Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы - Германович В., Турилин А.

Автор: Германович В. Турилин А.

Теги: энергетика электроэнергетика альтернативная энергетика

ISBN: 978-5-94387-838-1

Год: 2011

Похожие

Альтернативные источники энергии и энергосбережение. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы

Электротехника для любознательных

Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики

Справочник по ремонту электрооборудования

Текст

В. Германович, А. Турилин
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЭНЕРГИИ
ВЕТРА, СОЛНЦА, ВОДЫ, ЗЕМЛИ, БИОМАССЫ

I l.iyn.i и Ь хникл,' шк П< I ’pfiypi
Л) 11
Германович В., Турилин А.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. Практические конструкции
по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. —
СПб.: Наука и Техника, 2011. — 320 с.
ISBN 978-5-94387-838-1
Традиционные источники энергии, построенные на базе использования нефти и газа, не
всегда доступны или нас не удовлетворяют. Кроме того, они иссекаемы. А ветер, Солнце,
реки, океаны и моря обладают неисчерпаемыми запасами энергии. Доступна в неограни-
ченных количествах и биомасса.
Порой использование традиционных источников или дорого, или они расположены так
далеко от загородного дома, что коммуникации проложить невозможно. В этих случаях
стоит задача электроэнергию и тепло получить на месте его использования. Это совершенно
реально, да и экономически выгодно.
Книга рассказывает об использовании солнечного излучения, механической энергии ветр.,,
течения рек, приливов и отливов морей и океанов, геотермальной энергии Земли, биомас ы
для получения электроэнергии и тепла.
Книга предназначена для широкого круга домашних мастеров.
Автор и издательство не несут ответственное ih
за возможный ущерб, причиненный в ходе
использования материалов данной книги.
Контактные телефоны издателе и» >
(812)412-70-25,412-70 26
(044)516-38-66
Официальный сайт: www.nit.i mn hi
© Германович В., Турилин А
© Наука и Техника (оригинал м.н *t i1NI
(XX) И Ti ХНИК.1».
Лиц|>и imh N* 1' 00(1 i‘4) nt ? J дгк iftpii 1999 года.
IMHi'i । < Ilkb-fXiypi yn M.ipui.in.i luitopou.i. д, ।
Нодпт hi<> n iivuiii 19 <M. .'Oil Ф [im.it /0x100 1/1(>
I ум-tr ) i i .• hi <n lli 'Hti HiH.ui (ifti.i'M 20 it л
11 l|l Illi /11(1 । Il II.I i I /1
I'lllll >4>4>l>|l IIIIlmi.lK 411(1 1И1ИМ>И
• III III i «lit <«i .и ,if i и ikuh iHiiHip >i|iiiih>
I• I 11< M" у I I'lHH III 14
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................................... 8
Глава 1. Используем энергию ветра для выработки электроэнергии................ 11
1.1. Можно ли использовать бесплатный ветер?............................. 11
Где находятся ветрообильные районы................................ 12
Ветроэлектростанция в домашнем хозяйстве.......................... 14
Простейший расчет ветрогенератора................................. 16
1.2. Ка к оценить скорость ветра для ветрогенератора..................... 16
Почему вообще важно знать скорость ветра?......................... 16
Что нужно учитывать при измерении скорости ветра
на выбранном участке?............................................. 17
Как определить среднюю скорость ветра на участке?................. 18
1.3. Немного теории ветродвигателя....................................... 20
1.4. Упрощенная схема работы ветрогенератора............................. 25
1.5. Что нужно учесть перед началом сборки ветрогенератора............... 28
1.6. Лопасти ветроэлектростанции своими руками........................... 30
Виды ветрогенераторов............................................. 30
Основные этапы развития ветродвигателя............................ 30
Варианты изготовления ветряного пропеллера........................ 33
Варианты изготовления ветряного колеса............................ 34
1 7. Выбор и работа электрооборудования.................................. 38
Выбор электрогенератора........................................... 38
Выбор при вода.................................................... 39
Работа привода.................................................... 40
Сравнение генераторов для домашней электростанции................. 41
Выбор места установки ветродвигателя.............................. 43
I н Н'-цюгирлянды — альтернатива лопастям большого диаметра.............. 44
Гиганты или карлики............................................... 44
Не грогирлянда в кустарно-огородном исполнении.................... 45
I ирлянда-спираль................................................. 47
11ромышленное исполнение гирлянд и материалоемкость............... 49
Biпрогирлянды в городских условиях................................ 50
О(н*сдинение гирлянд.............................................. 51
М.1ЧП.1........................................................... 53
< । гихом ветре................................................... 54
H.i| >и.»11 и г применения гирлянд................................ 55
Мн цно пи» н(Чгм>льшого ветряного генератора............................. 56
Выбор (лскгромотора............................................... 56
IIHX ЛОИ.1Гти для петровой турбины................................ 58
И и 11|<)ннгни< ступицы........................................... 59
г 1 к 1111HIIU41и» флинера и окончательная сборка................. 61
। ••1Д.Н1ИГ М.1Ч1Ы и подшипника................................... 61
iiHpiiiiiii р ырнца >И1 к решении 63
• »*о.111>1И|н)||>|*'| л ia|Hi/pi , .............. 64
»• I ЛИ* IIIH4 М.4ЧП.1 ......... 66
к 1 «фапц V Ц"'Hi ни 6Н
Дальнейшая модернизация проекта................................... 69
О чем спрашивают автора на сайте.................................. 70
1.10. Походная ветроэлектростанция....................................... 71
Создание лопастей................................................. 71
Изготовление штанги............................................... 72
Электрооборудование............................................... 73
Использование ветрогенератора для освещения....................... 74
1.11. Самодельная ветроэлектростанция с самовращаюшимся барабаном.... 74
Принцип действия.................................................. 74
Как изготовить барабан............................................ 76
Как изготовить станину............................................ 77
Использование аккумулятора........................................ 77
1.12. Как построить простой ветрогенератор практически из отходов........ 78
Состав ветроэлектростанции........................................ 78
Вырезание лопастей................................................ 79
1.13. Выбираем ветрогенератор промышленного производства................. 81
1 14 Ветроэлектростанции промышленного изготовления................... 84
Ветроэлектростанция WE1500 на 1,5 кВт............................. 84
Ветроэлектрос ганция WE3000 на 3 кВт.............................. 85
Ветроэлектростанция WE8000 на 8 кВт............................... 87
Ветроэлектростанции EuroWind 2.................................... 88
Ветроэлектростанция EuroWind 10................................... 89
Ветроэлектростанции производства компании «Винд Электрик Ост» .... 91
Ветроэлектростанции российского производства М1—М5................ 93
ln.li-1 2. Используем солнечное тепло для нагрева воды....................... 95
1. Солнечные коллекторы промышленного изготовления................... 95
Разновидности солнечных коллекторов............................... 95
Плоский солнечный коллектор промышленного изготовления........ 97
Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор..... 99
Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой 100
Назначение и структурная схема гелиосистемы...................... 101
Классификация гелиосистем........................................ 102
Прямые и косвенные гелиосистемы.................................. 103
Комплектация гелиосистем, изготовленных промышленностью....... 104
Установка гелиосистемы........................................... 107
Прикидочный расчет гелиосистем................................... 109
Приобретаем дачный душ........................................... 110
Приобретаем солнечный водонагреватель............................ 111
Варианты дачных душей............................................ 111
ЛСоздае.м гелиосистемы своими руками.................................... 113
Воздушный солнечный коллектор своими руками...................... 113
Солнечный коллектор типа «бочка»................................. 115
Солнечный коллектор из металлических труб........................ 115
( олпсчини коллектор из медных трубок 121
П|101очно-пакопинчн ныи подои предатель из плас гикоиых утылок ... 126
- олн> чныи подои и< ллюминиеных нинных Гмин!- ... 131
< - 111н»"Н11.1и 11|>1>юч111-11- Ы1ДОН.П |к । >т< ль и 11И ||<и11>ли1 in) >п । 137
< 1111111 -111ЫН 11<1Д<»1.11 |>1 1..И- III. 1ШИМИ рукмии 1 Г-
Глава 3. Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии.......... 137
3.1. Достоинства солнечной электроэнергетики......................... 137
Перспективы развития.......................................... 137
Фототермические и фотоэлектрические поеобразователи света..... 138
Солнечные элементы — принципы работы.......................... 139
Фотоэлектрические модули...................................... 141
Сколько прослужат солнечные батареи?.......................... 141
Вольтамперная характеристика солнечной батареи ............... 142
Готовые фотоэлектрические системы электроснабжения............ 143
3.2. Самостоятельное изготовление простейших солнечных элементов..... 147
Простейшая самодельная солнечная батарея...................... 147
Самодельная солнечная батарея................................. 149
3.3. Практические конструкции солнечных батарей своими руками........ 152
Складная походная солнечная батарея
на кристаллических фотоэлементах.............................. 152
Самодельная солнечная батарея, залитая эпоксидкой на стекле... 154
Самодельная солнечная батарея на гибких фотоэлементах......... 156
Постройка самодельных солнечных батарей из элементов с eBay... 157
Самодельная солнечная батарея на 50 Вт........................ 165
Солнечный зарядник для электровелосипеда своими руками........ 172
3.4. Солнечные батареи для путешественников.......................... 179
Солнечные батареи (SunCharger) на гибких фотоэлементах 4/6/8/11 /15 Вт
179
Рекомендации по выбору солнечной батареи...................... 180
Накопитель на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра».......... 182
Импульсный стабилизатор напряжения............................ 184
Буфер на гелиевом аккумуляторе 12 В, 4,5 А-ч, 7 А-ч и 9 А-ч... 185
Солнечные батареи............................................. 186
3.5. Солнечные электростанции промышленного производства............. 191
Солнечная электростанция башенного типа....................... 191
Солнечная электростанция тарельчатого типа.................... 192
Солнечные электростанции, использующие
параболические концентраторы.................................. 193
Аэростатные солнечные электростанции.......................... 194
Аэростатная электростанция типа СА............................ 196
Глава 4. Используем энергию рек.......................................... 198
4.1. Большие и малые гидроэлектростанции............................. 198
Что такое гидроэнергетика..................................... 198
Плотина....................................................... 199
Принцип работы гидроэлектростанции............................ 200
Гидроаккумулирующая электростанция............................ 203
Малые и микрогидроэлектростанции.............................. 206
4.2. Создаем гидроэлектростанции своими руками....................... 208
Самодельная ГЭС без плотины................................... 208
Гирляндная миниГЭС с турбинно-тросовым
гидроприводом своими руками................................... 213
I 1*чн.1я элс Ki рос ынцил 2'4
43. Выбираем и устанавливаем малые гидроэлектростанции.............. 218
О производителях малых ГЭС................................... 218
Переносные и передвижные микроГЭС............................ 219
Мини-гидроэлектростанции серии ПР............................ 221
Мини-гидроэлектростанция в городской квартире................ 221
Глава 5. Используем энергию морей и океанов............................. 223
5.1. Используем энергию морских волн................................ 223
Энергия морских волн......................................... 223
Реактивный преобразователь энергии морской волны............. 223
Гидроаккумулирующая электростанция на энергии морских волн... 225
Волновая энергетическая установка............................ 226
Электростанция-поплавок...................................... 227
Волновое устройство.......................................... 228
Волновая электростанция...................................... 229
5.2. Тепловая энергия океана...................................... 230
Методика использования тепловой энергии океана............... 230
Установка, преобразующая тепловую энергию океана,
работающая по открытому циклу................................ 233
Использование перепада температур океан-атмосфера........... 234
Прямое преобразование тепловой энерги и...................... 236
5.3. Использование энергии океанских течений........................ 237
5.4, Использование энергии приливов................................. 242
Глава б. Используем геотермальную энергию Земли......................... 245
6.1, Знакомимся с геотермальной энергетикой......................... 245
Достоинства и недостатки................................... . 245
Перспективы развития......................................... 248
6.2. Схемы геотермальных энергоустановок............................ 250
Способы получения энергии на ГеоТЭС.......................... 250
Паротурбинные геотермальные энергоустановки.................. 250
Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки............. 253
Процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках....... 253
Установки закрытого цикла.................................... 255
Установки открытого цикла.................................. 256
6.3. Геотермальные тепловые насосы................................ 258
Что такое низкопотенциальная энергия Земли................... 258
Принцип роботы парокомпрессионного теплового насоса.......... 260
Источники энергии............................................ 262
Преимущества и недостатки.................................... 264
КПД тепловых насосов......................................... 264
Перспективы использования тепловых насосов................... 265
Огранимения применимости тепловых насосов.................... 265
Индивидуальное отопление (отопление квартир)................. 266
Грунтовый зонд............................................... 266
Тепловые насосы в вопросах и ответах......................... 267
Глава 7. Используем энергию биомассы.................................... 272
7.1. Что такое «биомасса».............................................. 272
7.2. Прямое сжигание биомассы.......................................... 273
Сжигание на воздухе............................................. 273
Подготовка биомассы.......................................... 274
Мелкомасштабные методы сжигания................................. 275
Промышленная технология сжигания............................. 276
Газогенераторная установка................................. 277
Технология................................................... 278
Применение газогенераторов................................... 279
Принцип работы и устройство газогенератора................... 280
7.3. Сухая перегонка, газификация и сжижение........................... 281
Термическое повышение качества биомассы......................... 281
Подготовка биомассы.......................................... 282
Сухая перегонка............................................ 283
Технология сухой перегонки ................................ 284
Окислительная газификация.................................... 285
Сжижение/восстановление...................................... 286
Биомасса и сжиженная нефть................................... 287
7.4. Гидролиз и ферментация......................................... 287
Сахара биомассы.............................................. 287
Гидролиз..................................................... 288
Ферментация.................................................. 289
Перегонка........................................................ 291
7.5. Анаэробное разложение.......................................... 292
Результат деятельности микроорганизмов....................... 292
Технология................................................. 292
Опасности, связанные с использованием биогаза................ 295
Удаление сброженного осадка.................................. 296
Места отсыпки грунта......................................... 296
7.6. Технология получения биодизельного топлива «ТЕКМАШ»............ 297
Особенности технологии..................................... 297
Соответствие стандарту........................................ 2М
Работа линии по производству биодизельного топлива........... 299
7.7. Горючее для автомобиля своими руками......................... 300
Достоинства.................................................. 300
Недостатки................................................... 301
Производство метанола..................................... ЗОЭ
Бензин из пластиковых бутылок................................ 305
Переработка автомобил ьн ых ш ин............................. 306
Домашняя биогазовая установка................................ 309
Экология плюс немного тепла................................. 309
Как построить биореактор..................................... 310
7.8. Одновременное получение холода, тепла и электроэнергии из биогаза. 319
Достоинства и недостатки технологии.......................... 311
Особенности установки и использования..................... 314
Области применения когенерационных систем.................... 314
Основные технические пераметры............................... 317
Список ресурсов сети ИмтеригодУН"«.........................................
ВВЕДЕНИЕ
Вся современная мировая экономика зависит от богатств, нако-
пленных 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 воз-
действии 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 насту-
пит не при нас. Мировое сообщество уже давно осознало ограничен-
ность запасов ископаемого топлива. И отрицательное воздействие
их использования на экологию. Ведущие государства уже сейчас вне-
дряют 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 солнеч-
ные, 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 посто-
янно меняет скорость клх вообще аатихает. Солнечные электростанции
плохо работают I пасмурную погоду и вообще не работают ночью.
Введение
Ни ветер» ни Солнце не учитывают нужды потребителей энергии.
В тоже время выработка энергии тепло- или атомной электростан-
ции постоянна и легко регулируется. Решить данную проблему может
только строительство огромных хранилищ энергии, для создания
резерва на случай низкой выработки. Однако это очень сильно удо-
рожает 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 отдель-
ного 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 конку-
рентоспособнее и получат массовое распространение. Уже в настоя-
щее время разрыв в стоимости альтернативной и традиционной энер-
гии 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 обеспе-
чить доходность в 10% на вложенный капитал. В эту цену также буд» А
включена стоимость долгового финансирования, так как большинстМыд
Стоимость производства электроэнергии (2011)
Волновая вмииаа^иии
Приливная ввишвя
Солнечная (кремний) ^мыишяииима^ИИ
Солнечная (тонкие пленки)' нмимм^^ш
Солнечная термальная хранение энергии ^ммяя»
Солнечная термальная ^им
Ветряная (прибрежная полоса) - мя^ш^ммв
Биомасса (метановое брожение) ав^^^н^нммш
Биомасса (газификация) шммам^^^м
Биомасса (сжигание) -
Ветряная (на суше) аавм
Сжигание отходов
Муниципальные отходы . м^^шмммамамвм
Геотермальная (бинарный цикл) мм
Геотермальная (паровая)
Природный газ,
Угольная ______ -
10 «00 «100 $100 «200 «200 «000 ИВО «400
Рис, J. Оц«нк< il>do« альтернативней и традиционной внеритики
10
Альтернативные источники энергии
проектов альтернативной и традиционной энергетики строятся с при-
влечением серьезного рычага заемных средств.
Приведенный график иллюстрирует оценку различных видов
альтернативной и традиционной энергетики во II квартале 2011 г.
(рис. 1).
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 энер-
гетикой, но лимитирующим фактором для них служит ограниченное
Количество мест, где можно реализовать эти проекты.
Для тех, кто хочет получить независимость от капризов энергети-
ков* КТО хочет внести свой вклад в развитие альтернативной энерге-
тики* кто просто хочет немного сэкономить на энергии, и написана
от» книга.

ГЛАВА 1
ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ ВЕТРА
ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
1.1. Можно ли использовать бесплатный ветер?
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или ветроэлектро-
станция) — устройство для преобразования кинетической энергии
ветра в электрическую. Устройство ветроэлектрической установки в
упрощенном виде представлено на рис. 1.1.
Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промыш-
ленные и домашние (для частного использования). Промышленные

Трансмиссия
Лопасти
Башня
Фундамент
Колпак
ротора
Система
изменения
угла атаки
лопасти
Тормозная
система
Гондола
Лестница
Поворотный
механизм
Система слежения
за направлением и
скоростью ветра
(анемометр)
Силовой шкаф,
включающий силовые
контакторы и цепи
управления
Электрический
генератор
Ш!рошктричккойуетвнмп1
12
Альтернативные источники энергии
ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными
энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети,
в результате получается ветряная электростанция. Ее основное отли-
чие 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 ветря-
ную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость сво-
ему загородному дому.
В Примечание.
Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне
достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скоро-
сти ветра 8 м/с
Вели местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить
фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором. При этом
ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены
МЭНЬШИМИ 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 ско-
рость ветра в 4—5 м в секунду характерна для большинства промыш-
ленных районов. Малая скорость ветра означает малую мощность
ветрового потока. И, кроме того, значительное количество безветре-
НЫХ дней. ВЭУ в России в основном будут работать треть или поло-
вину времени.
Ветрообильные районы — это прибрежные территории, располо-
женные 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
Глава 1. Используем энергию ветра для выработки электроэнергии
13
режье Ростовской области и Краснодарского края. Приморский край
(район Владивостока). Перспективны ветрозапасы в Мурманской и
Архангельской областях, но там более суровые условия для исполне-
ния проектов ветропарков. Средняя скорость ветра в некоторых горо-
дах 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 ветроу-
становки привязаны к линии электропередач.
Средняя скорость ветра в некоторых городах России Таблица 1.1
Населенный пункт За отопительный период За три наиболее холодных месяца
Арзамас 4,1 6,6
Архангельск 5,5 5,1
Астрахань 4,7 4,6
Барнаул 3,9 3,6
Владивосток 7,1 7,5
Владимир 3,8 4
Вологда 5,1 5,3
Воронеж 4,8 5,1
Грозный 1,6 1,5
Екатеринбург 4 3,8
Иваново 4,1 4,3
Казань 4,6 4,7
Калининград 4,7 5
Кемерово 4,9 4,7
Кемь 5,1 5,2
Кировское 3,7 3,5
Комсомольск-на-Амуре 3,9 3,6
Курск 4,9 5,1
Москва 3,9 4
Мурманск 4,7 6,8
Нижний Новгород 4,7 4,5
Новороссийск 5,7 5,6
Новосибирск 3,9 3,7
Омск 5 4,9
Орел 5,7 6,1
Оренбург 4,8 5,1
Пенм 4,8 4,9
Петропавловск-Кдмматикй 2,9 9
"сков Si
1 *!?? о м
ц » J
Альтернативные источники анергии
Таблица 1.1 (продолжение)
Нясаланный пункт За отопительный период За три наиболее холодных месяца
Саратов 4,6 4,7
Смоленск 5,7 6,1
Чита 1,7 1,5
Якутск 2,1 1,4
Ярославль 4,9 5
Ветроэлектростанция в домашнем хозяйстве
В домашнем хозяйстве ветряк должен рассматриваться в плане
существенной экономии затрат на производство тепла, на досвечива-
ние растений в теплицах и, в какой-то мере, снижения потребляемой
электроэнергии от электросети. Но задача автомного или почти авто-
номного снабжения жилища от энергии ветра очень сложна. Ветряк
должен быть диаметром порядка 20 м.
Кроме перечисленных причин, сложность использования ветра
эаключена в его непостоянстве. Построить генераторную и стабили-
зирующую установку для ВЭУ составляет самостоятельную и очень
сложную задачу.
D 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 средне-
годовой 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 образ-
цов ветряков он составляет до 60—80%! (в среднем 40—45%). У люби-
тельских (самопалов) — порядка 35%, Т. о. при скорости ветра 5 м/с
получим действительную мощность 0,35x90=31,5 Вт.
В табл. 1.2 в числителе мощность самодельного ветряка в килова-
тах при КИЭВ 35%, в знаменателе обороты пропеллера в об/мин при
быстроходности Z«6.
Глввв 1. Ислолмувм вмвргию ввтрв для вырИотм вммтровнвргии II
16
Альтернативные источники энергии
Простейший расчет ветрогенератора
Для выбора агрегата необходимо точно определить преимуще-
ственное 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 эффек-
тивностью, — 9... 12 м/с. Еще одно замечание. Мощность ветрогенера-
тора 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 = D2V3/7000, кВт,
где Р — мощность;
D — диаметр винта в метрах;
V — скорость ветра в м/с.
Р = 0,6SV3,
где Р — это мощность, в ваттах;
S — площадь (м2), на которую перпендикулярно дует ветер;
V — скорость ветра, в метрах в секунду (в формуле — в кубе).
Получается, при известной средней скорости ветра, выбор заклю-
чается 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.
Глава 1. Исполыум внаргию ветра для ырНсГКИ мектраднергии
17

Правило.
Количество электроэнергии, выработанной ветроэлектроуста-
новкой, возрастает кубически с увеличением скорости ветра. Т. е.
если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, получен-
ная ротором, увеличивается в восемь раз.
Приведенная внизу табл. 1.3 показывает значения энергии ветра в
стандартных условиях (сухой воздух, плотность — 1,225 кг/м3, атмос-
ферное давление 760 мм рт. столба). Формула расчета количества
энергии (определяется в Вт/м2) выглядит следующим образом:
P=0,5xl,225xV3,
где V — скорость ветра в м/с (по данным Датской ассоциации произ-
водителей ветротурбин)
Значения энергии ветра в стандартных услов иях Таблица 1,3
Скорость ветра, м/с Мощность ветра на 1 м1 площади ветрогенератора, Вт/м’
1 1
3 17
5 77 '
9 477 . 1
11 815 (1
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 сле-
дующих факторов.
Высота над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется 83
счет трения о земную поверхность. Для сельскохозяйственных полей
и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью
земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизи-
тельно на 12%.
Время года. Й большинстве регионов наблюдаются значительные
сезонные изменения ветровых потоков. Причем в зимние месяцы
скорость ветра обычно ШМИ» чем летом. Дневные изменения скоро-
сти ветра наблыйМ|ММвИ>яло, вблизи морей и больших озер.
II
Алупрмвтивны! источники жнвргии
Рис. 1.2. Хорошие и плохие варианты размещения ветроэлектростанции
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, нахо-
дящиеся 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 неко-
тором расстоянии перед холмом. Также необходимо помнить, что тур-
булентность, значение которой резко увеличивается в случае крутого
холма или его неровной поверхности, может свести на нет преимуще-
ства более высокой скорости ветра (см. рис. 1.2).
Как определить среднюю скорость ветра на участке?
Есть несколько способов определения средней скорости ветра на
участке.
Гл w 1. Исполыум >н<ргию arrpi ДЛЯ мектро>н< ргми If
Способ №1. Информация в сети Internet
и официальных источниках
Есть несколько сайтов, которые мы можем использовать для опре-
деления 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 еа
некоторые промежутки времени, что не дает вам возможности уви-
деть картину сезонности или изменения скорости ветра в зависимо-
сти от времени суток.
Не всегда понятно, как трактовать показания применительно X
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 метео-
станции на необходимую высоту. Также можно установить несколько
портативных метеостанции в разных местах участка, чтобы опреде-
лить наиболее ветреное место для монтажа. Данный способ является
наиболее объективным и дает самые точные показания по скорости
ветра в месте установки.
20
Ал1Л^ИИЖ1И1Н источники энергии
Недостатки. Длительность времени замера. Для проведения объ-
ективных замеров, необходимо устанавливать портативную метео-
станцию 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 регио-
нах существует сезонность ветров (зимой, осенью и весной ветра
сильнее). Короткий промежуток времени замера может не дать объ-
ективной 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 = 2x2x2 = 8 раз.
Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также про-
порционально квадрату диаметра ветроколеса, т. е. при увеличении
диаметра в 2 раза, мощность при той же скорости ветра увеличива-
ется в 4 раза (http://www.freeenergyengines.ru/). .
Однако в механическую работу можно превратить только часть
энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энер-
гии 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 слу-
чае, когда скорость непосредственно аа ветроколесом составля-
ет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ве-
троколесо.
Рим 1. Ислолмум >н«ргию игра для щц|ущуктро»н«ргии
21*
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 %, 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, % = от 0,42 до 0,46. Это
означает, что ветроколеса таких ветродвигателей могут полезно
использовать, т. е. превращать в механическую работу, 42—46% энер-
гии, 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 ветродвигате-
лей равно 0,593.
Определение.
Под идеальным ветродвигателем принято понимать такой
двигатель, который имеет наиболее совершенное ветроколесо,
лишенное каких-либо аэродинамических потерь.
I
Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распрО*
странение, 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^ В
некоторых случаях и больше.
D Примечание.
Чем меньше число лопастей, тем при прочих равных условиях
ветроколесо имеет большее число оборотов.
Вот почему малолопастные ветродвигатели называются быстроход-
ними. Быстроходность является одним из серьезных преимуществ этих
ветродвигателей, так как делает более простой передачу мощности к тагам
быстроходным машинам, как, например, электрический генератор.
Кроме того, быстроходные ветродвигатели» хак правило, более лег-
кие, чем тихоходные. Как указывалось выше» они имеют более высо-
кий коеффицшяФ использования внерпшм^а
22
AnbTtpHMWHM источники «нергии
Рис. 1.3. Аэродинамические характеристики тихоходного 18-лопастного
и быстроходного 3-лопастного ветроколеса
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 1
и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроко- |
лес.
На рис. 1.3 приведены для сравнения аэродинамические характе-
ристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых
имеет 3, а другое — 18 лопастей.
Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные — *
3-лопастное ветроколесо. По горизонтальной оси на этом графике
отложена быстроходность, или число модулей Z ветроколеса. 5
Эта величина определяется отношением окружной скорости coxR
конца лопасти к скорости V ветра, набегающего на ветроколесо.
D Примечание.
На рис. 1.3 видно, что наибольший коэффициент использования энер-
гии ветра ветроколесо имеет лишь при определенной быстроход-
ности, т. е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное -j
число оборотов, при котором мы получаем максимальный %.
Кроме того, при одинаковой скорости ветра тихоходное ветроко-
лесо 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 аа счет аэродинамических
сил, возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воз-
душного потока. Так же, хак и на крыльях самолета, на крыльях ветре-
Пмм 1. Ислолыум «ияргию мтра для ЦфДВИМИ ДЯДКТроэнаргии
U
Pug 7.4. Схема крыльчатого ветроколеса
колеса 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, аэродинамиче-
ские профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопа-
СТИ (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы). На рис. 1.4
Представлена схема крыльчатого ветроколеса.
Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти М
МВХа, с помощью которого оно скрепляется со ступицей. <
Определение.
Угол, который составляет лопасть с плоскостью вращения веиДО*
колеса, называется углом заклинения и обозначается буквой ф.
Углы, под которыми ветер набегает на элементы лопасти, обовмв-
чаются 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 coxR, 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 ooxR. Эта скорость получила название относительной
скорости потока х обозначается буквой W,
24
AnirtwpHWHW источники »н>ргии
Для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и
набегает под разными углами а. А так как наилучший режим работы
крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах
атаки, то и приходится углы заклинения ф делать переменными по
длине лопасти. 1
Важно иметь в виду, что если лопасти выполнены одинакового
качества и профиля, то мощность ветродвигателя практически очень
мало зависит от числа лопастей. 1
Ведь мощность ветродвигателя, как и любого другого двигателя, •
определяется произведением развиваемого двигателем вращающего
момента М на угловую скорость <о.
D Примечание.
Момент, развиваемый ветродвигателем, с уменьшением числа <
лопастей падает, однако примерно в той же пропорции возрас-
тает число оборотов, т. е. угловая скорость. Таким образом, про- ,
изведение Mxw 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 послед-
ний — 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. J
Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих
навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми.
Вращающий момент на ветроколесах этих типов ддигателей воз- i
никает за счет разности давлений на лопастях.
Ввиду малой эффективности (% у этих ветродвигателей не превы-
шает значения 0,18) и громоздкости, а также вследствие того, что они |
очень тихоходны, карусельные, барабанные и роторные двигатели в
практике не нашли применения.
1А Упрощенная cxeth роботы ветрогенератора
На сегодня существует два основных варианта работы ветрогене-
раторов.
Классическая несетевая схема: работа с аккумуляторными бата-
реями 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 ком-
веисировать расходы на электроэнергию. Также возможна продажа
Электроэнергии по «зеленому тарифу». Наличие общественной сети
необходимо.
I Существует также множество комбинированных и второстепенных
ЦО значимости вариантов работы ветровых станций и солнечных пане-
Эей (без инвертора, с источником бесперебойного питания и т. д.)
| . На рис. 1.5 представлена классическая схема работы ветрового
Электрогенератора (http://blog.ae.net.ua).
<1 Аккумуляторные батареи (АКБ или АБ) — это накопитель-
Л емкость для произведенного ветрогенератором электричества,
(ехтроэнергия направляется в аккумуляторы и находится в батареях
ТОГО момента, пока потребитель не воспользуется ею.
Н Примечание.
Задача аккумуляторов состоит в сохранении электроэнергии в
промежутке между ее производством и потреблением.
источники внвргии
Рис. 1.6. Упрощенная сетевая схема ветроэлектростанции
Если объем аккумуляторной батареи будет мал, то она будет быстро
заполняться, а излишки энергии будут пропадать. Объем аккумуля-
торной 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
анергии.
Объем аккумуляторной батареи должен быть таким, чтобы при
выработке ветряного электрогенератора или фотомодулей на мак-
симальной мощности или при максимальном потреблении электро-
энергии процесс заряда-разряда аккумуляторной батареи составлял
не менее 10 часов (это обязательное условие для всех свинцовых, кис-
лотных, AGM, щелочных и гелевых батарей). К примеру, если номи-
нальная мощность нашего ветряка 5 кВт, то объем аккумуляторной
батареи должен составлять не менее 50 киловатт-часов.
Инвертор, преобразовывающий постоянный ток из аккумулятор-
ных батарей в переменный ток, необходимый для домашней сети.
Именно к нему уже подключаются потребители и электроприборы.
В Примечание.
Мощность инвертора (он же частотный преобразователь) огра-
ничивает максимальную мощность веек ыектроприборое, кото-
рые монут работать от вашей системы одновременно.
ТИШ 1, Ислол»»ум ИИ
То есть, если инвертор ограничен по мощности 3 кВт, то вы никак
ие 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 доба-
вить 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
1—10% электроэнергии! Это означает, что при получении на выходе
В киловатт-часов, инвертор потребит из аккумуляторной батареи
4,2—5,5 киловатт-часа. Тут вывод аналогичен: необходим инвертор
<ПИ 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 электроэнер-
гию);
• ♦ 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
ОИСТемы возобновляемой энергетики (ветрового генератора).
I
В Вывод.
Для того чтобы система ветрогенератора функционировала пран
вильно, необходимо четко сформулировать задачи, которые надо
достичь и предоставить исходные данные для расчета. В таком
• случае успех гарантирован.
28
источники »нергии
1.5. Что нужно учесть
перед началом сборки ветрогенератора
Безопасность. Самым большим приоритетом должна быть без-
опасность. 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 обяза-
тельно 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 гене-
ратора будет, мягко говоря, не очень высоким. Во-вторых, мало кто
знает, что балансировка роторного генератора — процесс довольно
сложный. Производитель учитывает множество нюансов, чтобы защи-
тить 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 гене-
раторы 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 уста-
новки увеличивается диаметр (а значит и вес) ветроколеса.
Такое колесо нужно надежно сбалансировать и закрепить. Есть
много историй о том, как выглядит развороченная мачта после уста-
новки 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 аэродинамиче-
ской трубе, их конструкция доводится, т. е. устраняются технологиче-
ские недостатки и дефекты,
там 1. Исполним >н«ргию «rrpi для 1мтро»н»ргии
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 аккуму-
ляторы от ЗИЛа, чтобы сэкономить». Так не пойдет... Дело в том, что
у автомобильных аккумуляторов, например, от КАМАЗа, есть неко-
торые 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 по-
стоянного заряда/разряда, поэтому они ненадежны.
Необходимо использовать специальные стационарные герметич-
ные аккумуляторы, предназначенные для работы в составе систем аль-
тернативной энергетики. Они не требуют ни ухода, ни специального
Вомещения, срок службы 10 лет и выше, но они и несколько дороже.
Лм не менее, тут лучше экономить, выбирая более дешевый вариант.
Например, производитель RITAR снизил цены в связи с выходом на
Маш 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 дуот
ураганный ветер и т. п.
Человек, который собирается делать ветрогенератор своими
руками, должен смириться с риском того, что он не учтет в монстру»
ЦИИ «какой-то ерунды» и устройство, в которое было вложено немало
ж»*- времени и денег, не грохнется на землю в один, далеко не пре-
Красный, день.
Ък что будьте внимательны и осторожны. Если вы решили CO8-
ДВТЬ ветрогенератор своими руками, пожалуйста, оцените еще раз то
Количество времени и сил которые вам потребуются чтобы реалиэо-
•ать задуманное.
I Зайдите, например, на httpi//avtonoin.com.ua, может подберете
готовый комплект для самосшрюиой сборки ветрогенератора.
SO Ап >нергми
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 преиму-
щества. 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 карусель-
ных ветрогенераторов, так как вынуждает применять повышающие
редукторы — мультипликаторы, имеющие очень низкий КПД. Без
мультипликатора такую установку эксплуатировать проблемно; мно-
гополюсные тихоходные генераторы мало распространены, во всяком
случае, в широкой продаже их нет.
Крыльчатые ветрогенераторы имеют большую скорость враще-
ния. Благодаря этому обстоятельству они могут непосредственно сое-
диняться с генератором, без мультипликаторов
Лопасти крыльчатого ветряного генератора должны располагаться
вертикально — перпендикулярно потоку воздуха. Для достижения
этого применяется специальное устройство — стабилизатор. У крыль-
чатых ветрогенераторов намного выше коэффициент использования
энергии ветра. В то же время скорость вращения у них обратно про-
порциональна количеству крыльев. Вследствие этого установки с
количеством лопастей больше трех практически не используются.
Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкой
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/). 1«'• •»
I, Исполним энергию trrpi
7 Диапазон применения ветро-
Нхераторов довольно широк.
Конечно» можно использовать
Ветряной генератор в чисто декора-
тивных целях. Сделали пропеллер,
Поставили куда нравится, да еще
В трещотку к нему приделали —
Интересно, занятно. Небольшой
МТряк при слабом ветре может
Поднять из колодца или скважины
>0—50 л воды за час.
Последние 100 с лишним лет
Ветряки используются для полу-
чения электроэнергии. Это самый
оптимальный вариант применения
||яемт?о>н«ргии
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.
До нас дошли лишь туманные описания первых ветряных мельниц.
Но судя по ним, прообраз современного ветрогенератора с его класси-
ческой горизонтальной осью и вращающимися лопастями, был зало-
жен еще в 7 веке до нашей эры.
Этап 2. Ротор Савониуса (1929 г.). Как видно
из картинки, данный ветрогенератор с верти-
кально расположенной осью вращения (рис. 1.8).
Лопасти представляют собой полуцилиндры.
Данное ветроколесо просто в изготовлении,
характеризуется низким уровнем шума, широ-
ким диапазоном рабочих ветров. К минусам сле-
дует 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. Б отличие от ротора с
горизонтальной осью вращения» где все лопа-
сти повернуты к ветру под углом
Рис. М. Ротор
Сооомиусо
32
Ал морнатиомые источники энергии
атаки и не перекрывают друг друга,
лопасть вертикального ротора
проходит половину пути с подве-
тренной стороны в возмущенном ।
и ослабленном «тыловом» потоке.
Постоянно меняющиеся углы
атаки вызывают периодический
срыв потока с лопастей. Ко всему
прочему, система обладает боль-
шим стартовым моментом, кото-’
рый с трудом может быть создан
ветром.
Этап 4. «Жиромельница»
(рис. 1.10). Это подтип турбины
Дариуса с прямыми лопастями. Преимуществом «жиромельницы» ‘
являются небольшая сила ветра, необходимая для запуска. j
Этап 5. Современный ветрогенератор:
♦ с вертикальной осью вращения (рис. 1.11, а);
♦ с горизонтальной осью вращения (рис. 1.11, б).
Рис. 7. 7 7. Современны* еешроеенервторы.' с мртихоленой всею вращения
смри1онтымо0 owe W
1, Исполыум >н«ргию >rrp> ул
нвргии
n
Варианты изготовления ветряного пропеллера
Пропеллер — устройство типа винта самолета. Конструктивно
►спеллер много проще и легче ветроколеса. Пропеллер вращается
ИЧИтельно быстрее и в определенных условиях позволяет обойтись
II мультипликатора (см. рис. 1.12).
Для ветроэлектростанций целесообразней использовать два про-
Мадера одновременно (см. рис. 1.13): один из них связывается с
►Тором электрогенератора и вращается в одну сторону другой — со
Втором и вращается в противоположную сторону. Использование
МОЙ конструкции аналогично применению мультипликатора с пере-1
(Точным отношением 1:2.
Рассмотрим еще вариант изготовления пропеллера. Пропеллер диа-
Ьром 1,5 м изготавливается следующим образом. Выбирается чистая
ВМЯ, осиновая или березовая доска толщиной 25 мм, шириной ИО-
10 мм и гладко выстругивается до толщины 20—23 мм. Находится
|ВТр доски и от него в обе стороны отмеряется по 60—70 мм, поме-
ВТся рисками (см, рис. 1.14).
(•то центральная часть доски — ступица. К ней четырьмя болтами
Мнится металлический фланец, который надевается на ось ротора
•ратора или мультипликатора.
Юбе половины доски от ступицы к концам стесываются так, чтобы
Лучились усеченные четырехугольные пирамиды поперечным Свче-
Ihf на концах 80x10 мм (см. сечения 3-3,4-4). Далее лицевые поверх-
>Й№ Ml Конструкция проп
1. fl. Конструкция еЙумя пропеллер**»
энергии
Рис. 1.14. Вариант изготовления пропеллера
ности 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 тыль-
ной стороне по всей длине доски от ступицы до концов плавно закру-
гляется прямой угол. Поперечное сечение должно иметь форму попе-
речного сечения крыла самолета (см. сечения 1-1, 2-2). Пропеллер
окрашивается масляной краской.
Совет.
1ISII 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 быстро-
ходней пропеллер. После установки, пропеллер необходимо сбалан-
сировать.
Варианты изготовления ветряного колеса
Ветряное колесо — основная деталь ветродвигателя, отмечается на
http://tehnojuk.ru/.
Постройку ветродвигателя следует начать именно с него — основ-
ной детали ветродвигателя.
Ветряное колесо по конструкции намного сложнее пропеллера и
представляет собой круглую пространственную решетку из лопастей,
смотри рис. 1.15.
Bum 1. Исгшлмуш зизргив

Лопасти ветряного колеса могут
выполняться из листовой стали, алюми-
ниевого или дюралевого листа толщиной
,4,5—2 мм.
Ветряное колесо — тихоходное уст-
ройство. Так как все без исключения
влектрогенераторы работают эффек-
тивно при частоте вращения 1000 об/
мин и выше, поэтому между ветряным
колесом и генератором необходимо уста-
новить мультипликатор с передаточным
Отношением (1:15,1:20). ветряного колеса
Большим преимуществом ветроколеса является то, что оно рабо-
тает практически бесшумно и способно вращаться при сравнительно
малой скорости ветра. К недостаткам относится сложная конструк-
ция,.громоздкость и тихоходность.
Рассмотрим еще один вариант изготовления ветряного колеса.
I 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 —
ВТО линия соединения двух листов железа. Перпендикулярно к нему
Проводится еще один диаметр. Таким образом, мы получили кру$
разделенный на четыре равных сектора. Если мы проведем еще ДВД
перпендикулярно пересекающиеся диаметра так, чтобы их ЛИНМК
делили секторы пополам, то получим еще восемь одинаковых секто-
ров. 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 окружно-
сти в центре каждой лопасти сделать пометку для отверстий.
Разметив таким образом ветряное колесо, обе его половины выре-
зают по четвертой окружности и затем разрезают на секторы до пер-
вой окружности. Работуввдороквводят ножницами по металлу или
зубилом. Когда разрезка taflntaxfxa, у каждой лопасти вырубается
истсчнииНмергии
зубилом по половине площади между первой и второй окружностями.
Полученные таким образом отверстия дадут возможность ветру, дую-
щему на центр колеса, свободно проходить в них и тем самым не ока'
зывать сильного давления на центр ветряного колеса, что являете/
большим тормозом при работе ветродвигателя.
По сделанным отметкам на третьей окружности делаются сквоз-
ные отверстия — в каждой лопасти диаметром в 5—6 мм. В них будеч
продеваться кольцо из толстой железной проволоки, служащее длл
упрочения конструкции ветроколеса. Разметка ветроколеса показаш
на рис. 1.16.
Для крепления ветроколеса связывается деревянная крестовина,
Для крестовины необходимо взять доску (не тоньше 40 мм) и выре-;
эать 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 шуру-
пами.
Put. 1 Л в. Датам мммодопастною оотряном дмлвтелд*
а—pajMiMMMMMMco миомлолестмм еатробаимталк;
в—амЙАмю нтроколе « и счомемие н манок
17
1,Мелалмум>н>ргия Miptl
' xjdi:
зо»нергии
Допасти ветроколеса повертываются слева направо приблиэи-
МНЮ под углом в 25°.
Р Для укрепления конструкции берется отрезок железной проволоки
Мпдиной в 5—6 мм, употребляемой для стяжек, и длиной 4500 мм и
МВается кольцо диаметром в 1400 мм. Это кольцо осторожно проде-
МНСЯ через все отверстия в лопастях, сделанных по третьей окружно-
му И затем кольцо прочно скрепляется проволочными скрутками.
F Теперь ветряное колесо будет достаточно прочно и устойчиво.
МТам ветряное колесо надо насадить на главный вал. В качестве
ТОГО вала может быть применена металлическая трубка диаметром
М—45 мм и длиной 1000 мм или же цельнометаллический стержень
ЙЦхх же размеров.
рВатроколесо прочно насаживается на вал так, чтобы оно не
МОГЛО вращаться на нем. Для этого желательно в широком брусе
Мостовины в борту его против отверстия для вала просверлить
Ввозное отверстие для болта диаметром 10—15 мм. Такое же отвер-
ММ следует просверлить и на конце вала, отступя от его торца на
мм, При насаживании ветроколеса на вал эти отверстия должны
Мипасть. Через них пропускается болт и закрепляется гайкой. Такое
Анпление ветроколеса на валу обеспечит необходимую прочность
МГ соединения.
Г Когда таким образом будет собрано ветроколесо, нужно произве-
Вги его балансировку, т. е. уравновешение его на валу. Для этого глав-
ЫЙ вал ветроколеса следует положить концами на два горизонтально
Осположенных бруса, например, положенных на концах стола.
Р'> Вал должен свободно вращаться вместе с ветроколесом на этих
Вьусьях. Если при повороте ветроколеса оно будет сохранять любое
приданное ему положение, можно считать, что оно сбалансировано.
Me если при поворотах ветроколеса будет всегда возвращаться в одно
га ТО же положение, т. е. какая-то лопасть его всегда будет стремиться
Нанять нижнее положение, то это значит, что эта половина ветроко-
Мса перевешивает другую половину.
f Для уравновешивания ветроколеса к брусу крестовины, который
[Находится в верхнем положении, прикрепляется полоска железа, и
[ Продолжают проверку ветроколеса. Если после этого, наоборот/ста-
HNT перевешивать часть колеса, к которой прикреплена железная
' Полоса, ее надо подрезать. !М1Сйм образом, уменьшая или увеличивая
дополнительный груз одной части ветроколеса, производят его балам-
AnbTtpMnOMW источники энергии
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, мощ-
ность 60 Вт. Это синхронный шестиполюсный генератор с вращающи-
мися магнитами и шестью неподвижными катушками (см. рис. 1.17).
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 ветроэлек-
тростанции подойдет электро-
генератор используемый на авто-
бусах, например, Г-2 мощность
720 Вт, напряжением 12 В и током
отдачи 60 А. Такой генератор имеет
небольшой диаметр (0,25 м) и при
Рис. 1.17. Синхронный шеапиполюсный частоте вращения 500—600 об/мин
генератор г
уже может давать ток заряда.
В Примечание.
Этот генератор снабжен двумя катушками внешнего возбуждения,
что позволяет иметь мощность, меняющуюся е широких пределах.
ч J И ,
Глвм 1. Исполцум »н»ргиюмтн ДЛЯИфИ<ТКМ WKTpoiHtprnn
39
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 позво-
ляет ветродвигателю легко трогаться с места и быстро набирать обо-
роты.
Выбор привода
Широкое распространение получил гидропривод, включающий
в себя и гидропередачи. Гидропередачи используют для передачи
момента вращения от ветродвигателя на вал ротора электрогенера-
тора. В гидропередачах энергия передается за счет движения жидко-
сти, находящейся под большим давлением (см. рис. 1.18).

