с 500-разовым запасом прочности производства Японии.

Вращение ротора основано на магнитной левитации, практически без трения, поэтому он считается необслуживаемым: гарантия 5 лет, срок службы 25 лет. Один раз установите, и вам не потребуется к нему подходить годами.

Примечание.

Немаловажное достоинство этих ветрогенераторов в том, что они выпускаются на любую мощность: от 500 Вт до 20 кВт.

Поэтому такой ветрогенератор (соответствующей мощности) можно установить на стену, рядом с окном вашей квартиры в многоэтажном доме, на балконе, на крыше или на мачте рядом с домом. Так как он низкооборотный, то не представляет опасности для пчел и птиц.

Но цена его очень высока: модель на 5 кВт стоит 500 тысяч рублей, а на 10 кВт переваливает за миллион.

Как выход из этого положения — ветрогенератор парусного типа! Он отвечает всем российским требованиям: низкооборотный, бесшумный, выдает номинальную мощность при ветре 4–5 м/с. Модель с мотор-редуктором на 4 кВт стоит 80 тыс. руб. Серийно в России эти ветрогенераторы никто не выпускает, но делают под заказ, на любую мощность.

Примечание.

Конструктивно этот ветрогенератор не очень сложен: если приобрести мотор-редуктор, который используется в качестве генератора, то остальное можно изготовить или собрать из готовых деталей от другой техники, самостоятельно, значительно удешевив этим общую стоимость.

В настоящее время существует еще более совершенная модель ветрогенератора парусного типа — безредукторная. Она проще и дешевле, в ней нет не только редуктора, но и мотора. Изготовители утверждают, что эту модель можно собрать «на коленке». Роторные катушки, расположенные на ветроколесе, наматываются обычным осветительным, алюминиевым проводом, в изоляции. Статорные катушки, расположенные на поворотном устройстве, наматываются также осветительным проводом.

Они продают готовые ветрогенераторы такого типа на 10 и 30 кВт или документацию для самостоятельного изготовления. Беда в том, что у российских предпринимателей волчий аппетит! Для того чтобы изготовить такой ветрогенератор самостоятельно, нужно знать размеры ветроколеса и данные катушек: диаметр провода, число витков. Все это может разместиться на половине страницы, а предприниматели требуют за это 10–20 тыс. руб.!

1.14. Ветроэлектростанции промышленного изготовления

Ветроэлектростанция WE1500 на 1,5 кВт

Ветроэлектростанция — устройство позволяющее преобразовывать чистую, природную энергию ветра в электричество, широко используемое человеком в своей повседневной жизни. Установка WE1500 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самоориентирующуюся систему способную работать в автономном режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с.

При ветре 10 м/с WE1500 может производить электроэнергию мощностью более 1,5 кВт. Использование генератора без повышающего редуктора (мультипликатора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемого использования, и позволяет в течение срока службы эксплуатировать WE1500, не прибегая к плановой замене деталей или узлов. Отсутствие редуктора позволяет добиться старта ВЭС при самом слабом ветре и делает работу наших ветряков бесшумной.

Характеристики электростанции WE1500:

♦ номинальная мощность генератора, кВт… 1,5

♦ максимальная мощность генератора, кВт… 2,6

♦ максимальные обороты ротора, об/мин… 330

♦ выходное напряжение, переменное… трехфазное

♦ макс. вых. напряжение в цепи АКБ, VDC… 285

♦ частота, Гц … 0—35

♦ диаметр ротора, м … 3,4

♦ количество лопастей, штук … 3;

♦ стартовая скорость ветра, м/с… 2;

♦ номинальная скорость ветра, м/с… 10;

♦ ориентация по ветру… есть;

♦ защита от ураганных ветров… есть;

♦ тормоз ротора… есть;

♦ шкаф управления микропроцессорный Control Box… СВ 10;

♦ высота мачты не менее, м… 12;

♦ напряжение аккумулятора, В… 240;

♦ максимальный ток заряда, А… 10;

♦ минимальные аккумуляторы… 20 штук х 12 В 26 Ач;

♦ конструкция мачты… сборная;

♦ масса, кг… 54;

♦ уровень шума (на расстоянии 10 м), дБ, не более… 45.

Комплектация электростанции WE1500:

♦ ВЭС, WE1500 номинальной мощностью 1,5 кВт, 1 шт.;

♦ мачта, высотой 12 м/18 м (в зависимости от технических условий), 1 шт.;

♦ шкаф управления, WE-CB10 для WE1500 с зарядным устройством от ВЭС 10 А и зарядным устройством от солнечной электростанции (при дополнительном использовании солнечных модулей), 1 шт.;

♦ АКБ, 12 В/40 Ач 20 шт х 12 В х 40 Ач = 9600 ватт/час, 20 шт.;

♦ шкаф АКБ, для АКБ 12 В/40 Ач 20 шт., 1 шт.;

♦ инвертор, WE-PSW5F1 (220 В 5 кВА), однофазный псевдосинусоидальный инвертор-UPS, мощность 5 кВА (3,5 кВт), 1 шт.

На рис. 1.53 показана система с использованием WE1500.

Рис. 1.53. Система с использованием WE1500

Ветроэлектростанция WE3000 на 3 кВт

WE3000 является ВЭС второй величины с позаимствованными элементами самого лучшего у WE1500. Но, в то же время, WE3000 является принципиально новой машиной с большим диаметром турбины, иной конструкцией лопастей и мощным генератором очень надежной конструкции.

Установка WE3000 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самоориентирующуюся систему способную работать в автономном режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с. При ветре 10 м/с WE3000 может производить электроэнергию мощностью более 3 кВт.

Использование генератора без повышающего редуктора (мультипликатора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемого использования, и позволяет в течение срока службы эксплуатировать WE3000, не прибегая к плановой замене деталей или узлов. Отсутствие редуктора позволяет добиться старта ВЭС при самом слабом ветре и делает работу наших ветряков бесшумной.

Характеристики электростанции WE3000:

♦ номинальная мощность генератора, кВт… 3,0;

♦ максимальная мощность генератора, кВт… 5,1;

♦ максимальные обороты ротора, об/мин… 260;

♦ выходное напряжение переменное… трехфазное;

♦ макс. вых. напряжение в цепи АКБ, VDC… 285;

♦ частота, Гц… 0—35;

♦ диаметр ротора, м… 4,5;

♦ количество лопастей, штук… 3;

♦ стартовая скорость ветра, м/с… 2,0;

♦ номинальная скорость ветра, м/с… 10;

♦ ориентация по ветру… есть;

♦ защита от ураганных ветров… есть;

♦ тормоз ротора… есть;

♦ шкаф управления — микропроцессорный… Control Box СВ20;

♦ высота мачты не менее, м… 12;

♦ напряжение аккумулятора, В… 240;

♦ максимальный ток заряда, А… 20;

♦ минимальные аккумуляторы… 20 штук х 12 В 26 Ач;

♦ конструкция мачты … сборная;

♦ масса WE3000, кг… 154;

♦ уровень пгума (на расстоянии 10 м), дБ, не более… 45.

Ветроэлектростанция WE8000 на 8 кВт

WE8000 является ВЭС третьей величины и имеет принципиальное новое конструктивное исполнение не похожее на предыдущие модели WE1500—WE5000. Помимо электродинамического тормоза, характерного для менее мощных ВЭС, WE8000 оснащена дополнительной системой гидравлического тормоза главного вала, приводящегося в действие при шквальных ветрах в качестве дублирующей системы безопасности и аварийной остановки турбины.

Установка WE8000 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самоориентирующуюся систему способную работать в автономном режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с.

При ветре 10 м/с WE8000 может производить электроэнергию мощностью более 8 кВт.

Использование генератора без повышающего редуктора (мультипликатора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемого использования, и позволяет в течение срока службы эксплуатировать WE8000, не прибегая к плановой замене деталей или узлов.

Характеристики электростанции WE8000:

♦ номинальная мощность генератора, кВт… 8;

♦ максимальная мощность генератора, кВт… 13,5;

♦ максимальные обороты ротора, об/мин… 190;

♦ выходное напряжение, переменное… трехфазное;

♦ макс. вых. напряжение в цепи АКБ, VDC… 285;

♦ частота, Гц… 0—35;

♦ диаметр ротора, м… 6,8;

♦ количество лопастей, штук… 3;

♦ стартовая скорость ветра, м/с… 2;

♦ номинальная скорость ветра, м/с… 10;

♦ ориентация по ветру… есть;

♦ защита от ураганных ветров… есть;

♦ тормоз ротора… есть;

♦ шкаф управления микропроцессорный Control Box… СВ40

♦ высота мачты не менее, м… 12

♦ напряжение аккумулятора, В… 240

♦ максимальный ток заряда, А… 50

♦ минимальные аккумуляторы… 20 шт. х 12 В 100 Ач

♦ конструкция мачты… сборная

♦ масса, кг… 354

♦ уровень шума (на растоянии 10 м), дБ, не более… 45

Ветроэлектростанции EuroWind 2

Описание ветроэлектростанции. Простая и легкая в установке ветроэлектростанция EuroWind 2 монтируется даже в одиночку. Такой электростанции полностью хватает для обеспечения небольшого по размерам или среднего дома. А для использования в загородном коттедже такой ветроэлектростанции больше чем достаточно. Все характеристики в сочетании с ценой делают эту ветроэлектростанцию наилучшим выбором для семьи.

Хорошим выбором такая ветроэлектростанция также является для отдаленных обеспечения удаленных коммерческих и туристических объектов: небольших кафе, кемпингов, турбаз, ресторанов и других.

Характеристики электростанции EuroWind 2:

♦ производительность генератора, Вт… 200—3000;

♦ начальная скорость ветра, м/с… 2;

♦ номинальная скорость ветра, м/с… 9;

♦ полный вес ветроэлектростанции, кг… 289;

♦ цена ветроэлектростанции, USD… 2400;

♦ месячная выработка энергии (ср. ветер 6 м/с), кВт… 480;

♦ напряжение ветроэлектростанции, В… 120;

♦ максимальная сила тока, А… 25;

♦ рекомендуемые аккумуляторы 12 В 200 А∙ч, шт.;… 10

♦ напряжение после инвертора… 220 В 50 Гц;

♦ количество лопастей, шт… 3;

♦ диаметр ротора, м… 3,2;

♦ материал лопастей ветроэлектростанции… FRP (композитный материал — фибергласе);

♦ тип ветроэлектростанции… PMG (на постоянных магнитах);

♦ защита от ураганного ветра… AutoFurl (автоматическая);

♦ высота мачты ветроэлектростанции, м… 7;

♦ контроллер заряда… AIC (автоматический);

♦ рабочая температура… от -40 до +60 °C.

На рис. 1.54 показана зависимость мощности электростанции от силы ветра.

Рис. 1.54. Зависимость мощности электростанции от силы ветра

В комплект ветроэлектростанции EuroWind 2 входит: турбина ветроэлектростанции; хвост ветроэлектростанции; лопасти ветроэлектростанции; крепления ветроэлектростанции; тросы мачты; поворотный механизм; контроллер заряда

Ветроэлектростанция EuroWind 10

Такую ветроэлектростанцию можно с уверенностью назвать миниэлектростанцией благодаря тому количеству электроэнергии, которое она вырабатывает. Этой энергии достаточно для обслуживания больших домов или нескольких поменьше. Ее используют как для бытовых, так и коммерческих, промышленных целей: снабжение электричеством магазинов, небольших отелей, ресторанов, производств малых и средних размеров.

Ветроэлектростанция EuroWind 10 — самая популярная модель ветроэлектростанции в нашей стране. Она полностью заменяет общественную электросеть.

Характеристики электростанции EuroWind 10:

♦ производительность генератора, Вт… 900—13000;

♦ начальная скорость ветра, м/с… 2;

♦ номинальная скорость ветра, м/с… 10

♦ полная масса ветроэлектростанции, кг… 1548

♦ цена ветроэлектростанции, USD… 12000

♦ месячная выработка энергии (при ср. скор, ветра 6 м/с), кВт… 2200

♦ производительность генератора, Вт… 900—13000

♦ напряжение ветроэлектростанции, В… 240

♦ максимальная сила тока, А… 54,2

♦ рекомендуемые аккумуляторы 12 В 200 Ач… 20 шт.

♦ напряжение после инвертора… 220/380 В 50 Гц

♦ количество лопастей… 3 шт.

♦ диаметр ротора ветроэлектростанции, м… 8

♦ материал лопастей… FRP (композитный материал — фибергласе)

♦ тип ветроэлектростанции… PMG (на постоянных магнитах)

♦ защита от ураганного ветра… AutoFurl (автоматическая)

♦ высота мачты ветроэлектростанции, м… 12

♦ контроллер заряда… AIC (автоматический)

♦ рабочая температура… от -40 до +60 °C.

На рис. 1.55 показан график мощности ветроэлектростанции в зависимости от силы ветра.

В комплект ветроэлектростанции EuroWind 10 входит: турбина ветроэлектростанции; лопасти ветроэлектростанции; крепления ветроэлектростанции; тросы мачты; поворотный механизм; контроллер заряда; анемоскоп и датчик ветра.

Рис. 1.55. График мощности ветроэлектростанции в зависимости от силы ветра

Ветроэлектростанции производства компании «Винд Электрик Ост»

Автономная ветроэлектростанция (далее ВЭС) предназначена для использования в качестве автономного источника энергии и может работать для питания электроприборов мощностью от 5,5 до 30 кВт. Данная ВЭС служит для преобразования кинетической энергии ветрового потока в трехфазную электрическую энергию напряжением 380 В, частотой 50 Гц

(http://www.windelectricost.ru/production.php.).

Ветроколесо состоит из восьми или двенадцати стеклопластиковых лопастей (стеклоткань Т-13 со связующей полиэфирной смолой типа 9100), закрепленных на ступице. Ступица, в свою очередь, закреплена к главному валу, при скорости от 3 м/с начинает превращать поступательное движение ветрового потока во вращательное движение главного вала ветроэлектростанции. Главный вал ВЭС, в свою очередь, эластично соединен с валом руктора, выходной вал которого (редуктора) соединен с валом тихоходного магнитоэлектрического генератора. Этот генератор вырабатывает трехфазный переменный ток частотой 50 Гц, напряжением 370–400 В.

Главный вал, редуктор и генератор расположены в поворотной гондоле, которая имеет возможность поворота относительно башни вокруг вертикальной оси. В опорно-поворотном узле расположена кольцевая электрическая контактная система, через которую выработанная генератором электроэнергия из поворотной гондолы передается по кабелю.

В дальнейшем электроэнергия по кабелю передается в энергоблок (стабилизатор напряжения), который осуществляет стабилизацию напряжения, выработанного ВЭС в трехфазную с частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Данная энергия может быть использована для питания различных бытовых электроприборов.

Автономная ВЭС может применяться для энергообеспечения индивидуальных домов, дачных домиком, зимовий, небольших производств и других небольших потребителей, нуждающихся в автономных источниках электроэнергии, а также на территориях, куда ввоз органического топлива затруднен или дорог.

Основные технические характеристики ВЭС:

♦ рекомендуемый диапазон среднегодовой

♦ скорости ветра, м/с … 3–8;

♦ установленная мощность, кВт… 5,5—30;

♦ выходное напряжение, В… 380;

♦ количество фаз… 3;

♦ частота, Гц… 50;

♦ диаметр ветротурбины, м… 4–7;

♦ количество лопастей… 8—16;

♦ скорость вращения ветротурбины, об/мин… 30 ±10;

♦ минимальная рабочая скорость ветра, м/с… 3;

♦ расчетная скорость ветра, м/с… 3,5–7;

♦ максимальная рабочая скорость ветра, м/с… 30;

♦ штормовая скорость ветра, м/с… 60;

♦ высота мачты, м… 12–18—24;

♦ срок службы, лет… 20;

♦ интервал рабочих температур, °С… — 50…+50;

♦ масса ВЭС с мачтой, кг… 1420–2460;

♦ ток на выходе генератора, А… 18–64.

Мачта ветроэлектростанции выполнена из труб диаметром 57 и 76 мм, П-образных фланцев, закладных в фундамент. Для удобства транспортировки мачта разделена на две или три секции в зависимости от требуемой высоты мачты (12 или 18 м) и «нулевой» секции, заливаемой в фундамент. Мачта устанавливается на бетонном фундаменте размером 3,5 на 3,5 м, или 4,5 на 4,5 м в плане, в зависимости от высоты мачты и толщины бетонной подушки 40–50 см с глубиной залегания 2 м от поверхности земли.

Опорно-поворотный узел выполнен в виде полой оси из ст.45, двух радиально упорных подшипников и внешней обечайки, имеющей возможность свободно вращаться вокруг оси. Ось со своим фланцем крепится к мачте, а к внешней обечайке крепится гондола ВЭС. За счет поворота опорно-поворотного узла ветроколесо всегда устанавливается со своей плоскостью вращения перпендикулярно к ветровому потоку, что обеспечивает максимальную эффективность ветроколеса.

В гондоле расположены магнитоэлектрический генератор переменного тока, планетарный редуктор, главный вал из ст. 45 на двух радиально упорных подшипниках и провода для передачи электроэнергии от генератора на токосъемник, расположенный в опорно-поворотном узле. Обмотки генератора выполнены из электротехнической меди.

В ступице расположен пружинный механизм регулирования оборотов ветроколеса. С его помощью поддерживаются постоянные обороты ветроколеса в пределах 30 ±10 об/мин во всем диапазоне рабочих скоростей ветра: от 3 м/с до 25 м/с.

Регулирование скорости вращения ветроколеса осуществляется путем изменения продольных углов установки лопастей. Это, в свою очередь, позволяет ВЭС защищаться от ураганных ветров, не прекращая вырабатывание электроэнергии.

Ветроэлектростанции российского производства М1—М5

Ветроэлектрические установки M1-М5 предназначены для выработки электроэнергии за счет ветрового потока. Они могут использоваться в отдаленных и изолированных местах, в различных климатических районах с благоприятными ветровыми условиями, где отсутствует централизованное электроснабжение или его подача нерегулярна.

Например, М-1-24 обеспечивает потребителей электроэнергией для питания ламп освещения, бытовых приборов, линий теле- и радиокоммуникаций, устройств спутниковой и сотовой связи компьютера, устройств бытовой и специальной связи, передвижных и стационарных пунктов навигационных и метеорологических постов, радиостанций, маяков и радиомаяков, медицинской и научной аппаратуры, водяных насосов, для обеспечения зарядки аккумуляторов и т. д.

Наличие аккумуляторной батареи обеспечивает электропитание потребителей и их работоспособность при отсутствии ветра. Подключение инвертора к блоку управления позволяет преобразовать постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В.

М-1000-24 автономная, надежная, автоматическая установка, не требует дежурного персонала в процессе эксплуатации и предназначена для автономного энергообеспечения индивидуальных потребителей (фермеров, садоводов, дачников, вахтовиков, охотников, рыболовов, геологических экспедиций), а также навигационных, метеорологических, радиорелейных и других постов в обеспечении бесперебойным питанием в полевых условиях. Характеристики ветроэлектрических установок M1-М5 приведены в табл. 1.4.

Количество вырабатываемой электроэнергии М-1-24 при средней скорости ветра:

5 м/с — 340 Вт х 24 ч = 8,2 кВт-ч в сутки;

6 м/с — 400 Вт х 24 ч = 9,6 кВт-ч в сутки;

7 м/с — 500 Вт х 24 ч = 12,0 кВт-ч в сутки.

Чтобы чувствовать себя уверенно и комфортно семье из трех человек, проживающих в загородном доме, расход электроэнергии должен быть не менее 2 кВт-час в сутки (по данным ЮНЕСКО).

Ниже в приведено реальное потребление электроэнергии в сутки семьей из трех человек. Как видно из табл. 1.5 количество электроэнергии, вырабатываемой электростанцией М-1000-24 за сутки при средней скорости 4 м/с вполне хватает для обеспечения потребностей семьи из трёх человек в освещении и других бытовых нуждах.

Глава 2

ИСПОЛЬЗУЕМ СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ

2.1. Солнечные коллекторы промышленного изготовления

Разновидности солнечных коллекторов

Простейшим способом утилизации солнечной энергии является использование ее для нагрева. Все знают, как нагреваются на солнце различные предметы. И чем темнее поверхность, тем больше нагрев. Именно на этом и основан принцип работы солнечного коллектора — солнечное тепло поглощается темной поверхностью (абсорбером) и передается теплоносителю. Далее полученное тепло либо накапливается:

♦ либо в специальном теплоаккумуляторе;

♦ либо сразу используется для нагрева.

Определение.

Солнечный коллектор — установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию.

Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий. Люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Солнечный коллектор — наиболее известное приспособление, непосредственно использующее энергию Солнца, они были разработаны около двухсот лет назад.

Немного истории. Самый известный из коллекторов — плоский — был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах XIX века.

Совет.

Чтобы коллектор отдавал основную часть поглощенного тепла теплоносителю, его надо, по возможности, изолировать от окружающей среды.

Можно выделить несколько основных типов солнечных коллекторов: плоские, вакуумные, концентраторы.

В плоских солнечных коллекторах за плоским абсорбером (чаще всего это металлическая пластина с темным поглощающим покрытием) находится система трубок, по которым пропускается теплоноситель. Чтобы предотвратить потери энергии в окружающую среду обратная сторона и торцы такого коллектора закрываются теплоизолирующим материалом.

Фронтальная часть накрывается стеклом. Солнечный свет практически беспрепятственно проходит через стекло, а вот инфракрасное излучение от нагретого абсорбера назад не проникает. Тепло как бы запирается внутри коллектора, работает парниковый эффект. Фронтальное стекло также в некоторой степени препятствует охлаждению коллектора за счет тепловой конвекции воздуха.

Примечание.

Изредка в плоских коллекторах применяют двойное остекление (как в оконных рамах), что еще больше увеличивает КПД (двойное остекление лучше «держит» тепло), но и несколько утяжеляет и удорожает конструкцию.

Самые качественные плоские солнечные коллекторы могут нагревать теплоноситель до температуры более 150 °C, но в большинстве конструкций температура не поднимается выше точки кипения воды. Поэтому считается, что плоские коллекторы можно оставлять на долгое время без присмотра.

Вакуумные коллекторы обязаны своим названием способу накопления тепла. В них теплопоглощающие элементы запаяны в стеклянные трубки, в которых создан вакуум. Стекло препятствует выходу инфракрасного излучения от нагретых элементов, а вакуум идеальная среда для теплоизоляции, т. к. в нем охлаждение из-за конвекции просто отсутствует.

Вакуумные коллекторы эффективно работают даже в сильные морозы и в пасмурную погоду, а на солнце они способны нагревать теплоноситель до 300 градусов. Именно из-за этого системы с вакуумным коллектором обычно гораздо сложнее. Они включают в себя специальные контроллеры и клапаны, обеспечивающие сброс избыточного тепла при перегреве.

И, наконец, коллекторы-концентраторы представляют собой отдельный класс устройств, которые чаще всего используют, когда необходимо получить очень высокую температуру. Простейшим примером концентратора может служить обычная линза. Наверное, все мы, будучи детьми, выжигали с ее помощью узоры на лавочках во дворе. Правда, в современных концентраторах линзы практически не используются. Там, в основном, применяют зеркала. Принцип тот же — солнечные лучи сводятся в одну точку параболическим зеркалом. В фокусе концентратора температура составляет несколько сотен градусов. Нагретый до такой высокой температуры теплоноситель используется для получения пара, который вырабатывает энергию уже в паровой турбине.

Плоский солнечный коллектор промышленного изготовления

Плоский солнечный коллектор — самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т. к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет (www.atmosfera.ua).

Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.

Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери. Устройство плоского солнечного коллектора показано на рис. 2.1.

Рис. 2.7. Устройство плоского солнечного коллектора

Рассмотрим принцип действия. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю — воде или антифризу, циркулирующему через солнечный коллектор. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в емкостном водонагревателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования.

Совет.

Также в емкостном водонагревателе можно установить электрическую вставку, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она догревала воду до заданной температуры.

Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор

Рассмотрим устройство коллектора. В каждую вакуумированную трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения.

Вакуумированное пространство позволяет практически полностью устранить теплопотери. На поглотителе установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Протекающий через него теплоноситель забирает тепло от поглотителя.

К преимуществам этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет сократить теплопотери. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120–160 °C.

Принцип действия таков. Солнечная радиация проходит сквозь вакуумированную стеклянную трубку, попадает на поглотитель и превращается в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протекающей по коаксиальному трубчатому прямоточному теплообменнику. Каждая трубка теплообменника соединена с накопительным баком так называемым «коллектором» системой из 2 медных труб. По одной из них нагретая вода передается в бак-накопитель, по другой — холодная вода из бака-накопителя поступает на нагрев в вакуумированные трубки.

Рис. 2.2. Устройство прямоточного вакуумированного трубчатого солнечного коллектора

Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой

Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра (рис. 2.3). Между ними — вакуум.

Рис. 2.3. Устройство вакуумированного трубчатого солнечного коллектора с тепловой трубкой

На самом деле вакуум — отличный теплоизолятор, но не меняет излучающую способность нагретого тела, вакуум препятствует конвекционной передаче тепла. ИК-излучение задерживается стеклом трубки.

В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластина поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью.

С помощью гибкого соединительного элемента тепловая труба подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа «труба в трубе». Соединение относится к так называемому «сухому» типу, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением.

Примечание.

Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30 °C (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45 °C (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).

Принцип действия вакуумированного солнечного коллектора с тепловой трубкой такой. Это более сложный и более дорогой тип коллектора. Тепловая трубка — это закрытая медная/стеклянная трубка с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова.

Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией. Передача тепла происходит через медную «гильзу» приемника, благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку можно заменить в случае необходимости, коллектор при этом продолжает функционировать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую жидкость из контура тепообменника.

Назначение и структурная схема гелиосистемы

Задачи, решаемые гелиосистемой:

♦ получение альтернативного источника неограниченной, экологически чистой бесплатной энергии;

♦ обеспечение потребностей в горячей воде для бытовых нужд (даже в местах отсутствия магистрального водопровода);

♦ полное или частичное обеспечение потребностей отопления (осенне-весенний период — до 80 %, а зимний — до 50 %);

♦ снижение уровня потребления традиционных энергоресурсов, а, следовательно, и финансовых затрат.

Гелиосистемы состоят из солнечного коллектора, системы управления с насосами и бака-аккумулятора (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Устройство гелиоустановки

В коллекторе (лат. накопитель) медная пластина аккумулирует солнечную энергию. Они рассмотрены выше. Под пластиной приварены медные трубы, по которым течет коллекторная жидкость. Она транспортирует тепло. Система управления с насосом обеспечивает циркуляцию коллекторной жидкости внутри установки. В хорошо изолированном баке-аккумуляторе тепло жидкости передается воде (теплообменник). Таким образом, в доме будет нагретая вода и ночью, и в дождливые дни.

Важной частью гелиоустановки является поддерживающая конструкция для солнечных коллекторов. Она обеспечивает правильный угол наклона, а также необходимую жесткость конструкции. Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями должна выдерживать порывы ветра и другие неблагоприятные воздействия окружающей среды.

Варианты монтажа установки:

♦ наклонный (на крышу с любым углом наклона ската);

♦ горизонтальный (на плоскую крышу);

♦ свободностоящий (солнечный коллектор с опорной конструкцией).

Классификация гелиосистем

Гелиосистемы подразделяются на два типа (активные и пассивные) в зависимости от способа циркуляции нагреваемой жидкости и имеют два варианта исполнения (прямые и косвенные) в зависимости от наличия или отсутствия теплоносителя. Рассмотрим эти гелиосистемы.

Пассивные гелиосистемы — циркуляция жидкости осуществляется за счет конвективных потоков. В основе этого процесса лежит явление естественной конвекции — стремление теплых масс воды вверх. При нагреве воды ее объем несколько увеличивается, а плотность и удельная масса снижаются — вода становиться легче и восходящими потоками поднимается по коллектору в верхнюю часть бака.

В свою очередь, холодная вода постепенно перетекает в коллектор, где также нагревается. Так происходит циркуляция водных масс в системе. С этим явлением мы сталкиваемся в жаркую погоду, когда влага испаряется с поверхности Земли, достигая верхних слоев тропосферы, водные массы собираются в облака, охлаждаются и выпадают в виде дождя. Достоинства и недостатки пассивных систем приведены с табл. 2.1.

Таблица 2.1. Достоинства и недостатки пассивных систем

Достоинства

1. Меньшая стоимость и затраты при эксплуатации и обслуживании.

2. Независимость от наличия электрической энергии, используемой для работы циркуляционного насоса и контроллера.

3. Надежность, долговечность и легкость в эксплуатации

Недостатки

1. Меньшая производительность за счет пассивной циркуляции жидкости.

2. Бак имеет строгое размещение — выше коллектора и непосредственно примыкает к нему

Активные гелиосистемы для циркуляции жидкости через коллектор используют электрический насос, дополнительным оборудованием является контроллер и клапаны. При этом насос используется в случае необходимости интенсификации производства горячей воды, часто достаточно только естественной конвекции. Достоинства и недостатки активных систем приведены с табл. 2.2.

Таблица 2.2. Достоинства и недостатки активных систем

Достоинства

1. Большая производительность за счет активной циркуляции жидкости.

2. Расположение бака не требует строгого размещения, поэтому системы легче модифицируются, чем пассивные

Недостатки

1. Большая стоимость и затраты при эксплуатации и обслуживании.

2. Зависимость от наличия электрической энергии, используемой для работы циркуляционного насоса и контроллера.

3. Более требовательны в эксплуатации

Прямые и косвенные гелиосистемы

Прямые — в системе циркулирует вода, используемая непосредственно для горячего водоснабжения (открытый контур). Косвенные — в системе циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который через теплообменник нагревает воду, используемую для горячего водоснабжения (закрытый контур).

Комплектация гелиосистем, изготовленных промышленностью

Гелиоустановка состоит из трех обязательных элементов: вакуумный коллектор, накопительный резервуар и центр управления (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Устройство гелиоустановки

Вакуумный коллектор — комплекс вакуумных трубок, преобразующих поток солнечного излучения в тепловую энергию, где осуществляется первичная передача полученного тепла в накопительный резервуар через циркулирующий в системе теплоноситель (незамерзающая жидкость).

Вакуумный коллектор комплектуется 10–30 вакуумными трубками, располагающимися параллельно друг другу. Количество коллекторов зависит от потребностей, но обычно достаточно 1–2, в отдельных случаях — 4–6 и более (в зависимости от направления использования тепла и нагрузки).

Элементарной единицей преобразования энергии солнечного излучения в тепло являются вакуумные трубки. Они улавливают наиболее ценное с точки зрения получения тепла излучение, а полученное тепло — передают воде, которая непосредственно используется в быту или теплоносителю, посредством которого осуществляется нагрев воды для горячего водоснабжения или отопления.

Накопительный резервуар — бак заданного объема (как правило, 100–500 л) в котором накапливается теплая вода, полученная от вакуумных коллекторов. Конструктивно выполнен в виде электрического бойлера с одним или двумя внутренними теплообменными спиралями. Функции накопительного резервуара:

♦ накопление горячей воды:

♦ сохранение полученного тепла;

♦ дополнительный подогрев воды (при необходимости).

Примечание.

По умолчанию резервуар комплектуется электронагревателем, но дополнительный подогрев (в случае необходимости) может осуществляться за счет любой системы энергогенерирования (газ, дизель, уголь, дрова и т. д.).

Центр управления (рабочая станция) — комплекс автоматического контроля функционирования вакуумного коллектора и накопительного резервуара, включающий контроллер, датчики температуры и давления, насос и запорные элементы.

Она позволяет полностью автоматизировать процесс и установить наиболее эффективный режим работы системы в течение суток в зависимости от заданных потребителей параметров. Это реализуется при помощи микропроцессорного контроллера обеспечивающего следующие функции:

♦ индикация температуры коллектора, резервуара, обратного потока теплоносителя

♦ выбор температуры активации принудительной циркуляции теплоносителя и дополнительного подогрева;

♦ выбор временных параметров включения-выключения системы отопления и дополнительного подогрева;

♦ выбор температуры режима антизамерзания;

♦ индикация повреждения датчиков.

Принцип работы такого коллектора представлен на рис. 2.6. В основу функционирования солнечного вакуумного коллектора положено четыре базовых процесса:

♦ улавливание солнечного излучения;

♦ теплообмен;

♦ консервация полученного тепла;

♦ автоматизированный контроль системы.

При этом инженерное решение по реализации этих процессов четко распределяется в соответствии с элементами солнечного вакуумного коллектора. Так, солнечное излучение, попадая на коллектор (рис. 2.6), проходит через его вакуумную зону и достигает специального покрытия, которое улавливает те волны солнечного излучения, которые несут наибольшую энергию — в первую очередь инфракрасный спектр.

Рис. 2.6. Принцип работы солнечного вакуумного коллектора

В результате этого происходит интенсивный разогрев вакуумного коллектора. В зависимости от типа вакуумных трубок коллектора, полученная энергия передается: воде (непосредственно используемой), теплоносителю (вода или антифриз) или металлической пластине. В первом случае полученное тепло непосредственно передается воде для ее нагрева. Во втором и третьем — используется теплоноситель или теплопередатчик.

В качестве теплоносителя может использоваться обычная вода или антифриз (как правило, водный раствор гликоля), а в качестве теплопередатчика медная трубка или алюминиевая пластина.

Далее теплоноситель или теплопередатчик отдает полученное тепло воде, используемой для бытовых нужд (горячая вода и/или отопление). Обычно, теплоноситель или теплопередатчик пространственно соприкасаются с медной трубкой (спиральной, U-образной или головчатого типа), которая характеризуется повышенным коэффициентом теплообмена.

Именно через медную трубку и осуществляется процесс теплообмена между теплоносителем (теплопередатчиком) и нагреваемой водой. В наиболее простых системах медные трубки отсутствуют, в таком случае процесс теплообмена происходит непосредственно между теплоносителем и нагреваемой водой.

С целью сохранения полученного тепла в солнечном вакуумном коллекторе используются баки-резервуары, имеющие изоляционный слой, который обеспечивает как можно более продолжительное поддержание внутренней температуры.

Для более эффективной координации функционирования наиболее сложные (и одновременно наиболее производительные) солнечные вакуумные коллекторы комплектуются системой автоматического управления.

Эта система управления осуществляется контроль работы всей установки в соответствии с заданными параметрами, включая выбор оптимального режима работы системы в течение суток, при этом контроллер регулирует поток теплоносителя и определяет направление подачи тепла (горячее водоснабжение и/или отопление).

Для бесперебойного функционирования системы солнечного вакуумного коллектора могут комплектоваться дополнительными источниками энергии. Например, традиционный водонагреватель, работающий на электричестве, газе, жидком (дизель) или твердом (уголь) виде топлива. Это обеспечивает наиболее высокую эффективность использования в зимнее время, когда нагрузки наиболее высоки, а также ночное время или облачную погоду, при этом альтернативный источник энергии используется лишь для поддержания заданных параметров.

Примечание.

Наибольшее количество энергии воспринимается панелью коллектора при расположении его плоскости под прямым углом к направлению на Солнце.

Установка гелиосистемы

Количество тепловой энергии, вырабатываемой солнечным коллектором, зависит от целого ряда факторов. К поддающимся изменению относят угол наклона и ориентацию установки. Критерием ориентации является азимут.

Угол наклона — это угол между горизонталью и батареей. При установке на скатной крыше угол наклона задается скатом кровли.

Поскольку угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости коллектора следует выполнять в соответствии с высотой Солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии.

На практике идеальными для широты, например, Ленинградской области оказались углы наклона между 30 и 45°.

Азимут описывает отклонение плоскости коллектора от направления на юг; если плоскость коллектора ориентирована на юг, то азимут = 0°. Для широты Ленинградской области приемлемы отклонения от направления на юг до 45° на юго-восток или юго-запад.

Итак, самого высокого коэффициента энергоотдачи (КПД) солнечной установки в Санкт-Петербурге и Ленинградской области можно добиться при ее расположении в южном направлении с наклоном 30–35° к горизонтали. Но даже при значительном отклонении от этих условий (от юго-запада до юго-востока, с наклоном от 25 до 55°) монтаж гелиоустановки целесообразен.

Установка солнечного коллектора и определение его размеров должны быть выполнены таким образом, чтобы незначительным было воздействие дающих тень соседних зданий, деревьев, линий электропередач и т. п.

Солнечное вакуумные коллекторы могут устанавливаться на любом более или менее освещенном пространстве: как горизонтальном — крыши зданий, техплощадки, так и вертикальном — балконы. При этом экспозиция (север-юг) и угол наклона (0—90°) оказывают значение на эффективность работы всей системы.

Примечание.

Следует учесть, что функционирование системы возможно в любое время года и погоду, однако наибольшая производительность системы приходится на период весна-осень. Поэтому при комплектации системы необходимо учитывать их минимальную производительность, рассчитанную на холодный период года, когда количество солнечной энергии снижается, а потребность в тепловой энергии — возрастает.

Системы могут работать в открытом автономном режиме, осуществляя, например, прямой подогрев воды для пассивного горячего водоснабжения. Но наиболее распространенные и эффективные закрытые, двухконтурные типы установок, функционирующие при магистральном давлении водопровода и имеющие дополнительный источник энергообеспечения.

Первый вариант — так называемые сезонные установки, функционирующие в теплый период года, они популярны для применения в дачных поселках. Второй вариант — всесезонные установки, обеспечивающие круглогодичное обеспечение теплом.

Прикидочный расчет гелиосистем

Для расчета вам необходимо пройти несколько шагов (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Таблица примерного расчета гелиосистемы с сайта www.atmosfera.ua

Шаг 1. Определиться с количеством потребителей горячей воды.

Шаг 2. Определить примерное количество воды, потребляемой каждым членом вашей семьи в сутки.

Шаг 3. После этих двух шагов вы получите рекомендованный объем накопительного бака.

Шаг 4. Выберите желаемую степень замещения ваших потребностей в тепле энергией Солнца.

Шаг 5. Выберите южный или северный регион, где планируется размещение системы.

Шаг 6. Выберите планируемую ориентацию устанавливаемых коллекторов.

Шаг 7. Выберите угол наклона устанавливаемых коллекторов.

Шаг 8. После выполнения последнего шага вы получите примерное необходимое количество коллекторов.

После выполнение вышеуказанных шагов вы получили необходимую емкость бака-накопителя и примерное количество коллекторов. Далее вам необходимо решить, будете ли вы использовать солнечную энергию как дополнительный источник тепла в системе отопления.

От вашего решения зависит выбор бака-накопителя с одним или двумя теплообменниками. Для отбора тепла в основную систему отопления вам будет бак с двумя теплообменниками. С помощью одного тепло будет передаваться в бак с водой, с помощью второго (верхнего) вы будете иметь возможность передавать излишки тепла в основную систему отопления.

Далее к получившемуся комплекту вам необходимо добавить рабочую станцию с контроллером, датчиками температуры и другой автоматикой. Таким образом, имея комплект оборудования, состоящий из бака-накопителя, необходимого количества вакуумных солнечных коллекторов и рабочей станции с контроллером, вы сможете рассчитать стоимость вашей системы.

Для «грубого расчета» к стоимости оборудования обычно добавляется 30 % на работы по монтажу и дополнительные трубы, фитинги, изоляцию и т. д. Остается только рассчитать сроки окупаемости системы.

В ряде случаем примерные расчеты можно произвести, заполнив калькулятор на сайтах компаний, занимающихся этим оборудованием, например, http://solar.atmosfera.ua/ru/bystryj-raschet-sistemy/.

Приобретаем дачный душ

После целого дня проведенного на садовом участке, неизбежно возникает вопрос о том, каким образом смыть с себя всю грязь перед возвращением в город. А жаркие дни бывает охота и просто освежиться в перерыве между работой. Если на вашем участке отсутствует полностью благоустроенный всеми удобствами дом, то сделать это бывает довольно сложно.

Поэтому многие дачники испытывают дискомфорт. Чтобы избежать подобных ситуаций и не мучить себя — можно воспользоваться последней технической новинкой, разработанной специально для любителей садоводства — дачным душем.

Обливание из ковша — дело хлопотное и малоприятное, тем более оно никогда не станет полноценной заменой настоящему душу. Каждый раз топить баню, если вам повезло и на вашем участке она имеется — также неудобно, так как на это тратится очень много времени и средств. Поэтому дачный душ станет для вас идеальным вариантом при решении этой проблемы.

При покупке душа необходимо обратить внимание на несколько немаловажных факторов. Во-первых — на материал, из которого сделан бак для воды. Если он сделан некачественно, то в скором времени из него может начать литься вода со ржавчиной, а вам это, конечно же, не нужно.

Во-вторых — необходимо убедиться в качестве материала, из которого сделан пол душевой кабины — не начнет ли он гнить.

Примечание.

Если вы вовремя не обратите внимания на эти детали, то можете просто потратить свои деньги зря.

Приобретаем солнечный водонагреватель

А купить можно, например, отечественный солнечный коллектор «Сокол» с оптическим, многослойным, селективным покрытием, нанесенным в вакуумной установке. Это покрытие поглощает 95 % солнечного света, а излучает только 5 % тепла. Данный метод был разработан специалистами НПО машиностроения и был отмечен серебряными Медалями на международных выставках в Брюсселе (1999 г.) и Женеве (2000 г.). Этот слой, в отличие от «псевдо селективных» покрытий других производителей, обладает высокой степенью поглощения как видимых солнечных лучей, так и солнечной радиации в облачную погоду.

Из-за низкого коэффициента черноты обратное излучение тепла минимально (до 5 %). Благодаря этому солнечная энергия эффективно используется в системах нагрева воды и отопления, а не излучается с поверхности коллектора. Получается «солнечная ловушка» с высокими показателями эффективности в условиях низких температур и малой солнечной инсоляции. Все части коллектора алюминиевые, что значительно увеличивает срок службы коллектора. Средний КПД коллектора — 75 %.

Варианты дачных душей

На сегодняшний день производители предлагают садоводам большое количество различных вариантов дачных душей — разнообразных по своим свойствам, качеству и цене:

♦ во-первых, души, в которых вода нагревается естественным путем — под воздействием солнечных лучей — чрезвычайно популярны, так как занимают очень немного места на участке и удобны в использовании;

♦ во-вторых, душ педальный. Или топтун, топтышка. Для тех, кто постоянно ездит на дачный участок или проводит время в походах на природе, наилучшим вариантом будет педальный душ — благодаря простоте конструкции, он может быть помещен в обычный пакет. Он состоит из педалей, при нажатии на которые из шланга начинает литься вода и душевой лейки. Он настолько просто в обращении, что использовать его самостоятельно смогут даже маленькие дети. Самые простые в использовании дачные души. Один конец шланга опускается в емкость с водой, на втором конце душевая лейка, переминаясь на специальных педалях вы перекачиваете воду снизу вверх;

♦ в-третьих, души, в которых вода нагревается электронагревателем. Он состоит из бака, объем которого может достигать 200 л, а также кабины, оснащенной специальным местом, где можно раздеться и повесить свои вещи. Встроенный терморегулятор поддерживает заданный уровень температуры воды, поэтому таким душем можно пользоваться в любую погоду. Каркас душа обычно покрывают краской, препятствующей появлению ржавчины, поэтому он с легкостью переживет зимний период на вашем участке. Такие души очень надежны, прослужат вам долгий срок, их очень просто установить самостоятельно в любом месте вашего участка.

♦ в-четвертых, бочка с электроподогревом. Если у вас уже есть конструкция душа, или вы хотите использовать уже готовое помещение для душевой, например, сарай или бытовку, то вам необходима бочка с электроподогревом, вы устанавливаете бак на крыше, а душевую лейку выводите над местом помывки. Наличие в бочке с электроподогревом терморегулятора позволяет получать воду именно той температуры, которая вам необходима.

2.2. Создаем гелиосистемы своими руками

Воздушный солнечный коллектор своими руками

Так как же простому самодельщику использовать даровое солнечное тепло? Для начала, давайте вспомним самую распространенную установку по использованию солнечного тепла — теплицу. Это фактически большой солнечный коллектор. Роль абсорбера в нем выполняют растения и поверхность грунта, роль защитного стекла — стеклянное или полиэтиленовое покрытие. Там работает тот же парниковый эффект. Цель такого коллектора в нагреве самого себя, чтобы растения чувствовали себя комфортнее.

А если мы начнем «забирать» теплый воздух из теплицы? Теплица превратиться в… воздушный солнечный коллектор.

