Альтернативные источники электроэнергии

 

Альтернативные  источники электроэнергии.

 

Проблемы с перебоями  электропитания становятся все более  частыми. Причины могут быть разными. Это и выход из строя ЛЭП  по причине старости (а обновить все линии удастся не скоро) особенно актуально это для отдаленных от крупных городов посёлков, поломка на подстанции. Но результат всегда плачевен, особенно зимой, когда тысячи людей могут остаться без электроэнергии и, возможно, без тепла. Ведь котельной тоже необходима электроэнергия.

Рост потребления электроэнергии приводит к усложнению системы в целом, а, как известно, чем сложнее система, тем проще ее вывести из строя. Но к счастью уже есть решения, способные снять эту проблему. Речь идет об альтернативной электроэнергии. Под этими словами подразумеваются ветряные электростанции, солнечные батареи, а также тепловые аккумуляторы. Рентабельность их постоянного применения сомнительна, но вот в критических ситуациях энергия и тепло из этих источников способны предотвратить множество проблем.

Самый распространенный, как и самый близкий нам альтернативный способ получения электроэнергии – ветряные электрогенераторы. За последнее десятилетие количество ветряных электрогенераторов сильно увеличилось, и постоянно растет. Растет и качество – первые ветряки не могли работать при боковом ветре, применяемые теперь могут вращаться, а значит, способны работать при любом ветре. Но это касается не только западных стран. Тенденции, существующие в энергетической отрасли, заставляют все страны увеличивать количество источников по производству альтернативной электроэнергии. Эта тенденция коснулась и России. Причем не только в сфере количества установок. В России разрабатываются новые типы ветряных электрогенераторов, они в 1,5 раз дешевле своих зарубежных собратьев, и это на фоне более высокого КПД. Но финансирование проекта по развитию сети альтернативного производства электроэнергии требует значительных вложений.

Группой "Алисен" в  настоящее время завершаются  испытания ветрогенераторов, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости, плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Как известно, такие ветродвигатели называются крыльчатыми.

Для организации электрообеспечения помещений предлагаются два типа крыльчатых ветроагрегатов, достаточно простых для самостоятельного изготовления. Это:

-крыльчатый ветрогенератор  с трехлопастным ветроколесом  и мощностью генератора 1000 ватт;

-крыльчатый мини-генератор  с двухлопастным ветроколесом  и мощностью генератора 300 ватт.

Оба типа ветрогенераторов эффективны при скорости ветра 3,5 м/с., монтируются без применения подъемно-транспортного  оборудования, что позволяет устанавливать  и обслуживать их в труднодоступных  районах. Ветрогенераторы не имеют мультипликатора, что повышает эффективность и надежность.

 

Рисунок 17 - Карта ветроэнергетических  ресурсов России.

 

 

 

На Карте ветроэнергетических  ресурсов России показаны зоны со среднегодовыми скоростями ветра: 1-выше 6 м/сек; 2- от 3,5 до 6 м/сек; 3 - до 3,5 м/сек 

В перспективных для применения ветроэлектрических установок регионах среднегодовая скорость ветра должна быть 4-6 м/с и более. На приведенной карте ветроэнергетических ресурсов России видно, что большая часть территории России благоприятна для получения электроэнергии посредством ветрогенераторов.

Россия располагает  значительными ресурсами ветровой энергии, которая может быть использована в следующих регионах: области: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская; края: Краснодарский, Приморский, Хабаровский; а также: Дагестан, Калмыкия, Карелия, Коми, Ненецкий автономный округ, Таймырский автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

Типы ветродвигателей

 Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рисунке. Они делятся на две группы:

1.ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).

2.ветродвигатели с  горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5); 

Типы крыльчатых ветродвигателей  отличаются только количеством лопастей.

 

 

Рисунок 18 - Типы ветродвигателей

 

 

 Традиционная компоновка  ветряков – с горизонтальной  осью вращения  неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.

 Для крыльчатых  ветродвигателей, наибольшая эффективность  которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.

 Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных ветродвигателей намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

 Распространение крыльчатых  ветроагрегатов объясняется величиной  скорости их вращения. Они могут  непосредственно соединяться с  генератором электрического тока без повышающего редуктора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 тысяч  миллиардов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им.

Годовой поток солнечного излучения на территории России изменяется в широких пределах. Так, на 1 м2 горизонтальной поверхности на северных островах и  северо-восточной оконечности Сибири за год поступает всего 550—830 кВт·ч, на большей части европейской территории и Сибири — 830—1200 кВт·ч, в южных районах Поволжья, Сибири и Дальнего Востока — 1100—1380 кВт·ч, в Закавказье и Средней Азии — 1400—1600 кВт·ч.

В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м2.

В условиях средней полосы России солнечное излучение "приносит" на поверхность земли энергию, эквивалентную  примерно 100-150 кг у.т./м2 в год. Величину солнечной инсоляции местности  можно определить из карты продолжительности  солнечного сияния. (Рисунок 19)

 

Рисунок 19 - Карта продолжительности  солнечного сияния на территории России.

 

       

                     Преобразователи солнечной энергии.

Существует два основных направления в развитии солнечной  энергетики: решение глобального вопроса снабжения энергией и создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в свою очередь, также делятся на две группы; высокотемпературные и низкотемпературные.

 В преобразователях первого  типа солнечные лучи концентрируются на небольшом участке, температура которого поднимется до 3000°С. Они используются, например, для плавки металлов (рис.20.).

 

Рисунок 20 - Высокотемпературный гелиостат

                       

Самая многочисленная часть  солнечных преобразователей работает при гораздо меньших температурах – порядка 100-200°С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу. Сконцентрированным солнечным теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

Солнечные установки  практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.

   Сфокусировать  солнечные лучи можно с помощью  вогнутого зеркала. Оно является  основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

 Наиболее эффективно  их можно использовать в южных  широтах, но и в средней полосе  они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные – стеклянные, либо из полированного алюминия. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (рис.21) имеют форму:

1.цилиндрического параболоида  (а);

2.параболоида вращения (б);

3.плоско-линейной линзы Френеля (в).

 

Рисунок 21 - Формы концентраторов солнечной  энергии

 Фирма Loose Industries на  солнечно-газовой электростанции  в Калифорнии использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем – дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем. Солнечная энергия

может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 м³ воды в час.

В реальных гелиосистемах  плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости.

 

Рисунок 22 - Солнечный водонагреватель

             

 

 Водонагреватель предназначен  для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.

Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°. КПД установки – 40%.

 Каждый, кто хоть  раз бывал в теплицах, знает,  как резко отличаются условия  внутри нее от окружающих: Температура  в ней выше. Солнечные лучи  почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают почву, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и тепловые концентраторы.

Это – деревянные, металлические, или пластиковые короба, с одной  стороны закрытые одинарным или  двойным стеклом. Внутрь короба для  максимального поглощения солнечных  лучей вставляют волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рис.23):

 – отопление и  аккумулирование тепловой энергии  (а);

 – отопление от  аккумулятора (б);

 – аккумулирование  тепловой энергии (в);

 – отопление от  коллектора (г).

 В холодные солнечные дни  нагретый в коллекторе воздух  поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

 В средней полосе  гелиосистема лишь частично обеспечивает  потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.

Рисунок 23 - Солнечный дом

 

Рисунок 23 - Солнечный дом

 

 

Если внимательно наблюдать  за погодой, то можно заметить, в  безоблачную погоду очень мала скорость ветра. И наоборот в облачные дни ветер сильный, порывистый, обычно не менее 8-10 м/с. Поэтому просто необходимо эти источники использовать вместе. Повысится надежность электропитания, т.к. по теории вероятности, одновременно выйти из строя они не могут.

Солнечные батареи стоят  примерно 80 рублей за 1 Ватт. Площадь  их 1м – 80Вт. Нам необходимо 6,25 кв.м. Стоимость их будет 40000 руб.