40
Алмвриггиаиы» источники >н»ргии
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 ил;
трубка опускается вниз из всасывающего отверстия насоса на глубин
0,5-0,7 м.
Внизу на платформе, приваренной к трубе мачты, монтируете,
гидродвигатель с электрогенератором, валы которых сочлены обыч
ними муфтами. Напорный патрубок гидродвигателя присоединяете
к напорному шлангу гидронасоса, а сбросный патрубок соединяется
внутренней полостью трубы мачты, которая заливается минеральны!
маслом.
Q
Примечание.
Если рабочий объем гидродвигателя меньше рабочего объем
насоса, то частота вращения гидродвигателя будет больш
частоты вращения насоса, т. е. пропеллера.
Работа привода
Пропеллер вращает вал гидронасоса, насос по всасывающей труб
засасывает минеральное масло из полости трубы мачты и под давле
нием подает его по напорной трубе в напорное отверстие гидродви
гателя.
Из отводного отверстия гидродвигателя масло поступает сн<м
во внутреннюю полость мачты. Гидродвигатель при этом вращает
и приводит в движение электрогенератор. Из-за чувствительности
мелким частицам в систему ставят фильтр масла.
Частота вращения агрегатов регулируется клапаном напорно
или сливного шланга. Перекрытый клапан «выключит» ветроагрег
в штормовую погоду Гидронасосы и гидродвигатели подбирают i
тракторных или авиаодошцде.
Г1. Исполыум анергию мтрв до-иууРКУП^РМнергии 41
Сравнение генераторов для домашней электростанции
ь Вариант J. Генератор переменного тока от автомобиля
V Достоинства: дешевый, легко найти, уже собран.
h Недостатки: требуется высокая скорость вращения, требуется зуб-
ГВЯ передача или шкив, небольшой выход энергии, токосъемник
Мебует постоянного техобслуживания.
f Пригодность для ветроэлектростанции: низкая.
' । Главная проблема при использовании автомобильных генераторов
Мд ветряков — то, что они разработаны для слишком высоких скоро-
tesft — для получения ветряной энергии приходится выполнить мно-
жество значительных модификаций. Даже маленькая и работающая
I Сравнительно быстрых оборотах ветряная мельница требует ско-
Ьсти 600 об/мин, что даже близко нельзя назвать достаточным для
МТОМобильного генератора. Это значит, что придется использовать
Ьгбчатые передачи или шкивы, чтобы большая часть энергии трати-
ВСЬ на вращение.
Ь Стандартный автомобильный генератор электромагнитный —
Ь есть часть вырабатываемой энергии должна быть послана на
Ьорь через щетки и токосъемники, чтобы создать магнитное поле.
Ьхератор, который использует электричество для возникновения
Вмя, менее эффективный и более сложный. Тем не менее, его проще
Регулировать, так как магнитный поток может быть изменен настрой-
Ьй мощности ПОЛЯ.
К Кроме того, щетки и токосъемники имеют тенденцию изнаши-
Ьться, требуя постоянного ухода. Генератор также может быть пере-
Мотан для выработки энергии на более низких скоростях. Это воз-
жно путем замены существующих витков статора более частыми
Ьстками из более тонкой легированной стали.
Г г
I > Вариант 2. Самодельный генератор с постоянными магнитами
р «Достоинства: низкая стоимость киловатт-часа, высокая эффектив-
ность, возможно получение большой мощности, удивительно крепкая
конструкция.
I.« Недостатки: трудоемкий, сложный проект, требующий обработки
НЯ токарном станке.
Пригодность для ветроэлектростанции: хорошая.
Многочисленные эксперименты показали, что самодельный гене-
ратор с постоянными магмишмн является наиболее мощным и эко-
номным решением для ветрогенератора. Он способен отлично рабо-
тать 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 под-
шипники. Так как такой генератор производит переменный ток, тре-
буется выпрямитель для преобразования его в постоянный и после-
дующей зарядки батареи.
Наилучшие результаты показывает трехфазный генератор, однако
его сложнее построить, чем однофазный, так что при построении
генератора необходимо решить, сможете ли вы построить трехфаз-
ный 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 переобо-
рудовать, хорошая работа на низких оборотах.
Недостатки: результирующая мощность ограничена внутренним
сопротивлением, неэффективен на высоких скоростях, требует обра-
ботки на токарном станке.
Пригодность для ветроэлектростанции: средняя.
Обычный асинхронный электродвигатель, вырабатывающий пере-
менный ток, может достаточно просто быть перестроен в генератор
с постоянными магнитами. Эксперименты показывают, что полу-
чившийся 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 гене-
ратором 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 проволо-
нанергии
кой 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 про-
изводит переменный ток, поэтому требуется выпрямитель для преоб-
разования его в постоянный ток и последующей зарядки батареи.
Вариант 4. Генератор постоянного тока
Достоинства: простой и уже собранный, некоторые хорошо рабо-
тают на низких оборотах.
Недостатки: прихотливый, большинство плохо работают на низких
оборотах, очень сложно найти генератор достаточно большого раз-
мера, 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 гене-
раторы постоянного тока даже близко не могут сравниться с генерато-
рами 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 уча-
сток 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 использова-
нии современных легких, достаточно прочных и недорогих материа-
лов выглядит вполне оправданной. Гирлянды-спирали весьма техно-
логичны в изготовлении, и могут найти самое разнообразное приме-
нение, 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 отчужде-
ния ТЭЦ станут обычным делом, — в странах, необремененных изоби-
лием недр, и не загипнотизированных их мнимой неисчерпаемостью.
Важность развития энергетики на возобновляемых источниках
энергии не подлежит сомнению. Ветроэнергетика, — одна из ста-
рейших 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 ветрогенера-
тора может достигать 30—40, и даже 60 м.
Ничего удивительного, что киловатт установленной мощности
ВЭС обходится в копеечку. Выходит, за высокую мощность ветродви-
гателя, — вожделенный куб скорости ветра, — приходится платить
«один к одному».
D Примечание.
Поэтому имеет прямой смысл заняться миниатюризацией: сумма
кубов растет гораздо медленнее, чем куб суммы. Заменяя одного
великана на много карликов можно значительно понизить требо-
вания к прочности отдельной укороченной лопасти.
К сожалению, параллельно с естественным удешевлением малога-
баритных ветродвигателей возникает проблема эффективного сум-
мирования мощностей. Компактные электрогенераторы — не самые
дешевые устройства.
Самое элементарное суммирование достигается закреплением
роторов на одном и том же валу.
В Примечание.
Лучше всего такая схема подходит для т. н. ортогональных ветрод-
вигателей, —с поперечной потоку осью вращения. Обычные ветро-
колеса объединять подобным образом,
как правило, неэффективно: желательно,
чтобы между пропеллерами было расстоя-
ние порядка 10—12 диаметров для восста-
новления силы и стабильности потока
(интересное решение предложено на сайте
http://www.selsam.com).
Чрезвычайно удачной в плане конструктив-
ной простоты является гирлянда ортогональ-
ных роторов, закрепленных на тросе-приводе
(рис. 1.19). Такое решение неплохо зарекомен-
довало себя и в гидроэнергетике. Очень заман-
чиво использовать подобную схему и для преоб-
Рис. 1.19. Гирлянда
ортогональных роторов,
закрепленных
на тросе-приводе
разования энергии ветра.
Идея ветрогирлянд занимала умы изобрета-
телей и раньше. Пришло время вновь обратить
на нее пристальное внимание.
Ветрогирлянда в кустарно-огородном исполнении
Самую примитивную и дешевую ветрогирлянду легко собрать НВ
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): металличе-
ский трос толщиной 2—3 мм (10—15 руб. за
метр), пластиковая труба для канализации
диаметром ПО мм (90 руб. за метр), лист
оцинкованного железа для горизонтальных
площадок, разделяющих соседние роторы.
Разумеется» еще понадобятся подшипники
для закрепления концов гирлянды вверху
Рис. 1.20. Принцип построений
ротора Савониуса:
а—двухлопастный;
б — четырехлопастный
46
Ал wywwwMW источники энергии
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 ПО 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 доста-
точно, чтобы подобрать к ветроустановке промышленный генератор.
Конструкция мультипликатора может быть самой разнообраз-
ной, с использованием ремней ГРМ или велосипедных звездочек.
Единственное утешение в этой почти неизбежной возне с повыше-
нием 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 гир-
ляндой.
Разобравшись с мультипликатором, можно приступать к сборке гир-
лянды. Для начала следует нарезать из листа железа торцевые площадки
для закрепления лопастей — круги диаметром примерно 250 мм.
Обрезки пойдут на изготовление фик-
сирующих скоб — держателей лопастей и
троса. Эти уголки нужно закрепить само-
резами или винтами на площадке вдоль
посадочного места лопасти как показано
на рис. 1.21.
Последний подготовительный шаг, —
разрезать пластиковую трубу на сег-
менты длиной 50—70 см, затем каждый сегмент вдоль на две поло-
винки. Слегка зашкурить края, — и лопасти готовы.
Монтаж ветродвигателя проще всего производить прямо на месте
установки, подтягивая гирлянду вверх по мере сборки.
Рис. 1.21. Принцип
построения лопасти
S 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 гир-
лянды, — без стоимости генератора, мультипликатора и подвеса обой-
дется по ценам подмосковных стройрынков в 500—550 руб.
С учетом того, что при среднегодовой скорости ветра 5 м/с и каче-
ственном 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 оцин-
кованного железа (лист 0,55 мм стоит 200 руб, за м2), 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.
Е
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 каркасно-
тепличному дизайну. Конструкций «завитых» Савониусов в сети пре-
достаточно, попробуем сделать гирлянду, примерно как на фотогра-
фии с сайта www.aerotecture.com, только без всех этих окружающих
палок и стержня, которые выгоднее пустить на нормальную мачтух
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 дм
фиксации полиэтиленовой пленки. Диаметр гирлянды составит при-
мерно 44 см(П. Колосов, http://roilnmn.ru/vetro/glrland/girland.htm>.
111 источники ы«ргии
Рис. 1.22. Принцип создания каркаса
Полиэтиленовая пленка довольно хорошо тянется. Зажав пленку
между полосами (свинченные вместе полосы будут хорошо сопротив-
ляться изгибанию), нижнее ребро следует немного закрутить относи-
тельно 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 м2 (при диаметре 44 см это 2,27
погонных метра) обойдется в 200 руб. Цена обычной 100 мкм пленки 8—9
рублей за м2. 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 теплои-
золяции бань, — 270 руб.
Можно также использовать недорогую парусную ткань или любой
другой подходящий материал. При всей своей недолговечности поли-
этиленовая пленка за счет своей прозрачности имеет изрядное прей-
I. Испслыуш «мргию
>о»м<ргии
существо в эстетическом плаке, делая гирлянду менее бросающейся >
ifftiaa. Да и тени меньше. Фольга, безусловно, претендует на приз ври-
.Вельских симпатий за футуристический дизайн, — только представив
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 cpOKOJt
Службы гирлянд.
г., Представляется интересной и другая возможность, — делатр
гирлянду-спираль сгибанием из достаточно тонкого адюмиВДД
,ИЛи оцинковки, выпускаемых промышленностью в рулонах разной
Ширины, в том числе с уже нанесенным покрытием (П. Колосов, ИЦр://
r03inmn.rH/vetro/girland/girland.htm).
По себестоимости материала это выйдет в 150—200 руб. за квадрат-
ный 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 цеду.
Для предотвращения разворачивания можно также использовать тон-
кий металлический трос, овивающий спираль в направлении» обрат-
ном закрутке лопастей.
Главной особенностью гирлянды является отказ от жесткого иду-
щего стержня-опоры, что значительно облегчает и упрощает кон-
струкцию ветродвигателя. Вес гирлянды является важным параме-
тром, т. к. сильно влияет на требования к прочности и внешних ОДЭД
и тросов подвеса, и материала самой гирлянды. Поэтому естественно
возникает вопрос, можно ли еще как-то улучшить отношение ОМВТМ”
мой площади к затраченному на лопасти материалу? г
В принципе, можно вадк^о(увеличения хорды лопастей оптимизи-
рованного профиля подрой* разнести их на некоторое расстоя-
ние друг от друга (рис, .
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 опреде-
ленной частью КИЭВ при условии, что некоторую потерю эффек-
тивности существенно перекроет рост ометаемой поверхности гир-
лянды? 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 разнесен-
ных 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 про-
пеллеры, например, эффективнее многолопастных, а проблема балан-
сировки 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 полимер-
ных 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 раз-
мещение вместо флагов на фонарных столбах городских магистралей.
Три трехметровые гирлянды (рис. 1.24) диаметром 33 см, закре-
пленные на одном столбе, эквивалентны по мощности ветроколесу
диметром 2 метра — неплохой довесок к декоративной функции.
Можно также располагать ветрогирлянды поперек улиц аналогйчно
рекламным растяжкам. Вообще, вращающаяся гирлянда-спираль
может неплохо вписаться в облик современного города, открывая
новые возможности для дизайнеров и снижая затраты на уличное
освещение.
Например, панно из размещаете вплотную ветро-
рлянд с согласованной частотой вращения (т. е.
Панически замкнутых на один генератор) и с нане-
^.^ными на поверхность спиралей элементами изо-
5ежения> может создавать различные визуальные
фекты, включая некое подобие анимации.
Такой необычный рекламный щит за счет двой-
ного применения может иметь высокую окупае-
мость. В безветрие или при слабом ветре, не несущем
ПОЧТИ никакой энергии, ветрогирлянды могут при-
нудительно стопориться, или приводиться в движе-
нию с нужной угловой скоростью для формирования
рекламного изображения, и вырабатывать электриче-
ство при сильных ветрах, которые собственно и пере-
* “ОСЯТ львиную долю энергии, но дуют относительно
•большое количество часов в году.
Удачное место для размещения малошумных гир-
ЯНД в городской черте, — плоские крыши высоких
Омов. Во-первых, это гарантированное обдувание со
Сех сторон, а во-вторых, размещенные по периметру
‘•Дания крайние гирлянды также могут выполнять
генеративные и рекламные функции.
Рис. 7.24.
Строенная
установке ив
трехгирлянО
Объединение гирлянд
।
I При среднесезонной скорости ветра в 5 м/с, качественно изготов-
ленной гирлянде и общем КПД мультипликатора и генератора 7096»
'ЮДИН квадратный метр ВЭУ выдаст 20—21 Вт электроэнергии. Для
Производства одного киловатта понадобится 50 м2, или сто погонных
1 М<тров при диаметре 50 см.
Ясно, что вместо одной очень длинной гирлянды в большинстве слу-
чаев придется вешать несколько коротких. Здесь возможны две стра-
тегии. Во-первых, устанавливать на каждую гирлянду многополюсный
генератор на постоянных магнитах соразмерной мощности. Гирлянда
диаметром 80 см и длиной 25 м имеет площадь 20 м2, как у ветроколеса
диаметром 5 м, — теоретически можно раскошелиться и на отдельный
.генератор, суммируя затем уже электрическую мощность.
Однако есть и альтернатомустановке мультипликатора и генера-
тора под каждой гирляиЗ'ШМюик с помощью механических передач
замыкать их на один генератор. Этому способствует маленький диа
метр гирлянд, — их можно располагать достаточно близко. Очевидны!
вариант объединения механической мощности таков: угловые редук
торы с парой конических шестерен передают вращающий момент о1
гирлянд общему горизонтальному тросу, закрепленному одним кон
цом на валу генератора.
Это приведет к потере 3—5 процентов мощности на каждой гир
лянде в одном ряду, и если рядов несколько, то еще столько же пр!
вторичном суммировании рядов.
D Примечание.
Эти потери (включая стоимость редукторов и горизонтальны,
тросов) будут экономически оправданы, если стоимость большое
числа маленьких мультипликаторов/генераторов в сравнении а
стоимостью такого же числа угловых редукторов и одного мощ
ного мультипликатора/генератора окажется много больше.
Так же вполне возможно, что оптимальной будет установка одной
генератора промежуточной мощности на один ряд гирлянд, гибк*
сочетая оба вида суммирования: механический внутри ряда и элек
трический между рядами.
Подшипники вверху и внизу гирлянды необходимы в любом случае
В сущности, подвес и редуктор — единственные узлы ветродвигателе
как такового, требующие серьезного механического производства.
Поскольку для ВЭУ достаточной мощности их потребуется не одш
. и не два, а действительно много, их себестоимость в достаточно круп
несерийном производстве должна быть умеренной.
Возможно, для удешевления механических редукторов подойде!
стратегия их изготовления на китайский манер, — из пластика с огра-
ниченным сроком службы и последующей периодической замено!
быстроснашиваемых деталей.
Внимание.
Чтобы соседние гирлянды не перекрывали друг друга, желателы
минимальная дистанция между ними в 10 диаметров.
По крайней мере, такого правила придерживаются при сооружена
ветропарков традиционных пропеллерных установок. Не исключено
что гирлянды можно будет разместить и несколько плотнее. В любоь
случае, не следует без особо* нужды ставить их очень близко друг к
другу, экономя пару десятков рублей на стоимости нескольких лиш-
них метров троса, и теряя гораздо больше на фактическом снижении
•ффективной площади ветродвигателя.
Мачты
Как известно, за удовольствие надо платить, и в случае ветрогир-
Лянд 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 каче-
, стве опоры мачту на растяжках, которая дешевле решетчатых башен
, Как минимум в 2—2,5 раза. За счет потенциально высокой простран-
I СТвенной плотности размещения даже на одной мачте можно подве-
J Сить гирлянды значительной суммарной ометаемой площади.
Г 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 сожа-
лению, максимально использовать жизненно необходимую ветроуста-
Мовкам 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
< 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 не-
сущих тросах, растянутых на достаточном расстоянии от земли.
В 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 углы сразу нескольких сосед-
м*' аД|ИКм источники >н<ргии
них ячеек с высокой плотностью заполнения гирляндами. Это суще-
ственно увеличивает минимальные начальные затраты на ветроуста-
новку с одной ячейкой, зато если мощность планируется постепенно
наращивать, добавление следующей ячейки потребует дополнитель-
ной установки уже только одной/двух, а не трех/четырех мачт.
О тихом ветре
По данным метеорологических наблюдений среднегодовая ско-
рость 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 значитель-
ная горизонтальная турбулентность, — те самые порывы ветра.
D Примечание.
Вертикальноосевые турбины прекрасно работают в непостоян-
ном по направлению потоке, а ротор Савониуса эффективно реа-
гирует и на резкие скачки е 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 (классифи-
цируется в метеорологии как ровный, а не порывистый!), будет содер-
жать в 2 раза больше энергии, чем ламинарный поток 4 м/с.
В условиях городской застройки, когда сильные порывы череду-
ются с полным затишьем, эта разница будет еще большей. Обычное
ветроколесо в подобных условиях, скорее всего, даже не сможет стар-
товать, не то что выработать электроэнергию. Так же, из этих сооб-
ражений установка отдельных генераторов под каждой гирляндой
выглядит несколько предпочтительней механического суммирования
(и тем самым усреднения) моментов.
Можно возразить, что соответствующую турбулентным возмуще-
ниям пульсацию электрической мощности на выходе ветроэлектро-
I 4 * T''^P
станции трудно утилиаироИЙ/П даже не стоит за ней гнаться. Да» ета
проблема существенна, причем для любых ветроустановок, включая
и классические пропеллеры. Для ветряков в составе систем автоном-
ного питания удаленных от сети централизованного энергоснабжения
фермерских хозяйств и поселков обычно предусматривают разделе-
ние потребителей на группы по требовательности к качеству электро-
питания. По крайней мере, в зимнее время скачки мощности всегда
пригодятся для отопления помещений.
Можно надеяться, что проблема запасания энергии впрок, актуаль-
ная для всех установок на возобновляемых источниках энергии, все-
таки обретет в недалеком будущем приемлемые по стоимости реше-
ния. Технологический прогресс в этой области налицо, включая бес-
численные варианты топливных элементов, тепловые аккумуляторы
для коттеджей, и даже механические маховики.
Например, вот этот проект (http://www.menibrana.ru/articlei/
tochnic/2006/08/ЗО/133800.html) составит неплохую компанию ветро*
Парку гирлянд для сглаживания кратковременных пульсаций.
Относительно простой способ накопления энергии в серьезных
Объемах, — гидроаккумулирующие электростанции. Однако, их соо-
ружение требует особых географических условий и значительных
еатрат.
Варианты применения гирлянд
В отличие от ветроколес гирлянды могут легко сочетаться с другими
сужениями, если соответствующая дополнительная ветронагрузка
цет заложена на стадии их проектирования. Ветрогенерирующа*
if! — звучит довольно заманчиво. Различные варианты такого «СИМ*
виоза» предлагает Билл Бекер ( www. energy2006, net/ presentation*/
Becker_3 A. pdf):
• подЛЭП;
♦ на опорах контактной сети железной дороги для энергоснабжения
станций, переездов, депо, с выдачей излишков в контактную ОТЫ
• между вантами и под полотном подвесного моста;
• горизонтальные гирлянды на несущем тросе в горных усдошсяь
под пролетами мостов;
• мобильный вариант с подъемом на воздушном шара от метео*
зонда.
1.9. Построение небольшого!
ветряного генератора
Выбор электромотора
Пусть стоит задача для использования в отдаленной от цивилиза-
ции местности установить ветряную турбину, которая давала бы хоть
немного электроэнергии, а позднее дополнить ее несколькими пане-
лями солнечных батарей. AlexAAN по заказу Радио Лоцман сделал
перевод интересной американской статьи на эту тему.
Реально можно установить не дорогую, покупную турбину, а само-
дельную, 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 мно-
жество 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 край-
ней мере, для первого раза. Остальные использовали моторы постоян-
ного 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. '
D Примечание.
Обращаю внимание, что укаеанные технические средства приме-
нимы для американскою 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, рав-
ных изготовителей и моделей, которые можно было бы использовать
качестве генераторов. Но, при выборе мотора помните, что двигатель
постоянного тока с постоянными магнитами может работать гене-
ратором, но его никогда не конструировали как генератор. Поэтому
генераторы из них неважные.
Некоторые моторы совсем не годятся. Используемые в качество
Генераторов, моторы, как правило, вынуждены вращаться со скоро-
стью намного большей, чем та, для которой их рассчитывали.
О Примечание.
Мотор, который необходимо выбрать, должен быть рассчитоН'^Ю
максимальное напряжение питания, максимальный ток, и
минимальную скорость вращения.
Рис. 1М. Внешней вид
моторе Ametek
Держитесь подальше от низковольтных или высоко оборотных
моторов. Вам необходим мотор, способный обеспечить 12 В'1|ри
невысокой скорости вращения, и отдавать достаточный ток. МШХО
ожидать, что мотор с номинальной скоростью вращения 325 об/ыМр X
номинальном питании 30 В, включенный генератором, сможет
батывать +12 В. *
С другой стороны, мотор с номинальной скоростью 7200 об/дош
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
126, 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 генерато-
рами. Но не зацикливайте», иа Ametek.
Моторы других брендов «омы (работают
нормально. > i нддоц * •. .
SB
ИСТОЧНИКИ ВМЧрГИИ
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 тру-
доемким.
Этап 1
Этап 2
ЭтапЗ
Этап 4
Этап 5
Рис. 1.26. Этапы
создания лопастей
Лопасти можно вырезать из секций ПВХ
трубы. Сначала вы должны решить для себя,
какого размера лопасти нужны. Затем можете
отправляться в магазин. Само собой разуме-
ется, вы должны купить отрезок трубы такой
же длины, какими будут лопасти.
D 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 соз-
дания лопастей представлены на рис. 1.26.
Первым делом надо разрезать трубу вдоль на
четыре одинаковых секции. Размечать цилин-
дрическую 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 окруж-
ности. Затем сложите лист бумаги пополам
1. Mcnanuynt ВМВСГИЮ I*P4
1ПГИЙ
I
И отметьте половину окружности Трубы. Наконец, сложите лист в
четыре раза. Таким методом вы сможете аккуратно провести прямые
дикии по всей длине трубы. А теперь берите пилу, и разрезайте трубу
ИЗ две половины. А теперь каждую половину еще раз пополам.
Обработайте четыре заготовки. Теперь, с каждой из четырех заго-
товок, мы должны проделать следующее:
• сделать прямоугольные вырезы длиной порядка 5 см у основа-
ния будущих лопастей. Прежде чем резать заготовки, надо щю-
• сверлить в углах отверстия, чтобы не нарушать структурЙ®
целостность материала. Вырезы следует делать аккуратно» <ftjr
раясь не задеть пилой просверленные отверстия; 1 **Л
♦ обрезать заготовки наискосок от конца к основанию.
\ Следуя общему рецепту (рис. 1.26), кое-
С можно сделать по-другому (рис. 1.27).
РПИТЬ трубу из ABS, а не ПВХ. Диаметр
убы взять 150 мм, вместо 100 мм. И уве-
ГЧИть длину лопастей с 50 см до 61 см.
гшэрезать трубу вдоль на четыре части.
Вырезать одну лопасть и дальше использо-
^дть ее как шаблон для вырезания осталь-
ных. В результате получаться три рабочие
Воласти и одну запасную.
J, Затем, используя шкурильную машину,
Снять с лопастей заусенцы и сгладить края,
•раясь придать им лучшую аэродина-
(ческую форму. Не знаю, насколько это
учшает их свойства, но уж точно, портит
ИС. 1.27, б).
дерут
б
Изготовление ступицы
Теперь надо сделать ступицу, чтобы привернуть к ней
Садить на вал мотора. Нужен зубчатый шкив, который бы 1
девался на вал. Если имеемый у вас вал имеет слишком
•метр, чтобы присоединить лопасти, то можно использ
шиевый диск диаметром 125 мм.
Привернуть к нему лопасти было возможно* но н
лгора нельзя. Соединяем
Сверля отверстия, стуча
лицу. Вот ветроколесо в cW
Рис. 1.27. Вариант методики
создания лопастей ’
етали вместе (рис, 1.28},
d и закручивая болты* депимЛ*
i присоединения ЛопастейИЛ.
во
Рис. 1.29. Ветроколесо в сборе, после присоединения лопастей к ступице
лице (рис. 1.29, а). А на рис. 1.29, б изображено ветроколесо с другой
стороны.
Можно закрыть ступицу обтекателем. С ним ветроколесо приобре-
тало 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.
Л/с. 1,10. Использование обт^катлля
♦1
Иаготовление флюгером |ММчатольная сборка
Теперь надо было собрать турбину. Считая, что все должно 6tm
Просто, насколько возможно, мотор был притянут двумя хомутамнД
Куску доски сечением 5x10 см. '
Из куска 100 мм ПВХ трубы был вырезан кожух, чтобы
Мотор от непогоды. Хвост, благодаря которому флюгер раэвбраЧД*
дался бы по ветру, можно вырезал их куска алюминиевого ДЙСМ»
Размеры указаны на рис. 1.31. Хотя вряд ли хоть один из НИХМСДЖ^
быть критичным. •' Т
36 см
Рис. 1.31. Внешний вид и габариты флюгера
Создание мачты и подшипника
Рис. 1.32. Основание флюнра
li Далее нужно сделать мачту и подшипник, который ПОЗВОЛЯЛ
флюгеру легко разворачиваться по ветру. Замечено, что стелмМВ
рруба диаметром Г’ с минимальным трением вращается внутри сталь-
МОЙ ЕМТ трубы 1%", используемой при прокладке электропроводки.
ЙЬгда в качестве мачты можно использовать длинную трубу 1И", а ив
концах водопроводные фитинги 1».
। К флюгеру (рис. 1.32), на рас-
стоянии 19 см от генератора,
Нужно привернуть стальной
Дюймовый фланец и ввернуть в
Даго кусок трубы длиной 25 см.
Этот кусок, вставленный в мачту,
МОГ бы вращаться в ней не хуже,
ММ в подшипнике. Провода от
Мотора следует пропустить бы в
Мачту через отверстие, просвер-
ленное в доске флюгера.
Рис. 1.33. Конструкция основания мачты
Рис. 1.34. Флюгер и основание вместе
Рис. 1.35. Сборка генератора закончена
Основание^ мачты (рис. 1.33)
диаметром 60 см можно вырезать.
из фанеры. Затем следует сделать
U-образную конструкцию из
водопроводных фитингов, вста-
вив тройник посередине. Тройник
свободно вращается, что впослед-*
ствии позволит опускать мачту.
После этого, через переходник о
1V4" на 1", нужно привернуть отре-
зок трубы длиной 30 см. i
Между переходником и тройни-
ком желательно вставить еще один 1"
тройник, через отверстие которого
можно было бы выпустить идущие
от флюгера провода. Рекомендуется*
просверлить отверстия в деревян-
ном круге, чтобы иметь возмож-
ность закреплять основание на земле
с помощью шпилек.
На рис. 1.34 флюгер и осно-
вание 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 соби-
рался в Аризоне.
Затем все деревянные детали
желательно покрасить в два слоя,'»
например, белой латексной кра- ;
ской. Последний снимок (рис. 1.35)
сделан после того, как ветроко-
лесо было присоединено к мотору.•
Сборка генератора закончена. ।
Контроллер мряда — поиск решения
Теперь, когда все части генератора были готовы, пришло время
Кумать об электронной части проекта. Ветроэлектростанция
окна состоять из:
• на ветрогенератора;
• одной или нескольких аккумуляторных батарей, для сохранения
енергии, получаемой от генератора;
• блокировочного диода, который не позволяет генератору рас-
кручиваться 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
1троллеров. Почти все можно купить на Ebay. Но автор решил
дать собственный, и опять полез в Google. Информации нашлось
включая полные принципиальные схемы контроллеров заряда,
основу своей схемы была взята эта:
http://www.fieldlines.eom/story/2004/9/20/0406/27488
.На этом англоязычном сайте все описано в мельчайших подробно-
I, поэтому затрону описание контроллера в довольно общих выра-
иях. Независимо от того, покупная у вас турбина, или самодель-
, контролер для нее нужен всегда. Основное назначение контрол-
ft состоит в том, чтобы отслеживать напряжение на аккумуляторах
турбины
•иергию
направлять:
• либо в аккумуляторы;
♦ либо, если аккумуляторы полностью зарядились, в дополнитель-
J

ную нагрузку.
Схема и пояснения из приве-
ииой выше ссылки хорошо объ-
ияют принцип его работы.
На рис. 1.36 представлено фото
итроллера в сборе.
Для начала все детали можно
1ИВернуть к листу фанеры. Со
1Менем желательно смонти-
ровать их в водонепроницаемом
•орлусе.
I. Небольшая макетная плата до
Центру в нижней части фотогра-
Рис. 1.36. Внешний вид контроллера1
фии, с микросхемами и другими деталями, — собственно, и есть кон-
троллер. На серебристом уголке под макетной платой установлены две
кнопки, с помощью которых можно вручную переключать ток генера-
тора 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 глав-
ный 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 внеш-
ние 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 под-
ключает генератор к аккумулятору, и последний начинает заряжаться
(рис. 1.37).
Если напряжение аккумулятора достигает 14 В, контроллер под-
ключает к нему дополнительную нагрузку. Оба пороговых напря-
жения, 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, контрол-
лер может переключать систему между зарядом и отдачей тока в
нагрузку.
В Примечание.
Пара кнопок позволяет делать emu переключения в любое время,
независимо от контроллера. Очень удобно при наладке устрой-
ства.
Желтый светодиод зажигается во время зарядки аккумулятора.
Когда аккумулятор заряжен, и избыточная мощность отводится в
дополнительную нагрузку, загорается зеленый светодиод. Таким обра-
зом, имеется минимальная обратная связь, позволяющая понять, что
Происходит в системе. Кроме того, с помощью мультиметра можно
Намерять 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 аккуму-
лятора, и настроить контроллер. Устанавливая напряжение 11,9 В, а
Ввтем 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 гене-
ратор подключить первым, волны напряжения не будут сглажи-
ваться аккумулятором, контроллер будет работать неправильно,
реле хаотически переключаться, а броски напряжения, в конце кон-
цов, приведут к выходу из строя микросхем.
Короче, всегда подключайте аккумуляторную батарею первой, а
ветрогенератор вслед за ней. И наоборот, разбирая, систему, убеди-
тесь, 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.
u
источники шаргим
«+» аккумуляторной
батареи
«+»дополнительной __
нагрузки
«-»аккумуляторной
батареи0-
«-» дополнительной
нагрузки1
100к
D1...D3
К—С+
|<3 Q+ Входы
_ подключения
и+ ветряных
„ турбин и
солнечных
батарей
Замечание: СЗс и lC3d не используются.
Заземлите их входы, а выходы оставьте свободными.
IC1 - LM7808 стабилизатор напряжения +В В
IC2 - LM1458 сдвоенный операционный усилитель
IC3 - CD4001 4 логических элемента «2И-НЕ*
Q1- IRF54O 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 Ав 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 трехме-
тровый кусок водопроводной трубы диаметром 1% дюйма. Дальше
сборка происходила быстро. Вбив в землю четыре больших деревян-
ных кола» следует привязать к ним нейлоновые растяжки (рис. 1.38).
Талрепы на нижних концах растяжек должны позволять без труда
выровнять мачту по вертикали. Со временем нейлоновые растяжки
Рис. 1.38.
ут быть заменены тросами, а деревянные колья стальными. Но и
ВВЙчас все работало прекрасно.
к. А на этой фотографии (рис. 1.39) с близкого расстояния показано»
закрепить растяжки в верхней части мачты.
* На фотографии (рис. 1.40) видно установленное на землю осно-
вание мачты, и провод, выходящий через тройник в нижней части
Трубы. Для подключения генератора к контроллеру можно испольэо-
Мть старый сетевой удлинитель со сломанной розеткой, обкусив его
Лк. Lift Крепление растяжек в верхней'
части мачты чм *
Рис. 1.40. Основание мачты
68
Альтернвтивные источники >н»ргии
Рис. 1.41. Турбина, установленная
на конце мачты
Рис. 1.42, Подул ветер, и турбина
закрутилась
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 сталь-
ная поволока.
На этой фотографии (рис. 1.41) показана турбина, установленная
на конце мачты. Следует нанести смазку на трубу в нижней части флю-
гера и вставить ее в верхнюю часть водопроводной трубы. Получился
прекрасный подшипник.
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.
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, i
Прим, редактора) и мультиметр для наблюдения за напряжением *
аккумулятора и турбины. ।
К инвертору подключены электробритва и зарядное устройство 1
для аккумуляторов. Позднее с помощью сетевого удлинителя автор!
провел электричество прямо в свою палатку. 1
На рис. 1.43 электроника видна крупным планом. Мультиметр
показывает, что турбина вырабатывает напряжение 13,32 В. А электро- <
бритва и зарядное устройство через инвертор нагружают систему.
1.43. Электроника ветрогенератора и
нагрузки крупным планом
Рис. 1.44. Напряжение нагруженной
турбины от скорости ветра
зависит мало
к А на рис. 1.44 мультиметр показывает, что турбина вырабатывает
напряжение 13,49 В. Следует отметить, что напряжение нагружен-
[*0й турбины от скорости ветра зависит мало. Как только начинает
Гу'ть ветер, турбина разворачивается к нему и начинает вращаться.
Курбина раскручивается все быстрее и быстрее, до тех пор, пока ее
[ Выходное напряжение не превысит сумму напряжения на аккумуяя-
[Торе и падения на диоде (это что-то около 13,2 В, в зависимости ОТ
1|тепени заряда аккумулятора).
, Как только напряжение превышается, турбина сразу получает
Мсагрузку из-за подключения аккумулятора. Теперь, чем сильнее дует
I Ветер, тем большим током заряжается аккумулятор, а скорость враще-
ния турбины от скорости ветра почти не зависит. Система прекрасно
> Оаморегулируется.
К Конечно, как поведет себя турбина при шторме, сказать сложно.
Но очевидно, что балластная нагрузка, подключаемая контроллером
*R турбине, очень эффективно выполняет функцию тормоза, даже При
‘Сильных порывах ветра. А замыкание турбины накоротко тормоехт
иве 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 турйнга соизмеримой мощности, промыш-
ленные контроллер и мачте<ЙМЯЙОЬ бы $750—$ 1000.
70 источники энергии
।
Дальнейшие пути по усовершенствованию этой системы:
♦ смонтировать электронику в водонепроницаемом корпусе. ;
♦ подключить приборы для контроля напряжения батарей и ток
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 Topi
можения турбины при сильном ветре. ;
♦ сделать для мачты бетонный фундамент
♦ увеличить высоту мачты и заменить нейлоновые растяжк»
стальными тросами. •
О чем спрашивают автора на сайте 5
Сайт автора этой ветроэлектростанции стал очень популярным
Ответы на наиболее часто задаваемые вопросы он размещает ш
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? 1
Ответ:
Этот вопрос мне задают чаще всего. Отвечаю лаконично: ничего hq
делаю. Ничего страшного с кабелем не происходит. Ветер разворачи-
вает турбину то в одну сторону, то в другую, и никаких тенденций к
закручиванию кабеля не наблюдается. В конце концов, если потребу-
ется, совсем несложно отключить кабель внизу и раскрутить его вруч»-
ную. Впрочем, у меня есть идея, как легко сделать кольцевой токосъ-
емник, 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, кото-
рая снабжала бы электричеством весь мой дом (ферму), чтобы я мог
уйти из-под опеки энергетической компании?
IM I. Исполиум энергию MTpt
о*и«ргии
71
Ответ:
Короткий ответ: нет. И не только потому, что у меня мало свободного
времени, а прежде всего, потому, что моя система никогда не конструиро-
валась для электроснабжения целого дома или фермы. Она хороша там,
Где в условиях полного отсутствия электрических сетей вам надо полу-
чить несколько сотен ватт мощности. Я работаю над созданием новых
турбин, и даже солнечных батарей, чтобы увеличить производство элек-
троэнергии. 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
(Прятан в водонепроницаемый контейнер и оснащен автомобиль-
ными приборами для контроля тока и напряжения. У меня есть все,
ЧТО нужно для этого, не хватает только времени. Кроме того, я кон-
струирую турбину, которая автоматически отворачивалась бы ОТ
Слишком сильного ветра, чтобы не допустить ее разрушения. Я начал,
Также, работу по созданию солнечных батарей из дешевых фоточув-
)<твительных панелей и легкодоступных материалов.
, 1.10. Походная ветроэлектростанция
н Создание лопастей
Походная ветроэлектростанция проста в изготовлении, не тра-
бу.т особых материалов. Методика создания представлена на httpi//
Www.free8eller.ru/. Электрическим генератором служит велосипедная
демдамка», вал которой вращается с помощью пропеллера.
,(-1 Лопасти пропеллера выревеятся из фанеры толщиной 3 мм и кре-
пятся винтами М4 к втулке, выстроганной из деревянного бруска.
источники >н«ргм
Рис. 1.45. Походная ветроэлектростанция
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 ветроэлектро-
станции показаны на рис. 1.45.
Изготовление штанги
Штанга изготовлена из деревянной рейки. На переднем конце ее
сделана выемка и просверлено отверстие для крепления генератора.
емка усилена металлической накладкой, прибиваемой к штанге. На
щем конце штанги двумя шурупами закреплен хвостовик, вырезан-
ft из фанеры толщиной 3 мм.
Штанга надета на полую ось-трубку, для чего в штанге просверлено
верстие по диаметру трубки. Сверху и снизу прибиты накладки из
рсти. Штанга закреплена на оси с помощью кольца, изготовленного
отрезка резиновой трубки. Надетая на трубку, штанга должна легко
•ворачиваться при изменении направления ветра.
Электрооборудова н ие
Зарядное устройство собрано на плате, которая помещается в
робку. Эта коробка сколочена из двух дощечек и трех фанерок,
жерная крышка коробки привинчена шурупами.
Все деревянные детали ветроэлектростанции следует дважды
красить масляной краской или нитрокраской для защиты от влаги.
Генератор походной ветроэлектростанции работает на зарядку
кумуляторной батареи. Переменный ток, вырабатываемый «динам-
ft», выпрямляется с помощью моста из четырех диодов с током не
енее 100 мА. Выпрямленный ток поступает на зарядку трех акку-
уляторных элементов типа Д-0,26, которые собираются в батарею
вставляются между зажимами, изготовленными из латуни или
Жести.
Параллельно выпрямителю надо подсоединить электролитический
Конденсатор емкостью 50—100 мкФ. Он сгладит пульсацию. Для изме-
рения напряжения следует приобрести вольтметр на 10 В.
Время зарядки аккумуляторов зависит от величины напряже-
ния, которое дает «динамка» или вернее — от силы ветра. Чем силь-
нее ветер, тем быстрее произойдет зарядка. Обычно она занимает
несколько часов.
Провода, идущие от генератора, сначала подсоединены к винтам
Клеммника, выполненного из изоляционного материала. Далее про-
вода пропущены через трубку и затем подсоединены к другому клемм-
нику 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.
ИСТОЧНИКИ »H«pl
Использование ветрогенератора для освещения 5
Чтобы использовать походную ветроэлектростанцию для освеще-1
ния, придумано специальное устройство. Оно состоит из корпуса от!
электрического фонарика, в который вместо батареек вставлен дере-|
вянный вкладыш. Один провод идет от лампочки через отверстие
крышке корпуса, второй крепится к корпусу снаружи. Оба проводая
подключаются к зарядному устройству. I
Походная ветроэлектростанция компактна и весит около 1,5 кг#1
быстро разбирается: отвинчивается пропеллер, снимается лопасть, 1
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. i
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 поло- .
винки полого цилиндра, которые после его разрезки раздвигались в
стороны от общей оси. Образовавшееся тело обладает ярко выражен-
ной аэродинамической несимметричностью. Набегающий поперек его
оси поток воздуха как бы соскальзывает с выпуклой стороны одного
полуцилиндра. Зато другой стороне, обращенной к ветру своеобраз-
ным 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 изготовле-
нии большой точности и дает широкий выбор применяемых материа-
лов. Во-вторых, она компактна.
Рис. 1.46. Конструкция ветроэлектростанции
Лл« Н |П|«Н I Ын >• 11< ЦХ1НИКИ «1|1|>1ИИ
D Примечание.
Мощность генератора, приводимого в действие (арибаном диа
метром 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, мож-
но обойтись либо совсем без редуктора, либо использовать про-
стейший одноступенчатый);
♦ отсутствие щеточного токосъемного механизма.
Конструкция ветроэлектростанции представлена на рис. 1.46.
Как изготовить барабан
Лопасти можно сделать из фанеры, кровельного железа, дюралю-
миниевого листа или листового пластика подходящих размеров.
S Совет.
В любом варианте старайтесь избегать применения излишне тол-
стых заготовок—ротор должен быть легким. Это уменьшит тре-
ние в подшипниках, а значит, барабан будет легче раскручиваться
ветром.
Если вы воспользуетесь кровельным железом, вертикальные края
лопастей усильте, подложив под отбортовку металлический пру-
ток диаметром 5—6 мм. Если вы решили сделать детали вертушки
из фанеры (ее толщина должна быть 5—6 мм), не забудьте пропи-
тать 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 двухме-
трового отрезка стальной трубы с внешним диаметром около 30 мм.
YfUtat I И 1|<1|)|И|и <•! IM ДНИ t'l )' •' hi-----------------
lli-ред гем как подбирать мкнош для оси, найдите два пырнко
н« инипника, желательно новые. Согласован размеры трупы и под
шинников, вы избавите себя oi лишней работы ио иодюнкс |руоы
। пн i ренним обоймам подшипников. Стальные крестовины р< гора
припариваются к оси, деревянные крепятся Эпоксидным клеем и
1,1 и.ными штифтами диаметром 5—6 мм, проходящими одновр*
*н пно через каждую крестовину и трубу. Лопасти смонтируйте и 1
it<> н ж М12.
И Примечание.
Внимательно проверьте расстояния от лопастей до оси: они
должны быть одинаковыми и составлять 140—150 мм.
( оправ барабан, снова покройте стыки деталей густой масляной
। р.п кой. Главный элемент установки готов.
Как изготовить станину
I можно сварить или склепать ее из металлического уголка
(юдится и деревянный вариант). На готовую станину установи к-
Н1.|р11КОНОДП1ИПНИКИ.
Примечание.
Проследите, чтобы не было перекоса, иначе ротор не сможет к ч<о
вращаться.
Ik с детали установки дважды покройте масляной краской, на пи к
ш м конце оси закрепите набор шкивов различного диаметра
Перекинутый через шкив вертушки ремень соедините с генерл
юром электрического тока, например, автомобильным (как варили i,
Микко попробовать применить электродвигатель стеклоочш гигелм)
11см, цнмпный образец ветроэлектростанции при скорости ветра К) мА
। м< । кет обеспечить мощность, передаваемую на генератор, равную 800 Bi
Использование аккумулятора
Ну а гчли стоит безветренная погода или ветер слишком uia<>.
iinbi.i давать необходимую электро шергию? Перебоев в вырлпотке

78
источники iwprwif
электричества не будет, если воспользоваться накопителем энергии —
аккумулятором. Ветер есть — пускайте электричество напрямую ю
потребителю, ветра нет — включайте заряженные от ветроэлектро-!
станции аккумуляторы. i
Возможен вариант накопления электроэнергии и получения переч
менного напряжения 220 В. Для этого можно использовать электрон*!
ную «начинку» от компьютерного источника бесперебойного пита-4
ния (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/niakechispito.html). Большинство инстру-
ментов могут оказаться в вашей мастерской или легко куплены.
Система использует мотор постоянного тока с напряжением 260 В
и с током 5 А.
Рис. 1.47. Лопасти и хвостовик
(риалы: квадратная трубка толщиной 25 мм и длиной 90 см|
5 см; ниппель (патрубок) 5x15 см; 3 фиксирующих винта дли-
10 мм.
К мотора: собственно мотор 260 В 5 А; блокирующие диоды на
Ю А; два болта для мотора на 9 мм; полихлорвиниловую трубку
ММ.
щ хвостовика: примерно 30x30 см легкого материала; 2 винта ПО
1Я лопастей: полихлорвиниловая трубка длиной 600 мм диаме-
200 мм; 6 болтов 7 мм диаметром; 9 шайб по 7 мм.
ртеж лопастей и хвостовика показан на рис. 1.47.
Вырезание лопастей
Воаьмите полихлорвиниловую трубку длиной 60 см и диаметром
I, С помощью транспортира разметьте углы: 100°, 100°, 100° и 60*
L48). Напротив каждой отметки прочертите на трубе верти-
<ую линию. Распилите лобзиком трубу по вертикальным линиям,
к по 100° получатся шириной примерно по 174 мм. Кусок 60° оста-
лишним.
Нанесите на каждом куске метку на расстоянии от края 29 мм, а ОТ
ртого края (на противоположной стороне) на расстоянии 145 мм (>
4Ме 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
Рис, 1.49. Ралметка лопастей
Получили 6 фрагмент
лопастей. Далее кажд!
фрагмент нужно зачисти
для получения желаем!
формы. Лопасти стык'
ются между собой, обр
зуя переднюю и задню
стенки, соответствен^
ведущий край и отстаю! щ
край. Ведущий край нужг
закруглить, а отстающий край — заточить. Размещение краев и стене
показано на рис. 1.50.
Фрагменты лопастей скрепляются винтами. Лопасти в сборе npj
винчиваются к втулке каждая 2 винтами. Полная комплектаци
ветроэлектростанции показана на рис. 1.51.
Рис. 1.51. Комплектация ветроэлектростанции
13. Выбираем ветрогенератор промышленного
производства
• так просто, как кажется, выбрать ветрогенератор, отвечающий
требованиям. Поддавшись рекламе продавцов, потратив деньги
ем я на установку ветрогенератора, в скором времени большим*
। потребителей убеждаются, что он может быть в лучшем случае
ушкой (отмечается на http://eko-save.ru/a-energy/165).
Каждый продавец утверждает, что его ветрогенераторы самые луч-
«, и приводит массу доводов в пользу этого утверждения. Для при-
возьмем ВЭУ-2000, который позиционируется на российском
нке как самая лучшая модель ветрогенератора. Так ли это на самом
ie?
Производители заявляют, что он изготавливается на основе высо-
х технологий обороной промышленности и содержит набор ори-
нальных технических решений. Они обеспечили ему значительней
рыв от конкурентов. Производители утверждают, что это униквДь-
я машина, аналогов которой в мире сегодня нет.
Достоинств много. Этот ветрогенератор практически не шумит»
ительное время не требует технического обслуживания. Срок экс-
плуатации рассчитан на десять лет. Специальная металлокерами-
ческая пленка покрывает трущиеся поверхности, снижая трение ДО
Чрезвычайно малых значений. Точно так же обрабатываются подшип-
ники установки.
Мощность ветряка в 2000 Вт производители считают вполне доста-
точной. Они говорят, что если применить энергосберегающие лам-
почки и прочее современное домашнее электрооборудование энер-
госберегающего 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»
вдесь мягко выражаясь, сильно преувеличено.
D Примечание.
Для ветряков, расположенных на территории России, самый ММГ*
ный показатель—это способность выдавать номинальную МЭЙ*
ность на малых ветрах, Россия не славится сильными ветрами, и
ветер у нас редко npHvyfflfJ метров в секунду. Поэтому следует
выбирать ветряк, способный выдавать номинальную
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 проценте
от своей мощности, что его практически ни на что не хватит. Вывод
однозначный — это далеко не лучший ветрогенератор для молове^
трянных 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 произ*»
водственных площадях ДП Верано в Одесской области. Он еще назы*
вается ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРО-ГЕНЕРАТОР памяти АДАМСА;
Его конструкция представлена на рис. 1,52.
D Примечание.
ЩРПМ — DPV (G)200-2.0является на сегодняшний день максимально
эффективным.
Кроме бесшумности, он отвечает главному требованию — выраба-
тывает номинальную мощность уже при ветре 3 м/с, начинает вра-
щение при ветре 0,17—0,5 м/с. Этот ветрогенератор вертикального
Кожух —
Ускоритель
Стойка
ускорителя
Аккумуляторная
батарея
Промежуточная
опора
Ротор Постоянный
генератора магнит
Основная
опора
Фиксатор
Ж
Ось вращения
Основание
модуля
Хвостовик
статора
генератора
Стакан
посадочный
Рис. 1.52. Конструктивно-силовая схема расположения
и фиксации модулей генератора Адамса
Блок
конденсаторов