Это, наверное, одна из самых простых конструкций, которая совершенно не требовательна ни к материалам, ни к технологии изготовления (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Самодельный воздушный солнечный коллектор

Теплоизолированная снизу зачерненная поверхность является дном плоского ящика. Ящик можно сделать из любого подручного материала — доски, фанера и т. д. Сверху этот ящик закрыт стеклом или другим прозрачным материалом. Очень хорошие результаты дает покрытие из сотового поликарбоната. Получается легкое двухслойное пластиковое покрытие с хорошим светопропусканием и теплоизоляцией.

Видимый свет поглощается зачерненной поверхностью, нагревает ее, а она, в свою очередь, нагревает воздух в коллекторе. Нагретый воздух в такой системе сам является теплоносителем, он забирается из обогреваемого помещения, нагревается в коллекторе и подается обратно. Все воздуховоды (подводящие и отводящие воздух от коллектора) должны быть теплоизолированы.

Для увеличения длины пути, проходимого воздухом, внутри ящика можно установить переборки. Воздух через коллектор прогоняется вентилятором.

В специальных контроллерах применяются дифференциальные датчики, сравнивающие температуру в помещении и внутри коллектора. Они включают вентиляторы только, когда воздух в коллекторе достаточно прогреется.

Но в домашних условиях место датчиков температуры проще применить небольшую солнечную батарею, от которой будет питаться вентилятор. Напряжение и мощность этой солнечной батареи надо подбирать так, чтобы вентилятор, прогоняющий воздух через коллектор, начинал работать, только если на него падает достаточное количество света, при котором нагревается коллектор.

Например, в пасмурную погоду воздушный солнечный коллектор работать практически не будет, а, значит, и вентилятор при таком освещении вращаться не должен. А вот если на улице светит яркое солнце, коллектор нагревается очень быстро, значит и вентилятор должен работать «на всю катушку». Собрав такую систему, вы получите пассивное отопление вашего дома или дачи в солнечные дни.

Преимущества воздушных солнечных коллекторов:

♦ воздушные системы выглядят привлекательнее жидкостных, так как требуют меньше трубопроводов и деталей и поэтому менее дороги;

♦ в воздушных солнечных коллекторах отсутствует опасность протечек и замерзания теплоносителя;

♦ изготовление воздушных солнечных коллекторов и связанных с ними узлов и систем сравнительно просто;

♦ сравнительная простота воздушных систем притягательна для людей, желающих построить свою собственную систему.

К недостаткам воздушных солнечных коллекторов можно отнести узкий спектр их применения. Теплый воздух обычно необходим в холодное время года для обогрева, но зимой солнечные дни — редкость, да и их продолжительность недостаточна.

А вот летом, когда солнечного тепла в избытке, получаемое тепло можно использовать только для сушки кормов или древесины, например. Никому не придет в голову обогревать дом в летний зной. Вот и получается, что воздушный солнечный коллектор будет большую часть года просто простаивать.

Именно поэтому большее распространение получили солнечные коллекторы с жидким теплоносителем (водяные).

Совет.

Подобную систему необходимо снабжать датчиками температуры, чтобы отключать вентиляторы, когда на коллектор не падает солнечный свет. Иначе в пасмурную погоду и ночью вы вместо нагрева получите эффективное охлаждение помещения.

Солнечный коллектор типа «бочка»

Наверняка многие из вас видели, а некоторые возможно и применяют этот тип солнечного коллектора. Конструкция весьма простая — железная бочка, окрашенная в черный цвет и заполненная водой. Вода в такой бочке за день нагревается на солнце, а вечером можно принять теплый душ (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Солнечный коллектор типа «бочка»

Проблем у такой конструкции множество.

Нагревание происходит медленно из-за малой площади, на которую падает солнечный свет. Из-за отсутствия теплоизоляции такая бочка очень «быстро остывает. Так что если захотите принять душ поздним вечером или утром, то только холодный.

Если у кого-то уже имеется такая бочка, вы можете ее усовершенствовать. Бочка заключается в стеклянный ящик, который не будет препятствовать ее нагреванию, но будет существенно замедлять остывание. Северную сторону бочки, на которую никогда не попадает солнце, можно утеплить более основательно, например, минеральной ватой. Такое простейшее усовершенствование также значительно ускоряет нагрев воды и существенно повышает максимальную температуру. Не обожгитесь!

Солнечный коллектор из металлических труб

Эта гелиосистема была сконструирована болгарским инженером С. Станиловым и публиковалась в журналах «Направи сам» (НРБ) и «Моделист-Конструктор» (1989, № 10). В конструкцию гелиосистемы входят (рис. 2.10):

♦ солнечный коллектор, состоящий из двух одинаковых блоков (при необходимости количество блоков можно увеличить);

♦ накопитель горячей воды;

♦ аванкамера.

Рис. 2.10. Гелиосистема в сборе

При проектировании солнечного водонагревателя использовалось несколько хорошо известных принципов. Так, например, для самого нагревателя — «парниковый эффект», то есть свойство солнечных лучей беспрепятственно проходить сквозь прозрачную среду в замкнутое пространство и превращаться в тепловую энергию, уже не способную преодолеть обратно прозрачную «крышу» установки.

А в гидравлической системе служит термосифонный эффект, то есть свойство жидкости при нагревании подниматься вверх, вытесняя при этом более холодную воду и заставляя ее перемещаться к месту нагрева.

Следует также отметить, что при разработке учитывался и эффект накопления и сохранения тепловой энергии: в установке «уловленная» солнечная энергия, преобразованная в тепловую, аккумулируется и сохраняется длительное время.

Все составные элементы водонагревателя должны быть доступны для изготовления своими силами и из таких полуфабрикатов или сырья, материалов, которые можно приобрести в открытой продаже либо подобрать из металлолома.

Рассмотрим принципы работы гелиосистемы (рис. 2.11 и рис. 2.12).

Рис. 2.11. Гидравлическая схема гелиосистемы

Рис. 2.12. Устройство солнечного коллектора

Теплоотражатель (оцинкованное кровельное железо или белая жесть) Теплоизолятор (пенопласт, стекло- или шлаковата) Усиление днища (деревянный брусок сечением 30x50 мм)

Коллектор — это трубчатый радиатор, заключенный в короб, одна из сторон которого застеклена. Радиатор сварен из стальных труб:

♦ для подводящей и отводной используются водопроводные трубы на 1 или на 3/4 дюйма;

♦ для решетки — тонкостенные трубы меньшего диаметра, например, труба 016x1,5 мм. Всего для одной решетки требуются 15 таких труб длиной около 1600 мм.

Короб коллектора — деревянный, собран из досок толщиной 25–30 мм и шириной 120 мм. Днище короба — из фанеры или же оргалита, оно усилено рейками сечением 30x50 мм. Короб рекомендуется тщательно теплоизолировать!

Сделать это можно с помощью упаковочного или строительного пенопласта: он укладывается на дно, поверх него закрепляется лист белой жести или оцинкованного кровельного железа, и сверху укладывается радиатор. Закрепляется радиатор в коробе хомутами из стальной полосы.

Трубы радиатора и металлический лист на дне короба окрашиваются черной матовой краской.

Совет.

Покровное стекло желательно герметизировать, с тем, чтобы потери тепла за счет конвекции были минимальными. С внешней стороны короб желательно окрасить серебрянкой, с тем, чтобы уменьшить потери на теплоизлучение.

Все соединения — как сварные, так и резьбовые — должны быть строго герметичными. Соединение труб — стандартное, с помощью муфт, тройников и уголков с герметизацией пенькой и краской.

Накопителем теплоносителя может служить бак емкостью 200–300 л. В принципе для этой цели годится и любая подходящая бочка.

Совет.

Если невозможно подобрать емкость нужной вместимости, используйте две-три, соединив их с помощью труб в единую систему.

Накопитель также желательно теплоизолировать. Идеальным вариантом будет размещение емкости (или емкостей) в дощатом или же фанерном коробе с заполнением межстеночного пространства любым теплоизолятором — строительным пенопластом, шлаковатой, сухими опилками или даже рубленой соломой или сеном. С той же целью саму бочку (или бочки) желательно окрасить изнутри и снаружи серебрянкой. Ею же следует окрасить короб и снаружи.

Аванкамера предназначена для создания в гидросистеме постоянного, не слишком высокого давления — 800… 1000 мм водного столба.

Примечание.

Если провести аналогию с системой охлаждения автомобиля, то можно сказать, что аванкамера играет здесь роль расширительного бачка.

Изготовить ее можно из любого подходящего сосуда емкостью 30–40 л, например, большого бидона или даже алюминиевой кастрюли той же вместимости. Аванкамера оснащается подпитывающим устройством, позволяющим ей работать в автоматическом режиме.

Его основа — поплавковый клапан, который применяется в быту для сливных бачков: его можно приобрести в магазинах сантехнических изделий.

Сборка гелиосистемы начинается с размещения на чердаке дома накопителя в теплоизолирующем коробе и аванкамере. Масса заполненного водой накопителя получается значительной, поэтому следует убедиться, что перекрытия потолка в выбранном месте достаточно прочны и выдержат вес массивного бака.

Аванкамера размещается поблизости от накопителя таким образом, чтобы уровень воды в ней превышал уровень воды в накопителе на 0,8–1 м.

Солнечные коллекторы располагаются с южной стороны дома под углом от 35 до 45° к горизонту. Размещать их лучше всего так, чтобы эти панели стали естественной кровлей дома или небольшой веранды.

Для того чтобы соединить все элементы солнечного водонагревателя в единую систему, понадобятся трубы двух сортаментов: «дюймовые» и «полудюймовые». С помощью последних монтируется высоконапорная часть системы — от водопроводного ввода до аванкамеры, а также вывод нагретой воды из накопителя: «дюймовые» используются для низконапорной части нагревателя.

Примечание.

Следует отметить, что работоспособность системы в значительной степени зависит от ее герметичности и от отсутствия воздушных пробок, поэтому к монтажу трубопроводов следует отнестись особенно аккуратно.

Все трубы желательно также окрасить серебрянкой и тщательно теплоизолировать — например, с помощью поролона и полиэтиленовой ленты, которой полосы поролона прибинтовываются к трубе. Завершив эту операцию, лучше покрыть «забинтованную трубу серебрянкой.

Заполнение системы водой осуществляется через дренажные вентили в нижней части радиаторов — в этом случае будет гарантия от появления в системе воздушных пробок. Процесс заполнения заканчивается, когда из дренажной трубы аванкамеры польется вода.

Теперь подсоединяем аванкамеру к водопроводному вводу и открываем расходный вентиль. При этом уровень воды в аванкамере начнет снижаться до тех пор, пока не сработает поплавковый клапан. Подгибая держатель поплавка, можно добиться оптимального уровня воды в аванкамере.

После заполнения системы водой радиаторы тут же начнут нагревать ее — это происходит даже в облачную погоду. Теплая вода станет подниматься вверх, заполняя собой накопитель и вытесняя при этом холодную, которая поступит в радиатор.

Процесс происходив непрерывно — до тех пор, пока температура воды, поступающей в радиатор, не сравняется с температурой воды, поступающей из радиатора. При расходовании воды из накопителя уровень ее в аванкамере понизится; тогда сработает поплавковый клапан и дольет воду в аванкамеру.

Холодная вода из аванкамеры поступит в нижнюю часть накопительной емкости, поэтому перемешивания воды практически не происходит. Теплая же вода забирается из самой верхней части накопителя.

Следует помнить, что в ночное время, когда температура на улице меньше, чем температура нагретой воды, солнечный водонагреватель с помощью радиатора начнет отапливать улицу — термосифонный эффект работает и в этом случае, перекачивая тепло в обратном направлении.

Совет.

В гидросистеме должен быть предусмотрен вентиль, препятствующий обратной циркуляции воды из радиаторов в накопитель, который имеет смысл перекрывать в вечернее и ночное время.

Подводку воды к мойке или к душу можно произвести с помощью стандартных смесителей. Мера эта отнюдь не лишняя: в солнечную погоду температура воды может достигать 80°, и пользоваться такой водой затруднительно. К тому же смесители позволят существенно экономить горячую воду.

В случае если производительность солнечного водонагревателя не устраивает, ее можно значительно увеличить, вводя в тепловую цепь дополнительные секции солнечных коллекторов — блочная конструкция установки вполне позволяет сделать это.

Солнечный коллектор из медных трубок

В этом разделе рассмотрена конструкция и методика изготовления летнего душа с солнечным коллектором из медных трубок. Установка рассчитана ее автором Е. Карповым на изготовление в домашних условиях и использование только широкодоступных материалов.

Солнечный коллектор — это основной элемент гелиоустановки. Решено было использовать медную трубу для систем отопления. Причина выбора — высокая коррозионная стойкость, простота сборки (пайка), разумно сделанные фитинги — практически без скачков проходного сечения. Конструкция солнечного коллектора показа на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Конструкция солнечного коллектора

Трубы гидравлических коллекторов холодной и горячей воды изготовлены из отрезков трубы диаметром 18 мм и тройников, нагревательные трубки имеют диаметр 15 мм. Для подключения к системе используются переходы на резьбу 3/4 дюйма, два других конца заглушены.

К нагревательным трубкам припаян стальной лист толщиной 0,8 мм. На изготовление солнечного коллектора ушло 20 тройников, 5 м трубы диаметром 15 мм, 1,5 м трубы диаметром 18 мм, две заглушки и две переходные муфты. Кроме этих материалов понадобится роликовый труборез, припой с флюсом и самая дешевая газовая горелка.

Изготовление нагревательной панели начинается с нарезки нужного количества трубок, после этого в два тройника впаивается первая нагревательная трубка и промежуточные трубки, далее на промежуточные трубки надеваются следующие два тройника с вставленной (но не припаянной) нагревательной трубкой, и все соединения пропаиваются, и так далее. В последнюю очередь впаиваются заглушки и переходные муфты.

Совет.

Сборку следует вести на ровной плоскости, то есть после установки очередной пары тройников, всю конструкцию следует уложить на плоскость и выровнять, а потом уже паять (лучше паять прямо на плоскости, если она это выдержит).

Пайка производится следующим образом:

♦ на конец трубы наносится тонким слоем поясок флюс-припоя шириной 10–15 мм;

♦ труба вставляется в тройник (муфту);

♦ место спая прогревается горелкой до расплавления припоя.

После этого к нагревательным трубкам припаивается металлический лист, это самая сложная и неприятная часть работы. Во-первых, следует запастись достаточным количеством обычного припоя. Во-вторых, наложив теплообменник на лист, следует отметить места, где проходят нагревательные трубки, и их облудить.

Совет.

Удобно паять, поставив всю конструкцию под углом и одновременно орудуя мощным (90 ватт) паяльником и газовой горелкой.

Перед пайкой, лист надо прижать к трубкам. Автор Е. Карпов использовал несколько струбцин, переставляя их по мере надобности. Можно просверлить в листе отверстия диаметром 1–1,5 мм и притянуть их проволокой. Трубки надо припаять по всей длине с обеих сторон, не жалея припоя.

Завершив пайку, следует провести гидравлические испытания, например, заглушив один выход, а второй подключив к водопроводу. Нигде и ничего не должно течь и капать. Готовую нагревательную панель окрашивают черной матовой термостойкой краской в два слоя, краска продается в аэрозольной упаковке. В последнюю очередь устанавливают тройник и переход. Готовую панель помещают в деревянный ящик (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Сборка деревянного корпуса

Ящик собран в шип из четырех досок толщиной 25 мм. Перед сборкой вдоль длинных сторон досок с обеих сторон выбирают рубанком паз глубиной 6 мм и шириной 6–8 мм. Для повышения жесткости коробки заподлицо с нижним краем пазов в углы коробки вклеиваются деревянные бруски 30x30 мм, два таких же бруска длиной 300–400 мм приклеивают (приблизительно по центру) изнутри вдоль длинной стороны коробки со стороны установки задней крышки. Они служат для крепления задней крышки ящика, изготовленной из куска фанеры толщиной 6 мм. Для прохода входного и выходного патрубков, в ящике вырезают пазы.

Совет.

Делать это лучше по месту, закрепив предварительно нагревательную панель. Для склеивания ящика следует использовать хороший водостойкий клей, вполне подходят «Жидкие гвозди».

После изготовления и подгонки всех частей ящика их следует пропитать водоотталкивающим составом (торговое название «Полифлюид») и окрасить синтетической эмалью два раза. Сборку коллектора производят в таком порядке.

Шаг 1. На задней крышке крепят шурупами четыре деревянных проставки толщиной 50 мм (следует следить, чтобы проставка не попала под нагревательную трубку).

Шаг 2. На крышку укладывают слой стекловаты с припуском 90—100 мм, напротив проставок стекловату раздвигают.

Шаг 3. Устанавливают нагревательную панель на проставки, и крепят ее к ним шурупами.

Шаг 4. Вставляют заднюю крышку в ящик, и крепят крышку шурупами к брускам.

Шаг 5. Расправляют стекловату вдоль стенок ящика, и закрепляют ее в нескольких местах тонкими гвоздями с широкими шайбами.

Шаг 6. Устанавливают на силиконовом герметике защитное стекло.

Шаг 7. Задувают строительной пеной места прохода патрубков.

Эквивалентная площадь нагрева солнечного коллектора примерно составляет 0,5 м^2.

Сборка гелиоустановки. Полная схема гелиоустановки показана на рис. 2.15. Гелиоустановка одноконтурная, термосифонного типа и рассчитана на постоянное подключение к магистрали питающей воды.

Рис 2.15. Полная схема гелиоустановки

Такая схема многократно описана, и поэтому не будем повторяться, а основное внимание уделим ее техническому воплощению.

Бак-накопитель — это алюминиевая бочка, которая после переделки имеет емкость приблизительно 0,3 м^3. Для теплоизоляции бак обернут двумя слоями минеральной ваты толщиной 50 мм. Поверх ваты уложено два слоя гидроизоляционной ткани, ткань закреплена тонкой вязальной проволокой. Сверху положен кружок рубероида (в виде юбочки) и тоже закреплен вязальной проволокой. Конечно, алюминиевая бочка — это роскошь (просто повезло), вполне подойдет и стальная емкость, окрашенная изнутри водостойкой краской.

Можно попробовать и полиэтиленовую емкость, но при постоянном нахождении на улице их долговечность не очень велика. Общее требование к любому типу бака: он должен быть узким и высоким.

Штуцера в баке изготовлены из оцинкованных сгонов длиной 100–150 мм. Для подключения солнечного коллектора используются сгоны на % дюйма, для штуцера подачи питающей воды — 1/2 дюйма. Конструкция штуцера показана на рис. 2.16. Отверстия в баке сначала сверлятся, а потом доводятся до необходимого диаметра напильником.

Рис. 2.16. Конструкция штуцера

Трубопроводы изготовлены из металлопластиковой трубы. Работа с ней не вызывает каких-либо проблем и не требуется какой-то специальный инструмент. Она прекрасно режется роликовым труборезом. При больших радиусах сгиба можно обойтись и без гибочной пружины. Еще одно ее положительное свойство: малое гидравлическое сопротивление. Для теплоизоляции труб используется стандартный теплоизоляционный рукав.

В качестве автоматического клапана питающей воды используется поплавковый клапан от сливного бачка унитаза. При выборе клапана не стоит экономить:

♦ во-первых, клапан должен быть надежным, чтобы не лазить каждую неделю наверх;

♦ во-вторых, при его открывании вода должна вытекать преимущественно из выходного отверстия, а не лететь во все стороны.

На выходной патрубок клапана надета пластиковая трубка, достающая до дна бака. При отборе воды, холодная вода поступает на дно бака и вытесняет горячую воду наверх.

Выходной патрубок изготовлен из куска оцинкованной трубы с нарезанной на одном его конце резьбой 1/2 дюйма длиной 150 мм. Труба уплотняется в днище бака аналогично уплотнению штуцеров, на оставшийся конец резьбы накручивается стандартный шаровой клапан (желательно с длинной ручкой).

Соответственно, в клапан вворачивается лейка. По-видимому, лучшим решением было бы использование плавающего водозаборника и отбор воды из верхних слоев. Выяснилось, что в жаркий день температура воды для мытья слишком высока, поэтому выпускной патрубок был слегка модифицирован. Между выпускным патрубком и клапаном был установлен тройник. В него от дополнительного штуцера, установленного в днище бака, через гибкий шланг и кран подается более холодная вода. Получилось некое подобие смесителя.

Солнечный коллектор установлен под углом 45° и направлен точно на юг. Конструкция душевой кабинки — произвольная, но она должна выдержать суммарный вес полного бака и ваш. Автор (Е. Карпов) сварил каркас кабинки из трубы диаметром 40 мм и угольника 40x40 мм, пол и крыша сделаны из доски толщиной 40 мм. Конструкция имеет значительный излишний запас прочности, но у меня есть дальнейшие виды на перспективы ее использования.

Чтобы система хорошо работала надо выполнить три главных условия:

♦ обеспечить хорошую теплоизоляцию всех частей установки;

♦ обеспечить минимальные гидравлические сопротивления;

♦ обеспечить максимальный перепад высот между входным патрубком солнечного коллектора и штуцером горячей воды, установленном на баке (отмечает Е. Карпов на http://www.next-tube.com/articles/sunny/sunny.pdf).

Проточно-накопительный водонагреватель из пластиковых бутылок

Эти материалы любезно предоставлены К. Тимошенко (http://sam. delaysam.ru/).

Для солнечного коллектора подойдут любые прозрачные бутылки объемом 2 л из-под газированной воды. А чтобы прилично принять душ, надо хотя бы литров 50–60, лучше больше 100.

Примечание.

Основная проблема создания солнечного водонагревателя состоит в соединении многих пластиковых бутылок в единую емкость и организацию их некоей проточности! Чтобы холодная вода могла в них втекать, а теплая — вытекать. Решив эту задачу, мы просто получаем небольшой прозрачный резервуар, который прекрасно нагревает воду за счет солнечной энергии.

Взяв, например 100 таких мини-резервуаров, т. е. бутылок, мы получим уже 200 литров теплой воды!

Сначала предполагалось организовать проточность бутылки через создание специальной пробки. Например, с соосными трубками. В одну — втекает, в другую — вытекает. Но изготовление массы таких трубок (например, 100 или 200) ничуть не проще, чем создание нормального классического солнечного коллектора. Поэтому было принято решение пойти другим путем — соединением бутылок и созданием из них своеобразной прозрачной трубы (рис. 2.17), которая будет одновременно и резервуаром, и собственно коллектором. Ну как бочка, только плоская и прозрачная.

Рис. 2.17. Принцип соединения бутылок

Измерив диаметр резьбы на горлышке бутылки, автор подобрал сверло, которым в донышке другой бутылке сверлится отверстие. Лучше всего подошло сверло — кольцевая пилка для сверления отверстий большого диаметра по дереву на 26 мм (наборы таких пилок в изобилии имеются в продаже и стоят 70—100 руб.).

При таком диаметре, горлышко бутылки достаточно туго вкручивается в отверстие в донышке другой. Иногда приходится поработать круглым крупным напильником. Да, и предварительно желательно просверлить отверстие строго по центру бутылки обычным сверлом 6–8 мм. Скажу, что сделать это непросто, т. к. именно в центре донышка имеется очень твердый и гладкий прилив — пупырышек.

Совет.

Поэтому для массового точного сверления будет лучше сделать простенький шаблон, чтобы сверло не рыскало.

Следующей проблемой был вопрос с герметизацией. Вообще говоря, к ПЭТ как бы ничего и не пристает и не приклеивается. Но оказалось, не совсем так. Даже с просверленным отверстием, донышко бутылки сохранило абсолютную жесткость, и это давало надежду на применение силиконовых герметиков. Следует тщательно обезжирить поверхности ацетоном, намазать резьбу бутылки и ввинтить ее в донышко. А потом обильно замазать стык герметиком снаружи. Для надежности рекомендуется оставить бутылки неподвижными на 3 дня (скорость ферментации герметика 3–4 мм/сутки, как сказано в инструкции).

Можно ограничится последовательным соединением всего 3 бутылок. Герметичность стыков получилась абсолютная! Кстати, силикон так прилип к ПЭТ — ножом не отковырнешь!

За день на солнце (вернее, всего за несколько часов) вода великолепно нагревалась даже без всяких дополнительных ухищрений. Таким образом, была получена некая условная ячейка коллектора — водонагревателя, с размерами 0,1 метра (диаметр бутылки) на 1 метр (длина бутылки 35 см). Т. е. площадь коллектора составила 0,1 м^2, а емкость — 6 л. Нетрудно подсчитать, что на 1 м^2 уместится примерно 10 таких модулей, емкость которых составит 60 литров воды. На эти 60 литров воды солнце ежечасно будет изливать почти по киловатту энергии! Да эту воду не только нагреть — вскипятить можно! Ну конечно она никогда не вскипит, хотя бы из-за теплопотерь. Но нагреть 60 литров воды до 40–45 градусов можно 2–3 раза точно. Что более чем достаточно для дачных нужд.

Возвращаемся к проекту водонагревателя. Например, делаем 10–20 таких модулей и длиной не по 3, а по 5–6 бутылок (вообще, сколько позволяет площадь крыши, обращенная на юг). Можно, конечно, при помощи шлангов организовать полную проточность всех модулей, но я думаю, это бессмысленно. Поскольку все равно вся вода греется одновременно и получает одинаковое количество тепла в любой точке коллектора. Поэтому соединим наши модули параллельно! И будем использовать их в режиме бочки: налил — нагрел — использовал (или слил в термоизолированный накопитель).

Чтобы подключить все модули параллельно, потребуется труба, достаточно большого диаметра (миллиметров 50, а лучше 100, например, полипропиленовая). Все модули врезаются в нее, так же как и стыкуются бутылки между собой в модуле (рис. 2.18). Вентиль 1)

Модули, разумеется, должны располагаться под наклоном (нижняя сторона обращена в сторону юга, общая труба в самой нижней точке коллектора). В самой верхней бутылке модуля необходимо просверлить небольшое отверстие, 2–3 мм. С обеих сторон трубы установить по вентилю. К одному из них подвести воду (например, от насоса или водонапорного бака, на рис. 2.18 Вентиль 2).

Рис. 2.18. Конструкция нагревателя, размещенного на крыше

Совет.

Возможно, удастся поступить и проще. Приклеив или привинтив саморезом к трубе пробку от бутылки и обеспечив герметичность, просверлить в пробке (и трубе, заодно) отверстие, просто ввинтить модуль в пробку.

А другой вентиль будет разборный, через него будет сливаться теплая вода (на

Работает солнечный водонагреватель коллектор следующим образом. Вентиль 1 закрыт, и мы начинаем заполнять коллектор водой, открыв вентиль 2. Вода заполняет бутылки «снизу вверх». Воздух при этом выходит из отверстий вверху модулей. Разумеется, как в сообщающихся сосудах, уровень воды в модулях одинаковый. Визуально определив, что бутылки наполнились, мы закрываем вентиль 2, и водонагреватель начинает свою работу.

Если нам требуется теплая вода, мы открываем вентиль 1, и нагревшаяся вода начинает стекать из разборной трубы.

Вот собственно и все. Все точно так же как в бочке, только воду такой коллектор будет греть на порядок эффективнее, чем бочка, ввиду своей большой площади.

Немного о конструкции. Разумеется, модули желательно уложить в «ящик», для придания жесткости конструкции. Дно ящика желательно сделать из темного материала, поглощающего солнечные лучи. Например, закоптить лист железа. Под лист неплохо бы поместить теплоизолятор, например тонкий пенопласт или вспененный полиэтилен («пеноплекс»). Верх ящика желательно затянуть полиэтиленовой пленкой или стеклом, чтобы ветер не охлаждал бутылки.

Угол наклона — минимальный, градусов 10–20—30, не более. Во-первых, летом это наиболее оптимальный угол наклона по отношению к Солнцу (почти перпендикулярно), а зимой этим коллектором не пользуются. Во-вторых, это обеспечит минимальный перепад давления воды (высоту водяного столба), что немаловажно при наличии многих стыков бутылок.

Примечание.

Хотя при испытаниях автор ставил свой трвхбутылочный модуль даже вертикально и он «держал» давление в 0,7 атм., при работе он бы рисковать не рекомендовал.

Размер всего водонагревателя — на вкус создателя. Для 200 л потребуется около 110 бутылок, которые займут площадь 3 м^2. Правда, и мощность такого нагревателя будет уже примерно 3 кВт!

Можно использовать нагреватель в режиме «налил — вылил». А можно и устроить рядом с ним термоизолированный бак-накопитель для теплой воды. В хороший солнечный день, 2-метровый, простите, 2-х киловатный водонагреватель нагреет вам и полтонны воды!

Заморозков такой водонагреватель не боится (кроме водозапорной арматуры), Солнце ему тоже не страшно (ПЭТ плохо разлагается на Солнце).

Разумеется, у такого солнечного водонагревателя есть и недостатки (например, плохая автоматизируемость), однако многое окупается его практически бесплатностью. Посудите сами, на что тут потратятся деньги: труба, пара вентилей и 2–3 тюбика силиконового герметика по 45–50 руб./шт. А бутылки из-под воды достанутся вам в качестве бонуса при покупке воды в магазине. Подключив к их сбору и знакомых, вы к следующему сезону соберете несколько десятков, а то и сотен бутылок, и сможете сделать себе очень достойный и производительный солнечный водонагреватель. Итого: 300–500 рублей максимум (!!!), и вы с горячей водой весь сезон!

Единственный недостаток — температура нагреваемой им воды не должна превышать 50–55 градусов. Иначе — солнечный коллектор разрушится. Проблему термоклея можно решить путем изготовления штуцеров. Например, взять трубку (алюминиевую ил медную), и нарезать на ее внешней стороне резьбу. И парой гаек закрепить крышку бутылке на коллекторе подводящем воду. А бутылку просто вкрутить в собственную пробку.

В принципе такая температура воды (50 градусов) достаточна для бытовых нужд. Возможно, в самые жаркие месяца лета не стоит повышать эффективность солнечного водонагревателя. Пусть лучше немного недогревает, чем плавится. А в демисезонные месяцы — стоит коллектор прикрыть стеклом.

Потенциал у солнечного коллектора-водонагревателя даже в средней полосе России есть! И потенциал огромный! С апреля по сентябрь (фактически весь дачный сезон) солнечный коллектор-водонагреватель должного размера и конструкции может обеспечивать горячей водой обычную семью, экономя при этом сотни (а может и тысячи) рублей семейного бюджета, которые тратятся на электроводонагреватели и их работу.

Разумеется, следует придумать что-то более надежное и термоустойчивое, чем ПЭТ-бутылки для применения в солнечном коллекторе — водонагревателе. И разумеется — бюджетное. Например, алюминиевые банки….

Солнечный водонагреватель из алюминиевых пивных банок

Можно использовать пивные алюминиевые банки в качестве корпуса солнечного коллектора и силиконовый герметик в качестве герметизирующего и соединяющего материала. И для банок и для силикона температура в 60–70 градусов (при которых разрушился ПЭТ-бутылочный солнечный коллектор) просто семечки (отмечает К. Тимошенко на http://delaysam.ru/dachastroy/dachastroy98.html).

Было приготовлено 40 однолитровых пивных банок. При этом емкость водонагревателя осталась прежней — около 40 л, и площадь облучаемой поверхности — около 0,6 м^2.

4 банки пришлось вскрывать не как обычно, дернув за рычажок на крышке, а с помощью консервного ножа со стороны дна, чтобы «крышка» осталась неповрежденной. У остальных консервным ножом следует вырезать и дно, и крышку, превратив банки в трубы. Кроме того, у тех 8-ми банок, что будут на торце солнечного коллектора пришлось в боку вырезать узкие отверстия, чтобы вода могла беспрепятственно заполнять «трубы» солнечного коллектора. И в одной банке сделано отверстие для штуцера, к которому присоединен шланг.

Совет № 1. Перед тем, как начать клеить банки, следует испытать силиконовый герметик на адгезию к банкам! Оказалось, не любой силикон одинаково прилипчив. Например, силикон марки «Krass» — пристает хорошо. Разумеется, банки все обезжириваются перед склейкой.

Совет № 2. Берем плоскость (фанера, ДСП, столешница, доска) Фиксируем на ней любым способом «первую» банку (термоклей, скотч, хомут…). Смазав силиконом место стыка, присоединяем к ней вторую банку с торца и еще одну — сбоку. Оставляем на сутки. На следующий день приклеиваем 3–5 очередных банок и т. д. Так можно получить идеально ровный и герметичный солнечный коллектор. Т. е. главное — не спешить!

Полученный в итоге единый блок нужно проверить на герметичность и уложить в корпус коллектора, т. е. в ящик из досок, на дне которого лежит кусок пенополистирола (50 мм), покрытого фольгой. К штуцеру подсоединяем шланг для заполнения солнечного водонагревателя холодной водой и слива нагретой. Блок банок нужно расположить так, чтобы штуцер оказался в самой нижней точке ящика. А в той банке, что оказалась выше всех, протките небольшую дырочку для выхода и входа воздуха.

Еще раз проверьте блок банок на герметичность и покрасьте банки черной матовой краской, а сам ящик закройте стеклом. Щели между стеклами заклейте скотчем. Сам солнечный коллектор автор сориентировал строго на восток, с наклоном примерно градусов 15–20. Не самая оптимальная ориентация, конечно, но уж так расположена крыша у автора. Реально солнце начинало освещать солнечный коллектор примерно с 9 утра и уходило практически на «нулевой» угол в 17 часов.

Солнечный проточный водонагреватель из пенополистирола

Рассмотренные ранее солнечные водонагреватели-коллекторы из пластиковых бутылок и алюминиевых банок, конечно просты и работоспособны. Однако они имеют один очень существенный недостаток — это именно накопительные водонагреватели. И работают по принципу «залил воду — нагрел — используй». А он хорошо действует только в условиях, когда солнца много. Если вода уже немного нагрета и солнце исчезает в облаках (соответственно прекращается и нагрев), то вода в водонагревателе начинает остывать (отмечает К Тимошенко на http://delaysam.ru/dachastroy/dachastroy99.html, любезно предоставив этот материал для книги).

Примечание.

Иными словами, накопительный солнечный водонагреватель плохо работает в условиях переменной облачности.

Однако сделать проточный водонагреватель от солнца с достаточно большой плоскостью облучения (и, соответственно, мощностью) не так просто. Необходимо каким-то образом устроить достаточно большую плоскость, облучаемую солнцем с одной стороны и омываемую водой с другой.

Обычно используют всяческие трубки из достаточно дорогих цветных металлов (медь, алюминий), спаянные в частую решетку и т. п. Такие солнечные коллекторы конечно эффективны, но очень трудоемки в изготовлении и дороги. Это делает бессмысленной саму идею использования солнечного водонагревателя, так как вместо «бесплатного» солнечного тепла мы получаем большие материальные затраты, которые неизвестно когда окупятся.

В процессе обсуждения возможных конструкций солнечного водонагревателя на форуме, у К. Тимошенко родилась идея сделать солнечный коллектор на основе экструдированного пенополистирола (ЭППС). Это очень технологичный материал. Он достаточно прочный, водостойкий, выдерживает довольно высокую температуру, легко обрабатывается, выпускается листами, которые можно состыковать друг с другом, прекрасный теплоизолятор, относительно не дорог.

Немного теории. Проточный водонагреватель отличается от накопительного тем, что в каждый момент времени нагреву подвергается очень маленькая порция воды, находящаяся в солнечном коллекторе. А основная масса воды находится в баке-накопителе, как правило, хорошо утепленном.

В солнечном проточном водонагревателе используется тот эффект, что теплая, нагретая вода немного легче холодной. Поэтому она стремится подняться вверх (в общей массе воды). И если организовать эту циркуляцию, то самая теплая (нагретая) вода будет постепенно скапливаться в термосе (в его верхней части), а общая масса воды в системе повышать свою температуру.

А чтобы организовать такую циркуляцию, необходимо поместить солнечный коллектор ниже бака-термоса, в самом коллекторе сделать ввод более холодной воды внизу, а выход нагретой немного выше. Для нормальной работы и организации циркуляции воды достаточно незначительного перепада высот.

Изготовление солнечного водяного коллектора. Лист ЭППС имеет размер примерно 60x120 см (0,7 м^2), что более чем достаточно для эксперимента. Во время облучения солнцем на такую площадь будет падать около 500–600 Вт тепловой энергии (или около 2000 кДж).

Теоретически, этого тепла должно хватать, чтобы нагревать до 60 °C примерно 10 л воды в час (при непрерывном солнечном облучении).

Чтобы превратить лист ЭППС-а в солнечный водонагреватель, в пенополистироле необходимо устроить зигзагообразную канавку для течения воды. А собственно теплоприемником будет выступать лист металла, наклеенный на пенопласт.

Примечание.

Хорошо бы, конечно использовать лист алюминия, но это уже не будет «бюджетно», поэтому можно обойтись листом тонкой оцинкованной стали.

Прежде всего, размечаем лист пенопласта. Для наиболее эффективной работы солнечного коллектора необходимо, чтобы объем воды находящийся в нем был минимальным. Тогда она будет быстро прогреваться, даже если солнце вышло всего на несколько минут, а циркуляция будет быстрой. С другой стороны, площадь контакта воды с металлом коллектора должна быть максимальной. Т. е. перегородки между канавками должны быть как можно уже.

Следует также учитывать, что чем меньше сечение каналов, тем больше будет гидродинамическое сопротивление, которое затрудняет циркуляцию. И наконец, исходя из предполагаемой конструкции солнечного водонагревателя, следует определить, как будут расположены вход и выход в коллекторе. Если с разных сторон, то число каналов должно быть нечетным. А если с одной стороны — то четным.

Решив все эти задачи, можно нарисовать схему расположения каналов на листе ЭППС и прорезать каналы.

Совет.

Для облегчения циркуляции воды в коллекторе, каналы лучше делать с небольшим, 2–3 %, наклоном снизу-вверх.

Прорезать каналы в листе пенополистирола лучше всего электрическим резаком. Резак представляет собой небольшой отрезок толстой нихромовой проволоки, изогнутой по форме сечения канала. Можно сделать такой резак из небольшого бруска, прибинтовав липкой лентой по его краям толстые алюминиевые провода. Зажав с одной стороны пассатижами нихромовую проволоку, с другой прикрепите провода идущие к трансформатору.

На торцах листа пенополистирола с помощью герметика вклейте трубки для входа и выхода воды. Затем вырежьте с помощью электролобзика необходимый по размерам лист оцинкованной стали.

Совет.

Использовать ножницы по металлу не рекомендуется, так как они дадут заусенцы на краях.

Смажьте все плоскости листа полистирола герметиком (по периметру и промежутки между каналами) и обезжирьте оцинковку ацетоном, уложите ее на место и прижмите гнетом. Сушить следует пару дней. После этого для проверки герметичности и измерения объема солнечного коллектора залейте его водой. Оцинковку покройте черной матовой краской.

Красок, способных прочно пристать к оцинкованному покрытию не так много. В основном — это акриловые краски. Обычно это т. н. фасадные, светлые краски.

Можно обойтись и обычной грунтовкой. Она пристает к цинку, но не прочно. Однако учитывая, что солнечный коллектор будет эксплуатироваться «под стеклом», такой прочности достаточно.

Солнечный водонагреватель своими руками

Если на вашей даче еще нет электричества и газа, то нагрев воды представляет определенную трудность. Решение может быть одно — сделать солнечный водонагреватель для душа, который предложил С. Каверин, г. Самара.

Посмотрите на рис. 2.19, на нем приведена принципиальная схема водонагревателя.

Рис. 2.19. Конструкция солнечного водонагревателя для душа

Солнечный коллектор площадью около квадратного метра (он обязательно окрашен в черный цвет для лучшего поглощения солнечной энергии) поглощает солнечное тепло и нагревает воду в змеевике. Плотность теплой воды меньше, чем холодной. Поэтому она поднимается вверх и переливается в бак емкостью 100 л.

Примечание.

Единственное условие— не допустить образования воздушных пробок и пузырей в системе, где циркулирует вода, для этого достаточно залить бак до горловины.

Рассмотрим, как сделать такой водонагреватель. Бак можно сварить из листового железа или использовать готовую емкость — металлическую бочку, вварив в нее трубы. Змеевик можно собрать из стальных труб с наружным диаметром 15–18 мм. Собранный змеевик приваривается к листу железа для лучшей теплоотдачи. Кожух водонагревателя может быть собран из многослойной фанеры толщиной не менее 10 мм. Для надежной теплоизоляции бака внутри кожух должен быть заполнен листовым пенопластом толщиной не менее 10 мм.

Совет.

Для наилучшего нагрева солнечные лучи должны падать на поверхность коллектора под прямым углом. Поэтому завершает работу крепление опорных элементов конструкции.

Благодаря тому, что задний опорный элемент может перемещаться, упрощается регулировка угла наклона водонагревателя по отношению к Солнцу.

Глава 3

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ СОЛНЦА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

3.1. Достоинства солнечной электроэнергетики

Перспективы развития

Энергия Солнца экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю, и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.

Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт-ч солнечной энергии, всего 2 % которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2х10^12 т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами — 6х10^12 т условного топлива. Так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле, отмечает доктор физико-математических наук Б. Лучков (http://www.pomreke.ru/energy-futxire/).

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб.

Пример.

Например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м^2 — почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/м^2). К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды.

Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа. Эти СЭС имеют котел, поднятый высоко над землей, и большое число параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни.

Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором.

Солнечные электростанции мощностью 0,1—10 МВт построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных солнечных электростанций (до 100 МВт).

Примечание.

Главное препятствие на пути их широкого распространения солнечных электростанций — высокая себестоимость электроэнергии: она в 6–8 раз выше, чем на ТЭС

Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.

Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии:

♦ фототермический;

♦ фотоэлектрический.

В первом, простейшем, фототермическим, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м^2 за день может нагреть 50–70 л воды до температуры 80–90 °C.

Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных районах.

Примечание.

И все же будущее солнечной энергетики за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов — солнечных батарей.

Еще в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов едва доходил до 1 %, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет активная продажа солнечных батарей.

Солнечные элементы — принципы работы

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Устройство солнечного элемента показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Устройство солнечного элемента

Типы солнечных элементов. СЭ может быть следующих типов:

♦ монокристаллический;

♦ поликристаллический;

♦ аморфный.

Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния (http://www.solarhome.ru/ru/basics/).

Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.

КПД солнечных элементов:

♦ монокристаллические — 12…15 %;

♦ поликристаллические — 11…14 %;

♦ аморфные — 6…7 %;

♦ теллурид кадмия — 7…8 %.

Пиковый ватт. СЭ производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м^2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.

Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, — это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:

♦ освещенность 1000 Вт/м^2;

♦ солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света);

♦ температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Пример.

Кристаллический кремниевый СЭ с размерами 10х10 см имеет пиковую мощность примерно 1,5 Wp. Большинство панелей с площадью 1 м^2, если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов, имеют номинальную мощность около 100 Втпик.

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—160 Wp (пиковый ватт, т. е. мощностью максимум в 40—160 Вт при ярком солнце). Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до 1,6 м^2.

Однако, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен в продаже. Солнечные панели (PV panels) могут соединяться между собой солнечные батареи (arrays) для того, чтобы получить большую мощность. Например, 2 модуля по 50 Wp, соединенных 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, тонкопленочные), позволяют производить СЭ в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и модулей

Сколько прослужат солнечные батареи?

Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10 %.

Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.

Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40 % мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, около 90 % рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули.

Другие компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силовая электроника — от 5 до 20 лет.

Вольтамперная характеристика солнечной батареи

Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольтамперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен (рис. 3.2).

Рис 3.2. Важные точки вольтамперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль

Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (Voc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (Isc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность.

Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или МРР). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как Vp (номинальное напряжение) и Iр (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.

Можно найти все эти параметры — (Voc, Isc, МРР, Vp, Ip) — на шильдике или прилагаемых к модулю характеристиках (заметьте, что Vp и Ip также называются номинальными значениями.

Примечание.

Однако не рассчитывайте получить номинальную мощность от вашей солнечной батареи — почти невозможно, чтобы собранная система работала все время в точке максимальной мощности. Кроме изменений освещенности, на вырабатываемую мощность влияет температура солнечной батареи: чем выше температура солнечной батареи, тем ниже ее мощность.

Готовые фотоэлектрические системы электроснабжения

Возможно создание системы электроснабжения на солнечных батареях различной сложности. Наиболее простая система имеет на выходе низкое напряжение постоянного тока (обычно 12 или 24 В). Такие системы применяются для обеспечения работы освещения и небольшой нагрузки постоянного тока в доме — радио, телевизор, ноутбук, магнитофон и т. п. Можно использовать различные автомобильные аксессуары, вплоть до холодильников.