волнения, ему неважно напрамеиме ветра, не требуется поворот-
he устройство. Он безредукторного типа, снабжен всего одним onop-
Bt подшипником с 500-разовым запасом прочности производства
рокии.
в Вращение ротора основано на магнитной левитации, практически
Н трения, поэтому он считается необслуживаемым: гарантия 5 лет,
И* службы 25 лет. Один раз установите, и вам не потребуется к нему
НДходить годами.
D Примечание.
Немаловажное достоинство этих ветрогенераторое в том, что
они выпускаются на любую мощность: от 500 Вт до 20 кВт.
Поэтому такой ветрогенератор (соответствующей мощности) можно
^ГВНовить на стену, рядом с окном вашей квартиры в многоэтажном
|Ме, на балконе, на крыше или на мачте рядом с домом. Так как он нив-
^оборотный, то не представляет опасности для пчел и птиц.
lHo цена его очень высока: модель на 5 кВт стоит 500 тысяч рублей,
ВаЮ кВт переваливает за миллион.
г. Как выход из этого положения — ветрогенератор парусного типа!
hl отвечает всем российским требованиям: низкооборотный, бес-
шумный, выдает номинальную мощность при ветре 4—5 м/с. Модель
Мотор -редуктором на 4 кВт стоит 80 тыс. руб. Серийно в России эти
|Трогенераторы никто не выпускает, но делают под заказ, на любую
Вщность.
11
। Примечание.
it Конструктивно этот ветрогенератор не очень сложен: если при»
।. обрести мотор-редуктор, который используется в качестве гене*
ратора, то остальное можно изготовить или собрать из готовых
деталей от другой техники, самостоятельно, значительно удвше»
вив эт им общую стоимость.
* В настоящее время существует еще более совершенная модель
ВТрогенератора парусного типа — безредукторная. Она проще И
Вшевле, в ней нет не только редуктора, но и мотора. Изготовители
Гверждают, что эту модель можно собрать «на коленке». Роторные
Кушки, расположенные на ветроколесе, наматываются обычным
иетительным, алюминиевым проводом, в изоляции. Статорные
катушки, расположенные на поворотном устрот те, наматыв.иок • I
также осветительным проводом (
Они продают готовые ветрогенераторы такого типа на 10 и 30 к Hi
или документацию для самостоятельного изготовления. Беда в ю. ।
что у российских предпринимателей волчий аппетит! Для того что<н ।
изготовить такой ветрогенератор самостоятельно, нужно знать р.» i
меры ветроколеса и данные катушек: диаметр провода, число виткои
Все это может разместиться на половине страницы, а предпринимл
тели требуют за это 10—20 тыс. руб.!
1.14. Ветроэлектростанции промышленного
изготовления
Ветроэлектростанция WE1500 на 1,5 кВт
Ветроэлектростанция — устройство позволяющее преобрази
вывать чистую, природную энергию ветра в электричество, широко
используемое человеком в своей повседневной жизни. Установка
WE1500 представляет собой высокоэффективную, бесшумную, самой
риентирующуюся 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 повышаю
щего 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 бес-
шумной.
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;
• количсс i во/ioii.il геи, hi i ук . .........................3;
• i гартовая скорость вс i pa, мА.............................2;
• поминальная скоро», гь вс гра, м/с.........................10;
• ориентация но ветру...............................есть;
» ьнцита от ураганных ветров........................есть;
• тормоз ротора....................................есть;
• шкаф управления микропроцессорный Control Box....СВ10;
♦ высота мачты не менее, м.......................... 12;
• напряжение аккумулятора, В........................240;
• максимальный ток заряда, А..........................10;
♦ минимальные аккумуляторы..............20 штукх12 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 усло-
вий), 1 шт.;
♦ шкаф управления, WE-CB10 для WE1500 с зарядным устрой-
ством от ВЭС 10 А и зарядным устройством от солнечной элек-
тростанции (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 псевдо-
синусоидальный инвертор-UPS, мощность 5 кВА (3,5 кВт), 1 шт.
11а рис. 1.53 показана система с использованием WE1500.
Ветроэлектростанция WE3000 на 3 кВт
WE3000 является ВЭС второй величины с позаимствованными эле-
ментами самого лучшего у WE1500. Но, в то же время, WE3000 явля-
г 1 я принципиально новой машиной с большим диаметром турбины,
иной конструкцией лопастей и мощным генератором очень надежной
। инструкции.
Установка WE3000 представляет собой высокоэффективную, бес-
шумную, самоориентирующуюся систему способную работать в
.н геномном рс киме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с. При
Ml 1.1ГрНЛ’НГч1 14 IllnH V И‘. ИН
Рис. 1.53. Система с использованием WE1500
ветре 10 м/с WE3000 может производить электроэнергию мощностью
более 3 кВт.
Использование генератора без повышающего редуктора (мульти-
пликатора) 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;
••I Hl H< Mil. »yrM ||U’|»I ИМ ДЛН IM I|i..llll, ► *1 ».l»r>ip М1<|>1ИИ
7
• Miiiu ны<1/п>11ын гокзаряда Л ......................
• минимальные аккумуляторы ....ЗОштукх! В ’<» Лч,
’ гон* |рукция мачты...............................сборная,
• м.ч a WE3000, кг....................................... 1 .1,
• уровень шума (на расстоянии 10 м), дБ, не более........ I ,
Ветроэлектростанция WE8000 на 8 кВт
\\ I НОВО является ВЭС третьей величины и имеет принципиально!
и >i и. hoik груктивное исполнение не похожее на предыдущие модели
v I I MN) WE5000. Помимо электродинамического тормоза, харак
..........о дл । менее мощных ВЭС, WE8000 оснащена дополни тельной
и н’мои гидравлического тормоза главного вала, приводящегося в
.....me при шквальных ветрах в качестве дублирующей системы
• H.iiac пости и аварийной остановки турбины.
V » глповка WE8000 представляет собой высокоэффективную, (нч
ы у мп ю, с амоориентирующуюся систему способную работа 1 ь в а в го
iiiimiiiim режиме при минимальных скоростях ветра от 2 м/с.
При in ipe 10 м/с WE8000 может производить электро Hieprnio
। пин'! нао более 8 кВт.
И< пользование генератора без повышающего редуктора (мулып
Н ни пора) позволяет во много раз увеличить срок необслуживаемон»
полыования, и позволяет в течение срока службы эксплуатирован.
\\ I Н000, пс прибегая к плановой замене деталей или узлов.
Харак герметики электростанции WE8000:
• номинальная мощность генератора, кВт..................8
• мам имальная мощность генератора, кВт............ 13,’»
• макс нмальпыс обороты ротора, об/мин...............1‘И)
• выходное напряжение, переменное................трехфа ию<
• макс пых. напряжение в цепи АКБ, VDC..................'8 »
• ч и го га, Гц....................................... 0—3 »
• цпамс । р ротора, м.................................6,8
• количество лопастей, штук............................ I
• < i.ipi овал скорость ветра, м/с..................... ’
• поминальная скорость ветра, м/с..................... 10
• ориентация но ветру............................. с> н»
• Lunina ог ураганных ветров ........................есп.
• । < 1рмо । ро j ора................................<ч । ь
вв
Ain.pjin mi<tui>i« mid'iHinn >||< |>1ии
♦ 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 неболь-
шого по размерам или среднего дома. А для использования в загород-
ном 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 дл и
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 Ач, шт.;.........10
♦ напряжение после инвертора.....................220 В 50 Гц;
♦ количество лопастей, шт..............................3,
♦ диаметр ротора, м ............................. .... 3,2;
♦ материал лопастей ветроэлектростанции ... FRP (композитныи
материал — фибергласс);
♦ тип ветроэлектростанции....PMG (на постоянных магнитах',
♦ защита от ураганного ветра......AutoFurl (автоматическая);
illtll И< IHIIII-iy* M Utt pl ИК> IM l|> I ДНИ |ll,l| 1 >»И |Л*1ф'1 ЦНИИ
* высот мачты ветро >лек i poi 1 нщии, м................ ;
• коп । роллер заряда......... . .....AIC (авюмаi иче<кии);
♦ рабочая температура.......................от-40 до 160 ’('
На рис. 1.54 показана зависимость мощности электростанции <н
п.лы ветра.
Рис. 1.54. Зависимость мощности электростанции от силы ветра
В комплект ветроэлектростанции EuroWind 2 входит: гурбипя
* । роэлектростанции; хвост ветроэлектростанции; лопасти ветро >
к । । ростанции; крепления ветроэлектростанции; тросы мач гы; ново
....пай механизм; контроллер заряда
Ветроэлектростанция EuroWind 10
11кую всгроэлектростанцию можно с уверенностью назвать мини
мп к гростанцией благодаря тому количеству электроэнергии, которое
। >м ,1 вырабатывает. Этой энергии достаточно для обслуживания боль
..ч домов или нескольких поменьше. Ее используют как для ( ыго
вых, гак и коммерческих, промышленных целей: снабжение диск
1рпч< 1вом магазинов, небольших отелей, ресторанов, произволе гв
и .1 1ыч и средних размеров.
В< । ро шсктростанция Euro Wind 10 — самая популярная модель
i. । ро »Л( к । ростанции в нашей стране. Она полностью заменяет оощг
। ।венную электросеть
Хар »кгерметики электростанции EuroWind 10'
• upon 1ВОДИ тел ьностьгенера гора, Вт..........900 11000,
• п.рилы|Д'1 скорость ветра, мА .........................
90
Альтернативные источники эти |,|41
♦ номинальная скорость ветра, м/с..................... М>
♦ полная масса ветроэлектростанции, кг...............I li
♦ цена ветроэлектростанции, USD..................120<»<».
♦ месячная выработка энергии (при ср. скор, ветра 6 м/с), кВт . .22<М1
♦ производительность генератора, Вт............ 900—130<><>
♦ напряжение ветроэлектростанции, В...................К»,
♦ максимальная сила тока, А.........................51,4/
♦ рекомендуемые аккумуляторы 12 В 200 Ач............20 ш ।
♦ напряжение после инвертора................220/380 В 50 I и
♦ количество лопастей................................3 ни
♦ диаметр ротора ветроэлектростанции, м.................
♦ материал лопастей... .FRP (композитный материал — фиберглас*. |
♦ тип ветроэлектростанции....PMG (на постоянных магни так!
♦ защита от ураганного ветра......AutoFurl (автоматическая)
♦ высота мачты ветроэлектростанции, м..................IL
♦ контроллер заряда...................AIC (автоматический)
♦ рабочая температура..................... .от -40 до +60' i
На рис. 1.55 показан график мощности ветроэлектростанции I
зависимости от силы ветра.
В комплект ветроэлектростанции EuroWind 10 входит: турбин*
ветроэлектростанции; лопасти ветроэлектростанции; креплени i
ветроэлектростанции; тросы мачты; поворотный механизм; контре»/)
лер заряда; анемоскоп и датчик ветра.
Рис. 1.55. График мощности ветроэлектростанции в зависимости от силы ветра
fetM.i ] И.» Д1Ш >4(«>1КИ I 1il| ‘I HH-pi ИИ 91
Ветроэлектрос танции производства компании
«Винд Электрик Ост»
Автономная ветроэлектростанция (далее ВЭС) предназначена для
и- пользования в качестве автономного источника энергии и может
С |ботать для питания электроприборов мощностью от 5,5 до 30 кВт.
Илнная ВЭС служит для преобразования кинетической энергии
। рового потока в трехфазную электрическую энергию напряжением
ПО В, частотой 50 Гц (http://www.windelectricost.ru/production.php.).
Ветроколесо состоит из восьми или двенадцати стеклопластиковых
♦(••пастей (стеклоткань Т-13 со связующей полиэфирной смолой типа
VIно), закрепленных на ступице. Ступица, в свою очередь, закреплена
» । ванному валу, при скорости от 3 м/с начинает превращать посту-
•• цельное движение ветрового потока во вращательное движение
м ниюго вала ветроэлектростанции. Главный вал ВЭС, в свою оче-
Идь, эластично соединен с валом руктора, выходной вал которого
-редуктора) соединен с валом тихоходного магнитоэлектрического
Н ператора. Этот генератор вырабатывает трехфазный переменный
||>к частотой 50 Гц, напряжением 370—400 В.
1лавный вал, редуктор и генератор расположены в поворотной
• ••идоле, которая имеет возможность поворота относительно башни
bi'Pyr вертикальной оси. В опорно-поворотном узле расположена
р»/1ьцевая электрическая контактная система, через которую вырабо-
|<п1иая генератором электроэнергия из поворотной гондолы переда-
но! по кабелю.
В дальнейшем электроэнергия по кабелю передается в энергоблок
0 ыбилизатор напряжения), который осуществляет стабилизацию
н - пряжения, выработанного ВЭС в трехфазную с частотой 50 Гц и
пп|ряжением 380 В. Данная энергия может быть использована для
•-к । ания различных бытовых электроприборов.
Автономная ВЭС может применяться для энергообеспечения
индивидуальных домов, дачных домиком, зимовий, небольших про-
и тодств и других небольших потребителей, нуждающихся в автоном-
ны ч источниках электроэнергии, а также на территориях, куда ввоз
••р( аничсского топлива затруднен или дорог.
• )сновныс* технические характеристики ВЭС:
♦ рекомендуемый диапазон среднегодовой
скор-•< ги ветра, м/с.................................3—8;
• установленная мощность, кВт .. ..................5,5—30;
• выходное наприжение, В ..................380;
Aril l*|ni(b Uilli l> Ml 1ПЧНИКИ
♦ количество фаз........................................ <
♦ частота, Гц ..........................................>0
♦ диаметр ветротурбины, м..............................4 I
♦ количество лопастей................................8—1г»
♦ скорость вращения ветротурбины, об/мин.............30 ±]0
♦ минимальная рабочая скорость ветра, м/с................1
♦ расчетная скорость ветра, м/с .....................3,5—Я
♦ максимальная рабочая скорость ветра, м/с..............30
♦ штормовая скорость ветра, м/с.........................60
♦ высота мачты, м...............................12 — 18—24;
♦ срок службы, лет....................................2(1,
♦ интервал рабочих температур, °C.................-50...+50.
♦ масса ВЭС с мачтой, кг....................... 1420—2460,
♦ ток на выходе генератора, А.......................18—6*1
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 зависимо
сти от требуемой высбты мачты (12 или 18 м) и «нулевой» секции,
заливаемой в фундамент. Мачта устанавливается на бетонном фуи
даменте 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 глубинок
залегания 2 м от поверхности земли.
Опорно-поворотный узел выполнен в виде полой оси из ст.45, двум
радиально упорных подшипников и внешней обечайки, имеющей воз
можность свободно вращаться вокруг оси. Ось со своим фланцем крс
пится к мачте, а к внешней обечайке крепится гондола ВЭС. За счс»
поворота опорно-поворотного узла ветроколесо всегда устанавливает < я
со своей плоскостью вращения перпендикулярно к ветровому потоку,
что обеспечивает максимальную эффективность ветроколеса.
В гондоле расположены магнитоэлектрический генератор перемен
ного тока, планетарный редуктор, главный вал из ст. 45 на двух ради
ально 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 обо
ротов ветроколеса. С его помощью поддерживаются постоянные обо
рош ветроколеса в пределах 30 ±10 об/мин во всем диапазоне рабо
чих скоростей ветра: от 3 м/с до 25 м/с.
II »ll iy<-M IH| I ЦП» .1 l|
Г i улировапис скорое IH ВрЛ1Ц< пин nr l цоколе, .1 осупцч I вине It Я
и м и «меления продольных углов yi । лионки лопастей. Ito, в t вою
»ri< । «-дь. позволяет ВЭС защища i вся oi ураганных ветров, нс прскра
•i i i вырабатывание электроэнергии.
Ветроэлектростанции российского производства М1—М5
IU । ро электрические установки Ml—М5 предназначены для i.ip.i
в. ji'ii «лектроэнергии за счет ветрового потока. Они могут испоив
«г hi.с я в отдаленных и изолированных местах, в различных кли-
...... районах с благоприятными ветровыми условиями, гд<
•и. $ । гвуст централизованное электроснабжение или его подача
к* р-н удярпа.
1L пример, М-1-24 обеспечивает потребителей электроэнергией дли
11м i линя ламп освещения, бытовых приборов, линий теле- и радио
IMM)никаций, устройств спутниковой и сотовой связи компьютера,
ft iponc тв бытовой и специальной связи, передвижных и стационар
ни« пунктов навигационных и метеорологических постов, радио
пции, маяков и радиомаяков, медицинской и научной аппаратуры,
•ид 1ных насосов, для обеспечения зарядки аккумуляторов и т. д.
Наличие аккумуляторной батареи обеспечивает элекгропи li-
nn hoiребителей и их работоспособность при отсутствии ветра
11 .цк печение инвертора к блоку управления позволяет преобразован.
......нос напряжение 24 В в переменное 220 В.
М 1000-24 автономная, надежная, автоматическая установка, нс грс
। дс курною персонала в процессе эксплуатации и предназначена
। .ц автономного энергообеспечения индивидуальных потребителей
рмсров, садоводов, дачников, вахтовиков, охотников, рыболовов,
..... ических экспедиций), а также навигационных, метеороло! ич<
। н радиорелейных и других постов в обеспечении бесперебойным
пн । линем в полевых условиях. Характеристики ветроэлектрических
. • । «нивок Ml—М5 приведены в табл. 1.4.
I <1 ШЧСС1 во вырабатываемой электроэнергии М-1-24 при средней
।. нр<н in всгра:
. мА — 3 10 Вт х 24 ч - 8,2 кВт-ч в сутки;
ь мА —100 В г х 24 ч = 9,6 кВт-ч в сутки;
' м/t >00 В г х 24 ч = 12, 0 кВт-ч в су гки.
------------ Am I» । iMtunui if и< Н'чкики
Чтобы чувствовать себя уверенно и комфортно семье из грех ч< в»,
век, проживающих в загородном доме, расход электроэнергии до/i л- J
быть не менее 2 кВт-час в сутки (по данным ЮНЕСКО).
Ниже в приведено реальное потребление электроэнергии в cymf
семьей из трех человек. Как видно из табл. 1.5 количество элек(Л
энергии, вырабатываемой электростанцией М-1000-24 за сутки upf
средней скорости 4 м/с вполне хватает для обеспечения потребное к |
семьи из трех человек в освещении и других бытовых нуждах.
Характеристики ветроэлектрических установок М J—М5
Таблица • |
Показатели Тип
М-1-24 М-1-48 М-2-120 М-5-240 *2
Номинальная выходная мощность, Вт 1000 1000 2000 5000
Рабочее положение ротора на ветер на ветер на ветер на вет*р J
Лопасти ротора
количество з 3 з 3
диаметр ветроколеса, м 2,3 2,3 3.6 6,4
Скорость ветра, м/с
пусковая 3 3 3 3
номинальная 10 10 9 10
буревая 50 50 50 50 |
Мачта
Высота мачты, м 6 В 10,5 12
Количество секций, шт. 4 секции 4 секции б секций 7 секций
трубчатая телескоп телескоп трубчатал
Напряжение на выходе генератора, В 24 48 120 240
Весовые, температурные, временные характеристики
Масса ветроагрегата в сборе, кг 80—100 80—100 110 285
То же с мачтой, кг 180—200 180—200 -
Диапазон рабочих температур, °C -40...+60 -40...+60 -40...+60 -40.,+60
Срок службы, лет 7 1 _ 7 _ 7 J
Реальное потребление электроэнергии в сутки семьей из трех человек
Таблица I •
Электропотребитель Часы использ., ч Мощность, Вт В сутки, кВт ч
кухня, освещение 4 60 0,24
гостиная, освещение 3,5 2x60 0,42
спальня, освещение 3 60 0,18
ванная, освещение 2 40 0,08
туалет, освещение 1 40 0,04
цветной ТВ 6 60 0,36
компьютер 2 240 0,48
насос 1,5 200 0,3
ХОЛОДИЛЬНИК 24 125 1
вигов СУТКИ < 1 кВт-ч
1ЛЛНЛ
ИСПОЛЬЗУЕМ СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО
ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ
2.1. Солнечные коллекторы промышленного
изготовления
Разновидности солнечных коллекторов
Простейшим способом утилизации солнечной энергии является
м. пользование ее для нагрева. Все знают, как нагреваются на солнце раз-
иг 111 ые предметы. И чем темнее поверхность, тем больше нагрев. Именно
и» »юм и основан принцип работы солнечного коллектора— солнеч-
И<>< । гпло поглощается темной поверхностью (абсорбером) и передается
। гн поносителю. Далее полученное тепло либо накапливается:
♦ либо в специальном теплоаккумуляторе;
• либо сразу используется для нагрева.
В Определение.
Солнечный коллектор — установка для прямого преобразования
энергии Солнца в тепловую энергию.
11ринципы солнечного отопления известны на протяжении тыся-
'«• чсч нй. Люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как иско-
п.к’мос топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике.
• оиисчпый коллектор — наиболее известное приспособление, непо-
|и щ 1ВСНИО использующее энергию Солнца, они были разработаны
• "•ол<» двухсот лег назад.
11смноги истории. Самый известный из коллекторов — плоский —
• -..in и потоплен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций
•к < ок юр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр
I । он Гершель во время своей жепгдиции в Южную Африку в 30-х
। пц.'Х XIX века.
96
Ллы<*|>|1 НИННЫ И( (ОЧНИКИ
ы
Совет.
Чтобы коллектор отдавал основную часть поглощенного тепги
теплоносителю, его надо, по возможности, изолировать от oki
жающей среды.
Можно выделить несколько основных типов солнечных коллекю
ров: плоские, вакуумные, концентраторы.
В плоских солнечных коллекторах за плоским абсорбером (чащ-
всего это металлическая пластина с темным поглощающим покры
тием) находится система трубок, по которым пропускается теплоно
ситель. Чтобы предотвратить потери энергии в окружающую срс/п
обратная сторона и торцы такого коллектора закрываются теплоизо
пирующим материалом.
Фронтальная часть накрывается стеклом. Солнечный свет пр и
тически беспрепятственно проходит через стекло, а вот инфракра» •
ное излучение от нагретого абсорбера назад не проникает. Тепло
бы запирается внутри коллектора, работает парниковый эффеь i
Фронтальное стекло также в некоторой степени препятствует охла к
дению коллектора за счет тепловой конвекции воздуха.
В Примечание.
Изредка в плоских коллекторах применяют двойное остеклена
(как в оконных рамах), что еще больше увеличивает КПД (двойни»
остекление лучше «держит» тепло), но и несколько утяжеляет
удорожает конструкцию.
Самые качественные плоские солнечные коллекторы могут на1 ре
вать теплоноситель до температуры более 150 °C, но в большино н>
конструкций температура не поднимается выше точки кипения воды
Поэтому считается, что плоские коллекторы можно оставлять на до/i I
гое время без присмотра.
Вакуумные коллекторы обязаны своим названием способу паю»
пления тепла. В них теплопоглощающие элементы запаяны в стекл ш
ные трубки, в которых создан вакуум. Стекло препятствует выходу
инфракрасного излучения от нагретых элементов, а вакуум идеальна и
среда для теплоизоляции, т. к. в нем охлаждение из-за конвекции про
сто отсутствует.
Вакуумные коллекторы эффективно работают да i с в сильны»
морозы и в пасмурную погоду, а на солнце они сноюопы нагрева и
Ьик ' и. i l< Mill iy<M ( OIIIII “Il 1(11* III Ilin Д11 II 11,111 '< «•• 1ДЫ
9/
• и /ииюси гель до 300 । раду он Именно из-за этого системы с ваку-
• ‘Шим коллектором обычно гораздо сложнее. Они включают в себя
...пыльные контроллеры и клапаны, обеспечивающие сброс избы-
...кв о тепла при перегреве.
11, наконец, коллекторы-концентраторы представляют собой отдель-
ный к л.icc устройств, которые чаще всего используют, когда необходимо
и* in учить очень высокую температуру. Простейшим примером кон-
h.» hiрлгора может служить обычная линза. Наверное, все мы, будучи
। ьми, выжигали с ее помощью узоры на лавочках во дворе. Правда,
• < «временных концентраторах линзы практически не используются.
1Ьм, в основном, применяют зеркала. Принцип тот же — солнечные
•учи . водятся в одну точку параболическим зеркалом. В фокусе концен-
♦ I н • >ра температура составляет несколько сотен градусов. Нагретый до
«-»1 ой высокой температуры теплоноситель используется для получе-
нии пара, который вырабатывает энергию уже в паровой турбине.
Плоский солнечный коллектор промышленного изготовления
Плоский солнечный коллектор — самый распространенный вид
t »'iii( чиых коллекторов, используемых в бытовых водонагреватель-
ных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой
м плои юлированную остекленную панель, в которую помещена пла-
тил поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла,
|н| пню проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще
....используют медь, т. к. она лучше проводит тепло и меньше под-
trp гена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана
иецпальным высокоселективным покрытием, которое лучше удер-
« пн h i поглощенный солнечный свет (www.atmosfera.ua).
> । < > покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного
ни । проводника, нанесенного на металлическое основание, и отлича-
....пасокой поглощающей способностью в видимой области спектра
н низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрас-
н»н« области.
Iiii.liодари остеклению (в плоских коллекторах обычно использу-
|ь и матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержа-
1ПН м кслеза) снижаются потери leuna. Дно и боковые стенки кол-
। Kip.i покрываю! теплоизолирующим материалом, что еще больше
• о рлщ.ц‘1 тепловые потери. V< гро»к i во плоского солнечного кол-
< । юра пока ыно па рис. 2.1
98
Allt-l'<|il|4IHI4ll'l< И* (ОЧНИКИ 1|1Г|»
Рассмотрим принцип действия. Солнечный свет проходит черс<
остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагрева
ется, 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 водонагрс
вателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования.
0 Совет.
Также в емкостном водонагревателе можно установить электри
ческую вставку, чтобы в случае понижения температуры ниже
установленной (например, из-за продолжительной пасмурной
погоды) она догревала воду до заданной температуры.
1 lfl« in rin,»у<‘М ( oiiHP'iiux* И1И1<Н|>1'1 •*•»!< < •• < <in
Прямоточный нлкуумирон 1ННЫИ трубчатый
солнечный коллектор
|\к могрим устройство коллектора В каждую вакуумированную
ijooi у встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием,
) || оипрующим высокий уровень поглощения солнечной шершн и
ДМ'о'ю ’миссию теплового излучения.
Щк\ миров niHoe пространство позволяет практически полное п.ю
| <1 .шить тсплопогери. На поглотителе установлен коаксиальныи
«1чь-|.ный прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор
I *1. н кающий через него теплоноситель забирает тепло от попки июли
I преимуществам этой системы можно отнести непосредственную
И»р< дачу тепла воде, что позволяет сократить теплопогери. Гак как
В • iih.hi коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, тенлоно
ни ш. в нем можно нагреть до температур 120—160 °C.
Принцип действия таков. Солнечная радиация проходит сквозь
r>i। у умированную стеклянную трубку, попадает на поглоти гель и пре
•<1 пп нося в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протеки
• и по коаксиальному трубчатому прямоточному теплообмен и и । у
Kl* да и i рубка теплообменника соединена с накопительным баком
। н на «ываемым «коллектором» системой из 2 медных груб. По одной
• них и н рстая вода передается в бак-накопитель, по другой — холод
•• <i пода из бака-накопителя поступает на нагрев в вакуумированные
1 р\ окн.
Рис. 2.2. Устройство прямоточного вакуумированного
трубчатого солнечного коллектора
100 Лн« u p'MiMiiHM'-и< ючники Mlvpi я
Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор
с тепловой трубкой
Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепло ши
трубкой похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная/металлп
ческая трубка вставлена в другую большего диаметра (рис. 2.3). Межд>
ними — вакуум.
На самом деле вакуум — отличный теплоизолятор, но не меняет изд у ।
чающую способность нагретого тела, вакуум препятствует конвекции! i
ной передаче тепла. ИК-излучение задерживается стеклом трубки.
В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластин*
поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высоки и
уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию тепловоь*
излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполнен
ная испаряющейся жидкостью.
С помощью гибкого соединительного элемента тепловая тру о*
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 запои
ненной установке, находящейся под давлением.
В Примечание.
Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора 1
тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать
при температурах до -30 °C (коллекторы со стеклянными тепло-
выми трубками) или даже до -45 °C (коллекторы с металлическими
тепловыми трубками).
Медная пластина поглотителя заполненная
с гелиотитановым покрытием
испаряющейся жидкостью
Рис. 2.3. Устройство вакуумированного трубчатого
солнечного коллектора с тепловой трубкой
№ . И- IKHlbiyi-M < OJIIK •ЧИП" I' I ПК I/|П<| Dial 11**4 **Ч11 * -—
Принцип действия вакуумпрои.111 hoi о солнечного коллектора с
шоп । рубкой такой, ho бол<ч ложный и более дорогой тип кол
н»> юра 'Генновая трубка— но ыкрытая медная/стеклянная трубка с
небольшим содержанием легкоки ня щей жидкости. Под воздет гнием
о пл i жидкое гь испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. 11ары
1ЧЧ1ИИМ.11ОТСЯ в верхнюю часть, где конденсируются и передаю! тепло
I»п/н(носителю основного контура водопотребления или позамерзаю
ни и । идкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и в <
!|м|цоряе гея снова.
Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией.
11« ргдача тепла происходит через медную «гильзу» приемника, благо
n ipii и ому отопительный контур отделен от трубок, и при поврежде
пни одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку
мм । но заменить в случае необходимости, коллектор при этом про
Дни । ас г функционировать. Процедура замены трубок очень прос та,
при ном пет необходимости сливать незамерзающую жидкость и i
• мн । ура тепообменника.
Назначение и структурная схема гелиосистемы
1.|дачи, решаемые гелиосистемой:
• получение альтернативного источника неограниченной, эколо
। пчески чистой бесплатной энергии;
• обеспечение потребностей в горячей воде для бытовых ну .кд
(даже в местах отсутствия магистрального водопровода);
• полное или частичное обеспечение потребностей отопления
(ос сине-весенний период — до 80 %, а зимний — до 50 %);
• пижение уровня потребления традиционных энергоресурсов,
л, следовательно, и финансовых затрат.
1глносистемы состоят из солнечного коллектора, системы унравле
пин < насосами и бака-аккумулятора (рис. 2.4).
В коллекторе (лат. накопитель) медная пластина аккумулнрус i
iM/iiK чную анергию. Они рассмотрены выше. Под пластиной привл
। ны медные грубы, по которым течет коллекторная жидкость. ( )па
i| ни портирует тепло. Система управления с насосом обеспечив.к i
циркуляцию коллекторной жидкости внутри установки В хорони»
и итнрованном баке аккумуляторе тепло жидкости передастся воде
I к п/н»о6мсппи1<). Таким обра юм. в доме будет nai ре гая вода и ночью,
и и дождливые дни.
Важной частью гелиоустановки является поддерживающая кон
струкция для солнечных коллекторов. Она обеспечивает правили
ный угол наклона, а также необходимую жесткость конструкции
Комбинация поддерживающей конструкции с солнечными модулями
должна выдерживать порывы ветра и другие неблагоприятные вол
действия 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 пассив
ные) в зависимости от способа циркуляции нагреваемой жидкости
и имеют два варианта исполнения (прямые и косвенные) в зависимо
сти от наличия или отсутствия теплоносителя. Рассмотрим эти гелио
системы.
Пассивные гелиосистемы — циркуляция жидкости осуществим
ется за счет конвективных потоков. В основе этого процесса лежи i
явление естественной конвекции — стремление теплых масс воды
вверх. При нагреве воды ее объем несколько увеличивается, а пши
I ' II уД(*ЛЫ1ЛЯ МОСС .1 <. 1111 »k.1 h 111 'I 1Н1Д.1 I I .Н1О1И1 1 I >1 легче И in к 40
hpimii потоками поднимаете л по кол/п к юру в верхнюю часть бака.
1» ноюочередь, холодная вода н<> кпсппо перетекает в коллектор, гд<
н.п ринется. Гак происходи т циркуляция водных масс в сие теме
и нм иплс пнем мы сталкиваемся в жаркую погоду, когда вл<н a испари
। поверх пос ги Земли, достигая верхних слоев тропосферы, водные
и «опираются в облака, охлаждаются и выпадают в виде до кдя
1й । он ш । на и недостатки пассивных систем приведены с табл. 2.1.
тк ш«<| и недостатки пассивных систем
k]<).41/1^1 I
Достоинства Недостатки
IL.. «и । |ним< сть и затраты при эксплуатации и н*лнии [мееи> им<к и- о) наличия электрической р»iyi-мой для работы ^jMiiHuiiiioio насоса и контроллера. долювечность и легкость в h' " I «> *цни 1. Меньшая производительность за счсч накипной циркуляции жидкости. 2. Бак имеет строгое размещение - выш< коллектора и непосредственно примыкает к и. му
х । । и иные гелиосистемы для циркуляции жидкости через коллск
•гр и* пользуют электрический насос, дополнительным оборудова
Ни* о лил летел контроллер и клапаны. При этом насос используется в
IH । и необходимости интенсификации производства горячей воды.
mi до< гаточно только естественной конвекции. Достоинства и
in in* i.iтки активных систем приведены с табл. 2.2.
1Ьи> ‘'tn iiwmi и недостатки активных систем
ТаблицаJ
Достоинства
pwii in «л |1|«>ин»одигельность за счет активной
ф«у|>«ЦИИ жидкости.
111м|11ж.-1|и< ьака не требует строгого
1«ш«< с пин но кому системы легче
«|>«|>ици||уюн *, чем пассивные
Недостатки
1. Большая стоимость и затраты при эксплун щии и
обслуживании.
2. Зависимость от наличия электрички кои niopi ии,
используемой для работы циркуляциошкл<> н.н о< .1
и контроллера.
3. Более требовательны в эксплуатации
Прямые и косвенные гелиосистемы
Прямые— в системе циркулирует вода, используемая пенс»
»р< io । пенно для горячего водоснабжения (открытый контур)
I in in иные — в системе циркулирует теплоноситель (вода или лиги
l l'ii i), который через теплообменник нагреваем воду, используемую
и hi горячего водоснабжения (закрытии контур)
104
Л)И>|< |>1М1И(*КЫ» И< (ОЧНИКИ >>V pi J
Сравнение особенностей использования прямых и косвенных < и<
Габлицч ||
Прямые системы Косвенные системы
Достоинства Недостатки Достоинства Недостатки
1. Более дешевые и легкие в эксплуатации в сравнении с активными косвенными системами 1. Ограничения по жесткости и химическому составу воды, чтобы избежать коррозии 2. Эффективны только в теплых регионах. 3. Эффективны только в теплый сезон. 4. Повреждаются при понижении температур до-25 °C 1. Менее зависимы от жесткости и химического состава воды. 2. При использовании в качестве теплоносителя антифриза не повреждаются при значительном снижении температуры 3. Менее требовательны к климатическим условиям и сезонным изменениям ~ ж 1. Большая стоимос i к 1 при покупке и установи большие затраты | при эксплуатации и обслуживании. Затр.и е 1 значительно возра .... при использовании « качестве теплоносителей антифриза
Комплектация гелиосистем, изготовленных промышленностью
Гелиоустановка состоит из трех обязательных элементов: ваку
умный коллектор, накопительный резервуар и центр управленп*
(рис. 2.5).
Вакуумный коллектор — комплекс вакуумных трубок, npeooptJ
зующих поток солнечного излучения в тепловую энергию, где осу
ществляется первичная передача полученного тепла в накопительны!
резервуар через циркулирующий в системе теплоноситель (незамгр
зающая жидкость).
Вакуумный коллектор комплектуется 10—30 вакуумными труп
ками, располагающимися параллельно друг другу. Количество кол/u i
Предохранительный
Электронагреватель «лапан
Контроллер
Центр
управления
Солнечные
лучи
Датчик
температуры
№ 1
Вакуумный
коллектор
Входное отверстие
(холодная вода)
Бак сброса Датчик
излишнего
давления
температуры Накопительный резервуар с
№ 2 двумя теплообменниками
Основной
— I контур
н отопления
^11
Рис. 2.5. Устройство гелиоустановки
Выходное I
отверстие
(горячая вода)
I ....... «у< M I IIIIIH'IHIH lilllltl ДНИ II <t I !<•'
iiitikiti от потребное геи ио обычно достаточно I — i, вогдель
Но г i.mix — 1—6 и более (в i.hhh имоМ1 и । дрпой единицей преобразования энергии солнечного налу
♦•и 1ч и н пло являются вакуумные трубки. Они улавливаю! iiaiitio
. и uno • ( точки зрения получения тепла излучение, а полученное
Цати передают воде, которая непосредственно исполь iy.*т> я в бы i у
НН ।• плоносигелю, посредством которого осуществляется пагр< в
••>>«• । i ।н I орячсч о водоснабжения или отопления.
I Im они тельный резервуар — бак заданного объема (как правило,
• ••" >0 л) в котором накапливается теплая вода, полученная от паку
IIIIIH» коллекторов. Конструктивно выполнен в виде элекгрич». кого
Uni в рл с одним или двумя внутренними теплообменными пира
Цши нкции накопительного резервуара:
• накопление горячей воды:
• • охранение полученного тепла;
• пополнительный подогрев воды (при необходимое!и)
(Примечание.
//. > умолчанию резервуар комплектуется электронагр>'чime ь-м
к* —— по дополнительный подогрев (в случае необходимости) может <.
щ- твляться за счет любой системы энергогенерировани» (.-.н,
и/ - ль, уголь, дрова и т. д.).
И< шр управления (рабочая станция) — комплекс автомагич
......хон । роля функционирования вакуумного коллектора и накопи
и и .ши о резервуара, включающий контроллер, датчики темпера гуры
н । in’ll ния, насос и запорные элементы.
< » о иголяет полностью автоматизировать процесс и у< гановл i ь
|«|||<нн1гс эффективный режим работы системы в течение суток и
юнк имос ги от заданных потребителей параметров. Это реалп iycioi
<i| и помощи микропроцессорного контроллера обеспечивающего с лг
и|inulin функции-
• индикация температуры коллектора, резервуара, обритого но
loK.i теплоносителя
• выпор 1смперагуры активации принудительной циркуляции к-
плоноч и тел я и дополнительно! о подогрева;
• выпор временных параметров включения вык/поче ни я « н< гемы
о I <111/1 < НИЯ И ДОПОЛНИ ГСЛЫЮГО ПоДо1 р< И.1
106
Альтернативные источники энергш
Рис. 2.6. Принцип работы солнечного
вакуумного коллектора
♦ выбор температуры режима антизамерзания;
♦ индикация повреждения датчиков.
Принцип работы такого коллектора представлен на рис. 2.6. II
основу функционирования солнечного вакуумного коллектора поло
жено четыре базовых процесса:
♦ улавливание солнечного излучения;
♦ теплообмен;
♦ консервация полученного тепла;
♦ автоматизированный контроль системы.
При этом инженерное реши
ние по реализации этих процессои
четко распределяется в соотве!
ствии с элементами солнечного
вакуумного коллектора. Так, сол
нечное излучение, попадая на кол
лектор (рис. 2.6), проходит черсч
его вакуумную зону и достигай
специального покрытия, которое
улавливает те волны солнечного
излучения, которые несут наиболь
шую энергию — в первую очередь
инфракрасный спектр.
В результате этого происходи!
интенсивный разогрев вакуумною
коллектора. В зависимости от типа вакуумных трубок коллектора,
полученная энергия передается: воде (непосредственно используе
мой), теплоносителю (вода или антифриз) или металлической пил
стине. В первом случае полученное тепло непосредственно передаете я
воде для ее нагрева. Во втором и третьем — используется теплоноси
толь или теплопер ед атчик.
В качестве теплоносителя может использоваться обычная вода или
ан тифриз (как правило, водный раствор гликоля), а в качестве тепло
передатчика медная трубка или алюминиевая пластина.
Далее теплоноситель или теплопередатчик отдает полученное генл.о
воде, используемой для бытовых нужд (горячая вода и/или отоплс
ние). Обычно, юплопосигель или теплопередатчик пространственно
с оприкас аюп я с медной трубкой (с ниральной, U обра шин или голов
ча ня о । ина), Котора ч х а рак при iyc i < я попы пн ши i м ко <ффнциеп i ом
I <-| I/«»«»< >М< ил
' И< пользуем солнечное тепло для нагрева воды
107
Именно через медную трубку и осуществляется процесс тепло-
»♦<”! и.» между теплоносителем (теплопередатчиком) и нагреваемой
....и В наиболее простых системах медные трубки отсутствуют,
• । 1ком случае процесс теплообмена происходит непосредственно
I । теплоносителем и нагреваемой водой.
< целью сохранения полученного тепла в солнечном вакуумном
Ь /и к горе используются баки-резервуары, имеющие изоляционный
। который обеспечивает как можно более продолжительное под-
н с । «ние внутренней температуры.
/I in более эффективной координации функционирования наиболее
тпые (и одновременно наиболее производительные) солнечные
,миые коллекторы комплектуются системой автоматического
। правления.
h । система управления осуществляется контроль работы всей
। .1 новки в соответствии с заданными параметрами, включая выбор
ни । нмального режима работы системы в течение суток, при этом кон-
чи» шер регулирует поток теплоносителя и определяет направление
Пои .пи тепла (горячее водоснабжение и/или отопление).
Ц in бесперебойного функционирования системы солнечного ваку-
»мно1о коллектора могут комплектоваться дополнительными источ-
ил i лми энергии. Например, традиционный водонагреватель, работаю-
IUни на »лектричестве, газе, жидком (дизель) или твердом (уголь) виде
•••и । и на. Это обеспечивает наиболее высокую эффективность исполь-
я и ши 1в зимнее время, когда нагрузки наиболее высоки, а также ноч-
Ц|н время или облачную погоду, при этом альтернативный источник
•и. pi ии используется лишь для поддержания заданных параметров.
В Примечание.
Наибольшее количество энергии воспринимается панелью коллек-
тора при расположении его плоскости под прямым углом к направ-
И нию на Солнце.
Установка гелиосистемы
1<<мцрнч ibo л иловой шергии, выраба!ывасмой солнечным кол
к» юром, i.HtiHiiroi целого ряд.। факторов. К поддающимся измене-
iiiiiii •» । и. к я г у । он на к лона и ори< н I ацпю yi i апонки. Кри герцем ори
*I I .1111111 МИЛ >1С I < Я .1 1ИМ\ I
108
Альтернативные источники энергии
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, ори-
ентацию плоскости коллектора следует выполнять в соответствии с
высотой Солнца в период поступления наибольшего количества сол-
нечной энергии.
На практике идеальными для широты, например, Ленинградской
области оказались углы наклона между 30 и 45°.
Азимут описывает отклонение плоскости коллектора от направле-
ния на юг; если плоскость коллектора ориентирована на юг, то ази
мут = 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) солнеч
ной 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°) мон
таж гелиоустановки целесообразен.
Установка солнечного коллектора и определение его размеров
должны быть выполнены таким образом, чтобы незначительным было
воздействие дающих тень соседних зданий, деревьев, линий электро
передач 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 значе
ние на эффективность работы всей системы.
В 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 систем) i
необходимо учитывать их минимальную произебдительность, рассчи
тайную на холодный период года, когда количество солнечной энергии
снижается, а потребность в тепловой энергии — возрастает.
Системы могут работать вогкры том автономном ре кимс, осущст т
вляя, например, примон подо! рев воды для пасс нвною i оря’кто водо
i и и» к<1111)| I h । п,|||(»о1|< с р к Ирш । pant ины* и к]н|и к । lininai iai.pi.iii.ic.
• : lit пользуем солнечное тепло для нагрева воды
109
цю • । онтурные типы установок, функционирующие при магистраль-
».-м цшклении водопровода и имеющие дополнительный источник
pi ..обеспечения.
11< рный вариант — так называемые сезонные установки, функции
>|*v ющие в теплый период года, они популярны для применения в
। 1ных поселках. Второй вариант — всесезонные установки, обеспе
круглогодичное обеспечение теплом.
Прикидочный расчет гелиосистем
I in расчета вам необходимо пройти несколько шагов (рис. 2.7).
III.и I Определиться с количеством потребителей горячей воды
IН.п 2. Определить примерное количество воды, потребляемой
• •г цым членом вашей семьи в сутки.
111 и 3. После этих двух шагов вы получите рекомендованный об ьем
И они тельного бака.
III.ii 4. Выберите желаемую степень замещения ваших потребно
« о и к тепле энергией Солнца.
Ill и 5. Выберите южный или
. инрный регион, где планиру-
• о и p.i 1мещение системы.
Ill и 6. Выберите планируемую
opio ii i ацию устанавливаемых
»ч 1жк горов.
Ill и 7. Выберите угол наклона
। т.вшиваемых коллекторов.
Ill и 8. После выполнения
- 'П’днсго шага вы получите
примерное необходимое количе-
• но коллекторов.
После выполнение вышеу-
• н оin пых шагов вы получили
in обходимую емкость бака-
н и они геля и примерное коли-
ii < ню коллекторов. Далее вам
и. обходимо решить, будете ли вы
и ночь к>м.1 п < олпечную iiiepi ню
Bui доно/ши гелып.|й и< loHiiitii
/'in 2.7, примерны* • /><!< 'p niii
* пни 1Ипн'Л1ы < itti/rui wwwdhrioUrni u<i
о I| l l и I 111 it’Mi о Гпи/Ь 111111
110 Альтернативные источники энеогии
От вашего решения зависит выбор бака-накопителя с одним или
двумя теплообменниками. Для отбора тепла в основную систему ото
пления 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 рабо
чую станцию с контроллером, датчиками температуры и другой авто
матикой. Таким образом, имея комплект оборудования, состоящий
из бака-накопителя, необходимого количества вакуумных солнечных
коллекторов и рабочей станции с контроллером, вы сможете рассчи
тать стоимость вашей системы.
Для «грубого расчета» к стоимости оборудования обычно добав
ляется 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 оборудова
нием, например, http://solar.atmosfera.ua/ru/bystryj-raschet-sistemy/.
Приобретаем дачный душ
После целого дня проведенного на садовом участке, неизбежно воз
никает вопрос о том, каким образом смыть с себя всю грязь перед воз
вращением в город. А жаркие дни бывает охота и просто освежиться
в перерыве между работой. Если на вашем участке отсутствует полно
стью благоустроенный всеми удобствами дом, то сделать это бывает
довольно сложно.
Поэтому многие дачники испытывают дискомфорт. Чтобы избе-
жать 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 оид
имеется — также неудобно, так как на эго тратится очень много вр<
мени и средств. Поэтому дачный душ стане г для вас идеальным вари
антом при решении этой проблемы.
ti»« | Используем солнечное тепло для нагрева воды
111
При покупке душа необходимо обратить внимание на несколько
пыловажных факторов. Во-первых — на материал, из которого еде
Мн бак для воды. Если он сделан некачественно, то в скором времени
....то может начать литься вода со ржавчиной, а вам это, конечно
•г. не нужно.
Во-вторых — необходимо убедиться в качестве материала, из кото
р«и о сделан пол душевой кабины — не начнет ли он гнить.
Примечание.
Если вы вовремя не обратите внимания на эти детали, то мож* mt
просто потратить свои деньги зря.
Приобретаем солнечный водонагреватель
Л купить можно, например, отечественный солнечный коллектор
• • окон» с оптическим, многослойным, селективным покрытием, наш-
• иным в вакуумной установке. Это покрытие поглощает 95% солнсч
н<»1 о света, а излучает только 5% тепла. Данный метод был разработан
п< циалистами НПО машиностроения и был отмечен серебряными
Вгдалями на международных выставках в Брюсселе (1999 г.) и Женеве
1 '000 г.). Этот слой, в отличие от «псевдо селективных» покрытии
u| । их производителей, обладает высокой степенью поглощения как
видимых солнечных лучей, так и солнечной радиации в облачную
III II оду.
Из за низкого коэффициента черноты обратное излучение юнлл
минимально (до 5%). Благодаря этому солнечная энергия эффективно
н> пользуется в системах нагрева воды и отопления, а не излучаек и
i поверхности коллектора. Получается «солнечная ловушка» с ньно
• ими показателями эффективности в условиях низких темпера тур и
м । юн солнечной инсоляции. Все части коллектора алюминиевые, что
<н.1Ч11 тсльно увеличивает срок службы коллектора. Средний К11Д кол
чгт юра — 75%.
Варианты дачных душей
I l.i < ci однипншн день Прон ИК1ДП 1СЛИ предлагаю! i ЛДОНОДЛМ (»ОЛ1
tiiot । <>лнче< тво рл шинных парнашов дачных душе и pa HiooApa <
lll.lt По ( BOHM < noth III.IM, К 1Ч<*i < rec i ik i 1 ным ti
тем — под воздет гнием солнечных лучей — чр< шыч.ппи» пни
лярны, так как занимают очень немного Met га на участке и \ и и
ны в использовании;
во-вторых, душ педальный. Или топтун, топтышка. Для »l‘x, i .
постоянно ездит на дачный участок или проводит время в нохф
дах на природе, наилучшим вариантом будет педальный душ
благодаря простоте конструкции, он может быть помеид и *
обычный пакет. Он состоит из педалей, при нажатии на которые
из шланга начинает литься вода и душевой лейки. Он настоим ••
просто в обращении, что использовать его самостоятельно смо
гут даже маленькие дети. Самые простые в использовании д.1'1
ные души. Один конец шланга опускается в емкость с водой, в»
втором конце душевая лейка, переминаясь на специальных ш
далях вы перекачиваете воду снизу вверх;
в-третьих, души, в которых вода нагревается электронагрева и
лем. Он состоит из бака, объем которого может достигать 200 и,
а также кабины, оснащенной специальным местом, где можно
раздеться и повесить свои вещи. Встроенный терморегулятор
поддерживает заданный уровень температуры воды, поэтом)
таким душем можно пользоваться в любую погоду. Каркас души
обычно покрывают краской, препятствующей появлению ржав
чины, поэтому он с легкостью переживет зимний период на ва
шем участке. Такие души очень надежны, прослужат вам долги»
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 по
мещение для душевой, например, сарай или бытовку, то вам не-
обходима бочка с электроподогревом, вы устанавливаете бак на
крыше, а душевую лейку выводите над местом помывки. Нали-
чие в бочке с электроподогревом терморегулятора позволяет по-
лучать воду именно той температуры, которая вам необходима.
2.2. Создаем гелиоси< ь ми (ноими руками
Воздушный солнечный коллаж гор сноими руками
I Th как кс простому самоделыцику использовать даровое солнеч
f и нло? Для начала, давайте вспомним самую распространенную
». । н1мису по использованию солнечного тепла — теплицу Ио фак
in I. । и большой солнечный коллектор. Роль абсорбера в нем выпои
р.н гения и поверхность грунта, роль защитного стекла — < к
Вино или полиэтиленовое покрытие. Там работает тог же парни
kin hi >ффект. Цель такого коллектора в нагреве самого себя, чтобы
Ы» । - ння чувствовали себя комфортнее.
А ( /т мы начнем «забирать» теплый воздух из теплицы? Теплица
Яр» вр гиться в... воздушный солнечный коллектор.
• к», наверное, одна из самых про-
• ••м конструкций, которая совер-
«I* uno не требовательна ни к мате-
। и мам, ни к технологии изготовле-
। к рис. 2.8).
Г( пиоизолированная снизу зачер-
иная поверхность является дном
iHioi кого ящика. Ящик можно сде-
>.ц| из любого подручного матери-
« ы — доски, фанера и т. д. Сверху
hoi ящик закрыт стеклом или Дру-
нин прозрачным материалом. Очень
ипрошие результаты дает покрытие
Рис. 2.8. Самодельный воздушный
солнечный коллектор
из сотового поликарбоната.
Получается легкое двухслойное пластиковое покрытие с хорошим
। иг гопропусканием и теплоизоляцией.
Видимый свет поглощается зачерненной поверхностью, нагревае i
>е, а она, в свою очередь, нагревает воздух в коллекторе. Нагретый
воздух в такой системе сам является теплоносителем, он забирается
и t обогреваемого помещения, нагревается в коллекторе и подается
Фратно. Все воздуховоды (подводящие и отводящие воздух от кол
jk ктора) должны быть теплоизолированы.
Для увеличения длины пути, проходимого воздухом, внутри ящика
можно установить переборки. Воздух через коллектор прогоняется
вентилятором.
114
Альтернативные источники энерп
Совет.
Цггч Подобную систему необходимо снабжать датчиками темпера
туры, чтобы отключать вентиляторы, когда на коллектор /
падает солнечный свет. Иначе в пасмурную погоду и ночью вы вм<
сто нагрева получите эффективное охлаждение помещения.
В специальных контроллерах применяются дифференциальные
датчики, сравнивающие температуру в помещении и внутри коллек
тора. Они включают вентиляторы только, когда воздух в коллектор
достаточно прогреется.
Но в домашних условиях место датчиков температуры проще при
менить небольшую солнечную батарею, от которой будет питаться
вентилятор. Напряжение и мощность этой солнечной батареи надо
подбирать так, чтобы вентилятор, прогоняющий воздух через коллек
тор, начинал работать, только если на него падает достаточное коли
чество 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 ярко*
солнце, коллектор нагревается очень быстро, значит и вентилятор
должен работать «на всю катушку». Собрав такую систему, вы полу
чите пассивное отопление вашего дома или дачи в солнечные дни.
Преимущества воздушных солнечных коллекторов:
♦ воздушные системы выглядят привлекательнее жидкостных, т.н.
как требуют меньше трубопроводов и деталей и поэтому менсг
дороги;
♦ в воздушных солнечных коллекторах отсутствует опасность
протечек и замерзания теплоносителя;
♦ изготовление воздушных солнечных коллекторов и связанных i
ними узлов и систем сравнительно просто;
♦ сравнительная простота воздушных систем притягательна дла
людей, желающих построить свою собственную систему.
К недостаткам воздушных солнечных коллекторов можно отпс
сти узкий спектр их применения. Теплый воздух обычно необходим
в холодное время года для обогрева, но зимой солнечные дни — ред
кость, да и их продолжительность недостаточна.
А вот летом, когда солнечного тепла в избытке, получаемое тепло
можно использовать только для сушки кормов ИЛИ Дрснсч ИНЫ, напри
мер. Никому ш придс । в голову 0601 рева! ь дом в net ниц mon Hoi
i Используем солнечное тепло для нагрева воды
115
И^кпучается, что воздушный солнечный коллектор будет большую
и н>да просто простаивать.
Именно поэтому большее распространение получили солнечные
Pirk торы с жидким теплоносителем (водяные).
Солнечный коллектор типа «бочка»
I l.iверняка многие из вас видели, а некоторые возможно и приме-
те । > । н от тип солнечного коллектора. Конструкция весьма проста я
шля бочка, окрашенная в черный цвет и заполненная водой. Вода
• । ниш бочке за день нагревается на солнце, а
•> " р м можно принять теплый душ (рис. 2.9).
Проблем у такой конструкции множество.
11 и рснание происходит медленно из-за малой пло-
uiщи. на которую падает солнечный свет. Из-за
он ) н гвия теплоизоляции такая бочка очень
Ам । ро остывает. Так что если захотите принять душ
щи им вечером или утром, то только холодный.
I i ли у кого-то уже имеется такая бочка, вы
н ис гс ее усовершенствовать. Бочка заключается
» • । клянный ящик, который не будет препят-
। пинать ее нагреванию, но будет существенно
•«медлить остывание. Северную сторону бочки,
мл которую никогда не попадает солнце, можно
г 1 Рис. 2.9. Солнечный
11< ипигь более основательно, например, мине- коллектор типа «почки
p i'ii.пой ватой. Такое простейшее усовершен-
iiioitaiine также значительно ускоряет нагрев воды и существенно
повышает максимальную температуру. Не обожгитесь!
Солнечный коллектор из металлических труб
>г л гелиосистема была сконструирована болгарским инженером
| ( । л и иловым и публиковалась в журналах «Направи сам» (IIP Г») и
•Моделис г Конструктор» (1989, №10). В конструкцию гслиос исгемы
• «идя । (рис. 2.10):
♦ i оплечный коллектор, состоящий из двух одинаковых блоков
(при ||ГО<>ЧОДИМ(В ти КОЛИЧсЧ । во блоков мо kiio увеличи I в),
* II.IM »Ц П I СПI» I ОрЯЧСИ ВОДЫ,
• ЛВЛНкЛМСрЛ
116
Альтернативные источники энергт
Труба подпитки
накопителя
— Дренажная труба накопителя
Трубопровод для подвода
холодной воды к аванкамере
Аванкамера Поплавковый клапан аванкамеры
Дренажная
труба аванкамеры
Горячая» труба
солнечного—
коллектора
Сливной
вентиль
Труба ввода
холодной воды
Труба подвода холодной
воды к смесителям
Труба подвода горячей
воды к смесителям
Труба для подвода
горячей воды к
накопителю
Солнечные коллекторы
__Теплоизоляционный
короб накопителя
Рис. 2.10. Гелиосистема в сборе
Вентиль для
залива системы
При проектировании солнечного водонагревателя использовало^ ।
несколько хорошо известных принципов. Так, например, для самого
нагревателя — «парниковый эффект», то есть свойство солнечных
лучей беспрепятственно проходить сквозь прозрачную среду в зам
кнутое пространство и превращаться в тепловую энергию, уже не спо
собную преодолеть обратно прозрачную «крышу» установки.
А в гидравлической системе служит термосифонный эффект, « о
есть свойство жидкости при нагревании подниматься вверх, вытесн hi
при этом более холодную воду и заставляя ее перемещаться к мео
нагрева.
Следует также отметить, что при разработке учитывался и эффект
накопления и сохранения тепловой энергии: в установке «уловлен
ная» солнечная энергия, преобразованная в тепловую, аккумулиру
ется и сохраняется длительное время.
Все составные элементы водонагревателя должны быть доступны
для изготовления своими силами и из таких полуфабрикат» или
сырья, материалов, которые можно приобрести и огкрьпои продали
либо подобрать из металлолома
Рассмо!рим принципы работы гслысн ан к мы (рис. 2.11 и
рис. ’ 12).
2. Используем солнечное тепло для нагрева воды
117
Дренажная труба накопителя
Дренажная труба аванкамеры
Солнечный
коллектор
«Горячая» труба
солнечного коллектора
Заборная труба для
выхода горячей воды
из накопителя
35 ...42
Подвод горячей
воды к смесителям
Поплавковый клапан
аванкамеры
Трубопровод подпитки
накопителя
«Холодная» труба
солнечного
коллектора
Рис. 2.11. Гидравлическая схема гелиосистемы
---Аванкамера
__Труба подвода холодной
воды к аванкамере
Водопроводный
ввод
I__Подвод холодной
: i| воды к смесителям
«<< iiiii'M .Ч(Ь.М) мм)
РП< / .’ Н fllp<‘(l< Л1Х> . i 1ЧН.-ЧГ/1 М I |»|М< '|«<КПК>|><|
118
Альтернативные источники энергия
Коллектор — это трубчатый радиатор, заключенный в короб, одн ।
из сторон которого застеклена. Радиатор сварен из стальных труб:
♦ для подводящей и отводной используются водопроводные тру
бы на 1 или на 3/4 дюйма;
♦ для решетки — тонкостенные трубы меньшего диаметра, напри
мер, труба 016x1,5 мм. Всего для одной решетки требуются Ifl
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 рекомен
дуется тщательно теплоизолировать!
Сделать это можно с помощью упаковочного или строительно! о
пенопласта: он укладывается на дно, поверх него закрепляется лис i
белой жести или оцинкованного кровельного железа, и сверху уюы
дывается радиатор. Закрепляется радиатор в коробе хомутами nd
стальной полосы.
Трубы радиатора и металлический лист на дне короба окрашина
ются черной матовой краской.
S Совет.
Покровное стекло желательно герметизировать, с тем, чтоны
потери тепла за счет конвекции были минимальными. С внешней
стороны короб желательно окрасить серебрянкой, с тем, чтоб/ч
уменьшить потери на теплоизлучение.
Все соединения — как сварные, так и резьбовые — должны бы i»
строго герметичными. Соединение труб — стандартное, с помощь"
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.
ЩН Если невозможно подобрать емкость нужной вместимости, ucnii
зуйте две-три, соединив их с помощью труб в единую систему.
Накопитель также желательно теплой юлирона i ь 11дс альным пари
атом будет размещение емкое ги (или емко» i и) п дощатом или i •
фанерном коробе < iailoлненнгм Me ксiciio’iihhо ирн< tp.ni* мм любым
СИЛОН ЮЛ Я I < ip< IM « I р( >1! I < /1!>|||>1М IICIIIII 1Л.1< ЮМ II! И ill i ill .1 ЮН, < \ ч ими
119
h •' Используем солнечное тепло для нагрева воды
• •пипками или даже рубленой соломой или сеном. С той же целью саму
й«|’1ку (или бочки) желательно окрасить изнутри и снаружи серебрян-
• Hi I ю же следует окрасить короб и снаружи.
Аванкамера предназначена для создания в гидросистеме постоян-
Н'»ю. 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 расширитель-
ного бачка.
I) «готовить ее можно из любого подходящего сосуда емко-
। к» 30—40 л, например, большого бидона или даже алюминиевой
• «• 1рюли той же вместимости. Аванкамера оснащается подпиты-
Н4Ю1ЦИМ устройством, позволяющим ей работать в автоматическом
С» киме.
I । о основа — поплавковый клапан, который применяется в быту
• । сливных бачков: его можно приобрести в магазинах сантехниче-
»пч и щелий.
< борка гелиосистемы начинается с размещения на чердаке дома
•' и опителя в теплоизолирующем коробе и аванкамере. Масса запол-
•I» иного водой накопителя получается значительной, поэтому следует
» < щгься, что перекрытия потолка в выбранном месте достаточно
прочны и выдержат вес массивного бака.
\ванкамера размещается поблизости от накопителя таким обра-
•• • ч гобы уровень воды в ней превышал уровень воды в накопителе
я.* о.Н—1 м.
( пушечные коллекторы располагаются с южной стороны дома
•и «ц углом ог 35 до 45° к горизонту. Размещать их лучше всего так,
• ifbi.i ни панели стали естественной кровлей дома или небольшой
и> |' П1ДЫ.
Дли того чтобы соединить все элементы солнечного водонагрева-
п in в единую систему, понадобятся трубы двух сортаментов: «дюймо-
н н и еполудюймовые». С помощью последних монтируется высоко-
н шорная ча» гь системы ог водопроводного ввода до аванкамеры, а
। и । < вывод нагретой воды и i накопителя: «дюймовые» используются
и io пи ihoiiaiiopiioii ч.в in ii.ii pi наiriiii

120
Альтернативные источники энергии
D Примечание.
Следует отметить, что работоспособность системы в знача
тельной степени зависит от ее герметичности и от отсутствия
воздушных пробок, поэтому к монтажу трубопроводов следуем
отнестись особенно аккуратно.
Все трубы желательно также окрасить серебрянкой и тщательно
теплоизолировать — например, с помощью поролона и полиэтилс
новой ленты, которой полосы поролона прибинтовываются к трубч-
Завершив эту операцию, лучше покрыть «забинтованную трубу сере
брянкой.
Заполнение системы водой осуществляется через дренажные вен
тили в нижней части радиаторов — в этом случае будет гарантия oi
появления в системе воздушных пробок. Процесс заполнения закан
чивается, 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 нагре-
вать ее — это происходит даже в облачную погоду. Теплая вода станс i
подниматься вверх, заполняя собой накопитель и вытесняя при этом
холодную, которая поступит в радиатор.
Процесс происходит 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 кип
пан и дольет воду в аванкамеру.
Холодная вода из аванкамеры поступит в нижнюю часть накопи
тельной емкости, поэтому перемешивания воды практически не про
исходит. Теплая же вода забирается из самой верхней части накопи
теля.
Следует помнить, что в ночное время, когда температура на улиц*
меньше, чем температура нагретой воды, солнечный водонагрева
тель с помощью радиатора начнет отапливать улицу и рмосифоп
ный )ф(|)екг работает и в ном случае, перекачивай ihhhi и обратном
направлении
Используем солнечное п'нподпп н,п ।><-n.i поды
121
О Совет.
В гидросистеме должен быть предусмотрен вентиль, препятству-
ющий обратной циркуляции воды из радиаторов в накопитель,
который имеет смысл перекрывать в вечернее и ночное время.
I (одводку воды к мойке или к душу можно произвести с помощью
। шдартных смесителей. Мера эта отнюдь не лишняя: в солнечную
н<иоду температура воды может достигать 80°, и пользоваться такой
Видой затруднительно. К тому же смесители позволят существенно
•к томить горячую воду.
В случае если производительность солнечного водонагревателя не
о । раивает, ее можно значительно увеличить, вводя в тепловую цепь
пнюлнительные секции солнечных коллекторов — блочная конструк-
i и установки вполне позволяет сделать это.
Солнечный коллектор из медных трубок
В пом разделе рассмотрена конструкция и методика изготовления
и । него душа с солнечным коллектором из медных трубок. Установка
put с читана ее автором Е. Карповым на изготовление в домашних усло-
|н их и использование только широкодоступных материалов.
('олнечный коллектор — это основной элемент гелиоустановки.
Г< шено было использовать медную трубу для систем отопления.
Причина выбора— высокая коррозионная стойкость, простота
борки (пайка), разумно сделанные фитинги — практически без скач-
ClH. : I 1 h<4it П1/ЦМ(1/И i> Ill UlhJfO iMUHirhtnOpit
122
Альтернативные источники энм-|и
ков проходного сечения. Конструкция солнечного коллектора пом»»
на рис. 2.13.
Трубы гидравлических коллекторов холодной и горячей воды и »п
товлены из отрезков трубы диаметром 18 мм и тройников, нагрева i 1
ные трубки имеют диаметр 15 мм. Для подключения к системе исио'н
зуются переходы на резьбу % дюйма, два других конца заглушены.
К нагревательным трубкам припаян стальной лист толщиной
0,8 мм. На изготовление солнечного коллектора ушло 20 тройни
5 м трубы 015 мм, 1,5 м трубы 018 мм, две заглушки и две персхо I
ные муфты. Кроме этих материалов понадобится роликовый тру(•<
рез, припой с флюсом и самая дешевая газовая горелка.
Изготовление нагревательной панели начинается с нарезки ну •
кого количества трубок, после этого в два тройника впаивается Ш|
вая нагревательная трубка и промежуточные трубки, далее на пром
жуточные трубки надеваются следующие два тройника с вставленн<'Л
(но не припаянной) нагревательной трубкой, и все соединения при
паиваются, и так далее. В последнюю очередь впаиваются заглушки •
переходные муфты.
Совет.
Сборку следует вести на ровной плоскости, то есть после учпЛ
новки очередной пары тройников, всю конструкцию следует 1В
жить на плоскость и выровнять, а потом уже паять (лучше па
прямо на плоскости, если она это выдержит).
Пайка производится следующим образом:
♦ на конец трубы наносится тонким слоем поясок флюс -припы
шириной 10—15 мм;
♦ труба вставляется в тройник (муфту);
♦ место спая прогревается горелкой до расплавления припоя.
После этого к нагревательным трубкам припаивается металлши
ский лист, это самая сложная и неприятная часть работы. Bo-nepin.n
следует запастись достаточным количеством обычного припни
Во-вторых, наложив теплообменник на лист, следует отметить м<ч i <
где проходят нагревательные трубки, и их облудит ь.
Совет.
Удобно паять, поставив м ю конструкцию гь у ым и ooho.ii*
мгнно ору>*ун мощным (‘>0 lutmm) пч i и ником и to инти sopi imhi
Используем солнечное тепло для нагрева воды
123
Перед пайкой, лист надо прижать к трубкам. Автор Е. Карпов
Ьинльзовал несколько струбцин, переставляя их по мере надобности.
В । но просверлить в листе отверстия диаметром 1—1,5 мм и при-
I « и их проволокой. Трубки надо припаять по всей длине с обеих
I »н, не жалея припоя.
1и вершив пайку, следует провести гидравлические испытания,
пример, заглушив один выход, а второй подключив к водопроводу.
||н дг и ничего не должно течь и капать. Готовую нагревательную
Lih и, окрашивают черной матовой термостойкой краской в два слоя,
|f>" iui продается в аэрозольной упаковке. В последнюю очередь уста-
io* пинают тройник и переход. Готовую панель помещают в деревян-
шйн ящик (рис. 2.14).
1щпк собран в шип из четырех досок толщиной 25 мм. Перед сбор-
|И вдоль длинных сторон досок с обеих сторон выбирают рубанком паз
<>н ной 6 мм и шириной 6—8 мм. Для повышения жесткости коробки
• i< 1цл ицо с нижним краем пазов в углы коробки вклеиваются деревянные
wi и и 30x30 мм, два таких же бруска длиной 300—400 мм приклеивают
приблизительно по центру) изнутри вдоль длинной стороны коробки со
|й*роны установки задней крышки. Они служат для крепления задней
тьнпки ящика, изготовленной из куска фанеры толщиной 6 мм. Для про-
йми входного и выходного патрубков, в ящике вырезают пазы.
В Совет.
Делать это лучше по месту, закрепив предварительно нагрева-
тельную панель. Для склеивания ящика следует использовать хоро-
ший водостойкий клей, вполне подходят «Жидкие гвозди».
После изготовления и подгонки всех частей ящика их следует
впитать водоотталкивающим составом (торговое название
fin .' М. < <>«>| it/*• W" ин hi i)
124
Альтернативные источники эн
«Полифлюид») и окрасить синтетической эмалью два раза Сбор
коллектора производят в таком порядке.
Шаг 1. На задней крышке крепят шурупами четыре деревяшн
проставки толщиной 50 мм (следует следить, чтобы проставка
попала под нагревательную трубку).
Шаг 2. На крышку укладывают слой стекловаты с припух
90—100 мм, напротив проставок стекловату раздвигают.
Шаг 3. Устанавливают нагревательную панель на проставки, и 11
пят ее к ним шурупами.
Шаг 4. Вставляют заднюю крышку в ящик, и крепят крышку шу ।
пами к брускам.
Шаг 5. Расправляют стекловату вдоль стенок ящика, и закрепи»
ее в нескольких местах тонкими гвоздями с широкими шайбами.
Шаг 6. Устанавливают на силиконовом герметике защитное стеюн
Шаг 7. Задувают строительной пеной места прохода патрубков
Эквивалентная площадь нагрева солнечного коллектора прим» р'
составляет 0,5 м2.
Сборка гелиоустановки. Полная схема гелиоустановки показан i1
рис. 2.15. Гелиоустановка одноконтурная, термосифонного типа и рц
считана на постоянное подключение к магистрали питающей волы
Теплоизоляция
см
Выходной
штуцер
Штуцер подвода
горячей воды
Труба горячей
воды
Штуцер подвода
холодной воды
Труба подвода
холодной воды
Автоматический клапан Штуцер подвода
питающей воды 1/2"
Бак
Запорный клапан
Лейк.
Троиник • -г
1.1»н и г и и .hi
I'm : 1 f /hxiiiiim M'Miioup.i '«ян
Выходной
_ патрубок
питающей
воды с
Выходной
— патрубок
горячей воды
р>> Используем солнечное тепло для нагрева воды
125
• и j я схема многократно описана, и поэтому не будем повторяться, а
1 ли гое внимание уделим ее техническому воплощению.
1>лк-накопитель — это алюминиевая бочка, которая после пере-
имеет емкость приблизительно 0,3 м3. Для теплоизоляции бак
«*н< рнут двумя слоями минеральной ваты толщиной 50 мм. Поверх
• >ii.i уложено два слоя гидроизоляционной ткани, ткань закреплена
-икой вязальной проволокой. Сверху положен кружок рубероида
В виде юбочки) и тоже закреплен вязальной проволокой. Конечно,
• ниминиевая бочка — это роскошь (просто повезло), вполне подой-
4< । и стальная емкость, окрашенная изнутри водостойкой краской.
Можно попробовать и полиэтиленовую емкость, но при постоян-
В нахождении на улице их долговечность не очень велика. Общее
। ьование к любому типу бака: он должен быть узким и высоким.
Ill । уцера в баке изготовлены из оцинкованных сгонов длиной 100—
I ьп мм. Для подключения солнечного коллектора используются сгоны
М *< дюйма, для штуцера
Нндлчи питающей воды —
11 дюйма. Конструкция
|нгуцера показана на
1«п* 2.16. Отверстия в баке
»н.г|.1ла сверлятся, а потом
•видятся до необходимого
Н iMcrpa напильником.
рубопроводы изготов-
им из металлопластико-
>и । рубы. Работа с ней не вызывает каких-либо проблем и не требу-
к и какой-то специальный инструмент. Она прекрасно режется роли-
•ным труборезом. При больших радиусах сгиба можно обойтись и
• 1 ибочной пружины. Еще одно ее положительное свойство: малое
нцрлвлическое сопротивление. Для теплоизоляции труб использу-
> к п гандартный теплоизоляционный рукав.
В качестве автоматического клапана питающей воды используется
1юил11вковый клапан от сливного бачка унитаза. При выборе клапана
и « кип жопомигь:
♦ ни первых, клапан дол i ей быть надежным, чтобы не лазить
ка кдую неделю наверх;
• но вторых, при сто открыв.шип вода должна вытекать нреиму-
щс< I in нно и I вы ходю и <• о । в* р< । ни । нс ле те и. во iu г стороны.
Резиновая шайба Металлическая шайба
Рис. 2.16. Конструкция штуцера
Гайка 3/4"
Сгон 3/4",
длина 100-150 мм
126
Альтернативные источники эна
На выходной патрубок клапана надета пластиковая трубка, де . I
ющая до дна бака. При отборе воды, холодная вода поступает на дне
бака и вытесняет горячую воду наверх.
Выходной патрубок изготовлен из куска оцинкованной тру("
с нарезанной на одном его конце резьбой Ц дюйма длиной 150 мм
. Труба уплотняется в днище бака аналогично уплотнению штуцере»,
на оставшийся конец резьбы накручивается стандартный шарош-1
клапан (желательно с длинной ручкой).
Соответственно, в клапан вворачивается лейка. По-видимому, луч
шим решением было бы использование плавающего водозаборник i
отбор воды из верхних слоев. Выяснилось, что в жаркий день темпе] >«1
тура воды для мытья слишком высока, поэтому выпускной патруон*
был слегка модифицирован. Между выпускным патрубком и кл
ном был установлен тройник. В него от дополнительного штуцг«
установленного в днище бака, через гибкий шланг и кран подас п |
более холодная вода. Получилось некое подобие смесителя.
Солнечный коллектор установлен под углом 45° и направлен точви
на юг. Конструкция душевой кабинки — произвольная, но она дол мн
выдержать суммарный вес полного бака и ваш. Автор (Е. Карпов) ыы
рил каркас кабинки из трубы 040 мм и угольника 40x40 мм, по i «
крыша сделаны из доски толщиной 40 мм. Конструкция имеет значм
тельный излишний запас прочности, но у меня есть дальнейшие bi им
на перспективы ее использования.
Чтобы система хорошо работала надо выполнить три главны*
условия:
♦ обеспечить хорошую теплоизоляцию всех частей установки;
♦ обеспечить минимальные гидравлические сопротивления;
♦ обеспечить максимальный перепад высот между входным нам
трубком солнечного коллектора и штуцером горячей воды, I
новленном на баке (отмечает Е. Карпов на http://www.next tн1»||
com/articles/sunny/sunny.pdf).
Проточно-накопительный водонагреватель из пластиковых бутылоя
Эти материалы любезно предоставлены К. Тимошенко (http://s.inidelaysam.ru/).
Для солнечного колл гктора подойду • лк»оы< пра 1р.1чпые оу пяль*'
об ЬСМОМ 2 /I И I НОД I .1 И1рОВ IIIIIOII ВОДЫ Л *1 ККП.1 прилично при НИ I •
Ду ЧП, Н 1ДО Хо I И ()Ы ЛИ I ров >0 (>()./1 у Ч 111 <(><>'11. i 111 IOO
И пользуем солнечное тепло для нагрева воды
127
D 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.
I hi и, например 100 таких мини-резервуаров, т. е. бутылок, мы
мим уже 200 литров теплой воды!
i и.еала предполагалось организовать проточность бутылки через соз-
в»! и > нсциальной пробки. Например, с соосными трубками. В одну —
I. в другую — вытекает. Но изготовление массы таких трубок
ч 'н мер, 100 или 200) ничуть
« проще, чем создание нор-
IM н । к н о классического солнеч-