Внимание.

При этом необходима прокладка отдельной проводки постоянного тока со специальными розетками и вилками, которые исключают неправильную полярность подключения.

При подключении светильников с лампами постоянного тока необходимо также соблюдать полярность и следить за тем, чтобы при замене ламп они имели такую же полярность подключения, как и те, которые использовались ранее. В противном случае возможен выход из строя ваших потребителей.

Типовая схема такой системы приведена на рис. 3.3. Обычно такие системы применяются, если максимальное расстояние от аккумулятора до самой дальней подключенной нагрузки не превышает 10–15 м, а ее мощность — не более 100 Вт.

Рис. 3.3. Типовая схема простейшей системы

При этом надо следить за тем, чтобы падение напряжения при всех включенных потребителях в самой дальней точке было в пределах допустимого (обычно не более 10 %). Для правильного выбора сечения провода вы можете воспользоваться справочной информацией по выбору сечения провода исходя из допустимого падения напряжения на участке электропроводки.

Если у вас нагрузка превышает указанные рекомендованные максимальные значения, или потребители электроэнергии находятся на значительном расстоянии от аккумулятора, необходимо добавить в систему инвертор.

Определение.

Инвертор— это преобразователь постоянного тока низкого напряжения от аккумуляторов в 220 В переменного тока.

В этом случае вы сможете питать практически любую бытовую нагрузку суммарной мощностью, не превышающей мощность инвертора.

Система электроснабжения автономного дома с выходом переменного и постоянного тока на базе фотоэлектрической солнечной батареи включает в себя практически те же компоненты, что и схема на рис. 3.3, плюс контроллер заряда аккумуляторной батарея, а именно:

♦ солнечная батарея необходимой мощности;

♦ контроллер заряда аккумуляторной батареи, который предотвращает губительные для батареи глубокий разряд и перезаряд;

♦ батарея аккумуляторов (АБ);

♦ инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;

♦ энергоэффективные нагрузки переменного тока.

Совет.

Для обеспечения надежного электроснабжения необходим резервный источник электропитания. В качестве такого источника может быть небольшой (2–6 кВт) бензо- или дизельэлектрогенератор.

Введение такого резервного источника электроэнергии резко сокращает стоимость солнечной батареи из-за отсутствия необходимости рассчитывать ее 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. Возможно применение блока бесперебойного питания, в котором возможность заряда АБ уже встроена.

Рассмотрим пример комплектации фотоэлектрической системы электроснабжения. На рис. 3.4 приведен вариант системы для электроснабжения удаленного жилого дома.

Рис 3.4. Система электроснабжения жилого дома

Принимаются следующие исходные данные:

♦ суточное потребление энергии 3 кВт∙ч (среднестатистические данные по России);

♦ приход солнечной радиации — 4 кВт∙ч/м^2 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 (максимальная нагрузка, например, когда включены стиральная машина, электрокипятильник, утюг и т. п.) для предотвращения быстрого разряда АБ включается бензиновый или дизельный электрогенератор.

Примечание.

Генератор также будет включаться при пасмурной погоде, если АБ разряжается до нижнего допустимого напряжения.

Возможно включение генератора как в ручном режиме, так и полностью в автоматическом. В последнем случае система также должна включать модуль автоматического запуска и останова генератора, а сам генератор должен быть немного доработан для возможности подключения системы автоматики.

Бели 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 (выработка до 5 кВт∙ч сутки);

♦ минимальная номинальная мощность инвертора — 2 кВт с возможностью кратковременной нагрузки до 4 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;

♦ аккумуляторная батарея общей емкостью 800 А∙ч (при напряжении 12 В), что позволяет запасать до 4,5 кВт∙ч электроэнергии при 50 % разряде АБ);

♦ контроллер заряда на ток до 40–50 А (при напряжении 24 В);

♦ дизель или бензогенератор мощностью 3–5 кВт;

♦ зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до 150 А (может быть встроено в инвертор;

♦ кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы, разъемы, электрощиты и т. п.)

Примечание.

Стоимость такой системы при существующих ценах на комплектующие будет около от 400 до 700 тысяч рублей.

Если допустимо увеличение времени работы дизель-генератора, стоимость системы можно снизить за счет его более частого включения. В этом случае:

♦ энергия от солнечной батареи будет использоваться для электроснабжения минимальной нагрузки — освещение, радио, телевизор;

♦ генератор будет включаться несколько раз в день, в зависимости от выбранной емкости АБ.

При этом начальная стоимость системы снижается как за счет уменьшения пиковой мощности солнечной батареи, так и за счет снижения емкости АБ.

Такая оптимальная система для электроснабжения жилого дома может состоять из следующих компонентов:

♦ солнечной батареи с пиковой мощностью 300–400 Вт;

♦ инвертора мощностью 2–4 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;

♦ аккумуляторная батарея общей емкостью 400–600 А∙ч (при напряжении 12 В);

♦ контроллер заряда на ток до 40–50 А (при напряжении 24 В);

♦ дизельгенератор мощностью 4–6 кВт;

♦ зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до 150 А;

♦ кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы, разъемы, электрощиты).

Примечание.

Стоимость такой системы при существующих ценах на комплектующие будет около 300–500 тысяч рублей.

При этом необходимо учитывать, что возрастут эксплуатационные расходы за счет большего расхода топлива.

3.2. Самостоятельное изготовление простейших солнечных элементов

Простейшая самодельная солнечная батарея

Эта конструкция рассматривается в познавательных целях, т. к. она не очень эффективна при высокой цене. Цена одного КД202 составляет 50 руб. Итого на 4 блока по 5 шт. понадобиться 20 диодов.

Это примерно 1000 руб., не считая универсальных разъемов для подключения разных устройств. При этом устройство генерирует напряжение до 2,1 В при токе до 0,8 мА.

Примечание.

Разумеется, это изобретение морально устарело. Проще купить кремниевую, панель за 1100 руб. Но кому интересен процесс, то можете попробовать.

В хозяйстве радиолюбителя всегда найдутся старые диоды и транзисторы от ставших ненужными радиоприемников и телевизоров. В умелых руках это — богатство, которому можно найти дельное применение. Например, сделать полупроводниковую солнечную батарею для питания в походных условиях транзисторного радиоприемника.

Как известно, при освещении полупроводник становится источником электрического тока — фотоэлементом. Этим свойством мы и воспользуемся (http://electro-shema.ru/zll.htm).

Сила тока и электродвижущая сила такого фотоэлемента зависят:

♦ от материала полупроводника;

♦ от величины его поверхности;

♦ от освещенности.

Но чтобы превратить диод или транзистор в фотоэлемент, нужно добраться до полупроводникового кристалла, а, говоря точнее, его нужно вскрыть.

Последовательность работ представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Последовательность работ по созданию солнечной батареи

Примечание.

Энергия, вырабатываемая одним фотоэлементом, очень мала, поэтому их объединяют в батареи. Чтобы увеличить ток, отдаваемый во внешнюю цепь, одинаковые фотоэлементы соединяют параллельно, а для увеличения напряжения — последовательно.

Но наилучших результатов можно добиться при смешанном соединении, когда фотобатарею собирают из последовательно соединенных групп, каждая из которых составляется из одинаковых параллельно соединенных элементов.

Предварительно подготовленные группы диодов собирают на пластине из гетинакса, органического стекла или текстолита. Между собой элементы соединяются тонкими лужеными медными проводами.

Совет.

Выводы, подходящие к кристаллу, лучше не паять, так как от высокой температуры можно повредить полупроводниковый кристалл.

Пластину с фотоэлементом поместите в прочный корпус с прозрачной верхней крышкой. Оба вывода подпаяйте к разъему — к нему будете подключать шнур от радиоприемника.

Солнечная фотобатарея из 20 диодов КД202 (пять групп по четыре параллельно соединенных фотоэлемента) на солнце генерирует напряжение до 2,1 В при токе до 0,8 мА. Этого вполне достаточно для того, чтобы питать радиоприемник на одном-двух транзисторах.

Самодельная солнечная батарея

Можно сделать простейшие собственные солнечные батареи в кухне из материалов из хозяйственного магазина (www.scitoys.com). Предлагаемая солнечная батарея будет сделана из оксида меди вместо кремния. Окись меди — один из первых материалов, в котором ученые открыли фотоэлектрический эффект, в котором свет заставляет электричество течь в материале. Фото и подробности см. на http://electro-shema.ru/zll.htm.

Материалы:

♦ лист меди из хозяйственного магазина. Он обычно стоит приблизительно 150 руб. за 1 м^2. Нам нужно примерно 45 см^2;

♦ два зажима «крокодильчика»;

♦ чувствительный микроамперметр, который может измерить промежутки между 10 и 50 микроамперами. Можно использовать и обычный;

♦ электрическая печь не меньше 1100 Вт, чтобы горелка становилась красной;

♦ пластиковая 2-литровая бутылка с отрезанным горлышком;

♦ пара столовых ложек столовой соли;

♦ вода из-под крана;

♦ наждачная бумага или дрель с насадкой (абразивной);

♦ листовой металл.

Сначала нужно отрезать часть меди, чтобы она была размером с электрическую плиту. Помойте руки, чтобы не оставлять жирных или других пятен. Также вымойте медный лист с моющим средством, чтобы смыть с него жир. Используйте наждачную бумагу или абразивную щетку, чтобы полностью убрать медное защитное покрытие так, чтобы любой сульфид или другая легкая коррозия были удалены.

Затем положите чистый медный лист на плитку (электрическую) и включите ее на максимум.

Медь начнет нагреваться и окисляться, вы увидите красивые красно-оранжевые пятна на ее поверхности. Когда медь нагреется еще больше, разноцветные пятна станут заменяться черным цветом — оксидом меди. Все цвета исчезают, когда спираль уже красная.

Когда горелка будет пылать, лист меди будет покрыт черным медным оксидом.

Совет.

Позвольте ей пожариться еще полчаса, таким образом, черное покрытие будет толстым. Это важно, так как толстое покрытие отслоится легко, в то время как тонкое останется, прилипнув к меди.

После получаса «кулинарии» выключите горелку. Оставьте горячую медь на горелке, чтобы медленно охлаждаться. Если вы охладите ее слишком быстро, то черная оксидная пленка прилипнет к меди.

Поскольку медь охлаждается, она сжимается. Черная медная окись также сжимается. Но они сжимаются с разной скоростью, что заставляет черную медную окись отслоиться.

Когда медь охладилась до комнатной температуры (это занимает приблизительно 20 мин.), большая часть черной оксидной пленки уйдет.

Легкое очищение вашими руками под проточной водой удалит большинство маленьких кусочков. Не пытайтесь отдирать неподдающиеся пятнышки и не сгибайте лист — можете повредить тонкий слой окиси меди, а как раз он нам и нужен.

Остальная часть сборки очень быстрая и простая. Обрежьте второй лист меди под размер с первым (нагретым). Аккуратно согните обе части, таким образом они войдут в пластмассовую бутылку, не касаясь друг друга.

Прицепите «крокодильчики» к обеим пластинам. Соедините провод от чистой меди к плюсу, а провод от пластины с оксидом — к минусу. Теперь смешайте пару столовых ложек соли в небольшом количестве горячей воды из-под крана. Размешивайте, пока вся соль не растворится. Аккуратно вылейте смесь в бутылку (где пластины), оставив примерно 2,5 см от краев пластин.

Оксид меди — полупроводник. Он является промежуточным проводником, где электричество может течь свободно, и изолятор, где электроны сильно связаны с их атомами, и не текут свободно.

В полупроводнике есть промежуток, названный запрещенной зоной между:

♦ электронами, которые связаны сильно с атомом;

♦ электронами, которые более далеки от атома, который может переместиться свободно и провести электричество.

Электроны не могут остаться в запрещенной зоне. Электрон может дать только немного энергии и переехать от ядра атома в запрещенную зону. Электрон должен получить достаточно энергии переместиться дальше от ядра, за Пределами запрещенной зоны.

Точно так же электрон вне запрещенной зоны не может проиграть немного энергии и упасть только немного ближе к ядру. Это должно потерять достаточно энергии упасть мимо запрещенной зоны в область, где можно электронам.

Когда солнечный свет поражает электроны в оксиде меди, некоторые из электронов получают достаточно энергии от солнечного света, чтобы подскочить мимо запрещенной зоны и стать свободными провести электричество. Батарея производит 50 мА в 0,25 В.

Свободные электроны перемещаются в соленую воду, затем в чистую медную пластину, в провод, через амперметр, и назад к окисленной пластине. Поскольку электроны перемещаются через амперметр, мы видим работу (ампер). Когда тень падает на солнечную батарею, электроны движутся медленнее и миллиампер меньше.

3.3. Практические конструкции солнечных батарей своими руками

Складная походная солнечная батарея на кристаллических фотоэлементах

В батарее были использованы четыре сборки из кристаллических фотоэлементов, приобретенные на сайте www.vampirchik-sun.nm.ru. Их характеристики будут рассмотрены в п. 3.4. Каждая сборка номинально давала приблизительно 2,2 В, 0,7 А. Внешний вид готовой конструкции представлен на рис. 3.6. Остальные фото в цвете от автора Андрея Шалыгина см. на http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=227.

Батарея имела выходное напряжение до 10 В. Батарея состояла из четырех секций, которые складывались в книжку. Крепление между пластинами было выполнено с помощью пружины от старых календарей, или тетрадей (рис. 3.7).

Рис. 3.6. Внешний вид готовой конструкции

Рис. 3.7. Внешний вид готовой конструкции в походном положении

Каждая пара пластин имела отдельный выход. И их можно было подключать:

♦ либо последовательно для получения большего напряжения;

♦ либо параллельно, если нужен был больший ток, например, при зарядке от 1 до 4 пальчиков АА, либо использовать независимо.

Выводы солнечных элементов после пайки были герметизированы клеем. Поэтому дождь такой солнечной батарее не страшен.

Хотя разъемы желательно беречь от влаги. Сами же провода прекрасно расположились внутри витков пружины-шарнира. Для дополнительной надежности провода в пружине были пропущены в трубке.

Как известно, кристаллические фотоэлементы не терпят грубого обращения и ударов. Для их защиты был использован материал, который применяется при изготовлении рекламных конструкций. Он представляет собой трехслойную панель, наружные слои которой сделаны из алюминия, а середина заполнена пластмассой. Он довольно легкий и при этом прочный, практически не гнется, особенно при таких небольших размерах.

Для установки ламината с фотоэлементами, алюминий и пластик с одной стороны срезались по размеру ламината. В получившееся углубление вклеивался ламинат. Получилась достаточно жесткая и легкая конструкция. Да и внешний вид неплохой.

В общем, получилась вполне рабочая и надежная конструкция. И, несмотря на то, что были использованы хрупкие кристаллические элементы, ее вполне безопасно брать с собой на природу.

Общий вес конструкции — около 400–500 г. Ламинат с фотоэлементами клеился на эпоксидку, ей же заливались все открытые контакты «… и дождь, и снег ей были нипочем» (снега, конечно, не было (в августе), но воду лучше было смахивать — увеличивался ток). Скапливаться и впитываться воде было негде, поэтому батарея шла привязанной к байдарке, оставалась под дождем. Пряталась только электрическая часть с заряжаемыми устройствами.

Контакты после пайки в разъемах надо действительно чем-то заливать — «раз и навсегда» и ничего им не будет.

Все четыре пластины были соединены последовательно. Один выход непосредственно прямо с пластин, другой через диод, который также прекрасно расположился в центральной трубке внутри пружины-шарнира.

На холостом ходу тестер фиксировал 12 В с небольшим, а вот ток — не больше 400 мА, что заряжало через авто-«лягушку» аккумуляторы сотовых, фотоаппарата, до 6 шт. АА и ААА. Полностью автору аккумуляторы заряжать не получалось (много было желающих), но за 3–4 ч. «залива», фотоаппарат, сотовые с MP3 работали по 1–3 дня.

В начале похода автор переживал за хрупкость конструкции, но на практике она многое выдержала: падения, удары, сжатие с обеих сторон пластин. Витые пружинки от Тетради (69 листов) практически не позволяли пластинам соприкасаться (амортизировали), если только при сильном сжатии, и на деле это ни к чему плохому не привело, пластины соприкасались равномерно.

По периметру солнечной батареи были сделаны отверстия для ее крепежа (подвеса).

Самодельная солнечная батарея, залитая эпоксидкой на стекле

Рассмотрим опыт создания создании более мощной, но уже стационарной солнечной батареи, из ФЭП (фото электрических преобразователей) на эпоксидной смоле. Для создания были приобретены (Андрей Шалыгин, http://mobipower.ru) сами ФЭПы на заводе-изготовителе: ОАО «ПХМЗ» (Подольский химико-металлургический завод) в количестве 50 шт. (1 упаковка) за 4000 руб.

Толщина ФЭПа — 0,2 мм, они очень хрупкие, поэтому при пайке необходимо соблюдать температурный режим (380 °C). Иначе ФЭП лопается.

Оптимальным оказался вариант использования для пайки готовой облуженной медной шинки, используемой по такому же назначению (спайка ФЭПов) на предприятии «Телеком СТВ» г. Зеленоград.

48 последовательно соединенных ФЭПов выдавали холостого напряжения 26 В. Ток, который шел в нагрузку — зарядку 10 последовательно соединенных свинцовых банок по 1,2 В емкостью 2000 А-ч (используются в железнодорожных локомотивах, каждая весит около 10 кг) составлял выше 5 А (!). При этом напряжение проседало до 14 В. Зарядка проводилась напрямую по довольно-таки большому сечению провода практически без потерь, только один диод. Этот показатель был достигнут при облачном небе, т. е. далеко не предел.

Примечание.

Автор отмечает, что ток короткого замыкания он даже не измерял, так как переживал, что перегорят соединяющие ФЭПы шинки (при замере протекающего тока между контактами проскакивали даже не искры, а маленькие электрические дуги, как при сварке).

Конструкция из трех сборок ФЭП удобна тем, что позволяет выполнять параллельное и последовательно-параллельное соединение (уменьшение напряжения, увеличение силы тока).

Методика сборки. На каждом из трех толстых (7 мм) закаленных стеклах (их было невозможно порезать — они лопалась), по периметру. герметиком создавалась ванночка. Туда выливалась подогретая (для лучшей текучести) эпоксидная смола. После чего в нее помещались уже полностью, последовательно спаянные ФЭПы с выведенными контактами (автомобильные электрические клеммы).

В горизонтальном положении, очень аккуратно, чтобы не полопались ФЭПы, практически из-под каждого из них, выдавливались оставшиеся пузыри воздуха. Сверху все заливалось остатками эпоксидки для защиты от внешних атмосферных воздействий.

Примечание.

Это очень важно, как заявляют производители ФЭПов, для их долгосрочной эксплуатации.

Получились три абсолютно герметичные спайки солнечных батарей. Следующей задачей было изобрести конструкцию, которая бы:

♦ довольно жестко фиксировала эти три тяжелых стекла в одной плоскости;

♦ была поворотной в двух плоскостях (для ориентации по Солнцу);

♦ имела бы массу для транспортировки на внедорожнике.

В итоге конструкция в сборе со стеклами получилась тяжелая — одному не поднять. Устанавливали ее уже вдвоем (рис. 3.8). Она вращается вокруг своей вертикальной оси (вбитой в землю металлической трубы) на 360 градусов.

Рис. 3.8. Внешний вид установленной солнечной батареи

В горизонтальной плоскости доступно вращение на 300 градусов, то есть все возможные положения светила (на горизонте, в зените) ей захватываются. Стекло закреплялось по углам подогнутыми концами Т-образного профиля. Металл был окрашен железным суриком.

Остался непонятным полученный результат. Заявленная производителем максимальная мощность 1,46—1,78 Вт занижена как минимум в 2 раза. 0,56 В х 5 А = 2,8 Вт. Правдиво указано, что ток короткого замыкания: «не менее 3,44 А».

Вывод.

КПД пластин не 10–12 %, а выше. Но с более высоким КПД ФЭПы стоят намного дороже и идут они на экспорт. Другое объяснение: в горах, где использовалась батарея, чище воздух, ближе солнце, другие условия.

Подробности создания и опыт эксплуатации и модернизации см. на http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=329.

Самодельная солнечная батарея на гибких фотоэлементах

Были приобретены за небольшую цену три пластины фотоэлементов от б/у гибких солнечных батарей. С начала автор удалил оставшиеся после разборки нитки и куски скотча с этих пластин (Дмитрий Неделяев http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=272). Затем подрезал края примерно на 0,5 см, т. к. в некоторых местах были отслоения покровной пленки (не ламината).

После этого убрал утюгом воздушные пузыри через листок бумаги, чтобы не проплавить ламинат насквозь до самих элементов. Полностью их убрать не удалось, но внешний вид стал гораздо симпатичнее. Некоторые сомнительные места я дополнительно проклеил прозрачным скотчем.

Когда все пластины были обработаны, автор перешел к пайке и соединению пластин параллельно, т. к. каждая пластина дает 13 В (16 В без нагрузки) 0,33 А. Места пайки были залиты клеем «Момент 88». Он обладает эластичностью, прочностью и термоустойчивостью до 110 °C. Как раз то, что нужно.

После того, как клей засох, места пайки автор на всякий случай еще раз заклеил армированным односторонним скотчем. Это придало и прочность, и дополнительную водонепроницаемость. Затем все провода были аккуратно приклеены этим же скотчем к краям пластин, чтобы они не мешались при последующем зашивании в брезентовую ткань. По сути, провода разместились на торцах пластин, сверху и снизу.

После этого на заднюю часть пластин и на самые края передней части автор наклеил двусторонний армированный скотч, который используется для склеивания линолеума и прочей ерунды. Затем вырезал кусок брезентовой ткани, и приклеил его к задней стороне пластин. И ножницами убрал лишнюю ткань. Также на передние края пластин приклеил эту же ткань, предварительно заправив самые края ткани под себя, чтобы не торчали лохмотья по краю. Т. е. поначалу ткань держалась лишь на двухстороннем скотче.

Далее приступил к пришиванию ткани к краям пластин. В ходе этой работы на иголке и на нитках налипает толстый слой клеящего вещества со скотча.

Совет.

Важно стараться не промахнуться и не попасть слишком близко к солнечному элементу в него самого.

Сложнее всего было закрепить разъем питания. К разъему был припаян диод Шоттки на 3 А. Использовал импортный 1N5822, но можно использовать, вообще говоря, любой с током, чем больше, тем лучше, т. к. будет меньше падение напряжения на нем и, следовательно, потерь.

Предварительно изогнул диод таким образом, чтобы его контакты не занимали слишком много места. Затем сам железный разъем и диод автор заделал эпоксилином «Момент». Выглядит он, как два куска пластилина — один серого цвета, другой белого. При соединении их вместе и замешивании через некоторое время масса затвердевает. Всем рекомендую, классный материал для придания формы и герметизации! Разъем показан на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Внешний вид разъема на солнечной батарее

Напоследок некоторые швы были залиты клеем «Момент», чтобы они не распускались.

На максимуме Солнца при температуре около нуля, удалось наблюдать напряжение холостого хода 16,7 В и ток короткого замыкания 0,4 А. И это при отсутствии прямого Солнца, когда небо полностью затянуто пусть и слабыми, но облаками. В среднем днем без Солнца — ток короткого замыкания около 80—100 мА.

В итоге, отмечается на www.mobipower.ru, из трех б/у солнечных пластин удалось сделать неплохую гибкую солнечную батарею по параметрам такую же, как и «фирменная» батарея на 11 Вт от SanChargera (http://www.sun-charge.com/).

Постройка самодельных солнечных батарей из элементов с eBay

Интересным опытом по самостоятельной сборке недорогой самодельной солнечной батареи делится Майкла Дэвиса, США (русский перевод В. Германовича, http://germarator.ru/post/56).

М. Девис построил ветрогенератор для электрообеспечения участка, удаленного от цивилизации в Аризоне (см. гл. 1). Этот ветрогенератор работает хорошо, когда ветер дует. К сожалению, бывает нужно больше энергии. И эта энергия должна быть более стабильна.

В Аризоне более 300 солнечных дней в году, поэтому солнечная батарея кажется очевидным дополнением к ветрогенератору. К сожалению, солнечные батареи недешевы, поэтому было решено сделать все саму. Использовались самые обычные инструменты и недорогие распространенные материалы. В итоге удалось сделать батарею, конкурирующую с коммерческими образцами по мощности, но не оставляющую им никакого шанса по цене.

Солнечная батарея (СБ) — это контейнер, содержащий массив солнечных элементов. Солнечные элементы, это те штуки, которые на самом деле делают всю работу по преобразованию солнечной энергии в электричество. К сожалению, для получения мощности, достаточной для практического применения, солнечных элементов надо достаточно много. Также, солнечные элементы ОЧЕНЬ хрупкие. Поэтому их и объединяют в СБ.

Батарея содержит достаточное количество элементов для получения высокой мощности и защищает элементы от повреждения. Звучит не слишком сложно.

Проект был начат, как обычно, с поиска в сети информации по самодельным СБ. Ее оказалось очень мало.

Стартовые умозаключениям:

♦ главное препятствие в постройке СБ — это приобретение солнечных элементов за разумную цену;

♦ новые солнечные элементы очень дороги и их сложно найти в нормальном количестве за любые деньги;

♦ дефектные и поврежденные солнечные элементы есть в наличии на eBay и других местах гораздо дешевле;

♦ солнечные элементы «второго сорта» возможно, могут быть использованы для изготовления солнечной батареи.

В итоге работа была начата с покупки элементов на eBay. Купил несколько блоков монокристаллических солнечных элементов размером 3x6 дюйма. Чтобы сделать СБ, необходимо соединить последовательно 36 таких элементов. Каждый элемент генерирует порядка 0,5 В. 36 элементов, соединенных последовательно дадут нам около 18 В, которые будут достаточны для зарядки батарей на 12 В.

Примечание.

Да, такое высокое напряжение 18 В действительно необходимо для эффективной зарядки 12 В аккумуляторов.

Солнечные элементы этого типа тонкие как бумага, хрупкие и ломкие как стекло. Их очень легко повредить. Продавец этих элементов окунул наборы из 18 шт. в воск для стабилизации и доставки без повреждений.

Совет.

Воск — это головная боль при его удалении. Если у вас есть возможность, ищите элементы, не покрытые воском. Но помните, что они могут получить больше повреждений при транспортировке.

Ищите элементы с уже припаянными проводниками. Даже с такими элементами вам нужно быть готовым много поработать паяльником. Если же вы купите элементы без проводников, приготовьтесь работать паяльником раза в 2–3 больше. Короче, лучше переплатить за уже припаянные провода.

Солнечные элементы продаются самого широкого спектра форм и размеров. Вы можете использовать более крупные или мелкие, чем рассматриваемые 3x6 дюймов. Просто помните:

♦ элементы одного типа производят одинаковое напряжение независимо от их размера, поэтому для получения заданного напряжения всегда потребуется одинаковое количество элементов;

♦ большие по размеру элементы могут генерировать бóльший ток, а меньшие по размеру, соответственно — меньший ток.

Общая мощность вашей батареи определяется так: напряжение умноженное на генерируемый ток.

Использование больших по размеру элементов позволит получить большую мощность при том же напряжении, но батарея получится крупнее и тяжелее. Использование меньших элементов позволит уменьшить и облегчить батарею, но не сможет обеспечить такую же мощность.

Внимание.

Использование в одной батарее элементов разных размеров — плохая идея. Причина в том, что максимальный ток, генерируемый вашей батареей, будет ограничен током самого маленького элемента, а более крупные элементы не будут работать в полную силу.

Солнечные элементы, которые были выбраны, имеют размер 3x6 дюйма и способны генерировать ток примерно 3 А. Планируется соединить последовательно 36 таких элементов, чтобы получить напряжение чуть больше 18 В. В результате должна получиться батарея, способная выдавать мощность порядка 60 Вт на ярком солнце.

Причем, это 60 Вт каждый день, когда светит солнце. Эта энергия будет идти на зарядку аккумулятора, который будет использоваться для питания светильников и небольшой аппаратуры всего несколько часов после наступления темноты.

После того как вы купите солнечные элементы, спрячьте их в безопасное место, где они не разобьются, не попадут детям для игр и не будут съедены вашей собакой до тех пор, пока вы не будете готовы установить их в СБ. Элементы очень хрупкие. Грубое обращение превратит ваши дорогие солнечные элементы в маленькие синенькие блестящие и ни для чего непригодные осколочки.

Итак, солнечная батарея — это просто неглубокий ящик. Может быть сделан он из фанеры толщиной, например, 10 мм с бортиками из реек толщиной 20 мм. Бортики приклеены и привинчены на место. Батарея будет содержать 36 элементов размером 3x6 дюймов (примерно 7,5x15 см). Элементы были разделены на две группы по 18 шт. просто для того, чтобы их было проще паять в будущем. Отсюда и центральная планка посередине ящика.

На рис. 3.10 представлен небольшой набросок, показывающий размеры СБ. Все размеры в дюймах (простите меня, поклонники метрической системы). Бортики толщиной 20 мм (% дюйма) идут вокруг всего листа фанеры. Такой же бортик идет по центру и делит батарею на две части. Но в принципе, размеры и общий дизайн не критичны. Можете свободно все варьировать в своем эскизе. Следует сделать небольшие отверстия в бортиках. Это вентиляционные отверстия, предназначенные для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи СБ и служащие для удаления влаги.

Рис. 3.10. Внешний вид и размеры ящика для солнечной батареи

Внимание.

Эти отверстия должны быть только внизу батареи, иначе дождь и роса попадут внутрь.

Такие же вентиляционные отверстия должны быть сделаны в центральной разделительной планке.

Чтобы защитить батарею от погодных неприятностей, лицевую сторону закрываем оргстеклом или стеклом. Стекло тоже можно использовать, но стекло бьется. Град, камни и летящий мусор могут разбить стекло, а от оргстекла просто отскочат.

После этого, нужно окрасить все деревянные части солнечной батареи несколькими слоями краски, чтобы защитить их от влаги и воздействия окружающей среды. Ящик следует красить внутри и снаружи. При выборе типа краски и ее цвета был использован научный подход. Подложки тоже нужно окрасить в несколько слоев с обеих сторон.

Внимание.

Убедитесь, что вы хорошо все прокрасили, иначе дерево может покоробиться от влаги. А это может повредить солнечные элементы, которые будут приклеены к подложкам.

Теперь, когда готова основа для СБ, самое время подготовить солнечные элементы.

Удаление воска с солнечных элементов — это настоящая головная боль. После нескольких проб и ошибок автор все-таки нашел неплохой способ.

Первый шаг, это «купание» в горячей воде, чтобы растопить воск и отделить элементы друг от друга. Не дайте воде закипеть, иначе пузырьки пара будут сильно бить элементы один о другой. Кипящая вода также может быть слишком горячей, в элементах могут быть нарушены электрические контакты. Рекомендуется погружать элементы в холодную воду, а потом медленно их нагревать, чтобы исключить неравномерный нагрев.

Пластиковые щипцы и лопатка помогут отделить элементы, когда воск растает. Постарайтесь сильно не тянуть за металлические проводники — могут порваться.

Итак, «горячая ванна» предназначена для растапливания воска.

Второй шаг. Обработка в горячей мыльной воде и в чистой горячая вода. Температуры во всех кастрюлях ниже температуры кипения воды. Сначала в растапливаем воск, переносим элементы по одному в мыльную воду, чтобы удалить остатки воска, после чего промываем в чистой воде.

Третий шаг. Выкладываем элементы для просушки на полотенце.

Совет.

Вы можете менять мыльную воду и воду для промывки почаще. Только не сливайте использованную воду в канализацию, т. к. воск затвердеет и засорит сток.

Этот процесс удалил практически весь воск с солнечных элементов. Только на некоторых остались тонкие пленки, но это не помешает пайке и работе элементов. Промывка растворителем, возможно, удалит остатки воска, но это может быть опасно и зловонно.

После разделения и удаления защитного воска из-за своей хрупкости они стали удивительно сложными в обращении и хранении. Рекомендуется оставить их в воске до тех пор, пока вы не будете готовы установить их в СБ. Это позволит вам не разбить их до того, как вы сможете их использовать.

Начать нужно с отрисовки сетки на каждой основе, для упрощения процесса установки каждого элемента. Потом следует выложить элементы по этой сетке обратной стороной вверх, так их можно спаять вместе. Все 18 элементов для каждой половины батареи должны быть соединены последовательно, после чего обе половины также должны быть соединены последовательно для получения требуемого напряжения.

Спаивать элементы между собой поначалу сложно. Начинайте только с двух элементов. Разместите соединительные проводники одного из них так, чтобы они пересекали точки пайки на обратной стороне другого. Также нужно убедиться, что расстояние между элементами соответствует разметке.

Используйте маломощный паяльник и прутковый припой с сердцевиной из канифоли. Также перед пайкой смажьте флюсом точки пайки на элементах при помощи специального карандаша.

Внимание.

Не давите на паяльник! Элементы тонкие и хрупкие, нажмете сильно — сломаете.

Повторите пайку до тех пор, пока не получится цепочка из 6-ти элементов. Соединительные шины от сломанных элементов автор припаял к обратной стороне последнего элемента цепочки. Таких цепочек автор сделал три, повторив процедуру еще дважды. Всего 18 элементов для первой половины батареи.

Три цепочки элементов должны быть соединены последовательно. Поэтому среднюю цепочку поворачиваем на 180 градусов по отношению к двум другим. Ориентация цепочек получилась правильной (элементы все еще лежат обратной стороной вверх на подложке). Следующий шаг — приклеивание элементов на место.

Приклеивание элементов потребует некоторой сноровки. Наносим небольшую каплю силиконового герметика в центре каждого из шести элементов одной цепочки (рис. 3.11). После этого переворачиваем цепочку лицевой стороной вверх и размещаем элементы по разметке, которую нанесли раньше. Легонько прижмите элементы, надавливая по центру, чтобы приклеить их к основе. Сложности возникают в основном при переворачивании гибкой цепочки элементов. Вторая пара рук тут не повредит.

Рис 3.11. Схема нанесения силикона

Не наносите слишком много клея и не приклеивайте элементы нигде, кроме центра. Элементы и подложка, на которой они смонтированы, будут расширяться, сжиматься, гнуться и деформироваться при изменении температуры и влажности. Если вы приклеите элемент по всей площади, он со временем сломается. Приклеивание только в центре дает элементам возможность свободно деформироваться отдельно от основы. Элементы и основа могут деформироваться по-разному, и элементы не сломаются.

Автор использовал медную оплетку от кабеля для соединения первой и второй цепочки элементов.

Можно использовать специальные шины или даже обычные провода. Такое же соединение делаем с обратной стороны между второй и третьей цепочкой элементов. Каплей герметика желательно прикрепить провод к основанию, чтобы он не «гулял» и не гнулся.

Тест первой половины солнечной батареи на солнце показал, что при слабом солнце в дымке эта половина генерирует 9,31 В.

После того как обе основы с элементами будут готовы, можно установить их на место в подготовленную коробку и соединить.

Каждая из половин помещается на свое место. Были использованы 4 небольших шурупа для крепления основы с элементами внутри батареи.

Провод для соединения половин батареи удобно пропустить через одно из вентиляционных отверстий в центральном бортике. Тут тоже пара капель герметика поможет закрепить провод на одном месте и предотвратить его болтание внутри батареи.

Внимание.

Каждая солнечная батарея в системе должна быть снабжена блокирующим диодом, соединенным последовательно с батареей. Диод нужен для предотвращения разряда аккумуляторов через батарею ночью и в пасмурную погоду.

В авторской версии использован диод Шоттки на 3,3 А. Диоды Шоттки имеют гораздо более низкое падение напряжения, чем обычные диоды. Соответственно, будут меньше потери мощности на диоде.

Сначала планировалось присоединить диод снаружи батареи. Но после того, как были изучёны технические характеристики диодов, решил поместить их внутри батареи. У этих диодов падение напряжения уменьшается с ростом температуры. Внутри батареи будет высокая температура, диод будет работать более эффективно. Используем еще немного силиконового герметика, чтобы закрепить диод.

Просверлите отверстие в днище батареи ближе к верху, чтобы вывести провода наружу. Провода рекомендуется завязать на узел, чтобы предотвратить их вытягивание из батареи, и закрепить герметиком.

Совет.

Важно дать герметику высохнуть до того, как мы будем крепить оргстекло на место. Испарения из силикона могут образовать пленку на внутренней поверхности оргстекла и элементов, если вы не дадите силикону высохнуть на открытом воздухе.

И еще немного герметика для герметизации выходного отверстия. На выходной провод автор прикрутил двухконтактный разъем. Розетка этого разъема будет присоединена к контроллеру заряда аккумуляторов, который был использован для установленного уже ветрогенератора. Таким образом, солнечная батарея сможет работать с ним параллельно.

Оргстекло на этапе настройки и пробной эксплуатации не герметизируйте. У автора по результатам тестов потребовался доступ к внутренностям батареи, там обнаружилась проблема. На одном из

элементов отошел контакт. Может быть, это произошло из-за перепада температур или из-за неаккуратного обращения с батареей. Кто знает? Пришлось разобрать батарею и заменить этот поврежденный элемент. С тех пор проблем не было. Затем следует герметизировать стыки под оргстеклом при помощи герметика или закрыть их алюминиевой рамкой.

Вот результаты тестирования напряжения законченной батареи на ярком зимнем солнце. Вольтметр показывает 18,88 В без нагрузки. А вот тест по току в тех же условиях (яркое зимнее солнце): амперметр показывает 3,05 А — ток короткого замыкания. Это как раз недалеко от расчетного тока элементов. Солнечная батарея прекрасно работает!

Солнечная батарея в работе. Она обошлась чуть дороже 100 долларов. Не так уж и плохо! Это лишь малая часть стоимости серийной СБ такой же мощности. И это очень просто!

Источник — http://www.mdpub.com/SolarPanel/index.html, где можно посмотреть фотографии всех этапов работы и узнать подробности.

Самодельная солнечная батарея на 50 Вт

Эту солнечную батарею создал своими руками один из авторов книги, Германович Виталий, поэтому в этом разделе повествование ведется от первого лица (прим. редактора). Перейдем к его рассказу.

В свое время, начитавшись в интернете разных статей о самодельных солнечных батареях, я тоже увлекся идеей собрать что-нибудь своими руками. Последней каплей, подтолкнувшей меня к реальным действиям, стала статья американца Майкла Дэвиса о сборке солнечной батареи из элементов, купленных на аукционе eBay.

Первым делом, я купил на аукционе сотню солнечных элементов, точно таких, которые Майкл описывал в своей статье. Эти элементы оказались еще и самыми дешевыми и доступными.

Вдобавок мне пришлось у другого продавца заказать специальный карандашный флюс, припой, а также плоские соединительные проводники.

Получив все посылки, я первым делом стал экспериментировать — сделал тестовую батарею из обломков, образовавшихся при пересылке.

Далее пошел длительный и утомительный процесс припаивания проводников к элементам. Эта работа заняла много времени. Несколько раз я делал перерывы на неделю-другую, а то пайка проводов уже начинала сниться по ночам.

Совет.

Если соберетесь пойти по моим стопам и собрать свою солнечную батарею, послушайте моего совета — покупайте элементы с уже припаянными проводниками! Сбережете время и нервы.

В процессе пайки, я увидел на YouTube, как с такими же элементами мучаются другие самодельщики. Поэтому решал отснять парочку видеороликов, чтобы поделиться своим опытом. Вот так выглядит процесс пайки проводников, если вы уже «набили руку».

Примечание.

Ролики доступны на http://germarator.ru/post/148.

Припой без содержания свинца для пайки солнечных батарей, который сейчас активно продается на eBay, я использовать не рекомендую. Такое ощущение, что он имеет высокую температуру плавления. В результате, при использовании маломощного паяльника паять элементы очень трудно. Элемент при пайке работает, как радиатор — вы касаетесь его паяльником, и припой моментально затвердевает, а расплавить его паяльник нормально не может — элемент отводит тепло в воздух. Именно поэтому все американцы рекомендуют использовать мощный паяльник на 60–90 Вт.

Я же, как видите, обошелся 25-ти ваттным, т. к. использовал обычный отечественный припой ПОС-61. У этого припоя низкая температура плавления и мощности паяльника вполне хватает, чтобы поддерживать его в расплавленном состоянии пока вы ведете пайку.

Совет.

Припой берите в виде тонкой проволоки (1–3 мм). С прутковым припоем работать неудобно— для маломощного паяльника его приходится резать на кусочки.

На http://germarator.ru/post/148 показано, как определить, какой длинны нам нужны отрезки соединительных проводов. Просто я в сети постоянно встречал ошибочный совет взять удвоенную ширину элемента и прибавить ширину зазора между элементами. Эти советчики не учитывают, что на обратной стороне провод припаивается к контактной площадке, которая примерно на 1,5 см отстоит от края.

На каждый элемент надо 2 провода, сэкономив 1,5 см на каждом мы получим около 3 метров (!!!) экономии провода на сотне элементов.

Но экономия в этом вопросе — не главное. Просто впоследствии, когда вы будете объединять элементы в батарею, вы все-равно отрежете лишние сантиметры провода, чтобы он не болтался и не приводил к короткому замыканию, касаясь соседних проводов. Так зачем нам потом делать лишнюю работу?

Следующий совет касается того, как именно из длинного провода нарезать отрезки одинаковой расчетной длинны. Мне нужны были отрезки по 155 мм. Я взял две полоски картона толщиной 3 мм и шириной примерно 71–72 мм, намотал на эту катушку провод. Каждый виток, получился примерно 155 мм. Это гораздо проще, чем измерять линейкой каждый отрезок.

Ну ладно… Провода к элементам припаяны, идем дальше.

Первым делом надо определиться с материалами, которые мы будем использовать для нашей солнечной батареи.

В своей статье Майкл Дэвис рекомендует использовать дерево и фанеру. Безусловно, это материалы доступны и легко обрабатываются. Но они также очень сильно подвержены воздействию окружающей среды. Как вы не прокрашивайте дерево, оно рано или поздно у вас облезет и начнет гнить. Поэтому я искал материал, который не будет бояться условий окружающей среды.

Стекло — хороший выбор. Материал прочный, его можно резать и клеить, а при наличии сноровки — даже сверлить. Если использовать в качестве фронтального покрытия солнечной батареи специальное стекло или даже обычное, но высокой чистоты, то можно уменьшить потери и повысить итоговую выходную мощность. Но со стеклом есть одна проблема — оно хрупкое и бьется. Раз в несколько лет у нас стабильно случается град. Поэтому стекло может не выдержать, и тогда работа нашей батареи закончится — осколки разбившегося стекла повредят хрупкие солнечные элементы.

В итоге, выбирая материал который не проводит электричество, обладает эластичностью, легко обрабатывается, не гниет, достаточно прочный и при этом легкодоступен, я остановил свой выбор на обычном оргстекле.

Фронтальное покрытие — тонкое оргстекло 2 мм, подложка — толстое 4 мм. В качестве подложки можно использовать текстолит, но мне не удалось найти в продаже листы подходящей толщины и размера.

В промышленных солнечных батареях применяют герметизацию, стекло спекается со специальной пленкой, что придает ему дополнительную прочность. Фактически, промышленная СБ представляет собой триплекс. Сильный град, конечно, может повредить батарею, но разлета осколков стекла не будет. К сожалению, такой метод герметизации в домашних условиях не доступен.

Еще я рассматривал различные варианты герметизации по технологии пленочного и заливного триплекса (стекольщики знают), но все это оказалось дорого и нереализуемо в домашних условиях.

Американцы советуют для герметизации использовать прозрачный эпоксидный кампаунд Sylgard 184. Купить его можно на том же eBay по 50 баксов за банку. Проблема только в том, что этой банки хватит лишь на заливку одной солнечной батареи. Продавец пишет, что хватит на две — не верьте.

Короче, я решил совсем отказаться от идеи герметизации элементов. Это конечно ведет к уменьшению мощности, но зато сильно упрощает конструкцию.

Для того, чтобы в солнечной батарее элементы шли ровными рядами я сделал простую сборочную панель из фанеры.

Элементы имеют размер 81x150 мм, на зазоры я оставил по 5 мм, поэтому на фанере нарисовал сетку с ячейками 86x155 мм. Чтобы при сборке проще было укладывать элементы, и они не съезжали, я приклеил обычные пластиковые крестики, применяемые при укладке керамической плитки.