в • коллектора. Поэтому было
Рис. 2.17. Принцип соединения бутылок
го решение поити другим
h ’• м соединением бутылок и созданием из них своеобразной про-
Ф*•нои грубы (рис. 2.17), которая будет одновременно и резервуаром, и
|иь । in ино коллектором. Ну как бочка, только плоская и прозрачная.
II 1мерив диаметр резьбы на горлышке бутылки, автор подобрал
hvpMo, которым в донышке другой бутылке сверлится отверстие.
I. пне всего подошло сверло — кольцевая пилка для сверления отвер-
ни большого диаметра по дереву на 26 мм (наборы таких пилок в
>i > । и и и имеются в продаже и стоят 70—100 руб.).
11ри । аком диаметре, горлышко бутылки достаточно туго вкручи-
Н* > и в отверстие в донышке другой. Иногда приходится поработать
ф>1лым крупным напильником. Да, и предварительно желательно
«I-н перли гь отверстие строго по центру бутылки обычным свер-
|н»। 6 8 мм. Скажу, что сделать это непросто, т. к. именно в центре
>111.1 in к л имеется очень твердый и гладкий прилив — пупырышек.
Coi»eT.
По иному для многоного точного сверления будет лучше сделать
про' пи нькин tom н, ч-по(ч,‘ рло не рыскало.
1 к дукнцги нроол< мои был iniiipoi I 1 < рме। и <Щ1Н'I Воооще говоря,
II И I .1 h (H.I 111 1'П1 О И II При< I .К I II не liptlk/ieilB.K I । Я I II) Ok.l 1.1ЛО1 I.,
128
Альтернативные источники эно|ю
не совсем так. Даже с просверленным отверстием, донышко бутыль
сохранило абсолютную жесткость, и это давало надежду на примни
ние силиконовых герметиков. Следует тщательно обезжирить повсрМ
ности ацетоном, намазать резьбу бутылки и ввинтить ее в доньппь
А потом обильно замазать стык герметиком снаружи. Для надежней и
рекомендуется оставить бутылки неподвижными на 3 дня (скор<н о
ферментации герметика 3—4 мм/сутки, как сказано в инструкции)
Можно ограничится последовательным соединением всего 3 буч ни
лок. Герметичность стыков получилась абсолютная! Кстати, силш- >
так прилип к ПЭТ — ножом не отковырнешь!
За день на солнце (вернее, всего за несколько часов) вода вели
колепно нагревалась даже без всяких дополнительных ухищренл
Таким образом, была получена некая условная ячейка коллектор
водонагревателя, с размерами 0,1 метра (диаметр бутылки) на 1
(длина бутылки 35 см). Т. е. площадь коллектора составила 0,1 м
емкость — 6 л. Нетрудно подсчитать, что на 1 м2 уместится пример»
10 таких модулей, емкость которых составит 60 литров воды. М
эти 60 литров воды солнце ежечасно будет изливать почти по кил-1
ватту энергии! Да эту воду не только нагреть — вскипятить можш
Ну конечно она никогда не вскипит, хотя бы из-за теплопотерь. II»
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, делав
10—20 таких модулей и длиной не по 3, а по 5—6 бутылок (вообще
сколько позволяет площадь крыши, обращенная на юг). Можп
конечно, при помощи шлангов организовать полную проточно» I
всех модулей, но я думаю, это бессмысленно. Поскольку все равно нв
вода греется одновременно и получает одинаковое количество i -пме
в любой точке коллектора. Поэтому соединим наши модули пара ।
лельно! И будем использовать их в режиме бочки: налил — нагрел
использовал (или слил в термоизолированный накопитель).
Чтобы подключить все модули параллельно, потребуется гру<»<
достаточно большого диаметра (миллиметров 50, а лучше 100, наир»
мер, полипропиленовая). Все модули врезаются в нее, так же mi
стыкуются бутылки между собой в модуле (рис. 2.18).
Совет.
у' icnh 7 п гтуштн и /»/»Ihu i 'Uh и hj / в/пл/тн»
i/W/’ ЮМ Л О1П । tytlllJlfhU il < • /iMf-illlfyilOt
; Используем солнечное тепло для нагрева воды
129
Отверстия
Рис. 2.18. Конструкция нагревателя,
размещенного на крыше
просверлить в пробке (и трубе, заодно) отверстие, просто ввин-
тить модуль в пробку.
Модули, разумеется, должны располагаться под наклоном (нижняя
I ирона обращена в сторону юга, общая труба в самой нижней точке
Ьл лектора). В самой верх-
м»и нутылке модуля необхо-
димо просверлить небольшое
•ин рстие, 2—3 мм. С обеих
>н<рон трубы установить по
шпилю. К одному из них
Но фести воду (например, от
«а <>са или водонапорного
ia* и на рис. 2.18 Вентиль 2).
л другой вентиль будет раз-
К'1 »пый, через него будет
Мн питься теплая вода (на
и 18 Вентиль 1).
Рцб’отает солнечный водонагреватель коллектор следующим обра-
ти Вентиль 1 закрыт, и мы начинаем заполнять коллектор водой,
|i h рыв вентиль 2. Вода заполняет бутылки «снизу вверх». Воздух при
0|ом выходит из отверстий вверху модулей. Разумеется, как в сооб-
. иощихся сосудах, уровень воды в модулях одинаковый. Визуально
(редслив, что бутылки наполнились, мы закрываем вентиль 2, и
[нм‘нагреватель начинает свою работу.
I ли нам требуется теплая вода, мы открываем вентиль 1, и нагрев-
in in. >i вода начинает стекать из разборной трубы.
Hoi собственно и все. Все точно так же как в бочке, только воду
1й1>11И коллектор будет греть на порядок эффективнее, чем бочка,
•нвду своей большой площади.
I к много о конструкции. Разумеется, модули желательно уложить
I .ящик», для придания жесткости конструкции. Дно ящика жела-
I» и но сделать из темного материала, поглощающего солнечные лучи.
II hiример, закошить лист железа. Под лист неплохо бы поместить
iiii i'hi юля гор, например гонкий пенопласт или вспененный полиэ-
|н пи («н иоплекс»). Верх ящик л желательно затянуть полиэтилено-
|)'П пленкой или с иклом, •ио()ы ветер не охлаждал бутылки.
/гол наклон.। — MHiiiiMuit.Hi.nl i раду' вв 10—20 30, не более.
Ни НИ рвых, Л< 1(Н IJU Н.Н1(>1>Л< < 011 I IIM.U1I.il Ы II yion 1Ы I. Л<'11.1 ПО OTW0
130
Альтернативные источники *
I I u in uit-зуем солнечное тепло для нагрева воды
131
шению к Солнцу (почти перпендикулярно), а зимой этим коллекго|Л
не пользуются. Во-вторых, это обеспечит минимальный перепад яЛ
ления воды (высоту водяного столба), что немаловажно при налп'1<й
многих стыков бутылок.
D Примечание.
Хотя при испытаниях автор ставил свой трехбутылочный м< < >.
даже вертикально и он «держал» давление в 0,1 атм., при работ*4
бы рисковать не рекомендовал.
Размер всего водонагревателя — на вкус создателя. Для 200 л нош
буется около 110 бутылок, которые займут площадь 3 м2. Правдам
мощность такого нагревателя будет уже примерно 3 кВт!
Можно использовать нагреватель в режиме «налил — вы.hi ••
А можно и устроить рядом с ним термоизолированный бак-накопи i >.
для теплой воды. В хороший солнечный день, 2-метровый, простив
2-х киловатный водонагреватель нагреет вам и полтонны воды!
Заморозков такой водонагреватель не боится (кроме водозапорив
арматуры), Солнце ему тоже не страшно (ПЭТ плохо разлагавпя Л
Солнце).
Разумеется, у такого солнечного водонагревателя есть и недос г.ив
(например, плохая автоматизируемость), однако многое окупаеген в
практически бесплатностью. Посудите сами, на что тут потратив
деньги: труба, пара вентилей и 2—3 тюбика силиконового герме i ин
по 45—50 руб./шт. А бутылки из-под воды достанутся вам в качп t
бонуса при покупке воды в магазине. Подключив к их сбору и пи
комых, вы к следующему сезону соберете несколько десятков, a pit
сотен бутылок, и сможете сделать себе очень достойный и прон нм
дительный солнечный водонагреватель. Итого: 300—500 рублен
симум (!!!), и вы с горячей водой весь сезон!
Единственный недостаток — температура нагреваемой им воды •••
должна превышать 50—55 градусов. Иначе — солнечный коллекчв
разрушится. Проблему термоклея можно решить путем изготон/к нм
штуцеров. Например, взять трубку (алюминиевую ил медную), и и ч*
зать на ее внешней стороне резьбу. И нарой гаек закрепить крыли
бутылке на коллекторе подвод идем воду А ну палку цро< го вкр\ ш и
в собственную пробку.
В принципе гакая гемнература поды ( »() градусов) дш гл|ичы
для вы голых ну .к д Ви 1мо । но, п < ,|мы< । iprii< мг. ин । лег i не i юы| j
tl
Bfeiii н ь эффективность солнечного водонагревателя. Пусть лучше
м । <» недогревает, чем плавится. А в демисезонные месяцы — стоит
И в • юр прикрыть стеклом.
II -нициал у солнечного коллектора-водонагревателя даже в
Ьн и полосе России есть! И потенциал огромный! С апреля по
1»||>1 । (фактически весь дачный сезон) солнечный коллектор-
iH и । сватель должного размера и конструкции может обеспечи-
। "рячей водой обычную семью, экономя при этом сотни ( а может
и* мчи) рублей семейного бюджета, которые тратятся на электро-
и и |’ -ватели и их работу.
имеется, следует придумать что-то более надежное и термоу-
|м< '«вое, чем ПЭТ-бутылки для применения в солнечном коллек-
нодонагревателе. И разумеется — бюджетное. Например, алю-
ФН*”' пыс банки....
< оннечный водонагреватель из алюминиевых пивных банок
но использовать пивные алюминиевые банкй в качестве кор-
М .отечного коллектора и силиконовый герметик в качестве
• I hi пирующего и соединяющего материала. И для банок и для
hiiihii температура в 60—70 градусов (при которых разрушился
Il ну i вьючный солнечный коллектор) просто семечки (отмечает
। I нм.ппенко на http://delaysam.ru/dachastroy/dachastroy98.html).
I'ijiio приготовлено 40 однолитровых пивных банок. При этом
0 и водонагревателя осталась прежней — около 40 л, и площадь
й > ч i мои поверхности — около 0,6 м2.
I 1ы|ц и пришлось вскрывать не как обычно, дернув за рычажок
Ц ipi.iiiiKe, а с помощью консервного ножа со стороны дна, чтобы
крышка» осталась неповрежденной. У остальных консервным ножом
......... резать и дно, и крышку, превратив банки в трубы. Кроме
У । ек 8 ми банок, что будут на торце солнечного коллектора при-
|i•. ' । и пику вырезать узкие отверстия, чтобы вода могла беспрепят-
fiin нпо ынолнять «трубы» солнечного коллектора. И в одной банке
bn пк) отверг гие для штуцера, к которому присоединен шланг.
• inn । N1'I. Перед тем, как начать клеить банки, следует испытать
.и Н10НОНЫИ । рмегик па адк чпю к банкам’ Оказалось, не любой
•Р ан он одинаково прилипчив 11апример, силикон марки «Krass» —
Mhi>. । аг । хорошо Ра |ум< < ин, нанки в< г о(>с i.Kupiiiiaiorc я перед
ill икон
132
Альтернативные источники энер! и»
Совет №2. Берем плоскость (фанера, ДСП, столешница, доскд)
Фиксируем на ней любым способом «первую» банку (термоклс^
скотч, хомут...). Смазав силиконом место стыка, присоединяем к in i
вторую банку с торца и еще одну — сбоку. Оставляем на сутки. II»
следующий день приклеиваем 3—5 очередных банок и т. д. Так можп
получить идеально ровный и герметичный солнечный коллектор. Т *
главное — не спешить!
Полученный в итоге единый блок нужно проверить на герметим
ность и уложить в корпус коллектора, т. е. в ящик из досок, на дп<
которого лежит кусок пенополистирола (50 мм), покрытого фолычш
К штуцеру подсоединяем шланг для заполнения солнечного водой.»
гревателя холодной водой и слива нагретой. Блок банок нужно рл.
положить так, чтобы штуцер оказался в самой нижней точке ящик&
А в той банке, что оказалась выше всех, протките небольшую дырочи»
для выхода и входа воздуха.
Еще раз проверьте блок банок на герметичность и покрасьте банке
черной матовой краской, а сам ящик закройте стеклом. Щели межд<
стеклами заклейте скотчем. Сам солнечный коллектор автор сориен i и
ровал строго на восток, с наклоном примерно градусов 15—20. Не сам.»|
оптимальная ориентация, конечно, но уж так расположена крыны >
автора. Реально солнце начинало освещать солнечный коллектор при*
мерно с 9 утра и уходило практически на «нулевой» угол в 17 часов.
Солнечный проточный водонагреватель
из пенополистирола
Рассмотренные ранее солнечные водонагреватели-коллекторы из п/ы
стиковых бутылок и алюминиевых банок, конечно просты и работоспо-
собны. Однако они имеют один очень существенный недостаток — по
именно накопительные водонагреватели. И работают по принципу «залп *
воду — нагрел — используй». А он хорошо действует только в условия^
когда солнца много. Если вода уже немного нагрета и солнце исчезас i •
облаках (соответственно прекращается и нагрев), то вода в водонагрева »••»»
начинает остывать (отмечает К. Тимошенко на http://ddaysam.ru/dachist и
dachastroy99.html, любезно предоставив этот материал для книги).
D Примечание.
Иными ('?< /ми накопипи-пьныи < < ни чини -oth uni I >‘ннт< н. /ним
т и I - /к 'iui ik ib i < («"Kbiih н uni
fei . Используем солнечное тепло для нагрева воды
133
। )днако сделать проточный водонагреватель от солнца с достаточно
• напой плоскостью облучения (и, соответственно, мощностью) не
Hi просто. Необходимо каким-то образом устроить достаточно боль-
||» плоскость, облучаемую солнцем с одной стороны и омываемую
••"КН1 с другой.
( И)ычно используют всяческие трубки из достаточно дорогих цвет-
ин1 металлов (медь, алюминий), спаянные в частую решетку и т. п.
1 ч и солнечные коллекторы конечно эффективны, но очень трудо-
и в изготовлении и дороги. Это делает бессмысленной саму идею
•< пользования солнечного водонагревателя, так как вместо «бесплат-
• । о» солнечного тепла мы получаем большие материальные затраты,
• < юрые неизвестно когда окупятся.
II процессе обсуждения возможных конструкций солнечного водо-
<»4i|n нагеля на форуме, у К. Тимошенко родилась идея сделать сол-
П1ЫЙ коллектор на основе экструдированного пенополистирола
»l 11К ). Это очень технологичный материал. Он достаточно прочный,
•ншктойкий, выдерживает довольно высокую температуру, легко
। иоатывается, выпускается листами, которые можно состыковать
Il'Vi другом, прекрасный теплоизолятор, относительно не дорог.
1(емкого теории. Проточный водонагреватель отличается от нако-
пи иш.ного тем, что в каждый момент времени нагреву подвергается
0Мпь маленькая порция воды, находящаяся в солнечном коллекторе.
A nt полная масса воды находится в баке-накопителе, как правило,
Ь|1<>1Н() утепленном.
И < од печном проточном водонагревателе используется тот эффект,
|ц> к нлая, нагретая вода немного легче холодной. Поэтому она стре-
niH и подняться вверх (в общей массе воды). И если организовать
•*у циркуляцию, то самая теплая (нагретая) вода будет постепенно
tin швагься в термосе (в его верхней части), а общая масса воды в
1гме повышать свою температуру.
\ ч гобы организовать такую циркуляцию, необходимо поместить
пн чпый коллектор ниже бака-термоса, в самом коллекторе сделать
»»<> । (ишее холодной воды внизу, а выход нагретой немного выше.
/I in нормальной работы и организации циркуляции воды достаточно
1п.1*н1 гслыюго перепада высот.
11 потопление солнечного водяного коллектора. Лист ЭППС имеет
|М«м< р примерно 60x1.’() см (0, м ), что более чем достаточно для
•» in рнMei11 а Во нр< мя получении солнцем на i а кую площадь будс I
Мина । ь около ’<>() <>00 Bi n ii'hiiioii Hiipinii (или около 4)00 кДж)
134
Альтернативные источники эн»-|>
Используем солнечное тепло для нагрева воды
135
Теоретически, этого тепла должно хватать, чтобы нагревать до 60 ’
примерно 10 л воды в час (при непрерывном солнечном облучении)
Чтобы превратить лист ЭППС-а в солнечный водонагреватель. |
пенополистироле необходимо устроить зигзагообразную канавку
течения воды. А собственно теплоприемником будет выступать /нь i
металла, наклеенный на пенопласт.
В Примечание.
Хорошо бы, конечно использовать лист алюминия, но это уже 4
будет «бюджетно», поэтому можно обойтись листом тон
оцинкованной стали.
Прежде всего, размечаем лист пенопласта. Для наиболее эффект»
ной работы солнечного коллектора необходимо, чтобы объем во<м
находящийся в нем был минимальным. Тогда она будет быстро ир«
греваться, даже если солнце вышло всего на несколько минут, а ци|
куляция будет быстрой. С другой стороны, площадь контакта воды
металлом коллектора должна быть максимальной. Т. е. перегороди!
между канавками должны быть как можно уже.
Следует также учитывать, что чем меньше сечение каналов, i
больше будет гидродинамическое сопротивление, которое затрудни* I
циркуляцию. И наконец, исходя из предполагаемой конструкции ю*.
нечного водонагревателя, следует определить, как будут расположгпи
вход и выход в коллекторе. Если с разных сторон, то число канале»
должно быть нечетным. А если с одной стороны — то четным.
Решив все эти задачи, можно нарисовать схему расположения кап.
лов на листе ЭППС и прорезать каналы.
Совет.
м Для облегчения циркуляции воды в коллекторе, каналы лучин
делать с небольшим, 2-3%, наклоном снизу-вверх.
Прорезать каналы в листе пенополистирола лучше всего электрп'н
ским резаком. Резак представляет собой небольшой отрезок толе юл
нихромовой проволоки, изогнутой по форме сечения капала. Мо ьп<
сделать такой резак из небольшою бруска, прибинтовав липкой лен
той по его краям толстые алюминиевьк провод i la кап • одной с i*«
рои ы или лги гам и нихромовую проволоку, < Kpyiон прикрепи к при
пода идущие ь i pain форма iор\
11ц горцах листа пенополистирола с помощью герметика вклейте
bv *i п для входа и выхода воды. Затем вырежьте с помощью электро-
Ь шка необходимый по размерам лист оцинкованной стали.
□ Совет.
Использовать ножницы по металлу не рекомендуется, так как они
дадут заусенцы на краях.
। мажьте все плоскости листа полистирола герметиком (по пери-
bipy и промежутки между каналами) и обезжирьте оцинковку аце-
*•*»!<IM, уложите ее на место и прижмите гнетом. Сушить следует пару
|1йп 11осле этого для проверки герметичности и измерения объема
в пи много коллектора залейте его водой. Оцинковку покройте чер-
ФШ матовой краской.
I рлсок, способных прочно пристать к оцинкованному покрытию
i.iк много. В основном — это акриловые краски. Обычно это т. н.
1Д1 пае, светлые краски.
Можно обойтись и обычной грунтовкой. Она пристает к цинку, но
|1 прочно. Однако учитывая, что солнечный коллектор будет эксплуа-
I । оваться «под стеклом», такой прочности достаточно.
Солнечный водонагреватель своими руками
1 I *;ли па вашей даче еще нет электричества и газа, то нагрев воды
aj.>• щ гавляет определенную трудность. Решение может быть одно —
|д< *1.1 н> солнечный водонагреватель для душа, который предложил
I .1 верин, г. Самара.
1|<н мотрите на рис. 2.19, на нем приведена принципиальная схема
йщипагрсвагеля.
< < мшенный коллектор площадью около квадратного метра (он обя-
• и •/пак) окрашен в черный цвет для лучшего поглощения солнечной
»п> । inn) поглощает солнечное тепло и нагревает воду в змеевике,
и ин по*, гь теплой воды меньше, чем холодной. Поэтому она подни-
ми н я вверх и переливается в бак емкостью 100 л.
И Примечание.
/ <him т и иное у тит не ('опустить образования воздушных
проСкцу и п\ ibipeti и t in теме Л* циркулирует <кхы ()*»>/ апого йоста
Ли*чн(> (и >ить (>ик .*«»/» ttHHiHi.i
136
Альтернативные источники энер<
Рис. 2.19. Конструкция солнечного водонагревателя для душа
Рассмотрим, как сделать такой водонагреватель. Бак можно свари 11
из листового железа или использовать готовую емкость — металлич-
скую бочку, вварив в нее трубы. Змеевик можно собрать из сталып.и
труб с наружным диаметром 15—18 мм. Собранный змеевик приви
ривается к листу железа для лучшей теплоотдачи. Кожух водонагрева
теля может быть собран из многослойной фанеры толщиной не меп' •
10 мм. Для надежной теплоизоляции бака внутри кожух должен бы н
заполнен листовым пенопластом толщиной не менее 10 мм.
0
Совет.
Для наилучшего нагрева солнечные лучи должны падать на пое р
ность коллектора под прямым углом.
Поэтому завершает рабог
крепление опорных элементов конструкции.
Благодаря тому, что задний опорный элемент может перемещать »
упрощается регулировка угла наклона водонагревателя по отношешп-
к Солнцу.
ГЛАВА 3
ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ СОЛНЦА
ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
3.1. Достоинства солнечной электроэнергетики
Перспективы развития
h i оргия Солнца экологически чистая уже потому, что миллиарды
•. । поступает на Землю, и все земные процессы с ней свыклись. Поток
точной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и
< имально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уни-
»• н.ныи земной климат.
I Ич колько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт-ч
• " in очной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, полу-
Ъмой от сжигания 2х1012 т условного топлива. Эта величина сопо-
|га»шма с мировыми топливными ресурсами — 6х1012 т условного
11 ши на. Так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать
и< iiiiibiM источником света и тепла на Земле, отмечает доктор физико-
сматических наук Б. Лучков (http://www.pomreke.ru/energy-future/).
11ричина медленного развития солнечной энергетики проста: сред-
хин поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего
к- । ила, очень слаб.
Н Пример.
Например, на широте 40й он составляет всего 0,3 кВт/м2 — почти
в пять раз меньше того потока, который приходит на границу
атмосферы (1,4 кВт/м2). К тому же он зависит от времени суток,
сезона года и погоды.
Ч ю()|.| усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с боль-
шип площади с помощью концентраторов и запасать впрок в акку-
Цул»п(>р.1Х Пока по удасг< и сделать в гак называемой малой эперге-
шю , преди । Hui'icniioii щи i ii.io-i гния < петом и теплом жилых домов
Il IK (н VII IIIIIX нргднрпн тин
138
Альтернативные источники эн<-|>1
Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечив
электроэнергией, например, небольшой завод, более других paciipd
странены СЭС башенного типа. Эти СЭС имеют котел, поднят^
высоко над землей, и большое число параболических или плосм..
зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни.
Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнц.» I
направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом n.t
так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие гу|«|
бину с электрогенератором.
Солнечные электростанции мощностью 0,1—10 МВт построен-
во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Японииi
Не так давно появились проекты более мощных солнечных электрЛ
станций (до 100 МВт).
В Примечание.
Главное препятствие на пути их широкого распространения г nJ
нечных электростанций— высокая себестоимость электроэн^
гии: она в 6—8 раз выше, чем на ТЭС.
Но с применением более простых по конструкции, а значит, и бот
дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываем-
солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.
Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света
Существуют два основных способа преобразования солнечно»
энергии:
♦ фототермический;
♦ фотоэлектрический.
В первом, простейшем, фототермическим, теплоноситель (ча»п<
всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающн(
труб) до высокой температуры и используется для отопления пом(
щений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы и-
освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой шер
гии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — генловы чп
аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими
Солнечный коллектор простои кош грукцнп площадью I »»
за день мокет п.преть И) 70 л воды до нми-р.нуры КО НО (
11 Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии
139
пользование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей
>1- | многие дома в южных районах.
И Примечание.
И все же будущее солнечной энергетики за прямым преобразованием
солнечного излучения в электрический ток с помощью полупрово-
дниковых фотоэлементов —солнечных батарей.
I те в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов
доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического
• нм гута (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого вопло-
1»| |>и 1> в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спут-
Н*о» ^емли, главным энергетическим источником которых стали
«•in ли солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет актив-
Ви продажа солнечных батарей.
Солнечные элементы — принципы работы
। ни печные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, кото-
напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая
• । в hi коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготав-
Ввии-ня из кремния (химический символ Si). Устройство солнечного
В...... показано на рис. 3.1.
|нн1.| солнечных элементов. СЭ может быть следующих типов:
• монокристаллический;
• иоликристаллический;
• »1 морфный.
Га ишчие между этими формами в том, как организованы атомы
||*<>||1н>1 в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразо-
|е<|ц>| шергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют
Свет (фотоны)
------Передний контакт
Отрицательный слой
Слои отклонении
I |О1ЮЖИ11)ЛЫ11<1Й слой
Задний «4и11 ок ।
1 1 III/>< >Hi II It-.1ИГ1ЛН.1 НЛ’ЛТи Iflthl
140
Альтернативные источники энв<
почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных
аморфного кремния (http://www.solarhome.ru/ru/basics/).
Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния р
ной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контакн<
и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характер
ный синий оттенок.
В последние годы разработаны новые типы материалов для ( •
Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из Gib
(теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерч^ Л
используются.
КПД солнечных элементов:
♦ монокристаллические — 12...15 %;
♦ поликристаллические — 11... 14 %;
♦ аморфные — б...7 %;
♦ теллурид кадмия — 7...8 %.
Пиковый ватт. СЭ производит электричество, когда освеща. i • •
светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в B i/m*|
солнечный элемент производит больше или меньше электричек 1й*
яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень ю
предпочтительна, чем электрический свет.
Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называем
номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мо>в
ность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wр, — это мера нн.»
сколько электроэнергии может произвести фотоэлектриче< i
модули при оптимальных условиях.
Для определения и сравнения номинальной мощности солнеч.....
панелей, выходная мощность измеряется при стандартных теснин ••
условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
♦ освещенность 1000 Вт/м2;
♦ солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света);
♦ температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективл1м ц
СЭ падает при повышении его температуры).
IjR] Пример.
Illi Кристаллический кремниевый СЭ с размерами 10х 10 см имеет nt.
вую мощность примерно 1,5 И/р. Большим тио панглей с площо
1 м2 если они сделаны из кристаллических ki пмниепых укмепп
имеют номинальную мощность около Ню Нт
I И( пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии 141
Фотоэлектрические модули
• печные панели состоят из солнечных элементов. Так как один
.. <н. чный элемент не производит достаточного количества электро-
hl <1<| пи для большинства применений, солнечные элементы собира-
< । и i олнечных модулях для того, чтобы производить больше элек-
МНв'нч гва.
•...и/шечные панели (также называемые фотоэлектрические или сол-
Н nii.n1 модули) производятся многих типов и размеров. Наиболее
...... — это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью
Н I60 W (пиковый ватт, т. е. мощностью максимум в 40—160 Вт
ярком солнце). Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до
• • о
• 1/пыко, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен
ке. Солнечные панели (PV panels) могут соединяться между
солнечные батареи (arrays) для того, чтобы получить большую
Ir'Mikh ib. Например, 2 модуля по 50 W , соединенных вместе, экви-
Н ...... модулю мощностью 100 W .
1 НД доступных в продаже модулей варьируется в пределах
► IV1., Это значит, что 5—15% от количества энергии, падающей
»и и и чный элемент, будет трансформировано в электричество.
" 1«д<п ательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые
Ьнри.шы для СЭ с более высоким КПД (до 30%). Стоимость произ-
h«<> । еы 1акже очень важна. Некоторые новые технологии (такие как,
пщнмер, тонкопленочные), позволяют производить СЭ в больших
to»* »н । жнх, что значительно снизит стоимость элементов и модулей
Сколько прослужат солнечные батареи?
। и'пк чные батареи были испытаны в полевых условиях на многих
। iiiinntK.ix. Практика показала, что срок службы солнечных батарей
Hiii.iih.ict 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе
• 111Л < »К(>ло 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно
I <»•'<.
I н 11 м о( / разом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных
ни» рис галлических модулей 30 и более лет. Поликристаллические
r. 'in обычно работают 20 и более лег. Модули из аморфного крем-
। I ИН1КОПЛСЛОЧНЫС, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое
* г пне гонкопш ночных irxHOHoi ни) до 20 (второе поколение тон-
< НОЧНЫХ 1Г.ЧНОЛО1 НИ ) Л<’1
142
Альтернативные источники энерк
Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до НИ|
мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, около 90% рын J
фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют криста »
лические кремниевые модули.
Другие компоненты системы имеют различные сроки служит
аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силоии
электроника — от 5 до 20 лет.
Ток1
Напряжение, В
Рис. 3.2. Важные точки вольтамперной
характеристики, которые характеризуют
солнечный модуль
Точка максимальной
мощности Р = 1р х Vp
Вольтамперная характеристика солнечной батареи
Солнечный модуль может работать при любой комбинации наир»
жения и тока, расположенным на его вольтамперной характеристик
(ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в даншв
время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими хар.н«
теристиками цепи, к которпф
данный модуль (или солнечн ।
батарея) подключен (рис. 3.2)
Напряжение, при котором
ток равен 0, называется напри
жением холостого хода (Vot) ц
другой стороны, ТОК, При KOI И
ром напряжение равно 0, на зы
вается током короткого замыкм
ния (Isc). В этих крайних точка!
ВАХ мощность модуля равна 0
На практике, система работает при комбинации тока и напряжении
когда вырабатывается достаточная мощность.
Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности
(ТММ, или МРР). Соответствующие напряжение и ток обозначаю и •
как Vp (номинальное напряжение) и 1р (номинальный ток). Имение
для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солш ч
ного модуля.
Можно найти все эти параметры — (Voc, Isc, МРР, V, 1р) — на шил J
дике или прилагаемых к модулю характеристиках (заметьте, чго V и
1р также называются номинальными значениями.
Примечание.
Однако н< ранни пннлит получить номиначиную мощно. т<
чпши . о ни иной чапы/ь и » <лн *//< чтойы t oopanihi*
। Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии
143
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
Н<» «можно создание системы электроснабжения на солнечных
«реях различной сложности. Наиболее простая система имеет на
Ьынодс низкое напряжение постоянного тока (обычно 12 или 24 В),
системы применяются для обеспечения работы освещения и
•<ьиц|.|пой нагрузки постоянного тока в доме — радио, телевизор,
Ь>|6ук, магнитофон и т. п. Можно использовать различные автомо-
йип.ные аксессуары, вплоть до холодильников.
Внимание.
При этом необходима прокладка отдельной проводки постоян-
ного тока со специальными розетками и вилками, которые исклю
чают неправильную полярность подключения.
При подключении светильников с лампами постоянного тока
«♦<•(14идимо также соблюдать полярность и следить за тем, чтобы при
«и* in. ламп они имели такую же полярность подключения, как и тс,
tiHiipbie использовались ранее. В противном случае возможен выход
и * । р< »я ваших потребителей.
I впивая схема такой системы приведена на рис. 3.3. Обычно такие
•а< и мы применяются, если максимальное расстояние от аккумуля
р-р । в» самой дальней подключенной нагрузки не превышает 10—15 м,
мощность — не более 100 Вт.
Ирл пом надо следить за тем, чтобы падение напряжения при всех
*» (Ирк иных потребителях в самой дальней точке было в пределах
В»ву< шмого (обычно не более 10%). Для правильного выбора сечс-
...... вы можете воспользоваться справочной информацией по
inibiipy (. чепия провода исходя из допустимого падения напряжения
If'bh гкс шектропроводки.
I • ни у и.н нагрузка превышает ука «анпые рекомендованные мак
IHM.1'ii.Ki.K П1ЛЧГП11Я, или погреби и ли ыектроэнергии находя тся на
hi < in । ел i.i юм рас i гоя и и if о i а к к умул и i < >ра, псоочодимо доОави I в в
I 1Г К му lllliu prop
144
Альтернативные источники
Рис. 3.3. Типовая схема простейшей системы
0 Определение.
Инвертор— это преобразователь постоянного тока ни и
напряжения от аккумуляторов в 220 В переменного тока.
В этом случае вы сможете питать практически любую бытовую Hai р) ч
суммарной мощностью, не превышающей мощность инвертора.
Система электроснабжения автономного дома с выходом перем - и
ного и постоянного тока на базе фотоэлектрической солнечной б.п •
реи включает в себя практически те же компоненты, что и схема
рис. 3.3, плюс контроллер заряда аккумуляторной батарея, а имени*
♦ солнечная батарея необходимой мощности;
♦ контроллер заряда аккумуляторной батареи, который прсдлЛ
вращает губительные для батареи глубокий разряд и перезарш
♦ батарея аккумуляторов (АБ);
♦ инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
♦ энергоэффективные нагрузки переменного тока.
В|
Для обеспечения надежного электроснабжения необходим резер в т
источник электропитания. В качестве такого источника мо*
быть небольшой (2—6 кВт) бензо- или дизельэлектрогенерапюр
Введение такого резервного источника электро шергни ре ко < окр<
щает стоимость солнечной батареи из л <>п у г гния необходимо! м»
рассчитывать се па худшие возможные уелпнпн (и*•< колько днен
солнца. плуаглцня шмон и г. п )
Mfrn-.ni, »уем энергию Солнца для выработки электроэнергии 145
I «шм < лучае в систему также вводится зарядное устройство для
Ным<> »аряда (в течение нескольких часов) АБ от жидкотоплив-
И к । рогенератора. Возможно применение блока бесперебойного
...и и котором возможность заряда АБ уже встроена.
петрим пример комплектации фотоэлектрической системы
I»р.н иабжения. На рис. 3.4 приведен вариант системы для элек-
|hi и» ксния удаленного жилого дома.
Рис. 3.4. Система электроснабжения жилого дома
ftI и । маются следующие исходные данные:
• . ।очное потребление энергии 3 кВтхч (среднестатистические
<иные по России);
• приход солнечной радиации — 4 кВтхч/м2 в день (средний при-
F |'»д солнечной радиации для европейской части России летом);
• м,но имальная пиковая мощность нагрузки — 3 кВт (можно од-
щсменно включить стиральную машину и холодильник);
• ...свещения используются только компактные люминесцент-
ni h ымпы переменного тока;
• и пиковые часы (максимальная нагрузка, например, когда вклю-
I. и и стиральная машина, электрокипятильник, утюг и т. п.) для
ир« до । вращения быстрого разряда АБ включается бензиновый
и пи дизельный электрогенератор.
Н Примечание.
• нератор также будет включаться при пасмурной погоде, еслиАБ
/ми кается до нижнего допустимого напряжения
»1<| 1мо кпо включение ген- ратора как в ручном режиме, так и пол-
। и ю и нпом.н ич<1 ком В последнем <. гучас система также должна
н й । it 11. модуль ан । ома । и чы мни мп утка и ос га ион л i г пера гора, а
146
Альтернативные источники энм
сам генератор должен быть немного доработан для возможности и<»
ключения системы автоматики.
Если необходимо минимизировать время работы жидкотоплн»
ного электрогенератора с целью сохранения топлива, солнечно
фотоэлектрическая система электроснабжения будет состоять из »*•
ментов со следующими параметрами:
♦ пиковая мощность солнечной батареи равна 1000 Вт (вырабоЛ
до 5 кВтхч сутки);
♦ минимальная номинальная мощность инвертора — 2 кВт с но»
можностью кратковременной нагрузки до 4 кВт, входное наир»
жение 24 или 48 В;
♦ аккумуляторная батарея общей емкостью 800 Ач (при напри
нии 12 В), что позволяет запасать до 4,5 кВтхч электроэн pi •»
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 тот I
150 А (может быть встроено в инвертор;
♦ кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автом.ю
разъемы, электрощиты и т. п.)
D Примечание.
Стоимость такой системы при существующих ценах на компЛ
тующие будет около от 400 до 700 тысяч рублей.
Если допустимо увеличение времени работы дизель-генераи1|
стоимость системы можно снизить за счет его более частого включ*
ния. В этом случае:
♦ энергия от солнечной батареи будет использоваться для элек1|«в
снабжения минимальной нагрузки — освещение, радио, телеви ц ,
♦ генератор будет включаться несколько раз в день, в зависимо»
от выбранной емкости АБ.
При этом начальная стоимость системы снижается как за . чг!
уменьшения пиковой мощности солнечной батареи, так и за сче г и••
жения емкости АБ.
Т акая оптимальная система для электроснабжения жилого доМ1
может состоять и i следующих компонен юн
* солнечной баирси < пиковой мощно» и»ю ПИ) 100 Вт;
• 1П1В< р юра Мощно» । ыо I кВ) п\одн»н и шри м ин» 1 или |Х|
I Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии
147
• аккумуляторная батарея общей емкостью 400—600 Ахч (при на-
пряжении 12 В);
• контроллер заряда на ток до 40—50 А (при напряжении 24 В);
• дизельгенератор мощностью 4—6 кВт;
• ырядное 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 комплек-
** тующие будет около 300—500 тысяч рублей.
При этом необходимо учитывать, что возрастут эксплуатационные
* оды за счет большего расхода топлива.
1.2. Самостоятельное изготовление простейших
солнечных элементов
Простейшая самодельная солнечная батарея
»i а конструкция рассматривается в познавательных целях, т. к. она
И очень эффективна при высокой цене Цена одного КД202 состав-
। М) руб. Итого на 4 блока по 5 шт. понадобиться 20 диодов.
но примерно 1000 руб., не считая универсальных разъемов для
ВАключения разных устройств. При этом устройство генерирует
♦.-.иря кение 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.
Н хозяйстве радиолюбителя всегда найдутся старые диоды и тран-
1< юры о! < гавших ненужными радиоприемников и телевизоров.
\м< лыч руках »то — ботат< то, коюрому можно найти дельное при-
ми пи< I l.inpiiMcp, сделать полупроводниковую солнечную батарею
। ни । । и it 1 и походных лови ж 1 рш ни lopnoi о радиоприемника.
148
Альтернативные источники эн<
Как известно, при освещении полупроводник становится исг*п
ником электрического тока — фотоэлементом. Этим свойством мы в
воспользуемся (http://electro-shema.ru/zl l.htm).
Сила тока и электродвижущая сила такого фотоэлемента завис и i
♦ от материала полупроводника;
♦ от величины его поверхности;
♦ от освещенности.
Но чтобы превратить диод или транзистор в фотоэлемент, нулЛ
добраться до полупроводникового кристалла, а, говоря точнее, пя
нужно вскрыть.
Последовательность работ представлена на рис. 3.5.
Р|л । Ч. //(>< чггц./ии mt- ptrfioin по < оиМмнк> < fhnnapru
I И< пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
149
Примечание.
Энергия, вырабатываемая одним фотоэлементом, очень мала,
поэтому их объединяют в батареи. Чтобы увеличить ток, отда-
ваемый во внешнюю цепь, одинаковые фотоэлементы соединяют
параллельно, а для увеличения напряжения — последовательно.
I 1<» нлилучших результатов можно добиться при смешанном соеди-
Jliiim, когда фотобатарею собирают из последовательно соединенных
рни. каждая из которых составляется из одинаковых параллельно
Лишенных элементов.
Предварительно подготовленные группы диодов собирают на пла-
Ifwiir и гетинакса, органического стекла или текстолита. Между собой
♦ч.... к гы соединяются тонкими лужеными медными проводами.
(Q
'll
3 Совет.
Выводы, подходящие к кристаллу, лучше не паять, так как от высо-
кой температуры можно повредить полупроводниковый кристалл.
II । 'сгину с фотоэлементом поместите в прочный корпус с про-
♦I • «ной верхней крышкой. Оба вывода подпаяйте к разъему — к нему
I < । подключать шнур от радиоприемника.
< л >л печная фотобатарея из 20 диодов КД202 (пять групп по четыре
I и мельно соединенных фотоэлемента) на солнце генерирует напря-
• ini'- до 2,1 В при токе до 0,8 мА. Этого вполне достаточно для того,
muhi.i питать радиоприемник на одном-двух транзисторах.
Самодельная солнечная батарея
М< > । j ю сделать простейшие собственные солнечные батареи в кухне из
ин риалов из хозяйственного магазина (www.scitoys.com). Предлагаемая
. < нвгшая батарея будет сделана из оксида меди вместо кремния. Окись
to» in один из первых материалов, в котором ученые открыли фотоэ-
м-1 । ричсский -ффект, в котором свет заставляет электричество течь в
И нсрнллс. Фо го и подробности см. на http://electro-shema.ru/zl l.htm.
Материалы:
• /пн । меди из хозяйственно!о магазина. Он обычно стоит при-
блн in I льн<» I '>() pyh. ui 1 м . 11ам ну кно примерно 45 см2;
• два 1Л KIIM.I ’-кроКОДИ/11.'ШКЛ« ;
150
Альтернативные источи!*®
♦ чувствительный микроамперметр, который может । . v
промежутки между 10 и 50 микроамперами. Можно ши •<
вать и обычный;
♦ электрическая печь не меньше 1100 Вт, чтобы горелка . гим
лась красной;
♦ пластиковая 2-литровая бутылка с отрезанным горлышком I
♦ 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 pa im< п
электрическую плиту. Помойте руки, чтобы не оставлять i щ к
или других пятен. Также вымойте медный лист с моющим cpcufj
чтобы смыть с не! о жир. Используйте наждачную бумагу или н ц > • ц
ную щетку, чтобы полностью убрать медное защитное покры ы< ।
чтобы любой сульфид или другая легкая коррозия были уда ж ны
Затем положите чистый медный лист на плитку (электриш • w и
включите ее на максимум.
Медь начнет нагреваться и окисляться, вы увидите кр.к »»н
красно-оранжевые пятна на ее поверхности. Когда медь нагрет н i <
больше, разноцветные пятна станут заменяться черным цв< intfi
оксидом меди. Все цвета исчезают, когда спираль уже красна»
Когда горелка будет пылать, лист меди будет покрыт черным
ным оксидом.
Совет.
Позвольте ей пожариться еще полчаса, таким образом, черт mH
тие будет толстым. Это важно, так как толстое покрытие • ьН
ится легко, в то время как тонкое останется, прилипнув к меди
После получаса «кулинарии» выключите горелку. Осины, i•
чую медь на горелке, чтобы медленно охлаждаться. Если вы okb.kiB
ее слишком быстро, то черная оксидная пленка прилипнет к меди
Поскольку медь охлаждается, она сжимается. Черная медиа» <и »м|
также сжимается. Но они сжимаются с разной скорое! ыо, ч го ы< ।«в
ляет черную медную окись отслоиться.
Когда медь охладилась до комнатной температуры ( >го мнимой
прибли <и 1 ельпо 20 мин ), большая час гь черной оксиднон пж н||
у йдс г.
»*> iy«’M энергию Солнца для выработки электроэнергии
151
Мн> очищение вашими руками под проточной водой удалит
Ь||н< । но маленьких кусочков. Не пытайтесь отдирать неподдаю-
......... и не сгибайте лист — можете повредить тонкий слой
• тп, а как раз он нам и нужен.
мшиая часть сборки очень быстрая и простая. Обрежьте вто-
меди под размер с первым (нагретым). Аккуратно согните
in, । 1ким образом они войдут в пластмассовую бутылку, не
Ь яруг друга.
Ifvoo ни гс «крокодильчики» к обеим пластинам. Соедините провод
। hi меди к плюсу, а провод от пластины с оксидом — к минусу.
fe • -и шайте пару столовых ложек соли в небольшом количестве
Ниды из-под крана. Размешивайте, пока вся соль не раство-
। Аккуратно вылейте смесь в бутылку (где пластины), оставив
। ни ,5 см о г краев пластин.
|Ъ< ин меди — полупроводник. Он является промежуточным про-
»им где электричество может течь свободно, и изолятор, где
сильно связаны с их атомами, и не текут свободно.
I Ин i\проводнике есть промежуток, названный запрещенной
Ьй •»< кду;
b Дн«к । ролами, которые связаны сильно с атомом;
1 4'11 к । ролами, которые более далеки от атома, который может
Переместиться свободно и провести электричество.
• | । ролы не могут остаться в запрещенной зоне. Электрон может
• i ll ко немного энергии и переехать от ядра атома в запрещенную
» к-к грон должен получить достаточно энергии переместиться
Ш|>> di ядра, за пределами запрещенной зоны.
! и и» гак же электрон вне запрещенной зоны не может проиграть
Mei и шергии и упасть только немного ближе к ядру. Это должно
• । >111» достаточно энергии упасть мимо запрещенной зоны в
К и. । де можно электронам.
||н г» олнечный свет поражает электроны в оксиде меди, некото-
Н и । »л<к тропов получают достаточно энергии от солнечного света,
। подг коми гь мимо запрещенной зоны и стать свободными про-
Й1*| '/в мри чес гво. Батарея производит 50 мА в 0,25 В.
। 1111|||>д11ыс >лектроны перемещаются в соленую воду, затем в
11 •, in медную пл.и i ину, в провод, через амперметр, и назад к окис-
Мн<>|| ii/i.n пин*. Иш коньку HivKiponi.i перемещаются через ампер-
lip мы видим рл6о1 у (ампер) Когда тень падает пл солнечную бага-
Я* ни к । рои ы дни I.) 11 я мед/и и in < и миллнам i и р меньше
152
Альтернативные источники si
3.3. Практические конструкции
солнечных батарей своими руками
Складная походная солнечная батарея
на кристаллических фотоэлементах I
В батарее были использованы четыре сборки из кристаллине» ш»
фотоэлементов, приобретенные на сайте www.vampirchik-sun.nin <•
Их характеристики будут рассмотрены в п. 3.4. Каждая сборка номв
нально давала приблизительно 2,2 В, 0,7 А. Внешний вид готовой м и
струкции представлен на рис. 3.6. Остальные фото в цвете от авк^
Андрея Шалыгина см. на http://mobipower.ru/modules.phpTname b •
s&file=article&sid=227. Я
Батарея имела выходное напряжение до 10 В. Батарея состояла m
четырех секций, которые складывались в книжку. Крепление межД
пластинами было выполнено с помощью пружины от старых кал*ф
дарей, или тетрадей (рис. 3.7). fl
Каждая пара пластин имела отдельный выход. И их можно бы i
подключать:
♦ либо последовательно для получения большего напряжения.
♦ либо параллельно, если ну-
жен был больший ток, на-
пример, при зарядке от 1 до
4 пальчиков АА, либо ис-
пользовать независимо.
Выводы солнечных элементов
после пайки были герметизиро-
ваны клеем. Поэтому дождь такой
солнечной батарее не страшен.
Хотя разъемы желательно беречь
от влаги. Сами же провода пре-
красно расположились внутри
витков пружины-шарнира. Для
дополнительной надежности про-
вода в пружине были пропущены
в трубке.
Как известно, кристалличе-
ские фо го элементы нс гсрши гру
бою обращ< ноя и ударов Д 1Я их
I Hi пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
153
bttiin ы был использован материал, который применяется при изго-
к нии рекламных конструкций. Он представляет собой трехслой-
• . ► п.hi ель, наружные слои которой сделаны из алюминия, а середина
Цнм'шена пластмассой. Он довольно легкий и при этом прочный,
^•i । и чески не гнется, особенно при таких небольших размерах.
/bin установки ламината с фотоэлементами, алюминий и пластик с
Ципи v тороны срезались по размеру ламината. В получившееся углу-
| лис вклеивался ламинат. Получилась достаточно жесткая и легкая
•♦«»• । рукция. Да и внешний вид неплохой.
И общем, получилась вполне рабочая и надежная конструкция. И,
I. • и и ря на то, что были использованы хрупкие кристаллические эле-
се вполне безопасно брать с собой на природу.
• индий вес конструкции — около 400—500 г. Ламинат с фотоэле-
• -и »ми клеился на эпоксидку, ей же заливались все открытые кон-
।»». 11 «... и дождь, и снег ей были нипочем» (снега, конечно, не было
b цн усте), но воду лучше было смахивать — увеличивался ток).
(»4нпинаться и впитываться воде было негде, поэтому батарея шла
Ципи «анной к байдарке, оставалась под дождем. Пряталась только
|И»> । рнческая часть с заряжаемыми устройствами.
I • hi такты после пайки в разъемах надо действительно чем-то зали-
Bjfc «раз и навсегда» и ничего им не будет.
II» с четыре пластины были соединены последовательно. Один
В||иц непосредственно прямо с пластин, другой через диод, кото-
н>< ниже прекрасно расположился в центральной трубке внутри
«Г t ины-шарнира.
I In > олостом ходу тестер фиксировал 12 В с небольшим, а вот ток —
♦ . i.H/ibiiie 400 мА, что заряжало через авто-«лягушку» аккумуляторы
।" । «пых, фотоаппарата, до 6 шт. АА и ААА. Полностью автору аккуму-
Ф«|»>1 ы ыряжать не получалось (много было желающих), но за 3—4 ч.
»» иШ.1», фотоаппарат, сотовые с MP3 работали по 1—3 дня.
II пичлле похода автор переживал за хрупкость конструкции, но на
•f»i । и к» она многое выдержала: падения, удары, сжатие с обеих сто
.....л .к тин. Витые пружинки от те гради (69 листов) практически не
Ционяли пластинам соприкасаться (амортизировали), если только
й| и » нлыюм . жатии, и на деле но пи к чему плохому не привело, ила
• «biii.i < онрика ались painioMi рпо.
Но iH piiMcipy солнечной baiapcii пыли сделаны отвергши /pin ее
• । »и* л (поды <. а)
154
Альтернативные источники эн
Самодельная солнечная батарея, залитая эпоксидкой на стекле
Рассмотрим опыт создания создании более мощной, но уже с1
ционарной солнечной батареи, из ФЭП (фото электрических н|
образователей) на эпоксидной смоле. Для создания были приоч
тены (Андрей Шалыгин, http://mobipower.ru) сами ФЭПы на зав<ч
изготовителе: ОАО «ПХМЗ» (Подольский химико-металлургическ
завод) в количестве 50 шт. (1 упаковка) за 4000 руб. 4
Толщина ФЭПа — 0,2 мм, они очень хрупкие, поэтому при шин
необходимо соблюдать температурный режим (380 °C). Иначе Ф »•
лопается.
Оптимальным оказался вариант использования для пайки го гоп »
облуженной медной шинки, используемой по такому же назначение
(спайка ФЭПов) на предприятии «Телеком СТВ» г. Зеленоград.
48 последовательно соединенных ФЭПов выдавали холостя
напряжения 26 В. Ток, который шел в нагрузку — зарядку 10 послсЛ
вательно соединенных свинцовых банок по 1,2 В емкостью 2000 А |
(используются в железнодорожных локомотивах, каждая весит окне
10 кг) составлял выше 5 А (!). При этом напряжение проседало до 11 *
Зарядка проводилась напрямую по довольно-таки большому сечение
провода практически без потерь, только один диод. Этот показа i • I
был достигнут при облачном небе, т. е. далеко не предел.
D Примечание.
Автор отмечает, что ток короткого замыкания он даже не и im*
рял, так как переживал, что перегорят соединяющие ФЭПы
(при замере протекающего тока между контактами проскакивал
даже не искры, а маленькие электрические дуги, как при сварке).
Конструкция из трех сборок ФЭП удобна тем, что позволив
выполнять параллельное и последовательно-параллельное соедин#
ние (уменьшение напряжения, увеличение силы тока).
Методика сборки. На каждом из трех толстых (7 мм) закаленш <
стеклах (их было невозможно порезать — они лопалась), по перикн ।
герметиком создавалась ванночка. Туда выливалась подогре гая (ди
лучшей текучести) эпоксидная смола. После чего в пес помещашь
уже полностью, последовательно спаянные Ф )11ы с выведенным
контактами (автомобильные uickiричс< кш клеммы).
В горизонтальном положении, очень ак к) p.i i но, ч гоЬы н< ион
Па л ш ь Ф И I ы, полк 1 и чес к и и i под k.i к д<н о и i ни ч выдави ив i in
I Hi пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
155
hi меся пузыри воздуха. Сверху все заливалось остатками эпок-
н и для защиты от внешних атмосферных воздействий.
Примечание.
Это очень важно, как заявляют производители ФЭПов, для их долго-
срочной эксплуатации.
I in ।учились три абсолютно герметичные спайки солнечных бата-
|» Следующей задачей было изобрести конструкцию, которая бы:
• довольно жестко фиксировала эти три тяжелых стекла в одной
плоскости;
• пыла поворотной в двух плоскостях (для ориентации по Солнцу);
• имела бы массу для транспортировки на внедорожнике.
II и юге конструкция в сборе со стеклами получилась тяжелая —
В|н»му не поднять. Устанавливали ее уже вдвоем (рис. 3.8). Она вра-
н и вокруг своей вертикальной оси (вбитой в землю металличе-
грубы) на 360 градусов.
! I* юризонтальной плоскости доступно вращение на 300 градусов,
*> »• it. все возможные положения светила (на горизонте, в зените) ей
teni.ii ываются. Стекло закреплялось по углам подогнутыми концами
• .»«»!• иного профиля. Металл был
terniK'H железным суриком.
’ н 1.1ЛСЯ непонятным полученный
^•гп.гат. Заявленная производите-
ли м и<симальная мощность 1,46—
Bi занижена как минимум в 2
!*• । 0,So В х 5 А = 2,8 Вт. Правдиво
Р । шо что ток короткого замыка-
»•• । на менее 3,44 А».
Вывод.
КПД пластин не 10—12%, а
выше. Но с более высоким КПД
Ф )Пы стоят намного дороже
и идут они на экспорт. Другое
объяснение: в горох, гдг и, поли
uhuh-ul oamafx ti чииц1 rioidyx.
/'и« t Н. HiieitiHHll tiittl hkuioc ц-rinnti
tt /н< чнои Ыпнч/ч и
и пмличо нцр другие у 'имин
156
Альтернативные источите
Подробности создания и опыт эксплуатации и модернизации ц
http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid •
Самодельная солнечная батарея на гибких фотоэлемент* I
Были приобретены за небольшую цену три пластины фо hi • I
тов от б/у гибких солнечных батарей. С начала автор удалил <
шиеся после разборки нитки и куски скотча с этих пластин (Дьш
Неделяев http://mobipower.ru/modules.php?name=News&fil( ulifl
id=272). Затем подрезал края примерно на 0,5 см, т. к. в ikmiI!
местах были отслоения покровной пленки (не ламината).
После этого убрал утюгом воздушные пузыри черс i
бумаги, чтобы не проплавить ламинат насквозь до самих э к м»>
Полностью их убрать не удалось, но внешний вид стал гор »1/141
патичнее. Некоторые сомнительные места я дополнительно пр» • <
прозрачным скотчем.
Когда все пластины были обработаны, автор перешел к пям» »| (
динению пластин параллельно, т. к. каждая пластина даег В I I1
без нагрузки) 0,33 А. Места пайки были залиты клеем «Мом» m 1
Он обладает эластичностью, прочностью и термоустойчиво» на
110 °C. Как раз то, что нужно.
После того, как клей засох, места пайки автор на всякий <./1 у* л• |
раз заклеил армированным односторонним скотчем. Это п pi
прочность, и дополнительную водонепроницаемость. Затем все
были аккуратно приклеены этим же скотчем к краям пласiин 01
они не мешались при последующем зашивании в брезентовую ih
По сути, провода разместились на торцах пластин, сверху и . ни ц
После этого на заднюю часть пластин и на самые края н< р<<
части автор наклеил двусторонний армированный ско»ч, юн> f
используется для склеивания линолеума и прочей ерунды h
вырезал кусок брезентовой ткани, и приклеил его к задней » I
пластин. И ножницами убрал лишнюю ткань. Также на нс рс .. •
пластин приклеил эту же ткань, предварительно заправив самым |
ткани под себя, чтобы не торчали лохмотья по краю. 1 с. ihhiH
ткань держалась лишь на двухстороннем скотче
Далее приступил к пришиванию ткани к краям нл.и тин II (
этой работы па июлкс и п.» читках налип »с» толстый слои к/и nmi
вещдстйа со скотч.»
«уем энергию Солнца для выработки электроэнергии
157
• пнет.
М«| но стараться не промахнуться и не попасть слишком близко к
< । • щечному элементу в него самого.
• иг» всего было закрепить разъем питания. К разъему был
и диод Шоттки на 3 А. Использовал импортный 1N5822, но
и пользовать, вообще говоря, любой с током, чем больше,
ни г. к. будет меньше падение напряжения на нем и, следова-
• Ili'ICpb.
.и» цчпельно изогнул диод таким образом, чтобы его контакты
♦♦••.I nt слишком много места. Затем сам железный разъем и диод
• • пал шоксилином «Момент». Выглядит он, как два куска пла-
•• • один серого цвета, другой белого. При соединении их вме-
пищании через некоторое время масса затвердевает. Всем

I и t ю, классный материал для придания формы и герметиза-
‘<1 । м показан на рис. 3.9.
ледок некоторые швы были
। - । леем «Момент», чтобы они
< |р КЛДИСЬ.
♦ ' 1м 1муме Солнца при темпе-
। । <>ло пуля, удалось наблюдать
• » ни< холостого хода 16,7 В и
ро । кого замыкания 0,4 А. И это
• гвии прямого Солнца,
»»• ’И» полностью затянуто пусть
•H.IMU, но облаками. В среднем
i ( олнца — ток короткого
пил около 80—100 мА.
Рис. 3.9. Внешний вид разъема
на солнечной батарее
И1 иге,
шмечается на www.mobipower.ru, из трех б/у солнечных
ни удалось сделать неплохую гибкую солнечную батарею по пара-
»•• i.iKyio же, как и «фирменная» батарея на 11 Вт от SanCharger'a
ri»wwMin charge.eom/).
* tройка самодельных солнечных батарей из элементов с eBay
о I' ным опытом по само», гоягсльнои сборке недорогой само-
..шип чной (>нар и делится Манк in Д »нис<1, ( 111 А (русский
Нт Н 1<| •M.iiioiiH’ia, liU р://мсч nun Uoi i u/posl/>(>).
158
Альтернативные источники
М. Девис построил ветрогенератор для электрообеспеч* нм
участка, удаленного от цивилизации в Аризоне (см. гл. 1). Этот вс ।1 •
генератор работает хорошо, когда ветер дует. К сожалению, бы •<
нужно больше энергии. И эта энергия должна быть более стабилы' |
В Аризоне более 300 солнечных дней в году, поэтому солнечЯ
батарея кажется очевидным дополнением к ветроген ер атору. К
лению, солнечные батареи недешевы, поэтому было решено сд<*/^И
все саму. Использовались самые обычные инструменты и недорм^
распространенные материалы. В итоге удалось сделать батарею, км
курирующую с коммерческими образцами по мощности, но не oi !<
ляющую им никакого шанса по цене.
Солнечная батарея (СБ) — это контейнер, содержащий mi. hi
солнечных элементов. Солнечные элементы, это те штуки, которьц ••
самом деле делают всю работу по преобразованию солнечной энсрм
в электричество. К сожалению, для получения мощности, дос п • I
ной для практического применения, солнечных элементов надо Д(’< М
точно много. Также, солнечные элементы ОЧЕНЬ хрупкие. По ним
их и объединяют в СБ.
Батарея содержит достаточное количество элементов для пал. н
ния высокой мощности и защищает элементы от повреждения. 3bvW
не слишком сложно.
Проект был начат, как обычно, с поиска в сети информации <
самодельным СБ. Ее оказалось очень мало.
Стартовые умозаключениям:
♦ главное препятствие в постройке СБ — это приобретешь i М
нечных элементов за разумную цену;
♦ новые солнечные элементы очень дороги и их сложно iiaitiafl
нормальном количестве за любые деньги;
♦ дефектные и поврежденные солнечные элементы есть в налим*
на eBay и других местах гораздо дешевле;
♦ солнечные элементы «второго сорта» возможно, могут бы и. ш
пользованы для изготовления солнечной батареи.
В итоге работа была начата с покупки элементов па eBay. Imb*
несколько блоков монокристаллических солнечных шеменгон |Н
мером 3x6 дюйма. Чтобы сделать СЬ, необходимо соединить п<«- м
довательно 36 таких элементов. Каждый >лем< ш генерирует норн^Щ
0,5 В. 36 элементов, соединенных п<н ледова к /и.но даду i нам oi »lfl
18 В, которые буду г дп< таточны для ырпдки <»аi арен на I 'В.
| иЪпьзуем энергию Солнца для выработки электроэнергии 159
| | Примечание.
i; | Да, такое высокое напряжение 18 В действительно необходимо для
эффективной зарядки 12 В аккумуляторов.
Ьнш-чные элементы этого типа тонкие как бумага, хрупкие и
как стекло. Их очень легко повредить. Продавец этих элемен-
I , пул наборы из 18 шт. в воск для стабилизации и доставки без
И * ц< ний.
С овет.
Коек — это головная боль при его удалении. Если у вас есть возмож-
ность, ищите элементы, не покрытые воском. Но помните, что
они могут получить больше повреждений при транспортировке.
Iiitui 1 с шементы с уже припаянными проводниками. Даже с такими
ptoin । лми вам нужно быть готовым много поработать паяльником.
I и •• вы купите элементы без проводников, приготовьтесь рабо-
» п 111/п.ником раза в 2—3 больше. Короче, лучше переплатить за
и н| nii.riHHbie провода.
< I* ।печные элементы продаются самого широкого спектра форм
•аи-рон. Вы можете использовать более крупные или мелкие, чем
и рпваемые 3x6 дюймов. Просто помните:
к-менты одного типа производят одинаковое напряжение неза-
ниснмо от их размера, поэтому для получения заданного напря-
I » 11и>1 всегда потребуется одинаковое количество элементов;
• iiii ii.iiiHC по размеру элементы могут генерировать бОлыпий ток,
« пн ныпие по размеру, соответственно — меньший ток.
• ни мощность вашей батареи определяется так: напряжение
и । < иное на генерируемый ток.
И ноль ювание больших по размеру элементов позволит получить
В» нц ю мощность при том же напряжении, но батарея получится круп-
• *< hi м лее Использование меньших элементов позволит уменьшить и
з.1 hi 11, (i.i гарею, по нс сможет обеспечить такую же мощность.
В Внимание.
lh иош.ю." /ние 4 ( . ) /гмгнтов [чнных размеров—пло-
4<1</ ио / Причин л /п>*м что мамчм<1и<ныи ток, . енерируемый
«.IliWH rmniiipecu ((,(><№ o.puiltl'lll IHohoM i IMO.-O маленького vie-
MCHIHlI I Oil'll t круп/lbb I fllltl'l НГ Ay<lym l>< W*4 III II III lb ti ночную сичу.
160 Альтернативные источники
Солнечные элементы, которые были выбраны, имеют размер!
дюйма и способны генерировать ток примерно 3 А. Планируется
динить последовательно 36 таких элементов, чтобы получить пд«
жение чуть больше 18 В. В результате должна получиться б.н
способная выдавать мощность порядка 60 Вт на ярком солнце.
Причем, это 60 Вт каждый день, когда светит солнце. Эта энгЯ
будет идти на зарядку аккумулятора, который будет использон щ
для питания светильников и небольшой аппаратуры всего нескоJ
часов после наступления темноты.
После того как вы купите солнечные элементы, спрячьте их и
опасное место, где они не разобьются, не попадут детям для ш р «
будут съедены вашей собакой до тех пор, пока вы не будете иЩ
установить их в СБ. Элементы очень хрупкие. Грубое обращение
вратит ваши дорогие солнечные элементы в маленькие синенькие
стящие и ни для чего непригодные осколочки.
Итак, солнечная батарея — это просто неглубокий ящик. Мщ
быть сделан он из фанеры толщиной, например, 10 мм с борин» |
из реек толщиной 20 мм. Бортики приклеены и привинчены на м* •
Батарея будет содержать .36 элементов размером 3x6 дюймов (iii
мерно 7,5x15 см). Элементы были разделены на две группы по |м
просто для того, чтобы их было проще паять в будущем. Оти<»д
центральная планка посередине ящика.
На рис. 3.10 представлен небольшой набросок, показывающим | Я
меры СБ. Все размеры в дюймах (простите меня, поклонники wripJ
ческой системы). Бортики толщиной 20 ммЯ
дюйма) идут вокруг всего листа фанеры. I .о .
же бортик идет по центру и делит батарс пЛ
две части. Но в принципе, размеры и ооп-*1
дизайн не критичны. Можете свободно м
варьировать в своем эскизе. Следует сд<
небольшие отверстия в бортиках. Это н< нг|
ляционные отверстия, предназначении»
выравнивания давления воздуха Bnyipifl
снаружи СБ и служащие для удаления в i и •
Рис.3.10. Внешний eud
UfMJMt'/ bl lUUUKii d
< ("IHrHHOU 6ННН11ЧЧ1
Внимани*-.
Эти 1П)нг1>(тин быть
Й/ШЦ tilUhll>U UHU'b' <' VKOf b,
йут huymph
I Hi пользуем энергию Сюлнца для выработки электроэнергии
161
io к* же вентиляционные отверстия должны быть сделаны в цен-
пои разделительной планке.
|н>бы защитить батарею от погодных неприятностей, лицевую его
• 11крываем оргстеклом или стеклом. Стекло тоже можно исполь-
» । I., ио стекло бьется. Град, камни и летящий мусор могут разбить
... 1 от оргстекла просто отскочат.
li i ic этого, нужно окрасить все деревянные части солнечной
Hi.pi и несколькими слоями краски, чтобы защитить их от влаги и
мн> и гния окружающей среды. Ящик следует красить внутри и сна-
г При выборе типа краски и ее цвета был использован научный
шпд Подложки тоже нужно окрасить в несколько слоев с обеих
*•311
В Внимание.
Убедитесь, что вы хорошо все прокрасили, иначе дерево может
покоробиться от влаги. А это может повредить солнечные эле-
менты, которые будут приклеены к подложкам.
Ь u< । ъ, когда готова основа для СБ, самое время подготовить сол-
н мп.к шементы.
[ Ъы пение воска с солнечных элементов — это настоящая головная
ь 11осле нескольких проб и ошибок автор все-таки нашел непло-
I । но об.
II- риый шаг, это «купание» в горячей воде, чтобы растопить воск
' н нпь элементы друг от друга. Не дайте воде закипеть, иначе
Bii.ipiiKH пара будут сильно бить элементы один о другой. Кипящая
»лкже может быть слишком горячей, в элементах могут быть
ргпн ны электрические контакты. Рекомендуется погружать эле-
ll и । ы и холодную воду, а потом медленно их нагревать, чтобы исклю-
н< р ншомерный нагрев.
II । и тиковые щипцы и лопатка помогут отделить элементы, когда
р.п 1 ас г. 11ос гарайтесь сильно не тянуть за металлические прово-
дин и могут порваться.
111 лк, «горячая ванна» предназначена для растапливания воска.
liiopoH пни. Обработка в горячей мыльной воде и в чистой горя-
подл Ггмпературы во в< ех кастрюлях ниже температуры кипения
^*|>| < качала в рас ганлинлем воск, переносим элементы по одному
| ‘ ii.nyio воду, ч 1о()ы удали i ь он виде
162
Альтернативные иаочш
Третий шаг. Выкладываем элементы для просушки на но I
а Совет. |
Вы можете менять мыльную воду и воду для промь ки ц
Только не сливайте использованную воду в канализацию
затвердеет и засорит сток.
Этот процесс удалил практически весь воск с солнечных «
тов. Только на некоторых остались тонкие пленки, но это ш ни ««<
пайке и работе элементов. Промывка растворителем, возмо i и»»
лит остатки воска, но это может быть опасно и зловонно.
После разделения и удаления защитного воска из-за cnotrt «|
кости они стали удивительно сложными в обращении и хрина
Рекомендуется оставить их в воске до тех пор, пока вы щ
готовы установить их в СБ. Это позволит вам не разбить их l I
как вы сможете их использовать.
Начать нужно с отрисовки сетки на каждой основе, для yupniM
процесса установки каждого элемента. Потом следует выло ini'
менты по этой сетке обратной стороной вверх, так их можно <
вместе. Все 18 элементов для каждой половины батареи доч к им!
соединены последовательно, после чего обе половины так к с Д ifl
быть соединены последовательно для получения требуемо! и <>4
жения.
Спаивать элементы между собой поначалу сложно. Пл ы>>ц
только с двух элементов. Разместите соединительные пропощ!
одного из них так, чтобы они пересекали точки пайки и i ы>| >и
стороне другого. Также нужно убедиться, что расстояние м< + дИ
ментами соответствует разметке.
Используйте маломощный паяльник и прутковый припои Д
виной из канифоли. Также перед пайкой смажьте флюсом точ<и нЛ
на элементах при помощи специального карандаша.
Внимание.
Не давите на паяльник.1 Элементы тонкие и хрупки* н
сильно — сломаете.
Повторите ппйку до тех пор, пока не полу ш и н цепочка ин» i и'
ментон ( осдиIпI 11411>11ыс III 11 пы о। I лом Iнпых hi мен нт лнюр I
II IH/I К <»<>}» II IKHI I lopoili ПО< ЛГДПТ1 О HII’MI II I .1 Ц< ЦОЧКН 1.1М1Ч 1|(
<угм энергию Солнца для выработки электроэнергии
163
Элемент
солнечной
батареи
Капля
силикона
Рис. 3.11. Схема нанесения
силикона
h'l1 I делал три, повторив процедуру
ьи ы. Всего 18 элементов для первой
р» и > п.тгареи.
Ьь шночки элементов должны быть
Ьюны последовательно. Поэтому сред-
ночку поворачиваем на 180 градусов
||lt пн нию к двум другим. Ориентация
in> iучилась правильной (элементы
»••• и /кат обратной стороной вверх на
I • । <•) Следующий шаг — приклеива-
। н гов на место.
Ьbi к мванне элементов потребует некоторой сноровки. Наносим
Ьш ум» каплю силиконового герметика в центре каждого из шести
Ifiiini одной цепочки (рис. 3.11). После этого переворачиваем
Hi» 1мцсвой стороной вверх и размещаем элементы по разметке,
и> нанесли раньше. Легонько прижмите элементы, надавли-
•I п< и тру, чтобы приклеить их к основе. Сложности возникают
при переворачивании гибкой цепочки элементов. Вторая
у' • ' У1 не повредит.
й и икните слишком много клея и не приклеивайте элементы
I к । •< >м центра. Элементы и подложка, на которой они смонтиро-
Ц. <•» । у । расширяться, сжиматься, гнуться и деформироваться при
нин к ипературы и влажности. Если вы приклеите элемент по
11 ьинлди, он со временем сломается. Приклеивание только в цен-
I..... «•ментам возможность свободно деформироваться отдельно
Ьрчп.1 Элементы и основа могут деформироваться по-разному, и
I» и । и не сломаются.
*">!> нс пользовал медную оплетку от кабеля для соединения пер-
•< in ирон цепочки элементов.
инн использовать специальные шины или даже обычные про-
I I инн кс соединение делаем с обратной стороны между второй
р* 11 гн цс ночкой »леменгов. Каплей герметика желательно прикре-
привод к основанию, чтобы он не «гулял» и не гнулся.
|v. । ih рвпп половины солнечной батареи на солнце показал, что
|i ыппм солнце в дымке Ji I половина генерирует 9,31 В.
lb к гогО kIik о н* ос новы с . темен i лми буду 1 готовы, можно уста
|М 111 их п 1 mi l ю в Ш1Д1 ои»вле1П1\ю йорОбку и соединигь.
д* Л 14 11 I ПОЛОНМП )к»МГ1Ц.1Г 11 >1 III I HOI Ml I III 1>ЫЛН IH НОЛЬ 1ОВПНЫ 4
<1 nil IX 11|\ pyil.l ДЛИ hpilHHIIllll I H IK Hill I lib Ml II I .IM II III IX I pl I (1Л I apt II
164
Альтернативные источники
Провод для соединения половин батареи удобно пропустить к
одно из вентиляционных отверстий в центральном бортике. Тум
пара капель герметика поможет закрепить провод на одном м««
предотвратить его болтание внутри батареи.

Внимание.
Каждая солнечная батарея в системе должна быть снабжен i <
рующим диодом, соединенным последовательно с батаре- и
нужен для предотвращения разряда аккумуляторов через бит
ночью и в пасмурную погоду.
В авторской версии использован диод Шоттки на 3,3 А. Ди-
Шоттки имеют гораздо более низкое падение напряжения, чем <и л
ные диоды. Соответственно, будут меньше потери мощности на дн.«
Сначала планировалось присоединить диод снаружи батар< и |
после того, как были изучены технические характеристики дни »»*
решил поместить их внутри батареи. У этих диодов падение напри<
ния уменьшается с ростом температуры. Внутри батареи будет пи.,
кая температура, диод будет работать более эффективно. Испо н-ми
еще немного силиконового герметика, чтобы закрепить диод.
Просверлите отверстие в днище батареи ближе к верху, чтобы m ••
сти провода наружу. Провода рекомендуется завязать на узел, 'ii>4|
предотвратить их вытягивание из батареи, и закрепить герме гимн»
S Совет.
Важно дать герметику высохнуть до того, как мы будем кргтЦ
оргстекло на место. Испарения из силикона могут обриннн^
пленку на внутренней поверхности оргстекла и элементов •
не дадите силикону высохнуть на открытом воздухе.
И еще немного герметика для герметизации выходного ointf
стия. На выходной провод автор прикрутил двухконтактный ра
Розетка этого разъема будет присоединена к контроллеру заряд.» о •!
муляторов, который был использован для установленного уже в» i|i
генератора. Таким образом, солнечная 6ai apt 1 может работ и i. им.
параллельно.
Оргстекло на этапе настройки и пробном »м нлуагацин не г )•»<•
гизируйге. У ангора но результатам i < юн н<» грсоовался до» i и
вну i рении» him haiapcii, 1.1м оонару а» ил а< i. нроОлгма I la одном О
I Ik пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
165
< к iob отошел контакт. Может быть, это произошло из-за пере-
мператур или из-за неаккуратного обращения с батареей. Кто
।! 1 [ришлось разобрать батарею и заменить этот поврежденный
.hi. С тех пор проблем не было. Затем следует герметизировать
н под оргстеклом при помощи герметика или закрыть их алюми-
>и рамкой.
h"t результаты тестирования напряжения законченной батареи на
|im шмнем солнце. Вольтметр показывает 18,88 В без нагрузки. А
пч 1 по току в тех же условиях (яркое зимнее солнце): амперметр
• i.i влет 3,05 А — ток короткого замыкания. Это как раз недалеко от
ч» । и ого тока элементов. Солнечная батарея прекрасно работает!
। .»шечная батарея в работе. Она обошлась чуть дороже 100 долла-
» 11е так уж и плохо! Это лишь малая часть стоимости серийной СБ
I iv мощности. И это очень просто!
I h । очник — http://www.mdpub.com/SolarPanel/index.html, где можно
м< 11 реть фотографии всех этапов работы и узнать подробности.
Самодельная солнечная батарея на 50 Вт
и солнечную батарею создал своими руками один из авторов
ни 1ерманович Виталий, поэтому в этом разделе повествование
г первого лица (прим. редактора). Перейдем к его рассказу.
I' нос время, начитавшись в интернете разных статей о самодель-
i < олнечных батареях, я тоже увлекся идеей собрать что-нибудь
•ими руками. Последней каплей, подтолкнувшей меня к реальным
и । пиям, стала статья американца Майкла Дэвиса о сборке солнеч-
ны । ipen из элементов, купленных на аукционе eBay.
И. рным делом, я купил на аукционе сотню солнечных элементов,
ин> 1 1ких, которые Майкл описывал в своей статье. Эти элементы
•»1 пи ь еще и самыми дешевыми и доступными.
I! добавок мне пришлось у другого продавца заказать специальный
|мид.1И1ный флюс, припой, а также плоские соединительные прово-
и» и
11 щучив все посылки, я первым делом стал экспериментировать —
Ви иг гопу к) батарею из ооломков, образовавшихся при пересылке,
'll н <• пошел длительный и утомительный процесс припаива-
н проводников । элементам *i.i работа »аняла много времени,
in и.ко p.i । а делал iiepepi.im.i на педелю другую, а го пайка про
finii у/Г»' начинал i < пипа я ш» ноч im
166
Альтернативные источники
0 Совет. I
Если соберетесь пойти по моим стопам и собрать свою со
батарею, послушайте моего совета — покупайте элементы 11
припаянными проводниками! Сбережете время и нервы.
В процессе пайки, я увидел на YouTube, как с такими же элеме и • •
мучаются другие самоделыцики. Поэтому решал отснять нар*я|
видеороликов, чтобы поделиться своим опытом. Вот так bhpiu
процесс пайки проводников, если вы уже «набили руку».
D Примечание.
Ролики доступны на http://germarator.ru/post/148.
Припой без содержания свинца для пайки солнечных батареи, i
рый сейчас активно продается на eBay, я использовать не рем» «м
дую. Такое ощущение, что он имеет высокую температуру плавя.
В результате, при использовании маломощного паяльника пая и I
менты очень трудно. Элемент при пайке работает, как радиатор
касаетесь его паяльником, и припой моментально затвердевает, 11 •
плавить его паяльник нормально не может — элемент отводит in м
воздух. Именно поэтому все американцы рекомендуют испольшмв
мощный паяльник на 60—90 Вт.
Я же, как видите, обошелся 25-ти ваттным, т. к. использовал оь»,
ный отечественный припой ПОС-61. У этого припоя низкая темнйЯ
тура плавления и мощности паяльника вполне хватает, чтобы iioji Л
живать его в расплавленном состоянии пока вы ведете пайку.
S Совет.
Припой берите в виде тонкой проволоки (1—Змм). С орулжпЛ
припоем работать неудобно— для маломощного паяльники
приходится резать на кусочки.
На http://germarator.ru/post/148 показано, как определи л», к и •
длинны нам нужны отрезки соединительных проводов. Про» ю в|
сети постоянно встречал ошибочный совет взя п» удвоенную ширин
элемента и прибавить ширину зазора между »лем< игами. Эти <оп«|
чики не учитывают, что на обратной <. горош провод припаиваем 4|
контактной площадке, которая примерно nil > * м он шит 01 1 р>«
< пчи1,зуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
167
рдыи элемент надо 2 провода, сэкономив 1,5 см на каждом мы
b м около 3 метров (!!!) экономии провода на сотне элементов.
»< о пиемия в этом вопросе — не главное. Просто впоследствии,
Й цы будете объединять элементы в батарею, вы все-равно отре-
Ьнншпие сантиметры провода, чтобы он не болтался и не приво-
» юрогкому замыканию, касаясь соседних проводов. Так зачем
ВН«> । ом делать лишнюю работу?
* «цующий совет касается того, как именно из длинного про-
и «резать отрезки одинаковой расчетной длинны. Мне нужны
Ь и।резки по 155 мм. Я взял две полоски картона толщиной 3 мм
рнрлпой примерно 71—72 мм, намотал на эту катушку провод.
•...... гок, получился примерно 155 мм. Это гораздо проще, чем
। и 11 линейкой каждый отрезок.
j |ti ыдно... Провода к элементам припаяны, идем дальше.
н । HMM делом надо определиться с материалами, которые мы будем
Ьи птать для нашей солнечной батареи.
I шч-й статье Майкл Дэвис рекомендует использовать дерево и
безусловно, это материалы доступны и легко обрабатываются.
•hi । и<же очень сильно подвержены воздействию окружающей
и •• । как вы не прокрашивайте дерево, оно рано или поздно у вас
I и начнет гнить. Поэтому я искал материал, который не будет
pt• ц условий окружающей среды.
• । • iuio — хороший выбор. Материал прочный, его можно резать и
ни । при наличии сноровки — даже сверлить. Если использовать
ч.. inc фронтального покрытия солнечной батареи специальное
» !•> или даже обычное, но высокой чистоты, то можно уменьшить
1>и и повысить итоговую выходную мощность. Но со стеклом есть
^•> । проблема — оно хрупкое и бьется. Раз в несколько лет у нас ста-
to * < о ( лучается град. Поэтому стекло может не выдержать, и тогда
I^h.i нашей батареи закончится — осколки разбившегося стекла
Ьр«дя| хрупкие солнечные элементы.
I И и юге, выбирая материал который не проводит электричество,
Jki • I и । мистичностью, легко обрабатывается, не гниет, достаточно
}<• ।пыц и при этом легкодоступен, я остановил свой выбор на обыч-
но npi«. гскле.
Фронтальное нокры гие — loiiKoi оргстекло 2 мм, подложка — тол-
н... I мм В кач<ч гве подло кьи моьнои ноль инки ь гекстолит, но мне
м । ьикн г и.iii j и в продаже ин* i ы подходящей толщины и размера.
168
Альтернативные источники 3i
В промышленных солнечных батареях применяют герметизации
стекло спекается со специальной пленкой, что придает ему допо/Л
тельную прочность. Фактически, промышленная СБ представ ни»
собой триплекс. Сильный град, конечно, может повредить бат.ц1- •
но разлета осколков стекла не будет. К сожалению, такой метод гсрш
тизации в домашних условиях не доступен.
Еще я рассматривал различные варианты герметизации по техн
логии пленочного и заливного триплекса (стекольщики знают), но ug
это оказалось дорого и нереализуемо в домашних условиях.
Американцы советуют для герметизации использовать прозрачна
эпоксидный кампаунд Sylgard 184. Купить его можно на том же
по 50 баксов за банку. Проблема только в том, что этой банки xn.net
лишь на заливку одной солнечной батареи. Продавец пишет, что \нф
тит на две — не верьте.
Короче, я решил совсем отказаться от идеи герметизации эледш
тов. Это конечно ведет к уменьшению мощности, но зато сильно ущ •
щает конструкцию.
Для того, чтобы в солнечной батарее элементы шли ровным!
рядами я сделал простую сборочную панель из фанеры.
Дементы имеют размер 81x150 мм, на зазоры я оставил по > не
поэтому на фанере нарисовал сетку с ячейками 86x155 мм. ЧъйМ
при сборке проще было укладывать элементы, и они не съезжали »
приклеил обычные пластиковые крестики, применяемые при ук/ымв
керамической плитки.
Немного напишу о размерах. Я исходил из имеющихся матери
лов. Оргстекло мне удалось купить размером 76x68 см. В такой р«|<
мер помещается 4 цепочки по 8 элементов — всего 32 шт. Вообщ! и
для сборки солнечной батареи на 12 В рекомендуется использован. Ч
элементов (4x9).
D Примечание.
Однако, учитывая, что я все-равно буду собирать цепочку с л i
использовать «умный» контроллер, я решил немного пожерМш
вать напряжением и мощностью. Зато и Оелие получилось иi Д
кодоступных материалов.
32 солнечных элемента позволят получить (nu.ipeio мощно* н<0
примерно 50 Вт. Каждый темен 1 им<«ч пи> оную мощное гь поряц»!
169
Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии

В Вт (в сумме 56 Вт), но часть мощности потеряется из-за переот-
и ия 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 ком-
мутационную коробку. Если сделать, например, три цепочки, то
полюса батареи у вас окажутся по диагонали друг к другу.
Продолжаем сборку: устанавливаем получившуюся сборочную
• и» на горизонтальную поверхность и укладываем солнечные эле-
н* и । ы.
После этого надо опять немного поработать паяльником. У меня
м и шку ушло 2 вечера, часа по 2 каждый день. Цепочки между собой
<••• циняются при помощи специальной шины — более широкого пло-
•о1 провода. Этими же шинами делается вывод полюсов батареи
Ь»ужу. Помимо двух полюсов я решил сделать еще и вывод «сред-
|| н)чки». Чуть позже объясню зачем. Вывод наружу делается через
< ih р. гия в подложке.
Для приклеивания элементов к подложке я решил использовать най-
•• м 11 у io в магазине монтажную ленту. Она из какого-то пористого поли-
ы. । кого материала, мягкая и имеет с двух сторон клейкий слой. Держит
'•hi, крепко, предназначена для работы на открытом воздухе.
111 резаем ленту на небольшие кусочки и приклеиваем их ко всем
Ьим<1 игам ровно по центру. Пайка на контактных площадках у меня
••...илась выпуклой, поэтому я клеил ленту в два слоя.
11.що чтобы клейкая площадка возвышалась над контактами и над
оке ивовыми «крестиками» сборочного стола. Потом, когда мы на
Ьымен гы приложим подложку и прижмем ее, клейкие площадки при-
шенгся к ней. И каждый элемент окажется надежно закрепленным
В • подложке. После приклеивания элементов, поднимаем подложку (с
!»<• поднимаются и все элементы), переворачиваем и видим вот такую
• |'л< оту.
Впоследствии я при помощи кусочков монтажной ленты еще и
•инны закрепил на подложке, чтобы не болтались.
It iicpi» как го надо »акргнит|| фрон i альное сгскло. Для этих целей я
fh ноль 1ОН.1Л ту же МОП I лжную /к II I у, ПО (ОЛ1,КО Волге широкую. Цвет
•II I’ll IhlH III IIMi ( I, у MI НИ OKA ЫЛ.11 I. i ll< l/I.HI
170
Альтернативные источники энш
Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии
171
Борта и клейкие площадки для элементов я тоже делал из двух сл<
ленты, чтобы они получились примерно такой же высоты.
Наклеив второй слой ленты на борта, я оставил сверху защити •
бумажную пленку по всей длине ленты. Дело в том, что к оргстс I
она приклеивается очень быстро и прочно, если накладывать фр«<
тальное стекло прямо на клейки слой, его не получится выложи •-
ровно с подложкой — обязательно будет какой-то перекос.
В решении этой проблемы помогла хитрость, подсмотренная у w
кольщиков, занимающихся изготовлением заливного триплекса И
каждом бортике мы отрываем бумажный слой только на конца» <
загибаем его концом наружу.
После этого накладываем фронтальное стекло и выравниваем -•
края с краями подложки. А дальше просто вытягиваем защинп»
бумажную пленку, слегка приподнимая край стекла. После опуск иш
оно моментально приклеивается. Стык получается ровный и кр.ц
вый.
Я пока оставил на оргстекле защитную пленку. Планирую о<
вить ее до самого последнего момента — до установки, чтобы сн •

ав
Рис. 3.12. Вид солнечной батареи спереди
к минимуму количество возмв
ных царапин при хранении I
транспортировке.
Вот как выглядит моя сови-
ная батарея на текущий мом*
Вид спереди (рис. 3.12).
Прозрачная подложка noin|
ляет визуально контролир<н
все контакты, а в случае пои
ния трещин в элементах, их (и
видно на просвет.
В верхней части с образ i
стороны батареи прикрепи
нее выведены полюса солш п
клеммная планка на 3 контакта. В
батареи и «средняя точка».
Зачем, спрашивается, нужен этот третий контакт? В принцi
можно обойтись и без него. Но с ним можно с дел а п» две хи трос ш
♦ в случае необходимости, можно будс-i нключн i i. в работу гол
половину солнечной батареи и получи и <» II, ими to 12 В
♦ третий контак! позволяе! нос гании, на i i । дую половину
реи отдельный шуп тирующий диод
1лчем нужен шунтирующий диод? Если кратко, то он не позволяет
«ментам батареи, на которые падает тень, расходовать мощность,
। «и рируемую остальными элементами, на которые светит солнце. В
«але, шунтирующий диод должен стоять на каждом элементе, но на
•с । । ике это делают редко. Обычно ставят шунтирующий диод на всю
An ipeio. Хотя еще чаще его вообще не ставят, предполагая, что бата-
« оудет стоять там, где на нее тень упасть не может. Ну а я решил
i.iвить шунтирующие диоды на каждую половину батареи — если
Ьпл половина попадет в тень, вторая будет работать.
Л теперь о том, что еще осталось сделать. Во-первых, рамку для
jbi.ipen. Для этого я уже подыскал алюминиевый профиль «уголок».
||« до выпилить 4 отрезка на каждую сторону солнечной батареи: 2
В** о см и 2 по 68 см. Спилы делаются под углом 45 градусов, чтобы
• и.м они ровно стыковались друг с другом.
I
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».
11<> если хочется сделать самому — используйте просто алюминие-
lin \ । олок. Ушки можно сделать из него же, а закрепить это все вин-
«н думаю — не проблема.
1« нерь «подобьем бабки». Для удобства, все цены буду приводить в
• > > прах. Элементы куплены на eBay, в посылке было 110 штук. Цена
I»' < )днако, сверху пришлось оплатить доставку — 40$ и таможен
пошлину — 60$. Итого около 300$ за сотню элементов (несколько
Ьыалпсь). На батарею пошло 32 элемента, что в деньгах — 96$.
г I IM .ке были куплены шины, карандашный флюс, припой и диоды
III i । кп. Все вместе с доставкой от разных продавцов в пересчете на
Лл । ipeio обошлось примерно в 30$.
'I । - текло — примерно 20$ за два листа.
Монтажная лента: половина катушки шириной 9-мм и полторы
Iушки шириной 2 см — примерно 5$. Алюминиевый профиль — 5$
и < «палки» по * метра
|>оль, о 11 чес । вгиныи припои клеммная планка, винты/
ii.iKiiiKM сир I 1$
172 Альтернативные источни- | Н
Итого у меня получается примерно 160$ на одну солнечнук 6
Сейчас, покупая элементы небольшими партиями (чтобы nfl
тить таможенную пошлину) и с уже припаянными провод ин
шинами в комплекте, я думаю, что можно уложиться и в м: инн
сумму. Но даже 160 баксов за солнечную батарею в 50 ва м
неплохой результат — солнечная батарея промышленного ирон
ства мощностью 50 Вт стоит до 350$.
Не надо только забывать, что для сборки собственной со’нк ои
батареи нужно ВРЕМЯ!!!
Солнечный зарядник для электровелосипеда своими руками
На http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=48:8814:3 появилась хор. |
статья о практически собранном солнечный заряднике для элеь 11>>^
лосипеда. Покупать элементы автор решил на ebay. Для такой ши 11
нужна долларовая карта Visa Classic, регистрация на самом cb i
PayPal — платежной системе, без которой ничего не сделать.
PayPal, в отличие от ebay, имеет русский сайт.
Самая долгая процедура — так называемая привязка карт
PayPal. С вас снимают доллар с чем-то денег, вы идете в банк и
ете код операции, который вбиваете в форму на сайте РауР >1, ц..«*
чего можете без проблем с ним работать. Пользоваться всякими ||
посредниками типа ebaytoday.ru обычно нет никакой необходим*
Далее. В городе Фремонт в штате Калифорния нашлись
фирмы Evergreen Cell Specifications: мощность 1,75 Wp; ток (Ampl
Imax; напряжение 0,5 Vmax; толщина 190 мкм = 0,19 мм; размер: 3,1
дюймов (80x150 мм); вес: 6 гр.
Конфигурация системы. Исходя из них, определилась общ.и
фигурация системы. Собираем 3 панели по 36 ячеек каждая < I
имеют номинальное напряжение 18 В и могут соединяться:
♦ или последовательно, заряжая аккумулятор электровено< ни
на 36 В;
♦ или параллельно — для зарядки свинцовокислого аккумул н цф
12 В.
От него работает инвертор, дающим 220 И для питали i комп» югф
или другой нагрузки. На роль инвергора пыл выорап и *доро| он »»•
пьютерный И.Б11. Заряд вслоаккумули юра кон । ролируг к я но омщ
ратуре электронным гсрмомс! ром
Ш Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии 173
Примечание.
1Я Для свинцовокислого необходим еще контроллер—устройство, не
Р® дающее вскипятить в нем электролит и позволяющее постоянно
держать солнечную батарею подключенной к нему, ни о чем не бес-
покоясь.
I’* 1меры. Панели складываются книжкой, для обеспечения мобиль-
11и in пользования. Габарит 520x560 мм.
I' рианты мобильного использования — зарядка электровелоси-
и длительной поездке (3 шт.) или работа с ноутбуком где-нибудь
природе (1 шт.).
Покупки и бюджет. Вышеупомянутые ячейки Evergreen Solar, с
ими повреждениями краев (chipped) — 100 шт. за 169 $ плюс 40$
IftiH 1авку из США. Реально подавец дает еще 10 ячеек в качестве
Ьцчп, что как нельзя более уместно, ведь нам надо 108 шт.
II ноский провод для пайки ячеек и шин (Solar Cells/Panels Tabbing
hl' ) — 100 футов за 11 долларов плюс 6 $ доставка из США.
ir< । • кло 1100x1300x2 мм — 3 листа по 960 руб./лист. Аккумулятор
li DJW12-18 4 штуки с доставкой на дом (из Москвы) — 6000
I !еобслуживаемый, срок службы 8 лет. Источник бесперебой-
Б(1 питания Ippon Comfo Pro 400 — 1300 руб в соседнем магазине,
bup пился ценой. Контроллер на 10 А — за 27 + 6 $ от тайваньского
I г ।водителя. Привлек малым собственным потреблением энергии
. « нможностью (чисто теоретической, впрочем) конфигурить его
Lь шектросхеме. Провода от солнечных батарей собираются на две
ЬИin । ырьковые вилки (обычные для сетевых шнуров на компьютерной
I• и ине). Вилки соединены изолентой вместе, получается разъем с шестью
Ln i актами. Ответные части объединены в «розетки» — 2 шт. Режим
и. ювания меняется переключением вилки в другую «розетку».
На одной из розеток контакты соединены последовательно, сни-
май >i 36 В для >лектровелосипеда, которые далее идут через ампер-
। р ни а гною ct* I свою аридного устройства на кабель к велосипеду,
и юг ж- к.1 >ель подключе н и вывод сен ного члрядника (через диод,
Ьк>ы г i п>‘1 о нс попади и i В).
1аким obpa юм, мом1 ы|ь»икйть вешн гнид oi < г ги (параллельно
и Це п<»чм1 IВ),Л1Н1111нч 0/пщи (ш и» oaiapt-iu J6 В)
174
Альтернативные источники
На другой розетке все три минуса собраны вместе, плюсы i и
только не напрямую, а через 3 диода Шоттки, назначение которн
исключить обратный ток через параллельно включаемые сод lift
модули. Дальше плюс и минус идут на вход контроллера. К нему 11
подключена аккумуляторная батарея.
В
Примечание.
Попытка включать нагрузку на соответствующий выход кони
лера не была успешной, т. к. он ограничивает ток на выход»
наем 10 А и периодически отключает ИБП в самый неподх >Л
момент.
Пришлось ИБП подключать к батарее напрямую, т. е. минус и •*»
средственно к его входу аккумулятора, а плюс — через два и <рЦ
лельно включенных тумблера. ТВ-1-2. Рычажки тумблеров соединиI
планкой. Ток идет параллельно через 4 пары контактов с номиил
по 5 А. Собственный ИБПшный аккумулятор (малой емкое ini 4
используется.
ИБП служит в качестве инвертора, к нему не подключено 220 В 11
мощность 240 Вт. Он включается в режим «холодный старт», при и<м
соединении аккумулятора. Писк при работе можно отключи и. нМ
граммно, но я предпочел просто удалить динамик.
Кнопка включения выпаяна, на ее место подключен прои<4
выключателем, выведенный на щиток управления всей сисп ми
честно говоря, в нем нет большой необходимости. Выключаете ч I
автоматически через 5 мин. после снятия нагрузки (это назыв.п м
«Green Power») Нагрузкой для ИБП в настоящее время служи г mid
бук с подключенным к нему 17-дюймовым внешним дисплеем
Индикация разряда батареи есть на контроллере, — мсню-ц
цвет светодиода. ИБП ограничивает разряд батареи не менее 9 В в>
нагрузкой, чего испытать пока не пришлось. Планируется еще н>^
ключить вольтметр на аккумулятор, он автору представляется HH<|*d
мативнее, чем светодиоды.
Пайка. Первый опыт пайки заставил автора понервничлi
Нормального соединения получить не удавалось. Более того, щ
повторении попыток пропаять одно и то к с место серебряное hhii.i 11
ние, быстро разрушилось. Пришлось внес ш поправки в гехполони
Была уменьшена мощное гь пл 1лын1кл (и ni.vi.uii.iio 6'» Bi), про* i
включив пос ледова 1СЛЫ1О i ним плгрон с ....наш 100 Bi Все с сн
И пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
175
места! Вместо кислоты стал использоваться раствор канифоли
1>п. Стал зачищать контактные площадки. Это сильно влияет на
Brii i ат. Они не повреждаются при зачистке. Стал наносить припой
идикитель, невзирая на уверения продавца, что на нем уже есть
ВЦ припоя.
«мин 1 рукция панели. Каждая панель состоит из двух половин, скла-
Ввннцихся «книжкой» на дверных петлях. Обе половины — коробки
• 11 । екла. Оргстекло выбрано из следующих соображений:
I меньший (по сравнению со стеклом или поликарбонатом) коэф-
фициент преломления дает меньшие потери энергии за счет от-
ражения света;
• ш ившая прозрачность для инфракрасного излучения снижает
ненужный нагрев ячеек, сопровождаемый уменьшением КПД;
• hi кость и ударостойкость, важные при мобильном использовании;
• простота механической обработки.
Г» hoi оргстекла. Режьте пакет из четырех слоев, лучше и для скоро-
й и для качества. Можно бы, наверно, электролобзиком, но автору
Ьш'кн ь вручную. Разметку нужно проводить на каждом слое, чтобы
| и । но видеть при резке. Нормальная скорость резки около 2 мм/с
Mill ( юй).
В Совет.
Меняйте чаще полотна, они тупятся довольно быстро! Опилки
и — собираем на лист бумаги. Растворив их в дихлорэтане, получаем
клей для оргстекла.
। икика и подготовка коробки. Полученный пакет из четырех
I ми» (на один модуль) сверлим по периметру диаметром 5,5 мм, раз-
biiin верхний лист. После приклеивания окантовки шириной 15 мм
► «и лой на тыльный лист и два слоя на лицевой) стягиваем листы
ht< к Liрубцинами и сверлим окантовки диаметром 3,2 мм по цен-
M»i <»। нсрстий 5,5 мм. Лицевые и тыльные листы соединяем винтами
В1I полукруглой головкой. Головки и гайки получаются заподлицо
и ни ркногтып листа, гайки не нужно держать, т. к. они входят в
р< 1ия с некоторым натягом. Готовим отверстия под петли, ручки
||цу. (юлты крепления на рамс.
При . кленку. Клеи ра шоднм до iyt юты канцелярского. Для рас-
•<>l'i инн порошка и । орк к кла в днхлор наш,’ лучше ос га нигь его на
I ч ( к/ь iiii.hm одноьр.и пым । НЛ1Л1ЫМ при катнем, выдавливал
176
Альтернативные источник*
Hi пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
177
воздух, хорошо видимый между слоями стекла. Помещать но i ♦
нет особого смысла. 1<
Ячейки и провода. Ячейки соединяем последовательно: 1Н ш
полупанели, обе полупанели также последовательно. Лице паи
рона с двумя длинными дорожками — это минус, тыльная с.•
посеребренными квадратиками — плюс. Заранее распаянны- mQ
ским проводом ячейки укладываем лицом на стол, обеспечив.)я Л
10 мм с помощью крестиков для укладки кафеля. Паяем ячейки । •
ячеек соединяем шинами, укладываем провода для выводов и цч • ♦
в смежный полумодуль.
Провод — акустический кабель в силиконовой изоляции. Для И
динения внутренних полостей полупанелей с атмосферой проа •
зазором вставлены в 10 см отрезки силиконовой трубки (о г кд нН
ницы, можно купить в аптеке). Трубки при сборке вклеиваютс я < и
коновым герметиком в окантовку.
Сборка панели. На каждую ячейку наносим шприцем но »
«капли» силиконового герметика. Размещаем их по линиям шк>ц
проводов, так как по этим линиям будут передаваться усилии <»г |
мического расширения панели.
Внимание.
Важно, чтобы они замыкались на плоский провод, в миними
степени воздействуя на тонкий керамический лист ячейки
Плоский провод в зазоре между ячеек сложен слегка гармошм»!
Прижимаем тыльный лист к ячейкам. Благодаря его прозрачно, н
легко видеть результат. Получившиеся пятна контакта после •»i о. ।
дения герметика сохраняют хорошую эластичность, что важно rit
снижения термонапряжений.
Для большей жесткости всей конструкции на тыльный л in i I
зазоры между рядами ячеек вклеиваем четыре «опоры» — кубики »»
оргстекла 5x5x6 мм. Их назначение — исключить возможность • нрм
давить» лицевой лист до касания ячеек каким-либо случайным ii.i ••
тием. Наносим тонкий слой герметика на боковины и стягиваем пни
тами тыльную и лицевую панели, ставим петли и ручки.
Рама. Весьма нетривиальный вопрос, как ока tanoi i. Веско imo мн
бытовой (мебельный) алюминиевым профиль имеет, как ока ы л oct
близкую К Нулю СНОСООШН ГЬ проГИВШ 1ОИГ1. • КручИНапИЮ В ООП1»м
только второй вари.пн кош грукцпи ipinia tniop.i В ih iiohi |
т,
Вправляющих, в пазы которых вставляются панели. Каждая
III i равняющих состоит из соснового прямоугольного бруска
^К|.' мм.
и средней (узкой) стороне шурупами крепится плоский алю-
Кигвый профиль (в строймагазинах фигурирует как «окантовка
)» «I ! •) На длинных сторонах крепится штапик оконный образ-
качества, образующий с алюминиевой полосой паз глубиной
И•! и шириной 12 мм для панелей.
И каждую направляющую ставятся три поперечных опоры (из
I н । фанеры), в месте контакта с балконом на них клеился резинка-
Ь*|<) и 1атор. Средняя из поперечных опор воспринимает вес панели,
fee имеет углубления — гнезда для несущих болтов, ввернутых в
Ъ<пюю полупанель каждого модуля-«книжки».
f Впв iy алюминиевый профиль изогнут, образуя захват за край бал-
• < । Внутри алюминиевого захвата находится близкий по форме
к н, выполненный из упругой стальной полосы, так что для уста-
Ьин штатное положение необходим некоторый натяг вверх. Это
почивает отсутствие люфтов и возможности разбалтывания сое-
пи t ветровой нагрузкой.
। ерху имеются кронштейны под болты 50x6 мм, которыми
Вправляющие крепятся к балконной раме. Направляющие связаны
IhMii поперечинами из алюминиевого Т-образного профиля. Все,
№>* лицевого алюминия, красится белой нитрокраской.
Полезные соображения. Во-первых, согласно Evergreen Solar 2%
h tipiированных ячеек могут иметь пониженную мощность, и если
Ь । ш-диняете ячейки последовательно, мощность панели равна мощ-
। п самой слабой ячейки, умноженной на число ячеек. Точно так же,
ш расход воды определяется самой тонкой трубой в трубопроводе.
Но вторых, можно построить большую панель из 144 ячеек, но,
1 ное, лучше сделать две панели из 72 ячеек. Почему? Потому что
больших группах, которые вы хотите создать, нужно множество
1л«щов для сегменирования последовательных серий ячеек, чтобы
<< ги к минимуму потери энергии в случае выхода из строя одной
••в-ньи. Например, если на ячейку падает лист с дерева, и она выго-
। Для более крупных панелей настоятельно рекомендуется при-
Й«НН I I. ДИОДЫ.
Подбор ячеек ио хпрактерис гикам. Производителем рекомен-
1)гнл самое гоя 1елык) нодбирль (иппкис по мощности ячейки для
<>« цпк пия ич в п.пн if. Вы |.к IUIH.I' м и пи ли на гранку, ориенгирусм
178
Альтернативные источники ?i
на солнце и мерим ток в режиме короткого замыкания. Это довод |1
показательный режим, поскольку максимальная мощность дос i ив
ется 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. Ячг в.
сильно греются, так что долго в КЗ лучше не держать.
Реально при зарядке велоаккумулятора от батарей уже в 6oi nut
позиции на балконе можно видеть ток 1,8 А при напряжении 45 В. I
заряжает он быстрее сетевого зарядника, но только если небо чж им
Даже слабое облачко снижает ток раз в 5—10. В принципе, нч
серьезный минус, т. к. NiMH очень малыми токами заряжать нею ••
На ноутбук с дисплеем часа этак на 4 в день энергии вполне хва1 ь • •
независимо от погоды, по крайней мере, сейчас, летом.
Кошмары от Ippon. Оказалось, что ИБП отключается ровно ч< jrJ
5 мин, если нагрузкой служит только ноутбук. Функция Green Р<«
неумолима, и нагрузки от ноута видеть она не хочет.
При подключении еще и внешнего дисплея с Green Power все Н|<
ходит в норму, но отключается все теперь через 10 мин., так что нр<«
гресс небольшой. Выясняется, что это время заложено программ J
по умолчанию, его можно изменить вплоть до нескольких суток, пц|
ключив ИБП к ПК через СОМ порт и USB.
Еще для этого нужно инсталлировать в ПК небольшую yi*
литу (мегабайт этак на 20, большое количество всяких advpad
Количество записей, которые она вам сделает в реестр, тоже внеш
ляет. Автор воспользовался программой Reg Organaiser, чтобы в< < «и
вытереть после однократного пользования этой штукой.
Кстати, она НЕ позволяет отключить функцию Green Powe: к »
поддержка Ippon советует покупателям САМИМ выпаивать р< «ф
сторы (говорит какие), если они хотят избавиться от этого чуда ип i
нерной мысли.
Также тех. поддержка, в общем, не возражает против внсшим
аккумуляторов на ИБП, предупреждая только о возможном перецн
устройства при долгой работе (чего, к счастью, не наблюдается).
Кошмары... от контроллера. В жару при попадании прямых
нечных лучей светодиоды беспорядочно мигают, а батарея не i.ip<
жается — от перегрева. Пришлось укрывать о г ( олпца. При Ю ( и|
балконе — работает нормально.
Вхолодную погоду при почти заря кениоп baiaper и при яркм
солнце прямо против прерывает прядку t рло.н i.ib.u г ot р.ппгь нИ|
» Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии
179
и.। пряжению от солнечной батареи на аккумуляторе — не более
И 11отом снова сам включается. Пока имел место единичный такой
•I ЛII.
опасения — реалии. Как вообще паять кремниевую пластинку
> i щи ной менее 0,2 мм? Треснет, рассыплется и т. д. — реально «очень
..... навыки пайки вполне достаточны.
1плщина панели всего 10 мм, будет ли она достаточно жесткой? —
• будет. Размягчение оргстекла в жару— пока было до 35 °C, не
В выдается. Хотя, наверно в принципе лучше ТОСН вместо ТОСП.
Ни еска на балкон не выдержит сильного ветра — было метров до
> ничего...
II юг. Во Всемирный день окружающей среды автор взгромоздил
и । ооружение на балкон. На электровелосипеде ездим и комп в сеть
bii.nie не включаем!!!
1.4. Солнечные батареи для путешественников
Солнечные батареи (SunCharger)
на гибких фотоэлементах 4/6/8/11 /15 Вт
I ( о/шечные батареи, представленные на сайте www.vampirchik-sun.
•I in. позволяют зарядить почти все мобильные устройства в поле-
Ь* У< ловиях. Электроника облег-
•< । и и волнение этой задачи. Часто
• • приобретают для создания своих
Экономных устройств мобильного
Bni1ронитания.
Почти все представленные сол-
iiii.ii батареи изготовлены из
Ь*|ч|>но1 о кремния, поэтому они
пи минимальный вес на еди-
• н) мощности, а также являются
«•••и ими, г. с. нс ломаются при
•и и(<< ,чю важно в походных уело
Ь>< 1 (рис. 3.1 3)
Рис. 3.13. Внешний вид гибкой
солнечной батареи
180
Альтернативные источники эн<«
0 Примечание.
На сегодняшний день солнечные батареи без электроники пра^’»
чески не используются.
Электроника выполняет две задачи:
♦ согласование нестабильных выходных параметров солнечн-
батареи с требуемыми для мобильного потребителя;
♦ накопление энергии от солнечной батареи.
Как выбрать? Если кратко, то вначале определяемся с необходим»4
мощностью солнечной батареи, затем выбираем электронику, коя
рая лучше всего подходит под наши задачи. Разновидности солнечн
батарей будут рассмотрены после табл. 3.1.
В Примечание.
Хотя, как ни странно, с развитием электроники, эта послед^Л
тельность меняется: сначала выбираем накопитель, котор* >
бы подошел по мощности под наши.устройства, а потом uui--
источник (солнечная батарея или что-то еще), который бы прл
кормил» наш накопитель.
Заметим, если солнечная батарея питает потребителей нон
средственно, то ее мощность должна быть не меньше, чем текут•••
запросы потребителя (плюс запас в пару-тройку раз, на «неидеаш
ность» погоды).
Однако если использовать накопитель, то требуемая мощно» ц
солнечной батареи может быть в несколько раз меньше, чем в
чае непосредственного питания от нее. Т. е., образно говоря, солш •
ная батарея целый день заряжает аккумулятор, а вечером в тем» ш<
пары часов этот аккумулятор питает, например, КПК. Это позволь
использовать менее мощную, т. е. более легкую и дешевую солнечн 1
батарею и иметь запас энергии на «темный день».
Рекомендации по выбору солнечной батареи
В табл. 3.1 приведены примеры комплектаций для решения
торых типовых задач. Указанное в таблице оборудование рассмснр и
после таблицы.
> Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии
181
кнрн комплектаций для решения типовых задач „ ктропитания Таблица 3.1
*|М «простых» сотовых Вфноов (не коммуникаторов) Минимальный вариант: Солнечная батарея 6 Вт, к выходу коюрой 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 6 Вт и более и накопитель, например, «Вампирчик- Литий». Зарядка идет не только на солнце, но и в любое время от накопленной энергии
Ь»* КПК, сотовых, GPS, piriapaTOB и других ^биклей, питающихся 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»
мкл с путниковых телефонов, ({спряжении питания МИ К ю 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».
•дкл литиевых горов 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»
рмлитиевых |ыул>норов 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»
«NICd-NiMh jMyuniopoB, размера ДА, и/II» Подходит любая из гибких солнечных батарей, даже без зарядника
Подходит любая из гибких солнечных батарей в комплекте с «Буфером + Универсальные зарядники от прикуривателя»
ВДМ<"ИНЦОВОГО )шуня1<?ра 6 В Минимальный вариант: Солнечная батарея 6 Вт (заряжаем током до 0,9 А)
Максимальный вариант: Солнечная батарея 8—15 Вт со стабилизатором
а< нинцового |ayii>'i им 12 В Либо 2шт б Вт, либо В—15 Вт (со стабилизатором или без него)
•лдли адаптеров в цмкурищнель Минимальный вариант: Солнечная батарея 8—15 Вт + Разъем прикуривателя
Максимальный вариант: Солнечная беыр*1» 8 -15 Вт + «Буфер» + Разъем прикуривателя
.1. , |>п>Н**«НОЙ <' и 1р«*И Исполглуом Н.1КОПИП11И «Вампирчик-Цифра» или «Буфер»
1 (ли • < м ырнж- чц|,г>- Nit <| NlMli «ккумуляюры или бларейки, то можно инионы и <>» ник либо мере» понижающий сглбилиглюр, либо и> полькионь < •Аилимгиры (понижающий, либо 1КИ1Ы1ШМОЩИЙ) or 1МКОПИ1»Л* И
11 ни >< г> «лриж*нн1.1О । йннц«мм |И ft II или 12 В аккумул«н>р, р> НИ1а»м И* > J 1 • 1 >Н II» > 1 '** 19 1 Н11ННЖЙЫ1|^1И |.»<1ИН1» мн >р
182
Альтернативные источники
Накопитель на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра
Накопитель предназначен для питания портативной техпнм
также зарядки внешних Li-Ion (Li-Po) аккумуляторов 3,7 В и 7/1 I I
имеет внутри два сменных Li-Ion 3,7 В аккумулятора емкостью J1
размера 18650 (d= 18 мм, L-65 мм). Их зарядка может выполни пЛ
разных источников постоянного напряжения 5—15 (20) В (со/пн чв
батареи, различные адаптеры, USB порт компьютера и т. д.).
Конструктивно накопитель состоит из 5 основных частей I • I
зарядки, схемы контроля аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторов, пыЦ
ного повышающего стабилизатора и микроконтроллера, которын
спечивает измерение, индикацию напряжений и токов и кош J
зарядки внешних аккумуляторов. Структурная схема накопится i и
ставлена на рис. 3.14, а внешний вид накопителя — на рис. 3.15.
Схема зарядки и выходной стабилизатор импульсные прсднлм
чены для минимизации потерь.
Рис. 3.14. Структурная схема накопителя на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик //п<|
Pth . 1,1 > HllVtllllllU в(/1> IHlIJUninh M lf<l I I /.VI t ЫНЧр<(\
11 H(пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии 183
_____
| мл контроля предотвращает как перезаряд, так и переразряд
Ьуляторов. При этом загораются соответствующие светодиоды
Ьн цции. Накопитель можно оставлять подключенным к питанию
»» т.ное время, он не перезарядится.
|||ьма откл. USB» запрещает подачу на выход USB напряжения
Ьп ь В, для защиты подключенных USB устройств.
В '1"|д аккумуляторов и питание потребителей может происходить
переменно
‘ 1иьроконтроллер (МК) позволяет измерять и выводить на дисплей
htp<i ксния в различных точках схемы и выходной ток. Также, в
рк 1 зарядки внешних аккумуляторов он отключает зарядку, когда
» ул 1 горы зарядились, и сообщает об этом.
Гы кодной повышающий стабилизатор может питаться как от вну-
||и।нич аккумуляторов, так и от внешнего источника напряжением
> В через «запасной» вход (3—4 батарейки или NiMh аккуму-
Ь«р) 11ри этом энергия внутренних аккумуляторов не расходуется,
I <пп должны быть установлены. Этот «запасной» режим не тратит
Ьч ню на зарядку внутренних аккумуляторов, все идет на выход.
Б 1%. i мотрим характеристики:
• иходкое напряжение, В............................5—15(20);
....... стабилизированное напряжение, В..................5,4; 9;
I • выходное регулируемое напряжение, В.................3—15;
к ♦ и ы ходной ток (выбирается джампером,
ниутренний ограничитель), А................до 0,5, 1,5 при 5 В;
• пну ।ренний Li-Ion аккумулятор 3,7 В, 2800 мАч......2 шт.
It размеры, мм.................................... 135x70x24;
| ♦ псе, г.............................................. 200.
И мег гея встроенный контроллер для измерения различных напря-
• ..... обеспечения зарядки внешних аккумуляторов.
I In дикация: наличия выходного напряжения, наличия выходного
L».i наличия зарядного тока, конца заряда встроенного аккумуля-
1-1 наличия напряжения 4,5—5,5 В на USB-A выходе. Цифровой
Iiiiiii crop (miioiорежимный). Фонарь.
1|ЦЦ1И.| внутренних аккумуляторов от перезаряда, переразряда,
। винчением макс, тока потребления от него.
Ни 1можно(. JI- работы бел noi рейлепия oi встроенного аккумуля-
I . । । лк новы hi.।ющего В
I |1\<1ЛН1.1< рл и.емы мини I 1 *«Н. i р> i 'ii.ni I мм
184 Альтернативные источит ••
1к>иьзуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
185
Выходные разъемы — USB-А, круглый 1,1x3,5 мм (Nokia), i>|
2,lx5,5 мм, нажимная клемма.
Импульсный стабилизатор напряжения
Импульсный понижающий стабилизатор напряжения шипа
получить стабильное напряжение для питания потребителем <п
личных источников (солнечные батареи, адаптеры, аккумулншр
т. д.). За счет импульсного режима работы имеет высокий КН 1
90% в зависимости от режима работы).
Выбор выходного напряжения осуществляется пользой и
с помощью ДИП-переключателя. Плавная регулировка выхи и.
напряжения с помощью переменного резистора позволяет го и
жение на выходе, которое требуется с высокой точностью. Эт< -на »
например, для безопасной зарядки литиевых аккумуляторов.
Встроенный ограничитель тока также служит для обеспечен и « М
опасной зарядки аккумуляторов или маломощных потребите^ |
Таким образом, с помощью данного стабилизатора можно как
тать большинство мобильных устройств (в том числе спугни мА
телефонов), так и непосредственно заряжать различные типы ак • Л
ляторов (никелевых, литиевых, свинцовых). Может быть испо
в качестве драйвера для питания мощный светодиодов.
Рассмотрим характеристики:
♦ входное напряжение, В..............................В
♦ выходное стабилизированное напряжение, В.......5,4; Л
♦ выходное регулируемое напряжение, В............4,1 ।
♦ выходной ток (выбирается джампером,
внутренний ограничитель), А.......................... О *». I
♦ выбор отключения выходного напряжения при входном mn
жении ниже, В........................................5, 7,М
♦ индикация наличия выходного напряжения...............«1
♦ размеры (без провода), мм.........................62х?М
♦ вес, г............................................... |
I уч|и р на гелиевом аккумуляторе 12 В, 4,5 А-ч, 7 А-ч и 9 А-ч
нный буферный аккумулятор (рис. 3.16), который можно непо-
нн нно подключать к 12 В солнечным батареям (8 Вт, 11 Вт и
нмендуется, но не обяза-
Ш) ш пользовать 4,5 А-ч с сол-
Ьммп эатареями: 7 А-ч 8 Вт или
М. 11 Вт, 15 Вт.
1». ।» (|>ера можно питать любые
г и- та, которые могут рабо-
't прикуривателя автомобиля.
♦ ни прижаться как от солнеч-
I । .реи, так и от прикуривателя
hi идя— в соединительных
встроен дополнительный
и гокоограничивающий рези-
fete и hi оезопасной зарядки.
Рис. 3.16. Внешний вид буфера на
гелиевом аккумуляторе в комплекте
Примечание.
При зарядке от солнечных батарей SunCharger контроля зарядки
н требуется. А при зарядке от солнечных батареи с рабочим
напряжением 17 В нужно использовать контроллер заряда или муль-
тиметр для контроля состояния аккумулятора.
ь мкл служит для переноски и дополнительной защиты аккумуля-
Ь И I" и внутри стенок проложена тонкая «пенка». Также, есть пара
ц |<»родок, которые крепятся на липучке.
I |мь.1 и провода могут быть куплены без аккумулятора. Вообще,
I *|||ц мощный и простой буфер, который рекомендуется тем, кому
••рядного комплекта не слишком важен.
И 1д кность его весьма высока, т. к. нет никакой электроники и
tei 14 я просто нечему.
I и. же, в отличие от буфера на литиевых аккумуляторах, свинцо-
|мн •».<!» р можем работать при отрицательных температурах.