Немного напишу о размерах. Я исходил из имеющихся материалов. Оргстекло мне удалось купить размером 76x68 см. В такой размер помещается 4 цепочки по 8 элементов — всего 32 шт. Вообще-то, для сборки солнечной батареи на 12 В рекомендуется использовать 36 элементов (4x9).

Примечание.

Однако, учитывая, что я все-равно буду собирать цепочку СБ и использовать «умный» контроллер, я решил немного пожертвовать напряжением и мощностью. Зато изделие получилось из легкодоступных материалов.

32 солнечных элемента позволят получить батарею мощностью примерно 50 Вт. Каждый элемент имеет пиковую мощность порядка 1,75 Вт (в сумме 56 Вт), но часть мощности потеряется из-за переотражения на стекле и отсутствия подбора элементов по параметрам.

Совет.

Также отмечу, что количество цепочек элементов в солнечной батарее желательно делать четным, чтобы полюса оказались с одной стороны, и их можно было компактно вывести в одну коммутационную коробку. Если сделать, например, три цепочки, то полюса батареи у вас окажутся по диагонали друг к другу.

Продолжаем сборку: устанавливаем получившуюся сборочную панель на горизонтальную поверхность и укладываем солнечные элементы.

После этого надо опять немного поработать паяльником. У меня на пайку ушло 2 вечера, часа по 2 каждый день. Цепочки между собой соединяются при помощи специальной шины — более широкого плоского провода. Этими же шинами делается вывод полюсов батареи наружу. Помимо двух полюсов я решил сделать еще и вывод «средней точки». Чуть позже объясню зачем. Вывод наружу делается через отверстия в подложке.

Для приклеивания элементов к подложке я решил использовать найденную в магазине монтажную ленту. Она из какого-то пористого полимерного материала, мягкая и имеет с двух сторон клейкий слой. Держит очень крепко, предназначена для работы на открытом воздухе.

Нарезаем ленту на небольшие кусочки и приклеиваем их ко всем элементам ровно по центру. Пайка на контактных площадках у меня получилась выпуклой, поэтому я клеил ленту в два слоя.

Надо чтобы клейкая площадка возвышалась над контактами и над пластиковыми «крестиками» сборочного стола. Потом, когда мы на элементы приложим подложку и прижмем ее, клейкие площадки приклеятся к ней. И каждый элемент окажется надежно закрепленным на подложке. После приклеивания элементов, поднимаем подложку (с ней поднимаются и все элементы), переворачиваем и видим вот такую красоту.

Впоследствии я при помощи кусочков монтажной ленты еще и шины закрепил на подложке, чтобы не болтались.

Теперь как-то надо закрепить фронтальное стекло. Для этих целей я использовал ту же монтажную ленту, но только более широкую. Цвет значения не имеет, у меня оказалась светлая.

Борта и клейкие площадки для элементов я тоже делал из двух слоев ленты, чтобы они получились примерно такой же высоты.

Наклеив второй слой ленты на борта, я оставил сверху защитную бумажную пленку по всей длине ленты. Дело в том, что к оргстеклу она приклеивается очень быстро и прочно, если накладывать фронтальное стекло прямо на клейки слой, его не получится выложить ровно с подложкой — обязательно будет какой-то перекос.

В решении этой проблемы помогла хитрость, подсмотренная у стекольщиков, занимающихся изготовлением заливного триплекса. На каждом бортике мы отрываем бумажный слой только на концах и загибаем его концом наружу.

После этого накладываем фронтальное стекло и выравниваем его края с краями подложки. А дальше просто вытягиваем защитную бумажную пленку, слегка приподнимая край стекла. После опускания оно моментально приклеивается. Стык получается ровный и красивый.

Я пока оставил на оргстекле защитную пленку. Планирую оставить ее до самого последнего момента — до установки, чтобы свести к минимуму количество возможных царапин при хранении и транспортировке.

Вот как выглядит моя солнечная батарея на текущий момент. Вид спереди (рис. 3.12).

Прозрачная подложка позволяет визуально контролировать все контакты, а в случае появления трещин в элементах, их будет видно на просвет.

Рис. 3.12. Вид солнечной батареи спереди

В верхней части с обратной стороны батареи прикреплена клеммная планка на 3 контакта. В нее выведены полюса солнечной батареи и «средняя точка».

Зачем, спрашивается, нужен этот третий контакт? В принципе, можно обойтись и без него. Но с ним можно сделать две хитрости:

♦ в случае необходимости, можно будет включить в работу только половину солнечной батареи и получить 6 В, вместо 12 В;

♦ третий контакт позволяет поставить на каждую половину батареи отдельный шунтирующий диод.

Зачем нужен шунтирующий диод? Если кратко, то он не позволяет элементам батареи, на которые падает тень, расходовать мощность, генерируемую остальными элементами, на которые светит солнце. В идеале, шунтирующий диод должен стоять на каждом элементе, но на практике это делают редко. Обычно ставят шунтирующий диод на всю батарею. Хотя еще чаще его вообще не ставят, предполагая, что батарея будет стоять там, где на нее тень упасть не может. Ну а я решил поставить шунтирующие диоды на каждую половину батареи — если одна половина попадет в тень, вторая будет работать.

А теперь о том, что еще осталось сделать. Во-первых, рамку для батареи. Для этого я уже подыскал алюминиевый профиль «уголок». Надо выпилить 4 отрезка на каждую сторону солнечной батареи: 2 по 76 см и 2 по 68 см. Спилы делаются под углом 45 градусов, чтобы потом они ровно стыковались друг с другом.

Совет.

Кстати, можно также заказать рамку в багетной мастерской. У них есть толстый алюминиевый профиль, из которого рамы для картин делают. Там же дадут специальные прижимные пружины, уголки и «ушки».

Но если хочется сделать самому — используйте просто алюминиевый уголок. Ушки можно сделать из него же, а закрепить это все винтами, думаю — не проблема.

Теперь «подобьем бабки». Для удобства, все цены буду приводить в долларах. Элементы куплены на eBay, в посылке было 110 штук. Цена 199$. Однако, сверху пришлось оплатить доставку — 40$ и таможенную пошлину — 60$. Итого около 300$ за сотню элементов (несколько сломались). На батарею пошло 32 элемента, что в деньгах — 96$.

Там же были куплены шины, карандашный флюс, припой и диоды Шоттки. Все вместе с доставкой от разных продавцов в пересчете на одну батарею обошлось примерно в 30$.

Оргстекло — примерно 20$ за два листа.

Монтажная лента: половина катушки шириной 9-мм и полторы катушки шириной 2 см — примерно 5$. Алюминиевый профиль — 5$ за две «палки» по 2 метра.

Канифоль, отечественный припой, клеммная планка, винты/ гайки — накинем еще 3–4$.

Итого у меня получается примерно 160$ на одну солнечную батарею.

Сейчас, покупая элементы небольшими партиями (чтобы не платить таможенную пошлину) и с уже припаянными проводами и шинами в комплекте, я думаю, что можно уложиться и в меньшую сумму. Но даже 160 баксов за солнечную батарею в 50 ватт — это неплохой результат — солнечная батарея промышленного производства мощностью 50 Вт стоит до 350$.

Не надо только забывать, что для сборки собственной солнечной батареи нужно ВРЕМЯ!!!

Солнечный зарядник для электровелосипеда своими руками

На http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=48:8814:3 появилась хорошая статья о практически собранном солнечный заряднике для электровелосипеда. Покупать элементы автор решил на ebay. Для такой покупки нужна долларовая карта Visa Classic, регистрация на самом ebay и на PayPal — платежной системе, без которой ничего не сделать.

PayPal, в отличие от ebay, имеет русский сайт.

Самая долгая процедура — так называемая привязка карты на PayPal. С вас снимают доллар с чем-то денег, вы идете в банк и узнаете код операции, который вбиваете в форму на сайте PayPal, после чего можете без проблем с ним работать. Пользоваться всякими там посредниками типа ebaytoday.ru обычно нет никакой необходимости.

Далее. В городе Фремонт в штате Калифорния нашлись ячейки фирмы Evergreen Cell Specifications: мощность 1,75∙Wp; ток (Amps) 3,5∙Imax; напряжение 0,5∙Vmax; толщина 190 мкм = 0,19 мм; размер: 3,25 х 6 дюймов (80x150 мм); вес: 6 гр.

Конфигурация системы. Исходя из них, определилась общая конфигурация системы. Собираем 3 панели по 36 ячеек каждая. Они имеют номинальное напряжение 18 В и могут соединяться:

♦ или последовательно, заряжая аккумулятор электровелосипеда на 36 В;

♦ или параллельно — для зарядки свинцовокислого аккумулятора 12 В.

От него работает инвертор, дающий 220 В для питания компьютера или другой нагрузки. На роль инвертора был выбран недорогой компьютерный ИБП. Заряд велоаккумулятора контролируется по температуре электронным термометром.

Примечание.

Для свинцовокислого необходим еще контроллер — устройство, не дающее вскипятить в нем электролит и позволяющее постоянно держать солнечную батарею подключенной к нему, ни о чем не беспокоясь.

Размеры. Панели складываются книжкой, для обеспечения мобильного использования. Габарит 520x560 мм.

Варианты мобильного использования — зарядка электровелосипеда в длительной поездке (3 шт.) или работа с ноутбуком где-нибудь на природе (1 шт.).

Покупки и бюджет. Вышеупомянутые ячейки Evergreen Solar, с мелкими повреждениями краев (chipped) — 100 шт. за 169 $ плюс 40$ за доставку из США. Реально продавец дает еще 10 ячеек в качестве бонуса, что как нельзя более уместно, ведь нам надо 108 шт.

Плоский провод для пайки ячеек и шин (Solar Cells/Panels Tabbing Wire) — 100 футов за 11 долларов плюс 6 $ доставка из США. Оргстекло 1100x1300x2 мм — 3 листа по 960 руб./лист. Аккумулятор Leoch DJW12-18 4 штуки с доставкой на дом (из Москвы) — 6000 руб. Необслуживаемый, срок службы 8 лет. Источник бесперебойного питания Ippon Comfo Pro 400 — 1300 руб в соседнем магазине. Понравился ценой. Контроллер на 10 А — за 27 + 6 $ от тайваньского производителя. Привлек малым собственным потреблением энергии и возможностью (чисто теоретической, впрочем) конфигурить его через компьютер. Три диода Шоттки 5 А по 20 руб./шт. Профиль алюминиевый, рейка сосновая, краска, винты, гайки, разъемы, провода и т. п. — учету практически не поддаются.

Об электросхеме. Провода от солнечных батарей собираются на две трехштырьковые вилки (обычные для сетевых шнуров на компьютерной технике). Вилки соединены изолентой вместе, получается разъем с шестью контактами. Ответные части объединены в «розетки» — 2 шт. Режим использования меняется переключением вилки в другую «розетку».

На одной из розеток контакты соединены последовательно, снимается 36 В для электровелосипеда, которые далее идут через амперметр штатного сетевого зарядного устройства на кабель к велосипеду. На тот же кабель подключен и вывод сетевого зарядника (через диод, чтобы на него не попадали 36 В).

Таким образом, можно заряжать велосипед от сети (параллельно три цепочки 12 В), либо от солнца (всю батарею 36 В).

На другой розетке все три минуса собраны вместе, плюсы также, только не напрямую, а через 3 диода Шоттки, назначение которых — исключить обратный ток через параллельно включаемые солнечные модули. Дальше плюс и минус идут на вход контроллера. К нему также подключена аккумуляторная батарея.

Примечание.

Попытка включать нагрузку на соответствующий выход контроллера не была успешной, т. к. он ограничивает ток на выходе значением 10 А и периодически отключает ИБП в самый неподходящий момент.

Пришлось ИБП подключать к батарее напрямую, т. е. минус непосредственно к его входу аккумулятора, а плюс — через два параллельно включенных тумблера. ТВ-1-2. Рычажки тумблеров соединены планкой. Ток идет параллельно через 4 пары контактов с номиналом по 5 А. Собственный ИБПшный аккумулятор (малой емкости) не используется.

ИБП служит в качестве инвертора, к нему не подключено 220 В. Его мощность 240 Вт. Он включается в режим «холодный старт», при подсоединении аккумулятора. Писк при работе можно отключить программно, но я предпочел просто удалить динамик.

Кнопка включения выпаяна, на ее место подключен провод с выключателем, выведенный на щиток управления всей системой, честно говоря, в нем нет большой необходимости. Выключается он автоматически через 5 мин. после снятия нагрузки (это называется «Green Power») Нагрузкой для ИБП в настоящее время служит ноутбук с подключенным к нему 17-дюймовым внешним дисплеем.

Индикация разряда батареи есть на контроллере, — меняется цвет светодиода. ИБП ограничивает разряд батареи не менее 9 В под нагрузкой, чего испытать пока не пришлось. Планируется еще подключить вольтметр на аккумулятор, он автору представляется информативнее, чем светодиоды.

Пайка. Первый опыт пайки заставил автора понервничать. Нормального соединения получить не удавалось. Более того, при повторении попыток пропаять одно и то же место серебряное напыление, быстро разрушилось. Пришлось внести поправки в технологию.

Была уменьшена мощность паяльника (изначально 65 Вт), просто включив последовательно с ним патрон с лампочкой 100 Вт. Все стало на свои места! Вместо кислоты стал использоваться раствор канифоли в спирте. Стал зачищать контактные площадки. Это сильно влияет на результат. Они не повреждаются при зачистке. Стал наносить припой на соединитель, невзирая на уверения продавца, что на нем уже есть слой припоя.

Конструкция панели. Каждая панель состоит из двух половин, складывающихся «книжкой» на дверных петлях. Обе половины — коробки из оргстекла. Оргстекло выбрано из следующих соображений:

♦ меньший (по сравнению со стеклом или поликарбонатом) коэффициент преломления дает меньшие потери энергии за счет отражения света;

♦ меньшая прозрачность для инфракрасного излучения снижает ненужный нагрев ячеек, сопровождаемый уменьшением КПД;

♦ легкость и ударостойкость, важные при мобильном использовании;

♦ простота механической обработки.

Резка оргстекла. Режьте пакет из четырех слоев, лучше и для скорости, и для качества. Можно бы, наверно, электролобзиком, но автору пришлось вручную. Разметку нужно проводить на каждом слое, чтобы ее можно видеть при резке. Нормальная скорость резки около 2 мм/с (один слой).

Совет.

Меняйте чаще полотна, они тупятся довольно быстро! Опилки собираем на лист бумаги. Растворив их в дихлорэтане, получаем клей для оргстекла.

Склейка и подготовка коробки. Полученный пакет из четырех листов (на один модуль) сверлим по периметру диаметром 5,5 мм, разметив верхний лист. После приклеивания окантовки шириной 15 мм (один слой на тыльный лист и два слоя на лицевой) стягиваем листы вместе струбцинами и сверлим окантовки диаметром 3,2 мм по центрам отверстий 5,5 мм. Лицевые и тыльные листы соединяем винтами М3 с полукруглой головкой. Головки и гайки получаются заподлицо с поверхностью листа, гайки не нужно держать, т. к. они входят в отверстия с некоторым натягом. Готовим отверстия под петли, ручки сверху, болты крепления на раме.

Про склейку. Клей разводим до густоты канцелярского. Для растворения порошка из оргстекла в дихлорэтане лучше оставить его на 1–1,5 ч. Склеиваем однократным сильным прижатием, выдавливая воздух, хорошо видимый между слоями стекла. Помещать под пресс нет особого смысла.

Ячейки и провода. Ячейки соединяем последовательно: 18 шт. на полупанели, обе полупанели также последовательно. Лицевая сторона с двумя длинными дорожками — это минус, тыльная с шестью посеребренными квадратиками — плюс. Заранее распаянные плоским проводом ячейки укладываем лицом на стол, обеспечивая зазор 10 мм с помощью крестиков для укладки кафеля. Паяем ячейки, ряды ячеек соединяем шинами, укладываем провода для выводов наружу и в смежный полумодуль.

Провод — акустический кабель в силиконовой изоляции. Для соединения внутренних полостей полупанелей с атмосферой провода с зазором вставлены в 10 см отрезки силиконовой трубки (от капельницы, можно купить в аптеке). Трубки при сборке вклеиваются силиконовым герметиком в окантовку.

Сборка панели. На каждую ячейку наносим шприцем по две «капли» силиконового герметика. Размещаем их по линиям плоских проводов, так как по этим линиям будут передаваться усилия от термического расширения панели.

Внимание.

Важно, чтобы они замыкались на плоский провод, в минимальной степени воздействуя на тонкий керамический лист ячейки.

Плоский провод в зазоре между ячеек сложен слегка гармошкой. Прижимаем тыльный лист к ячейкам. Благодаря его прозрачности легко видеть результат. Получившиеся пятна контакта после затвердения герметика сохраняют хорошую эластичность, что важно для снижения термонапряжений.

Для большей жесткости всей конструкции на тыльный лист в зазоры между рядами ячеек вклеиваем четыре «опоры» — кубики из оргстекла 5x5x6 мм. Их назначение — исключить возможность «продавить» лицевой лист до касания ячеек каким-либо случайным нажатием. Наносим тонкий слой герметика на боковины и стягиваем винтами тыльную и лицевую панели, ставим петли и ручки.

Рама. Весьма нетривиальный вопрос, как оказалось. Всевозможный бытовой (мебельный) алюминиевый профиль имеет, как оказалось, близкую к нулю способность противостоять скручиванию. В общем, только второй вариант конструкции устроил автора. В основе — 4 направляющих, в пазы которых вставляются панели. Каждая из направляющих состоит из соснового прямоугольного бруска 30x12 мм.

На передней (узкой) стороне шурупами крепится плоский алюминиевый профиль (в строймагазинах фигурирует как «окантовка порога»). На длинных сторонах крепится штапик оконный образцового качества, образующий с алюминиевой полосой паз глубиной 10 мм и шириной 12 мм для панелей.

На каждую направляющую ставятся три поперечных опоры (из 16 мм фанеры), в месте контакта с балконом на них клеился резинка-амортизатор. Средняя из поперечных опор воспринимает вес панели, она имеет углубления — гнезда для несущих болтов, ввернутых в верхнюю полупанель каждого модуля-«книжки».

Внизу алюминиевый профиль изогнут, образуя захват за край балкона. Внутри алюминиевого захвата находится близкий по форме захват, выполненный из упругой стальной полосы, так что для установки в штатное положение необходим некоторый натяг вверх. Это обеспечивает отсутствие люфтов и возможности разбалтывания соединения ветровой нагрузкой.

Сверху имеются кронштейны под болты 50x6 мм, которыми направляющие крепятся к балконной раме. Направляющие связаны двумя поперечинами из алюминиевого Т-образного профиля. Все, кроме лицевого алюминия, красится белой нитрокраской.

Полезные соображения. Во-первых, согласно Evergreen Solar 2 % несортированных ячеек могут иметь пониженную мощность, и если вы соединяете ячейки последовательно, мощность панели равна мощности самой слабой ячейки, умноженной на число ячеек. Точно так же, как расход воды определяется самой тонкой трубой в трубопроводе.

Во-вторых, можно построить большую панель из 144 ячеек, но, наверное, лучше сделать две панели из 72 ячеек. Почему? Потому что в больших группах, которые вы хотите создать, нужно множество диодов для сегменирования последовательных серий ячеек, чтобы свести к минимуму потери энергии в случае выхода из строя одной ячейки. Например, если на ячейку падает лист с дерева, и она выгорает. Для более крупных панелей настоятельно рекомендуется применять диоды.

Подбор ячеек по характеристикам. Производителем рекомендуется самостоятельно подбирать близкие по мощности ячейки для соединения их в панель. Вытаскиваем панели на травку, ориентируем на солнце и мерим ток в режиме короткого замыкания. Это довольно показательный режим, поскольку максимальная мощность достигается при токе 90 % от тока КЗ.

Получаем 2,88 А на открытой панели (без лицевого стекла), 2,55 А — на закрытой. Другие две панели (закрытые) дают 2,58 и 2,52 А. Ячейки сильно греются, так что долго в КЗ лучше не держать.

Реально при зарядке велоаккумулятора от батарей уже в боевой позиции на балконе можно видеть ток 1,8 А при напряжении 45 В. Т. е. заряжает он быстрее сетевого зарядника, но только если небо чистое.

Даже слабое облачко снижает ток раз в 5—10. В принципе, это серьезный минус, т. к. NiMH очень малыми токами заряжать нельзя. На ноутбук с дисплеем часа этак на 4 в день энергии вполне хватает и независимо от погоды, по крайней мере, сейчас, летом.

Кошмары от Ippon. Оказалось, что ИБП отключается ровно через 5 мин, если нагрузкой служит только ноутбук. Функция Green Power неумолима, и нагрузки от ноута видеть она не хочет.

При подключении еще и внешнего дисплея с Green Power все приходит в норму, но отключается все теперь через 10 мин., так что прогресс небольшой. Выясняется, что это время заложено программно по умолчанию, его можно изменить вплоть до нескольких суток, подключив ИБП к ПК через СОМ порт и USB.

Еще для этого нужно инсталлировать в ПК небольшую утилиту (мегабайт этак на 20, большое количество всяких advpackoe). Количество записей, которые она вам сделает в реестр, тоже впечатляет. Автор воспользовался программой Reg Organaiser, чтобы все их вытереть после однократного пользования этой штукой.

Кстати, она НЕ позволяет отключить функцию Green Power, тех. поддержка Ippon советует покупателям САМИМ выпаивать резисторы (говорит какие), если они хотят избавиться от этого чуда инженерной мысли.

Также тех. поддержка, в общем, не возражает против внешних аккумуляторов на ИБП, предупреждая только о возможном перегреве устройства при долгой работе (чего, к счастью, не наблюдается).

Кошмары… от контроллера. В жару при попадании прямых солнечных лучей светодиоды беспорядочно мигают, а батарея не заряжается — от перегрева. Пришлось укрывать от Солнца. При 40 °C на балконе — работает нормально.

В холодную погоду при почти заряженной батарее и при ярком солнце прямо против прерывает зарядку — срабатывает ограничение по напряжению от солнечной батареи на аккумуляторе — не более 17 В. Потом снова сам включается. Пока имел место единичный такой случай.

Опасения — реалии. Как вообще паять кремниевую пластинку толщиной менее 0,2 мм? Треснет, рассыплется и т. д. — реально «очень средние» навыки пайки вполне достаточны.

Толщина панели всего 10 мм, будет ли она достаточно жесткой? — Да, будет. Размягчение оргстекла в жару — пока было до 35 °C, не наблюдается. Хотя, наверно в принципе лучше ТОСН вместо ТОСП.

Навеска на балкон не выдержит сильного ветра — было метров до 15, ничего…

Итог. Во Всемирный день окружающей среды автор взгромоздил все сооружение на балкон. На электровелосипеде ездим и комп в сеть больше не включаем!!!

3.4. Солнечные батареи для путешественников

Солнечные батареи (SunCharger) на гибких фотоэлементах 4/6/8/11/15 Вт

Солнечные батареи, представленные на сайте www.vampirchik-sun.nm.ru, позволяют зарядить почти все мобильные устройства в полевых условиях. Электроника облегчает выполнение этой задачи. Часто их приобретают для создания своих автономных устройств мобильного электропитания.

Почти все представленные солнечные батареи изготовлены из аморфного кремния, поэтому они имеют минимальный вес на единицу мощности, а также являются гибкими, т. е. не ломаются при изгибе, что важно в походных условиях (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Внешний вид гибкой солнечной батареи

Примечание.

На сегодняшний день солнечные батареи без электроники практически не используются.

Электроника выполняет две задачи:

♦ согласование нестабильных выходных параметров солнечной батареи с требуемыми для мобильного потребителя;

♦ накопление энергии от солнечной батареи.

Как выбрать? Если кратко, то вначале определяемся с необходимой мощностью солнечной батареи, затем выбираем электронику, которая лучше всего подходит под наши задачи. Разновидности солнечных батарей будут рассмотрены после табл. 3.1.

Примечание.

Хотя, как ни странно, с развитием электроники, эта последовательность меняется: сначала выбираем накопитель, который бы подошел по мощности под наши устройства, а потом ищем источник (солнечная батарея или что-то еще), который бы «прокормил» наш накопитель.

Заметим, если солнечная батарея питает потребителей непосредственно, то ее мощность должна быть не меньше, чем текущие запросы потребителя (плюс запас в пару-тройку раз, на «неидеальность» погоды).

Однако если использовать накопитель, то требуемая мощность солнечной батареи может быть в несколько раз меньше, чем в случае непосредственного питания от нее. Т. е., образно говоря, солнечная батарея целый день заряжает аккумулятор, а вечером в течение пары часов этот аккумулятор питает, например, КПК. Это позволяет использовать менее мощную, т. е. более легкую и дешевую солнечную батарею и иметь запас энергии на «темный день».

Рекомендации по выбору солнечной батареи

В табл. 3.1 приведены примеры комплектаций для решения некоторых типовых задач. Указанное в таблице оборудование рассмотрено после таблицы.

Таблица 3.1. Примеры комплектаций для решения типовых задач электропитания

• Зарядка «простых» сотовых телефонов (не коммуникаторов)

Минимальный вариант:

Солнечная батарея 6 Вт, к выходу которой непосредственно подключен разъем сотового телефона. Заряжается большинство телефонов, но некоторые «не хотят», надо проверять

Улучшенный вариант:

Солнечная батарея 6 Вт или выше и понижающий стабилизатор напряжения. Заряжаются практически все известные телефоны, т. к. выходные параметры стабилизатора можно настроить

Максимальный вариант:

Солнечная батарея б Вт и более и накопитель, например, «Вампирчик-Литий». Зарядка идет не только на солнце, но и в любое время от накопленной энергии

• Зарядка КПК, сотовых, GPS, фотоаппаратов и других потребителей, питающихся от 5 В

Минимальный вариант:

Солнечная батарея 6 Вт или больше и стабилизатор (непосредственная зарядка). Солнечная батарея должна быть достаточно мощной, чтобы напрямую питать устройства

Максимальный вариант:

Солнечная батарея 6 Вт или более и накопитель «Вампирчик-Цифра».

• Зарядка спутниковых телефонов. При напряжении питания 9—12 В Если 5 В, то см. пункт выше

Минимальный вариант:

2 солнечные батареи по 8 Вт и стабилизатор.

Максимальный вариант:

Солнечная батарея 8 Вт или более и накопители — «Вампирчик-Цифра».

• Зарядка литиевых аккумуляторов 3,7 В

Минимальный вариант:

Солнечная батарея 6 Вт и стабилизатор

Максимальный вариант:

Солнечная батарея 6 В и более и накопитель — «Вампирчик-Цифра» + Универсальные зарядники от прикуривателя»

• Зарядка литиевых аккумуляторов 7,4 В

Минимальный вариант:

2 солнечные батареи по 8 Вт и стабилизатор

Максимальный вариант:

Солнечная батарея 8 Вт и более и накопитель — «Вампирчик-Цифра» + Универсальные зарядники от прикуривателя»

• Зарядка NiCd-NiMh аккумуляторов, размера АА, ААА и др.

Подходит любая из гибких солнечных батарей, даже без зарядника

-

Подходит любая из гибких солнечных батарей в комплекте с «Буфером + Универсальные зарядники от прикуривателя»

• Зарядка свинцового аккумулятора 6 В

Минимальный вариант:

Солнечная батарея 6 Вт (заряжаем током до 0,9 А)

Максимальный вариант:

Солнечная батарея 8—15 Вт со стабилизатором

• Зарядка свинцового аккумулятора 12 В

Либо 2 шт 6 Вт, либо 8—15 Вт (со стабилизатором или без него)

• Питание для адаптеров в автоприкуриватель

Минимальный вариант:

Солнечная батарея 8—15 Вт + Разъем прикуривателя

Максимальный вариант:

Солнечная батарея 8—15 Вт + «Буфер» + Разъем прикуривателя

• Работа без солнечной батареи

Используем накопители «Вампирчик-Цифра» или «Буфер»

-

Если есть заряженные NiCd-NiMh аккумуляторы или батарейки, то можно запитаться от них либо через понижающий стабилизатор, либо использовать стабилизаторы (понижающий, либо повышающий) от накопителей.

-

Если есть заряженный свинцовый 6 В или 12 В аккумулятор, то питаем все устройства от него через понижающий стабилизатор

Накопитель на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»

Накопитель предназначен для питания портативной техники, а также зарядки внешних Li-Ion (Li-Po) аккумуляторов 3,7 В и 7,4 В. Он имеет внутри два сменных Li-Ion 3,7 В аккумулятора емкостью 2,8 А-ч, размера 18650 (d=18 мм, L=65 мм). Их зарядка может выполняться от разных источников постоянного напряжения 5—15 (20) В (солнечные батареи, различные адаптеры, USB порт компьютера и т. д.).

Конструктивно накопитель состоит из 5 основных частей: схемы зарядки, схемы контроля аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторов, выходного повышающего стабилизатора и микроконтроллера, который обеспечивает измерение, индикацию напряжений и токов и контроль зарядки внешних аккумуляторов. Структурная схема накопителя представлена на рис. 3.14, а внешний вид накопителя — на рис. 3.15.

Схема зарядки и выходной стабилизатор импульсные предназначены для минимизации потерь.

Рис. 3.14. Структурная схема накопителя на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»

Рис. 3.15. Внешний вид накопителя на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»

Схема контроля предотвращает как перезаряд, так и переразряд аккумуляторов. При этом загораются соответствующие светодиоды индикации. Накопитель можно оставлять подключенным к питанию длительное время, он не перезарядится.

«Схема откл. USB» запрещает подачу на выход USB напряжения выше 6 В, для защиты подключенных USB устройств.

Заряд аккумуляторов и питание потребителей может происходить одновременно.

Микроконтроллер (МК) позволяет измерять и выводить на дисплей напряжения в различных точках схемы и выходной ток. Также, в режиме зарядки внешних аккумуляторов он отключает зарядку, когда аккумуляторы зарядились, и сообщает об этом.

Выходной повышающий стабилизатор может питаться как от внутренних аккумуляторов, так и от внешнего источника напряжением от 3–5 В через «запасной» вход (3–4 батарейки или NiMh аккумулятор). При этом энергия внутренних аккумуляторов не расходуется, но они должны быть установлены. Этот «запасной» режим не тратит энергию на зарядку внутренних аккумуляторов, все идет на выход.

Рассмотрим характеристики:

♦ входное напряжение, В… 5—15(20);

♦ выходное стабилизированное напряжение, В… 5,4; 9;

♦ выходное регулируемое напряжение, В… 3—15;

♦ выходной ток (выбирается джампером, внутренний ограничитель), А… до 0,5,1,5 при 5 В;

♦ внутренний Li-Ion аккумулятор 3,7 В, 2800 мАч… 2 шт.

♦ размеры, мм… 135x70x24;

♦ вес, г… 200.

Имеется встроенный контроллер для измерения различных напряжений и обеспечения зарядки внешних аккумуляторов.

Индикация: наличия выходного напряжения, наличия выходного тока, наличия зарядного тока, конца заряда встроенного аккумулятора, наличия напряжения 4,5–5,5 В на USB-A выходе. Цифровой индикатор (многорежимный). Фонарь.

Защита внутренних аккумуляторов от перезаряда, переразряда, ограничением макс. тока потребления от него.

Возможность работы без потребления от встроенного аккумулятора, как повышающего стабилизатора напряжения (при входных напряжениях от 3 до 5 В.

Входные разъемы — мини-USB, круглый 2,1x5,5 мм.

Выходные разъемы — USB-A, круглый 1,1x3,5 мм (Nokia), круглый 2,1x5,5 мм, нажимная клемма.

Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный понижающий стабилизатор напряжения позволяет получить стабильное напряжение для питания потребителей от различных источников (солнечные батареи, адаптеры, аккумуляторы и т. д.). За счет импульсного режима работы имеет высокий КПД (до 90 % в зависимости от режима работы).

Выбор выходного напряжения осуществляется пользователем с помощью ДИП-переключателя. Плавная регулировка выходного напряжения с помощью переменного резистора позволяет то напряжение на выходе, которое требуется с высокой точностью. Это важно, например, для безопасной зарядки литиевых аккумуляторов.

Встроенный ограничитель тока также служит для обеспечения безопасной зарядки аккумуляторов или маломощных потребителей.

Таким образом, с помощью данного стабилизатора можно как запитать большинство мобильных устройств (в том числе спутниковых телефонов), так и непосредственно заряжать различные типы аккумуляторов (никелевых, литиевых, свинцовых). Может быть использован в качестве драйвера для питания мощный светодиодов.

Рассмотрим характеристики:

♦ входное напряжение, В… 5—20;

♦ выходное стабилизированное напряжение, В… 5,4; 9; 11,5;

♦ выходное регулируемое напряжение, В… 4,1—12,5;

♦ выходной ток (выбирается джампером, внутренний ограничитель), А… 0,5,1,5;

♦ выбор отключения выходного напряжения при входном напряжении ниже, В… 5, 7,5, 11;

♦ индикация наличия выходного напряжения… да;

♦ размеры (без провода), мм… 62x25x15;

♦ вес, г… 32.

Внимание.

На всех круглых разъемах плюс в центре.

Буфер на гелиевом аккумуляторе 12 В, 4,5 А-ч, 7 А-ч и 9 А-ч

Мощный буферный аккумулятор (рис. 3.16), который можно непосредственно подключать к 12 В солнечным батареям (8 Вт, 11 Вт и 15 Вт).

Рис. 3.16. Внешний вид буфера на гелиевом аккумуляторе в комплекте

Рекомендуется, но не обязательно, использовать 4,5 А-ч с солнечными батареями: 7 А-ч 8 Вт или 9 А-ч с 11 Вт, 15 Вт.

От буфера можно питать любые устройства, которые могут работать от прикуривателя автомобиля.

Можно заряжаться как от солнечной батареи, так и от прикуривателя автомобиля — в соединительных проводах встроен дополнительный

Примечание.

При зарядке от солнечных батарей SunCharger контроля зарядки не требуется. А при зарядке от солнечных батарей с рабочим напряжением 17 В нужно использовать контроллер заряда или мультиметр для контроля состояния аккумулятора.

Сумка служит для переноски и дополнительной защиты аккумулятора. В ней внутри стенок проложена тонкая «пенка». Также, есть пара перегородок, которые крепятся на липучке.

Сумка и провода могут быть куплены без аккумулятора. Вообще, это очень мощный и простой буфер, который рекомендуется. тем, кому вес зарядного комплекта не слишком важен.

Надежность его весьма высока, т. к. нет никакой электроники и ломаться просто нечему.

Также, в отличие от буфера на литиевых аккумуляторах, свинцовый буфер может работать при отрицательных температурах.

Рассмотрим характеристики:

♦ напряжение используемых аккумуляторов, В… 12;

♦ емкость аккумуляторов, А-ч… 4,5, 7,9;

♦ входной разъем — прикуриватель (папа) с предохранителем и светодиодом;

♦ длина зарядного провода, м… 1,5;

♦ выходной разъем — прикуриватель (мама);

♦ рабочая температура, °С… — 20—+50;

♦ зарядка от солнечных батарей и прикуривателя автомобиля… да;

♦ размеры аккумулятора 4,5А-ч, мм… 102x90x70;

♦ размеры аккумулятора 7 А-ч и 9 А-ч, мм… 151x94x65;

♦ вес 4,5 А-ч / 7А-ч /9А-ч, кг… 1,5/2,2/2,7.

Солнечные батареи

Солнечные батареи, как отмечалось выше, имеют гибкие солнечные элементы на основе аморфного кремния, которые сложно повредить. Малые габариты и вес позволяют быть под рукой.

Солнечные элементы изготовлены в США, сами батареи пошиты в России. Технология фотоэлементам аналогична гибким солнечным элементам завода «Квант» (Россия).

Гарантированный срок выработки энергии фотоэлементами более 18 лет. При непрерывном нахождении на солнце где-нибудь на экваторе выходной ток за это время не упадет ниже 85 % от паспортного. Т. е. для туристов, можно принять, что батареи «вечные».

Рассмотренные солнечные батареи позволяют заряжать (совместно с электроникой) почти всех мелких потребителей, до ноутбука включительно, а солнечные батареи 8, 11 и 15 Вт могут заряжать даже автомобильный аккумулятор (можно реально завести машину после 0,5–1 дня зарядки).

Солнечные батареи SunCharger собираются из ламинатов, внутри которых упакованы несколько фотоэлементов, соединенных последовательно. Обычно такая сборка содержит 4 или 8 фотоэлементов, каждый из которых дает около 1,5 В рабочего напряжения. Поэтому лист из четырех фотоэлементов будет иметь на выходе напряжение 6 В (8 В без нагрузки) или 12 В (16 В без нагрузки).

Сам же единичный фотоэлемент представляет собой прямоугольник стальной фольги размерами приблизительно 180x39 мм, на который напылены активные слои (Н. Носов http://mobipower.ru/).

На рис. 3.17 приведена выходная характеристика единичного фотоэлемента.

Рис. 3.17. Выходные характеристики единичного фотоэлемента

Что мы видим в графике на рис. 3.17? Самое главное, видно, что при стандартных условиях освещения (1000 Вт/м^2,25 °C и спектре 1.5) единичный фотоэлемент имеет рабочее напряжение 1,5 В и рабочий ток 300 мА, т. е. максимальную мощность 0,45 Вт.

Это позволяет нам уже по внешнему виду солнечной батареи сразу же узнать ее характеристики. Например, смотрим на солнечную батарею, скажем, 8 Вт, показанную на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Внешний вид гибкой освещенности батареи 8 Вт

Она состоит из двух ламинатов, в каждом из которых по 8 последовательных фотоэлементов. Поэтому рабочее выходное напряжение такой солнечной батареи будет 1,5 В х 8 шт. = 12 В (или 2 В х 8 шт. = 16 В если без нагрузки).

А рабочий выходной ток будет 300 мА х 2 панели = 600 мА (или 380 мА х 2= 760 мА при коротком замыкании). Реальная выходная мощность 0,45 Вт х 16 фотоэлементов = 7,2 Вт.

Примечание.

Все эти цифры получены для стандартных условий освещения, а это, приблизительно, — «лето, Крым, полдень, ясное небо».

Эти фотоэлементы имеют выходную мощность реально выше, чем указано на графике (рис. 3.17). Поэтому солнечная батарея, маркируемая как 8 Вт, имеет мощность не 7,2 Вт, а около 7,5 Вт, а батарея на 15 Вт — «честные» 15 Вт. Так что, фирма SunCharger указывает характеристики своих солнечных батарей «честно» (в отличие от распространенной практики, когда «путают» рабочие и максимальные характеристики, в результате чего «рекламная» мощность получается в полтора раза больше реальной).

Второе, что мы можем увидеть из графика рис. 3.17: при уменьшении пропорционально снижается выходной ток, но выходное напряжение при этом остается практически неизменным.

Это подтверждается и на практике, когда на слабом Солнце ток может упасть, например, в 50—100 раз, а напряжение снизится всего на пару вольт. Т. е. мы можем продолжать заряжать свои аккумуляторы, просто уменьшится скорость их зарядки, но процесс не прекратится. Это очень хорошее свойство данных батарей.

Следующий фактор, который часто беспокоит покупателей солнечных батарей — это как быстро они теряют свойства. Это опасение не случайно, многие «китайские» аморфные солнечные батареи могут потерять до трети своей мощности в первые же пару лет эксплуатации. Однако, фотоэлементы от «Кванта» практически не меняются со временем. Это прекрасно видно на графике на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Изменение выходной мощности от времени

Из графика видно, что в течение первых 10 недель лежания на солнце, происходит стабилизация характеристик фотоэлементов и в дальнейшем они практически не меняются. Сам производитель дает гарантию 18 лет на то, что элементы будут работать.

Главный технолог «Кванта», производящего солнечные батареи, рассказывал, что у них на крыше уже 14 лет стоят еще первые модели солнечных батарей на гибких фотоэлементах. Круглогодично. За эти годы их характеристики ухудшились всего на 4 %. Так что они еще прослужат лет 30, не меньше (Н: Носов http://mobipower.ru/).

Примечание.

Приятным бонусом для туристов, как для людей, использующих солнечные батареи лишь время от времени, является то, что в отсутствии Солнца процесс стабилизации практически не происходит, и получается, что в первые несколько лет эксплуатации мощность батареи будет выше номинальной на 5—75 %.

Следующим интересным свойством рассматриваемых солнечных фотоэлементов является то, что их коэффициент преобразования энергии света в электричество оказывается выше при малой освещенности, чем при максимальной.

Замечу, что не стоит пугаться относительно небольших значений КПД фотоэлементов из аморфного кремния — это их общее свойство. Это просто приводит к необходимости иметь площадь солнечной батареи большей, чем, если бы использовались фотоэлементы с большим значением КПД. Но на малых мощностях такое увеличение площади не играет большой роли, тем более, что батареи складные.

Интересной и полезной особенностью рассматриваемых солнечных батарей является их нелинейный коэффициент преобразования энергии солнца в электричество, аналог коэффициента полезного действия — КПД. А именно, при снижении освещенности КПД таких фотоэлементов не снижается, а возрастает. Т. е. в реальных условиях эксплуатации, которые могут быть весьма далеки от паспортных, такой фотоэлемент позволяет получить большее количество энергии по сравнению с другими типами (при одинаковой номинальной мощности солнечных батарей, естественно).

Также, не стоит забывать, что в горах и на севере, где в солнечном спектре повышенное количество ультрафиолета, гибкая солнечная батарея выдает еще больше тока, а кристаллическая — ультрафиолет практически использовать не может.

Рекомендуется использовать солнечные батареи в комплекте с электроникой:

♦ с импульсным стабилизатором;

♦ с накопителем на литиевых аккумуляторах «Вампирчик-Литий».

Солнечную батарею 4 Вт рекомендуется использовать для зарядки сотовых телефонов.

Для КПК, коммуникаторов, фотоаппаратов рекомендуется более мощная батарея на 6 Вт или 8 Вт.

Для нескольких потребителей (КПК, фото и т. д.), а также для ноутбуков, рекомендуется солнечная батарея на 11 Вт, 15 Вт или 24 Вт.

Солнечная батарея 24 Вт имеет более высокое выходное напряжение, которое равно «стандартному» для 12 В солнечных батарей, а именно 17–18 В (рабочее). Это может быть полезно при зарядке некоторых накопителей, для которых не подходят «низковольтные» батареи 8—15 Вт.

Также она подходит для прямой замены «12 В» кристаллических солнечных батарей.

Размер в сложенном виде у солнечной батареи 24 Вт на 25 % меньше, чем у батарей 8—15 Вт.

В завершении рассмотрим краткие характеристики

Общие для всех батарей. Складная конструкция. Рабочая температура -30…+ 50 °C. Выходной разъем круглый 5,5 мм / 2,1 мм. Встроенный обратный диод.

Солнечная батарея 4 Вт (SC-4/6). Выходная мощность: 4 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. Выходной рабочий ток: 0,66 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x195x6 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 405x195x6 мм. Вес 280 г.

Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/6). Выходная мощность: 6 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. Выходной рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x195x9 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 595x195x6 мм. Вес 410 г.

Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/9). Выходная мощность: 6 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 12 В, рабочее: 9 В. Выходной рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x270x8 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 420x270x4 мм. Вес 410 г.

Солнечная батарея 8 Вт (SC-8/12). Выходная мощность: 8 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x8 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 420x350x6 мм. Вес 460 г.

Солнечная батарея 11 Вт (SC-11/12). Выходная мощность: 11 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x9 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 630x350x6 мм. Вес 600 г.

Солнечная батарея 15 Вт (SC-15/12). Выходная мощность: 15 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x14 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 850x350x6 мм. Вес 930 г.

Солнечная батарея 24 Вт (SC-24/18). Выходная мощность: 23,5 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 21 В, рабочее: 18 В. Выходной рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 28x22,5x3 см. Габариты в раскрытом состоянии: 148x44x4 см. Вес 1,4 кг.

3.5. Солнечные электростанции промышленного производства

Солнечная электростанция башенного типа

В солнечных электростанциях башенного типа для преобразования в электроэнергию солнечного света используется вращающееся поле отражателей — гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Каждое зеркало управляется центральным компьютером, который ориентирует его поворот и наклон таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи всегда были направлены на приемник (http://howitworks.iknowit.ru/paperl185.html).

Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 °C (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Солнечная электростанция башенного типа

Недостатком любой солнечной станции является падение ее выдаваемой мощности в случае появления облаков на небе, и полное прекращение работы в ночное время. Для решения этой проблемы предложено использования в качестве теплоносителя не воду, а соли с большей теплоемкостью. Расплавленная Солнцем соль концентрируется в хранилище, построенного в виде большого термоса, и может использоваться для превращения воды в пар еще продолжительное время после того, как Солнце скроется за горизонтом.

Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65 %. При такой конструкции расплавленная соль закачивается из «холодного» бака при температуре 288 °C и проходит через приемник, где нагревается до 565 °C, а затем возвращается в «горячий» бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3—13 часов. На рис. 3.21 показана схема работы солнечной электростанции на расплавленных солях.

Рис. 3.21. Солнечная электростанция на расплавленных солях

Солнечная электростанция тарельчатого типа

СЭС тарельчатого типа представляют собой батарею тарелочных параболических зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 °C и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигатель-генераторе, соединенном с приемником (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Солнечная электростанция тарельчатого типа

Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал-двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. На этих установках удалось добиться практического КПД 29 %. Такие системы представляют собой оптимальный вариант как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном диапазоне), тарельчатого типа предприятии (http://portal.tpu.ru:7777/).

Рис. 3.23. Схема параболического концентратора

Солнечные электростанции, использующие параболические концентраторы

Параболоцилиндрические установки — на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Схема параболоцилиндиреской установки показана на рис. 3.23.

Солнечные пруды. Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Солнечный пруд

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности (http://www.energy-bio.ru/suncolll2.htm).

Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности.

Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество.

Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 °C в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт-ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки.

Аэростатные солнечные электростанции

Одним из основных сдерживающих факторов развития солнечной энергетики является проблема выбора места для размещения солнечных электростанций.

Мощность солнечного излучения на поверхности Земли при безоблачном небе составляет около 1 кВт/м^2. Для получения электроэнергии в промышленных масштабах необходимы мощности порядка миллиона киловатт. Это значит, что для промышленной солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия порядка 10 % и с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в течение суток необходима площадь в десятки квадратных километров (http://www.t3000.ru).

Площадка для размещения приемников солнечного излучения должна быть ровной, пригодной для обслуживания и ремонта оборудования, свободной от хозяйственной деятельности человека.

Найти подходящую площадку, удовлетворяющую этим требованиям, чрезвычайно сложно даже в пустынях Австралии и Северной Африки, не говоря уже о густонаселенных странах Европы и Азии.

Идеальным решением этой проблемы является размещение солнечных электростанций на поверхности морей и океанов, площадь которых в пять раз больше, чем площадь суши. Однако, традиционные солнечные электростанции не пригодны для морского базирования.

Ситуация коренным образом изменилась после изобретения солнечных аэростатных электростанций («Энергия», № 4, 2005). Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции приведена на рис. 3.25.

Рис 3.25. Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции

Принцип работы солнечной аэростатной электростанции с паровой турбиной заключается в поглощении поверхностью баллона аэростата солнечного излучения и нагрева за счет этого водяного пара, находящегося внутри баллона. Современные селективные поглощающие материалы способны нагреваться от прямых неконцентрированных солнечных лучей до 200 °C и более.

Оболочка баллона выполнена двухслойной. Внешняя оболочка является прозрачной и пропускает солнечное излучение. Внутренняя оболочка покрыта селективным поглощающим слоем и разогревается солнечным излучением до 150–180 °C.

Слой воздуха между оболочками является теплоизолятором, уменьшающим потери тепла в атмосферу.

Температура пара внутри баллона составляет 130–150 °C. Давление внутри баллона равно атмосферному давлению.

Из баллона пар по гибкому паропроводу подается на паровую турбину, и после турбины конденсируется в конденсаторе. Из конденсатора вода насосом вновь подается внутрь баллона, распыляется и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.

Основным достоинством паровой аэростатной установки является то, что запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости аэростата, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток.

Из-за подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет теплообмена с окружающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата уменьшится на 10–20 %, что не влияет на положении аэростата. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением происходит генерация пара не только для работы паровой турбины, но и для восполнения запаса водяного пара во внутренней полости аэростата.

Мощность турбогенератора можно совершенно безболезненно изменять в течение суток в соответствии с нуждами потребителя.

При атмосферном давлении плотность наружного воздуха равна 1,3 кг/м^3, а плотность водяного пара внутри баллона равна 0,6 кг/м^3. Таким образом, подъемная сила одного кубического метра баллона составляет 0,7 кг/м^3.

Аэростатная электростанция типа СА

В настоящее время разработана серия солнечных аэростатных электростанций типа СА среднесуточной номинальной мощностью 300–450 кВт, 1200–1800 кВт и 2700–4000 кВт (мощность меняется в зависимости от времени года). Рассмотрим СА-200.

Технические характеристики электростанции СА-200:

♦ внутренний диаметр баллона, м… 200;

♦ среднесуточная номинальная мощность при 8-часовом суточном солнечном освещении, кВт… 1200;

♦ среднесуточная номинальная мощность при 12—часовом суточном солнечном освещении, кВт…1800;

♦ масса баллона, т…120;

♦ подъемная сила баллона, т… 280;

♦ температура пара на входе в турбину, °С… 120;

♦ термический КПД электростанции… 0,13.

Прозрачная оболочка выполнена из полиэстровой пленки (рис. 3.26). Полиэстровая пленка отличается высокой прозрачностью, прочностью, долговечностью и не мутнеет в течение всего срока эксплуатации установки. Для поглощающего слоя используется селективное покрытие, коэффициент поглощения которого в солнечном спектре составляет 0,95, а коэффициент собственного излучения при рабочей температуре покрытия 0,03.

Рис. 3.26. Солнечная аэростатная электростанция СА-200

а — конструкция; б — внешний вид

Поглощающее покрытие представляет собой систему каналов и клапанов, по которой с помощью газодувки мощностью 50 кВт прокачивается водяной пар.

Работа системы клапанов организована таким образом, что пар движется только по каналам, освещенным солнцем.

Внутренняя часть баллона изолирована от атмосферного воздуха многослойной пленочной теплоизоляцией толщиной 1 метр.

Многослойная пленочная теплоизоляция при малой массе обладает высокой теплоизолирующей способностью. Потери тепла за счет теплообмена с атмосферным воздухом составляют не более 10 % за сутки. Таким образом, многослойная оболочка баллона является термическим полупроводником, который «закачивает» тепловую энергию внутрь баллона.

Пленочные конструкции раскреплены к каркасу из капроновых канатов. Конструкция рассчитана на ураганный ветер скоростью до 50 м/с. Солнечные аэростатные электростанции серии СА предназначены для размещения в районах с количеством солнечных дней в году не менее трехсот. Это район Средиземного моря, Северная Африка, Ближний и Средний Восток, Средняя Азия, район Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия и другие подобные регионы.

Однако наиболее перспективным представляется морское базирование подобных электростанций. В этом случае открывается возможность полного энергообеспечения многих стран исключительно за счет солнечной энергии.

Неплохие перспективы в этом случае открываются и для России. Использование в Каспийском и Черном морях площади 20 000 квадратных километров для размещения солнечных электростанций позволит полностью покрыть потребности европейской части России в электроэнергии.

Глава 4

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ РЕК

4.1. Большие и малые гидроэлектростанции

Что такое гидроэнергетика

Определение.

Гидроэнергия — энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды.

До середины XIX века для этого применялись водяные колеса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидротурбины.

До конца XIX века энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например:

♦ для размола зерна на водяных мельницах;

♦ для приведения в действие кузнечных мехов и молота.

Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье (в виде водяной турбины). Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся.

Примечание.

Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году.

Сейчас практически вся механическая энергия, создаваемая гидротурбинами, преобразуется в электроэнергию.

Альтернативной энергетике последнее время уделяется пристальное внимание во всем мире. Заинтересованность в использовании возобновляемых источников энергии — ветра, солнца, морского прилива и речной воды, — легко объяснима: нет нужды закупать дорогостоящее топливо, имеется возможность использовать небольшие станции для обеспечения электроэнергией труднодоступных районов. Последнее обстоятельство особенно важно для стран, в которых имеются малонаселенные районы или горные массивы, где прокладка электросетей экономически нецелесообразна.

Плотина

Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины.

Определение.

Плотина — это массивная перемычка, цель которой удерживать водный поток, это незаменимый инструмент при практическом использовании водных ресурсов.

Кстати, в течение долгого времени теории строительства плотин не существовало. Только в 1853 году французский инженер Сазилли обосновал некоторые теоретические постулаты. Плотины обеспечивают повышение уровня воды в реке или ее отвода. В последнем случае плотины обеспечивают судоходство или орошение земель.

Плотины могут отличаться в зависимости от конструкции и разделяться на две группы:

♦ гравитационные плотины выглядят как каменные или бетонные заграждения и препятствуют поступлению воды своим весом;

♦ арочные плотины выполняют свои обязанности благодаря особой конструкции.

Успешное функционирование арочных плотин зависит от трех показателей:

♦ сопротивления вертикальных элементов сооружения;

♦ массы и особенностей арочной конструкции, которая опирается на береговые устои.

При возведении плотины необходимо учитывать воздействие некоторых внешних факторов. Это так называемые сдвигающие силы, появление которых обусловлено воздействием воды, ветра, ударами

волн, перепадами температуры. Пренебрежение строителей к вышеперечисленным факторам может привести к разрушению плотины. Поэтому производятся определенные расчеты, позволяющие воспрепятствовать негативному действию сдвигающих сил.

Например, горизонтальная составляющая давления воды увеличивается с глубиной и равна:

Pгop = w∙h

где w — вес единицы объема воды; h — глубина.

Очень важно и вместе с тем достаточно сложно точно рассчитать фильтрационное давление, которое воздействует на подошву конструкции из-за того, что под нее просачивается вода. Чтобы определить степень вероятности таких процессов, необходимо проведение исследований. При этом многое зависит от грунтового ложа. Если фундамент плотины установлен на гальке, речном песке, пористой породе, то давление на основание конструкции будет равно полному гидростатическому напору.

В том случае, когда основание плотины соединено со скальными породами при помощи цемента и щели практически отсутствуют, можно получить давление, равное всего лишь 10–40 процентам гидростатического напора.

Принцип работы гидроэлектростанции

Преимущества гидроэлектростанций очевидны:

♦ постоянно возобновляемый самой природой запас энергии;

♦ простота эксплуатации;

♦ отсутствие загрязнения окружающей среды.

Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса (http://www.apxu.ru).

Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала Земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию (http://ru.teplowiki.org/).

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема плотины ГЭС

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Таким образом, в гидроэлектростанции кинетическая энергия падающей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем — в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней. Иногда используется трубопровод, чтобы подвести воду, находящуюся под давлением, ниже уровня дамбы или к водозаборному гидроузлу гидроэлектростанции (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Структурная схема работы ГЭС

Мощность гидроэлектростанции определяется, прежде всего, по функции двух переменных:

♦ расход воды, выраженный в кубических метрах в секунду (м^3/с);

♦ гидростатический напор, который является разностью высот между начальной и конечной точкой падения воды.

Проект станции может основываться на одной из этих переменных или на обеих.

Примечание.

С точки зрения превращения энергии, гидроэнергетика — технология с очень высоким КПД, зачастую превышающем более чем в два раза КПД обычных теплоэлектростанций.

Причина в том, что объем воды, падающий вертикально, несет в себе большой заряд кинетической энергии, которую можно легко преобразовать в механическую (вращательную) энергию, необходимую для производства электричества.

Оборудование для гидроэнергетики достаточно хорошо разработано, относительно простое и очень надежное. Поскольку никакая теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса горения), оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случаются сбои. Срок службы ГЭС — более 50 лет. Многие станции, построенные в двадцатые годы XX века — первый этап расцвета гидроэнергетики — все еще в действии.

Так как всеми существенными рабочими процессами можно управлять и контролировать их дистанционно через центральный узел управления, непосредственно на месте требуется небольшой технический персонал. В настоящее время накоплен уже значительный опыт по работе гидроэлектростанции мощностью от 1 кВт до сотен мегаватт.

График нагрузки определенного района или города, который представляет собой изменение во времени суммарной мощности всех

потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одно время суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другое время часть генераторов или электростанций может быть отключена или может работать с уменьшенной нагрузкой.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

♦ мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;

♦ средние — до 25 МВт;

♦ малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Гидроаккумулирующая электростанция

Задачу снятия пиков потребления энергии решают гидроакумулирующие станции (ГАЭС), работая следующим образом. В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальная, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных «пиков» — максимальных значений нагрузки — ГАЭС работает в генераторном режиме и тратит накопленную в верхнем водохранилище воду.

ГАЭС стали особенно эффективными после появления оборотных гидротурбин, которые выполняют функции и турбин, и насосов. Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым относительно этих станций понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме.

Экономия топлива при использовании ГАЭС достигается за счет догрузки теплового оборудования для зарядки ГАЭС. При этом потребляется меньше топлива, чем для производства пиковой электроэнергии на ТЭС или газотурбинной электростанции. Кроме того, режим ее зарядки оказывает содействие введению в эксплуатацию базовых электростанций, которые будут вырабатывать энергию с меньшими удельными затратами топлива.

Первые ГАЭС в начале XX ст. имели КПД, не больше 40 %, в современных ГАЭС КПД составляет 70–75 %. К преимуществам ГАЭС, кроме относительно высокого значения КПД, относится также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных гидроэлектростанций, здесь нет необходимости перекрывать речки, строить высокие дамбы с длинными туннелями и т. п.

Принцип действия (аккумулирования) гидроаккумулирующей станции заключается в преобразовании электрической энергии, получаемой от других электростанций, в потенциальную энергию воды. При обратном преобразовании накопленная энергия отдается в энергосистему главным образом для покрытия пиков нагрузки (подробности на http://pusk.by/bse/).

Гидротехнические сооружения ГАЭС (рис. 4.3) состоят из двух бассейнов, расположенных на разных уровнях, и соединительного трубопровода. Гидроагрегаты, установленные в здании ГАЭС у нижнего конца трубопровода, могут быть:

♦ или трехмашинными, состоящими из соединенных на одном валу обратимой электрической машины (двигатель-генератор), гидротурбины и насоса;

♦ или двухмашинными — обратимая электромашина и обратимая гидромашина, которая в зависимости от направления вращения может работать как насос или как турбина. В конце 1960-х гг. на вновь вводимых ГАЭС стали устанавливать более экономичные двухмашинные агрегаты.

Рис. 4.3. Гидроаккумулирующая электростанция:

а — вертикальный разрез; б — план

Электроэнергия, вырабатываемая недогруженными электростанциями энергосистемы (в основном в ночные часы суток), используется ГАЭС для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в верхний, аккумулирующий бассейн. В периоды пиков нагрузки вода из верхнего бассейна по трубопроводу подводится к гидроагрегатам ГАЭС, включенным на работу в турбинном режиме. Выработанная при этом электроэнергия отдается в сеть энергосистемы, а вода накапливается в нижнем водоеме.

Количество аккумулированной электроэнергии определяется емкостью бассейнов и рабочим напором ГАЭС. Верхний бассейн ГАЭС может быть искусственным или естественным (например, озеро); нижним бассейном нередко служит водоем, образовавшийся вследствие перекрытия реки плотиной.

Одно из достоинств ГАЭС состоит в том, что они не подвержены воздействию сезонных колебаний стока. Гидроагрегаты ГАЭС в зависимости от высоты напора оборудуются поворотно-лопастными, диагональными, радиально-осевыми и ковшовыми гидротурбинами.

Время пуска и смены режимов работы ГАЭС измеряется несколькими минутами, что предопределяет их высокую эксплуатационную маневренность. Регулировочный диапазон ГАЭС, из самого принципа ее работы, близок двукратной установленной мощности, что является одним из основных ее достоинств.

Способность ГАЭС покрывать пики нагрузки и повышать спрос на электроэнергию в ночные часы суток делает их действенным средством для выравнивания режима работы энергосистемы и, в частности, крупных паротурбинных энергоблоков. ГАЭС могут быть с суточным, недельным и сезонным полным циклом регулирования.

Наиболее экономичны мощные ГАЭС с напором в несколько сотен метров, сооружаемые на скальном основании. Общий КПД ГАЭС в оптимальных расчетных условиях работы приближается к 0,75; в реальных условиях среднее значение КПД с учетом потерь в электрической сети не превышает 0,66.

ГАЭС целесообразно строить вблизи центров потребления электроэнергии, т. к. сооружение протяженных линий электропередачи для кратковременного использования экономически не выгодно. Обычный срок сооружения ГАЭС около 3 лет.

Малые и микрогидроэлектростанции

Малые гидроэлектростанции обычно обладают всеми преимуществами больших ГЭС, но при этом предоставляют возможность подавать энергию децентрализовано. Кстати малые ГЭС выгодно отличаются и отсутствием некоторых недостатков, присущих большим станциям. Это, например, уменьшение или полное отсутствие негативного влияния на окружающую среду.

Малая энергетика позволяет каждому региону использовать собственные ресурсы. На сегодняшний день в мире эксплуатируется несколько тысяч малых гидроэлектростанций. Малые станции производят электроэнергию в тех случаях, когда уровень воды в реке достаточен для этого. Если малая гидроэлектростанция дополнена аккумуляторной системой, то существует возможность накопления полученной энергии, что помогает избежать перебоев в подаче электричества. Особый интерес малая гидроэнергетика представляет для развивающихся стран, поскольку не требует сложного и дорогостоящего оборудования.

В России зоны децентрализованного энергоснабжения составляют более 70 % территории страны. До сих пор у нас можно встретить населенные пункты, в которых электричества не было никогда. Причем не всегда это поселения Крайнего Севера или Сибири. Электрификация не затронула, например, некоторые уральские поселки — края, который вряд ли назовешь неблагополучным с точки зрения энергетики.

Между тем, электрификация отдаленных и труднодоступных населенных селений — дело не такое уж и сложное. Так, в любом уголке России найдется речка или ручей, где можно установить микроГЭС.

Малые и микроГЭС — объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт).

Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5 лет).

Поэтому разумен курс на использование именно малых и микрогидроэлектростанций в связи с тем, что они:

♦ являются альтернативным, надежным и экологически чистым источником электрической энергии;

♦ просты в изготовлении;

♦ не загрязняют водоемы и окружающую среду;

♦ имеют максимально упрощенную конструкцию с минимальным числом регулирующих органов.

♦ полностью автоматизированы, т. е. не требуют присутствия человека при эксплуатации;

♦ требуют минимум затрат на установку и обслуживание в процессе эксплуатации;

♦ вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, т. е. вне электросети энергосистемы области, так и в составе этой электросети;

♦ полный ресурс работы станции — не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта).

Примечание.

Ну а главное достоинство: объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

По характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разделить на следующие категории:

♦ новые русловые или приплотинные станции с небольшими водохранилищами;

♦ станции, использующие скоростную энергию свободного течения рек;

♦ станции, использующие существующие перепады уровней воды в самых различных объектах водного хозяйства — от судоходных сооружений до водоочистных комплексов.

Использование энергии небольших водотоков с помощью малых ГЭС является одним из наиболее эффективных направлений развития возобновляемых источников энергии и в нашей стране.

Примечание.

МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте.

Гидроагрегат малой ГЭС (МГЭС) состоит из турбины, генератора и системы автоматического управления.

Гидроагрегат состоит из трех частей:

♦ энергоблока;

♦ водозаборного устройства;

♦ устройства автоматического регулирования.

Используются микроГЭС как источники электроэнергии для дачных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небольших производств в труднодоступных районах — там, где прокладывать сети невыгодно.

Примечание.

Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики в нашей стране превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, Солнце и биомасса, вместе взятых.

В настоящее время он определен в размере 60 млрд. кВт-ч в год. Но используется этот потенциал крайне слабо: всего на 1 %. Не так давно, в 1960-х годах, у нас действовало несколько тысяч МГЭС. Сейчас — всего лишь несколько сотен — сказались результаты перекосов в ценовой политике и недостаточное внимание к совершенствованию конструкций оборудования, к применению более совершенных материалов и технологий.

Природа дает нам самый неприхотливый способ добычи энергии. Увы, мы им почти не пользуемся. Остается только надеяться, что в дальнейшем, при развитии малого производства, необходимость в использовании энергии бесчисленного количества естественных водоемов России все-таки возникнет.

4.2. Создаем гидроэлектростанции своими руками

Самодельная ГЭС без плотины

Рассмотрим конструкцию: на длинном стальном тросе, перекинутом с одного берега речки на другой, укреплена гирлянда гидророторов. Поток воды вращает их, а вместе с ними и трос. Если соединить конец троса с генератором постоянного тока, генератор начнет вырабатывать электричество. А если к тросу присоединить вал насоса, он будет еще и качать воду на приусадебный участок, огород, бахчу рис. 4.4.

Рис. 4.4. Электростанция на гидророторах

Мощность такой самодельной «ГЭС» зависит не только от скорости течения реки, но и от числа гидророторов, их размеров. Следовательно, присоединяя к тросу дополнительные пары гидророторов, мы можем пропорционально ее увеличивать.

В данном случае рассмотрен движитель, который будет вращать генератор от легкового автомобиля. Напряжение, вырабатываемое генератором, — 12 В, а мощность — до 150 Вт.

Готовимся к постройке гидростанции. Прежде чем приступать к постройке гидростанции, подберите генератор. Заготовьте материалы: трос, доски, кровельное железо, стальной пруток и полосы.

Совет.

Заранее подберите место, где будет установлена электростанция. Желательно, чтобы это был прямой участок реки с чистыми, не заросшими кустарником берегами.

На выбранном участке длиной 15–20 м наметьте два поперечных створа и, пользуясь поплавком, например, щепкой, определите скорость течения. Бросьте поплавок в воду немного выше верхнего створа и по секундомеру отсчитайте время, за которое плавок проплывет расстояние от верхнего створа до нижнего.

Бросая поплавок на разное расстояние от берега, сделайте несколько таких замеров. А потом подсчитайте среднюю скорость течения реки. Если она не меньше 0,8 м/с, смело приступайте к строительству.

Длину троса вам подскажет ширина реки. Все остальные узлы и детали даны на рис. 4.4. Подробности см. на http://www.audens.ru/ или в приложении к журналу «Юный техник» № 6 — 1982 г.

Каждый гидроротор состоит из двух полуцилиндров, ограниченных дисками и смещенных относительно друг друга. Гидророторы попарно прикреплены к тросу. В каждой паре один гидроротор повернут относительно другого на угол 90°. Это сделано для того, чтобы получить равномерное вращение каждой пары, иначе трос будет закручиваться рывками. Трос все время растянут и в таком положении передает вращение на генератор, находящийся на берегу.

Береговые опоры — это доски и короткие бревна, врытые в грунт и связанные между собой стальными полосами (рис. 4.4). На одном берегу на такой опоре устанавливают генератор с редуктором (см. левую половину рисунка), а на другом — свободную опору с упорным подшипником и крюком, которые позволяют тросу вращаться.

Конец троса, идущий к генератору, перекинут через ролик и закреплен. Ролик крепится к выходному валу редуктора тоже крюком.

Установленная поперек течения речки гирлянда держится на поверхности, почти не выступая над ней.

Когда нужно снять гирлянду, вынимают чеку из отверстия в крюке и снимают узел упорного подшипника вместе с концом троса. Снятую гирлянду укладывают по течению речки вблизи от берега.

Внимание.

Во избежание несчастного случая необходимо помнить, что в момент снятия гирлянды с крюка трос раскручен не полностью. Только через 20–30 с после сброса гирлянды его можно брать в руки.

Изготовление деталей и узлов самодельной ГЭС. Трос играет роль гибкого вала. Он металлический, диаметром 10 мм. Его длина должна быть процентов на 10–15 больше ширины речки. Трос должен иметь законцовки: на одну опирается упорный подшипник, установленный на свободной опоре, через вторую на трос надеваются гидророторы. Обе законцовки пропаиваются оловом или твердым припоем.

Начинать следует с конца троса, через который надеваются гидророторы. Прежде всего, покрепче стяните его тремя витками стальной проволоки диаметром 0,2–0,5 мм, чтобы он не расплелся. Прежде чем пролудить конец троса, опустите его в бутыль с паяльной кислотой (соляная кислота, травленная цинком), а затем — в тигель с расплавленным оловом.

Внимание.

Работу проводите в защитных очках и фартуке.

Операцию повторите 2–3 раза, пока не образуется сплошная пленка припоя. Лишь после этого снимите витки проволоки и конец опилите до диаметра троса. Наконечник закруглите, чтобы его было удобнее продевать через диски гидророторов.

Под второй конец троса на токарном станке выточите втулку, внутренний диаметр которой равен диаметру троса, а толщина стенки — 1,5–2,5 мм. Вставьте во втулку стальной стержень, и в таком виде зажмите в тисках. Заостренным концом молотка короткими, но не сильными ударами отогните борта втулки на 45°. Затем наденьте ее на конец троса и, чтобы она пока не мешала, продвиньте немного вперед. Каждую проволочку троса на длине 20 мм согните вдвое и пролудите. Трос готов.

Узел упорного подшипника состоит из обоймы, подшипника и крепежной скобы. Обойму подшипника лучше изготовить из водопроводной трубы, внутренний диаметр которой равен диаметру упорного подшипника. Длина отрезка трубы 135 мм. С одного конца заложите в нее оправку, равную внутреннему диаметру трубы, и на наковальне или на толстой плите ударами молотка сплющите (лучше предварительно трубу разогреть докрасна). Затем просверлите отверстия диаметром 12,5 и диаметром 4,2 мм и закруглите края напильником. Упорные подшипники подберите готовые, от старых авто- или сельскохозяйственных машин.

Крепежную скобу сделайте из стальной проволоки диаметром 6 мм. Разрежьте ее на куски длиной по 60 мм и запилите концы. Потом плашкой нарежьте резьбу М6 на длину 10 мм. Полученный стержень согните — скоба готова. Скобу упорного подшипника делают так же.

Порядок сборки. Наденьте на трос подшипник и продвиньте его до упора (до втулки). Вложите его в обойму и скрепите крепежной скобой. Чтобы в подшипник не попадал песок, между ним и скобой проложите фетровую прокладку.

Гидроротор состоит из пар дисков и полуцилиндров, изготовленных из кровельного железа толщиной 0,5–0,8 мм. Начнем с того, как делать диски. На листе кровельного железа прочертите окружности. По рискам ножницами по металлу аккуратно вырежьте заготовки, а потом, чтобы увеличить жесткость и, кроме того, не порезаться, согните в два приема края заготовок. Сначала под прямым углом заготовка станет похожей на крышку от коробки из-под гуталина. Затем в тисках отогните борта молотком полностью. Получится утолщенная кромка.

Вырезать прямоугольные заготовки для полуцилиндров не составит труда. Дополнительную прочность им придадут стальные спицы диаметром 3 мм, которые надо закатать в края. Как это делается, показано на http://www.audens.ru/ или в приложении к журналу «Юный техник» № 6 — 1982 г. Кроме того, боковые края заготовок надрежьте до штриховых линий и согните на оправке под углом 90°. А потом на круглом полене 0 80—100 мм согните заготовки в полуцилиндры.

Полуцилиндры и диски скрепите между собой заклепками, винтами или точечной сваркой. Гидророторы готовы. Но прежде чем надевать их на трос, сделайте прорезные накладки и скобы.

Прорезная-накладка — это диск, диаметр которого меньше диаметра диска ротора. Изготовление накладок аналогично изготовлению дисков. Все заготовки должны иметь центральное отверстие, через которое проходит трос, и паз для скоб. Чтобы получить паз, сначала расширьте половину центрального отверстия готовой заготовки полукруглым напильником до окружности 0 16 мм, а потом сделайте в дисках пропилы длиной 18 мм.

Но так как обычное ножовочное полотно в такое отверстие не пройдет, сточите его на наждаке под ширину 15 мм. Ширину паза расширьте надфилем до размера 2,8 мм.

Скобы 70x40 мм вырежьте из стальной полосы толщиной 2,5 мм. Вдоль продольной оси каждая скоба должна иметь полукруглый паз глубиной 4 мм. Чтобы его было проще сделать, нагрейте заготовку на огне до красного каления, положите на тиски и через накладку ударами молотка осадите металл до требуемой глубины.

Соединение гидророторов. Гидроротор со скобой входит в вырез накладки. В каждой паре, напоминаем, один из гидророторов должен быть развернут на 90°. Трос жестко притянут болтовой дужкой к стягивающей скобе. Осевое перемещение прицепного гидроротора ограничено мягкой проволокой, которая одной стороной продета в дужку; а второй закреплена на шайбе. Такое соединение обеспечивает передачу мощности с гидророторов на трос, а также необходимую свободу при перемещении одного гидроротора относительно другого.

Крюки изготовьте из стального прутка диаметром 16 мм. Прежде чем сгибать заготовку, нагрейте ее. В крюке ролика просверлите отверстие диаметром 2 мм под шплинт; в крюке упорного подшипника — диаметром 4,2 мм под чеку.

Ролик выточите на токарном станке или склепайте из трех дисков — одного толщиной 10 мм и двух других — по 3 мм. Материал — сталь, латунь.

Кол выстругайте из твердого дерева и набейте на него стальные кольца — отрезки трубы с внутренним диаметром 28 мм. Вместо деревянного кола можете взять отрезки стальных труб, вбив в них заглушки с наконечниками, как показано на рис. 4.4.

Устройство передачи. Трос должен вращаться со скоростью 3–4 оборота в секунду. Генератор же может вырабатывать электрический ток при 1000–1500 оборотах в минуту. Чтобы получить такую частоту вращения на генераторе, нужен повышающий редуктор с передаточным отношением от 5 до 10. Его можно сделать самим или приобрести в магазине.

Практические советы. Вы изготовили детали, собрали узлы и, наконец, установили их на береговых опорах. Через реку перекинули трос с гидророторами — электростанция начала вырабатывать электрическую энергию. Немного, всего 150 Вт, но и этого количества вполне хватит, чтобы в полный накал горело несколько лампочек, рассчитанных на рабочее напряжение 12 В. А вот как быть, если вам потребуется мощность в несколько раз большая, например, для питания насоса с электрическим приводом? Тогда можно собрать несколько таких электростанций. Разумеется, на воде гирлянды следует установить параллельно и на некотором отдалении друг от друга. Также параллельно подсоедините проводники от генераторов к линии электропередачи.

Гирляндная миниГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом своими руками

Рассмотрим конструкцию простой тросовой гирляндной миниГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока течения реки. Ее предложил академик, д.т.н. Дудышев В. Д. на http://energyftiture.ru/mini-ges-svoimi-rukami. На рис. 4.5 показана, упрощенная конструкция такой минигидроэлектростанции.

В качестве гидроколес (роторов) в тросовом гидроприводе миниГЭС можно использовать несколько «крыльчаток», изготовленных из тонкого металлического листа, диаметром около полуметра, по типу детской игрушки — пропеллера из квадратного листа бумаги. В качестве гибкого вала целесообразно использовать обычный стальной трос диаметром 10–15 мм.

Рис. 4.5. Минигидроэлектростанция

Ориентировочные расчеты показывают, что от такой тросовой ГЭС, можно получить с одного гидроколеса до 1,5–2,0 кВт, при течении реки около 2,5 м/с!

Если опоры с подшипниками и электрогенератором установить на дно реки, и подшипники с генератором поднять выше уровня реки, а все это сооружение разместить по оси течения, то результат, практически будет тот же. Эта схема целесообразно применяется для очень «узких речек», но с глубиной более 0,5 м. Тепловую энергию в такой ГЭС можно получить путем подключения электронагревателей к электрогенератору.

Роторы гирляндной ГЭС, как правило, располагаются в ядре потока (на 0,2 глубины от поверхности летом и 0,5 глубины от поверхности льда зимой). Глубина реки в месте установки гирляндной ГЭС не превышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м вполне возможно использовать роторы, расположенные в два ряда.

Речная электростанция

Речную электростанцию (РЭС) создал и описал Рогозин М. Н. (http://www.rosinmn.ru/gidro)

Устройство. Речная электростанция (рис. 4.6) содержит корпус цилиндрической формы с размещенной внутри его гидротурбиной. Корпус с гидравлическим аккумулятором неподвижно установлен в земляном или бетонном основании. Гидротурбина посредством вала кинематически связана с электрогенератором. Речная электростанция также содержит водозаборник в форме корытообразной прямоугольной призмы, который снабжен шлюзовым отсеком (шлюзом) и обводным каналом — водоводом, содержащим не менее двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы.

Рис. 4.6. Схема речной электростанции

Корпус РЭС выполнен цилиндрической формы из высокопрочного, устойчивого к химическим средствам материала, например из чугуна, железобетона, керметных материалов. Диаметр корпуса выбирается с учетом требуемых гидроэнергетических параметров водяного потока, размеров гидротурбины, величины номинальной мощности. РЭС и может составлять величину 2—10 м.

Водозаборник РЭС представляет корытообразную прямоугольную призму. Он выполнен из устойчивого к химическим средам материала, например, из железобетона, синтетических полимеров. Его габариты зависят от размеров реки, на которой он устанавливается.

В его центральной стене, на которую воздействует речной поток, установлен шлюз стандартной конструкции. Шлюз обеспечивает сброс лишней воды весной во время половодий и в момент сильных дождей.

В нижней части центральной стены размещен водовод, нижняя стенка которого размещена на уровне дна водозаборника. Водовод в сечении по ширине выполнен замкнутым эллипсообразным с неизменным сечением и горизонтальным расположением большой оси эллипса, изготовлен из железобетона или синтетики и снабжен со стороны центральной стены водозаборника фильтром — защитной сеткой (на фигурах не показано). Толщина дна, боковых стен и центральной стены водозаборника зависят от его размеров и составляют от 0,5 до 1 м. Водовод неизменной эллиптической формы и сечения расчленяется на магистрали цилиндрической формы, число которых не менее двух.

Площадь сечения и длина вывода зависят от глубины речного потока, его ширины, мощности РЭС. Большая ось эллиптического сечения у центральной стены составляет 10–30 м, а малая ось — 2…6 м. Длина эллиптической части водовода составляет 0,2–0,5∙l, где l — общая длина водовода с магистралью и соплом.

Длина расчлененных магистралей зависит от места расположения корпуса РЭС и составляет 0,2–0,4/. Магистрали сопрягаются с соплами, выполненными эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте.

В корпусе РЭС в зоне размещения лопаток гидротурбины по образующей размещены тангенциально сопла магистралей, которые сдвинуты друг относительно друга в плоскости образующей на одинаковые расстояния или угла а = 180°, 120°, 90°, 45° и установлены большой осью эллиптического сечения вертикально. Экспоненциальное сечение сопл и вертикальная установка их большой осью в корпусе РЭС обеспечивает максимальное повышение гидродинамических свойств водяного потока и скорости его течения.

Сопла эллиптического сечения сужаются по пологой экспоненте, являются продолжением зоны гидродинамического ускорения речной воды, их длина составляет 5—15 м, а их большая эллиптическая ось равна 0,5–3 м. Экспоненциальное сужение сопла может быть заменено коническим сужением.

Корпус РЭС нижним основанием сопряжен с гидравлическим аккумулятором, верхняя часть корпуса которого выполнена в виде усеченного пустотелого конуса и сопряжена большим основанием со второй своей частью в форме полусферического пустотелого тела вращения.

Такая конструкция гидравлического аккумулятора воспринимает вращение создаваемого соплами потока и образует маховик, что обеспечивает оптимальное вращение водяного потока на требуемых оборотах, его резкое ускорение вверх без затухания вращательного движения водяного потока в корпусе РЭС. Гидравлический аккумулятор также выполнен из прочного, устойчивого к агрессивным средам материала. Соотношение конической и сферической частей гидравлического аккумулятора составляет 3:1–1:1. Корпус РЭС смонтирован с гидротурбиной на земляном или бетонном основании вертикально.

Водовод со стороны водозаборника сопряжен внутренней стороной с центральной стеной водозаборника овальной кривой для получения оптимального коэффициента истечения m на уровне m = 0,9. Аналогично наружные кромки сопл выполнены полукруглыми.

Гидротурбина стандартного типа с вертикальным расположением лопастей размещена вертикально в верхней части корпуса РЭС на подшипниках-опорах требуемых габаритов и мощности. На шейке вала гидротурбины может быть размещен гидравлический метатель (на рис. 4.7 не показан), который выполнен в виде сегнерового колеса. Это дополнительно повышает крутящий момент на валу гидротурбины, то есть ее мощность. Выше гидротурбины на корпусе РЭС размещены выпускные сопла, выше уровня речной воды, через которые осуществляется слив прошедшего через гидротурбину водяного потока в сливной канал.

Электрогенератор смонтирован на верхнем сечении корпуса и выбран стандартной формы на заданную мощность. Для обеспечения нормальной скорости вращения ротора электрогенератора он может содержать редуктор, связанный с валом гидротурбины.

Работа речной электростанции. Речная электростанция работает следующим образом (рис. 4.7). При размещении РЭС на малой реке с достаточно высокими берегами в водозаборнике накапливается уровень речной воды и создается по уровню водовода водяной напор. Вследствие тангенциального размещения сопел происходит преобразование поступательного движения водяного потока в цилиндрическом корпусе. Получив от гидравлического аккумулятора вращательно-поступательные движения, вращающийся водяной поток в цилиндрическом корпусе воздействует на лопатки гидротурбины, заставляя ее вращаться с заданной скоростью.

Рис. 4.7. Сечение корпуса и водовода ГЭС

Вал гидротурбины приводит во вращение ротор электрогенератора с требуемой скоростью, которая при необходимости корректируется редуктором.

Происходит непрерывная выработка электрической энергии электрогенератором. Избытки накопленной в водозаборнике речной воды по сверхдопустимому уровню непрерывно отводятся шлюзом в продолжение русла реки.

В результате того, что корпус РЭС цилиндрической формы смонтирован вертикально, снабжен гидравлическим аккумулятором в виде пустотелого конуса, сопряженного большим основанием с пустотелой замкнутой полусферой. При этом водовод содержит не более двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте. Следует отметить, что сопла размещены концентрично по корпусу и расположены тангенциально по вертикали большей эллиптической осью, решается поставленная техническая задача.

В сравнении с прототипами и аналогами упрощается конструкция речной электростанции, повышается ее КПД, оптимально используется энергия малых рек.

Созданная речная электростанция, ширина водозаборника которой составляет 20 м, высота 3 м, диаметр магистралей до 2 м и большая ось эллиптического сечения сопел составила 1,5 м, позволяет генерировать энергию 300–800 кВт. При этом ее КПД больше чем в 1,5 раза превышает КПД речных электростанций-аналогов.

4.3. Выбираем и устанавливаем малые гидроэлектростанции

О производителях малых ГЭС

В 1990-х годах в связи с сокращением объемов крупного гидроэнергетического строительства в России частично переориентировали свое производство на нужды малой гидроэнергетики:

♦ АО «ЛМЗ» и АО «НПО ЦКТИ» (г. Санкт-Петербург);

♦ АО «Тяжмаш» (г. Сызрань) и др.

Одновременно возникли, в том числе, в рамках конверсии, малые предприятия и акционерные компании, производящие оборудование для МГЭС. Среди них наиболее известны:

♦ АО «МНТО Инсет» и НПЦ «Ранд» (г. Санкт-Петербург);

♦ АО «Напор», АО «НИИЭС», АО «Энергомаш» (Москва).

В числе поставщиков оборудования следует отметить также региональные организации, входившие когда-то во Всесоюзный институт «Гидропроект». В настоящее время на российском рынке имеются:

♦ комплектные гидроагрегаты с системами автоматического управления и регулирования для сетевых и автономных МГЭС на напоры от 1 до 250 м;

♦ нестандартное гидромеханическое, подъемное оборудование;

♦ напорные трубопроводы, предтурбинные затворы;

♦ трансформаторные подстанции, распределительные устройства и другие компоненты, необходимые для строительства объектов малой энергетики.

Для МГЭС с использованием статического напора применяются гидроагрегаты с радиально-осевыми, пропеллерными, ковшовыми, наклонно- и поперечно-струйными, фронтальными гидротурбинами упрощенной конструкции.

Для МГЭС с использованием скоростного напора применяются гидротурбины типа «Дарье», «Уэллс», «Савониус» и др. Генераторы для малых ГЭС производят АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), АО «Урал-электротяжмаш», АО «Привод» (г. Лысьва), АО «СЭГПО» (г. Сарапул), АО «СЭЗ» (г. Сафоново) и др.

Переносные и передвижные микроГЭС

Рассмотрим рукавные всесезонные гидроэлектростанции Луч-1, Луч-2, Луч-4 и Луч-10 мощностью 1, 2, 4 и 10 кВт (подробности на http://www.306.ru/mges.htm). Они предназначены для выработки электроэнергии без сооружения плотины за счет использования энергии самотечного потока. Основные технические характеристики рукавных микроГЭС приведены в табл. 4.1.

При использовании каскадного монтажа данные рукавные микроГЭС могут использоваться как в малых хозяйствах, так и для промышленного производства электроэнергии, особенно в местах, удаленных от ЛЭП (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Схема рукавной гидроэлектростанции

Конструктивно микроГЭС состоит из энергоблока, блока управления, блока возбуждения, блока нагрузки и рукавного водовода.

Энергоблок выполнен в виде рамы, на которой расположены направляющий аппарат, двухкратная турбина и электрический генератор. Для удобства эксплуатации блок управления, блок возбуждения и блок балластных нагрузок смонтированы вместе с энергоблоком на той же раме. Все узлы на раме закрыты кожухом.

Водовод состоит из водозаборного устройства, переходника и напорных рукавов (или труб).

Срок службы микроГЭС не менее 10 лет. МикроГЭС — надежные, экологически чистые, компактные, быстроокупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше и дороже, чем приобрести и установить микроГЭС.

Срок окупаемости установки не превышает 2-х лет. Опытный образец рукавной микро ГЭС прошел испытания на натурном водном полигоне.

Мини-гидроэлектростанции серии ПР

Мини-гидроэлектростанции (рис. 4.9) предназначены для обеспечения электроэнергией удаленных и отрезанных от внешнего мира удаленных объектов (подробности на http://alt-energy.org.Ua/2009/05/l0/mini-gidroelektrostancii/). Для успешной и экономичной работы гидроэлектростанции достаточно иметь небольшой ручей (или иной водоток) с перепадом уровней в 1–2 м и расходом воды от 90 л/с.

Рис. 4.9. Внешний вид в разрезе

В условиях холмистого рельефа мини-ГЭС просто незаменимы! В комплект поставки входят энергоблок, устройство автоматического регулирования, устройство возбуждения и водозаборный агрегат. Монтаж станции весьма прост.

Например, миниГЭС 7.5ПР можно смонтировать практически вручную: масса брутто (в упаковке) энергоблока не превышает 250 кг. Основные технические характеристики миниГЭС приведены в табл. 4.2. Параметры тока 230 В 50 Гц.

Мини-гидроэлектростанция в городской квартире

Сотни литров воды используются сегодня в каждом городском доме. Независимо от того, расходуете ли вы ее, чтобы убрать в квартире, помыть посуду или просто для расслабляющегося душа, в конечном счете, вся эта вода спускается в канализацию.

Новый концепт от Jinwoo Han позволит частично использовать энергию воды, текущую по трубам, для получения электроэнергии (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Внешний вид мини-турбины Hydro

Мини-турбина Hydro разработана для получения электричества использую давление воды в трубах. Устройство может быть подключено к любой трубе у вас в квартире. Вода, пробегая через устройство, активизирует гидроэлектрическую турбину, которая вырабатывает электричество и собирает его в аккумуляторе, который связан с отдельной розеткой.

Мини-турбина Hydro — это концепт гаджета, позволяющего вырабатывать электроэнергию для бытовых нужд используя давление воды в трубах (http://techvesti.ru/node/918).

Примечание.

Гидротурбина может устанавливаться, как на конец крана, так и промежуточным звеном.

Гидравлическое давление заставляет вращаться лопасти турбины, закрепленной на генераторе. Устройство оборудовано аккумулятором и розеткой на 220 В, в которую можно включать бытовые электроприборы.

Примечание.

Единственный недостаток гаджета, это падение давления в выходной трубе.

Вырабатываемое турбиной электричество, может использоваться для подзарядки аккумуляторов от различных устройств, что, в конечном итоге, ведет к экономии электричества. Просто и эффективно!

Глава 5

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ

5.1. Используем энергию морских волн

Энергия морских волн

Как показывают расчеты, концентрация энергии морской волны почти в шесть раз выше, чем энергия ветра, который поднимает эту волну и составляет около 4000 Вт/м^2 в среднем по океану.

Энергетический потенциал ветра на 1 м^2 вертикальной поверхности при скорости 10 м/с составляет 650 Вт/ м^2. Энергетический потенциал 1 м^2 горизонтальной морской поверхности при высоте волны 2 м составляет. 4000 Вт/м^2.