Г .< । мо грим характеристики:
• напряжение используемых аккумуляторов, В............ 12;
• емко* । ь аккумуля горок, А-ч....................4,5, 7, 9;
• и *однон ра । нем — при курина i ел н (папа)
। предохрани! елсм и t нс год иодом
186
Альтернативные источники
И< пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
длина зарядного провода, м...........
выходной разъем — прикуриватель (мама);
рабочая температура, °C..............
зарядка от солнечных батарей
и прикуривателя автомобиля...........
размеры аккумулятора 4,5А-ч, мм .....
размеры аккумулятора 7 А-ч и 9 А-ч, мм...
вес 4,5 А-ч / 7А-ч /9А-ч, кг.........
-2(1
102 '«
151xfj
.1,5/1
Солнечные батареи
Солнечные батареи, как отмечалось выше, имеют гибкие соли» ««
элементы на основе аморфного кремния, которые сложно повр»
Малые габариты и вес позволяют быть под рукой.
Солнечные элементы изготовлены в США, сами батареи iioihhH
в России. Технология фотоэлементам аналогична гибким солн< п>(
элементам завода «Квант» (Россия).
Гарантированный срок выработки энергии фотоэлементами 1нф
18 лет. При непрерывном нахождении на солнце где-нибудь па и ♦
торе выходной ток за это время не упадет ниже 85% от паспор i и |
Т. е. для туристов, можно принять, что батареи «вечные».
Рассмотренные солнечные батареи позволяют заряжать (сонм» < м
с электроникой) почти всех мелких потребителей, до ноутбук.» и
чительно, а солнечные батареи 8, 11 и 15 Вт могут заряжаю in
автомобильный аккумулятор (можно реально завести машину и"
0,5—1 дня зарядки).
Солнечные батареи SunCharger собираются из ламинатов, шц ।
которых упакованы несколько фотоэлементов, соединенных по»
вательно. Обычно такая сборка содержит 4 или 8 фотоэлемен гоп,»
дый из которых дает около 1,5 В рабочего напряжения. Поэтому лек
из четырех фотоэлементов будет иметь на выходе напряжение <»!((•!
без нагрузки) или 12 В (16 В без нагрузки).
Сам же единичный фотоэлемент представляет собой прямо ।
ник стальной фольги размерами приблизительно 180x39 мм, и i » т
рый напылены активные слои (II. Носов lillp://mobipower ru/)
На рис. 3.17 приведена выходная хараки ри гика единичною фн«
элемента.
Что мы видим в графике па рис, VI ( лмо< главное, видно
при » i а и дар i пых у< ионияч о» вещевин ( I 000 |li/m ’, ( и < пек i р,15 Вт.
|ц» позволяет нам уже
* миешнему виду сол-
ении батареи сразу же
В«о се характеристики.
ример, смотрим на
Ькчную батарею, ска-
I, Н Вт, показанную на
to I 18.
300 мА
о 200 мА
100 мА
0 мА
0
Графики сняты при
Isc температуре воздуха 25 "С
400 мА
Рис. 3.17. Выходные характеристики
единичного фотоэлемента
1,5В
Напряжение
•и 11 остоит из двух ламинатов, в каждом из которых по 8 после-
|И||гльных фотоэлементов. Поэтому рабочее выходное напряжение
bin I олнечной батареи будет 1,5 В х 8 шт. = 12 В (или 2 В х 8 шт. =
Вй В если без нагрузки).
й рабочий выходной ток будет 300 мА х 2 панели - 600 мА (или
I» мЛх2= 760 мА при коротком замыкании). Реальная выходная
нн<»< гь 0,45 Вт х 16 фотоэлементов = 7,2 Вт.
Н~ Примечание.
Все эти цифры получены для стандартных условий освещения, а
- это, приблизительно, — «лето, Крым, полдень, ясное небо».
► «in фотоэлементы имеют выходную мощность реально выше, чем
• ню на графике (рис. 3.17). Поэтому солнечная батарея, маркируе-
। в. 8 Вт, имеет мощность не 7,2 Вт, а около 7,5 Вт, а батарея на
•» । «честные» 15 Вт. Так что, фирма SunCharger указывает харак-
п гики своих солнечных батарей
• ню» (в отличие от распростра-
нил! практики, когда «путают»
|очне и максимальные характери-
)»п. в результате чего «рекламная»
ин нос гь получается в пол тора раза
|1|<1роГ, 410 мы молам увидеть II I
»фнк.1 pm. 1.17: при уменьпн mill
'Ч/<. । 7Я. hit luuiiii miff швкой
i dit 4iitni /цнпо)и ц в Нт
188
Альтернативные источники
I Используем энергию Солнца для выработки электроэнергии
189
снижается выходной ток, но выходное напряжение при этом о< i я*
практически неизменным.
Это подтверждается и на практике, когда на слабом Соли nr |
может упасть, например, в 50—100 раз, а напряжение снизи те и
на пару вольт. Т. е. мы можем продолжать заряжать свои аккум
торы, просто уменьшится скорость их зарядки, но процесс не 111 »• afi
тится. Это очень хорошее свойство данных батарей.
Следующий фактор, который часто беспокоит покупателей и и*
ных батарей — это как быстро они теряют свойства. Это опак я я
случайно, многие «китайские» аморфные солнечные батареи
потерять до трети своей мощности в первые же пару лет экенл
ции. Однако, фотоэлементы от «Кванта» практически не мен>||п<|
временем. Это прекрасно видно на графике на рис. 3.19.
Из графика видно, ...|
течение первых 10 и-им»
лежания на солнце, прений
дит стабилизация харамчв
стик фотоэлементов и и и»
нейшем они практичп । н
меняются. Сам производи
дает гарантию 18 лет наш и
элементы будут работа и., |
Главный технолог «Киш»»
производящего солн<"п|(|
о
£ 120%
£ 100%
о
0 недель 10 недель
Время использования
при солнечном освещении
Рис. 3.19. Изменение выходной мощности
от времени
батареи, рассказывал, что у них на крыше уже 14 лет стоят еще п<
модели солнечных батарей на гибких фотоэлементах. Круглогоди
За эти годы их характеристики ухудшились всего на 4%. Так ч к> «ев
еще прослужат лет 30, не меньше (Н. Носов http://mobipower.ru/)
D Примечание.
Приятным бонусом для туристов, как для людей, ucno/ii |iyMH
солнечные батареи лишь время от времени, является то
отсутствии Солнца процесс стабилизации практически н*
исходит, и получается, что в первые н< сколько лет экспиуатлц
мощность батареи будет выше ном ин. и -ш и на 5—15%.
Следующим интересным свои ib<>m p.u < матрица мых сочиечн'
фогоэлсмсп IOB ЯВЛЯС1СЯ ГО, 4JO ИХ kti н|и||Ц Ц11(|| I пр( (*(>]).! loiltit
111 ни света в электричество оказывается выше при малой освещен-
. II чем при максимальной.
шечу, что не стоит пугаться относительно небольших значений
|Д фотоэлементов из аморфного кремния — это их общее свой-
Иго просто приводит к необходимости иметь площадь солнеч-
Ьв батареи большей, чем, если бы использовались фотоэлементы с
► in им значением КПД. Но на малых мощностях такое увеличение
Ь'|цади не играет большой роли, тем более, что батареи складные.
Интересной и полезной особенностью рассматриваемых солнеч-
Ь* ьагарей является их нелинейный коэффициент преобразования
Р»|чии солнца в электричество, аналог коэффициента полезного
I •" । ния — КПД. А именно, при снижении освещенности КПД таких
Ь»п> шементов не снижается, а возрастает. Т. е. в реальных условиях
Ьнлуатации, которые могут быть весьма далеки от паспортных,
вши фотоэлемент позволяет получить большее количество энергии
•• р шнению с другими типами (при одинаковой номинальной мощ-
и солнечных батарей, естественно).
Ниже, не стоит забывать, что в горах и на севере, где в солнечном
•н 1 ре повышенное количество ультрафиолета, гибкая солнечная
«ре я выдает еще больше тока, а кристаллическая — ультрафиолет
mi- гически использовать не может.
Рекомендуется использовать солнечные батареи в комплекте с
• роникой:
• < импульсным стабилизатором;
С накопителем на литиевых аккумуляторах «Вампирчик-Литий»,
о/шечную батарею 4 Вт рекомендуется использовать для зарядки
вых телефонов.
I Для КПК, коммуникаторов, фотоаппаратов рекомендуется более
Ь'Ц|н 14 батарея на 6 Вт или 8 Вт.
। Для нескольких потребителей (КПК, фото и т. д.), а также для ноут-
♦ । -и», рекомендуется солнечная батарея на И Вт, 15 Вт или 24 Вт.
I янечная батарея 24 Вт имеет более высокое выходное напря-
>»iiip , которое равно «стандартному» для 12 В солнечных батарей,
| именно 17—18 В (рабочее). Эго может быть полезно при зарядке
Ьыиорых накопителей, для которых не подходят «низковольтные»
। дрен 8—15 Вт.
I.ik ке она подходит для прямой
'iiH-uiH iк ().и .11»( и
имепы «12 В» кристаллических
190
Альтернативные источники
Размер в сложенном виде у солнечной батареи 24 Вт на 25% м< и|
чем у батарей 8—15 Вт.
В завершении рассмотрим краткие характеристики
Общие для всех батарей. Складная конструкция. Рабочая
пература -30...+ 50 °C. Выходной разъем круглый 5,5 мм / I
Встроенный обратный диод.
Солнечная батарея 4 Вт (SC-4/6). Выходная мощность: I •
Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. Выходнон ।
чий ток: 0,66 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x195» <• ifl
Габариты в раскрытом состоянии: 405x195x6 мм. Вес 280 г.
Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/6). Выходная мощность < I
Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. ВыходЯ
рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x19с» - а
Габариты в раскрытом состоянии: 595x195x6 мм. Вес 410 г.
Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/9). Выходная мощность I I
Выходное напряжение без нагрузки: 12 В, рабочее: 9 В. Выхо^Я
рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x270 хМ Л
Габариты в раскрытом состоянии: 420x270x4 мм. Вес 410 г.
Солнечная батарея 8 Вт (SC-8/12). Выходная мощность: И 11
Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходм
рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350 • Н •*
Габариты в раскрытом состоянии: 420x350x6 мм. Вес 460 г.
Солнечная батарея 11 Вт (SC-11/12). Выходная мощность 11
Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выхо
рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x4 <<
Габариты в раскрытом состоянии: 630x350x6 мм. Вес 600 г.
Солнечная батарея 15 Вт (SC-15/12). Выходная мощность: IN
Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходи I
рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 210х350х 1 I М
Габариты в раскрытом состоянии: 850x350x6 мм. Вес 930 г.
Солнечная батарея 24 Вт (SC-24/18). Выходная мощность: 2 V • Щ
Выходное напряжение без нагрузки: 21 В, рабочее: 18 В. Выхо ш
рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 28x22,»•. 1 Л
Габариты в раскрытом состоянии: 148x44x4 см Вес 1,4 кг.
Цшжьзуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
3.5. Солнечные электростанции
промышленного производства
Солнечная электростанция башенного типа
И • ।печных электростанциях башенного типа для преобрл кн
н шектроэнергию солнечного света используется вращавши ।
ч» тражателей — гелиостатов. Они фокусируют солнечный < и
I тральный приемник, сооруженный на верху башни, коп>|Н
। видает тепловую энергию и приводит в действие турбогеиерли
|ц>>< шркало управляется центральным компьютером, Koinpi
. и । ирует его поворот и наклон таким образом, чтобы о гра к<
| Солнечные лучи всегда были направ-
|11и па приемник (http://howitworks.
• • ii i u/paperl 185.html).
। (»ipкупирующая в приемнике жидкость
ii< > и г тепло к тепловому аккумулятору
Шшн пара. Пар вращает турбину генера-
ь|-1 вырабатывающего электроэнергию,
Гелиостап । Г«>ииш>т«1ы
Рис. 3.20. Солн+чнан
электростанции
башенного типа
> in посредственно используется в про-
В»цц к иных процессах. Температуры на
п.мпике достигают от 538 до 1482 °C
,ih UO)J
11достатком любой солнечной станции является пад< пт е< вы/
linn мощности в случае появления облаков на небе, и полное н|
• пне работы в ночное время. Для решения этой проблемы нр<
• । • по использования в качестве теплоносителя не воду, а <ши
и.шеи теплоемкостью. Расплавленная Солнцем соль конце iiipii|
и в хранилище, построенного в виде большого термоса, и ми
• льзоваться для превращения воды в пар еще продол к и к ль в
Ц мн после того, как Солнце скроется за горизонтом
Г l.iiaiодари аккумулированию тепла башенные шектрос Ганц
। in уникальной гелиотехнологией, позволяющей диСпе pirpii i щ|
• । ipo шергии при коэффициенте нагрузки до 65"о. При такой к<
>1 КЦНИ р.п плавлен пая соль ыкачивается из «холодной)» олкл п
l»'iiirpa 1 уре 288"( п проходи 1 чгре i приемник, где нагрев.и вн
С, а кием во шр.нцлг к я в «I орлчпи» (»лк. Теперь lopii'hKi <<
bi' мере падоОН(ц ш мо к но in iu> и и >ва и. д ля пырлОо i кн »и<*к грп»
192
Альтернативные источники
Рис. 3.21. Солнечная электростанция на расплавленных солях
ства. В современных моделях таких установок тепло хранится ii.it
тяжении 3—13 часов. На рис. 3.21 показана схема работы соли i
электростанции на расплавленных солях.
Солнечная электростанция тарельчатого типа
СЭС тарельчатого типа представляют собой батарею тарелочи
параболических зеркал (схожих формой со спутниковой тарсин-
которые фокусируют солнечную энергию на приемники, располо^
ные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике н.п
вается до 1000 °C и непосредственно применяется для произвол»
электричества в небольшом двигатель-генераторе, соединенно
приемником (рис. 3.22).
Рис. 3.22. Солнечная
электростанц и я
тарельчагт <го тин t
Высокая оптическая эффективней -1 •
малые начальные затраты делают си<itJ
зеркал-двигателей наиболее эффективны^
из всех гелиотехнологий. На этих ус т.н I
ках удалось добиться практического МЦ
29%. Такие системы представляют
оптимальный вариант как для автолом в ui
потребителей (в киловач гном диан.вонг), (ф
и для гибридных (в mi । пня । гном ди ша к n«i
соединенны ч i шгмрокчями коммупллыие
пргд||]>Ш| 11111 (Ьнр //poil.il Ipii.ui:/, 7)
Ь in >г»ьзуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
193
С<>'1нечные электростанции, использующие параболические
концентраторы
июлоцилиндрические установки — на сегодня наиболее разви-
В) м ж ночных энергетических технологий и именно они, вероятно,
»1 и' пользоваться в ближайшей перспективе. Схема параболоци-
1мр<«кой установки показана на рис. 3.23.
u ni чные пруды. Ни фокусирую-
k риала, ни солнечные фотоэле-
। ( м. ниже) не могут вырабаты-
ii«pi ию в ночное время. Для этой
। 'п/шечную энергию, накоплен-
। ик’м, нужно сохранять в тепло-
I чу пирующих баках. Этот процесс
h> венным образом происходит
* называемых солнечных прудах
Км).
iriii иные пруды имеют высо-
Рис. 3.23. Схема параболического
концентратора
мпцентрацию соли в придонных
»«• поды, неконвективный средний слой воды, в котором концен-
liiitn оли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой
<н« in рацией соли— на поверхности (http://www.energy-bio.ru/
• fill htm).
I nfii гчный свет падает на поверхность пруда, и тепло удержива-
н и
ижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли.
|« ньн окой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнеч-
II ин ргией, не может подняться из-за своей высокой плотности.
• »и »(и тается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не заки-
। (в io время как верхние слои воды остаются относительно холод-
и । Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в
*• । в« ис 'очника тепла, благодаря которому особая турбина с орга-
MIM
гсплоносителем может вырабатывать электричество.
1орячая
вода Низкая
концентрация соли
Холодная
вода
Средний слой
Высокая
концентрация
соли
414 t ' I I • ill. Illi,III 1Ц'у,)
194
Альтернативные источники и
Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплой и м
ции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверх!u I
Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достали
для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель. ufl
пущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее п •••
кнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для нр
водства электричества. Температура воды в пруде может досш ।
удерживаться на уровне выше 90 °C в теплоаккумулирующей зон
время пиковой мощности эта установка способна производить (и I
100 кВт-ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой и
составляет более 350000 литров в сутки.
Аэростатные солнечные электростанции
Одним из основных сдерживающих факторов развития солпсчи
энергетики является проблема выбора места для размещения cwim
ных электростанций.
Мощность солнечного излучения на поверхности Земли при ня
облачном небе составляет около 1 кВт/м2. Для получения элей ц •
нергии в промышленных масштабах необходимы мощности норм и
миллиона киловатт. Это значит, что для промышленной соли» н«
электростанции с коэффициентом полезного действия порядка !(»*
с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в к ч> «
суток необходима площадь в десятки квадратных километров
www.t3000.ru).
Площадка для размещения приемников солнечного изд уч. mi
должна быть ровной, пригодной для обслуживания и ремонта >>4|
рудования, свободной от хозяйственной деятельности человека
Найти подходящую площадку, удовлетворяющую этим (рсини
ниям, чрезвычайно сложно даже в пустынях Австралии и Coin pin*
Африки, не говоря уже о густонаселенных странах Европы и Лиш
Идеальным решением этой проблемы является размещение
нечных электростанций на поверхности морей и оксанов, iukhi.u
которых в пять раз больше, чем площадь суши. Однако, традицишн.
солнечные электростанции не пригодны для морского ба шроилшн
Ситуация коренным образом изменилась после и юор. он»'
солнечных аэростатных шсктрос!акций (« hieprini», №4, шив
11ринциниальная схем.т солнечной л »рсц ы ион »лекгрос raimnii н| •
леденя на put I. '»
| И( пользуем энергию Солнца для выработки электроэнергии
195
Рис. 3.25. Принципиальная схема солнечной
аэростатной электростанции
Принцип работы солнеч-
•I > >ростатной электро-
нки и с паровой турбиной
иччиется в поглощении
I • ч. 11остью баллона аэро-
ал солнечного излучения
•• |i ргва за счет этого водя-
• и нпра, находящегося вну-
" найлона. Современные
Цьгивные поглощающие
|Ьриллы способны нагре-
Вм и от прямых некон-
«। рированных солнечных
и до 200 °C и более.
1 и водочка баллона выпол-
«I' двухслойной. Внешняя
Р«»к>чка является прозрач-
и пропускает солнечное
Ьучсние. Внутренняя обо-
h । покрыта селективным поглощающим слоем и разогревается
hi. чпым излучением до 150—180 °C.
( I ной воздуха между оболочками является теплоизолятором,
Ьи hi.шлющим потери тепла в атмосферу.
кмнсратура пара внутри баллона составляет 130—150 °C. Давление
।»। рн i галлона равно атмосферному давлению.
111 баллона пар по гибкому паропроводу подается на паровую тур-
III). и после турбины конденсируется в конденсаторе. Из конден-
• •р.| иода насосом вновь подается внутрь баллона, распыляется и
М iряс гея при контакте с перегретым водяным паром.
< >• шитым достоинством паровой аэростатной установки является
чю запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости
р»" । а । а, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в
них- время суток.
Hi ia подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет тепло-
। на к окру кающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата
1 in.шин я на К)—?0%, что не влияет на положении аэростата. В
внос время в pi tyni.raгс нагрева i олнечным и мучением происходит
ш рация H.ipa ш только для ранен ы плровоп i урбины, по и для вос-
ки huh i.iii.k а водяного пл| л по hn\ ip< пнем гцнпн nt а ими г и ।
196
Альтернативные источи
Мощность турбогенератора можно совершенно безоо и
изменять в течение суток в соответствии с нуждами потреби d
При атмосферном давлении плотность наружного воз ц
1,3 кг/м3, а плотность водяного пара внутри баллона равна о •
Таким образом, подъемная сила одного кубического метра < •
составляет 0,7 кг/м3.
Аэростатная электростанция типа СА
В настоящее время разработана серия солнечных аэро( • •
электростанций типа СА среднесуточной номинальной мопш
300—450 кВт, 1200—1800 кВт и 2700—4000 кВт
(мощность Mni
зависимости от времени года). Рассмотрим СА-200.
Технические характеристики электростанции СА-200:
♦ внутренний диаметр баллона, м..................
♦ среднесуточная номинальная мощность при 8-часовом г
ном солнечном освещении, кВт...................... .
♦ среднесуточная номинальная мощность при 12—часовом <
ном солнечном освещении, кВт.....................
♦ масса баллона, т..................................
♦ подъемная сила баллона, т.........................
♦ температура пара на входе в турбину, °C........
♦ термический КПД электростанции....................
Прозрачная оболочка выполнена из полиэстровой и>
(рис. 3.26). Полиэстровая пленка отличается высокой прозрачии
прочностью, долговечностью и не мутнеет в течение всего срои
плуатации установки. Для поглощающего слоя использует я <
тивное покрытие, коэффициент поглощения которого в соли» •»
спектре составляет 0,95, а коэффициент собственного излучен и н
рабочей температуре покрытия 0,03.
Поглощающее покрытие представляет собой систему капа i>
клапанов, по которой с помощью газодувки мощностью 50 kBi и
качивается водяной пар.
Работа системы клапанов организована таким образом, чю i
движется только по каналам, освещенным солнцем.
Внутренняя часть баллона изолирована о г атмо< ферного inn.i
многослойной пленочной теплоизоляцией юлщнион I мсгр
Многое дойная нлсночнця к пион 1О/1ИПП I при малой массе
дае I вы i окон 1с пл< >п и >и пру кит и i и* н ।»(н в м и.к» 11< 11 ci hi h ii и ii
hi. «угм энергию Солнца для выработки электроэнергии
197
Рис. 3.26. Солнечная аэростатная электростанция СА-200
а — конструкция; б — внешний вид
имена с атмосферным воздухом составляют не более10% за
рн l.i к им образом, многослойная оболочка баллона является тер-
। нм полупроводником, который «закачивает» тепловую энер-
Н »»н\ । pi> баллона.
|1 ночные конструкции раскреплены к каркасу из капроновых кана-
) .... । рукция рассчитана на ураганный ветер скоростью до 50 м/с.
Ь 'тыс аэростатные электростанции серии СА предназначены для
ни ния в районах с количеством солнечных дней в году не менее
ш о । * го район Средиземного моря, Северная Африка, Ближний и
.....и Восток, Средняя Азия, район Каспийского моря, Забайкалье,
Ьипшя. Западный Китай, Австралия и другие подобные регионы.
1'лнако наиболее перспективным представляется морское бази-
>|нн< подобных электростанций. В этом случае открывается воз-
• но..... энергообеспечения многих стран исключительно
I. । < олпечпой энергии.
II плохие перспективы в >гом случае открываются и для России.
iih'ii юнапие в Кас пийском и Черном морях площади 20 000 ква-
нных километров для размещения солнечных электростанций
то ли । полное । bio покры । к но I р< оно» । и евроиене коп час । и России
и< пользуем энергию рек
199
ГЛАВА 4
ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ РЕК
4.1. Большие и малые гидроэлектростанции
Что такое гидроэнергетика
0 Определение.
Гидроэнергия — энергия, сосредоточенная в потоках водны» •
в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего •
ется энергия падающей воды.
До середины XIX века для этого применялись водяные колес । ц
образующие энергию движущейся воды в механическую энерпн
щающегося вала. Позднее появились более быстроходные и
тивные гидротурбины.
До конца XIX века энергия вращающегося вала использоп ifl|
непосредственно, например:
♦ для размола зерна на водяных мельницах;
♦ для приведения в действие кузнечных мехов и молота.
Но когда наступил золотой век электричества, произошло во ij •> ••
дение водяного колеса, правда, уже в другом обличье (в виде воЩие •
турбины). Электрические генераторы, производящие энергию, л
ходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода Н
более что многовековой опыт у нее уже имелся.
D Примечание.
Можно считать, что современная гидроэнергетика роди / к t,
в 1891 году.
Сейчас практически вся механичен кая »н> pi им < о «даваемая rnjijt
турбинами, преобразуется i: i/iKipoin ргию
имсрнативной энергетике последнее время уделяется присталь-
Ьишмание во всем мире. Заинтересованность в использовании
иовляемых источников энергии — ветра, солнца, морского при-
ft и речной воды, — легко объяснима: нет нужды закупать доро-
Кнпцее топливо, имеется возможность использовать небольшие
ни для обеспечения электроэнергией труднодоступных райо-
Последнее обстоятельство особенно важно для стран, в которых
Ьеи я малонаселенные районы или горные массивы, где прокладка
к । росетей экономически нецелесообразна.
Плотина
||ц>1 повышения разности уровней воды, особенно в нижних тече-
it р к, сооружаются плотины.
Е Определение.
Плотина — это массивная перемычка, цель которой удерживать
। водный поток, это незаменимый инструмент при практическом
использовании водных ресурсов.
11ч г лги, в течение долгого времени теории строительства плотин не
I к i гвовало. Только в 1853 году французский инженер Сазилли обо-
Lhi i/i некоторые теоретические постулаты. Плотины обеспечивают
Ььппение уровня воды в реке или ее отвода. В последнем случае пло-
Ьш.1, обеспечивают судоходство или орошение земель.
| Плотины могут отличаться в зависимости от конструкции и раз-
b и. । вся на две группы:
| • гравитационные плотины выглядят как каменные или бетонные
। н раждения и препятствуют поступлению воды своим весом;
• арочные плотины выполняют свои обязанности благодаря осо-
бой конструкции.
Ч паяное функционирование арочных плотин зависит от трех
। 11.пслей:
• iшрогивл ’ния вертикальных элементов сооружения;
• м к сы н ос обей нос гей арочной конструкции, которая опирается
пл береговые устои.
При возведении ич тины необходимо учитывать воздействие
« ( пгорых lilK'IIIIIIIX <|>.lk ropi HI Jld I Ik II.riblH.K'MblC 1Д1ПЛ .1Н11Ц1К СИПЫ,
liji и i< line hiii opi.ix oby< лоил' HO no i/iriu i ни< м ВОДЫ» B<T грл, ударами
200
Альтернативные источнци
Пьзуем энергию рек
201
волн, перепадами температуры. Пренебрежение строителей к ш
перечисленным факторам может привести к разрушению шпм
Поэтому производятся определенные расчеты, позволяющие н<И
пятствовать негативному действию сдвигающих сил.
Например, горизонтальная составляющая давления воды ущ
вается с глубиной и равна:
Pr»p=wxh
где w — вес единицы объема воды; h — глубина.
Очень важно и вместе с тем достаточно сложно точно ран чн
фильтрационное давление, которое воздействует на подожну |
струкции из-за того, что под нее просачивается вода. Чтобы он( *
лить степень вероятности таких процессов, необходимо прош <<
исследований. При этом многое зависит от грунтового лож.1 i
фундамент плотины установлен на гальке, речном песке, норн I
породе, то давление на основание конструкции будет равно шлнЯ
гидростатическому напору.
В том случае, когда основание плотины соединено со ска/и и»»,
породами при помощи цемента и щели практически отсутс i 10 »
можно получить давление, равное всего лишь 10—40 процс"
гидростатического напора.
Принцип работы гидроэлектростанции
Преимущества гидроэлектростанций очевидны:
♦ постоянно возобновляемый самой природой запас энер! ин
♦ простота эксплуатации;
♦ отсутствие загрязнения окружающей среды.
Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес moi бы •«
зать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка пл<ши
крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более ело । ><»«•
чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного
(http://www.apxu.ru).
Но пока людям служит лишь небольшая часть гидро че|п i
ского потенциала Земли. Ежегодно огромные потоки воды, оорщ
вавшиеся от дождей и таяния снегов, стекаю г в моря пси шип
ванными. Если бы удалось одержать их помощью плотин, ч*<
нечестно получило оы дополни i сл ыю колен < л л ыкн кфлпчм
....... работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических
пий обеспечивает необходимый напор воды, поступающей
Ь* । п гидротурбины, которая приводит в действие генераторы,
Ь' в ын пощие электроэнергию (http://ru.teplowiki.org/).
водимый напор воды образуется посредством строительства
Ьи и. и как следствие концентрации реки в определенном месте,
I । и нацией — естественным током воды. В некоторых случаях
Ьл учения необходимого напора воды используют совместно и
Ни у и деривацию (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Схема плотины ГЭС
l Ь пос родственно в самом здании гидроэлектростанции располага-
Ья in шергетическое оборудование. В зависимости от назначения,
»• нм с г свое определенное деление. В машинном зале расположены
|л|'пн] > га!ы, непосредственно преобразующие энергию тока воды в
bi рич скую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное обо-
ft 11111111110, устройства управления и контроля над работой ГЭС, транс-
Ьры.| горняя станция, распределительные устройства и многое другое.
I I им обр 1 юм, в гидроэлектростанции кинетическая энергия пада-
и поды исполь дуется для upon шодства электроэнергии. Турбина
||»и* p.i к,р прсоор 13ОНЫ1ЫЮ1 »1к pi ню воды в механическую энергию,
|,пм -в »леь । ро inepj пю (урбмпы и i пердгорыу тан нденылибо
.............................................................
202
Альтернативные источники
Рис. 4.2. Структурная
схема работы ГЭС
чтобы подвести воду, находящую» *
давлением, ниже уровня дамбы или к
заборному гидроузлу гидроэлектр<>в
ции (рис. 4.2).
Мощность гидроэлектростанции
деляется, прежде всего, по функции |
переменных:
♦ расход воды, выраженный в
ских метрах в секунду (м3/с);
♦ гидростатический напор, м»нА
является разностью высот мгжд
чальной и конечной точкой ii.i/ifl
воды.
Проект станции может основываться на одной из этих перем» и flfl
или на обеих.
В Примечание.
С точки зрения превращения энергии, гидроэнергетика —
гия с очень высоким КПД, зачастую превышающем более ч< •.» « fl
раза КПД обычных теплоэлектростанций.
Причина в том, что объем воды, падающий вертикально, н< .»
себе большой заряд кинетической энергии, которую можно <»|
преобразовать в механическую (вращательную) энергию, неоохпА
мую для производства электричества.
Оборудование для гидроэнергетики достаточно хорошо рл iр »»
тано, относительно простое и очень надежное. Поскольку нт ifl
теплота в процессе не присутствует (в отличие от процесса гор» пи*'
оборудование имеет продолжительный срок службы, редко случлн |
сбои. Срок службы ГЭС — более 50 лет. Многие станции, пос i ри<
ные в двадцатые годы XX века — первый этап расцвета гидро >п» р»»
тики — все еще в действии.
Так как всеми существенными рабочими процессами можно упр»е
лять и контролировать их дистанционно через центральный »•
управления, непосредственно на месте требуется небольшой гехнкв
ский персонал. В настоящее время накоплен уже шлчительный оны» ь
работе гидроэлектростанции мощно' ri.iooi I kBi до сотен метан in
График нагрузки определенного района или город.», который np«fl
ставляег собой и ink псп не по премгнн щммлрноп мощное in п< и
|к пользуем энергию рек 203
р । гелей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одно
Ь « v юк требуется большая суммарная мощность генераторов, а
Ьип время часть генераторов или электростанций может быть
и па или может работать с уменьшенной нагрузкой.
L‘|"> иектрические станции разделяются в зависимости от выра-
||а*' Н мой мощности:
b |п»|циые — вырабатывают от 25 МВт и выше;
I1 редкие — до 25 МВт;
• и ыые гидроэлектростанции — до 5 МВт.
ионность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД
h .1. немого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень
Ь п«ч юянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду
►и н, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции
h ио брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный,
• ни.hi, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.
Гидроаккумулирующая электростанция
k i лчу снятия пиков потребления энергии решают гидроакумули-
станции (ГАЭС), работая следующим образом. В интервалы
► пн, когда электрическая нагрузка в объединенных системах
►и и дивная, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в
bin <• и потребляет при этом электроэнергию из системы. В режиме
►i (олжительных «пиков» — максимальных значений нагрузки —
Ни р.Нюгает в генераторном режиме и тратит накопленную в верх-
М водохранилище воду.
I А и *, с тали особенно эффективными после появления оборот-
b । паротурбин, которые выполняют функции и турбин, и насо-
| I h рспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под
Ь|||>ым относительно этих станций понимается отношение энергии,
пни липой станцией в генераторном режиме, к энергии, израсхо-
р...ой в насосном режиме.
п пномия топлива при использовании ГАЭС достигается за счет
11 1кп теплового оборудования для зарядки ГАЭС. При этом потре-
|iiui меньше топлива, чем для производства пиковой электроэнер-
•1П1 I X или газотурбинной электростанции. Кроме того, режим
<.||')|дки ока 1ывает содент пте введению в жсплуатацию базовых
I I I | IH I ЛИЦИН, ко торые <>уду 1 II Ыр Л 0.1 I |.|П.11 ь энергию с меньшими
» 1I.III.IMII i.lip.l I.IMII I < >11 шил
204
Альтернативные источники
Первые ГАЭС в начале XX ст. имели КПД, не больше 40%, в < <»«
менных ГАЭС КПД составляет 70—75%. К преимуществам 1Л И
кроме относительно высокого значения КПД, относится также и нт
кая стоимость строительных работ. В отличие от обычных гидро
тростанций, здесь нет необходимости перекрывать речки,
высокие дамбы с длинными туннелями и т. п.
Принцип действия (аккумулирования) гидроаккумулируюп|4
станции заключается в преобразовании электрической энергии, н> 4
чаемой от других электростанций, в потенциальную энергию not*
При обратном преобразовании накопленная энергия отдается в ни|
госистему главным образом для покрытия пиков нагрузки (подр J
ности на http://pusk.by/bse/).
Гидротехнические сооружения ГАЭС (рис .4.3) состоят из двух <
сейнов, расположенных на разных уровнях, и соединительного ц i
бопровода. Гидроагрегаты, установленные в здании ГАЭС у ни;ьп»н
конца трубопровода, могут быть:
♦ или трехмашинными, состоящими из соединенных на од'«
валу обратимой электрической машины (двигатель-генер-i
гидротурбины и насоса;
♦ или двухмашинными — обратимая электромашина и обра i и мм
гидромашина, которая в зависимости от направления вращ> нН
может работать как насос или как турбина. В конце 1960-х 11 щ
вновь вводимых ГАЭС стали устанавливать более эконом и'и на
двухмашинные агрегаты.
Рис. 4. 3. /|/| 1/Х'> 1ммуму<41/рукм1(.1'» »1М«Л/Нр<1< ишнцнч
П> I tuJKil. n.lll lll/Hlt/Hl • > I,'ll
I Hi пользуем энергию рек
205
«к । фоэнергия, вырабатываемая недогруженными электростан-
ции энергосистемы (в основном в ночные часы суток), использу-
» I А )С для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в
ппи, аккумулирующий бассейн. В периоды пиков нагрузки вода
Гэ» -• । него бассейна по трубопроводу подводится к гидроагрегатам
НК., включенным на работу в турбинном режиме. Выработанная
и пом электроэнергия отдается в сеть энергосистемы, а вода нака-
Н'* । । с я в нижнем водоеме.
I ni’iecTBo аккумулированной электроэнергии определяется емко-
т> о.нсейнов и рабочим напором ГАЭС. Верхний бассейн ГАЭС
!••• । оыть искусственным или естественным (например, озеро);
Н > ним бассейном нередко служит водоем, образовавшийся вслед-
перекрытия реки плотиной.
• |цпо из достоинств ГАЭС состоит в том, что они не подвержены
не I вию сезонных колебаний стока. Гидроагрегаты ГАЭС в зави-
B«i>ii । и от высоты напора оборудуются поворотно-лопастными, диа-
if.ii ыми, радиально-осевыми и ковшовыми гидротурбинами.
Нргмя пуска и смены режимов работы ГАЭС измеряется несколь-
Ц<н минутами, что предопределяет их высокую эксплуатационную
||)н нренность. Регулировочный диапазон ГАЭС, из самого принципа
н I ы, близок двукратной установленной мощности, что является
«ним и 1 основных ее достоинств.
< иск обность ГАЭС покрывать пики нагрузки и повышать спрос
«« •г । роэнергию в ночные часы суток делает их действенным сред-
•нм pin выравнивания режима работы энергосистемы и, в частно-
н ь рунных паротурбинных энергоблоков. ГАЭС могут быть с суточ-
ным и--дельным и сезонным полным циклом регулирования.
11 шоолее экономичны мощные ГАЭС с напором в несколько сотен
bipiiii, сооружаемые на скальном основании. Общий КПД ГАЭС в
Ию кмальных расчетных условиях работы приближается к 0,75; в
В^ньпых условиях среднее значение КПД с учетом потерь в электри-
м«. мои сети не превышает 0,66.
IА >• целесообразно строить вблизи центров потребления элек-
Ьм ни ргии, г. к. сооружение протяженных линий электропередачи
• । । р.п конременного использования экономически не выгодно.
1*11 ГН1ЫЙ срок сооружения I Л. >С около 3 лег.
206
Альтернат ивные источник*
Малые и микрогидроэлектростанции I
Малые гидроэлектростанции обычно обладают всеми npcntjfl
ствами больших ГЭС, но при этом предоставляют возможно< 1i.1»«
вать энергию децентрализовано. Кстати малые ГЭС выгодно oi •
ются и отсутствием некоторых недостатков, присущих большим И
циям. Это, например, уменьшение или полное отсутствие неганп
влияния на окружающую среду.
Малая энергетика позволяет каждому региону использован, ц
ственные ресурсы. На сегодняшний день в мире эксплуатируя
несколько тысяч малых гидроэлектростанций. Малые станции нрп^В
дят электроэнергию в тех случаях, когда уровень воды в реке дос i«i.»«
для этого. Если малая гидроэлектростанция дополнена аккумуля i < |>«
системой, то существует возможность накопления полученной -ин р»«|
что помогает избежать перебоев в подаче электричества. Oco6j.hi iio-i
pec малая гидроэнергетика представляет для развивающихся < i
поскольку не требует сложного и дорогостоящего оборудования
В России зоны децентрализованного энергоснабжения coci ли i
более 70% территории страны. До сих пор у нас можно встрети и. и<*1
ленные пункты, в которых электричества не было никогда. Прич« w (
всегда это поселения Крайнего Севера или Сибири. Электрифш- .
не затронула, например, некоторые уральские поселки — края, i-fli
рый вряд ли назовешь неблагополучным с точки зрения энерп ши
Между тем, электрификация отдаленных и труднодоступных и» .
ленных селений — дело не такое уж и сложное. Так, в любом ук- »•>
России найдется речка или ручей, где можно установить микр< >1 Ч
Малые и микроГЭС — объекты малой гидроэнергетики. Эга ।, •
энергопроизводства занимается использованием энергии во mi
ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетич<т|в
установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт).
Малая энергетика получила развитие в мире в последние дес я i и »•
тия, в основном из-за стремления избежать экологического утц< м
наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности «м
спечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных райм
нах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строители и
станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах лг i >
Поэтому разумен курс на использование именно малых и мик|м
гидроэлектростанций в связи с гем, ч го они:
♦ являются альтернативным, ладе иным и ж<»логич<ч ки ’iiuiut
источником элем риШТ кон HK’pi ИИ,
В»।к шизуем энергию рек
207
01 < н ты в изготовлении;
Н> i.i грязня ют водоемы и окружающую среду;
Иш юг максимально упрощенную конструкцию с минимальным
слом регулирующих органов.
«и» пюстью автоматизированы, т. е. не требуют присутствия че-
<"|‘ска при эксплуатации;
• < р« буют минимум затрат на установку и обслуживание в про-
in е эксплуатации;
I ырабатываемый ими электрический ток соответствует требо-
и .и in ям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут
। |(>отать как в автономном режиме, т. е. вне электросети энерго-
• и* 1смы области, так и в составе этой электросети;
I полный ресурс работы станции— не менее 40 лет (не менее 5
I ir । до капитального ремонта).
П Примечание.
Ну а главное достоинство: объекты малой энергетики не требуют
организации больших водохранилищ с соответствующим зато-
плением территории и колоссальным материальным ущербом.
П<» характеру используемых гидроресурсов МГЭС можно разде-
|1 и । следующие категории:
• новые русловые или приплотинные станции с небольшими во-
'|окранилищами;
• । । лиции, использующие скоростную энергию свободного тече-
нии рек;
• < i акции, использующие существующие перепады уровней воды
। ымых различных объектах водного хозяйства— от судоход-
ных сооружений до водоочистных комплексов.
11 пользование энергии небольших водотоков с помощью малых
| •< |п»/|ястся одним из наиболее эффективных направлений развития
Ь»пГ»новляемых источников энергии и в нашей стране.
Н Примечание.
МикроГЭС (мощно- тью до 100 кВт) можно установить практиче-
- ки в любом мест-
1нц|><>.1! pci <11 м.l ion 1 К (MI И ) ки гои г и । турбины, генератора
|. н> । емi.i ЛН1ОМ.11 ii*ii. мн о ) пр пни пип
208
Альтернативные источники
Гидроагрегат состоит из трех частей:
♦ энергоблока;
♦ водозаборного устройства;
♦ устройства автоматического регулирования.
Используются микроГЭС как источники электроэнергии дни <|
ных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небол» >и«
производств в труднодоступных районах — там, где прокладн
сети невыгодно.
В Примечание.
Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики а «
стране превышает потенциал таких возобновляемых ист<
энергии, как ветер, Солнце и биомасса, вместе взятых.
В настоящее время он определен в размере 60 млрд. кВт-ч в год I
используется этот потенциал крайне слабо: всего на 1%. Не так да.
1960-х годах, у нас действовало несколько тысяч МГЭС. Сейчас и .
лишь несколько сотен — сказались результаты перекосов в ценовой н<
тике и недостаточное внимание к совершенствованию конструкции <i^i
рудования, к применению более совершенных материалов и технолш 4
Природа дает нам самый неприхотливый способ добычи эн<|ч •••
Увы, мы им почти не пользуемся. Остается только надеяться, 'и
дальнейшем, при развитии малого производства, необходими0|
в использовании энергии бесчисленного количества естественно
водоемов России все-таки возникнет.
4.2. Создаем гидроэлектростанции своими рукам»’
Самодельная ГЭС без плотины
Рассмотрим конструкцию: на длинном стальном тросе, перекину ни
с одного берега речки на другой, укреплена гирлянда гидророюрив
Поток воды вращает их, а вместе с ними и трос. Если соедини ть кони,
троса с генератором постоянного тока, генератор начнет вырабатыш |
электричество. А если к тросу присоединить на i нас ос а, он будет < нц с
качать воду на приусадебный участок, огород» Ьахчу ри<. 1.4.
Мощность такой самодельной «1 )( » ЫН1Ь IH IK ГОЛ1.КО сП скорей I-
течении реки, по и от числа I ндророiорон пч р timc рои » ледова icni.n-
|«пьзуем энергию рек
209
Рис. 4.4. Электростанция на гидророторах
циняя к тросу дополнительные пары гидророторов, мы можем
|н1||ционально ее увеличивать.
Я типом случае рассмотрен движитель, который будет вращать
i»l> «юр от легкового автомобиля. Напряжение, вырабатываемое
• С и ором, — 12 В, а мощность — до 150 Вт.
I и пилимся к постройке гидростанции. Прежде чем приступать к
11 । шке гидростанции, подберите генератор. Заготовьте материалы:
» д< н ки, кровельное железо, стальной пруток и полосы.
Совет.
Заранее подберите место, где будет установлена электростан-
ция. Желательно, чтобы это был прямой участок реки с чистыми,
не заросшими кустарником берегами.
II • выбранном участке длиной 15—20 м наметьте два попереч-
.« i । вора и, пользуясь поплавком, например, щепкой, определите
•ро< и» течения. Бросьте поплавок в воду немного выше верхнего
< пр । и по секундомеру отсчитайте время, за которое плавок про-
йин । расстояние от верхнего створа до нижнего.
1-1 >и< .ih поплавок на разное расстояние от берега, сделайте несколько
|ик i.iMcpou. А потом подсчи тайте среднюю скорость течения реки.
и она ii' меньше 0,8 м/с, i мело приступайте к строительству.
Илину гро<а вам под ка i *г ширина реки. Все остальные узлы и
>ачи даны iu рис. 1.1 11одро<нк>< । и < м на http://www.audens.ru/или
11|>н/|<> к< нии h «куриалу «К Ни ш н чинк- N’ 6 198.’г
210
Альтернативные источи
Каждый гидроротор состоит из двух полуцилиндров, огр.। nd
ных дисками и смещенных относительно друг друга. Гидрщв
попарно прикреплены к тросу. В каждой паре один гидроротор ••
нут относительно другого на угол 90°. Это сделано для toi <», V
получить равномерное вращение каждой пары, иначе тр<»« I
закручиваться рывками. Трос все время растянут и в таком iм
нии передает вращение на генератор, находящийся на 6epei у.
Береговые опоры — это доски и короткие бревна, врыты»- в f
и связанные между собой стальными полосами (рис. 4.4). I h •<
берегу на такой опоре устанавливают генератор с редукторов
левую половину рисунка), а на другом — свободную опору с уш |d
подшипником и крюком, которые позволяют тросу вращать» и
Конец троса, идущий к генератору, перекинут через ролик и
плен. Ролик крепится к выходному валу редуктора тоже крюкоы
Установленная поперек течения речки гирлянда держи i I
поверхности, почти не выступая над ней.
Когда нужно снять гирлянду, вынимают чеку из отверст и i и ц
и снимают узел упорного подшипника вместе с концом троса (nd
гирлянду укладывают по течению речки вблизи от берега.
Внимание.
Во избежание несчастного случая необходимо помнили <
момент снятия гирлянды с крюка трос раскручен не
Только через 20—30 с после сброса гирлянды его можно
руки.
Изготовление деталей и узлов самодельной ГЭС. Трос ш р.п । ।
гибкого вала. Он металлический, диаметром 10 мм. Его длина кы41
быть процентов на 10— 15 больше ширины речки. Трос должен
законцовки: на одну опирается упорный подшипник, уста поил» »в
на свободной опоре, через вторую на трос надеваются гидрор»п<й
Обе законцовки пропаиваются оловом или твердым припоем
Начинать следует с конца троса, через который надевают» л i чв
роторы. Прежде всего, покрепче стяните его гремя витками <»»'•••
проволоки 0 0,2—0,5 мм, чтобы он не расплелся. Прежде чем п|в
дить конец троса, опустите его в бутыль с паяльной кислотой (ив
ная кислота, травленная цинком), а «агем в гигельс р.н пллн/н иц|
оловом.
Ь|ип,зуем энергию рек
211
^| Внимание.
/ 'аботу проводите в защитных очках и фартуке.
рацию повторите 2—3 раза, пока не образуется сплошная
припоя. Лишь после этого снимите витки проволоки и конец
до диаметра троса. Наконечник закруглите, чтобы его было
К< продевать через диски гидророторов.
| * п юрой конец троса на токарном станке выточите втулку, вну-
|ш<11 диаметр которой равен диаметру троса, а толщина стенки —
В мм. Вставьте во втулку стальной стержень, и в таком виде
11 в тисках. Заостренным концом молотка короткими, но не
ними ударами отогните борта втулки на 45°. Затем наденьте ее на
I । роса и, чтобы она пока не мешала, продвиньте немного вперед.
• । проволочку троса на длине 20 мм согните вдвое и продудите.
Ь ютов.
Ь. • \ норного подшипника состоит из обоймы, подшипника и кре-
d в i кобы. Обойму подшипника лучше изготовить из водопрово-
грубы, внутренний диаметр которой равен диаметру упорного
Винника. Длина отрезка трубы 135 мм. С одного конца заложите
Ь он ранку, равную внутреннему диаметру трубы, и на наковальне
Ь пи । одетой плите ударами молотка сплющите (лучше предвари-
шь » । рубу разогреть докрасна). Затем просверлите отверстия 0 12,5
.* мм и закруглите края напильником. Упорные подшипники под-
Ьи । о говые, от старых авто- или сельскохозяйственных машин.
I р< нежную скобу сделайте из стальной проволоки 0 6 мм.
» । ме ее на куски длиной по 60 мм и запилите концы. Потом
hvii он нарежьте резьбу Мб на длину 10 мм. Полученный стержень
мн 11 скоба готова. Скобу упорного подшипника делают так же.
Нмридок сборки. Наденьте на трос подшипник и продвиньте его
hiiop.i (до втулки). Вложите его в обойму и скрепите крепежной
мп Ч гобы в подшипник не попадал песок, между ним и скобой
Ln>» в те фетровую прокладку.
। •» ippporop состоит из пар дисков и полуцилиндров, изготовленных
hhic/ii.iioto железа толщиной 0,5—0,8 мм. Начнем с того, как делать
ни I la листе кровельного желе ia прочертите окружности. По рискам
• ницлми по металлу аккуратно вырежьте заготовки, а потом, чтобы
ми ли । ь жесткое гь и, кроме к» о. нс nopc ia i ься, согните в два приема
|м laroioiioK. ( iia*i.i/ia под нрнмым yi/юм i.ii о гонка станет похожей
Альтернативные источник»
» " и, льзуем энергию рек
на крышку от коробки из-под гуталина. Затем в тисках отогни i*(
молотком полностью. Получится утолщенная кромка.
Вырезать прямоугольные заготовки для полуцилиндров в И
вит труда. Дополнительную прочность им придадут стальньк <
0 3 мм, которые надо закатать в края. Как это делается, пок » ннш
http://www.audens.ru/ или в приложении к журналу «Юный i •
А- 6 — 1982 г. Кроме того, боковые края заготовок надрежьте до
ховых линий и согните на оправке под углом 90°. А потом на jq< J
полене 0 80—100 мм согните заготовки в полуцилиндры.
Полуцилиндры и диски скрепите между собой заклепками, шик»
или точечной сваркой. Гидророторы готовы. Но прежде чем н । »
их на трос, сделайте прорезные накладки и скобы.
Прорезная накладка — это диск, диаметр которого меньше
тра диска ротора. Изготовление накладок аналогично изготошпИ
дисков. Все заготовки должны иметь центральное отверстие, р
которое проходит трос, и паз для скоб. Чтобы получить паз, <. и .. •
расширьте половину центрального отверстия готовой заготовки гЛ
круглым напильником до окружности 0 16 мм, а потом сдсл|Л
дисках пропилы длиной 18 мм.
Но так как обычное ножовочное полотно в такое отверс ио I
пройдет, сточите его на наждаке под ширину 15 мм. Ширину на и АВ
ширьте надфилем до размера 2,8 мм.
Скобы 70x40 мм вырежьте из стальной полосы толщиной ' |
Вдоль продольной оси каждая скоба должна иметь полукруглыв
глубиной 4 мм. Чтобы его было проще сделать, нагрейте загокн» |
огне до красного каления, положите на тиски и через наклад» |
рами молотка осадите металл до требуемой глубины.
Соединение гидророторов. Гидроротор со скобой входит в 111.19ц
накладки. В каждой паре, напоминаем, один из гидророторов до/|Л
быть развернут на 90°. Трос жестко притянут болтовой дужкой к (1
гивающей скобе. Осевое перемещение прицепного гидроротор.»
ничено мягкой проволокой, которая одной стороной продета в д\
а второй закреплена на шайбе. Такое соединение обеспечивае» п< ।
дачу мощности с гидророторов на трос, а также необходимую с ш •<
при перемещении одного гидроротора относительно другого.
Крюки изготовьте из стального прутка С* 16 мм. Прежде чем iff
бать заготовку, нагрейте ее. В крюк< ролика про» перлите они р ЯВ
0 2 мм под пшлинг; в крюке упорною подшипника 0 I, мм . .
чеку.
brink выточите на токарном станке или склепайте из трех дис-
одного толщиной 10 мм и двух других — по 3 мм. Материал —
Mi П 11 унь.
• t выстругайте из твердого дерева и набейте на него стальные
отрезки трубы с внутренним диаметром 28 мм. Вместо
9» он иного кола можете взять отрезки стальных труб, вбив в них
Ьшкп с наконечниками, как показано на рис. 4.4.
h ipoiicTBO передачи. Трос должен вращаться со скоростью 3—4
Ьь I.» в секунду. Генератор же может вырабатывать электрический
В »рп 1000—1500 оборотах в минуту. Чтобы получить такую частоту
bkпня на генераторе, нужен повышающий редуктор с передаточ-
Н ношением от 5 до 10 Его можно сделать самим или приобрести
| и । пипе.
|||||»к гические советы. Вы изготовили детали, собрали узлы и, нако-
011 »повили их на береговых опорах. Через реку перекинули трос
Ьрчро горами — электростанция начала вырабатывать электриче-
|i" шергию. Немного, всего 150 Вт, но и этого количества вполне
• I < ч гобы в полный накал горело несколько лампочек, рассчитан-
К па рабочее напряжение 12 В. А вот как быть, если вам потребуется
I.... ГЬ В несколько раз большая, например, для питания насоса с
Bi рнческим приводом? Тогда можно собрать несколько таких элек-
» । 1пций. Разумеется, на воде гирлянды следует установить парал-
•..... и на некотором отдалении друг от друга. Также параллельно
и дините проводники от генераторов к линии электропередачи.
1ирляндная миниГЭС с турбинно-тросовым гидроприводом
своими руками
Wui с мотрим конструкцию простой тросовой гирляндной миниГЭС
р, । пипно-тросовым гидроприводом, который вращается от потока
И ..и реки. Ее предложил академик, д.т.н. Дудышев В.Д. на http://
' lnlure.ru/mini-ges-svoimi-rukami. На рис. 4.5 показана, упрощен-
1' । "in 1рукция такой минигидроэлектростанции.
М 1гцч«‘стве гидроколес (роторов) в тросовом гидроприводе мини-
В| можно использовать несколько «крыльчаток», изготовленных из
Кими о мегаллического лис 1.1, диаметром около полуметра, по типу
* ' । on hi рушки — upoiir/i'iep.i и । кплдратного листа бумаги. В каче-
ць- гибкого вала це/кч (юора ш«> ш ноль ювать обычный стальной
•С rii.iMc 1 ром 10 15 мм
214
Альтернативные источники
И( пользуем энергию рек
215
Рис. 4.5. Минигидроэлектростанция
Ориентировочные расчеты показывают, что от такой rpiHdf|
ГЭС, можно получить с одного гидроколеса до 1,5—2,0 кВт, при <»«
нии реки около 2,5 м/с!
Если опоры с подшипниками и электрогенератором установи
дно реки, и подшипники с генератором поднять выше уровня р, •»
все это сооружение разместить по оси течения, то результат, н| I
чески будет тот же. Эта схема целесообразно применяется для «я
«узких речек», но с глубиной более 0,5 м. Тепловую энергию в i «н
ГЭС можно получить путем подключения электронагревателей к < •«
трогенератору.
Роторы гирляндной ГЭС, как правило, располагаются в ядре not^
(на 0,2 глубины от поверхности летом и 0,5 глубины от повермщ
льда зимой). Глубина реки в месте установки гирляндной ГЭС ш 1|я
вышает 1,5 м. При глубине реки более 1,5 м вполне возможно и< в..*
зовать роторы, расположенные в два ряда.
Речная электростанция
Речную электростанцию (РЭС) создал и описал Рогозин М I
(http://www.rosinmn.ru/gidro)
Устройство. Речная электростанция (рис. 4.6) содержит корМ
цилиндрической формы с размещенной внутри его гидротуро и"*
Корпус с гидравлическим аккумулятором неподвижно установи ••
земляном или бетонном основании. Гидротурбина посредством »<•«
кинематически связана с электрогенератором. Речная электрск i ши»
также содержит водозаборникв форме коры гообразной прямоу голый
призмы, который снабжен шлюзовым отсеком (шлюзом) и обводщ
каналом — водоводом, содержащим не менее двух м.н истралей ци н«*
дрической формы, сопряженных с соплами хинин ооОразпой формч
Корпус РЭС выполнен цилиндриче* КОП формы и 1 В1.Ц OKOIIpOHIi'Ht
ус 1ОЙЧИВОЮ к ЧНМПЧС1 ким < ред< i нам м in риала, например и i ч) 1
Рис. 4.6. Схема речной электростанции
и* н Юстона, керметных материалов. Диаметр корпуса выбирается с
biioM требуемых гидроэнергетических параметров водяного потока,
и ь ров гидротурбины, величины номинальной мощности. РЭС и
k»i 1 составлять величину 2—10 м.
И<»дозаборник РЭС представляет корытообразную прямоугольную
Ьв iMy Он выполнен из устойчивого к химическим средам материала,
л мер, из железобетона, синтетических полимеров. Его габариты
' и । от размеров реки, на которой он устанавливается.
I < nt центральной стене, на которую воздействует речной поток,
...... шлюз стандартной конструкции. Шлюз обеспечивает
bin лишней воды весной во время половодий и в момент сильных
। и
[ №...шей части центральной стены размещен водовод, нижняя
• .ц । которого размещена на уровне дна водозаборника. Водовод в
в «нпп по ширине выполнен замкнутым эллипсообразным с неиз-
Ьнмм сечением и горизонтальным расположением большой оси
> |кк л, изютовлен из железобетона или синтетики и снабжен со сто-
ки щеп тральной стены водозаборника фильтром — защитной сеткой
Ь фигурах не показано). Толщина дна, боковых стен и центральной
....... ыборника завися! от его размеров и составляют от 0,5 до
. Ь Водовод неизменной эллин гической формы и сечения расчленяется
•- и и ц« грани цилиндрической формы, число которых не менее двух.
Площадь сечения и длина вывода зависят от глубины речного
kloh.l, (ГО ширины, МО1Ц1КН III Р И ЬоЛЫНЛЯ ОСЬ )лл и 11 ги веского
й I. hi >i у центральной I । сны (in । inn н । IО Ц) м, .1 мн ла i ос ь
216
Альтернативные источники
2...6 м. Длина эллиптической части водовода составляет 0,2—0,4
I — общая длина водовода с магистралью и соплом.
Длина расчлененных магистралей зависит от места расн<>
ния корпуса РЭС и составляет 0,2—0,4/. Магистрали сопрягают
соплами, выполненными эллипсообразной формы и сужающими^
пологой экспоненте.
В корпусе РЭС в зоне размещения лопаток гидротурбины по q
зующей размещены тангенциально сопла магистралей, которые |
нуты друг относительно друга в плоскости образующей на один
вые расстояния или угла а = 180°, 120°, 90°, 45° и установлены бо Н4<
осью эллиптического сечения вертикально. Экспоненциально- I
ние сопл и вертикальная установка их большой осью в корпу» it I
обеспечивает максимальное повышение гидродинамических i н< -
водяного потока и скорости его течения.
Сопла эллиптического сечения сужаются по пологой экенпн.
являются продолжением зоны гидродинамического ускорения р* П
воды, их длина составляет 5—15 м, а их большая эллиптичп ки
равна 0,5—3 м. Экспоненциальное сужение сопла может бы и.
нено коническим сужением.
Корпус РЭС нижним основанием сопряжен с гидравлическим
мулятором, верхняя часть корпуса которого выполнена в виде < • <
ного пустотелого конуса и сопряжена большим основанием со и ।
своей частью в форме полусферического пустотелого тела вращав
Такая конструкция гидравлического аккумулятора восирмв
мает вращение создаваемого соплами потока и образует махов к». (
обеспечивает оптимальное вращение водяного потока на гр< <»•
оборотах, его резкое ускорение вверх без затухания вращак л -»•
движения водяного потока в корпусе РЭС. Гидравлический ам
тор также выполнен из прочного, устойчивого к агрессивным । рч(
материала. Соотношение конической и сферической частей i ищ> «М
ческого аккумулятора составляет 3:1 —1:1. Корпус РЭС смол гирс-чЦ
гидротурбиной на земляном или бетонном основании вер гики я
Водовод со стороны водозаборника сопряжен внутренней i >
ной с центральной стеной водозаборника овальной кривом дли ин
чения оптимального коэффициента истечения in на урони, ш •
Аналогично наружные кромки сопл выполнены полукруглыми
Гидротурбина стандартного тина с вертикальным ра полон мЛ
лопастей pa im<. щена вертикально и верхней час ги корпуса I' •
подшипникдх-опорлх греЬусмых i а(»ари гоп и мощное (и На hi
in- пользуем энергию рек
217
• । паротурбины может быть размещен гидравлический метатель
। и*. 1.7 не показан), который выполнен в виде сегнерового колеса.
1^кп1’лнительно повышает крутящий момент на валу гидротур-
to есть ее мощность. Выше гидротурбины на корпусе РЭС раз-
Ьпы выпускные сопла, выше уровня речной воды, через кото-
• уществляется слив прошедшего через гидротурбину водяного
и сливной канал.
► » к грогенератор смонтирован на верхнем сечении корпуса и
ton < । андартной формы на заданную мощность. Для обеспечения
....ной скорости вращения ротора электрогенератора он может
I1 । ib редуктор, связанный с валом гидротурбины.
!•<»<>। а речной электростанции. Речная электростанция рабо-
' I дующим образом (рис. 4.7). При размещении РЭС на малой
I • достаточно высокими берегами в водозаборнике накапли-
• II ровень речной воды и создается по уровню водовода водя-
п.шор. Вследствие тангенциального размещения сопел проис-
bi нр( образование поступательного движения водяного потока
ипдрическом корпусе. Получив от гидравлического аккумуля-
«| »• । нцательно-поступательные движения, вращающийся водяной
ни it цилиндрическом корпусе воздействует на лопатки гидротур-
и вставляя ее вращаться с заданной скоростью.
| | гидротурбины приво-
ди вращение ротор электро-
ihiopii с требуемой скоро-
। вторая при необходимо-
k'lppc к । ируется редуктором.
иди г непрерывная выра-
|| 1/1екгрической энергии
। (inn куратором. Избытки
и к ипой в водозаборнике
и поды по сверхдопусти-
- tpoiiino непрерывно отво-
|и in/новом в продолжение
) р< ни
pi- iy/ii.i а те того, ч го корпус
ПИ /| II ПДрИЧСС КОЙ формы
И।и ро на и вер 1 и к а л к и о,
It I МДр.Цр1Ы'|<! - КИМ JKK у
I <1« 4/ < гч /нет hd/i/iyc-I и ч1<М1 «1(11 У
I I «ром II ИПД1 11 у I I О I <•/!< И I I
218
Альтернативные mctomhi
конуса, сопряженного большим основанием с пустотелой зам
полусферой. При этом водовод содержит не более двух Mai п<
цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипс* за
формы и сужающимися по пологой экспоненте. Следует oi
что сопла размещены концентрично по корпусу и располоз
генциально по вертикали большей эллиптической осью,
»< и
поставленная техническая задача.
В сравнении с прототипами и аналогами упрощается коп» щ
речной электростанции, повышается ее КПД, оптимально и< к|
ется энергия малых рек.
Созданная речная электростанция, ширина водозаборникл <
составляет 20 м, высота 3 м, диаметр магистралей до 2 м и
ось эллиптического сечения сопел составила 1,5 м, позволя* । »
ровать энергию 300—800 кВт. При этом ее КПД больше чем и I I
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 крупв<>1
<| I м
нергетического строительства в России частично переори-*и । щ
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 конверт ин
предприятия и акционерные компании, производящие обору л*
для МГЭС. Среди них наиболее известны:
♦ АО «МНТО Инсет» и НПЦ «Ранд» ( г. Санкт Петербур! >.
♦ АО «Напор», АО «НИИЭС», АО «Энергомаш» (Москва)
В числе поставщиков оборудования следует отметин, гак н< • ।
нальные организации, входившие когда то во Всесоюзный пн-
«Гидропроект». В настоящее время на рое ии< ком рынке им. и
♦ комплектные гидроагрегаты с системами .ииом.пи!
управления и регулировании дли сетевых и .пггономныа
па напоры от I до ? -О м;
|цц|ьзуем энергию рек
219
В । дндартное гидромеханическое, подъемное оборудование;
Ши ирные трубопроводы, предтурбинные затворы;
• йшформаторные подстанции, распределительные устройства
другие компоненты, необходимые для строительства объектов
В к»и энергетики.
I Л ГЭС с использованием статического напора применяются
кн регаты с радиально-осевыми, пропеллерными, ковшовыми,
mihi и поперечно-струйными, фронтальными гидротурбинами
1м» иной конструкции.
М Ml ЭС с использованием скоростного напора применяются
рбины типа «Дарье», «Уэллс», «Савониус» и др. Генераторы
Ih ii.ix ГЭС производят АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург),
>)р i i злектротяжмаш», АО «Привод» (г. Лысьва), АО «СЭГПО»
ii пул), АО «СЭЗ» (г. Сафоново) и др.
Переносные и передвижные микроГЭС
*мп грим рукавные всесезонные гидроэлектростанции Луч-1,
I /1>ч-4 и Луч-10 мощностью 1, 2, 4 и 10 кВт (подробности на
kwww.306.ru/mges.htm). Они предназначены для выработки элек-
Н” । hi и без сооружения плотины за счет использования энергии
И* чного потока. Основные технические характеристики рукав-
шн роГЭС приведены в табл. 4.1.
bn ш пользовании каскадного монтажа данные рукавные микро-
ь и г использоваться как в малых хозяйствах, так и для промыш-
I • производства электроэнергии, особенно в местах, удаленных
•II (рис. 4.8).
ни । рукгивно микроГЭС состоит из энергоблока, блока управле-
>нжа возбуждения, блока нагрузки и рукавного водовода.
Ь> рюблок выполнен в виде рамы, на которой расположены
Mi пшнций аппарат, двухкратная турбина и электрический гене-
|< /1ч я удобства эксплуатации блок управления, блок возбужде-
н Л/юк балластных нагрузок смонтированы вместе с энергобло-
ке uni ке раме. Все узлы на раме закрыты кожухом.
Н1ППОД состоит из водозаборного устройства, переходника и
in IX рукавов (или труб)
! '! службы микро! )• не мсп 1(1 лег. МикроГЭС— надеж-
• I inilll ИЧГ< КН ‘ПК. Tl.ll , KOMII.Ih I III.K , 6l.ll троОКупаСМЫГ И1 гочпики
*|п iiirpi пи д/i и деревень, х\ inpiHi, дачных н<н eniam, фермер». ких
220
Альтернативные источнЩ
Рис. 4.8. Схема рукавной гидроэлектростанции
хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших проч
в отдаленных горных и труднодоступных районах, где нет i к ><»•*
сти линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дочма
дороже, чем приобрести и установить микроГЭС.
Основные технические характеристики рукавных микроГЭС
Параметры Наименование Ло <
Луч-1 Луч-2 Луч-4
Мощность, кВт 1,0 2,0 4,0 1 и
Род тока Однофазный Однофазный 3-х фазный J м 1
Напряжение, В 220 220 380
Частота, Гц 50 50 50
Масса энергоблока, кг 60 92 110 1
Габаритные размеры, мм 700x385x485 850x500x490 970x610x540 ll’>i >< иН|
Расход воды, л/с 40 50 85 • н
Рабочий напор, м 5 6,5 В,5
Диаметр водовода, мм 150 180 210 о
Цена, тыс. руб. 50,4 90,7 172,9
Срок окупаемости установки не превышает 2-х лег. Опы i ный
зец рукавной микро ГЭС прошел испытания на натурном h<-i
полигоне.
Используем энергию рек
221
Мини-гидроэлектростанции серии ПР
.пи-гидроэлектростанции (рис. 4.9) предназначены для обеспе-
В >лектроэнергией удаленных и отрезанных от внешнего мира
шых объектов (подробности
Ь| ♦j7alt-energy.org.ua/2009/05/10/
11-nlroelektrostancii/). Для успеш-
| и жономичной работы гидроэ-
। нс ганции достаточно иметь
в шой ручей (или иной водо-
Рис. 4.9. Внешний виде разрезе
)с перепадом уровней в 1—2 м и
•цом воды от 90 л/с.
условиях холмистого рельефа мини-ГЭС просто незаменимы!
чплект поставки входят энергоблок, устройство автоматического
шрования, устройство возбуждения и водозаборный агрегат.
и к станции весьма прост.
^пример, миниГЭС 7.5ПР можно смонтировать практически
и ю: масса брутто (в упаковке) энергоблока не превышает 250 кг.
ппные технические характеристики миниГЭС приведены в
1.2. Параметры тока 230 В 50 Гц.
Таблица 4.2
ki.i. технические характеристики миниГЭС
жиГЭС Мощность, кВТ Напор, м Расход, л/с Оборо гы, 1/мин
’ MIP до 7,5 1,5—4,5 90—210 1000
I0I1P ДО Ю 2—10 65—215 1500
НИР ДО 20 1,5—4,5 350—810 500
чоЛР ДО 50 2,5—10 380—900 750
WHIP до 90 3,5—10 530—1220 750
Мини-гидроэлектростанция в городской квартире
• огни литров воды используются сегодня в каждом городском
н-г I (сзависимо от того, расходуете ли вы ее, чтобы убрать в квар-
помыть посуду или просто для расслабляющегося душа, в конеч-
11 чете, вся эта вода спускается в канализацию.
1пный концепт от Jinwoo Пап позволит частично использовать
риио воды, текущую по iрунам, для получения электроэнергии
и 1.10).
гуроин.1 Hydro |».1 ipatHi।aii.i дли получения
Мини
♦лсктричес тиа
пи. <ую давление воды в i ру и ix V. i р< ин i по мо кс i Оы (I. подключе по
222
Альтернативные и< ri
мини-турбины Hydro
к любой трубе у вас в кв.цн П|«
пробегая через устройств I
зирует гидроэлектрическую • I
которая вырабатывает элек i рг
и собирает его в аккумулянчЦ
рый связан с отдельной р<> »< <
Мини-турбина Hydro не
цепт гаджета, позволякищ "
тывать электроэнергию дли
нужд используя давление ноли (
бах (http://techvesti.ru/node/41»|
В Примечание.
Гидротурбина может устанавливаться, как на конец к/шн*
промежуточным звеном.
Гидравлическое давление заставляет вращаться лопасти । у
закрепленной на генераторе. Устройство оборудовано аккума
и розеткой на 220 В, в которую можно включать бытовые । •
приборы.
В Примечание.
Единственный недостаток гаджета, это падение давление 4
ной трубе.
Вырабатываемое турбиной электричество, может испод i...
для подзарядки аккумуляторов от различных устройств, ч го, h мя
ном итоге, ведет к экономии электричества. Просто и эффек i и efl
ГЛАВА 5
ПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ
5.1. Используем энергию морских волн
Энергия морских волн
показывают расчеты, концентрация энергии морской волны
и шесть раз выше, чем энергия ветра, который поднимает эту
и < ос гавляет около 4000 Вт/м2 в среднем по океану.
И”
।111
<• 1 ический потенциал ветра на 1 м2 вертикальной поверхно-
корости 10 м/с составляет 650 Вт/ м2. Энергетический потен-
I ' ’ горизонтальной морской поверхности при высоте волны 2 м
• pier. 4000 Вт/м2.
I к । ез единичную площадь воздействия энергоносителя, мор-
• litml).
I* активный преобразователь энергии морской волны
Ириоразователь представляет собой вертикально установленную
> п । жний конец которой снабжен тройниковым наконечником с
Ьнцм и выходным клапаном (рис. 5.1, левый).
при площади сечения трубы 1 м2, амплитуде волны 2 м и
•ПК волнения 10 с, потенциальная энергия рабочего объема воды
ни! । 8160 кгм, а средняя мощность в течение периода — 816 кгм/с
Ь «и o*io 11 лошадиных сил.
[I । и прохождении волны вода с одного конца входит в трубу, а из
H.iiii выходи г. Имея однонаправленное горизонтальное движение,
н кидает реактивную тягу, определяемую массой воды в трубе,
• •null воина и скоростью свободного падения.
Ц ом могут крепи гы я на борту ндансред тва и обеспечивать ему:
♦ или линейное дни кенш (/pin мобильного объекта);
। n ut Kpyioiioc дни кепке (дли t iацнонарпою inepreIического
• u 1i.< Kia)
Альтернативные источи
Вторая разработка (рис. 5.1, правый), представляет собои шмя
тический преобразователь. Группа труб, открытых с нижпн " м
устанавливается вертикально на водной поверхности. В верхи, и ч
каждая труба имеет по два клапана, входной и выходной к..I
также объединены, соответственно, между собой.
Конструкция представляет собой гигантский многоцилипи|^
газовый компрессор, поршнями которого является вода, дин 11
энергией морских волн по вертикальным трубам вверх и в и и ।
Морской утюг. Между горизонтально расположенным < pv<W
водом верхнего давления и трубопроводом нижнего давлении ».
новлена воздушная турбина, вращающая электрогенератор дин i <
онарного варианта, или редуктор с винтом для мобильного <»<»».. а.
Новым в предложенных разработках является то, что о inf •
душная турбина может работать на неограниченное количсс i ш* ч
играющих роль цилиндров в получившемся компрессоре.
Самоходная платформа «Морской утюг» (рис. 5.2) испоньц
энергию морских волн для собственного движения и аккумулирн
ния энергии. Может использоваться для защиты береговых « и<ц м
5 IMl Hnlillijh 4 ! . All I/ ir lu in yt I |1< t.
А Используем энергию морей и океанов 225
11 качестве понтонной переправы, создания морских и авиацион-
I портов на открытой морской акватории, зарядки аккумуляторов
Ik пи, перевозки грузов и т. д.
дрсаккумулирующая электростанция на энергии морских волн
В обычное устройство Searaser и проект под названием Dartmouth
k Imergy (английский изобретатель Элвин Смит (Alvin Smith)
Lhi i являет собой волновую электростанцию, использующую энер-
h iu-ртикального движения поплавка.
Ьцпако сам поплавок не имеет электрических систем и представ-
11 обой механический насос, который закачивает морскую воду на
► иную высоту в прибрежные скалы (http://aenergy.ru/872).
Ki о г проект — необычная мини Гидроаккумулирующая электро-
L'.iiuh (по-английски Pumped-storage hydroelectricity).
I tn цове установки — два поплавка (рис. 5.3), способных двигаться
к* относительно друга. Верхний раскачивается волнами, нижний
L in пен с дном при помощи цепи и якоря. Между поплавками нахо-
kt и «насосная станция» (цилиндр с поршнем двойного действия,
| |рый качает воду при движении вниз и вверх) и клапанами с
t" вщными трубами.
миоматическая подстройка высоты положения верхнего поплавка
io к имости от уровня моря, который меняется в прилив и отлив —
| коническая труба, раздвигающаяся и складывающаяся под дей-
Ьнгм сил Архимеда и тяжести. К этой «приливной» колонне кре-
ih и насос с верхним поплавком.
/'til '» I I III HU'MlI I
Альтернативные источники энергии
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,
без дамбы.
Преимущества у подобной установки следующие. В поплавке hci I
проводов, магнитов, катушек, контактов и герметичных отсеков
для оборудования, что делает его гораздо более дешевым, простым
и надежным. Турбины и электрогенераторы волновой станции, рас
положенные на берегу, — давно опробованная и испытанная на ГЭ(
техника. В отличие от традиционной ГАЭС, Searaser не требует ниж
него водохранилища. В отличие от волновых электростанций, эй]
установка решает проблему неравномерности силы волн.
По оценке создателя машины, Searaser может поднимать морскую
воду на высоту до 200 м. Один полноразмерный поплавок Searaser раз
вивает мощность 0,25 МВт.
Волновая энергетическая установка
Волновая энергетическая установка представляет собой укреплен
ную в донном грунте стойку, на которой шарнирно закреплен двуплеч
ный рычаг (рис. 5.4). На одном конце рычага находится поплавок, ।
другой связан с поршнем водяного насоса. Колебания поплавка вызы
вают движение поршня водяного насоса, нагнетающего по трубопро
воду воду в накопитель. Из него вода под действием силы тяжести
стекает вниз, вращая лопасти турбины гидрогенератора. Последи и и
вырабатывает электрический ток.
Главный плюс изобретения заключается в том, что у него но
ахиллесовой пяты большинства современных волновых установок
Обычно устройства генерируют энергию непосредственно в морс, • 1
па берег доставляют ее с помощью кабеля.
В итоге снижается себестоимость ус j i
новки, облегчаются монтаж и эксплуата
ция. В конструкции предусмотрена штор
мовая защита. Изобретение запатентовано
и получило свидетельство № 2006121 11
(023345) «Волновая торге гичсская усга
понка». Создана д« н< и1укнцая модель у» ia
. „ повкн. Таким оПра шм р<м ши кпн и юбое
Pth V4. Hi>'iih‘thin ’ ’ 1
-ПН1Ч. I hiM IIWIII ШЛО lail'/Hi Xlll'oll I llpKiHIIII 11 pcД'|< t к 11 /| новый
л 5. Используем энергию морей и океанов
227
Иг । од использования энергии морских волн. Изобретатель руковод-
• попался принципами ТРИЗа — классической теории решения изо-
Л| < гательских задач, разработанной «отцом» советских изобретателей
I прихом Альтшуллером (http://aenergy.ru/1216).
Новая волновая установка может работать не только в прибреж-
ных водах морей и океанов, но и на речных магистралях. По пред-
»4| и тельным расчетам, оптимальная мощность одного энергомодуля
Л це г составлять порядка 10 кВт при КПД 25%. Себестоимость 1 кВт-ч,
нмрабатываемого волновой установкой, сравнима с себестоимостью
| кВт-ч, вырабатываемого ветряками.
Электростанция-поплавок
Московские ученые из компании «Прикладные технологии» пред-
• । .шили новую разработку — электростанцию-поплавок. В ней пред-
V мотрен специальный колебательный механизм, который действует
• •и ласованно с морским волнением и эффективно преобразует энер-
ипс) волн в электричество. Его принцип производства электричества
и i шергии волн более эффективен по сравнению с существующими
«и । югами (http://aenergy.ru/1628).
('амо устройство (рис. 5.5) представляет собой капсулу-поплавок,
и шкающую на поверхности воды. Его можно располагать как вблизи
ж ьсрега, так и вдали от него. Капсулу необходимо либо привязывать
• • । ационарному объекту, либо можно установить множество капсул,
Вторые будут связаны между собой. В последнем случае их общая
ппцпость может достигать нескольких десятков мегаватт.
Поплавковые электростанции
ни мю использовать для обеспечения
<и< ргией прибрежных и островных
ши едении, плавучих заводов, морских
юфтяных вышек. По оценкам разра-
•ни чиков, стоимость электроэнергии
при ном будет составлять не более
’ руб. за кВг-ч, а капитальные затраты
и» сооружение :>лек трос i акций оку-
IHI к и »а 2 года при общем i роке службы
। д1( 1111 ПОНЛ.ОИ 1>11|<Н НН h IpOl I .111
ПИП ПЫЛИ ОЫ H.lllOoiH « IK pi IK i> I IIIHlI.I
f’tl( > > rHtllH(UN ЛОПЛ1Й1ЛК
228
Альтернативные источники энергии
в незамерзающих акваториях Баренцева моря, в качестве региональ
ного или сезонного источника энергии — на Черном, Каспийском и
Дальневосточных морях.
Волновое устройство
Среди специалистов, занимавшихся энергией морских волн, суще
ствует общая точка зрения: энергия морских волн может быть исполь
зована довольно просто, но, в первую очередь, не в полосе прибоя, как
многие думали раньше, а в открытом море, причем мощность устано
вок будет весьма скромная (http://physiclib.ru/).
В качестве примера подобной установки приведем представленное
на рис. 5.6 устройство.
Это устройство представляет собой нечто подобное плавающему
на воде ящику (платформе), обращенному открытой стороной вни <
Устройство имеет довольно большие линейные размеры для тою
чтобы колебания ящика под действием волн были небольшими.
Платформа разделена на открытые снизу секции, заполненные bo.i
духом, играющие роль цилиндров поршневой воздушной машины
Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящий и
в секциях воздух. Таким образом, вода играет роль поршня.
Следовательно, в секциях поочередно по мере прохождения но •
ними волн давление будет то больше, то меньше. Когда данная сек
ция находится над гребнем волны, объем находящегося в ней во ।
духа уменьшается, воздух сжимается, давление его растет. Когд<
1'1Ц S.6 НН/(>,!(»(• yi /Il/Н >lli П1.О I
I лава 5. Используем энергию морей и океанов
229
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 элек-
трическим генератором, то такое устройство будет преобразовывать
шергию волн в электрическую энергию.
Направление протекания воздуха из одной секции в другую будет
и риодически изменяться. При штиле устройство, очевидно, работать не
будет. Поэтому в необходимых случаях на платформе должен быть уста-
новлен хорошо защищенный от влаги электрический аккумулятор.
Все сказанное иллюстрируется рис. 5.6. В Японии подобные
устройства используются для питания электроэнергией плавающих
пуев. Пока еще рано говорить об экономической эффективности опи •
| анного и других подобных устройств (например, с использованием
< идравлических турбинок), все это пока первые шаги.
Волновая электростанция
Энергия морских волн в природе представлена в наиболее скоп
центрированном виде. Среднегодовые показатели энергии на один
мсгр 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 неире
рывно изменят свои параметры под воздействием набегающих
морских волн широкого диапазона длин и амплитуд, что опрсде
ляет КПД станции до 80%;
имеетнизкийуровеньудель-
ных капитальных затрат —
2500—3500$ на 1 кВт/час
производительности, что
ниже этого показателя для
существующих волновых
электростанций;
ИМ ГС Г НИЗКую СС‘(М<|ОЦ
МоеТЬ производпмоп i'll К
тро чи О QO'i}. bi
I 41 ' f I * »'Ь /</П/ IDlHfUUN
один kBi/'lu ;
230
Альтернативные источники энергии
♦ представляет собой модульную конструкцию и может проекти-
роваться 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 обе-
спечивается проницаемостью конструкции для морских волн и
ее способностью погружаться на необходимую глубину;
♦ станция мобильна и может быть отбуксирована в любой участок
акватории.
Для постановки волновых станций такого типа на производство
на сегодняшний день по заданию и при участии НПФ «Крок-1» про-
ведены следующие работы (http://energetika.biz.ua/):
♦ изготовлен и испытан макет станции в масштабе 1:10;
♦ испытания проводились в волновом бассейне института гидро-
механики НАН Украины и в натурных условиях Киевского во-
дохранилища.
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 излуче
ния на площади 4х1013м2 можно стабильно обеспечить генерирующие
мощности на 10 000 ГВт (рис. 5.8).
К сожалению, то, что ни в коем случае нельзя допускать, реализо
вано во всех экспериментальных установках.
Н Примечание.
Ни в коем случае нельзя поднимать холодную воду к поверхности
океана. Подъем воды создает трудно решаемые проблемы, которьь
сводят на нет все затраченные усилия, что практически и наблю
дается.
Первая проблема — большие энергеги’кч мн трапа дли работы
пайков, поднимающих иоду. Вторая иро(нн ма ih.iii* к ши рас гни
ыва 5. Используем энергию морей и океанов
231
Параметр Значение Единица измерения
Выходная электрическая мощность 10 000 ГВт
Технологическая мощность 500 000 ГВт
Удельная мощность солнечного излучения на расчетную поверхность 250 Вт
Тепловая нагрузка на расчетную поверхность 5 %
Акватория Тропического океана 2х1014 м2
Расчетная поверхность 4х1013 м2
Акватория работы одной станции 4х109 м2
Рис. 5.8. Тепловой энергетический потенциал океана
I снных газов из глубинных слоев при снятии давления. Третья проб
и ма — обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся
। теплой воде. Четвертая проблема — необходимость иметь тех и и
•кткие и энергетические стартовые мощности для запуска станции
{vvww.watervigorous.com).
После установки рабочего тела в районе работы, оно в теплеюо
мс иных узлах автоматически приобретает необходимую темпера i уру.
I Цюблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины
и 1емпературы работы теплообменных узлов, т. е. теплообмен и ыс
v 1/1 ы меняют местами, а периодическая смена условий существования
и» дает развиваться морским организмам.
Ii результате решения этих проблем появляется возможность со i
цлния электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной
выработкой пресной воды, скоростных мобильных объектов и г. д
Ii лой системе с помощью теплых поверхностных вод, подаваемых
и.1 теплообменник — испаритель, рабочее тело (аммиак, пропан и др.).
превращается в пар, в результате чего создается повышенное д ши
нис I [роходя через турбину и выделив на ней механическую jnepi мю,
и ip конденсируется на поверхности второго теплообменника, омы
и । мого холодной водой глубинных слоев.
На рис. 5.9 показан термодинамический цикл такой тепловой
»i.пнины в координатах абс олютпая температура-эн тропин Ноле пыя
। ||»от,1, совершаемая н >р<»м и гурбнне, определю к i ветвью I !. на
гпыкс 7 i происходи! 1'<и|д< н< 1ЦНИ, (лтем панком рабочее тело
под и I < и в и< пари I (эн. i I । и» па। р< п н 11 и (in । ив I ») и ш парк» к и
1 IH I III. > 1)
232
Альтернативные источники энергии
Рис. 5.9. Термодинамический цикл тепловой машины
в координатах абсолютная температура-энтропия
Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осущесг
вляется 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 раз
ностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холо
дильник, как КПД эквивалентного цикла Карно.
Для перепадов температур между поверхностными и глубинными
слоями воды в пределах от 15 до 26 °C он, соответственно, изменяется и
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 тем
пературы теплых и холодных вод, соответственно (на рис. 5.9 это под
черкнуто с помощью разностей температур).
Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %,
на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую — 3,6%
Верхний
самоходный бойлер
Троек
коллекторной трубе
Груз
Ниж! 1ий
самоходный бойли|
/1/С 5./О. I'H'itnuiHOht ш< hiUH Hhioqi
Iлава 5. Используем энергию морей и океанов
233
I [ричем она не учитывает потери на собственные нужды станции,
которые сведут КПД до величины, порядка 2,5%.
Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются опреде-
ляющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив неко-
торый 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 строи-
тельстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть
легко достигнуто мировой промышленностью.
Установка, преобразующая тепловую энергию океана,
работающая по открытому циклу
Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) —
«ocean termal energy conversion» — означает преобразование некото-
рой 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 рас-
соренных в ней газов (http://renewables.ru/pdf_doc/lecturel4.pdf).
Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаля-
i гея воздух, так что давление над поверхностью жидкости определя-
Вакуумный насос
Насос для
гюды'ма
холодном
*'Д|.1
1‘1н 5 !1 > .»• и' н». । п. I < цинну (цил ч hdixbi)
234
Альтернативные источники энергии
ется 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 дав
лений, что требует использования соответствующих гигантских тур
бин диаметром в несколько десятков метров Это, пожалуй, ochobhoi
технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их
достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообмен
ников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть
получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жар
ком поясе планеты.
Использование перепада температур океан-атмосфера
Особенность работы таких станций — так называемый «треуголь
ный» цикл: нагрев и испарение рабочего тела в результате политроп
ного процесса, адиабатное расширение через турбину, изотермическое
сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избытом
ного тепла в холодильнике.
КПД такого цикла ниже термического КПД цикла Карно примерно
в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением
ц = (Т01—Т02)/2Т01,
где Т01 — температура теплой подледной воды (275 К); Т02 — темпе
ратура охлаждающего воздуха (до 233 К).
Удельная мощность, получаемая с 1 м2 площади океана, при раз
ности температур воды и воздуха, равной 10 °C, составляет примерно
18 кВт/м при разности 20 °C — 60 кВт/м2, а при разности 30 °C
125 кВт/м2.
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 ограничений по гл у
бине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 MBi
она будет возмущать тепловой режим на площади iu ei о около 20 м
На рис. 5.12 приведена разработанная Л К Ильиным и
В В Гнкменовым схема AOI )С < оодунагмымп но «духом геплооб
мен н и кам и В нс и нль khi.iii доно inn i < пип hi » <>и i \ р < нрымс г у
Глава 5. Используем энергию морей и оксанов
235
2,6'С; 0,29 МПа
Турбина с электрогенератором
Испаритель
основного
контура
О'С
Насос для
подачи
рабочего тела
О'С; 0,14 МПа
^Конденсатор
-24,5'С
'д'
д'
д'
-22‘С
Патрубок
сброса
отработанной
А воды
Насос для
Насос для
подачи
Л Водозаборник хладагента
морской воды
LJ__L1__U---1—1
------IZE2= -30 С
Теплообменник контура
охлаждения промежуточного
рабочего тела
Рис. 5.12. Схема арктической ОТЭС на перепаде вода-воздух
точным теплоносителем, позволяющий существенно снизить потери
энергии на собственные нужды станции.
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 граду-
сов выше.
В 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 тех-
нике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12,
пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.
Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгива-
ния через форсунки оросительного охладителя. Причем важно обе-
спечить определенное распыление, чтобы, с одной стороны, капли
теплоносителя не выносились потоком холодного воздуха, а с дру-
гой — успевали охладиться во время падения.
Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на 2 °C при дви-
кснии в воздухе > о < ргдш и разностью температур 30 "С ей необхо-
димо и рол г I е гь в 11и»< Н1ДЩ iM пад( инн чу п> более 3 м. Распыляя таким
ohp.iioM р.п гнор хл«1|>И1 кии кальция. моаспо добиться удельного
( ЬГМД llirpi ИН (М1ИП ' 111 I | ( 1.| | )
236
Альтернативные источники энергии
Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступаю!
получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных тепло
обменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м2К)), но превышаю!
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.
В основе ее действия — явление Зеебека, заключающееся в возник
новении 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 термодина
мики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД такого преобразователя,
выполненного на полупроводниковых элементах, достигает 10 %. Это зна
чительно больше, чем у систем, работающих по циклу Ренкина и Клода.
Кроме того, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть све
дены потери на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС дл i
полупроводниковых пар может достигать нескольких милливольт на
покрытие проподимос 1140
б п
Рис. 5.13. Сх^ма О DC. с прямым преобра кнюнт м turnnumui • tin л i ь ыприч •. кую
ч угт/юш /пиооонЬ fibiht. 'ии*.
4 1<1|>1|||НГП1>| VI Olpoui ППШ /II-//WIU^AIII/ill'Kl l/> II'.II . Itinr-t'l
1лава 5, Используем энергию морей и океанов
237
градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже).
Например, постоянная Зеебека для кристаллов теллурида висмута с
п- и р-проводимостью равна 3,14x10 1 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 стои-
мость материалов, из которых изготовляются элементы, и необходи-
мость 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 преоб-
разователей и ухудшению их показателей. Работы, выполненные груп-
пой исследователей из университета Осаки (Япония), показывают, что
при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается съем полез-
ной мощности. Однако необходимо иметь в виду, что в опытах япон-
ских исследователей в качестве носителя энергии использовалась не
сама морская вода, а фторуглеродистые соединения.
ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно, можно при-
менить 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 преобра-
зования энергии, зависящий от типа турбины, для выполнения при-
ближенных расчетов можно принять равным 0,6 для свободно вра-
щающегося 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 прочно-
тыо материалов и маг < оными характеристиками подобных устройств
(http://rciiewablrs.i и/)
Для (урбин, рл(н>। линки » и м«>|н ион среде, массовые ограничения
менее < уще< венны и i »и к н> in и и нл щемен I ы мни i рукцнп силы
238
Альтернативные источники энергии
Архимеда. Повышенная плотность воды позволяет, кроме того, умень
шить столь существенное для воздушных турбин воздействие вибра
ций, вызывающих усталостное разрушение материалов.
Важное достоинство океанских течений в качестве источников энер
гии по сравнению с ветровыми потоками — отсутствие резких измене
ний скорости (сравните с изменениями скорости при порывах ветра,
при ураганах и т. п.). При достаточном заглублении в толщу воды тур-
бины ОГЭС надежно защищены от волн и штормов на поверхности.
Для эффективного использования течений в энергетике необхо
димо, чтобы они обладали определенными характеристиками. В част-
ности, требуются:
♦ достаточно высокие скорости потоков;
♦ устойчивость по скорости и направлению;
♦ удобная для строительства и обслуживания география дна и по
бережья.
Удаленность от побережья влечет удорожание транспортировки
энергии и обслуживания этих станций, как, впрочем, и любых других
Большие глубины требуют увеличения затрат на сооружение и обслу
живание 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 тече
ний следует отметить необходимость создавать и обслуживать гигант
ские конструкции в морской воде, подверженность этих конструкций
обрастанию и коррозии, трудности передачи энергии.
По аналогии с ВЭУ, существующие преобразователи энергии тече
ний можно условно разделить на две группы. К первой целесообразно
отнести те из них, в основу которых положен принцип преобразова
ния скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко вто
рой, менее многочисленной, группе относят преобразователи, осно
ванные на других физических принципах (объемные насосы, упругие
преобразователи и др.).
Для характеристики схем установки преобразовате лей можно выде-
лить две основные схемы — сооружений, закрепи ie-мых на морском
дне, и сооружений, плавающих в толще воды н ычкоргнныч к дну
Родоначальником устройств первой ipyinii.i по нраву ечт hoi
водяное к<>Ле-е е» (pin <11,el) В е oBe'plIle'lK i Boiiniiiiii ви/piiieH е) кеик е i
Глава 5, Используем энергию морей и оксанов
239
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
наблюдаются две основные тенденции. Одна — собственно улучшение
показателей колеса (за счет оптимизации конструкции ферм, лопа-
стей, механизмов передачи энергии, расположения по отношению к
потоку, применения современных материалов и т. п.), другая — прин-
ципиальное изменение представлений о колесе.
Ленточное колесо (рис. 5.14, б) оказывается более компактным, тре-
бует 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».
Эффективность преобразования скоростного напора повышается
за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под воздей-
ствием потока. Однако простое увеличение числа лопастей ленточного
колеса не приведет к существенному увеличению момента на валах.
На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью погру-
жаемые в толщу потоков (рис. 5.14, в, г). Для таких устройств пред-
лагается несколько способов уменьшения сопротивления движению
лен гы во время холостого хода, например:
♦ сооружение воздушной камеры над колесом;
♦ применение p.i »личных вариантов механизмов складывания ло-
п.в гей.
I l.iii(>o/ii>iiui< и.I/V ним । и про ин pi с । пки, «аннмающисся разрабог
МН1 II pi Olip.l IOB I I < l< II ||I> pl i I III II <>!%<*.! |Н К ИХ I I ’ll II И II, I НЯ Н>1 IIД IO I (.
240
Альтернативные источники энергии
агрегатами, с помощью которых могут быть получены значительные
единичные мощности.
В качестве вариантов таких устройств рассматриваются рабо
чее 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 перспек-
тивных ветряных турбин, главный преобразующий элемент — кры
ловой профиль, обтекание которого потоком создает гидродинамиче
скую силу, заставляющую турбины вращаться.
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 невозму-
щенной и в то же время обеспечивает некоторую концентрацию энер
гии. Форму насадка выбирают из такого расчета, чтобы обеспечить
плавное безотрывное течение потока на подходе к турбине, сделать
всю систему устойчивой на потоке, максимально снизить завихрен
ность потока на выходе из нее.
Увеличения мощности одного такого агрегата можно достигнуть
за счет удлинения крыла. По сравнению с ветряными преобразовате
лями океанские турбины в этом плане имеют преимущество: крити
ческий размер крыла, при котором в нем достигается предел прочно
сти материалов для такой турбины выше.
Рис. 5.15. Варианты схем перспективных тур/шн ii iK>/ к
j < > (ГодныйIб —и/ль!«><.
• I у» IIHIHiinrttlr H MI.IU |>1 ни X Н>>‘I'«>!>><
1лава 5. Используем энергию морей и океанов
241
Но есть ограничения и в воде: при слишком большой длине крыла
ка смену изгибающим моментам, создаваемым под воздействием силы
тяжести, приходят моменты, создаваемые силой давления потока.
Другое ограничение диаметра рабочего колеса связано с техноло-
। ическими трудностями при постройке и установке столь громоздких
i ооружений в океане. Специалисты сходятся во мнении, что диаметр
। урбин в насадках вряд ли превысит 200 м (по габаритам подобное
сооружение напоминает крытый стадион на 20 тысяч зрителей).
I Скопленный к настоящему времени опыт строительства эксплуата-
ционных платформ для добычи нефти и газа водоизмещением в сотни
। ысяч 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
скрепленное в потоке сопло Вентури.
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 % объем-
ного расхода. Эжекционные свойства сильно зависят от способа ввода
и поток подсасываемого газа.
I‘ll< ' If' < • I I 1 IHU I M (I
242
Альтернативные источники энергии
Перечень различных вариантов преобразователей можно при
должить, но важно отметить, что со временем могут быть открыты
как более эффективные способы преобразования энергии потоков н
океане, так и новые гидродинамические явления, которые потребую!
принципиально новых разработок.
Уже сейчас можно обратить внимание:
♦ на энергию океанских противотечений, скрытых толщей поверх
ностных вод и часто лишь достаточно тонкими пограничными
слоями отделенных от поверхностных;
♦ на энергию различных вихрей, возникающих в открытом океан
под воздействием метеорологических возмущений и крупнома
штабной гидродинамической неустойчивости в океанах.
Известны даже постоянно действующие вихри. Один из них нахо
дится в 400 км от Огасавары (Япония) в Тихом океане. Он представ
ляет собой водоворот диаметром около 200 км, поднимающийся (
глубины 3 км почти до самой поверхности. Примечательна одна и I
особенностей водоворота — примерно через каждые 100 дней он
изменяет направление вращения на обратное. По оценкам японских
ученых удельные энергетические характеристики этого водоворо г ।
значительно выше, чем у ряда океанских течений.
5.4. Использование энергии приливов
Приливные колебания уровня в огромных океанах планеты вполн-
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.
D Примечание.
Первая цифра (0,5 м) наиболее характерна, вторая (10 м) достаю
ется и даже превосходится лишь в некоторых особенных мести*
вблизи побережья континентов.
Во время приливов и отливов перемещение водных м.ь i образуем
приливные течения, скорость которых в прмбре i-.iii.ix проливах и мг кду
ос тронами может достига ть примерно » мА (liilp //н п< vvablrs iu)
Глава 5. Используем энергию морей и оксанов
243
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 энерге-
тики: 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 при-
ливов использовалось для приведения в действие сравнительно мало-
мощных 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 прибреж-
ных районов хорошо описаны и проанализированы благодаря потреб-
ностям 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 ее преобразовании возникают и определенные неудобства:
♦ несовпадение основных периодов возникновения приливов
(12 ч 25 мин и 24 ч 50 мин), связанных с движением Луны, с при-
вычным для человека периодом солнечных суток (24 ч), в связи
с чем оптимум приливной генерации находится не в фазе с по-
требностями в энергии;
♦ изменение высоты прилива и мощности приливного течения с
периодом в две недели, что приводит к колебаниям выработки
»нсргии;
♦ необходимо». 11,« о Щ.iiiidi по гиков воды с большим расходом при
< p.iBiiiriejii.iio м.гюм н< |>< наде пыеот, что пи гавляет использо
I! 111. (я |/н,|||(х чif. л । । \ ।»1111 |» нм) । .hoiцич iiap.i/i/icHbiio;
244
Альтернативные источники энергии
♦ очень высокие капитальные затраты на сооружение большин-
ства 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 тече
ний, подобны тем, которые используются в ветроэнергетике, при этом
следует иметь в виду, что плотность воды во много раз выше плотно-
сти воздуха, а скорости течения воды сравнительно низки.
Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразова-
ния 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 при-
ливных 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
Поверхность бассейна площадью А
Высокая вода
Высота прилива R
Низкая вода
Плотина с турбинами
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, использую
щая реверсируемые гидроагрегаты,
которые, кроме того, можно еще
использовать и в насосном режиме
для повышения уровня в бассейне,
может п< р> р.нки ыпа । в д<> чо1,, потен
ЦИ.1/1Ы1О11 ни pi ни при пина
Рис 5.18, Схема и м/гченич
nptl/tlHtHOU HHp.'Ull
ГЛАВА 6
ИСПОЛЬЗУЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНУЮ
ЭНЕРГИЮ ЗЕМЛИ
6.1. Знакомимся с геотермальной энергетикой
Достоинства и недостатки
0 Определение.
Геотермальная энергетика— производство электроэнергии а
также тепловой энергии за счет энергии, содержащейся в неири\
Земли.
Востребованность геотермальной энергии обусловлена такими
факторами:
♦ истощением запасов органического топлива;
♦ зависимостью большинства развитых стран от импорта топлив।
(в основном импорта нефти и газа);
♦ существенным отрицательным влиянием топливной и ядерпой
энергетики на среду обитания человека и на дикую природу.
Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере
чи гывать ее достоинства и недостатки.
Источники геотермальной энергии по классификации Между и л
I ч»диого энергетического агентства делятся на 5 типов:
♦ месторождения геотермального сухого пара— сравните;....о
легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, поло
вина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло них
источников;
♦ и« сочники вла кного пара (смеси горячей воды и пара) — вс ipe
чаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы
предо!вращения корро ши оборудования l .’o I К и iai ря in *иия
окружающей < ргды (\ I.... кондс ш ai л и > ia выс окоп с к iiciiii
(I о 1.|с олсннос । и),
246
Альтернативные источники энергии
♦ месторождения геотермальной воды (содержат горячую вод\
или пар и воду) — представляют собой так называемые геотср
мальные резервуары, которые образуются в результате наполи»
ния подземных полостей водой атмосферных осадков, нагрева»-
мой близко лежащей магмой;
♦ сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубин»
2 км и более) — их запасы энергии наиболее велики;
♦ магма, представляющая собой нагретые до 1300 °C расплавлен
ные горные породы.
Главным достоинством геотермальной энергии является возмож
ность 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 всс>
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 испоиь
зованием других экологически чистых возобновляемых источники»
энергии) может внести существенный вклад в решение следующие
неотложных проблем.
♦ Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населении
в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснаб
жение отсутствует или обходится слишком дорого (например, и
России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т. п.).
♦ Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения на
селения в зонах неустойчивого централизованного энергоснаб
жения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предо i
вращение ущерба от аварийных и ограничительных отключении
и т. п.
♦ Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельны'»
регионах со сложной экологической обстановкой.
При этом в вулканических регионах планеты высокотемператур
ное тепло, нагревающее геотермальную воду до значений темпера гур
превышающих 140—150 °C, экономически нанбо/кч* выгодно исполь
зовать для выработки электроэнергии.
Глава 6. Используем геотермальную энергию Земли
247
Подземные геотермальные воды со значениями температур, не пре-
вышающими 100 °C, как правило, экономически выгодно использо-
вать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других
целей (www.vashdom.ru).
Область применения геотермальной воды при ее температуре, °C:
♦ 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.
D Примечание.
Значительно повышается эффективность применения термаль-
ных вод при их комплексном использовании.
Также получить содержащиеся в термальной воде ценные компо-
ненты (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, бор-
ная кислота и многие другие) для их промышленного использования.
Преимуществом геотермальной энергетики является ее практи-
чески полная безопасность для окружающей среды. Количество СО2,
выделяемого при производстве 1 кВт электроэнергии из высокотем-
пературных 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 подзем-
ный водоносный горизонт.
♦ высокая минерализация термальных вод большинства место-
рождений
♦ наличие в воде токсичных соединений и металлов.
Внимание.
Эти недостатки, в большинстве случаев, исключает возмож-
ность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные
водные системы.
О । меченные выше m д<н гики геотермальной энергии приводят к
тому, чк) для iip.iKiiHn* koi о in iiojii ЮН.Н1ИЯ геплоты геотермальных
вод необходимы 1Н >чи к н in и । нш i i/п.ные <агр.ггы:
• на b)penne * кил। ни
248
Альтернативные источники энергии
♦ обратную закачку отработанной геотермальной воды;
♦ на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудо
вания.
Говоря о недостатках, следует отметить, что тепло Земли очень
«рассеянно», и в большинстве районов мира человеком может исполь
зоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них
пригодные для использования геотермальные ресурсы составляю!
около 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи зем
ной 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 геотер
мальная 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 значитель
ным геотермальным потенциалом, в первую очередь в США, мощ
ность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.
Hot-Dry-Rock технология. Еще более впечатляет появившаяся
несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской ком
панией Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строи
тельства ГеоТЭС — так называемая технология Hot-Dry-Rock, суще
ственно повышающая эффективность преобразования энергии гео
термальных вод в электроэнергию. Суть этой технологии заключаете i
в следующем.
До самого последнего времени в термоэнергетике незыблемым счи
тался главный принцип работы всех геотермальных станций, заклю
чающийся в использовании естественного выхода пара из подземных
резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого прин
ципа и решили сами создать подходящий «гейзер».
Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали
в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где i< к шинка и изолиро
ванноегь скальных пород создаю! аномалию i oiopa i круглогодично
ноддср ьпв к i' и окpyi е очень нысокую icmii - p.i > \ р\
Глава 6. Используем геотермальную энергию ^емли
249
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 расши-
рять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной сква-
жине 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.
Безусловно, реализовать эту технологию можно не в любом месте,
а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до тем-
пературы 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.
1’и- 6 1 I] ЧЦ I ’|/П По
H/.W*<bh Wi4 НИЧИ II- <’ * .lAUKHIItW I к oilyniHlUi V / td
250 Альтернативные источники энергии
1нава 6. Используем геотермальную энергию Земли 251
Для подтверждения прогнозов специалисты компании Geodynamics
Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и полу
чили 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 юг.)
Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точк<
можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем сто
имость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветряной энер
гии и в 8—10 раз дешевле солнечной.
6.2. Схемы геотермальных энергоустановок
Способы получения энергии на ГеоТЭС
0 Определение.
Геотермальная электростанция (ГеоЭС)— вид электростанции
которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой
энергии подземных источников.
Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:
♦ прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединен
ные 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 конденсд
ции 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 испод ij
зоваться паротурбинные и турбокомпрессорные энергоустановки
Каждая энергоустановка имеет как ряд преимуществ, так недоста г
ков, которые будут рассмотрены ниже (отмечае г Дорош И.А. на www
renewable.com.ua).
При прямой схеме ico 1срмал1>ныи геп/ннкк и к /и в виде пара и «
ск важном паправляс г< я по грузам iicihh р< д< i п« иио в i) роину I Im ле
।урбины сконденсировавшаяся вода и не сконденсировавшийся пар
идут для теплофикации.
При непрямой схеме производится предварительная очистка пара
нт агрессивных (сильно коррозирующих) газов.
При смешанной схеме неочищенный природный пар поступает в
। урбину, а затем из сконденсировавшейся воды удаляются не раство-
рившиеся в ней газы.
При добыче геотермального теплоносителя в жидком виде (гидро-
нимы), паротурбинные установки выполняются:
♦ одноконтурными;
♦ двухконтурными.
В одноконтурных установках, выполняемых по закрытой и откры-
к)й (с противодавлением) схемам, рабочим телом турбины служит
пар. Он получается непосредственно из геотермального теплоноси-
и*ля путем его расширения в специальных расширителях — сепара-
юрах Они еще называются парогенераторами.
При заданных параметрах геотермального теплоносителя одно-
контурные паротурбинные установки позволяют получать рабочее
ело — пар более высоких параметров, чем в двухконтурных установ-
। ах. При этом уменьшаются капитальные затраты и увеличивается
удельная мощность — турбины (мощность, отнесенная к единице рас-
юда геотермального теплоносителя). Принципиальная схема уста-
новки изображена на рис. 6.2.
При работе установки геотермальный теплоноситель, как правило,
- виде недогретой воды при температур Т и давлении Р из эксплуа-
лционной скважины направляется в грязеотделитель (на схеме не
JKI плуьнцк llifhltl II l< HPI.II-И* П-111
/1/ l/millllhl'IhHilH Ilk 11'Ыл, И । tt l 14 im>l>MibflU(4l y( HUJIKMiMl
t txlnix ItiyiM H»li hi H»» *."I./ ffiitnt НМЧНК1НО1 t/IIH 'IH
252
Альтернативные источники энергии
отмечен), в котором отделяются и сбрасываются посторонние меха
нические примеси.
Пройдя далее через систему электромагнитной защиты от солс
отложения, геотермальный теплоноситель поступает в дегазатор,
который состоит из двух ступеней. В первой ступени поддержива
ется 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 промыш
ленного использования. Так как нерастворенный углекислый газ н<
оказывает влияния на углекислотное равновесие, то в первой ступень
дегазатора выделения солей не наблюдается.
После первой ступени дегазатора геотермальная вод направляется
во вторую ступень, где за счет снижения давления из воды выдели
ются растворенный газ и соли кальция. Давление во второй ступень
дегазатора поддерживается таким, чтобы из воды выделялась боль
шая часть солей кальция, в частности для Каясулинского месторожде
ния оно принято около 0,71 МПа. Выделяющиеся соли вместе с водой
поступают в осветлитель, где за счет специально организованною
движения потока они отделяются, оседают на дно и в дальнейшем уда
ляются из цикла системой шламоудаления. Осветленная вода подл
ется в парогенератор, где расширяется в изоэнтальпийном процессе
до давления Рр и температуры Т. В результате этого часть ее превра
щается в пар.
Здесь же, в парогенераторе, производится разделение теплонос и
теля на жидкую и парообразную фазы. Жидкость поступает к насосу и
накачивается в нагнетательную скважину, а пар подается в турбин v
При этом, чем выше степень сепарации в парогенераторе, тем блюм
получаемый пар к сухому насыщенному пару.
В турбине пар расширяется в политропном процессе, преобр-i
зуя свою потенциальную энергию в техническую работу, котор is
с помощью электрогенератора преобразуется в. электроэнергии
Полученная после турбины пароводяная смесь поступает в кондеш а
тор, где конденсируется в изотермическом процессе за счет перед »чн
теплоты охлаждающей воде, которая подается насосом из градирни
Образовавшаяся при этом вода удаляется из конденсатора насосом
и подается либо в нагнетательную скважину, либо используется дли
других целей.
Несмотря на большой прогресс и поло ь и i он пыс р-иулшанл •
решен ни проблемы < олеогложенил на ih»ih рчц<н mix i еп лооомен
Глава 6. Используем геотермальную энер! ию Земли
ного оборудования и трубопроводах геотермального теши инн им
пока еще нет четких отработанных технологий его исподь к »<» шн
одноконтурных паротурбинных энергоустановках. В этой т ин । •
почтительны двухконтурные паротурбинные установки, по । •
лишены этого недостатка. Правда, использование двухм>ш\|
паротурбинных установок снижает параметры пара рабоч< к» i • ••
входе в турбину, что ведет к снижению удельной мощное.I '1
существенно увеличивая капитальные затраты и расходы на и и .
тацию ГеоТЭС.
Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки
Турбокомпрессорные геотермальные установки могуч р.нмн .. .
по закрытому и открытому циклам, каждый из которых им. • । . •« ..
преимущества и недостатки.
В установках закрытого цикла газовая составляющая паре» । кн.. н
потока циркулирует по закрытому контуру. Поэтому при е< 111.10.4
руководствуются максимальной термодинамической эф<|ь kinmi
с гью цикла.
В установках открытого цикла парогазовый поток нспргр! и»н<
выбрасывается в атмосферу. Поэтому в качестве газовой сое 1 inn п>
щей здесь используется только воздух.
Процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках
Как сказано выше, что для получения максимальной работы, а
довательно, и максимальной эффективности паротурбинной iron р
мальной установки необходимо расширение геотермальной воды п>
вполне определенной температуры.
Введение многоступенчатого расширения геотермального н и в.
носителя, не позволяет добиться существенного сокращения ион pi. i
уходящей из парогенератора водой. Не дает возможность сни шгь > i и
потери в должной мере и применение в цикле паротурбинной ут 1 1
повки в качестве рабочего тела низкокипящего вещества.
Гаким образом, в i со термальной энергоустановке с паротурбин
ним преобразователем niepnin на генерацию рабочего тела (пара)
отводится меньшая ч.к и» к ii'ioiioii шергии геотермального генлопо
. и геля, причем нала. и. им м< oiinr, чем ни же темпера гура геогер
МЛЛЫ1О1 о । енлошн п к ли
254
Альтернативные источники энергии
Учитывая, что большинство самоизливающихся источников имеет
температуру теплоносителя около 373 К, а проекты скважин рассчи-
таны на температуру около 423—473 К (например, температура воды
на выходе из скважины ПЦС Каясулинского месторождения составляе т
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 нена-
сыщенный 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 термодинамиче
ского равновесия, которой является температура мокрого термометр.
Выделяющаяся при этом теплота расходуется на парообразование.
При генерации пара в газовом потоке, вода охлаждается темпе-
ратуры 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 генерируе
мого пара, что способствует более высокой эффективности турбоком
прессорных геотермальных установок по сравнению с паротурбин
ными.
а в
Рис. 6. £ (>/l (/ /I fliymtl- М» (б) < itllMMlh'l I bl 11 и l Л hUHlIKthfllH IM
ином iiiiuii4iit
1лава 6. Используем геотермальную энергию Земли
255
Установки закрытого цикла
Принципиальная схема турбокомпрессорной установки закрытого
1икла изображена на рис. 6.4.
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 направ-
ляется в компрессор. Там он сжимается в политропном процессе за счет
подведенной от турбины работы. При этом паросодержание потока оста-
<• гея постоянным, но его относительная влажность уменьшается.
После компрессора сжатый газ при давлении Р2 и температуре Т2
поступает в нижнюю часть парогенератора. А в верхнюю часть паро-
нэнератора во встречном направлении газовому потоку насосом в дис-
пергированном виде подается цикловая вода, предварительно подогре-
г, 1Я в теплообменнике геотермальным теплоносителем, подаваемым из
•ксплуатационной скважины. После теплообменника геотермальный
1сплоноситель насосом направляется в нагнетательную скважину.
Q
Примечание.
В отличие от одноконтурных паротурбинных геотермальных
установок в рассматриваемой турбокомпрессорной установке
нет необходимости в процессе дегазации геотермального тепло-
носителя для уменьшения содержания несконденсировавшихся газов
в конденсаторе и стабилизации рассола.
и I П|Ч1НЦ1Н11 I Ь 11.1‘t I trAUMHV/ '(’•«‘Kt Mlipt'i copinm
rttи цок i i
256
Альтернативные источники энергии
Здесь, подобно двухконтурным установкам, процесс передач»
теплоты от геотермального теплоносителя в теплообменнике мож<>
осуществляться без понижения его давления. Это исключает нарупк
ние углекислого равновесии, а, следовательно, и выпадение солей.
Для повышения КПД установки на выходе из теплообменник/
можно установить дегазатор. В этом случай выделившийся газ напран
ляется в парогенератор и служит источником дополнительного рабо
чего тела цикла, на которое не затрачивается работа сжатия.
Одновременно он вместе с цикловым газом создает газовую сред\
для испарения жидкости. Правда, в этом случае часть циклового га и
необходимо постоянно выбрасывать атмосферу для поддержанв
материального баланса, причем цикловой газ по составу должен бы и
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 pci
лизации. Эти недостатки, связанные со сложностью конструкции и
низкими значениями полезной удельной работы, устраняются в тур
бокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла.
В качестве холодного источника в этих установках используетс
окружающая атмосфера, поэтому они не требуют конденсатора и гра
дирни с обслуживающими их агрегатами. Кроме того, турбокомпрсс*
сорные установки открытого цикла не нуждаются в специальных pei у
лирующих устройствах, поддерживающих заданную массу нескондев
сировавщегося газа в цикле. Это необходимо для установок закрыто! <
цикла. А их тепловая схема позволяет в полной мере использован
газ, содержащийся в геотермальном теплоносителе, что существенно
повышает эффективность использования геотермальной энергии.
Безусловно, реализация турбокомпрессорной установки откры гон
цикла связана с основной сложностью непосредственного использон.ь
ния минерализованных геотермальных вод в цикле, заключающей!, я и
трудности удаления солеотложений.
Однако последние научные исследования, пыно/шенные в лом
направлении, показывают, что процесс 1сн<рлци11 пара в гурбоком
нр<ч i ирных yi raiioitkitx ia с. чет соогвск t н\ ииц» i »• понынк пня длин инн
1лава 6. Используем геотермальную энергию Земли
257
Рис. 6.5. Принципиальная тепловая
схема турбокомпрессорной
геотермальной установки
открытого цикла
за компрессором можно производить
(>ез нарушения углекислотного равно-
весия геотермального теплоносителя.
)то позволяет избежать выпадения
олей кальция и магния, создающих
основную минерализацию воды.
Принципиальная тепловая схема
(урбокомпрессорной геотермальной
установки открытого цикла изобра-
жена на рис. 6.5.
Воздух непосредственно из атмос-
феры (холодного источника) заби-
рается компрессором, сжимается и
поступает в парогенератор, гуда с
другой стороны из эксплуатации япой
скважины подается геотермальная
иода. При контакте газообразной и
жидкой фаз, по описанной выше схеме, происходит насыщение воз-
духа паром за счет охлаждения воды. Одновременно при этом паро-
воздушная смесь разбавляется газом, выделяющимся из геотермаль-
ной воды вследствие понижения ее давления.
Охлажденная в парогенераторе вода забирается насосом и направля-
ется в скважину. Полученная паровоздушная смесь направляется в тур-
ьину, где, расширяясь, выполняет техническую работу и далее направля-
е гся в окружающую атмосферу, отдавая теплоту холодному источнику.
Процессы сжатия потока в компрессоре, генерации пара и расшире-
ния в турбине идентичны с процессами турбокомпрессорной установки
ыкрытого цикла и совершаются в агрегатах установки. А вот процесс
передачи теплоты холодному источнику (окружающей среде) соверша-
। । ся за пределами установки. Это исключает необходимость в конденса-
। оре и обслуживающих его элементах (градирне и насосах охлаждающей
поды), не требуя холодного источника с жидким рабочим телом.
Примечание.
Существенные от личин рассматриваемых установок— в возмож-
ностях tKihi'fh иыинич потенциальной -нергии газа, содержащегося
в , чт рмччьноа ,•< > II Hudi'/IHIOUP'.’OCH при расширении в пароге-
нераторе или м < н.«цр.| и к. чр, ина тачанном дин >тои щ пи Ие.лш
258
Альтернативные источники энергии
В установках закрытого цикла этот газ должен удаляться из цикла,
как уже упоминалось выше, для поддержания в нем постоянного рас
хода несконденсировавшегося рабочего тела. Поэтому, расширяясь н
турбине, он совершает полезную работу. Но затем при отсосе из кон
денсатора 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 уста
новках открытого цикла не требует компенсации и является «чистой *
добавкой работе, совершаемой паром.
Из рассмотренного следует, что турбокомпрессорная геотермаль
ная установка открытого цикла аналогично установке закрытой»
цикла позволяет значительно глубже использовать теплоту геотер
мальной воды по сравнению с паротурбинной установкой.
Одновременно она обладает намного меньшей сложностью и
металлоемкостью, а использование в качестве холодного источник.!
атмосферы обещает, ей хорошую перспективу как тепловому двш а
телю, т. е. преобразователю геотермальной энергии воды в механиче
скую работу.
6.3. Геотермальные тепловые насосы
Что такое низкопотенциальная энергия Земли
Низкопотенциальная энергия Земли (НГР) — это тепло грунта,
грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированная и
поверхностных слоях земной коры.
Эта энергия может с успехом использоваться для обеспечения
тепло- и хладоснабжения (кондиционирования), горячего водоснаб
жения зданий и сооружений всех типов, а также энергоснабжения
технологических процессов (www.cleandex.ru).
Технология их освоения заключается в использовании систем
извлечения энергии, се обработки и доставки гснлопо< и геля к потре-
бителю. Главным компонентом подобных ок км являются геотер
мальпыс тепловые насосы. Пример и< но/п i<>b шил к илового п.но< i
в доме приведен пл рис. 6.6
Глава 6. Используем геотермальную энергию Земли
259
Рис. 6.6. Пример использования теплового насоса в доме
0 Определение.
Геотермальные тепловые насосы (ГТН)— это устройства, осу-
ществляющие 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 позво-
ляет параллельно решать проблему эксплуатации вторичных энерго-
носителей.
Па сегодняшний день используются:
♦ парокомпрессионные геотермальные тепловые насосы (ПТН),
работающие на хладонах;
♦ адбеорционные геотермальные тепловые насосы (АТН), в кото-
рых рабочими веществами выступают вода и водный раствор
бромистого ли ! 11Я
иПрим(*'ыниг
Ойнак ) н ifi itu । лвhiuhu »ффгкнптн<н шью и > ф ик//о< тню кон
cn\pVh\{UU Ml! IllIH ч 'Hl 41 Ip, h Ilf UH lllplllh HUH
260
Альтернативные источники энергии
Принцип роботы парокомпрессионного теплового насоса
Тепловой насос — это «холодильник наоборот», отмечается на
www.avante.com.ua. В обоих устройствах основными элементами явля
ются испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор
потока), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует поток
хладагента.
Хладагенты — это вещества, способного кипеть при низкой тем
пературе 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 продук
тов, и его сердцем является теплоизолированная камера, откуда тепло
«откачивается» (отбирается кипящим в теплообменнике-испарителе
хладагентом) и через теплообменник-конденсатор «выбрасывается» а
помещение (задняя стенка холодильника довольно теплая на ощупь).
В тепловом насосе главным становится теплообменник, с которо! о
тепло «снимается» и используется для обогрева дома, а второстепен
ная «морозилка» размещается за пределами здания.
Схематично тепловой насос можно представить в виде системы ил
замкнутых контуров.
Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный и
землю или в воду (например, полиэтиленовый) трубопровод, в кото
ром циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Источником
низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода,
озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы вентиле
ции какого-либо промышленного предприятия.
Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом
холодильнике, встроены теплообменники — испаритель и конденса
! ор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — рас
виляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отвср
с тис) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.
Рабочий цикл выглядит так (рис. 6.7). Жидкость хладагента про
давливается через дроссель, ее давление падает, и она поступает и
гк пари гель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллскто
ром из окружающей среды. Далее газ, в ко юры и превратился хлл
да гепт, всасывается в компрессор, сжимас тс я и, нагреши, вы галки
наспи в конденсатор. Конденсатор ипли< вн ich юш дающим узлом
I СИЛОН.|< ос .1 1Д«. l< II *l<»I 1.1 ICIJ.'IOII
1лава б. Используем геотермальную энергию Земли
261
Конденсатор
100% жидкий
хладогент
Сторона
высокого
давления
Сторона
низкого
давления
84 S1
3
Выход
сетевой
воды
S3 S2
Вход
сетевой
воды
Испаритель
Вход
теплоносителя
SS S2
Рис. 6.7. Схема работы теплового насоса
Жидкий хладоген с частичками пара
принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ
. ллаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряже
пню в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого
рабочий цикл начинается сначала.
Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и цир
нуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый загра-
•к нный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает
2,5 6 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабаты
пл. мой тепловой энергии и потребляемой электрической называется
ко >ффициентом трансформации (или коэффициентом преобразова
пня теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса.
>ia величина зависит от разности уровня температур в испарителе и
конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.
По лой причине тепловой на. ос должен использовать по возмож-
ен i и оолынес колнчп гно in i очника низкопогенциалыюго тепла, нс
• । р< мясь доон гы я . । о < п и.in но охлаждения. В самом деле, при э том
р.п тег н|»фгк I iiBiioi 11< । < и кии и о ил! in а, носкольк) при < лаоом о.\ ььк
ц< инн in |оч н и к а к и на о. ир«>и. мнии nirin ir/naioio р<н i а । а нищи
262
Альтернативные источники энергии
По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низ
котемпературного источника тепла была значительно большей, чем
нагреваемая масса. В этом состоит одно из важнейших отличий тепло
вого насоса от традиционных (топливных) источников тепла, в кото
рых вырабатываемая энергия зависит исключительно от теплотвор
ной способности топлива. По этой причине тепловой насос в каком-то
смысле «привязан» к источнику низкопотенциального тепла, имею
щего большую массу.
Эта проблема может быть решена введением в тепловой насог
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 груш а
трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю п i
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 мощно
сти, приходящейся на 1 м трубопровода, 20—30 Вт. Таким образом, ди i
установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим
земляной контур длиной 350—450 м, для укладки которого потребу
ется участок земли площадью около 400 м2 (20x20 м). При правильном
расчете контур не влияет на зеленые насаждения.
Если свободного участка для прокладки коллектора нет или в качс
стве 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 сквл
жин используют фундаментные сваи.
Ориентировочно на 1 пог. м скважины приходи гс я >0 60 Вт ген до
вой энергии. Чаким образом, для установки ггшюпого насоса upon i
води тельное чью 10 кВт необходима сква кина i iy<*iiiioii | Ом.
Глава 6. Используем геотермальную энергию Земли
263
Существенно снизить необходимую глубину скважины и увели-
чить отбор тепловой энергии до 700 Вт на на 1 пог. м скважины позво-
ляет применение активного контура «Fill well» первичного преобра-
зователя теплового насоса (необходимым условием является наличие
обводиеного 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 отопитель-
ной системы. Испаритель устанавливают в грунт горизонтально ниже
глубины промерзания или в скважины диаметром 40—60 мм пробу-
ренные вертикально либо под уклоном до глубины 15—30 м.
Благодаря такому инженерному решению устройство теплообмен-
ного 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 окружаю-
щей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная),
высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.
Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопро-
вода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса произ-
водительностью 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 про-
изводственных предприятиях.
Если тепла из внешнего контура все же недостаточно для отопления
в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с допои
нитсльпым генератором тепла (в таких случаях говорят об исполню
вании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура
oiiyckacic я ниже рл ’и । hoi о уровня (темпера гуры би вален ним i и), в
рл(><)| у iikhio’I.ic г< и в I орон 11 in p.i । ор кила чаще ih ci о небольшой
мн к 1 рон.н репа!г/н> (ни)
264
Альтернативные источники энергии
Преимущества и недостатки
К преимуществам тепловых насосов, в первую очередь, следуе!
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 возмож
ность переключения с режима отопления зимой на режим кондицио
нирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору
подключаются фанкойлы.
1епловой Hatoc надежен, его работой управляет автоматика. В про
цессе эксплуагации система не нуждается в специальном обслужив.!
нии, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны
в инструкции.
Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуаль
ный характер для каждого потребителя, который заключается в опти
мальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энер
гии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего
Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышаг i
обычный холодильник) и практически бесшумен.
Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реа
лизована уже спустя четыре года, практическое применение теплойа
сосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах
тепловые насосы применяются давно — ив быту, и в промышленно
сти. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов
установок.
КПД тепловых насосов
Тепловой насос способен, используя высокопотенциальные истом
ники энергии, «накачать» в помещение от 200 % до 600 % низкопотсн
циальной тепловой энергии. В этом нет нарушения » гон сохранения
энергии.
Моному применение геиловых насосов (ям •»<»<>! р< пл помещении
|ор.11до >ффек гп внес I л юных коглон < он| > м< iiin.ii I а к>i уроппиьи
Iлава 6. Используем геотермальную энергию 3<>мли
26Г
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 пугаю।
довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и мои
ыжа системы составляет $300—1200 на 1 кВт необходимой мощнос ти
о 1 опления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономиче
i кую целесообразность применения этих установок: капиталовложе
пия окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4—9 лет, а служа i
геплонасосы 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 естествен
ного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхожу^
пия (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом
на поверхность нагретой воды).
Другим возможным применением теплового насоса может стан,
его комбинирование с существующими системами централизован
ного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться
oi носительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым
насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при
• юм вследствие меньшей температуры теплоносителя потери па нуги
к потребителю (пропорциональные разности температуры теплошя и
1сли и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. I ак ке
будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холод
нам вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая
Ограничения применимости тепловых насосов
При слишком большой ра ишце между температурой на улице и в
доМ'*, icH/ioBOii насос т< ри< । м|м|н*кIивнос 1 ь (предел применимое in
в < ш гем.IX огоилгннн домов hi I ч< । откачки тепла oi пару kiioi о но i
ду> I ОКОЛО -I ’(1(1 1|Ч риннння >|ОП проблемы llpHMilHI
loll II i III I < МЫ OIK 141 II I ' II I l II I I рун ГН HI II HI I p) II I OH 1.14 ВОД I.IIH nolo
266
Альтернативные источники энергии
в грунте ниже точки промерзания укладываются трубы, в которых
циркулирует теплоноситель, либо (в случае обильных грунтовых вод)
через теплонасосное оборудование прокачиваются грунтовые воды.
Индивидуальное отопление (отопление квартир)
Наиболее простой вариант — использование моноблочных моду
лей «воздух-вода». К примеру, отопление и горячее водоснабжени
двухкомнатной квартиры площадью 60 м2 может вполне обеспс
чить 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 при
менение системы индивидуального отопления с помощью TH в случае
введения тарифов централизованного теплоснабжения, дифферен
цированных по температуре теплоносителя. Использование TH дл i
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 геотер
мальных 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 тепло
вых насосов, который на протяжении последних 10 лет ежегодно увс
личивался на 10—30%, к 2011 году достиг 300 тыс. шт. Основную часы,
мирового рынка составляют ПТН типа «грунт-вода/воздух».
Аккумулированное грунтом тепло передается с помощью теплоно
сителя (рассола), через вертикально расположенные теплообменники
(грунтовые зонды рис. 6.8) и подается в испаритель теплообменник л
теплового насоса.
В испарителе хладагент теплового насоса, наци ван ь от рассол i
до температуры 6 8 °C, закипает и иснаряе и л, монрая геплоогр.ь
юла Охла кденпыи р.ксол. ыкачипасмым и в • «»м ibm lyn.ui в труп
1пава 6. Используем геотермальную энер| ию Земли
267
говый 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
кидкости в компрессоре подымается до
35—70 °C. Эта температура в теплооб-
меннике конденсатора передается рабо-
чей жидкости отопительного контура.
11роходя через сбросной клапан, сбрасы-
вающий давление, хлодоген мгновенно
охлаждается и снова попадает в испари-
1сль, замыкая цикл. Рабочая жидкость,
нагретая в теплообменнике испарителя, поступает в тепловой акку-
мулятор (буферная емкость), необходимый для накопления тепло-
вой энергии и стабилизации работы теплового насоса (уменьшается
частота включений). Далее нагретая рабочая жидкость используется
в отопительных контурах. Для приготовления санитарной воды кон-
। ура горячего водоснабжения используется высокоэффективный бой-
лер косвенного нагрева.
к тепловому
насосу
Рис. 6.8. Грунтовый зонд
Тепловые насосы в вопросах и ответах
По каким причинам следует выбирать тепловой насос? Универ-
сальность. Подходит для использования как в промышленном, так
и в частном строительстве. Экономичность. Низкое энергопотре-
бление достигается за счет высокого коэффициента полезного дей-
твия (КПД). Экологичность. Экологически чистый метод отопле-
ния и кондиционирования как для окружающей среды, так и для
людей, находящихся в помещении. Безопасность. Нет открытого пла-
мени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка
। аза, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров,
мазута или солярки. Надежность. Защита от перебоев электроэнер-
। ии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового
насоса составляет I '• 25 лет. Комфорт. Работает практически бес-
шумно (не громче холодильника) Птбкость. Совместим с любой цир-
куляционной си I' Mon oioiini пил, а онремснныи дизайн позволяет
у*. I анлплива гь сто в /попы • ном« ни ни их
268
Альтернативные источники энергии
Какой принцип действия теплового насоса? Тепловой насос — это
устройство, которое температуру окружающей среды (земли, воды, воз
духа) 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 передаем
собранное тепло в испаритель теплового насоса. В испарителе незамер
зающая 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 холодиль
ник, только здесь тепло забирает изнутри и передается в окружающую
среду через решетки находящиеся на задней стенке холодильника.
Какая жидкость циркулирует в коллекторе? В коллекторе цир
кулирует незамерзающая жидкость. Основой жидкости может быть
эганол или гликоль. Основное требование к жидкости — температура
замерзания должна быть не выше -16 °C.
Какая труба используется для коллектора? Для коллектора исполь
зуется полиэтиленовая труба, которая не ржавеет, не гниет — поэтому
такая система долговечна. Диаметр трубы — 40 мм.
На какую глубину закапывается коллектор? Производитель реко
мендует 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? Боль
шинство тепловых насосов монтируются с горизонтальным коллекю
ром. Из-за высокой цены скважина, как источник тепла, используется
там, где недостаточно места для установки горизонтального колясь
тора, а так же если участок у дома уже приведен в порядок.
От чего зависит длина коллектора или глубина скважины? Длинна
коллектора или глубина скважины закисиi oi тепловых особенно
с гей дома — геплопотери, внутренней cm i мы окнпи пня мощное in
выбранного геилон.к <х а и ос обспнос ггп i |Ч н i i
I лава 6. Используем геотермальную энер! ию !смли
26*)
Какая площадь участка требуется для укладки коллектор.!'
Обычный горизонтальный коллектор занимает площадь в 2—3 ра ы
больше отапливаемой площади дома.
Растет ли трава на том месте, где закопан коллектор? Коллекго|
не влияет на произрастающую над ним растительность. В местах, где
планируется посадка деревьев, рекомендуется коллектор закопан
поглубже. На месте где закопан коллектор, строительство запрещено
Можно ли использовать одну и ту же скважину и для тепловою
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 рацио
пально ту же самую воду дома нагревать.
Сколько места занимает котельная с тепловым насосом? Для у< i »
иовки теплового насоса достаточно небольшого помещения, напри
мер, для наиболее популярного Fighter 1220 с трубами достаточно
нескольких квадратных метров. Если выбран тепловой насос с о где п
ным бойлером необходима несколько большая квадратура (примерно
I 6 м2, в зависимости от конфигурации котельной).
Какие требования предъявляются к котельной? Никаких < нецн
лльных требований нет. Нет необходимости в наличии окоп, дымо
хода. Поэтому, уже проектируя дом не обязательно предусматрнв не
котельную у наружной стены. Однако не рекомендуется устав лвли
ил гь тепловой насос у стены, за которой находится спальня.
Громко ли работает тепловой насос? Конструкция тепловых н.н о
юн гакова, что компрессор и холодильная часть находятся в отдель
ном корпусе. Это означает, что компрессор теплового насоса помещен
и двойном корпусе, что обеспечивает низкий уровень шума.
Какое напряжение необходимо для теплового насоса? Гепдопоко
плюсу требуется трехфазный электрический привод, однако некою
I »ые модели могут использовать напряжение в 220 В.
Что происходит с тепловым насосом при перепаде напряжении
При исчезновении, а затем при появлении напряжения генлопьн
п носы включатся, и далее будут работать в гом же режиме, как н
ранее. Все ранее заданные параметры сохраняются.
Можно ли отпиливать одним тепловым насосом шчколько
о|де ц.ных домов? Гехни'Ь t ки ио возможно, но невозможно будс,
по< чи la гь испои* loii.iiiiith снд< ||<ными домами тепло, г к. ыгрвгы нл
И Н/IO ШВИСЯ! не ЮЛЫ «I 'И ll'HHII.lllll О I Л 11 Л И B.K'MOf О IIOM< 1ЦСН11Л но II
270
Альтернативные источники энергии
от термических характеристик дома — отопительной системы, под
держиваемой в комнатах температуры, использования горячей воды.
Какую максимальную температуру в отопительной системе може г
обеспечить тепловой насос? Максимальная температура в отопитель-
ной системе достигаемая с помощью компрессора 55—70 °C, в зависи-
мости от модели теплового насоса.
Какую отопительную систему лучше выбрать для дома, используя
тепловой насос? Так как эффективность теплового насоса зависит о г
температуры, подаваемой в отопительную систему и от температуры,
получаемой из грунта, лучше выбирать низкотемпературную ото-
пительную 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 ком-
прессора 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 про
блем он должен прослужить не менее 20 лет.
Можно ли тепловыми насосами подогревать воду в бассейне?
Тепловые насосы содержат такую функцию, а также функцию кон
троля 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 темпера
тура нужна изредка.
Для чего нужен электрический ТЭН в тепловом насосе? Электри
ческий 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 можно так же повысить температуру горячей
воды до 80 °C (при помощи компрессора — 65 °C).
Так же можно увеличить количество горячей воды или де шпфици
ровать бойлер, чтобы избежать развития боде mei норных 6а к тс рви
11овышенис темпера гуры i прямей воды мо-м i < »< у щ< < i или ться перво
1лава б. Используем геотермальную энергию Земли
271
дически, установив временной интервал и необходимую температуру
н тепловом насосе, или в случае необходимости одноразового произ-
водства большего количества горячей воды.
Электрический ТЭН может быть использован и как вспомогатель-
ный инструмент обогрева, в том случае, если изменяется потребность
в тепле — например, при увеличении отапливаемой площади поме-
щения.
В этом случае нет необходимости в реконструкции системы отопле-
ния, дополнительное количество тепла можно получить при помощи
злектроэнергии Максимальная мощность электрического тэна уста-
навливается 3,6 или 9 кВт, в зависимости от мощности электропро-
водки и потребности потребителя. Установленная мощность включа-
ется постепенно, в зависимости от потребности, 3 уровнями — напри-
мер, 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 эффек-
тивно, кроме того, установка более мощного насоса повлечет допол-
нительные 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 энер
гию Солнца, благодаря процессу фотосинтеза.
Источниками топлива из биомассы являются наземная и водная
растительность, отходы сельскохозяйственного и лесозаготовитель
ного производства, муниципальные отходы и отходы животновод
ства. Она образуется в ходе работы пищевой цепочки. В первоначаль
ном виде существует в форме растений, затем передается травоядным
животным, а если их съедят — то и плотоядным. Человек тоже ес i
растения и животных.
Биомасса характеризуется способностью к возобновлению, низ-
кой ценой, небольшим объемом выбросов, исключением повышения
содержания СО2 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.
В 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 прои<
хождения, не только рас гения и животные, но и »ь< кргменгы кивогпых
или остатки растений, такие как солома 1»ум«нл и н< около ia, отходы
1лава 7. Используем энергию биомассы