Т. е. через единичную площадь воздействия энергоносителя, морская волна почти в 6 раз эффективней ветра (http://www.watervigorous.com/v2.html).

Реактивный преобразователь энергии морской волны

Преобразователь представляет собой вертикально установленную трубу, нижний конец которой снабжен тройниковым наконечником с входным и выходным клапаном (рис. 5.1, левый).

Так, при площади сечения трубы 1 м^2, амплитуде волны 2 м и периоде волнения 10 с, потенциальная энергия рабочего объема воды составит 8160 кгм, а средняя мощность в течение периода — 816 кгм/с или около 11 лошадиных сил.

При прохождении волны вода с одного конца входит в трубу, а из другого выходит. Имея однонаправленное горизонтальное движение, вода создает реактивную тягу, определяемую массой воды в трубе, высотой волны и скоростью свободного падения.

Трубы могут крепиться на борту плавсредства и обеспечивать ему:

♦ или линейное движение (для мобильного объекта);

♦ или круговое движение (для стационарного энергетического объекта).

Рис. 5.1. Преобразователи энергии морской волны

Вторая разработка (рис. 5.1, правый), представляет собой пневматический преобразователь. Группа труб, открытых с нижнего конца, устанавливается вертикально на водной поверхности. В верхней части каждая труба имеет по два клапана, входной и выходной которые также объединены, соответственно, между собой.

Конструкция представляет собой гигантский многоцилиндровый газовый компрессор, поршнями которого является вода, движимая, энергией морских волн по вертикальным трубам вверх и вниз.

Морской утюг. Между горизонтально расположенным трубопроводом верхнего давления и трубопроводом нижнего давления установлена воздушная турбина, вращающая электрогенератор для стационарного варианта, или редуктор с винтом для мобильного объекта.

Новым в предложенных разработках является то, что одна воздушная турбина может работать на неограниченное количество труб, играющих роль цилиндров в получившемся компрессоре.

Самоходная платформа «Морской утюг» (рис. 5.2) использует энергию морских волн для собственного движения и аккумулирования энергии. Может использоваться для защиты береговых сооружений, в качестве понтонной переправы, создания морских и авиационных портов на открытой морской акватории, зарядки аккумуляторов энергии, перевозки грузов и т. д.

Рис. 5.2. Самоходная платформа «Морской утюг»

Гидроаккумулирующая электростанция на энергии морских волн

Необычное устройство Searaser и проект под названием Dartmouth Wave Energy (английский изобретатель Элвин Смит (Alvin Smith) представляет собой волновую электростанцию, использующую энергию вертикального движения поплавка.

Однако сам поплавок не имеет электрических систем и представляет собой механический насос, который закачивает морскую воду на большую высоту в прибрежные скалы (http://aenergy.ru/872).

Этот проект — необычная мини Гидроаккумулирующая электростанция (по-английски Pumped-storage hydroelectricity).

В основе установки — два поплавка (рис. 5.3), способных двигаться друг относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний соединен с дном при помощи цепи и якоря. Между поплавками находится «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия, который качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с выходными трубами.

Рис. 5.3. Система поплавков

Автоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка в зависимости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив — телескопическая труба, раздвигающаяся и складывающаяся под действием сил Архимеда и тяжести. К этой «приливной» колонне крепится насос с верхним поплавком.

Вода подается на сушу, в горы. В горах устраивается бассейн, в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы.

Преимущества у подобной установки следующие. В поплавке нет проводов, магнитов, катушек, контактов и герметичных отсеков для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, расположенные на берегу, — давно опробованная и испытанная на ГЭС техника. В отличие от традиционной ГАЭС, Searaser не требует нижнего водохранилища. В отличие от волновых электростанций, эта установка решает проблему неравномерности силы волн.

По оценке создателя машины, Searaser может поднимать морскую воду на высоту до 200 м. Один полноразмерный поплавок Searaser развивает мощность 0,25 МВт.

Волновая энергетическая установка

Волновая энергетическая установка представляет собой укрепленную в донном грунте стойку, на которой шарнирно закреплен двуплечный рычаг (рис. 5.4). На одном конце рычага находится поплавок, а другой связан с поршнем водяного насоса. Колебания поплавка вызывают движение поршня водяного насоса, нагнетающего по трубопроводу воду в накопитель. Из него вода под действием силы тяжести стекает вниз, вращая лопасти турбины гидрогенератора. Последний вырабатывает электрический ток.

Рис 5.4. Волновая энергетическая установка

Главный плюс изобретения заключается в том, что у него нет ахиллесовой пяты большинства современных волновых установок. Обычно устройства генерируют энергию непосредственно в море, а на берег доставляют ее с помощью кабеля.

В итоге снижается себестоимость установки, облегчаются монтаж и эксплуатация. В конструкции предусмотрена штормовая защита. Изобретение запатентовано и получило свидетельство № 2006121511 (023345) «Волновая энергетическая установка». Создана действующая модель установки. Таким образом, российский изобретатель Антон Кирюнин предложил новый метод использования энергии морских волн. Изобретатель руководствовался принципами ТРИЗа — классической теории решения изобретательских задач, разработанной «отцом» советских изобретателей Генрихом Альтшуллером (http://aenergy.ru/1216).

Новая волновая установка может работать не только в прибрежных водах морей и океанов, но и на речных магистралях. По предварительным расчетам, оптимальная мощность одного энергомодуля будет составлять порядка 10 кВт при КПД 25 %. Себестоимость 1 кВт-ч, вырабатываемого волновой установкой, сравнима с себестоимостью 1 кВт-ч, вырабатываемого ветряками.

Электростанция-поплавок

Московские ученые из компании «Прикладные технологии» представили новую разработку — электростанцию-поплавок. В ней предусмотрен специальный колебательный механизм, который действует согласованно с морским волнением и эффективно преобразует энергию волн в электричество. Его принцип производства электричества из энергии волн более эффективен по сравнению с существующими аналогами (http://aenergy.ru/1628).

Само устройство (рис. 5.5) представляет собой капсулу-поплавок, плавающую на поверхности воды. Его, можно располагать как вблизи от берега, так и вдали от него. Капсулу необходимо либо привязывать к стационарному объекту, либо можно установить множество капсул, которые будут связаны между собой. В последнем случае их общая мощность может достигать нескольких десятков мегаватт.

Рис. 5.5. Электростанция-поплавок

Поплавковые электростанции можно использовать для обеспечения энергией прибрежных и островных поселений, плавучих заводов, морских нефтяных вышек. По оценкам разработчиков, стоимость электроэнергии при этом будет составлять не более 2 руб. за кВт-ч, а капитальные затраты на сооружение электростанций окупятся за 2 года при общем сроке службы в десятки лет.

В России поплавковые электростанции были бы наиболее перспективны в незамерзающих акваториях Баренцева моря, в качестве регионального или сезонного источника энергии — на Черном, Каспийском и Дальневосточных морях.

Волновое устройство

Среди специалистов, занимавшихся энергией морских волн, существует общая точка зрения: энергия морских волн может быть использована довольно просто, но, в первую очередь, не в полосе прибоя, как многие думали раньше, а в открытом море, причем мощность установок будет весьма скромная (http://physiclib.ru/).

В качестве примера подобной установки приведем представленное на рис. 5.6 устройство.

Рис. 5.6. Волновое устройство

Это устройство представляет собой нечто подобное плавающему на воде ящику (платформе), обращенному открытой стороной вниз. Устройство имеет довольно большие линейные размеры для того, чтобы колебания ящика под действием волн были небольшими.

Платформа разделена на открытые снизу секции, заполненные воздухом, играющие роль цилиндров поршневой воздушной машины. Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящийся в секциях воздух. Таким образом, вода играет роль поршня.

Следовательно, в секциях поочередно по мере прохождения под ними волн давление будет то больше, то меньше. Когда данная секция находится над гребнем волны, объем находящегося в лей воздуха уменьшается, воздух сжимается, давление его растет. Когда

Направление движения морских волн же секция находится над межволновой впадиной, давление воздуха снижается.

Если дать возможность воздуху из секции с большим давлением перетекать в секцию с меньшим давлением, а на пути потока воздуха установить небольшую воздушную турбину, соединенную с электрическим генератором, то такое устройство будет преобразовывать энергию волн в электрическую энергию.

Направление протекания воздуха из одной секции в другую будет периодически изменяться. При штиле устройство, очевидно, работать не будет. Поэтому в необходимых случаях на платформе должен быть установлен хорошо защищенный от влаги электрический аккумулятор.

Все сказанное иллюстрируется рис. 5.6. В Японии подобные устройства используются для питания электроэнергией плавающих буев. Пока еще рано говорить об экономической эффективности описанного и других подобных устройств (например, с использованием гидравлических турбинок), все это пока первые шаги.

Волновая электростанция

Энергия морских волн в природе представлена в наиболее сконцентрированном виде. Среднегодовые показатели энергии на один метр волнового фронта Северного моря составляет 90 кВт, а Черного моря — 40 кВт.

Волновая станция (рис. 5.7) обладает следующими преимуществами:

♦ содержит гибкую энергопоглащающую систему, которая непрерывно изменят свои параметры под воздействием набегающих морских волн широкого диапазона длин и амплитуд, что определяет КПД станции до 80 %;

♦ имеет низкий уровень удельных капитальных затрат — 2500–3500$ на 1 кВт/час производительности, что ниже этого показателя для существующих волновых электростанций;

♦ имеет низкую себестоимость производимой электроэнергии — 0,005$ за один кВт/час;

♦ представляет собой модульную конструкцию и может проектироваться требуемой производительности;

♦ производительность одного модуля, лежит в пределах от 0,1 МВт до 1 МВт, и зависит от энергетического потенциала акватории и размеров модуля;

♦ станция имеет высокую стойкость в штормующем море, что обеспечивается проницаемостью конструкции для морских волн и ее способностью погружаться на необходимую глубину;

♦ станция мобильна и может быть отбуксирована в любой участок акватории.

Рис. 5.7. Волновая электростанция

Для постановки волновых станций такого типа на производство на сегодняшний день по заданию и при участии НПФ «Крок-1» проведены следующие работы (http://energetika.biz.ua/):

♦ изготовлен и испытан макет станции в масштабе 1:10;

♦ испытания проводились в волновом бассейне института гидромеханики НАН Украины и в натурных условиях Киевского водохранилища.

5.2. Тепловая энергия океана

Методика использования тепловой энергии океана

За счет вертикальной разности температур тропического океана, вовлекая в процесс преобразования 5 % энергии от солнечного излучения на площади 4х10^13м^2 можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000 ГВт (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Тепловой энергетический потенциал океана

К сожалению, то, что ни в коем случае нельзя допускать, реализовано во всех экспериментальных установках.

Примечание.

Ни в коем случае нельзя поднимать холодную воду к поверхности океана. Подъем воды создает трудно решаемые проблемы, которые сводят на нет все затраченные усилия, что практически и наблюдается.

Первая проблема — большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду. Вторая проблема — выделение растворенных газов из глубинных слоев при снятии давления. Третья проблема — обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде. Четвертая проблема — необходимость иметь технические и энергетические стартовые мощности для запуска станции (www.watervigorous.com).

После установки рабочего тела в районе работы, оно в теплообменных узлах автоматически приобретает необходимую температуру. Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т. е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.

В результате решения этих проблем появляется возможность создания электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, скоростных мобильных объектов и т. д.

В этой системе с помощью теплых поверхностных вод, подаваемых на теплообменник — испаритель, рабочее тело (аммиак, пропан и др.), превращается в пар, в результате чего создается повышенное давление. Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника, омываемого холодной водой глубинных слоев.

На рис. 5.9 показан термодинамический цикл такой тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия. Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1–2, на участке 2–3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в испаритель 3–4, где нагревается (ветвь 4–5) и испаряется (ветвь 5–1).

Рис. 5.9. Термодинамический цикл тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия

Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осуществляется на ветви 3-4-5, а отвод — на ветви 2–3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3–4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно.

Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26 °C он, соответственно, изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже.

Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод, соответственно (на рис. 5.9 это подчеркнуто с помощью разностей температур).

Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую — 3,6 %.

Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5 %.

Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются определяющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив некоторый резерв, предположить что, водоизмещение станции составит порядка 75 000 т/ГВт.

На рис. 5.10 приведена экспериментальная станция. Основным и наиболее дорогим материалом для строительства станций является титан, ежегодный расход которого при крупномасштабном строительстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть легко достигнуто мировой промышленностью.

Рис. 5.10. Тепловая океанская станция

Установка, преобразующая тепловую энергию океана, работающая по открытому циклу

Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) — «ocean termal energy conversion» — означает преобразование некоторой части этой тепловой энергии в работу и далее в электроэнергию.

Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 5.11. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов (http://renewables.ru/pdf_doc/lecturel4.pdf).

Рис. 5.11. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода)

Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость.

Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты.

Использование перепада температур океан-атмосфера

Особенность работы таких станций — так называемый «треугольный» цикл: нагрев и испарение рабочего тела в результате политропного процесса, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике.

КПД такого цикла ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением

η = (T01—Т02)/2Т01,

где T01 — температура теплой подледной воды (275 К); Т02 — температура охлаждающего воздуха (до 233 К).

Удельная мощность, получаемая с 1 м^2 площади океана, при разности температур воды и воздуха, равной 10 °C, составляет примерно 18 кВт/м^2 при разности 20 °C — 60 кВт/м^2, а при разности 30 °C — 125 кВт/м^2.

В этих оценках величина скорости движения воды принята равной 0,02 м/с — характерная скорость для прибрежных районов Северного Ледовитого океана. Таким образом, при отсутствии ограничении по глубине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 МВт она будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м^2.

На рис. 5.12 приведена разработанная А.К. Ильиным и В.В. Тикменовым схема АОТЭС с обдуваемыми воздухом теплообменниками. В ней использован дополнительный контур с промежуточным теплоносителем, позволяющий существенно снизить потери энергии на собственные нужды станции.

Рис. 5.12. Схема арктической ОТЭС на перепаде вода-воздух

Схема напоминает обычные тепловые станции с градирнями для охлаждения отработавшей воды. Но данные градирни действуют в условиях, когда температура наружного воздуха много ниже нуля, а охлаждаемая жидкость имеет температуру всего на несколько градусов выше.

Примечание.

Поэтому в охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания.

В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.

Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Причем важно обеспечить определенное распыление, чтобы, с одной стороны, капли теплоносителя не выносились потоком холодного воздуха, а с другой — успевали охладиться во время падения.

Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на 2 °C при движении в воздухе со средней разностью температур 30 °C ей необходимо пролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м^2К).

Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м^2К)), но превышают примерно в 5 раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников станций без промежуточного теплоносителя.

Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезной энергии.

Прямое преобразование тепловой энергии

Схема ОТЭС на термоэлектрических преобразователях показана на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую:

а — устройство отдельного блока; б, в — варианты устройства термоэлектрического преобразователя

В основе ее действия — явление Зеебека, заключающееся в возникновении разности потенциалов в электрической цепи, составленной из материалов с различной концентрацией носителей заряда, места соединений которых нагреты до разных температур.

Действие такой системы полностью описывается законами термодинамики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД такого преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, достигает 10 %. Это значительно больше, чем у систем, работающих по циклу Ренкина и Клода.

Кроме того, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС для полупроводниковых пар может достигать нескольких милливольт на градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже). Например, постоянная Зеебека для кристаллов теллурида висмута с n- и р-проводимостью равна 3,14x10-4 В/К.

Другое достоинство полупроводниковых систем — возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на КПД систем.

К недостаткам таких систем относятся достаточно высокая стоимость материалов, из которых изготовляются элементы, и необходимость изолировать спаи от непосредственного контакта с морской водой. Происходит шунтирование через воду соседних элементов, обладающих достаточно высоким собственным сопротивлением, и, следовательно, снижение мощности, выдаваемой в цепь нагрузки. В свою очередь, изолирование спаев приводит к удорожанию преобразователей и ухудшению их показателей. Работы, выполненные группой исследователей из университета Осаки (Япония), показывают, что при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается съем полезной мощности. Однако необходимо иметь в виду, что в опытах японских исследователей в качестве носителя энергии использовалась не сама морская вода, а фторуглеродистые соединения.

ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно, можно применить для обеспечения электроэнергией комплексов подводной добычи полезных ископаемых на океанском дне.

5.3. Использование энергии океанских течений

Механическая мощность, которую можно извлечь из океанского течения, определяется тем же соотношением, которое используется для оценки этой величины в ветроэнергетике. Коэффициент преобразования энергии, зависящий от типа турбины, для выполнения приближенных расчетов можно принять равным 0,6 для свободно вращающегося рабочего колеса и 0,75 для того же колеса в насадке.

Строительство крупных ветряных турбин (диаметром до 200 м) практически невозможно из-за ограничений, связанных с прочностью материалов и массовыми характеристиками подобных устройств (http://renewables.ru/).

Для турбин, работающих в морской среде, массовые ограничения менее существенны из-за действия на элементы конструкций силы

Архимеда. Повышенная плотность воды позволяет, кроме того, уменьшить столь существенное для воздушных турбин воздействие вибраций, вызывающих усталостное разрушение материалов.

Важное достоинство океанских течений в качестве источников энергии по сравнению с ветровыми потоками — отсутствие резких изменений скорости (сравните с изменениями скорости при порывах ветра, при ураганах и т. п.). При достаточном заглублении в толщу воды турбины ОГЭС надежно защищены от волн и штормов на поверхности.

Для эффективного использования течений в энергетике необходимо, чтобы они обладали определенными характеристиками. В частности, требуются:

♦ достаточно высокие скорости потоков;

♦ устойчивость по скорости и направлению;

♦ удобная для строительства и обслуживания география дна и побережья.

Удаленность от побережья влечет удорожание транспортировки энергии и обслуживания этих станций, как, впрочем, и любых других. Большие глубины требуют увеличения затрат на сооружение и обслуживание якорных систем, малые — создают помехи судоходству.

Именно географические факторы не позволяют сейчас говорить о строительстве ОГЭС в открытом океане, где несут свои воды наиболее мощные течения. При средних и малых глубинах, особенно в местах образования приливных течений, важную роль играет топография дна.

В качестве недостатков преобразователей энергии океанских течений следует отметить необходимость создавать и обслуживать гигантские конструкции в морской воде, подверженность этих конструкций обрастанию и коррозии, трудности передачи энергии.

По аналогии с ВЭУ, существующие преобразователи энергии течений можно условно* разделить на две группы. К первой целесообразно отнести те из них, в основу которых положен принцип преобразования скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной, группе относят преобразователи, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.).

Для характеристики схем установки преобразователей можно выделить две основные схемы — сооружений, закрепляемых на морском дне, и сооружений, плавающих в толще воды и заякоренных к дну.

Родоначальником устройств первой группы по праву считают водяное колесо (рис. 5.14, а). В совершенствовании водяного колеса наблюдаются две основные тенденции. Одна — собственно улучшение показателей колеса (за счет оптимизации конструкции ферм, лопастей, механизмов передачи энергии, расположения по отношению к потоку, применения современных материалов и т. п.), другая — принципиальное изменение представлений о колесе.

Ленточное колесо (рис. 5.14, б) оказывается более компактным, требует меньше материалов, менее подвержено воздействию атмосферы. Подобное устройство может быть установлено в потоке на понтонах с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «сухими».

Рис. 5. 14. Эволюция водяного колеса:

а — колесо-прототип; б — ленточное колесо на плавучем основании; в — ленточное колесо в толще потока; г — ленточное колесо со складными лопастями

Эффективность преобразования скоростного напора повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под воздействием потока. Однако простое увеличение числа лопастей ленточного колеса не приведет к существенному увеличению момента на валах.

На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погружаемые в толщу потоков (рис. 5.14, в, г). Для таких устройств предлагается несколько способов уменьшения сопротивления движению ленты во время холостого хода, например:

♦ сооружение воздушной камеры над колесом;

♦ применение различных вариантов механизмов складывания лопастей.

Наибольшие надежды гидроэнергетики, занимающиеся разработкой преобразователей энергетики океанских течений, связывают с агрегатами, с помощью которых могут быть получены значительные единичные мощности.

В качестве вариантов таких устройств рассматриваются рабочее колесо в виде свободного пропеллера, пропеллера в насадке, водяной аналог турбины Дарье, системы с управляемым крылом (рис. 5.15, а-в). Во всех этих конструкциях, так же как и у перспективных ветряных турбин, главный преобразующий элемент — крыловой профиль, обтекание которого потоком создает гидродинамическую силу, заставляющую турбины вращаться.

Рис. 5.15. Варианты схем перспективных турбин для ОГЭС:

а — свободный ротор; б — ротор в насадке; в — ротор, устанавливаемый поперек потока

Наилучшими показателями обладает турбина, выполненная в виде рабочего колеса с горизонтальной осью в насадке. Это объясняется тем, что такое рабочее колесо меньше возмущает поток, не так сильно, как свободное, вовлекая жидкость во вращательное движение.

Насадок как бы отделяет возмущенную часть потока от невозмущенной и в то же время обеспечивает некоторую концентрацию энергии. Форму насадка выбирают из такого расчета, чтобы обеспечить плавное безотрывное течение потока на подходе к турбине, сделать всю систему устойчивой на потоке, максимально снизить завихренность потока на выходе из нее.

Увеличения мощности одного такого агрегата можно достигнуть за счет удлинения крыла. По сравнению с ветряными преобразователями океанские турбины в этом плане имеют преимущество: критический размер крыла, при котором в нем достигается предел прочности материалов для такой турбины выше.

Но есть ограничения и в воде: при слишком большой длине крыла на смену изгибающим моментам, создаваемым под воздействием силы тяжести, приходят моменты, создаваемые силой давления потока.

Другое ограничение диаметра рабочего колеса связано с технологическими трудностями при постройке и установке столь громоздких сооружений в океане. Специалисты сходятся во мнении, что диаметр турбин в насадках вряд ли превысит 200 м (по габаритам подобное сооружение напоминает крытый стадион на 20 тысяч зрителей). Накопленный к настоящему времени опыт строительства эксплуатационных платформ для добычи нефти и газа водоизмещением в сотни тысяч тонн показывает, что такие объекты могут быть созданы.

Объемный насос. Рассмотрим преобразователи энергии потоков, относящиеся по нашей классификации ко второй группе, и, прежде всего, устройства типа объемного насоса. На рис. 5.16 изображена одна из схем такого устройства, в основе которого — неподвижно закрепленное в потоке сопло Вентури.

Рис. 5.16. Схема объемного насоса

В пережатом сечении сопла из-за увеличения скорости жидкости происходит падение статического давления, которое может быть использовано, например, для засасывания воздуха с поверхности.

В выходном сечении уже сжатый воздух вытесняется из потока в напорную камеру, откуда поступает в воздуховод турбины, соединенной с электрогенератором. При умеренных степенях пережатия потока работа такого устройства может быть описана с помощью уравнения Бернулли.

Производительность такого насоса зависит от расхода жидкости через сечение насоса и может быть доведена примерно до 20 % объемного расхода. Эжекционные свойства сильно зависят от способа ввода в поток подсасываемого газа.

Перечень различных вариантов преобразователей можно продолжить, но важно отметить, что со временем могут быть открыты как более эффективные способы преобразования энергии потоков в океане, так и новые гидродинамические явления, которые потребуют принципиально новых разработок.

Уже сейчас можно обратить внимание:

♦ на энергию океанских противотечений, скрытых толщей поверхностных вод и часто лишь достаточно тонкими пограничными слоями отделенных от поверхностных;

♦ на энергию различных вихрей, возникающих в открытом океане под воздействием метеорологических возмущений и крупномасштабной гидродинамической неустойчивости в океанах.

Известны даже постоянно действующие вихри. Один из них находится в 400 км от Огасавары (Япония) в Тихом океане. Он представляет собой водоворот диаметром около 200 км, поднимающийся с глубины 3 км почти до самой поверхности. Примечательна одна из особенностей водоворота — примерно через каждые 100 дней он изменяет направление вращения на обратное. По оценкам японских ученых удельные энергетические характеристики этого водоворота значительно выше, чем у ряда океанских течений.

5.4. Использование энергии приливов

Приливные колебания уровня в огромных океанах планеты вполне предсказуемы. Основные периоды этих колебаний:

♦ суточные продолжительностью около 24 ч;

♦ полусуточные — около 12 ч 25 мин.

Разность уровней между последовательными самым высоким и самым низким уровнями воды (высота прилива R) составляет 0,5—10 м.

Примечание.

Первая цифра (0,5 м) наиболее характерна, вторая (10 м) достигается и даже превосходится лишь в некоторых особенных местах вблизи побережья континентов.

Во время приливов и отливов перемещение водных масс образует приливные течения, скорость которых в прибрежных проливах и между островами может достигать примерно 5 м/с (http://renewables.ru).

Поднятую на максимальную высоту во время прилива воду можно отделить от моря дамбой или плотиной. Места с большими высотами приливов обладают большими потенциалами приливной энергии. Однако не только этот фактор важен для развития приливной энергетики: надо принимать во внимание и капитальные затраты, и будущую прибыль от создания соответствующих приливных электростанций (ПЭС).

Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и в Китае.

Из современных ПЭС наиболее хорошо известны:

♦ крупномасштабная электростанция Ране мощностью 240 МВт, расположенная в эстуарии реки Ла Ране, впадающей в залив Сен Мало (Бретань, Франция);

♦ небольшая опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой губе на побережье Баренцева моря (Россия).

Из мест, которые давно приковывают внимание гидростроителей, следует назвать эстуарий реки Северн в Великобритании и залив Фанди на восточном побережье Северной Америки на границе между США и Канадой.

Высота, ход и периодичность приливов в большинстве прибрежных районов хорошо описаны и проанализированы благодаря потребностям навигации и океанографии. Поведение приливов может быть предсказано достаточно точно, с погрешностью менее 4 %. Таким образом, приливная энергия оказывается весьма надежной формой возобновляемой энергии.

При её преобразовании возникают и определенные неудобства:

♦ несовпадение основных периодов возникновения приливов (12 ч 25 мин и 24 ч 50 мин), связанных с движением Луны, с привычным для человека периодом солнечных суток (24 ч), в связи с чем оптимум приливной генерации находится не в фазе с потребностями в энергии;

♦ изменение высоты прилива и мощности приливного течения с периодом в две недели, что приводит к колебаниям выработки энергии;

♦ необходимость создания потоков воды с большим расходом при сравнительно малом перепаде высот, что заставляет использовать большое число турбин, работающих параллельно;

♦ очень высокие капитальные затраты на сооружение большинства предполагаемых ПЭС;

♦ потенциальные экологические нарушения и изменение режимов эстуариев и морских районов.

Вблизи побережья и между островами приливы могут создавать достаточно сильные течения, пригодные для преобразования энергии. Устройства для преобразования энергии приливных течений будут практически сходны с аналогичными устройствами, приводимыми в действие течениями рек.

Соотношения, позволяющие оценить мощность приливных течений, подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом следует иметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотности воздуха, а скорости течения воды сравнительно низки.

Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразования энергии приливных течений, один из которых показан на рис. 5.17. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки, поэтому их строительство целесообразно лишь в отдаленных районах с высокими скоростями приливных течений, где любые альтернативные источники энергии еще более дороги. На эту тему интересна книга Волеваха Н.М., Волеваха В.А. Нетрадиционные источники энергии. — К: Вища школа. — 1988. — 58 с.

Рис. 5.17. Схема электростанции на приливном течении

Основы теории приливной энергетики достаточно просты. На рис. 5.18 показано, что ПЭС может работать как при опустошении бассейна, так и при его наполнении. Оптимальная станция, использующая реверсируемые гидроагрегаты, которые, кроме того, можно еще использовать и в насосном режиме для повышения уровня в бассейне, может перерабатывать до 90 % потенциальной энергии прилива.

Рис. 5.18. Схема извлечения приливной энергии

Глава 6

ИСПОЛЬЗУЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНУЮ ЭНЕРГИЮ ЗЕМЛИ

6.1. Знакомимся с геотермальной энергетикой

Достоинства и недостатки

Определение.

Геотермальная энергетика — производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счет энергии, содержащейся в недрах Земли.

Востребованность геотермальной энергии обусловлена такими факторами:

♦ истощением запасов органического топлива;

♦ зависимостью большинства развитых стран от импорта топлива (в основном импорта нефти и газа);

♦ существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу.

Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере учитывать ее достоинства и недостатки.

Источники геотермальной энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:

♦ месторождения геотермального, сухого пара— сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;

♦ источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) — встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);

♦ месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) — представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;

♦ сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) — их запасы энергии наиболее велики;

♦ магма, представляющая собой нагретые до 1300 °C расплавленные горные породы.

Главным достоинством геотермальной энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры):

♦ для нужд горячего водо- и теплоснабжения;

♦ для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей.

Кроме того следует отметить:

♦ ее практическую неиссякаемость;

♦ полную независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Тем самым использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем.

♦ Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т. п.).

♦ Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т. п.

♦ Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.

При этом в вулканических регионах планеты высокотемпературное тепло, нагревающее геотермальную воду до значений температур, превышающих 140–150 °C, экономически наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии.

Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100 °C, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей (www.vashdom.ru).

Область применения геотермальной воды при ее температуре, °С:

♦ выработка электроэнергии… более 140 °C;

♦ системы отопления зданий и сооружений… менее 100 °C;

♦ системы горячего водоснабжения… 60 °C;

♦ системы геотермального теплоснабжения теплиц… менее 60 °C;

♦ геотермальные холодильные установки менее… 60 °C.

Примечание.

Значительно повышается эффективность применения термальных вод при их комплексном использовании.

Также получить содержащиеся в термальной воде ценные компоненты (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и многие другие) для их промышленного использования.

Преимуществом геотермальной энергетики является ее практически полная безопасность для окружающей среды. Количество СО_2, выделяемого при производстве 1 кВт электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет от 13 до 380 г (например, для угля он равен 1042 г на 1 кВт/ч).

Недостатки геотермальной энергии:

♦ необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт.

♦ высокая минерализация термальных вод большинства месторождений

♦ наличие в воде токсичных соединений и металлов.

Внимание.

Эти недостатки, в большинстве случаев, исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы.

Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты:

♦ на бурение скважин;

♦ обратную закачку отработанной геотермальной воды;

♦ на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Говоря о недостатках, следует отметить, что тепло Земли очень «рассеянно», и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1 % общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры.

Перспективы развития

Однако в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. Поэтому геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80 °C, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с этим ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом, в первую очередь в США, мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

Hot-Dry-Rock технология. Еще более впечатляет появившаяся несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской компанией Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строительства ГеоТЭС — так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию. Суть этой технологии заключается в следующем.

До самого последнего времени в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого принципа и решили сами создать подходящий «гейзер».

Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру.

По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270 °C, и поэтому если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность.

После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, и цикл, таким образом, повторится.

Принципиальная схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd., приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd

Безусловно, реализовать эту технологию можно не в любом месте, а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до температуры не менее 250–270 °C. При применении такой технологии ключевую роль играет температура, понижение которой на 50 °C по оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.

Для подтверждения прогнозов специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и получили доказательство того, что на этой глубине температура достигает искомых 270–300 °C. В настоящее время проводятся работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем стоимость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветряной энергии и в 8—10 раз дешевле солнечной.

6.2. Схемы геотермальных энергоустановок

Способы получения энергии на ГеоТЭС

Определение.

Геотермальная электростанция (ГеоЭС) — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

♦ прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами;

♦ непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

♦ смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

Паротурбинные геотермальные энергоустановки

В качестве преобразователей тепловой энергии геотермального теплоносителя в техническую работу в настоящее время могут использоваться паротурбинные и турбокомпрессорные энергоустановки. Каждая энергоустановка имеет как ряд преимуществ, так недостатков, которые будут рассмотрены ниже (отмечает Дорош И.А. на www.renewable.com.ua).

При прямой схеме геотермальный теплоноситель в виде пара из скважины направляется по трубам непосредственно в турбину. После турбины сконденсировавшаяся вода и не сконденсировавшийся пар идут для теплофикации.

При непрямой схеме производится предварительная очистка пара от агрессивных (сильно коррозирующих) газов.

При смешанной схеме неочищенный природный пар поступает в турбину, а затем из сконденсировавшейся воды удаляются не растворившиеся в ней газы.

При добыче геотермального теплоносителя в жидком виде (гидротермы), паротурбинные установки выполняются:

♦ одноконтурными;

♦ двухконтурными.

В одноконтурных установках, выполняемых по закрытой и открытой (с противодавлением) схемам, рабочим телом турбины служит пар. Он получается непосредственно из геотермального теплоносителя путем его расширения в специальных расширителях — сепараторах. Они еще называются парогенераторами.

При заданных параметрах геотермального теплоносителя одноконтурные паротурбинные установки позволяют получать рабочее тело — пар более высоких параметров, чем в двухконтурных установках. При этом уменьшаются капитальные затраты и увеличивается удельная мощность — турбины (мощность, отнесенная к единице расхода геотермального теплоносителя). Принципиальная схема установки изображена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Принципиальная тепловая схема паротурбинной геотермальной установки с одноступенчатым расширением теплоносителя

При работе установки геотермальный теплоноситель, как правило, в виде недогретой воды при температур Т и давлении Р из эксплуатационной скважины направляется в грязеотделитель (на схеме не отмечен), в котором отделяются и сбрасываются посторонние механические примеси.

Пройдя далее через систему электромагнитной защиты от солеотложения, геотермальный теплоноситель поступает в дегазатор, который состоит из двух ступеней. В первой ступени поддерживается такое давление, при котором из геотермальной воды выделяются только нерастворенные газы, в том числе и углекислый газ, удаляемые из дегазатор через сбросной клапан в атмосферу или для промышленного использования. Так как нерастворенный углекислый газ не оказывает влияния на углекислотное равновесие, то в первой ступени дегазатора выделения солей не наблюдается.

После первой ступени дегазатора геотермальная вод направляется во вторую ступень, где за счет снижения давления из воды выделяются растворенный газ и соли кальция. Давление во второй ступени дегазатора поддерживается таким, чтобы из воды выделялась большая часть солей кальция, в частности для Каясулинского месторождения оно принято около 0,71 МПа. Выделяющиеся соли вместе с водой поступают в осветлитель, где за счет специально организованного движения потока они отделяются, оседают на дно и в дальнейшем удаляются из цикла системой шламоудаления. Осветленная вода подается в парогенератор, где расширяется в изоэнтальпийном процессе до давления Рр и температуры Тр. В результате этого часть ее превращается в пар.

Здесь же, в парогенераторе, производится разделение теплоносителя на жидкую и парообразную фазы. Жидкость поступает к насосу и накачивается в нагнетательную скважину, а пар подается в турбину. При этом, чем выше степень сепарации в парогенераторе, тем ближе получаемый пар к сухому насыщенному пару.

В турбине пар расширяется в политропном процессе, преобразуя свою потенциальную энергию в техническую работу, которая с помощью электрогенератора преобразуется в. электроэнергию. Полученная после турбины пароводяная смесь поступает в конденсатор, где конденсируется в изотермическом процессе за счет передачи теплоты охлаждающей воде, которая подается насосом из градирни. Образовавшаяся при этом вода удаляется из конденсатора насосом и подается либо в нагнетательную скважину, либо используется для других целей.

Несмотря на большой прогресс и положительные результаты в решении проблемы солеотложения на поверхностях теплообменного оборудования и трубопроводах геотермального теплоносителя, пока еще нет четких отработанных технологий его использования в одноконтурных паротурбинных энергоустановках. В этой связи предпочтительны двухконтурные паротурбинные установки, которые лишены этого недостатка. Правда, использование двухконтурных паротурбинных установок снижает параметры пара рабочего тела на входе в турбину, что ведет к снижению удельной мощности и КПД, существенно увеличивая капитальные затраты и расходы на эксплуатацию ГеоТЭС.

Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки

Турбокомпрессорные геотермальные установки могут работать по закрытому и открытому циклам, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

В установках закрытого цикла газовая составляющая парогазового потока циркулирует по закрытому контуру. Поэтому при ее выборе руководствуются максимальной термодинамической эффективностью цикла.

В установках открытого цикла парогазовый поток непрерывно выбрасывается в атмосферу. Поэтому в качестве газовой составляющей здесь используется только воздух.

Процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках

Как сказано выше, что для получения максимальной работы, а, следовательно, и максимальной эффективности паротурбинной геотермальной установки необходимо расширение геотермальной воды до вполне определенной температуры.

Введение многоступенчатого расширения геотермального теплоносителя, не позволяет добиться существенного сокращения потерь с уходящей из парогенератора водой. Не дает возможность снизить эти потери в должной мере и применение в цикле паротурбинной установки в качестве рабочего тела низкокипящего вещества.

Таким образом, в геотермальной энергоустановке с паротурбинным преобразователем энергии на генерацию рабочего тела (пара) отводится меньшая часть тепловой энергии геотермального теплоносителя, причем эта часть тем меньше, чем ниже температура геотермального теплоносителя.

Учитывая, что большинство самоизливающихся источников имеет температуру теплоносителя около 373 К, а проекты скважин рассчитаны на температуру около 423–473 К (например, температура воды на выходе из скважины ПЦС Каясулинского месторождения составляет 110 К), потери теплоты со сбрасываемой водой требуют существенного сокращения (отмечает Дорош И.А. на www.renewable.com.ua).

Один из способов уменьшения этих потерь описан ниже. Согласно этому способу, пар из насыщенной воды генерируется не в «чисто» паровой среде, а в газовом (воздушном) потоке. Если предварительно нагретую жидкость подать в диспергированном виде в газовый ненасыщенный поток высокого давления, как показано на рис. 6.3, то по закону равновесного состояния парогазожидкостных смесей, капли жидкости под действием движущихся сил теплового и массового обмена начнут охлаждаться, стремясь к температуре термодинамического равновесия, которой является температура мокрого термометра. Выделяющаяся при этом теплота расходуется на парообразование.

Рис. 6.3. Противоточное (а) и попутное (б) движения воды и газа в контактном теплообменном аппарате

При генерации пара в газовом потоке, вода охлаждается температуры термодинамического равновесия, которая значительно ниже температуры насыщения при том же давлении среды. Это позволяет существенно повысить температурный перепад воды, срабатываемый в парогенераторе, и соответственно увеличить количество генерируемого пара, что способствует более высокой эффективности турбокомпрессорных геотермальных установок по сравнению с паротурбинными.

Установки закрытого цикла

Принципиальная схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла изображена на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла

При работе установки парогазовый поток с высоким паросодержанием поступает в конденсатор, куда с другой стороны насосом из градирни подается охлаждающая вода. При их контакте вследствие конденсации парогазовый поток осушивается, и с малым паросодержанием направляется в компрессор. Там он сжимается в политропном процессе за счет подведенной от турбины работы. При этом паросодержание потока остается постоянным, но его относительная влажность уменьшается.

После компрессора сжатый газ при давлении Р_2 и температуре Т_2 поступает в нижнюю часть парогенератора. А в верхнюю часть парогенератора во встречном направлении газовому потоку насосом в диспергированном виде подается цикловая вода, предварительно подогретая в теплообменнике геотермальным теплоносителем, подаваемым из эксплуатационной скважины. После теплообменника геотермальный теплоноситель насосом направляется в нагнетательную скважину.

Примечание.

В отличие от одноконтурных паротурбинных геотермальных установок в рассматриваемой турбокомпрессорной установке нет необходимости в процессе дегазации геотермального теплоносителя для уменьшения содержания несконденсировавшихся газов в конденсаторе и стабилизации рассола.

Здесь, подобно двухконтурным установкам, процесс передачи теплоты от геотермального теплоносителя в теплообменнике может осуществляться без понижения его давления. Это исключает нарушение углекислого равновесии, а, следовательно, и выпадение солей.

Для повышения КПД установки на выходе из теплообменника можно установить дегазатор. В этом случай выделившийся газ направляется в парогенератор и служит источником дополнительного рабочего тела цикла, на которое не затрачивается работа сжатия.

Одновременно он вместе с цикловым газом создает газовую среду для испарения жидкости. Правда, в этом случае часть циклового газа необходимо постоянно выбрасывать атмосферу для поддержания материального баланса, причем цикловой газ по составу должен быть идентичным газу, содержащемуся в геотермальной воде.

Установки открытого цикла

Турбокомпрессорная геотермальная установка закрытого цикла, рассмотренная выше, позволяющая значительно снизить потери теплоты за счет недоохлаждения воды в парогенераторе. Однако она обладает рядом крупных недостатков, которые препятствуют ее реализации. Эти недостатки, связанные со сложностью конструкции и низкими значениями полезной удельной работы, устраняются в турбокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла.

В качестве холодного источника в этих установках используется окружающая атмосфера, поэтому они не требуют конденсатора и градирни с обслуживающими их агрегатами. Кроме того, турбокомпрессорные установки открытого цикла не нуждаются в специальных регулирующих устройствах, поддерживающих заданную массу несконденсировавщегося газа в цикле. Это необходимо для установок закрытого цикла. А их тепловая схема позволяет в полной мере использовать газ, содержащийся в геотермальном теплоносителе, что существенно повышает эффективность использования геотермальной энергии.

Безусловно, реализация турбокомпрессорной установки открытого цикла связана с основной сложностью непосредственного использования минерализованных геотермальных вод в цикле, заключающейся в трудности удаления солеотложений.

Однако последние научные исследования, выполненные в этом направлении, показывают, что процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках за счет соответствующего повышения давления за компрессором можно производить без нарушения углекислотного равновесия геотермального теплоносителя.

Это позволяет избежать выпадения солей кальция и магния, создающих основную минерализацию воды.

Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла изображена на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла

Воздух непосредственно из атмосферы (холодного источника) забирается компрессором, сжимается и поступает в парогенератор, куда с другой стороны из эксплуатационной скважины подается геотермальная вода. При контакте газообразной и жидкой фаз, по описанной выше схеме, происходит насыщение воздуха паром за счет охлаждения воды. Одновременно при этом паровоздушная смесь разбавляется газом, выделяющимся из геотермальной воды вследствие понижения ее давления.

Охлажденная в парогенераторе вода забирается насосом и направляется в скважину. Полученная паровоздушная смесь направляется в турбину, где, расширяясь, выполняет техническую работу и далее направляется в окружающую атмосферу, отдавая теплоту холодному источнику.

Процессы сжатия потока в компрессоре, генерации пара и расширения в турбине идентичны с процессами турбокомпрессорной установки закрытого цикла и совершаются в агрегатах установки. А вот процесс передачи теплоты холодному источнику (окружающей среде) совершается за пределами установки. Это исключает необходимость в конденсаторе и обслуживающих его элементах (градирне и насосах охлаждающей воды), не требуя холодного источника с жидким рабочим телом.

Примечание.

Существенные отличия рассматриваемых установок— в возможностях использования потенциальной энергии газа, содержащегося в геотермальной воде и выделяющегося при расширении в парогенераторе или в специально предназначенном для этой цели дегазаторе.

В установках закрытого цикла этот газ должен удаляться из цикла, как уже упоминалось выше, для поддержания в нем постоянного расхода несконденсировавшегося рабочего тела. Поэтому, расширяясь в турбине, он совершает полезную работу. Но затем при отсосе из конденсатора и сжатии его до атмосферного давления для возможности удаления в окружающую среду, требует затрат полезной работы, т. е. компенсации.

Использование же потенциальной энергии газа, выделяющегося из геотермальной воды, в турбокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла не требует компенсации и является «чистой» добавкой работе, совершаемой паром.

Из рассмотренного следует, что турбокомпрессорная геотермальная установка открытого цикла аналогично установке закрытого цикла позволяет значительно глубже использовать теплоту геотермальной воды по сравнению с паротурбинной установкой.

Одновременно она обладает намного меньшей сложностью и металлоемкостью, а использование в качестве холодного источника атмосферы обещает, ей хорошую перспективу как тепловому двигателю, т. е. преобразователю геотермальной энергии воды в механическую работу.

6.3. Геотермальные тепловые насосы

Что такое низкопотенциальная энергия Земли

Низкопотенциальная энергия Земли (НГР) — это тепло грунта, грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированная в поверхностных слоях земной коры.

Эта энергия может с успехом использоваться для обеспечения тепло- и хладоснабжения (кондиционирования), горячего водоснабжения зданий и сооружений всех типов, а также энергоснабжения технологических процессов (www.cleandex.ru).