оойни, органические отходы, растительное масло и этанол
биомасса и может быть использовано для производства »п< pi ин
Используются разные методы для превращения этих мм- р»ы..
кидкий, твердый или газообразный источник энергии. *1 » о
< гвует несколько путей превращения биомассы в энергию < >м.» н о ч и
мер, может быть сожжена в энергетической установке д;.. •
тепла, переброжена в анаэробном реакторе, чтобы потом по ц и«
и затем электричество и тепло или может быть преобра к>п им • • • •>
готический газ или топлива путем термохимической га nnjun «и ни
7.2. Прямое сжигание биомассы
Сжигание на воздухе
Простейшим методом получения полезной энергии н-щ ..........
массы является ее сжигание на воздухе. Теплота реакции <» ...
углерода, углеводородов и других газов, а теплота реакции । ни м
Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, нрепр .....
в 1 азообразные продукты и золу (http://www.bio-energetu ч гп)
D Примечание.
Присутствие воды в биомассе не снижает термодиномич*..
выхода тепла, однако практическая эффективноыпь /томш1 > ><>
жается вследствие необходимости нагрева воды и imm/wm
при температуре сжигания. Содержание воды бот - i.ir»<.
возможности прямого сжигания биомассы, поэтому м< нт /чнич
жен быть высушен или же к нему следует добавить пнютти
f
Вода также снижает температуру пламени и скорость ежмынни
Однако использование печей с псевдо сжиженным слоем мак риала
по шоляе1 проводи 11< i ж hi лпие при содержании воды до 55%.
были предложены pri in p.iiiiinibir печи, повторно использующие
кило иснлривпк п< п попы и । । юоорл П1ых продуктов сгорания; и лих
У< ШНИ! Я \ Георг III'H'I I' II Ио IMo I ||О < t HI .1II ||( м.1 11 риалов, н.п ыщгн
274
Альтернативные источники энергии
ных влагой. Сжигание в соответствующих камерах сгорания можо
явиться одним из наиболее эффективных методов использовании
энергетического потенциала биомассы.
В печах прямого нагрева и паровых котлах использование тепл.»
составляет 85%, однако многие установки на практике являются зна
чительно менее эффективными.
Подготовка биомассы
Перед сжиганием тем или иным способом большинство типов био
масс необходимо определенным образом подготовить. Типы биомаа
могут варьировать:
♦ от плотных, относительно сухих материалов, таких, как древесина;
♦ до очень влажных, обладающих низкой теплотворной способно
стью, таких как канализационные стоки и морские водоросли.
Другие материалы, такие как солома, обладая низкой влажностью
имеет малую плотность, и поэтому работа с ними является затруд
нительной. Наиболее важными этапами подготовки биомассы явля
ются:
♦ измельчение;
♦ сортировка по размерам частиц;
♦ сушка;
♦ хранение.
Необходимые размеры древесины получают путем распила, рас
кола и измельчения. Предварительная сушка на воздухе проводится нс
всегда, в зависимости от техники сжигания. Используют и другой метод
подготовки древесины, называемый «уплотнением». В ходе этого про
цесса 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%.
D Примечание.
В целом это технология способствует улучшению свойств бич
массы кок топливо, приближая их к свойством угля.
Этот процесс является дорогостоящим и может более чем в дно»
повысить цену топлива. Но он, тем не менее, обеспечивает получение
материала, способного заменить обычные виды ion шва в некоторых
районах по греби гели готовы онлачив.н ь ни 'ihiiiihk н:1дг|>акн.