Технология их освоения заключается в использовании систем извлечения энергии, ее обработки и доставки теплоносителя к потребителю. Главным компонентом подобных систем являются геотермальные тепловые насосы. Пример использования теплового насоса в доме приведен на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Пример использования теплового насоса в доме

Определение.

Геотермальные тепловые насосы (ГТН) — это устройства, осуществляющие обратный термодинамический цикл, благодаря чему низкопотенциальная энергия переносится на более высокий уровень.

Идея теплового насоса высказана полтора века назад британским физиком Уильямом Томсоном (более известный как лорд Кельвин). Это придуманное им устройство он назвал «умножителем тепла».

Помимо геотермального тепла, источником энергии для тепловых насосов может служить тепло сточных и оборотных вод, что позволяет параллельно решать проблему эксплуатации вторичных энергоносителей.

На сегодняшний день используются:

♦ парокомпрессионные геотермальные тепловые насосы (ПТН), работающие на хладонах;

♦ адбсорционные геотермальные тепловые насосы (АТН), в которых рабочими веществами выступают вода и водный раствор бромистого лития.

Примечание.

Однако, в связи с меньшей эффективностью и сложностью конструкции АТН не получили распространения.

Принцип роботы парокомпрессионного теплового насоса

Тепловой насос — это «холодильник наоборот», отмечается на www.avante.com.ua. В обоих устройствах основными элементами являются испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует поток хладагента.

Хладагенты — это вещества, способного кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла, на жидкое — в другой. Просто в холодильнике главная партия отводится испарителю и отбору тепла, а в тепловом насосе — конденсатору и передаче тепла.

Функция бытового холодильника сводится к охлаждению продуктов, и его сердцем является теплоизолированная камера, откуда тепло «откачивается» (отбирается кипящим в теплообменнике-испарителе хладагентом) и через теплообменник-конденсатор «выбрасывается» в помещение (задняя стенка холодильника довольно теплая на ощупь).

В тепловом насосе главным становится теплообменник, с которого тепло «снимается» и используется для обогрева дома, а второстепенная «морозилка» размещается за пределами здания.

Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из замкнутых контуров.

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду (например, полиэтиленовый) трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Источником низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода, озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы вентиляции какого-либо промышленного предприятия.

Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Рабочий цикл выглядит так (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Схема работы теплового насоса

Жидкость хладагента продавливается через дроссель, ее давление падает, и она поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь происходит процесс получение теплоты — теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается сначала.

Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5–6 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растет эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур.

По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. В этом состоит одно из важнейших отличий теплового насоса от традиционных (топливных) источников тепла, в которых вырабатываемая энергия зависит исключительно от теплотворной способности топлива. По этой причине тепловой насос в каком-то смысле «привязан» к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу.

Эта проблема может быть решена введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды. Так устроена система центрального отопления Стокгольма.

Источники энергии

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух».

При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между трубами коллектора — 0,8…1 м.

Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода, 20–30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350–450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м^2 (20x20 м). При правильном расчете контур не влияет на зеленые насаждения.

Если свободного участка для прокладки коллектора нет или в качестве источника тепла используется скалистая порода, трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых, чтобы получить общую расчетную глубину. Иногда в качестве скважин используют фундаментные сваи.

Ориентировочно на 1 пог. м скважины приходится 50–60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 м.

Существенно снизить необходимую глубину скважины и увеличить отбор тепловой энергии до 700 Вт на на 1 пог. м скважины позволяет применение активного контура «Fill well» первичного преобразователя теплового насоса (необходимым условием является наличие обводненого горизонта вскрываемого скважиной).

Среди тепловых насосов, использующих тепло поверхностного слоя земли, выделяется система EarthLinked® с подземным медным теплообменником DIRECT AXXESS®.

Хладагент подается непосредственно к источнику земного типа, что обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной системы. Испаритель устанавливают в грунт горизонтально ниже глубины промерзания или в скважины диаметром 40–60 мм пробуренные вертикально либо под уклоном до глубины 15–30 м.

Благодаря такому инженерному решению устройство теплообменного контура производится на площади всего несколько квадратных метров, не требует установки промежуточного теплообменника и дополнительных затрат на работу циркуляционного насоса.

При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоема контур укладывается на дно. Этот вариант принято считать идеальным: не слишком длинный внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.

Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза.

Для получения тепла из теплого воздуха (например, из вытяжки системы вентиляции) используется специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях.

Если тепла из внешнего контура все же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчетного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла — чаще всего небольшой электронагреватель (тен).

Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов, в первую очередь, следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт-ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2–0,35 кВт-ч электроэнергии. Кроме того, теплонасос не сжигает топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу.

Он не требует специальной вентиляции помещений и абсолютно безопасен. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фанкойлы.

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — ив быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок.

КПД тепловых насосов

Тепловой насос способен, используя высокопотенциальные источники энергии, «накачать» в помещение от 200 % до 600 % низкопотенциальной тепловой энергии. В этом нет нарушения закон сохранения энергии.

Поэтому применение тепловых насосов для обогрева помещений гораздо эффективнее газовых котлов. Современные газотурбинные установки на электростанциях имеют КПД, существенно превышающий КПД газовых котлов. В результате при переходе электроэнергетики на современное оборудование и при применении тепловых насосов можно получить экономию газа до 10 раз в сравнении с газовыми котлами.

Перспективы использования тепловых насосов

Широкому распространению теплонасосов мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300—1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок: капиталовложения окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4–9 лет, а служат теплонасосы по 15–20 лет до капремонта.

Еще более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).

Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Ограничения применимости тепловых насосов

При слишком большой разнице между температурой на улице и в доме, тепловой насос теряет эффективность (предел применимости в системах отопления домов за счет откачки тепла от наружного воздуха — около -15…-20 °C). Для решения этой проблемы применяются системы откачки тепла из грунта либо грунтовых вод. Для этого в грунте ниже точки промерзания укладываются трубы, в которых циркулирует теплоноситель, либо (в случае обильных грунтовых вод) через тейлонасосное оборудование прокачиваются грунтовые воды.

Индивидуальное отопление (отопление квартир)

Наиболее простой вариант — использование моноблочных модулей «воздух-вода». К примеру, отопление и горячее водоснабжение двухкомнатной квартиры площадью 60 м^2 может вполне обеспечить модуль номинальной мощностью 4,5 кВт. Для южных регионов Украины такой модуль обеспечит среднесезонный отопительный коэффициент порядка 2,75.

Кроме того, потребитель дополнительно получает бесплатную систему кондиционирования, которая обеспечит его и бесплатной горячей водой в летнее время. Еще более эффективным станет применение системы индивидуального отопления с помощью ТН в случае введения тарифов централизованного теплоснабжения, дифференцированных по температуре теплоносителя. Использование ТН для догрева теплоносителей до нужной температуры позволит снизить стоимость единицы потребляемой тепловой энергии в 6…8 раз по сравнению с централизованными системами теплоснабжения.

Грунтовый зонд

Мировая практика использования парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов насчитывает уже около 50 лет. Главными драйверами мирового рынка стали удорожание цен на традиционные энергоносители и государственное стимулирование их потребления. Объем мирового рынка парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов, который на протяжении последних 10 лет ежегодно увеличивался на 10–30 %, к 2011 году достиг 300 тыс. шт. Основную часть мирового рынка составляют ПТН типа «грунт-вода/воздух».

Аккумулированное грунтом тепло передается с помощью теплоносителя (рассола), через вертикально расположенные теплообменники (грунтовые зонды рис. 6.8) и подается в испаритель теплообменника теплового насоса.

Рис 6.8. Грунтовый зонд

В испарителе хладагент теплового насоса, нагреваясь от рассола до температуры 6–8 °C, закипает и испаряется, забирая тепло от рассола. Охлажденный рассол, закачиваемый насосом, поступает в грунтовый зонд, где нагревается, забирая тепло от грунта. Образовавшийся пар из испарителя поступает в компрессор, где происходит процесс сжатия пара. Пар переходит в жидкое состояние, выделяя большое количество тепла. Температура жидкости в компрессоре подымается до 35–70 °C. Эта температура в теплообменнике конденсатора передается рабочей жидкости отопительного контура.

Проходя через сбросной клапан, сбрасывающий давление, хлодоген мгновенно охлаждается и снова попадает в испаритель, замыкая цикл. Рабочая жидкость, нагретая в теплообменнике испарителя, поступает в тепловой аккумулятор (буферная емкость), необходимый для накопления тепловой энергии и стабилизации работы теплового насоса (уменьшается частота включений). Далее нагретая рабочая жидкость используется в отопительных контурах. Для приготовления санитарной воды контура горячего водоснабжения используется высокоэффективный бойлер косвенного нагрева.

Тепловые насосы в вопросах и ответах

• По каким причинам следует выбирать тепловой насос?

Универсальность. Подходит для использования как в промышленном, так и в частном строительстве. Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого коэффициента полезного действия (КПД). Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды, так и для людей, находящихся в помещении. Безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки. Надежность. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15–25 лет. Комфорт. Работает практически бесшумно (не громче холодильника). Гибкость. Совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях.

• Какой принцип действия теплового насоса?

Тепловой насос — это устройство, которое температуру окружающей среды (земли, воды, воздуха) преобразует в высокую температуру, которая используется для отопления и производства горячей воды. Тепло забирается из земли через пластиковый трубопровод.

В трубах циркулирует незамерзающая жидкость, которая передает собранное тепло в испаритель теплового насоса. В испарителе незамерзающая жидкость отдает свою энергию фреону, который преобразуется в пар и сжимается в компрессоре. Из-за резкого увеличения давления температура паров фреона резко поднимется.

Далее горячие пары попадают в конденсатор, где передают тепло в тепловую систему. Остывшая незамерзающая жидкость по трубам возвращается в грунт, где далее собирает тепло. Энергия используется только для переноса тепла, поэтому этот способ обогрева является одним из самых дешевых. По такому же принципу работает холодильник, только здесь тепло забирает изнутри и передается в окружающую среду через решетки находящиеся на задней стенке холодильника.

• Какая жидкость циркулирует в коллекторе?

В коллекторе циркулирует незамерзающая жидкость. Основой жидкости может быть этанол или гликоль. Основное требование к жидкости — температура замерзания должна быть не выше -16 °C.

• Какая труба используется для коллектора?

Для коллектора используется полиэтиленовая труба, которая не ржавеет, не гниет — поэтому такая система долговечна. Диаметр трубы — 40 мм.

• На какую глубину закапывается коллектор?

Производитель рекомендует закапывать коллектор на глубину 2 метра и более. На такой глубине тепла достаточно в течение круглого года, и тепловой насос работает эффективно. Таким образом, обеспечивается нормальная температура работы коллектора необходимая для работы теплового насоса (от -5 °C до + 20 °C).

• Что лучше — скважина или горизонтальный коллектор?

Большинство тепловых насосов монтируются с горизонтальным коллектором. Из-за высокой цены скважина, как источник тепла, используется там, где недостаточно места для установки горизонтального коллектора, а так же если участок у дома уже приведен в порядок.

• От чего зависит длина коллектора или глубина скважины?

Длина коллектора или глубина скважины зависит от тепловых особенностей дома — теплопотери, внутренней системы отопления, мощности выбранного теплонасоса и особенностей грунта.

• Какая площадь участка требуется для укладки коллектора?

Обычный горизонтальный коллектор занимает площадь в 2–3 раза больше отапливаемой площади дома.

• Растет ли трава на том месте, где закопан коллектор?

Коллектор не влияет на произрастающую над ним растительность. В местах, где планируется посадка деревьев, рекомендуется коллектор закопать поглубже. На месте где закопан коллектор, строительство запрещено.

• Можно ли использовать одну и ту же скважину и для теплового насоса и для питьевой воды?

Для теплового насоса и для питьевой воды необходимы разные скважины, так как их оборудуют по разным принципам. Тепловой насос охлаждает скважину, и было бы не рационально ту же самую воду дома нагревать.

• Сколько места занимает котельная с тепловым насосом?

Для установки теплового насоса достаточно небольшого помещения, например, для наиболее популярного Fighter 1220 с трубами достаточно нескольких квадратных метров. Если выбран тепловой насос с отдельным бойлером необходима несколько большая квадратура (примерно 4–6 м^2, в зависимости от конфигурации котельной).

• Какие требования предъявляются к котельной?

Никаких специальных требований нет. Нет необходимости в наличии окон, дымохода. Поэтому, уже проектируя дом не обязательно предусматривать котельную у наружной стены. Однако не рекомендуется устанавливать тепловой насос у стены, за которой находится спальня.

• Громко ли работает тепловой насос?

Конструкция тепловых насосов такова, что компрессор и холодильная часть находятся в отдельном корпусе. Это означает, что компрессор теплового насоса помещен в двойном корпусе, что обеспечивает низкий уровень шума.

• Какое напряжение необходимо для теплового насоса?

Тепловому насосу требуется трехфазный электрический привод, однако некоторые модели могут использовать напряжение в 220 В.

• Что происходит с тепловым насосом при перепаде напряжения?

При исчезновении, а затем при появлении напряжения, тепловые насосы включатся, и далее будут работать в том же режиме, как и ранее. Все ранее заданные параметры сохраняются.

• Можно ли отапливать одним тепловым насосом несколько отдельных домов?

Технически это возможно, но невозможно будет обсчитать использованное отдельными домами тепло, т. к. затраты на тепло зависят не только от площади отапливаемого помещения, но и от термических характеристик дома — отопительной системы, поддерживаемой в комнатах температуры, использования горячей воды.

• Какую максимальную температуру в отопительной системе может обеспечить тепловой насос?

Максимальная температура в отопительной системе достигаемая с помощью компрессора 55–70 °C, в зависимости от модели теплового насоса.

• Какую отопительную систему лучше выбрать для дома, используя тепловой насос?

Так как эффективность теплового насоса зависит от температуры, подаваемой в отопительную систему и от температуры, получаемой из грунта, лучше выбирать низкотемпературную отопительную систему. Наиболее эффективно тепловой насос работает, если в доме установлена напольная система отопления.

• Готовят ли тепловые насосы горячую воду?

Тепловые насосы отапливают помещения и готовят горячую воду. При помощи компрессора температура горячей воды может повышаться до 65 °C, при помощи электрического ТЭНа до 80 °C.

• Требуется ли техническое обслуживание и сколько оно стоит?

Никакого специального обслуживания тепловой насос не требует, поэтому никаких дополнительных расходов с ним не связано.

• Сколько времени будет служить тепловой насос?

Срок службы теплового насоса рассчитан на продолжительную работу — без проблем он должен прослужить не менее 20 лет.

• Можно ли тепловыми насосами подогревать воду в бассейне?

Тепловые насосы содержат такую функцию, а также функцию контроля процесса обогрева.

• Можно ли управлять тепловыми насосами на расстоянии?

Смонтировав дополнительное устройство, тепловыми насосами можно управлять через Интернет и GSM. Это особенно актуально, если тепловой насос смонтирован в усадьбе и более высокая температура нужна изредка.

• Для чего нужен электрический ТЭН в тепловом насосе?

Электрический ТЭН в тепловом насосе может быть использован как источник энергии, когда вся система смонтирована, кроме коллектора, — тогда тепловой насос работал бы как электрический котел. При помощи электрического тэна мойсно так же повысить температуру горячей воды до 80 °C (при помощи компрессора — 65 °C).

Так же можно увеличить количество горячей воды или дезинфицировать бойлер, чтобы избежать развития болезнетворных бактерий. Повышение температуры горячей воды может осуществляться периодически, установив временной интервал и необходимую температуру в тепловом насосе, или в случае необходимости одноразового производства большего количества горячей воды.

Электрический ТЭН может быть использован и как вспомогательный инструмент обогрева, в том случае, если изменяется потребность в тепле — например, при увеличении отапливаемой площади помещения.

В этом случае нет необходимости в реконструкции системы отопления, дополнительное количество тепла можно получить при помощи электроэнергии Максимальная мощность электрического тэна устанавливается 3,6 или 9 кВт, в зависимости от мощности электропроводки и потребности потребителя. Установленная мощность включается постепенно, в зависимости от потребности, 3 уровнями — например, если установлено 6 кВт то будет включаться 2+2+2 кВт.

• Может быть лучше выбрать более мощный тепловой насос?

Тепловой насос нужно подбирать в зависимости от отапливаемой площади помещения. Более мощный насос будет работать не эффективно, кроме того, установка более мощного насоса повлечет дополнительные финансовые затраты.

• Можно ли самому смонтировать тепловой насос?

Да.

• Какими недостатками обладает отопительная система с тепловым насосом?

Отопительная система с тепловым насосом одна из самых передовых. Влияние на выбор оказывает условно высокая начальная инвестиция, однако это один из самых дешевых способов отопления и сроки окупаемости системы достаточно короткие.

Глава 7

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ БИОМАССЫ

7.1. Что такое «биомасса»

Биомасса — это органические вещества, сохранившие в себе энергию Солнца, благодаря процессу фотосинтеза.

Источниками топлива из биомассы являются наземная и водная растительность, отходы сельскохозяйственного и лесозаготовительного производства, муниципальные отходы и отходы животноводства. Она образуется в ходе работы пищевой цепочки. В первоначальном виде существует в форме растений, затем передается травоядным животным, а если их съедят — то и плотоядным. Человек тоже ест растения и животных.

Биомасса характеризуется способностью к возобновлению, низкой ценой, небольшим объемом выбросов, исключением повышения содержания С0_2 в атмосфере, неэкономичностью транспортировки на большие расстояния и сильной тенденцией образования нагара и шлака при сжигании.

При сгорании биомассы (древесины, высушенной растительности) освобождается накопленная энергия и углекислый газ.

Примечание.

На сегодняшний день эта отрасль занимает второе место после гидроэнергии из списка альтернативных источников из-за своей дешевизны и доступности. Она составляет 15 % от мировой поставки энергии и до 35 %— в развивающихся странах (http://energyforever.ru).

В принципе, биомасса — это любой материал органического происхождения, не только растения и животные, но и экскременты животных или остатки растений, такие как солома. Бумага и целлюлоза, отходы бойни, органические отходы, растительное масло и этанол — все это биомасса и может быть использовано для производства энергии.

Используются разные методы для превращения этих материалов в жидкий, твердый или газообразный источник энергии. Часто существует несколько путей превращения биомассы в энергию. Она, например, может быть сожжена в энергетической установке для получения тепла, переброжена в анаэробном реакторе, чтобы потом получить газ и затем электричество и тепло или может быть преобразована в синтетический газ или топлива путем термохимической газификации.

7.2. Прямое сжигание биомассы

Сжигание на воздухе

Простейшим методом получения полезной энергии из сухой биомассы является ее сжигание на воздухе. Теплота реакции составляет от 16 до 24 ГДж/т абсолютно сухой биомассы, в зависимости от ее типа. Если количество кислорода недостаточно для полного окисления горючего материала, тогда происходит образование углерода, оксида углерода, углеводородов и других газов, а теплота реакции снижается. Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, превращаются в газообразные продукты и золу (http://www.bio-energetics.ru).

Примечание.

Присутствие воды в биомассе не снижает термодинамического выхода тепла, однако практическая эффективность реакции снижается вследствие необходимости нагрева воды и ее испарения при температуре сжигания. Содержание воды более 30 % не дает возможности прямого сжигания биомассы, поэтому материал должен быть высушен или же к нему следует добавить топливо.

Вода также снижает температуру пламени и скорость сжигания. Однако использование печей с псевдо сжиженным слоем материала позволяет проводить сжигание при содержании воды до 55 %.

Были предложены регенеративные печи, повторно использующие тепло испарившейся воды и газообразных продуктов сгорания; в этих условиях теоретически возможно сжигание материалов, насыщенных влагой. Сжигание в соответствующих камерах сгорания может явиться одним из наиболее эффективных методов использования энергетического потенциала биомассы.

В печах прямого нагрева и паровых котлах использование тепла составляет 85 %, однако многие установки на практике являются значительно менее эффективными.

Подготовка биомассы

Перед сжиганием тем или иным способом большинство типов биомасс необходимо определенным образом подготовить. Типы биомасс могут варьировать:

♦ от плотных, относительно сухих материалов, таких, как древесина;

♦ до очень влажных, обладающих низкой теплотворной способностью, таких как канализационные стоки и морские водоросли.

Другие материалы, такие как солома, обладая низкой влажностью, имеет малую плотность, и поэтому работа с ними является затруднительной. Наиболее важными этапами подготовки биомассы являются:

♦ измельчение;

♦ сортировка по размерам частиц;

♦ сушка;

♦ хранение.

Необходимые размеры древесины получают путем распила, раскола и измельчения. Предварительная сушка на воздухе проводится не всегда, в зависимости от техники сжигания. Используют и другой метод подготовки древесины, называемый «уплотнением». В ходе этого процесса древесину сушат, измельчают, сортируют по размерам частиц и добавляют связующие агенты. Полученный материал брикетируют или прессуют в более плотную массу с содержанием влаги около 7 %.

Примечание.

В целом эта технология способствует улучшению свойств биомассы как топлива, приближая их к свойствам угля.

Этот процесс является дорогостоящим и может более чем в двое повысить цену топлива. Но он, тем не менее, обеспечивает получение материала, способного заменить обычные виды топлива; в некоторых районах потребители готовы оплачивать эти лишние издержки.

Для транспортировки к месту использования солому прессуют в кипы. Кипы имеет низкую плотность (62—200 кг/м^3 в зависимости от типа пресс-подборщика). Они должны быть небольшими для облегчения погрузочно-разгрузочных работ вручную, что ведет к высоким транспортным расходам. Кроме того кипы соломы неудобны для автоматической подачи в печи для сжигания. Делались предложения относительно измельчения соломы перед использованием, но это еще больше увеличивало издержки по подготовке биомассы.

Твердые отходы животноводства содержат обычно 70–85 % воды. Перед сжиганием необходима предварительная сушка, которую также можно осуществить путем использования топочных газов. Аналогичные методы применимы к другим материалам с высокой влажностью. При этом количество получаемого тепла в значительной мере снижается вследствие использования его части для высушивания топлива.

Хранение биологического сырья представляет особую проблему вследствие его большого объема, зачастую сезонного его поступления, а также склонности к биологическому разложению. Обычные виды топлива не имеет подобного рода недостатков. В некоторых случаях невозможно обеспечить подачу топлива в соответствии с необходимым выделением тёпла, поэтому необходима установка печей (бойлеров), способных работать как на обычном топливе, так и на биомассе.

Мелкомасштабные методы сжигания

Самый простой метод сжигания биомассы — это сжигание на открытом огне. В этих случаях эффективность сжигания очень низка. При сжигании топлива в традиционных печах отношение выделившейся энергии к подведенной энергии может быть менее 10 %. В последние годы были сконструированы эффективные дровяные печи и бойлеры.

Значительная потеря тепла в простых топках происходит из-за чрезмерной тяги в дымоходе.

Примечание.

Простое ограждение для огня и ограничение тяги повышает эффективность сгорания до 25 %.

В настоящее время имеется значительно более эффективные дровяные печи. Комната, где установлена такая печь, получает до 70 % энергии сгорания топлива или в результате излучения, или в результате конвекции. Однако средняя эффективность дровяных печей составляет все еще около 50 %.

Основным недостатком многих систем является:

♦ трудность обеспечения автоматической подачи топлива;

♦ необходимость постоянного внимания со стороны пользователей.

В целях частичного решения проблемы были созданы системы,

предназначенные для использования многих видов топлива; при желании работа в автоматическом режиме достигается путем переключения на ископаемые виды топлива.

Основной проблемой небольших систем сжигания биомассы является накопление агрессивных масел и смол в более холодных частях дымохода. Эти скопления необходимо периодически удалять; дымоход можно очищать также путем пропускания через него горячих газов (однако наряду с удалением нежелательных соединений теряется и полезное тепло).

Промышленная технология сжигания

Биомасса обычно используется в промышленности в качестве топлива только в тех случаях, когда она представляет собой остатки от переработки биологических материалов другие, более ценные, продукты. Это имеет частичное значение с точки зрения охраны окружающей среды, так как удаление остатков является часто затруднительным.

Два вида топлива биологического происхождения уже используются в промышленности, и методы сжигания их являются документально обоснованными:

♦ солома, получаемая в сельском хозяйстве:

♦ древесные отходы деревообрабатывающей промышленности.

Ниже дается некоторые комментарии по используемой технологии.

Сжигание соломы на фермах практикуется в некоторых районах, а печи для сжигания соломы производятся в Дании в широком масштабе. Однако, по крайней мере, в Великобритании, после закупки в 70-х годах тысяч небольших бойлеров интерес к последним упал, и, по имеющимся данным, в настоящее время используется менее половины закупленного оборудования.

Причина тому, по-видимому, неудобство работы с этим оборудованием, сгорание неустойчивое и неэффективное, а дым и сажа вызывают загрязнение окружающей среды. Выход тепла был ниже, чем это было гарантировано производителем. Появились усовершенствованные варианты с непрерывным сжиганием и разделением печи и бройлера (для повышения полноты сгорания), однако эти устройства стали более дорогостоящими, и они вышли из употребления.

Отрасли деревообрабатывающей промышленности используют древесные остатки для парообразования на месте производства. Пар используется для поддержания температурных условий процесса и для выработки электроэнергии. Горячие продукты сгорания могут использоваться для сушки.

Общие отходы деревообрабатывающей промышленности могут составлять до 50 % от массы сырья. Содержание влаги в отходах составляет 30–50 %. Паровые установки, использующие эти отходы, сжигают до 250 т/ч. Используется несколько типов бойлеров и печей — например, датские печи, печи с механической загрузкой, печи с наклонной решеткой.

Сжигается как влажная (до 30 % влаги), так и сухая древесина. Эффективность может быть такой же высокой, как и при сжигании других видов твердого топлива. Однако оборудование для сжигания часто включает высокоэффективные газовые и масляные установки (на случай отсутствия отходов).

Сжигание широко используется в целях утилизации городских и промышленных отходов. Несмотря на существование множества проектов по использованию полученного тепла для обогрева жилых домов, в большинстве случаев это тепло не используется. Стоимость сжигания может быть неожиданно высокой, но здесь первостепенное значение имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для некоторых отходов сжигания является единственно приемлемым способом их утилизации.

Газогенераторная установка

Газогенераторная установка (сжигатель, рис. 7.1), производит газ и тепловую энергию из отходов деревообработки (древесная щепа, опилки, обрезки, стружки и горбыль и т. д.), и прочих отходов биомассы (лузга подсолнечника, солома, некондиция семян растений).

Газогенераторная установка решает одновременно две задачи:

♦ утилизация отходов;

♦ очень дешевое теплообеспечение.

Рис. 7.1. Внешний вид газогенераторной установки

Сжигатель комплектуется бункером и автоматизированной шнековой подачей топлива, благодаря которой, повышается комфорт обслуживания и длительность одноразовой загрузки до 5 суток.

Газогенераторная установка разработана для котлов марки «КЭС». Также газогенератор можно применить в существующие котельные для других котлов отечественного или импортного производства с чугунным или металлическим теплообменником.

Технология

Опилки (стружка) или щепа засыпаются в бункер, оборудованный «ворушителями», которые предотвращают «налипание» сырья, и далее поступают в шнековый транспортер. Он работает в автоматическом режиме «подача-пауза» в соответствии с заданной на контроллере программой (подробности см. на http://kes.ucoz.ua).

Шнек осуществляет дозированную подачу топлива в газогенератор, в котором происходит процесс газификации, т. е. процесс практически полного превращения топлива в горючие газы (остаточная зольность менее 0,5 %).

Дальнейшая реакция между углеродом и кислородом воздуха обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода — главного горючего компонента вырабатываемого газа. Смолы и масла разлагаются на газы, которые содержат водород, реализуется принцип «чистой трубы».

Факел горящего газа направляется в камеру сгорания котла, в котором происходит нагрев воды. Обрезки и кусковые отходы сжигаются непосредственно в топке котла. Контроллер — программатор обеспечивает поддержание и регулировку температуры теплоносителя с точностью ± 1 град. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом.

Применение газогенераторов

В настоящее время для теплоснабжения зданий и сооружений, получения горячей воды для технологических нужд, получения пара и горячего воздуха для различных технологических процессов применяются водогрейные котлы, паровые котлы и теплогенераторы, в основном использующие дорогостоящие электроэнергию, каменный уголь, нефтепродукты и природный газ. В то же время имеются значительные запасы топливосодержащих бросовых материалов и низкокачественного топлива (отходы лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного, сельскохозяйственного и других производств, торф, сланцы, бытовые отходы).

Газогенераторы позволяют утилизировать многие из указанных материалов, которые до сих пор используются в несущественных объемах. Их хозяйское, рациональное применение может привести к весьма значительной экономии угля, электроэнергии, жидкого топлива, природного газа.

Широкое внедрение газогенераторов позволяет одновременно содействовать разрешению и не менее важной задачи экологического плана — очистке значительной территорий от указанных отходов.

Примечание.

Газогенераторы могут работать с различным отопительным оборудованием. При этом они должны соответствовать друг другу по мощности (±30 %).

При выборе типоразмера газогенератора для системы отопления можно исходить из следующих норм:

♦ для отопления помещений с высотой потолков до 3 м на каждые 10 м^2 требуется 1 кВт тепловой мощности газогенератора;

♦ для отопления более высоких помещений на 100 м^2 требуется 4–5 кВт тепловой мощности газогенератора.

Принцип работы и устройство газогенератора

Газогенератор использует простой, хорошо проверенный способ преобразования твердого топлива в газообразное. На стадии газификации топливо и кислород воздуха, подаваемого в ограниченном количестве в камеру газообразования, нагреваются раскаленным реактором и вступают между собой в реакцию. В результате нее топливо разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реакция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода (СО) — главного горючего компонента вырабатываемого газа.

Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород и некоторое количество метана. Минимальная теплотворная способность газа— 1100 ккал/м^3. Газогенераторы позволяют при совместной работе с серийно выпускаемыми водогрейными или паровыми котлами, воздушными теплообменниками осуществлять теплоснабжение зданий и сооружений различного назначения, получать горячую воду, пар или горячий воздух для обеспечения технологических процессов (запарка кормов, стерилизация, сушка древесины, зерна и др.).

В качестве топлива для газогенераторов может применяться древесная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1 см^3 до 200 см^3), смесь кускового торфа с опилками или стружками в соотношении примерно 1:1 по объему. Топливом могут быть и только опилки и стружка. Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролизной переработки древесины — лигнин, сформованный в топливный брикет (кусок).

Важной особенностью газогенераторов является их «всеядность». В них может использоваться топливо практически любой «сортности». Так, газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившая и т. п.). Существенную роль играет только влажность. Возможно применение топлива влажностью до 45–50 %.

Для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата рекомендуется применять топливо с влажностью не выше 35 %.

Газогенератор — агрегат модульной конструкции, легко приспосабливаемый к работе с различными водонагревательными и воздухонагревательными устройствами.

Газогенератор состоит из трех основных узлов: камеры газообразования, трубы горения и бункера для топлива.

7.3. Сухая перегонка, газификация и сжижение

Термическое повышение качества биомассы

Основной целью всех процессов повышения качества биомассы является превращение ее в стабильное транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива без использования специального оборудования для погрузочно-разгрузочных работ. Путем сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов можно получить твердые, жидкие и газообразные соединения, обладающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и природного газа.

В Интернете описано много процессов, широко использовавшихся в прошлом; производство газа для использования его в качестве топлива путем сухой перегонки и газификации угля и биомассы было начато почти 200 лет назад. Различные термические процессы повышения качества биомассы, предлагаемые в настоящее время и использовавшиеся в прошлом, имеет много общих черт. Схематически используемые процессы представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Термическое обогащение биомассы

При нагревании биомассы происходит распад углеродсодержащих молекул с образованием ряда газообразных, жидких и твердых продуктов. Специфические продукты реакции определяются:

♦ температурой реакции;

♦ тепловой мощностью;

♦ степенью измельчения;

♦ типом биомассы;

♦ присутствием неорганических примесей и катализатора.

Тепло, необходимое для осуществления этих изменений, носящих эндотермический характер, подводится или из внешнего источника, или путем введения воздуха или кислорода в реактор и сжигания части биологического материала.

Термины «сухая перегонка», «газификация» и «сжижение» не имеют точного значения в литературе. Газификация и сжижение биомассы происходят как в присутствии, так и в отсутствие окислительных (О_2, воздух) и восстановительных (СО, Н_2) газов, обычно связанных с этими процессами.

В настоящем исследовании сухая перегонка рассматривается отдельно как анаэробный процесс. Превращение биомассы в газы при сжигании на месте рассматривается как газификация. Понятие «сжижение» охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы.

Подготовка биомассы

Высокая влажность биомассы представляет собой непосредственную проблему при осуществлении всех процессов повышения качества биотоплива вследствие затрат энергии на испарение воды и разбавления-продуктов реакции не прореагировавшим паром.

Большинство методов включают стадию высушивания при использовании уже частично высушенных материалов; однако в материале допускается определенное количество воды, которое необходимо для образования синтез газа (паровая газификация). Биомасса, содержащая более 30 % воды, потребует, очевидно, сушки перед осуществлением любых процессов.

Для облегчения процесса сушки, а также достижения требуемой скорости реакции в процессе тепловой обработки биомасса должна быть измельчена с получением соответствующих размеров частиц. Технологическая схема включает дробильные, измельчительные и размалывающие установки. Если биологический материал представляет часть общих отходов, необходим предварительный отсев негорючих и других примесей. «Уплотненная биомасса», о которой говорилось выше, может быть использована для процессов обогащения без дальнейших обработок.

Сухая перегонка

Нагрев биомассы приводит к удалению влаги (ярко выраженный эндотермический процесс). При температуре выше 100 °C биомасса начинает разлагаться, а между 250 и 600 °C основными продуктами являются уголь и маслянистая кислая смесь дегтя и различных количеств метанола, уксусной кислоты, ацетона и следы других органических веществ. До развития нефтехимической промышленности источником этих соединений была перегонка древесины.

На рис. 7.3 показан в качестве примера пиролиз целлюлозы. При температуре свыше 600 °C жидкие продукты пиролиза могут быть газифицированы, а свыше 800 °C газифицируется также и уголь в результате эндотермической реакции углеродсодержащих молекул с водой с образованием синтез газа, смеси оксида углерода и водорода.

Рис. 7.3. Пиролиз целлюлозы

Какие химические реакции протекают в процессе тепловой обработки биомассы, точно определить трудно вследствие очень сложной химической природы биомассы. Правда, основными компонентами многих типов растительного материала являются целлюлоза и крахмал, и нам известны некоторые реакции сухой перегонки этих продуктов и их термодинамика. Сначала происходит карбонизация или обугливание.

Реакция является, в некоторой степени, экзотермической, т. е. такой же, как и получение пиролитического масла. В качестве средней молекулярной формулы пиролитического масла принимается формула С_6Н_8О (энтальпия=2,1 ГДж/т).

Образование синтез газа является в высшей степени эндотермической реакцией. При быстром нагревании целлюлозы, как при «мгновенном» пиролизе, может образоваться некоторое количество олефинов в ходе другой эндотермической реакции.

Несмотря на некоторые утверждения относительно автотермального характера (или близкого к автотермальному) процесса сухой перегонки биомассы, термическое обогащение биомассы обычно требует затрат теплоты, составляющих до 10 % теплоты сжигания сухой биомассы (примерно до 2 ГДж/т). Эта доля может быть значительно выше, например, при производстве угля, где происходит потеря летучих продуктов.

Технология сухой перегонки

За исключением производства высокоценного древесного угля, используемого как в качестве топлива, так и для других целей, сухая перегонка биомассы в промышленном масштабе не используется в развитых странах. Древесный уголь обычно получают путем нагревания древесины до 350 °C в пиролитическом реакторе. Выход составляет около 35 % топлива с энергоемкостью примерно 29 ГДж/т, то есть сохраняется около 50 % энергии древесины.

Ниже даются комментарии по другим предложенным процессам. В одном из процессов используется пиролиз при 500–600 °C и давлении 20 бар с получением синтеза газа. Наконец, быстрый пиролиз сухой биомассы при 800 °C ведет к образованию олефинов, которые могут быть полимеризованы в автомобильный бензин (его заменитель).

В «западном» процессе (ранее процесс Гаррота) сырье должно быть высушено и тонко размолото. Теплота, необходимая для осуществления пиролиза, получается в результате реакции. Газы удаляются из угля в циклонном сепараторе до очистки от жидкостей и остающихся твердых частиц, а затем уголь и газы возвращаются в пиролизатор. Схематическая диаграмма этого процесса показана на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Пиролиз биомассы

В целях максимизации выхода жидкости время пиролиза сокращается до нескольких секунд. Выход пиролитического масла составляет около 40 % в расчете на сухое сырье. Пиролитическое масло не смешивается с топливной нефтью, имеет коррозионные свойства, аналогичные свойствам уксусной кислоты, и может храниться только в течение примерно двух недель вследствие продолжающихся химических реакций.

Для использования этого масла в качестве топлива необходимо специальное оборудование. Теплотворная способность пиролитического масла составляет около 53 % теплотворной способности топливной нефти (по массе). Выход угля составляет от 20 до 50 %,содержание золы в угле до 50 %. Газы имеют низкую теплотворную способность и содержат до 65 % двуокиси углерода и до 8 % сероводорода.

Свойства пиролитического масла. Углерод — 57,5 %. Водород — 7,6 %. Кислород — 33,4 %. Энергоемкость — 24 ГДж/т. Плотность — 1,3 г/см^3.

В ходе процесса древесные стружки проходят через печь с продуктами реакции. В качестве катализатора добавляется древесная зола. Газы, жидкости и уголь газифицируются с помощью пара, присутствующего в древесине. Этот процесс считается авто термическим вследствие экзотермического характера разложения древесины и переноса тепла от горячих продуктов в систему.

Третий процесс включает быструю паровую газификацию биомассы с образованием смеси олефиновых углеводородов. Высушенную биомассу размалывают в муку, насыщают паром и остаточными газами полимеризационного реактора и нагревают до 800 °C.

Эндотермическая реакция поддерживается путем сжигания пиролитического угля (побочного продукта) и отходящих газов. Образовавшиеся газы содержат около 4 % по массе этилена, полимеризующегося до высших углеводородов при давлении около 56 кг/см^3 и температуре 500 °C. Однако побочные продукты не обеспечивают достаточного количества теплоты для протекания процесса, что вызывает необходимость сжигания дополнительного количества древесины. Выход автомобильного бензина и масла определяется термической эффективностью 11,9 % в расчете на сухое древесное сырье.

Окислительная газификация

Газификация биомассы кислородом дает газ средней энергоемкости, содержащий в основном оксид углерода и водород. Аналогичная реакция происходит на воздухе, но образующиеся газы разбавляются азотом, снижающим теплотворную способность. Химические процесс газификации представляет собой сочетание химического процесса сжигания с некоторыми “реакциями пиролиза, описанными в предыдущем разделе. Уголь, полученный в результате пиролиза, реагирует с паром или диоксидом углерода с образованием синтез газа.

Пиролитеческие масла претерпевают аналогичные реакции. При температуре выше 1000 °C единственно стабильными молекулами топливного газа являются молекулы СО и Н_2. При более низких температурах стабильны молекулы этилена, метана и другие молекулы с небольшим весом.

Газификаторы классифицируют следующим образом: газификаторы восходящего тока, нисходящего тока, кипящего слоя и взвешенного потока. Схематические диаграммы газификаторов восходящего и нисходящего токов показаны на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Газификация способом нисходящего и восходящего токов

Последний тип широко использовался в период второй мировой войны на транспортных средствах, трейлерах и небольших силовых установках. Недавно газификаторы, работающие на угле, использовались на Филиппинах для различных форм транспорта. Такие газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании.

Воздушные газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании. Воздушные газификаторы представляются как первые биотопливные системы будущего для замены существующих бойлеров и для обеспечения процессов необходимой теплотой с использованием отходов отраслей промышленности, перерабатывающих биомассу, например продовольствие и бумагу. Состав типичных газов, полученных с использованием кислородного газификатора, дает возможность химического их превращения, например в метанол и аммиак.

Сжижение/восстановление

Были разработаны предложения по превращению биомассы в жидкость, напоминающую тяжелую топливную нефть, путем реакции ее с восстановительными газами (оксид углерода и водород) в присутствии катализатора. Обычно необходимо давление 250 бар и температура 600–700 °C. Процессы сжижения обычно предполагают подготовку восстановительных газов путем пиролиза или окислительной газификации большего количества биомассы. В редких случаях можно получить дешевый водород из других источников, например при электролизе воды на гидроэлектрических установках.

Биомасса и сжиженная нефть

Древесину высушивают до влажности 4 %, размалывают в муку и смешивают с частью продуцированной нефти. В качестве катализатора добавляют карбонат натрия в количестве 5 % по массе. Смесь древесины, нефти, пара и катализатора подвергают первоначальному давлению 29 бар и нагревают до 300 °C в течение часа для обеспечения 99 %-ного превращения древесины и выхода нефти 56 %. Схематически процесс показан на рис. 7.6. Нефть рекомендована для использования в качестве бойлерного топлива.

Состав и свойства сжиженной нефти. Углерод — 76,1 %. Водород — 7,3 %. Кислород — 16,6. Плотность — 1,1 г/см^3. Энергоемкость — 31,4 ГДж/т.

Рис. 7.6. Сжижение древесины

7.4. Гидролиз и ферментация

Сахара биомассы

Все виды растительной биомассы содержат моно- и полисахариды, служащие как для аккумулирования энергии и углерода, так и в качестве структурного компонента. Хотя простые сахара встречаются в соке всех растений, только экстрагирование их из сахарного тростника и сахарной свеклы носит промышленный характер.

Тем не менее, эти растения являются основным источником производства сахара в мире. Полимерные сахара являются основными компонентами растительной биомассы и служат главными продуктами питания человека, животных, используются в качестве материалов для строительства, производства одежды, а также в целом ряде других отраслей экономики.

Углеводы можно экстрагировать из сырой биомассы путем использования целого ряда химических и механических методов от применения простого давления при переработке сахарного тростника до химического экстрагирования с высокими затратами энергии и сульфатной варки древесины. В табл. 7.1 представлены некоторые виды сахаров (мономеры, олигомеры и полимеры), полученные из различных видов растений и отходов биомасс.

Выход углеводов колеблется в широком диапазоне (в расчете на сухую биомассу) и может составлять до 60 % (целлюлоза) в древесине и около 15–20 % (сахароза) в сахарном тростнике и сахарной свекле.

Гидролиз

Перед ферментацией олигосахариды и полисахариды обычно следует гидролизовать до моносахаридов в отдельном реакторе.

Гидролизуемость материалов (легкость с которой происходит гидролиз) в значительной степени варьирует. Крахмал и пентозаны (гемицеллюлозы) требуют относительно мягких условий. При их гидролизе используют разбавленные кислоты и невысокие температуры; гидролиз целлюлозы происходит при более высоких температурах, с использованием более сильных кислот и реакторов под давлением.

Все полисахариды также разлагаются до некоторой степени под действием ферментов. Крахмал гидролизуется относительно легко под действием как кислоты, так и ферментов, в то время как целлюлоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения связанного лигнина перед тем, как она будет повреждена ферментативному гидролизу.

Скорость гидролиза целлюлозы при участии ферментов низкая. Наиболее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованой растительной биомассе — это глюкоза, фруктоза и ксилоза.

Практически все природные сахара имеет в своей основе пять (пентоза) или шесть (гексоза) атомных углеродных групп. Технология гидролиза крахмала является хорошо обоснованной. Обычным промышленным сырьем являются кукуруза и другие зерновые, а также картофель, переработка которых проходит в одну или две стадии (двойная кислота Кислота/фермент или двойной фермент).

Крахмал растворяется при нагревании в воде, что вызывает «разжижение» полисахаридов с расщеплением полимерных цепей кислотой или альфа амилазой. Гидролиз до моносахаров (сахарификация) осуществляется снова кислотой или амилоглюкозидазой.

Продуктивность ферментативного процесса является низкой по сравнению с химическими методами, и для осуществления максимальной сахарификации необходимо не менее трех дней. Хотя в прошлом специфичность реакции была хуже для кислого гидролиза, ферментируемые сахара получают теперь в пределах минут, а не часов, и сейчас фактически возможно получение большого выхода моносахаридов.

В настоящее время промышленный гидролиз целлюлозы в странах свободного рынка не осуществляется, так как разработанные ранее технологии, такие, как процессы Сколлера и Мэдисона, по имеющимся данным, являются неэкономичными. В настоящее время в литературе появились описания усовершенствованных процессов кислого гидролиза целлюлозы, а также новейших ферментативных процессов, включающих многофазовые реакции при различных температурах, предварительную обработку целлюлозы и использование новых видов ферментов.

Ферментация

В анаэробных условиях моносахариды могут быть превращены в спирт с помощью различных микроорганизмов. Выход спирта при превращении гексоз с участием дрожжей рода Saccharomyces составляет при благоприятных условиях до 90 % от теоретической стехиометрии реакции: С_6Н_12О_6 = 2С_2Н_5ОН + 2СО_2.

Однако здесь может образовываться ряд других продуктов, особенно при высоких значениях pH, как это показано в табл. 7.2.

Если реакция доходит до конца, превращение ферментируемых сахаров может быть 100 %-ным. Если концентрация спирта достигает ингибиторного уровня (8—10 %), превращение может быть неполным. Рост дрожжей становится ограниченным вследствие низкого обеспечения энергией в ходе реакции; таким образом, образовавшийся спирт препятствует увеличению калорийности субстрата.

Многие другие организмы, включая другие виды грибов, бактерий и зеленых растений, могут в анаэробных условиях превращать сахара в спирт, причем некоторые организмы осуществляют эти превращения с высокой эффективностью.

Однако выход спирта часто бывает значительно меньше, чем при участии дрожжей. При этом происходит образование большого количества других продуктов, таких как ацетаты, лактаты и глицерол.

Некоторые микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, могут сочетать оба процесса гидролиза и ферментации. Такие реакции протекают медленно, и выход спирта является низким.

Продуктивность спиртового брожения является высокой по сравнению с продуктивностью многих биологических реакций, но низкой по сравнению с продуктивностью реакций, протекающих в среде синтез газа, используемых для получения больших объемов химических.

Биологические катализаторы (дрожжи) также менее эффективны, чем химические, эти наблюдения важны при сравнении стоимости химических и биологических процессов.

В своей простейшей форме ферментация осуществляется партиями в сосудах вместимостью от 200 до 1000 м^3. Микробная «закваска» готовится заранее в неполных аэробных условиях с использованием того же субстрата, что и для ферментации.

Реакция ферментации в разбавленном растворе сахара. За последние годы был использован ряд новых типов ферментатаров, включая ферментаторы непрерывного действия и типа клеточной рециркуляции. Некоторые из этих ферментаторов используются в промышленности, особенно для производства этилового спирта.

Периодическая ферментация предпочтительна при производстве спиртных напитков, а также в большинстве случаев производства этилового спирта, так как технология периодического производства относительно проста, не требует тщательного контроля, как при непрерывном типе производства.

Перегонка

Цель начального этапа перегонки — отделение жидкости от твердых частиц в сбраживаемой массе. Фракционирование дистиллята дает раствор, содержащий 50–70 % спирта, а при последующих (водных) перегонках концентрация спирта может быть 90–94 %.

Более высокие концентрации обычно невозможны вследствие образования азеотропной смеси спирт+вода при концентрации этанола около 95 %. Таким образом, в последующих перегонках используют азеотропообразователь (например, бензол, циклогексан) с получением 99,9 %-ного этанола.

Кроме спирта, процессы брожения и перегонки дает остатки и стоки, которые следует удалять. Остаток от перегонки имеет высокую способность к поглощению кислорода вследствие наличия несброженных сахаров и других компонентов биомассы. Объем этих остатков в 15 раз больше объема произведенного спирта. Остатки обычно сбрасывают в реки и моря, а также вносят в почву.

На рис. 7.7 схематически показан типичный процесс получения топливного спирта из древесины. В литературе описано множество других вариантов с использованием иных источников углеводов, начиная от соломы и отходов бумажной промышленности, кончая городским мусором.

Рис. 7.7. Превращение древесины в спирт

7.5. Анаэробное разложение

Результат деятельности микроорганизмов

Некоторые органические молекулы биомассы могут подвергаться анаэробному разложению в результате деятельности микроорганизмов. Основные продукты распада — диоксид углерода, метан и большое число микробных клеток. В природе этот процесс протекает в гнилостной среде.

С прошлого века его использовали для обработки больших количеств шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этого метода — сокращение числа и обезвоживания твердых частиц вторичного отстоя очистительных установок.

Только крупные канализационно-очистные сооружения используют выделившийся метан как источник энергии. Небольшие очистные сооружения, имеющие реакторы, могут сжигать газ или использовать его для подогрева самих реакторов.

За последние годы была предложена технология удаления навоза на крупных предприятиях интенсивного животноводства; удаление стоков с предприятий, занимающихся переработкой биологических продуктов, например переработкой продуктов питания; превращения биомассы в энергию.

Эта технология — одна из наиболее простых, среди технологий получения топлива из биомассы. В результате эта технология особенно пропагандировалась для использования в странах третьего мира, где устанавливается большое число реакторов.

Технология

Современная очистная установка может быть вместимостью от 500 до 4500 м^3. Крупные емкости строятся из бетона и стали. Стальные емкости покрывают изоляционным материалом, а поверхность, находящуюся в контакте с содержимым реактора, — эпоксидной смолой или аналогичным материалом.

Содержимое перемешивают с помощью крыльчатки или винтового насоса, расположенных в емкости, а также путем прокачки жидкости через внешний обводной трубопровод или путем повторной циркуляции отходящих газов. Перемешивание и нагрев часто чередуются или осуществляются одновременно. Перемешивание служит в основном для предотвращения образования поверхностных корок, особенно при переработке сельскохозяйственных отходов.

Нагревание необходимо потому, что при умеренной температуре окружающей среды реакция протекает слишком медленно. Нагрев до 30–45 °C одновременно обеспечивает высокую скорость реакции и в тоже время позволяет избежать чрезмерных расходов.

Примечание.

Реактор должен работать по возможности непрерывно, так как прерывистая робота малоэффективна.

Для обеспечения непрерывной подачи материала устанавливается специальная емкость, а для отвода используется уровень. Небольшие очистные сооружения часто имеют систему загрузки партиями (при наличии первичных и вторичных сточных осадков). Время нахождения жидкости в реакторе обычно составляет от 10 до 30 дней. В случае трудно сбраживаемых материалов и при температурах, ниже оптимальных, эти сроки могут увеличиваться до нескольких месяцев.

Реакторы для навоза, других органических отходов и растительных остатков мало отличаются от систем описанных выше. Поскольку стоимость реакторов для отбросов и. сточных вод при проектировании их только для производства биотоплива крайне высокая, был предложен ряд более дешевых вариантов, например:

♦ резинопластиковые надувные емкости;

♦ емкости, вырытые в земле и выстланные специальными материалами.

Такие варианты должны рассматриваться как экспериментальные, так как их срок службы значительно короче, чем срок службы более прочных и надежных систем, описанных выше.

В табл. 7.4 показаны выход, продуктивность и степень превращения сырья при анаэробном разложении биомассы. Цифры представляют собой типичные значения, взятые из литературы; соответственно ясно, что все три параметра не высоки по сравнению с другими методами обогащения биомассы.

Наиболее легко превращаемым материалом является навоз нежвачных животных, а также легкогидролизуемый крахмал, белки и моносахариды. Растительные остатки, отходы целлюлозы и навоз жвачных трудно разлагаются и требуют длительного нахождения в реакторе.

Загрузка реактора зависит от типа материала. Обычно поступающий материал содержит 3 % твердых частиц при максимальном их содержании 5 %.

Примечание.

Были сконструированы реакторы для более концентрированного материала, однако здесь возникает проблема с перекачкой.

Разлагаемая часть отходов (летучие твердые частицы) может составлять до 90 % общего количества твердых частиц, но обычно их доля составляет около 70 %.

Были предложены и испытаны другие типы реакторов (автоклавов):

♦ клеточно-рециркуляционный (контактный) реактор;

♦ анаэробные фильтры;

♦ реакторы с псевдосжиженным слоем и с восходящим взвешенным слоем осадков.

Последний тип получил распространение, так как флоккулированная биомасса остается в реакторе, сток является сравнительно чистым, а закачка сырья, служащего пищей микроорганизмам, проводится в основание реактора.

При такой конструкции время нахождения жидкости в реакторе значительно короче, однако эта конструкция пригодна только для обработки растворов и суспензий с низким содержанием органического вещества. Такая технология больше подходит для очистки сточных вод, чем для производства биотоплива.

Хранение биогаза обычно считается крайне дорогостоящим. Стоимость газометров может в 4 раза превышать капитальные затраты, на строительство самого реактора.

Примечание.

Поэтому газ должен быть или немедленно использован, или удален.

Газ используется, прежде всего, для нагревания реактора до рабочей температуры. При наличии излишков, биогаз может быть использован в силовых установках или в качестве топлива для двигателей.

Для нагрева автоклавов могут также быть использованы вода, охлаждающая генераторы, или выделившееся теплота. Состав биогаза делает его малопригодным для подобного использования, так как он высокоагрессивен и приводит к разрушению большинства обычных насосов и трубопроводов. Сероводород способствует коррозии двигателя и должен быть удален; диоксид углерода и влага, содержащаяся в газе, снижает ценность топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые не будут работать на смесях, содержащих более 45 % СО_2.

Состав газа, выделяющегося при анаэробном разложении. Метан — 20–80 %. Двуокись углерода — 15–16 %. Вода — 2–3 %. Азот — 0,5–1 %. Сероводород — до 1 %.

Однако теплотворная способность биогаза обычно достаточна для использования его в модифицированных бойлерах, дизельных и карбюраторных двигателей, устанавливаемых, в частности на крупных очистных сооружениях. Для транспортных средств необходимы компрессоры для снижения объема газа до приемлемого уровня.

Опасности, связанные с использованием биогаза

Следует упомянуть о двух важных обстоятельствах, связанных с подготовкой и использованием биогаза при самостоятельном его изготовлении. Во-первых, смесь метана с воздухом взрывоопасна, и, во-вторых, что более серьезно, сероводород присутствующий в биогазе, крайне токсичен. В промышленных условиях применяются соответствующие меры безопасности, однако недостаточно осторожное обращение с этим газом может оказаться роковым.

Удаление сброженного осадка

Заключительной проблемой, связанной как с использованием энергии, так и с охраной окружающей среды, является удаление осадка из автоклава, объем которого может достигать 50–60 % исходного количества твердых частиц. Что касается коммунальных отходов, то этот объем составляет 10–15 %.

Примечание.

Там где возможно, эти осадки вносят в почву как удобрения, правда использовать их на тяжелых глинах и заболоченных почвах не рекомендуется.

Возможно, возникнет необходимость транспортировки сброженных осадков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения транспортных расходов используется отстаивание, коагуляция и другие методы обезвоживания.

Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сброженном осадке затрудняет его использование в качестве удобрения. Имеется предложения по переработке осадка в корм для животных; технически это осуществимо.

Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка в корма, однако сомнительно, чтобы это соответствовало критериям, определяющим требования к к здоровью животных и вкусовым качествам корма. Экстрагирование и очистка белкового компонента осадка, по-видимому, нерентабельны.

Места отсыпки грунта

Основная масса городских отходов в развитых странах удаляется путем их транспортировки в места отсыпки грунта, где находятся свалки мусора. Эти свалки представляют собой гигантский биореактор, загруженный сырьем при фактически нулевой стоимости. Метан, медленно образующийся в биомассе, должен быть собран и использован аналогично тому, как это имеет место в обычных реакторах.

Экономика этого процесса будет рассмотрена позднее; по имеющимся данным, она значительно более благоприятна, чем при использовании реакторов интенсивного типа.

7.6. Технология получения биодизельного топлива «ТЕКМАШ»

Особенности технологии

Уникальность технологии «ТЕКМАШ» основывается на гидродинамической обработке компонентов реакции в виде растительного масла и метилового спирта, что приводит к интенсификации протекания реакции трансэтерификации — основной реакции получения биодизельного топлива (http://new.tekmash.ua).

Увеличение полноты протекания реакции происходит:

♦ во-первых, за счет гидромеханического воздействия на молекулярном уровне на компоненты реакции;

♦ во-вторых, за счет эффективного перемешивания среды, что обеспечивает транспортировку метилового спирта и гидроокиси калия или натрия в требуемой пропорции в любую область прохождения реакции.

Примечание.

Это полностью исключает попадание в биодизельное топливо метилового спирта либо растительного масла, не вступивших в реакцию.

Интенсификация процесса протекания реакции происходит за счет кавитационного воздействия на компоненты реакции в специально спроектированных неразрушаемых насадках.

Известно, что при кавитационном воздействии на обрабатываемую среду, давление и температура в локальной зоне воздействия повышаются до тысяч градусов и атмосфер. При таких условиях реакция трансэтерификации происходит практически мгновенно и при минимальном энергопотреблении.

Для эффективного перемешивания компонентов реакции используется специальная технология «ТЕКМАШ» и оборудование в виде струйно-вихревых гидродинамических нагревателей типа ТЕК-БД.

В выпускаемых компанией «ТЕКМАШ» замкнутых гидродинамических аппаратах полностью отсутствуют застойные зоны, что обеспечивает 100 %-ую полноту прохождения реакции трансэтерификации.

Соответствие стандарту

Использование подхода «ТЕКМАШ» позволило при получении биодизеля осуществить основную реакцию этерификации с максимальной полнотой. Это дало возможность вписаться в американский стандарт качества биодизельного топлива ASTM, получив при этом:

♦ минимальное количество отходов, требующих утилизации (не более 2 % от массы растительного масла);

♦ минимальное энергопотребление (не более 10–20 кВт-ч) на 1 тонну произведенного биодизельного топлива.

Для сравнения, при производстве биодизельного топлива по классической технологии с применением нагрева с помощью электрокотла энергопотребление для получения 1 тонны биодизеля лежит в пределах 50—100 кВт-ч, т. е. практически в 3 раза больше, чем по технологии «ТЕКМАШ».

Сравнительная таблица (табл. 7.5) использования технологии «ТЕКМАШ» и классической технологии получения биодизельного топлива (из расчета производительности одна тонна в час).

Работа линии по производству биодизельного топлива

Линия по производству биодизельного топлива (рис. 7.8) работает следующим образом.

Рис. 7.8. Линия по производству биодизельного топлива

Растительное масло из емкости перекачивается насосом Н1 в реактор-трансэтерификатор, куда добавляется порция спирта и гидроокиси калия (КОН) или натрия (NaOH) из дозатора. После заполнения реактора включается насос установки ТЕК-БД и компоненты реакции многократно циркулируют через зону гидромеханического воздействия по схеме:

«емкость —> ТЕК-БД —> насос —> турбулентная насадка — > емкость». При этом температура в реакторе ТЕК-БД поднимается на 10–12 °C. По окончании циркуляции продукты реакции перекачиваются насосом НЗ в одну из емкостей для разделения на биодизель и глицерин (процесс разделения длится 15–20 минут).

После разделения биодизель и глицерин перекачиваются насосами Н4 и Н5, соответственно, в свои емкости. После заполнения этих емкостей готовый продукт поступает на хранение или использование.

Перед началом работы линии предварительно готовится 4–5 порций смеси КОН (или NaOH) и спирта в реакторе, куда подается спирт и КОН из своих емкостей. Процесс приготовления смеси занимает 10 минут. С помощью насоса Н2 готовая смесь перекачивается в дозатор.

7.7. Горючее для автомобиля своими руками

Достоинства

Одним из перспективных видов автомобильного горючего, в настоящее время, является метиловый спирт (http://ugle-kislota.narod.ru).

Метиловый спирт (метанол) представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым запахом, температура замерзания -98 °C, кипения +65 °C. Хорошо смешивается с водой. Как и все спирты, он обладает высокой детонационной стойкостью, октановое число метанола составляет 114,4 единицы. Для сравнения, октановое число этанола (винный, этиловый спирт) — 111,4 ед.

Из всех антидетонационных компонентов бензина, метанол является наиболее эффективной добавкой в отношении снижения выбросов СО, СН и NOx. Может метанол использоваться и как самостоятельное автомобильное горючее, в этом случае метанол имеет определенные достоинства.

Метанол представляет собой «чисто» сгорающее топливо, обладает лучшими топливными характеристиками, чем бензин, вследствие чего, при его применении повышается КПД двигателей внутреннего сгорания. Современные бензиновые двигатели могут хорошо работать на метаноле. При этом технические характеристики двигателя улучшаются:

♦ высокая детонационная стойкость;

♦ абсолютное отсутствие сернистой коррозии двигателя и выбросов серы и сажи в выхлопе;

♦ минимальное нагарообразование в двигателе;

♦ на 50 % меньшая токсичность продуктов сгорания.

Следует отметить, что повышается КПД, благодаря внутреннему охлаждению и повышению степени сжатия высокий коэффициент наполнения цилиндров горючей смесью (по сравнению с бензином выигрыш в мощности при работе на метаноле достигает 10 %).

Указанные достоинства метанола привели к тому, что он уже давно используется как топливо на гоночных автомобилях и авиамоделях, спортивных мотоциклах, где требуются компактные и вместе с тем мощные двигатели. Многие исследовательские институты считают его топливом будущего.

Недостатки

Вместе с тем метанол имеет и недостатки. Безводный метанол хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, но при попадании в топливный бак влаги, топливо расслаивается. В баке получаются две несмешиваемые жидкости. Для ликвидации этой причины желательно дополнять бак фильтром-осушителем или устанавливать отдельный бак с топливопроводом.

Другим недостатком метанола является более низкая, чем у бензина, испаряемость, что вызывает затруднения при пуске двигателя на холоде. Для улучшения пуска на холоде, приходится выполнять подогрев пускового объема холодного топлива (чаще всего электрический) или производить запуск двигателя на бензине.

Для горения метанола требуется в два раза меньше воздуха, чем для бензина, поэтому при работе на чистом метаноле необходима перерегулировка карбюратора бензинового двигателя.

Отрицательным свойством метанола является его ядовитость. Хотя многие химики, авиамоделисты и гонщики, десятилетиями вплотную обращающиеся с ним (естественно с соблюдением правил техники безопасности и санитарии) без каких-либо последствий для собственного здоровья.

Примечание.

Не относят его к особо ядовитым веществам и подозревают, что его опасность специально раздута из-за склонности российского народа употреблять внутрь все, что горит синим пламенем и пахнет спиртом.

Превосходят метанол по опасности многие применяемые в автомобиле вещества. По токсичности метанол уступает используемой в системе охлаждения жидкости (смертельная доза этиленгликоля около 100 мл) и аккумуляторному электролиту.

Опаснее метанола, выбрасываемые в большом количестве бензиновым выхлопом:

♦ тетраэтилсвинец (предельно допустимая концентрация (ПДК) которого в воздухе составляет 0,005 мг/м^3, в то время как ПДК метанола — 5 мг/м^3);

♦ оксид углерода (СО, угарный газ, кровяной яд) и оксиды азота.

Санитарными правилами при работе с метанолом запрещается:

♦ изготовление политур на метаноле;

♦ выпуск продуктов (мастик, нитролаков, клеев и др.), применяемых в быту и выпускаемых в торговую сеть, в состав которых входит метанол;

♦ применение метанола для разжигания нагревательных приборов;

♦ применение метанола в качестве растворителя.

Внимание.

Применение метанола для использования его в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания санитарными правилами не запрещается. Однако в обращении с метанолом требуется осторожность.

Без своевременно оказанной медицинской помощи смертельная доза 100 % метанола при приеме внутрь составляет 100–150 мл. При употреблении меньших доз метанола возможна слепота из-за поражения зрительного нерва.

Разбавленный метанол в 80 раз токсичнее этилового спирта такой же концентрации. Для лиц, постоянно контактирующим с метанолом, средством, снижающим ядовитость метанола, является 30 % этиловый спирт в дозе 100 мл в день.

При случайном употреблении метанола внутрь, до получения медицинской помощи, необходимо вызвать рвоту, принять 100 мл теплого 30 % спирта и затем принимать его каждые 2 часа по 50 мл 4–5 раз. В последующие 2–3 суток по 100 мл в день.

Вообще, все спиртные напитки содержат примеси метанола, но в организме этиловый спирт «связывает» продукты разложения метанола (формальдегид!) и токсическое действие метанола снижается.

Для сравнения, смертельная доза 96 градусного этилового спирта (питьевого неразбавленного, для умеренно пьющего человека) составляет 200–300 мл за один прием, а токсическая доза бензина при приеме внутрь равна 20–50 г.

При повышенной концентрации паров метанола в воздухе, действие его паров выражается в покраснении глаз, звоне в ушах, головной боли. С целью обнаружения повышенной концентрации паров метанола в воздухе, в салоне автомобиля можно установить датчик обнаружения паров алкоголя. Эти датчики предлагаются сейчас в большом ассортименте.

В значительно меньшей степени указанные недостатки присутствуют в бензино-метанольных смесях.

Производство метанола

Производиться метанол может из углекислоты или любого органического вещества: уголь, древесина, сельскохозяйственные отходы и т. п. Но наиболее простой метод заключается в получении метанола из природного (сетевого) газа. Одновременная подача углекислоты и природного газа снижает расход природного газа и значительно повышает выход метанола.

Возможно изготовление комбинированной метанольно-углекислотной установки. В этом случае эти производства дополняют друг друга: на метанольную установку подается углекислота от производства СО_2, а сбрасываемый с метанольной установки отходящий горючий газ подается для сжигания в углекислотный процесс.

Основными действующими веществами в превращении природного газа в метанол являются катализаторы.

Упрощенно, технология получения метанола заключается в пропускании природного газа через фильтр для очистки газа от катализаторных ядов, затем превращение очищенного природного газа на катализаторе в другой вид газа, а затем на выходе из следующего катализатора получение готовой продукции.

Также как и при получении самогона необходимы:

♦ вода, для охлаждения змеевика;

♦ электросеть, для работы небольшого компрессора.

Внимание.

Какие-либо утечки газа, запахи и испарения при производстве метанола абсолютно исключаются и, поскольку процесс связан с получением горючей, токсичной жидкости, работу необходимо проводить в нежилом проветриваемом помещении, с соблюдением всех правил пожарной и санитарной безопасности.

Производительность аппарата (литр/час) зависит от массы подаваемого на переработку сырья и объема участвующих в процессе катализаторов. Выход метанола составляет 0,6–0,7 л из 1 м^3 природного газа. При повышенных требованиях к чистоте метанола его очистку от влаги и примесей можно выполнять пропусканием продукта через дополнительный фильтр.

Размеры установки зависят от ее производительности, при получении метанола в количестве 1–2 канистр в сутки, установку вполне можно разместить на столе.

Установка не требует дефицитных деталей, материалов и каких-то особых знаний, изготовить ее можно в любом гараже.

Использование метанола собственного производства в качестве горючего, является самым недорогим вариантом заправки двигателей внутреннего сгорания. С целью наибольшей оптимизации процесса сгорания топлива возможна установка дополнительных устройств в топливной системе ДВС устройства смесеобразования и гомогенизации топливной смеси, газогенерация метанола и т. п.

В тех случаях, когда токсичность метанола вызывает настороженность в обращении с ним, возможно использование в качестве автомобильного горючего этанола (этилового спирта), получаемого также из природного газа. Этанол сохраняет преимущества метанола для двигателя, но стоимость получения этанола и оборудования для его производства в два раза выше, чем при производстве метанола.

Из органических веществ возможно получение синтетического бензина. Получаться бензин может также и из природного газа в результате каталитических реакций. Октановое число получаемого бензина — до 95 единиц. При использовании синтетического бензина вносить какие-либо изменения в топливную систему автомобиля не требуется. Качество работы двигателя не ухудшается, а износ двигателя не увеличивается. Но процесс получения бензина и сама установка для получения бензина сложнее и дороже, чем при получении метанола. Выход бензина составляет 0,3 л из 1 м^3 природного газа.

Выбор используемого вида горючего находится исключительно за владельцем автомобиля.

Бензин из пластиковых бутылок

Компания Envion из Вашингтона нашла способ превращать пластиковые бутылки в нефть. Разработанный компанией генератор Envion Oil Generator™ способен производить 7000 т нефти из 10 000 т пластика в год, сообщает www.1000ideas.ru. Стоимость одной тонны при таком способе производства составляет USD 17. При этом он легок в эксплуатации и установке, имеет высокую производительность и не загрязняет окружающую среду вредными выбросами.

Технология производства нефти основана на экстрагировании углеводородов из пластика без применения катализатора путем охлаждения сырья термическим крекингом в вакууме.

Этот инновационный метод переработки пластика в нефть способен сразу решить несколько проблем:

♦ во-первых, проблему отходов, которые засоряют окружающую среду;

♦ во-вторых, проблему закупки нефти, цены на которую вновь стали расти.

По данным компании, в Америке идет на повторную переработку только 4 % пластиковых бутылок, остальные просто выбрасываются, засоряя природу.

Поэтому, потенциал коммерциализации этой идеи производства нефти их пластиковых отходов велик, равно как и прибыль, которую компания собирается получать буквально из мусора. Тем более что технология производства позволяет не сортировать пластиковые бутылки и не мыть их перед загрузкой в генератор. Технология производства нефти показана на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Технология производства нефти

В современной экономике стало появляться все больше компаний, которые начали применять инновационные технологии переработки вторсырья для производства новых продуктов. Эта тенденция свидетельствует о том, что мы наблюдаем глобальные изменения в экономике, которые способны превратить ее из сырьевой экономики в высокотехнологичную «зеленую» экономику, которая рационально использует природные ресурсы и не загрязняет окружающую среду.

Переработка автомобильных шин

Идет непрерывное накопление изношенных шин, в основном с металлокордом, а перерабатывается всего лишь около 20 % от их числа. Изношенные шины представляют собой самую крупнотоннажную продукцию полимеросодержащих отходов, практически не подверженных природному разложению. Поэтому переработка и вторичное использование вышедших из эксплуатации шин имеют важное экономическое и экологическое значение (www.mazut.net).

Шины и пластмассы представляют собой ценное полимерное сырье: в 1 т шин содержится около 700 кг резины, которая может быть повторно использована для производства топлива, резинотехнических изделий и материалов строительного назначения. В то же время, если сжечь 1 тонну изношенных шин, то в атмосферу, выделяется 270 кг сажи и 450 кг токсичных газов.

Производство состоит из участков:

♦ склад сырья (изношенные автопокрышки и пластмасс);

♦ участок подготовки сырья (разделка шин на куски);

♦ участок переработки автопокрышек и пластмасс;

♦ склады готовой продукции: склад жидкого топлива, склад технического углерода, участок складирования металлолома (металлокорд).

Исходное сырье собирается и свозится автотранспортом на склад сырья. Далее авторезина осматривается на предмет наличия в ней металлических дисков, колец и направляется на разделку. После разделки измельченное сырье подается в приемный бункер реактора.

Сырье в реакторе подвергается разложению при температуре примерно 450 °C, в процессе которого получаются полупродукты: газ, жидкотопливная фракция, углеродсодержащий остаток и металлокорд. Газ частично возвращается в топку реактора для поддержания процесса. Оставшаяся часть газа выбрасывается через трубу (по внешнему виду и количеству газа на выходе сравнима с выхлопами грузовика).

Углеродсодержащий остаток после гашения и охлаждения подвергается магнитной сепарации (или просеивается через сито) с целью отделения проволоки металлокорда.

Через загрузочный бункер (рис. 7.10) в основную колонну загружаются нарезанные автошины. Затем поджигаются в нижней части колонны. При этом загрузочный бункер и отсек выгрузки закрыты.

Рис. 7.10. Схема установки

Вся резина прогревается, но не горит (за исключением нижней части, которая тлеет). С помощью дымососа углеводородные фракции, выделяемые при нагреве резины, высасываются дымососом из основной колонны через циклон с сепаратором, колонну 1 и колонну 2. В колоннах 1 и 2 углеводородные фракции охлаждаются и конденсируются, превращаясь в жидкое пиролизное топливо. Те фракции, которые не конденсировались, в качестве газа направляются частично в основную колонну, а частично на выброс. Вода для охлаждения является оборотной и используется повторно.

Домашняя биогазовая установка

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно — это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются.

При этом куча разогревается примерно до 60 °C и происходит естественная пастеризация — погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть (пишут к. т. н. А. А. Упит, А. В. Дарклиныш на http://www.patlah.ru)

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, — а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического вещества — сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу.

Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы — углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть — 100–200 млн. тонн в год! — имеет такое «животное» происхождение.

Метанообразующие бактерии — во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая — их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи — переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности — биогаз, в котором 60–70 % метана, — есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное — что таким способом прекрасно перерабатывается жидкий навоз со свинофермы: пройдя через биореактор, эта зловонная жижа превращается в прекрасное удобрение.

Экология плюс немного тепла

Опытная установка, производящая биогаз, вот уже четыре года работает на одной из свиноферм совхоза «Огре». Рядом стоит еще один реактор, импортный, пущенный в прошлом году. В общем, как считают в совхозе, можно было обойтись и без импорта: зачем тратить валюту на то, что вполне можно делать своими силами?

Оба реактора, объемом по 75 кубометров каждый, перерабатывают все отходы с фермы на 2500 свиней, давая совхозу остро необходимое всякому хозяйству высококачественное удобрение и по 300–500 кубометров газа в сутки.

Не газом окупает, а экологическим благополучием: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, и очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии. Кроме того, совхоз получает хорошее удобрение: в нем нет, как в свежем навозе, семян сорняков, способных прорасти, а значит, меньше надо расходовать гербицидов. Опять-таки, экологическая выгода.

Биогаз же — как бесплатное приложение: приятно, но не обязательно.

Именно поэтому не так просто подсчитать экономическую эффективность подобных разработок. Обычно считают как раз по биогазу: затраты такие-то, газа получено столько-то, соотйетствующее количество солярки стоит столько-то. Получается в общем тоже выгодно, но сроки окупаемости не рекордные…

Тут есть еще одна тонкость. Бактерии метанового брожения в отличие от аэробов при компостировании сами тепла не выделяют, а работают они только в тепле. Для одних, термофильных, нужно поддерживать температуру около 55 °C, для других, мезо-фильных — около 37 °C. Вопрос о том, какой вариант лучше, еще не решен, и даже в Институте микробиологии существуют разные мнения. Академик М. Е. Бекер считает, что термофильный процесс эффективнее, а лабо

ратория биотехнических систем, которой руководит кандидат технических наук А. А. Упит, стоит за мезофильный. Но так или иначе, в нашем климате реактор большую часть года приходится подогревать. И если в жаркой Индии и Китае, где биогазовые установки насчитывают миллионами, такой проблемы не возникает, то в совхозе «Огре» на это уходит в среднем около половины биогаза, Полученного за год.

Это, естественно, ухудшает показатели экономической эффективности, если считать только по сэкономленному топливу. Но даже в таких условиях остающегося биогаза хватает, чтобы обеспечить треть энергетических потребностей фермы: тут и отопление, и горячая вода.

Конечно, картина получилась бы совершенно иная, если бы к энергетическому эффекту прибавить еще эффект экологический, переведя его в рубли. Но как это сделать, пока еще, кажется, не знает никто.

Во всяком случае, можно сказать одно: работников совхоза «Огре» результаты первого опыта вполне устраивают, и они намерены расширять дело. В этом году начнется строительство биогазовой установки для большого совхозного свинокомплекса. Уже не на 2500, а на 20000 голов. Ожидается, что эта установка, даже если считать только по газу, окупится за 5–6 лет. И гигантские навозохранилища, о которых говорилось в начале раздела, строить не придется.

Как построить биореактор

Биогазовая установка может быть создана в любом хозяйстве из местных, доступных материалов силами специалистов самого хозяйства.

Ферментация навоза идет в анаэробных (бескислородных) условиях при температуре 30–55 °C (оптимально 40 °C). Длительность ферментации, обеспечивающая обеззараживание навоза, не менее 12 суток. Для анаэробной ферментации можно использовать как обычный, так и жидкий, бесподстилочный навоз, который легко подается в биореактор насосом.

При ферментации в навозе полностью сохраняются азот и фосфор. Масса навоза практически не изменяется, если не считать испаряемой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на 30–40 %; деструкции подвергаются в основном легко разлагаемые соединения — жир, протеин, углеводы, а основные гумусообразующие компоненты — целлюлоза и лигнин — сохраняются полностью.

Благодаря выделению метана и углекислого газа оптимизируется соотношение C/N. Доля аммиачного азота увеличивается. Реакция получаемого органического удобрения — щелочная (pH 7,2–7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По сравнению с удобрением, получаемым из навоза 9бычным способом, урожайность увеличивается на 10–15 %.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/м^3 (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан — 65, углекислый газ — 34, сопутствующие газы — до 1 (в том числе сероводород — до ОД). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55–75 %. Содержание воды в биогазе при 40 °C — 50 г/м^3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

Энергоемкость получаемого газа — 23 мДж/м^3, или 5500 ккал/м^3. Оборудование представлено на рис. 7.11.

Основное оборудование биогазовой установки — герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель — вода, нагретая до 50–60 °C), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.

Примечание.

Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, использования подстилочного материала, теплоснабжения, создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во многом определяется Местными условиями, наличием материалов.

Для небольшой установки наиболее простое решение — использовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м^3 показана на рис. 7.11. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция — направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зависят от свойств навоза — от текучести, количества подстилки.

Рис. 7.11. Оборудование для производства биогаза

Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподстилочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев.

Примечание.

Если суточное количество стоков известно, нужный объем реактора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток— минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полученную величину на 10 % (так как реактор следует заполнять субстратом на 90 %).

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4–8 % — два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м^3 будет давать в сутки 100 м^3 биогаза.

Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голо. в крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м^3 биогаза, от 10 свиней — 1–3 м^3, от 10 овец — 1–1,2 м^3, от 10 кроликов — 0,4–0,6 м^3.

Тонна соломы дает 300 м^3 биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов — 130 м^3).

Примечание.

Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение, составляет в среднем 10 м^3 в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизоляции дома.

7.8. Одновременное получение холода, тепла и электроэнергии из биогаза

Достоинства и недостатки технологии

Определение.

Когенврация — это высокоэффективное использование первичного источника энергии (биогаза, газа или дизельного топлива) для получения двух форм полезной энергии — тепловой и электрической.

Определение.

Тригенерация — это выработка одновременно трех форм полезной энергии — электричества, тепла, горячей воды, холода и холодной воды.

Система когенерации (рис. 7.12) позволяет использовать то тепло, которое в других случаях просто теряется. При этом снижается потребность в покупной энергии, что способствует уменьшению производственных расходов. Главное преимущество состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью.

Рис. 7.12. Распределение потоков энергии при работе когенерационной установки

Рассмотрим КПД. Любое производство электроэнергии, использующее технологию сжигания топлива, сопровождается выделением тепла. В газопоршневых агрегатах максимальный КПД по выработке электроэнергии составляет около 40 %.

Тепловой КПД таких установок составляет 40–45 %. То есть полезно используется только половина высвобождаемой энергии, а другая половина уходит с теплом в окружающую среду.

Ситуация меняется, если использовать технологию когенерации и тригенерации. Когенерационная установка, одновременно с производством электроэнергии полезно утилизирует теплоту двигателя, производя горячую воду или пар. Это резко повышает общий КПД установки. В некоторых случаях он достигает 90 %. Отношение электрической мощности к тепловой составляет 1:1,2. Тригенерация. Использование технологии тригенерации позволяет сохранить высокий КПД круглогодично. Например, летом отопление не требуется, но необходимо кондиционирование жилых помещений, офисов, больниц. В промышленности широко используется холодная вода и холод.

Недостатком когенераторов является только ограниченная мощность до 3 МВт для одной машины. Средний промышленный потребитель в России имеет установленную мощность в 1–2 МВт. При необходимости могут быть установлены несколько параллельно работающих когенераторов.

Особенности установки и использования

Когенераторы легко перевозить и устанавливать. Они позволяют решить острый вопрос неравномерного суточного потребления электроэнергии, неразрешимый для крупных генерирующих установок. Действительно, для когенератора, линейная зависимость потребления топлива имеет место, начиная с 15–20 % номинальной мощности… Секционируя (пакетируя) общую мощность на 4–8 блоков, работающих параллельно, появляется возможность работы с 1,5–4 % до 100 % номинальной нагрузки при расчетном удельном потреблении топлива.

При отсутствии нагрузки невостребованные когенераторы останавливаются, на этом в значительной степени экономится моторесурс первичных двигателей.

Области применения когенерационных систем

В качестве источника энергии в мини-ТЭЦ используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС): дизельные, газовые и газотурбинные. Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, переходит в энергию электричества и утилизируюмую энергию тепла.

В газовых двигателях могут использоваться такие виды газов как: природный газ пропан, факельный газ, газ сточных вод, биогаз, газ мусорных свалок, коксовый газ, попутный газ, пиролизный газ, древесный газ, газ химической промышленности.

Примечание.

Наибольшей эффективностью, надежностью и универсальностью отличаются установки на основе газовых (газопоршневых) двигателей.

Это вызвано, прежде всего, современными требованиями к экологической чистоте окружающей среды, а также к снижению эксплуатационных расходов на органическое топливо и доступностью его использования.

Газовые двигатели используются для работы в составе генераторных установок, предназначенных для постоянной и периодической работы (снятие пиковых нагрузок) с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла (когенерация).

Кроме того, установки могут использоваться для обеспечения работы абсорбционных холодильных установок (тригенерация) в системах кондиционирования.

Секционирование когенераторных установок из нескольких блоков, позволяет достичь эффективности такой же, как и у большой установки, при этом получая ряд значительных преимуществ.

Это точное управление мощностью. Максимальный КПД достигается при загрузке на 100 %. Это значит, что при секционировании, в минимальные часы энергопотребления, есть возможность нагрузить часть блоков, а часть — оставить в нерабочем состоянии. Это приводит к увеличению ресурса всей системы в целом.

В последнее время стремительно растет количество оборудования, которое использует для своей работы биогаз, свалочный газ, газ с водоочистных станций или другое альтернативное топливо как, например, метан. Принцип использования биогаза в когенерационных установках представлен на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Принцип использования биогаза:

а — на очистных сооружений сточных вод; б — на свалке отходов; в — при использовании отходов животноводческих ферм

Биогазовая станция строится, прежде всего, возле очистных сооружений сточных вод, на свалках коммунальных отходов или в сельскохозяйственных предприятиях, занимающихся животноводством.

Поскольку биогаз обычно возникает как побочный продукт во время обработки органических отходов, эксплуатация когенерационных установок, работающих на этом виде топлива, является с экономической точки зрения очень выгодной.

Примечание.

Новое энергетическое законодательство в таком случае гарантирует потребителям когенерационной технологии, которые используют возобновляемые источники энергии, долговременные стабильные закупочные цены электричества на экономически привлекательном уровне.

Основные технические параметры

Основные технические параметры когенерационных установок (на базе когенерационных установок TEDOM) представлены в табл. 7.6.

* Данные параметры действительны для природного газа с низшей теплотворной способностью 34 МДж/м3. Расход приведен для биогаза, содержащего 65 % метана при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа). В случае других условий данные могут отличаться.

Сокращения в таблице: А — асинхронный генератор; S — синхронный генератор; Р — параллельная работа с электросетью

Успешного Вам использования АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ!

Список ресурсов сети Интернет

http://aenergy.ru/

http://allfuel.ru/

http://alt-energy.net.ua/

http://alt-energy.org.ua/

http://audens.ru/

http://avtonom.com.ua/

http://bio-energetics.ru/

http://blog.ae.net.ua/

http://delaysam.ru/

http://eko-save.ru/

http://elar.usu.ru/

http://electro-shema.ru/

http://energetika.biz.ua/

http://energoatom.kiev.ua/

http://energyforever.ru/

http://energyfuture.ru/

http://epizodsspace.airbase.ru/

http://fihelp.ru/

http://firstlook.3tier.com/

http://forum.ixbt.com/

http://germarator.ru/

http://howitworks.iknowit.ru/

http://idea-master.ru/

http://kes.ucoz.ua/

http://luch.biz/

http://manbw.ru/

http://mobipower.ru/

http://new.tekmash.ua/

http://newenergetika.narod.ru/

http://ntpo.com/

http://patlah.ru/

http://physiclib.ru/

http://portal.tpu.ru:7777/

http://poselenie.ucoz.ru/

http://pusk.by/

http://renewables.ru/

http://rosinmn.ru/

http://ru.teplowiki.org/

http://sam.delaysam.ru/

http://samodelka.ucoz.ru/

http://sheerai.ya.ru/

http://solar.atmosfera.ua/

http://solarshop.com.ua/

http://techvesti.ru/

http://tehnojuk.ru/

http://ugle-kislota.narod.ru/

http://visten.ru/

http://windstation.ae.net.ua/

http://www.1000ideas.ru/

http://www.306.ru/

http://www.active-house.ru/

http://www.aerotecture.com/

http://www.apxu.ru/

http://www.atmosfera.ua/

http://www.audens.ru/

http://www.avante.com.ua/

http://www.bazis-group.com/

http://www.bio-energetics.ru/

http://www.cleandex.ru/

http://www.ecoatominf.ru/

http://www.energoprojects.ru/

http://www.energy2006.net/

http://www.energyarea.com.ua/

http://www.energy-bio.ru/

http://www.eurodiesel.com.ua/

http://www.fieldlines.com/

http://www.freeenergyengines.ru/

http://www.freeseller.ru/

http://www.inset.ru/

http://www.manbw.ru/

http://www.mazut.net/

http://www.mdpub.com/

http://www.membrana.ru/

http://www.nek-npo.ru/

http://www.next-tube.com/

http://www.ntpo.com/

http://www.ntpo.com/

http://www.patlah.ru/

http://www.physicsstudy.ru/

http://www.pomreke.ru/

http://www.powerinfo.ruA

http://www.promti.ru/

http://www.renewable.com.ua/

http://www.rosinmn.ru/

http://www.rza.org.ua/

http://www.scitoys.com/

http://www.selsam.com/

http://www.solarhome.ru/ru/

http://www.sun-charge.com/

http://www.swanturbines.co.uk/

http://www.t3000.ru/

http://www.ua.all-biz.info/

http://www.vampirchik-sun.nm.ru/

http://www.vashdom.ru/

http://www.velacreations.com/

http://www.watervigorous.com/

http://www.windelectricost.ru/

* * *

Content

Германович В., Турилин А.
«АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ»
Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы.

Введение

Глава 1 ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ ВЕТРА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1. Можно ли использовать бесплатный ветер?

1.2. Как оценить скорость ветра для ветрогенератора

1.3. Немного теории ветродвигателя

1.4. Упрощенная схема работы ветрогенератора

1.5. Что нужно учесть перед началом сборки ветрогенератора

1.6. Лопасти ветроэлектростанции своими руками

1.7. Выбор и работа электрооборудования

1.8. Ветрогирлянды — альтернатива лопастям большого диаметра

1.9. Построение небольшого ветряного генератора

1.10. Походная ветроэлектростанция

1.11. Самодельная ветроэлектростанция с самовращающимся барабаном

1.12. Как построить простой ветрогенератор практически из отходов

1.13. Выбираем ветрогенератор промышленного производства

1.14. Ветроэлектростанции промышленного изготовления

Глава 2 ИСПОЛЬЗУЕМ СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ

2.1. Солнечные коллекторы промышленного изготовления

2.2. Создаем гелиосистемы своими руками

Глава 3 ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ СОЛНЦА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

3.1. Достоинства солнечной электроэнергетики

3.2. Самостоятельное изготовление простейших солнечных элементов

3.3. Практические конструкции солнечных батарей своими руками

3.4. Солнечные батареи для путешественников

3.5. Солнечные электростанции промышленного производства

Глава 4 ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ РЕК

4.1. Большие и малые гидроэлектростанции

4.2. Создаем гидроэлектростанции своими руками

4.3. Выбираем и устанавливаем малые гидроэлектростанции

Глава 5 ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ

5.1. Используем энергию морских волн

5.2. Тепловая энергия океана

5.3. Использование энергии океанских течений

5.4. Использование энергии приливов

Глава 6 ИСПОЛЬЗУЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНУЮ ЭНЕРГИЮ ЗЕМЛИ

6.1. Знакомимся с геотермальной энергетикой

6.2. Схемы геотермальных энергоустановок

6.3. Геотермальные тепловые насосы

Глава 7 ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ БИОМАССЫ

7.1. Что такое «биомасса»

7.2. Прямое сжигание биомассы

7.3. Сухая перегонка, газификация и сжижение

7.4. Гидролиз и ферментация

7.5. Анаэробное разложение

7.6. Технология получения биодизельного топлива «ТЕКМАШ»

7.7. Горючее для автомобиля своими руками

7.8. Одновременное получение холода, тепла и электроэнергии из биогаза

Список ресурсов сети Интернет