Глава 7. Используем энергию биомассы
Для транспортировки к месту использования солому прессую! в
кипы. Кипы имеет низкую плотность (62—200 кг/м3 в зависимости о г
типа пресс-подборщика). Они должны быть небольшими для об/и i
чения погрузочно-разгрузочных работ вручную, что ведет к нык»
ким транспортным расходам. Кроме того кипы соломы неудобны для
автоматической подачи в печи для сжигания. Делались предложения
относительно измельчения соломы перед использованием, но эго гщ<
Польше увеличивало издержки по подготовке биомассы.
Твердые отходы животноводства содержат обычно 70—85% воды.
11еред сжиганием необходима предварительная сушка, которую гак Kt-
можно осуществить путем использования топочных газов. Аналогичные
методы применимы к другим материалам с высокой влажностью. При
>гом количество получаемого тепла в значительной мере снижает' я
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 тепла, поэтому необходима установка печей (бойлеров),
с пособных 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 выделив-
шейся 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
|резмерной тяги в дымоходе.
В Примечание.
Простое ограждение для огня и ограничение тяги повышает эффек-
тивность ( paiHi i но, %
В и ц гоящее время им» к и in rni гелыю более ><|»<|»ск гивныс дровя
iif.it ц< чп Коми н i 1Д| \ < । не in n н । । ih.iH nt чь, иолуч в । до 0% энер
276
Альтернативные источники энерши
гии сгорания топлива или в результате излучения, или в результат)
конвекции. Однако средняя эффективность дровяных печей состап
ляет 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 перс
ключения на ископаемые виды топлива
Основной проблемой небольших систем сжигания биомассы явля
ется накопление агрессивных масел и смол в более холодных частя,
дымохода. Эти скопления необходимо периодически удалять; дыма
ход можно очищать также путем пропускания через него горячих
газов (однако наряду с удалением нежелательных соединений терн
ется и полезное тепло).
Промышленная технология сжигания
Биомасса обычно используется в промышленности в качеств#
топлива только в тех случаях, когда она представляет собой остатки
от переработки биологических материалов другие, более ценные, про
дукты. Это имеет частичное значение с точки зрения охраны окру
жающей среды, так как удаление остатков является часто затрудни
тельным.
Два вида топлива биологического происхождения уже использу
ются в промышленности, и методы сжигания их являются докумен
тально обоснованными:
♦ солома, получаемая в сельском хозяйстве:
♦ древесные отходы деревообрабатывающей промышленности.
Ниже дается некоторые комментарии по используемой технологии
Сжигание соломы на фермах практикуется в некоторых район.» х.
а печи для сжигания соломы производятся в Дании в широком м.ь
штабе. 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 поло
вины закупленного оборудования.
Причина тому, по видимому, неудобс гво pibon.i < ним оборудо
1Ы11ИСМ, С горлпие неустойчивое И НС.I<j>t|»( К I IIIIIKH .1 ДЫМ И I 1-h.l ВЫ М>1
(лава 7. Используем энергию биомассы
277
вают загрязнение окружающей среды. Выход тепла был ниже, чем это
>ыло гарантировано производителем. Появились усовершенствован-
ные варианты с непрерывным сжиганием и разделением печи и брой-
лера (для повышения полноты сгорания), однако эти устройства стали
(юлее 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
i оставлять до 50% от массы сырья. Содержание влаги в отходах состав-
ляет 30—50%, Паровые установки, использующие эти отходы, сжигают
до 250 т/ч. Используется несколько типов бойлеров и печей — напри-
мер, датские печи, печи с механической загрузкой, печи с наклонной
решеткой.
Сжигается как влажная (до 30% влаги), так и сухая древесина.
)ффективность 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
< жигания может быть неожиданно высокой, но здесь первостепенное
пыление имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для неко-
юрых отходов сжигания является единственно приемлемым спосо-
('ом 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 био-
массы (лузга подсолнечника, солома, некондиция семян растений).
1л югенераторнлл уч тановка решает одновременно две задачи:
• у гили ыция ОТ ХОДИН.
♦ очень дешевое н пл«н»о< . и. 4i ние
} /В
Альтернативные источники энерги
Рис. 7.1. Внешний вид газогенераторной установки
Сжигатель комплектуется бункером и автоматизированной шне
ковой подачей топлива, благодаря которой, повышается комфор!
обслуживания и длительность одноразовой загрузки до 5 суток.
Газогенераторная установка разработана для котлов марки «КЭС».
Также газогенератор можно применить в существующие котельньк
для других котлов отечественного или импортного производства с
чугунным или металлическим теплообменником.
Технология
Опилки (стружка) или щепа засыпаются в бункер, оборудован
ный «ворушителями», которые предотвращают «налипание» сырья
и далее поступают в шнековый транспортер. Он работает в автомати
ческом режиме «подача-пауза» в соответствии с заданной на контрол
лере программой (подробности см. на http://kes.ucoz.ua).
Шнек осуществляет дозированную подачу топлива в газогенера
тор, в котором происходит процесс газификации, т. е. процесс прак
тически полного превращения топлива в горючие газы (остаточная
зольность менее 0,5%).
Дальнейшая реакция между углеродом и кислородом воздуха обе
спсчиваст температуру, достаточную для оорл кныпия окиси угле
рода главного i орючего компонен га Hi.ipahai ын.п moi и газа. (. 'молы
Глава 7. Используем энергию биомассы
279
и масла разлагаются на газы, которые содержат водород, реализуется
принцип «чистой трубы».
Факел горящего газа направляе гея в камеру сгорания котла, в кото-
ром происходит нагрев воды. Обрезки и кусковые отходы сжигаются
непосредственно в топке котла. Контроллер — программатор обеспе-
чивает поддержание и регулировку температуры теплоносителя с точ-
ностью ± 1 град. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом.
Применение газогенераторов
В настоящее время для теплоснабжения зданий и сооружений, получе-
ния горячей воды для технологических нужд, получения пара и горячего
воздуха для различных лехнологических процессов применяются водо-
грейные котлы, паровые котлы и теплогенераторы, в основном использу-
ющие дорогостоящие электроэнергию, каменный уголь, нефтепродукты и
природный газ. В то же время имеются значительные запасы топливосо-
держащих бросовых материалов и низкокачественного топлива (отходы
лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного, сельско-
хозяйственного 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 приве-
сти к весьма значительной экономии угля, электроэнергии, жидкого
юплива, природного газа.
Широкое внедрение газогенераторов позволяет одновременно
содействовать разрешению и не менее важной задачи экологического
плана — очистке значительной территорий от указанных отходов.
В Примечание.
Газогенераторы могут работать с различным отопительным обо-
рудованием. При этом они должны соответствовать друг другу по
мощности (±30%).
При выборе типоразмера газогенератора для системы отопления
можно исходить и j следующих норм:
♦ для отопления помещении с высотой потолков до 3 м на каждые
10 м требуется I kBi к одовой мощности газогенератора;
♦ для отопления оил< • ш.вокпх помещений на 100 м? требуется
I i кВ । теплинии мопик ь i и i a toi еперл тора.
280
Альтернативные источники энерги
Принцип работы и устройство газогенератора
Газогенератор использует простой, хорошо проверенный споссм
преобразования твердого топлива в газообразное. На стадии гази
фикации топливо и кислород воздуха, подаваемого в ограниченном
количестве в камеру газообразования, нагреваются раскаленным реак
тором и вступают между собой в реакцию. В результате нее топливо
разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реак
ция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, досч а
точную для образования окиси углерода (СО) — главного горючего
компонента вырабатываемого газа.
Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород и неко
торое количество метана. Минимальная теплотворная способное и
газа — 1100 ккал/м3. Газогенераторы позволяют при совместно!!
работе с серийно выпускаемыми водогрейными или паровыми koi
лами, 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 дре-
весная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1см3 до 200 см3), сме> i.
кускового торфа с опилками или стружками в соотношении примерно
Г.1 по объему. Топливом могут быть и только опилки и стружка
Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролиз
ной переработки древесины — лигнин, сформованный в топливныи
брикет (кусок).
Важной особенностью газогенераторов является их «всеядность»
В них может использоваться топливо практически любой «сорт
ности». Так, газогенераторы работают на измельченной древесин»
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 влажно
стью не выше 35%.
Газогенератор — агрегат модульной конструкции, легко приспоса
бливаемый к работе с различными водонагревательными и воздухо
нагревательными устройствами.
Газо! оператор состоит из грех основных у «лов камеры i .ыооора ю
1М11ИЯ, грубы горения и бункера для гонлпвл
Глава 7. Используем энергию биомассы
281
7.3. Сухая перегонка, газификация и сжижение
Термическое повышение качества биомассы
Основной целью всех процессов повышения качества биомассы
ивляется превращение ее в стабильное транспортабельное топливо,
способное заменить ископаемые виды топлива без использования спе-
циального оборудования для погрузочно-разгрузочных работ. Путем
сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов
можно получить твердые, жидкие и газообразные соединения, обла-
дающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и при-
родного газа.
В Интернете описано много процессов, широко использовав-
шихся в прошлом; производство газа для использования его в каче-
стве 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.
При нагревании биомассы происходит распад углерод содержащих
молекул с образованием ряда газообразных, жидких и твердых про-
дуктов. Специфические продукты реакции определяются:
♦ температурой реакции;
♦ тепловой мощностью;
♦ степенью измельчения;
♦ типом биомассы;
♦ присутствием неорганических примесей и катализатора.
I'tH • Ibj’Mi .................... OffOMiK < ы
' Vit i J -н пивные источники энер» <^ава -j Используем энергию биомассы
Тепло, необходимое для осуществления этих изменений, носяпц
эндотермический характер, подводится или из внешнего источник.» ___._______г < Iqq oq биомасса
или путем введения воздуха или кислорода в реактор и сжигапп Эндотермический процесс). При 1ем11СРа1пУ-Р_____„___
части биологического материала.
Термины «сухая перегонка», «газификация» i _____________
имеют точного значения в литературе. Газификация и сжижение бь. lveib мс1аПи/ш, -------
массы происходят как в присутствии, так и в отсутствие окислитеж веских веществ. До развития
ных (О2, воздух) и восстановительных (СО, Н2) газов, обычно связан 1Сфтехимической промышленно-
ных с этими процессами. | , ги источником этих соединении
В настоящем исследовании сухая перегонка рассматривает» )ЫЛа перегонка древесины,
отдельно как анаэробный процесс. Превращение биомассы в газы пр» На рис. 7.3 показан в качестве
сжигании на месте рассматривается как газификация. Понятие «ежп примера пиролиз целлюлозы. При
жение» охватывает восстановление биомассы до масел под действие
восстановительных газов, полученных также из биомассы.
Подготовка биомассы
Высокая влажность биомассы представляет собой непосредствен
ную проблему при осуществлении всех процессов повышения ка’н
ства биотоплива вследствие затрат энергии на испарение воды и pa j
бавления продуктов реакции не прореагировавшим паром.
Большинство методов включают стадию высушивания при испол»
зовании уже частично высушенных материалов; однако в материал-
допускается определенное количество воды, которое необходимо дл»
образования синтез газа (паровая газификация). Биомасса, содержа
щая более 30% воды, потребует, очевидно, сушки перед осуществи
нием любых процессов.
Для облегчения процесса сушки, а также достижения требуем»н-
скорости реакции в процессе тепловой обработки биомасса должн .
быть измельчена с получением соответствующих размеров частиц
Технологическая схема включает дробильные, измельчительные и pa i
малывающие установки. Если биологический материал представим»-1
часть общих отходов, необходим предварительный отсев негорючи •
и других примесей. «Уплотненная биомасса», о которой говорило* t
выше, может быть использована для процессов обогащения без даль
нейших обработок.
Сухая перегонка
Нагрев биомассы приводит к удалению влаги (ярко выраженный
“ ' ГА О/-
лачинает разлагаться, а между 250 и 600 °C основными продуктами
и «сжижение» и-Шляются уголь и маслянистая кислая смесь дегтя и различных коли-
и< <еств метанола, уксусной кислоты, ацетона и следы других органи-
Летучие соединения 14%
Дёготь 61%
Вода 12%
Уголь 6%
СО2 6%
Рис. 7.3. Пиролиз целлюлозы
1емпературе свыше 600 °C жидкие
Продукты пиролиза могут быть
азифицированы, а свыше 800°С
газифицируется также и уголь в результате эндотермической реак-
ции углеродсодержащих молекул с водой с образованием синтез газа,
|смеси оксида углерода и водорода.
Какие химические реакции протекают в процессе тепловой обработки
'«иомассы, точно определить трудно вследствие очень сложной хими-
ческой природы биомассы. Правда, основными компонентами многих
типов растительного материала являются целлюлоза и крахмал, и нам
известны некоторые реакции сухой перегонки этих продуктов и их тер-
модинамика. 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 фор-
мула С6Н8О (энтальпия=2,1 ГДж/т).
Образование синтез газа является в высшей степени эндотермиче-
ской реакцией. При быстром нагревании целлюлозы, как при «мгно-
венном» пиролизе, может образоваться некоторое количество олефи-
нов в ходе другой эндотермической реакции.
Несмотря на некоторые утверждения относительно автотермаль-
ного характера (или близкого к автотермальному) процесса сухой
перегонки биомассы, термическое обогащение биомассы обычно тре-
буеп затрат теплоты »<»« i шлиющих до 10% теплоты сжигания сухой
биомассы (примерно до I Д i /г). Ига доля мо кеч быть значительно
выше, iianpiiMi р, при нр<>н н»«»ц* । вс \ г/ih. где пропс ходи г потеря леч у
чих ироду ь юн
Технология сухой и<“|)<“1 онки
За исключением производства высокоценного древесного уииц
используемого как в качестве топлива, так и для дру« их целей, суча
перегонка биомассы в промышленном масштабе нс использует я •
развитых странах. Древесный уголь обычно получают путем нагрева
ния древесины до 350 °C в пиролитическом реакторе. Выход сосч ш
ляет около 35% топлива с энергоемкостью примерно 29 ГДж/т, то с< i
сохраняется около 50% энергии древесины.
Ниже даются комментарии по другим предложенным процессам 1
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 moi jl
быть полимеризованы в автомобильный бензин (его заменитель)
В «западном» процессе (ранее процесс Гаррота) сырье должно бы и
высушено и тонко размолото. Теплота, необходимая для осуществле-
ния пиролиза, получается в результате реакции. Газы удаляются и ।
угля в циклонном сепараторе до очистки от жидкостей и остающихе л
твердых частиц, а затем уголь и газы возвращаются в пиролизатор
Схематическая диаграмма этого процесса показана на рис. 7.4.
В целях максимизации выхода жидкости время пиролиза сокраща
ется до нескольких секунд. Выход пиролитического масла составляе i
около 40% в расчете на сухое сырье. Пиролитическое масло не смешива
ется с топливной нефтью, имеет коррозионные свойства, аналогичны
свойствам уксусной кислоты, и может храниться только в течение при
мерно двух недель вследствие продолжающихся химических реакций.
Для использования этого масла в качестве топлива необходимо
специальное оборудование. Теплотворная способность пиролитиче
ского масла составляет около 53% теплотворной способности топлив
ной нефти (по массе). Выход угля составляет от 20 до 50%,содержание
Биомасса Биомасса
газы
Рис. 7.4. Пиролиз биомассы
юлы в угле до .()"<>, Li и,! имени ш 1кую гендотворную способность и
. идержа i до 65% двуомь и углерода и до 8% сероводорода.
Свойства пироли гического масла. Углерод — 57,5%- Водород — 7,6%.
Кислород — 33,4%. Энергоемкость — 24 ГДж/т. Плотность — 1,3 г/см3.
В ходе процесса древесные стружки проходят через печь с продук-
шми реакции. В качестве катализатора добавляется древесная зола.
It 1Ы, жидкости и уголь газифицируются с помощью пара, присутству-
ющего в древесине. Этот процесс считается авто термическим вслед-
< гвие экзотермического характера разложения древесины и переноса
(сила от горячих продуктов в систему.
Третий процесс включает быструю паровую газификацию биомассы
( образованием смеси олефиновых углеводородов. Высушенную био-
массу 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, полиме-
ризующегося до высших углеводородов при давлении около 56 кг/см3
и температуре 500 °C. Однако побочные продукты не обеспечивают
достаточного количества теплоты для протекания процесса, что
вызывает необходимость сжигания дополнительного количества дре-
весины. Выход автомобильного бензина и масла определяется терми-
ческой эффективностью 11,9% в расчете на сухое древесное сырье.
Окислительная газификация
Газификация биомассы кислородом дает газ средней энергоемко-
сти, 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 преды-
дущем 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 Н2. При более низких тем-
пературах стабильны молекулы этилена, метана и другие молекулы с
небольшим весом.
Пиролиз
Газ
Пи| и >ni । •
Гил
Сжигание
Воздух
BocciiuiuIiiii । in*
Сжигании
Восстановление
Зола
Зола
Воздух
Рис. 7.5. Газификация способом нисходящего и восходящего токов
Газификаторы классифицируют следующим образом: газификз
торы восходящего тока, нисходящего тока, кипящего слоя и взвешен
ного потока. Схематические диаграммы газификаторов восходяще! и
и нисходящего токов показаны на рис. 7.5.
Последний тип широко использовался в период второй мировой
войны на транспортных средствах, трейлерах и небольших силоиьи
установках. Недавно газификаторы, работающие на угле, использог
лись на Филиппинах для различных форм транспорта. Такие газифи
каторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении
при запуске, регулировании и техническом обслуживании.
Воздушные газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внима
тельном отношении при запуске, регулировании и техническом обеду
живании. Воздушные газификаторы представляются как первые био
топливные 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, получен
ных с использованием кислородного газификатора, дает возможное! ь
химического их превращения, например в метанол и аммиак.
Сжижение/восстановление
Были разработаны предложения по превращению биомассы в жид-
кость, напоминающую тяжелую топливную нефть, путем реакции е.
с восстановительными газами (оксид углерода и водород) в присут
ствии катализатора. Обычно необходимо давление 250 бар и темпе
ратура 600—700 °C. Процессы сжижения обычно предполагают под
готовку восстановительных газов путем пиролиза или окислительной
газификации большего количества биомассы. В редких случаях можно
получить дешевый водород из других источников, например при элек-
тролизе воды на гидроэлектрических установках.
|.И()МЛ< ( А и ( ЖИЖ' НИЛИ Н- фть
(ревссину высушин лю i до иля кно ги 4%, размалывают в муку
и мсшивают с частью продуцированной нефти. В качестве катали
• нора добавляют карбона! натрия в количестве 5% по массе. Смесь
Древесины, нефти, пара и катализатора подвергают первоначальному
•явлению 29 бар и нагревают до 300 °C в течение часа для обеспечения
ного превращения древесины и выхода нефти 56%. Схематически
процесс показан на рис. 7.6. Нефть рекомендована для использования
В качестве бойлерного топлива.
( остав и свойства сжиженной нефти. Углерод — 76,1%. Водород —
1,3%. Кислород— 16,6. Плотность— 1,1 г/см3. Энергоемкость —
1,4 ГДж/т.
Рис. 7.6. Сжижение древесины
7А. Гидролиз и ферментация
Сахара биомассы
Все виды растительной биомассы содержат моно и полисахариды,
служащие как для аккумулирования энергии и углерода, так и в каче-
стве структурного компонента. Хотя простые сахара встречаются в
соке всех растений, только экстрагирование их из сахарного трост-
ника и сахарной свеклы носит промышленный характер.
Тем не менее, эти растения являются основным источником произ-
водства сахара в мире. Полимерные сахара являются основными ком-
понентами 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 л и ырои (hiom.i - ы путем и< ш-мЯ
зования целого ряда химических и механических методов от при зе
нения простого давления при переработке сахарного гросгнит i /Ц
химического экстрагирования с высокими затратами энергии и <
фатной варки древесины. В табл. 7.1 представлены некоторые вид]
сахаров (мономеры, олигомеры и полимеры), полученные из разлид
ных видов растений и отходов биомасс.
Углеводы и источники их получения
Таблицей
Источник ' ' ^1 Углевод
Моносахариды и олигосахариды
Сахарный тростник и сахарная свекла Сахароза
Меласса Сахароза, глюкоза, фруктоза
Отходы молочной промышленности Лактоза, галактоза
Сорго сахарное Сахароза, глюкоза
Полисахариды
Древесные и пожнивные остатки Целлюлоза, гемицеллюлоза
Городские и бумажные отходы Целлюлоза
Кукуруза и другие зерновые Крахмал
Маниок и картофель Крахмал
Выход углеводов колеблется в широком диапазоне (в расчете и ।
сухую биомассу) и может составлять до 60% (целлюлоза) в древесин-
и около 15—20% (сахароза) в сахарном тростнике и сахарной свекле.
Гидролиз
Перед ферментацией олигосахариды и полисахариды обычно еле
дует 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 темпера
туры; гидролиз целлюлозы происходит при более высоких темпера
турах, с использованием более сильных кислот и реакторов под дав
лением.
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 целлю-
лоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения
। idi in.i «уде i повреждена фермента
। ииному гидрил и iy.
( корость гидроли i.i целлюлозы при участии ферментов низкая.
11.юбилее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованой рас-
III гсльной биомассе — это глюкоза, фруктоза и ксилоза.
Практически все природные сахара имеет в своей основе пять
(пентоза) или шесть (гексоза) атомных углеродных групп. Технология
шдролиза крахмала является хорошо обоснованной. Обычным про-
мышленным сырьем являются кукуруза и другие зерновые, а также
। дргофель, переработка которых проходит в одну или две стадии
(двойная кислота Кислота/фермент или двойной фермент).
Крахмал растворяется при нагревании в воде, что вызывает «раз-
। ижение» полисахаридов с расщеплением полимерных цепей кисло-
|нй или альфа амилазой. Гидролиз до моносахаров (сахарификация)
осуществляется снова кислотой или амилоглюкозидазой.
Продуктивность ферментативного процесса является низкой по
. равнению с химическими методами, и для осуществления максималь-
ной сахарификации необходимо не менее трех дней. Хотя в прошлом
i нецифичность реакции была хуже для кислого гидролиза, ферменти-
руемые 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
вободного рынка не осуществляется, так как разработанные ранее тех-
нологии, такие, как процессы Сколлера и Мэдисона, по имеющимся дан-
ным, являются неэкономичными. В настоящее время в литературе поя-
вились 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 состав-
ляет при благоприятных условиях до 90% от теоретической стехиоме-
трии реакции: С6Н12Об = 2С2Н5ОН + 2СО2.
Однако здесь может образовываться ряд других продуктов, осо-
бенно при высоких значениях pH, как это показано в табл. 7.2.
• M’l'tllK
Продукты (pfj шнтиции г ‘Ikwohj
Продукт Ф'фМ«*»11И|И>1>лн<1 у|>1«|»<>дл (1ЛК>КО>м) %
pH 3.0 pH 7,Ь
Этанол 57,3 43,3
Двуокись углерода 30,2 24,8
Глицерон 3,10 16,0
2,3-Бутандиол 0,5 0,5 1
Молочная кислота 0,4 0,7
Янтарная кислота 0,3 0,5
Уксусная кислота °-2 5,0
Муравьиная кислота 0,1 0,1
Клетки Примерно 4
Если реакция доходит до конца, превращение ферментируемы»
сахаров может быть 100%-ным. Если концентрация спирта достигж-i
ингибиторного уровня (8—10%), превращение может быть неполным
Рост дрожжей становится ограниченным вследствие низкого обе» ш
чения энергией в ходе реакции; таким образом, образовавшийся спир-г
препятствует увеличению калорийности субстрата.
Многие другие организмы, включая другие виды грибов, бактерии
и зеленых растений, могут в анаэробных условиях превращать сахаре
в спирт, причем некоторые организмы осуществляют эти превраще-
ния с высокой эффективностью.
Однако выход спирта часто бывает значительно меньше, чем при
участии дрожжей. При этом происходит образование большого коли
чества других продуктов, таких как ацетаты, лактаты и глицерол.
Некоторые микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, могут соче-
тать оба процесса гидролиза и ферментации. Такие реакции протс
кают медленно, и выход спирта является низким.
Продуктивность спиртового брожения является высокой по срав
нению с продуктивностью многих биологических реакций, но низкой
по сравнению с продуктивностью реакций, протекающих в среде син
тез 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 парти-
ями в сосудах вместимостью от 200 до 1000 м3. Микробная «закваска»
готовится заранее в неполных аэробных условиях с использованием
того же субстрата, что и для ферментации.
I* «псцпи ферментации и |i.i н>лнн< ином рас i ворс сахара. За пос/юд-
»н годы был ис ноль IOB.UI ряд новых гинов фсрмептатаров, включая
В||>м('Н га юры iiciipepi»i!in<»ii> действия и типа клеточной рециркуля-
ции 11екоторые из и их ферментаторов используются в промышлен-
о ш, особенно для производства этилового спирта.
I Ь-риодическая ферментация предпочтительна при производстве
нйртпых напитков, а также в большинстве случаев производства
Lилового спирта, так как технология периодического производства
•иносительно проста, не требует тщательного контроля, как при
•м прерывном типе производства.
Перегонка
1(ель начального этапа перегонки — отделение жидкости от твер-
дых частиц в сбраживаемой массе. Фракционирование дистиллята
(Ист раствор, содержащий 50—70% спирта, а при последующих
(иодных) перегонках концентрация спирта может быть 90—94%.
Более высокие концентрации обычно невозможны вследствие
образования азеотропной смеси спирт+вода при концентрации эта-
нола около 95%. Таким образом, в последующих перегонках исполь-
। лот азеотропообразователь (например, бензол, циклогексан) с полу-
чением 99,9%-ного этанола.
Кроме спирта, процессы брожения и перегонки дает остатки и
i гоки, которые следует удалять. Остаток от перегонки имеет высокую
i кособность к поглощению кислорода вследствие наличия несбро-
кенных сахаров и других компонентов биомассы. Объем этих остат-
ков в 15 раз больше объема произведенного спирта. Остатки обычно
сбрасывают в реки и моря, а также вносят в почву.
Древесина
Перегонка из куба
Лигнин и
растворимые
в воде
вещества
Рис. 7.7. Превращение древесины в спирт
Па рис. 7.7 схематически кокаин гнничныи процесс нолучепи
топливного спирта из древесины. В литературе ши. ано множь in
других вариантов с использованием иных in гочников углевод^
начиная от соломы и отходов бумажной промышленности, кончи
городским мусором.
7.5. Анаэробное разложение
Результат деятельности микроорганизмов
Некоторые органические молекулы биомассы могут подвергать. |
анаэробному разложению в результате деятельности микроорган и .
мов. Основные продукты распада — диоксид углерода, метан и боль
шое число микробных клеток. В природе этот процесс протекает п
гнилостной среде.
С прошлого века его использовали для обработки больших коли
честв шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этот
метода — сокращение числа и обезвоживания твердых частиц вто
ричного отстоя очистительных установок.
Только крупные канализационно-очистные сооружения исподь
зугот выделившийся метан как источник энергии. Небольшие очис!
ные сооружения, имеющие реакторы, могут сжигать газ или исполь
зовать его для подогрева самих реакторов.
За последние годы была предложена технология удаления навози
на крупных предприятиях интенсивного животноводства; удалений
стоков с предприятий, занимающихся переработкой биологических
продуктов, например переработкой продуктов питания; превращени и
биомассы в энергию.
Эта технология — одна из наиболее простых среди технологии
получения топлива из биомассы. В результате эта технология осо
бенно пропагандировалась для использования в странах третьего
мира, где устанавливается большое число реакторов.
Технология
Современная очистная установка может быть вместимостью от 500
до 4500 м3. Крупные емкости строятся из бетона и стали. Стальные
• mi < >• i ii покрываю i и юн it i и и >1Н1Ы м Mi i < риалом, i Hoik pxuo 11>, на\o
юнцукки в копт i i ii o/v piiiMiiM pi i topa, — иь ксидпой смолой
I hi аналогичным мптсрмплом
< одержимое переМ' iiihh.iioi помощью крыльчатки или винтовою
в в о- а, расположенных в емкое in, i также путем прокачки жидко i и
р< । внешний обводной трубопровод или путем повторной циркуля-
ции о гходящих газов. Перемешивание и нагрев часто чередуются или
•в уществляются одновременно. Перемешивание служит в основном
щи предотвращения образования поверхностных корок, особенно
iipm переработке сельскохозяйственных отходов.
11агревание необходимо потому, что при умеренной температуре
• । ружающей среды реакция протекает слишком медленно. Нагрев до
to 45 °C одновременно обеспечивает высокую скорость реакции и в
। о ж < время позволяет избежать чрезмерных расходов.
D Примечание.
Реактор должен работать по возможности непрерывно, так как
прерывистая робота малоэффективна.
Для обеспечения непрерывной подачи материала устанавливав i и
нециальная емкость, а для отвода используется уровень. Неболышн
очистные сооружения часто имеют систему загрузки партиями (при
л (личии первичных и вторичных сточных осадков). Время нахожде
пия жидкости в реакторе обычно составляет от 10 до 30 дней. В случае
трудно сбраживаемых материалов и при температурах, ниже опти-
мальных, эти сроки могут увеличиваться до нескольких месяцев.
Реакторы для навоза, других органических отходов и растительных
остатков мало отличаются от систем описанных выше. Поскольку его
имость реакторов для отбросов и сточных вод при проектировании
их только для производства биотоплива крайне высокая, был пред
ложен ряд более дешевых вариантов, например:
♦ резинопластиковые надувные емкости;
♦ емкости, вырытые в земле и выстланные специальными мате
риалами.
Такие варианты должны рассматриваться как экспериментальные,
так как их срок службы значительно короче, чем срок службы боле<
прочных и надежных систем, описанных выше.
В табл. 7.4 показаны выход, продуктивность и степень превращения
сырья при анаэробном разложении биомассы. Цифры представляю!
собой гиничпые значения, взятые m ли и р.п уры кин вс г niciiii
ясно, что все три параметра не высоки но <р.инк пню < другими меш
дами обогащения биомассы.
Параметры процессов при анаэробном разложении Таблица I
Материал Продуктивность кг СН„/ (м3)хч Выход кг СН„/кг летучих твердых частиц Превращение, %
Свиной навоз 0,01—0,025 0,25—0,5 40—90
Растительные остатки 0,001—0,01 0,03—0,2 10—50
Наиболее легко превращаемым материалом является навоз нежная
ных животных, а также легкогидролизуемый крахмал, белки и moi in
сахариды. Растительные остатки, отходы целлюлозы и навоз жвачны
трудно разлагаются и требуют длительного нахождения в реакторе.
Загрузка реактора зависит от типа материала. Обычно поступаю
щий материал содержит 3% твердых частиц при максимальном их
содержании 5%.
D Примечание.
Были сконструированы реакторы для более концентрированно.^
материала, однако здесь возникает проблема с перекачкой.
Разлагаемая часть отходов (летучие твердые частицы) можо
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 псевдоожиженным слоем и с восходящим взвешен
ным слоем осадков.
Последний тип получил распространение, так как флоккулиро
ванная биомасса остается в реакторе, сток является сравнительно
чистым, а закачка сырья, служащего пищей микроорганизмам, про
водится 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 органиче-
ского вещества. Такая технология больше подходит для очистки сточ
ных вод, чем для производства биотоплива.
Хранение oiioi.ii.i of’u.i'iiio 1*1111 к геи крайне доршо' <оя|цим
1 гоимость га ломе i |»«>н мто i в 1 рл ы превышать к ши i .ini.ni.n
л । рл 1.1, на строи гены пин .iMoi о релк гора.
D Примечание.
Поэтому газ должен быть или немедленно использован, илиудансн
Газ используется, прежде всего, для нагревания реактора до рабо
и и температуры. При наличии излишков, биогаз может быть исиоль
|ован в силовых установках или в качестве топлива для двигателей.
Для нагрева автоклавов могут также быть использованы вода,
охлаждающая генераторы, или выделившееся теплота. Состав биога ы
делает его малопригодным для подобного использования, так как он
кысокоагрессивен и приводит к разрушению большинства обычных
насосов и трубопроводов. Сероводород способствует коррозии двт л
1сля и должен быть удален; диоксид углерода и влага, содержащая^. я и
। азе, снижает ценность топлива для двигателей внутреннего сгорания,
которые не будут работать на смесях, содержащих более 45% СО,.
Состав газа, выделяющегося при анаэробном разложении
Метан — 20—80%. Двуокись углерода — 15—16%. Вода — 2 5%
Л ют — 0,5—1%. Сероводород — до 1%.
Однако теплотворная способность биогаза обычно достаточна для
использования его в модифицированных бойлерах, дизельных и кар
оюраторных двигателей, устанавливаемых, в частности на крупных
очистных сооружениях. Для транспортных средств необходимы ком
i (рессоры 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 био
। азе, крайне токсичен. В промышленных условиях применяются соо г
нетствующие меры безопасности, однако недостаточно осторожное*
обращение с этим газом может оказаться роковым.
Удаление сброженном» «»< лдна
Заключительной проблемой, связанной как < н< ноль юванисм ни
гии, так и с охраной окружающей среды, являс гсЛ удаление осадка и •
автоклава, объем которого может достигать 50—60% исходного коли
чества твердых частиц. Что касается коммунальных отходов, го ши
объем составляет 10—15%.
Н Примечание.
Там где возможно, эти осадки вносят в почву как удобрения,
использовать их на тяжелых глинах и заболоченных почвах не река
мендуется.
Возможно, возникнет необходимость транспортировки сброжен
ных осадков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения траш
портных расходов используется отстаивание, коагуляция и другие
методы обезвоживания.
Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сбро
женном осадке затрудняет его использование в качестве удобрение
Имеется предложения по переработке осадка в корм для животных,
технически это осуществимо.
Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка и
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 биореак-
тор, загруженный сырьем при фактически нулевой стоимости. Метан,
медленно образующийся в биомассе, должен быть собран и использо-
ван аналогично тому, как это имеет место в обычных реакторах.
Экономика этого процесса будет рассмотрена позднее; по имею-
щимся данным, она значительно более благоприятна, чем при исполь-
зовании реакторов интенсивного типа.
7.6. Технолог им получения
биодизельного топлива «ТЕКМАШ»
Особенности технологии
Уникальность технологии «ТЕКМАШ» основывается на гидроди-
намической обработке компонентов реакции в виде растительного
масла и метилового спирта, что приводит к интенсификации проте-
ыния реакции трансэтерификации — основной реакции получения
(июдизельного топлива (http://new.tekmash.ua).
Увеличение полноты протекания реакции происходит:
♦ во-первых, за счет гидромеханического воздействия на молеку-
лярном уровне на компоненты реакции;
♦ во-вторых, за счет эффективного перемешивания среды, чго
обеспечивает транспортировку метилового спирта и гидрооки-
си калия или натрия в требуемой пропорции в любую область
прохождения реакции.
В 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 повы-
шаются до тысяч градусов и атмосфер. При таких условиях реакция
трансэтерификации происходит практически мгновенно и при мини-
мальном энергопотреблении.
Для эффективного перемешивания компонентов реакции исполь-
зуется специальная технология «ТЕКМАШ» и оборудование в виде
струйно-вихревых гидродинамических нагревателей типа ТЕК-БД.
В выпускаемых компанией «ТЕКМАШ» замкнутых гидродинами-
ческих аппаратах полностью отсутствуют застойные зоны, что обеспе-
чивает 100%-ую полноту прохождения реакции трансэтерификации.
298
Альтернативные источники энергии
Соответствие стандарту
Использование подхода «ТЕКМАШ» позволило при получении
биодизеля осуществить основную реакцию этерификации с макси
мальной полнотой. Это дало возможность вписаться в американский
стандарт качества биодизельного топлива ASTM, получив при этом:
♦ минимальное количество отходов, требующих утилизации (нс
более 2 % от массы растительного масла);
♦ минимальное энергопотребление (не более 10—20 кВт-ч) на I
тонну произведенного биодизельного топлива.
Для сравнения, при производстве биодизельного топлива по клас
сической технологии с применением нагрева с помощью электрокотла
энергопотребление для получения 1 тонны биодизеля лежит в преде
лах 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 биодизельною
топлива (из расчета производительности одна тонна в час).
Сравнительная таблица технологий Таблица 7.
Параметры Классическая технология Технология «ТЕКМАШ»
Удельные энергозатраты на 1 т масла, кВт-ч 50—60 10—15
Полнота прохождения реакции, % 92—96 97—99
Количество метилового спирта, % от масла 14—20 14—18
Необходимая площадь, не более, м2 150—200 25-40
Работа линии по производству биодизельного топлива
Линия по производству биодизельного топлива (рис. 7.8) рабо
тает следующим образом.
Растительное масло из емкости перекачивается насосом Н1 и
реактор-трансэтерификатор, куда добавляется порция спирта и
гидроокиси калия (КОН) или натрия (NaOH) из дозатора. После
заполнения реактора включается насос установки ТЕК-БД и компо
ненты реакции многократно циркулируют через зону гидромсхапн
ческого воздействия по схеме:
«емкость -> ТЕК-БД -> насос -> турбулентная на. адка > емкост ь».
При этом температура в реакторе ГЕК БД подними» г я на К) 1(
Но окончании циркуляции продукты реакции п< р« качинаюгся н.по
(пава 7. Используем энергию биомассы
299
“earrop для смешивания химических компанентов Емкость хранения Емкость хранения
Реактор-переэтерификатор \ КОН. NaOH - 50 л. спирта - 1 м3
Рис. 7.8. Линия по производству биодизельного топлива
lilt)
Альтернативные источники энергии
сом 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 емко
стен готовый продукт поступает на хранение или использование.
Перед началом работы линии предварительно готовится 4—5 пор
ций смеси КОН (или NaOH) и спирта в реакторе, куда подается спир!
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 насто
ящее время, является метиловый спирт (http://ugle-kislota.narod.ru).
Метиловый спирт (метанол) представляет собой бесцветную вой
пламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым запахом, темпера
тура 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 явли
ется наиболее эффективной добавкой в отношении снижения выбро
сов СО, СН и NOx. Может метанол использоваться и как самостон
тельное автомобильное горючее, в этом случае метанол имеет опредс
ленные достоинства.
Метанол представляет собой «чисто» сгорающее топливо, обла
дает лучшими топливными характеристиками, чем бензин, вследствие
чего, при его применении повышается КПД двигателей внутреннего
сгорания. Современные бензиновые двигатели могут хорошо рабо
тать на метаноле. При этом технические характеристики двигатели
улучшаются:
♦ высокая детонационная стойкость;
♦ абсолютное отсутствие сернистой коррозии двигателя и выбро
сов серы и сажи в выхлопе;
♦ минимальное нагарообразование в дшп агглс;
♦ на 50% меньшая токсичность продуктов 1iорания
In.ma 7. Используем энергию биома! сы
101
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
in пользуется как топливо на гоночных автомобилях и авиамоделях,
• портивных мотоциклах, где требуются компактные и вместе с гем
мощные двигатели. Многие исследовательские институты считают его
юн пивом будущего.
Недостатки
Вместе с тем метанол имеет и недостатки. Безводный метанол
хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, но при поил
длпии в топливный бак влаги, топливо расслаивается. В баке получа
шея две несмешиваемые жидкости. Для ликвидации этой причины
желательно дополнять бак фильтром-осушителем или устанавливать
о । дельный бак с топливопроводом.
Другим недостатком метанола является более низкая, чем у бен
1ина, испаряемость, что вызывает затруднения при пуске двигателя пл
холоде. Для улучшения пуска на холоде, приходится выполнять подо
। рев пускового объема холодного топлива (чаще всего электрический)
и in производить запуск двигателя на бензине.
Для горения метанола требуется в два раза меньше воздуха, чем для
истина, поэтому при работе на чистом метаноле необходима псрерс
। улировка карбюратора бензинового двигателя.
(Отрицательным свойством метанола является его ядовитость. Хоти
многие химики, авиамоделисты и гонщики, десятилетиями вплотную о< д л
шлющиеся с ним (естественно с соблюдением правил техники безопас ц< »
11 и и санитарии) без каких-либо последствий для собственного здоровья
Примечание.
Не относят его к особо ядовитым веществам и подозревают, чпп
его опасность специально раздута из-за склонности »< < ии< ко. । >
народа употребить внутрь все, что горит (ином пламенем и пах
нет спиртом
1 IpCIIOl ХОДИ I М< II111» 1 НО ОЦ.Ц IIOl I И М11О1 ис применяемые и ли го
Мобиле 1н щс( им I 1о ||>1<111чпш in м i
' "‘Hlimf.ie и< 1ОЧЦЦКИ 1. Hdiulll.iy- м рГИЮ ином I ы
и оксиды азо 11
в системе охлаждения жидкости (смертельная до ы этиленглико,
около 100 мл) и аккумуляторному электролиту. I
Опаснее метанола, выбрасываемые в большом количестве беш
новым выхлопом: А
♦ тетраэтилсвинец (предельно допустимая концентрация (ПД1
которого в воздухе составляет 0,005 мг/м3, в то время как 11 h
метанола — 5 мг/м3);
♦ оксид углерода (СО, угарный газ, кровяной яд)
Санитарными правилами при работе с метанолом запрещается
♦ изготовление политур на метаноле; 1
♦ выпуск продуктов (мастик, нитролаков, клеев и др.), примешь
мых в быту и выпускаемых в торговую сеть, в состав которы
входит метанол; I
♦ применение метанола для разжигания нагревательных прибор» н
♦ применение метанола в качестве растворителя.
^Внимание.
Применение метанола для использования его в качестве горюча
для двигателей внутреннего сгорания санитарными правилами /и
запрещается. Однако в обращении с метанолом требуется осте
рожность.
Без своевременно оказанной медицинской помощи смертельна и
доза 100% метанола при приеме внутрь составляет 100—150 мл. При
употреблении меньших доз метанола возможна слепота из-за пораж.
ния зрительного нерва. И
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. 1
При случайном употреблении метанола внутрь, до получения меди
цинской помощи, необходимо вызвать рвоту, принять 100 мл теплого
30% спирта и затем принимать его каждые 2 часа по 50 мл 4—5 ра »
В последующие 2—3 суток по 100 мл в день. \
Вообще, все спиртные напитки содержат примеси метанола, по и
организме этиловый спирт «связывает» продукты разложения метл
нола (формальдегид!) и токсическое действие метанола снижается. |
Для сравнения, смертельная доза 96 градусно! о ли много снир i л
(питьевого неразбавленного, для умеренно пьющею ч< поиска) сос гав
«и г 200—300 мл за один прием, а токсическая доза бензина при при-
ле внутрь равна 20—50 г.
При повышенной концентрации паров метанола в воздухе, дей-
пше его паров выражается в покраснении глаз, звоне в ушах, голов-
ши боли. С целью обнаружения повышенной концентрации паров
метанола в воздухе, в салоне автомобиля можно установить датчик
наружения паров алкоголя. Эти датчики предлагаются сейчас в
большом ассортименте.
В значительно меньшей степени указанные недостатки присут-
гвуют в бензино-метанольных смесях.
Производство метанола
Производиться метанол может из углекислоты или любого орга-
нического 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 повы-
шает выход метанола.
Возможно изготовление комбинированной метанольно-углекис-
лотной установки. В этом случае эти производства дополняют друг
друга: на метанольную установку подается углекислота от производ-
с тва СО2, а сбрасываемый с метанольной установки отходящий горю-
чий газ подается для сжигания в углекислотный процесс.
Основными действующими веществами в превращении природ-
ного газа в метанол являются катализаторы.
Упрощенно, технология получения метанола заключается в про-
пускании природного газа через фильтр для очистки газа от катали-
шторных ядов, затем превращение очищенного природного газа на
катализаторе в другой вид газа, а затем на выходе из следующего ката-
лизатора получение готовой продукции.
Также как и при получении самогона необходимы:
♦ вода, для охлаждения змеевика;
♦ электросеть, для работы небольшого компрессора.
Внимание.
Какие-ли' >оут< чки газа, запахи и испарения при производстве мета-
нола абсолютно ikключаются и поскольку процесс связан с получе-
нием .(>рк»н и тою очной жидк< >сти, работу необходимо проводить
304
Альтернативные источники энергии
в нежилом проветриваемом помещении, с соблюдением всех правил
пожарной и санитарной безопасности.
Производительность аппарата (литр/час) зависит от массы пода
ваемого на переработку сырья и объема участвующих в процессе ката
лизаторов. Выход метанола составляет 0,6—0,7 л из 1 м3 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 полу-
чении 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 двигателем
внутреннего сгорания. С целью наибольшей оптимизации процесса
сгорания топлива возможна установка дополнительных устройств в
топливной системе ДВС устройства смесеобразования и гомогениза
ции топливной смеси, газогенерация метанола и т. п.
В тех случаях, когда токсичность метанола вызывает насторожен
ность в обращении с ним, возможно использование в качестве авто
мобильного горючего этанола (этилового спирта), получаемого также
из природного газа. Этанол сохраняет преимущества метанола для
двигателя, но стоимость получения этанола и оборудования для ею
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 бензин.)
вносить какие-либо изменения в топливную систему автомобиля ис-
требуется. Качество работы двигателя не ухудшается, а износ двига
теля не увеличивается. Но процесс получения бензина и сама ycia
новка для получения бензина сложнее и дороже, чем при получении
метанола. Выход бензина составляет 0,3 л из 1 м3 природного газа.
Выбор используемого вида горючего находится исключительно ы
владельцем автомобиля.
Глава 7. Используем энергию би< м к сы
305
Бензин из пластиковых бутылок
Компания Envion из Вашингтона нашла способ превращать плас in
ковые бутылки в нефть. Разработанный компанией генератор Envion
Oil Generator1М способен производить 7000 т нефти из 10 000 г пил
стика в год, сообщает www.1000ideas.ru. Стоимость одной тонны при
гаком 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 угле
водородов из пластика без применения катализатора путем охлажде
ния сырья термическим крекингом в вакууме.
Этот инновационный метод переработки пластика в нефть снос о
бен 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 выбрасыванием,
«асоряя природу.
Поэтому, потенциал коммерциализации этой идеи произвол- на
нефти их пластиковых отходов велик, равно как и прибыл»., кою
рую компания собирается получать буквально из мусора. 1см оолг
что технология производства позволяет не сортировать плас i икот в
бутылки и не мыть их перед загрузкой в генератор. Технология ирон ।
водства нефти показана на рис. 7.9.
80%
пластиковых
отходи*
Пригодно ДИМ
-НрйОШКИ 11
Г 0IW»pi|l i)| If
1И.-1-1И I nvll-ll
Процесс использует
пилкотомпоратурноо
юрмичмскоо инфракрасное
|)»гщр<>бпяни1’ п шикуумо
I || >ы используюп я ДЛЯ
I •lW»| <И| К )«»1Ц1ИН
• «I оргии
Одна топил пластик •
приносит от 3 до 6
бпррплой нрфти, что
С< < taiin.to>T 00000
(1«рр*лмЭ н I од
' v /. th г-н» t мп/игн/
306
Альтернативные источники энергии
В современной экономике стало появляться все больше компаний,
которые начали применять инновационные технологии переработки
вторсырья для производства новых продуктов. Эта тенденция сви
детельствует о том, что мы наблюдаем глобальные изменения в эко-
номике, 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 подвер
женных природному разложению. Поэтому переработка и вторичное
использование вышедших из эксплуатации шин имеют важное эконо
мическое 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 тех
нического углерода, участок складирования металлолома (ме
таллокорд).
Исходное сырье собирается и свозится автотранспортом на склад
сырья. Далее авторезина осматривается на предмет наличия в пси
металлических дисков, колец и направляется на разделку. После ра»
делки измельченное сырье подается в приемный бункер реактора.
Сырье в реакторе подвергается разложению при температуре при
мерно 450 °C, в процессе которого получаются полупродукты: гл».
жидкотопливная фракция, углеродсодержащип о. г.ггок и метал
локорд. Газ частично возвращается в гонку р< аморл для поддерга
пня процеп а (\ i ibih.bioi час гь га «а выор к ыи л. н и через груб) (пи
Глава 7. Используем энергию биом.и < ы
30-
внешнему виду и количес гну га »а па выходе сравнима с выхлопами
грузовика).
Углеродсодержащий остаток после гашения и охлаждения подвср
гается магнитной сепарации (или просеивается через сито) с целые'
отделения проволоки металлокорда.
Через загрузочный бункер (рис. 7.10) в основную колонну загру
жаются нарезанные автошины. Затем поджигаются в нижней части
колонны. При этом загрузочный бункер и отсек выгрузки закрыты.
Вся резина прогревается, но не горит (за исключением нижней
части, которая тлеет). С помощью дымососа углеводородные фрак
ции, выделяемые при нагреве резины, высасываются дымососом и j
основной колонны через циклон с сепаратором, колонну 1 и колонну '
В колоннах 1 и 2 углеводородные фракции охлаждаются и конденсиру
ются, превращаясь в жидкое пиролизное топливо. Те фракции, кого
рые не конденсировались, в качестве газа направляются частично в
основную колонну, а частично на выброс. Вода для охлаждения явям
ется оборотной и используется повторно.
Гт ' 1(1 ( |Г/И|> И niihhirlhlf
308
Альтернативные источники энергии
Домашняя биогазовая установка
Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да
и любых других органических остатков, известен давно — это ком-
постирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием
микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются.
При этом куча разогревается примерно до 60 °C и происходит есте-
ственная пастеризация — погибает большинство патогенных микро-
бов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть (пишут
к. т. н. А. А. Улит, А. В. Карклиныш на http://www.patlah.ru)
Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 %
содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энер
гия, 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 веще-
ства — сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная фермента-
ция. 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 соеди-
нения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные
вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соедине
ния служат субстратом для других микробов, которые превращаю!
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» про
исхождение.
Метанообразующие бактерии — во многом весьма замечательные
создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно
своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и кофер
менты, 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 отхо
дов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компо
стировании анаэробы работают медленнее, нс» мго горл що жономнег,
без лишних шергегических потерь. Юнк чнын продукт их деятель
ПОСТИ ()НО! .1 ! в котором 60 70 'Hi МС I ЛII I Ibllt ч го иное, как
Глава 7. Используем энергию биом ы
309
концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько
же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза
больше, чем килограмм дрон.
Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже
компостирования. А самое важное — что таким способом прекрасно
перерабатывается жидкий навоз со свинофермы: пройдя через биореак
тор, 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 гра
гить валюту на то, что вполне можно делать своими силами?
Оба реактора, объемом по 75 кубометров каждый, перерабатываю i
все отходы с фермы на 2500 свиней, давая совхозу остро необходи
мое всякому хозяйству высококачественное удобрение и по 300 ы)()
кубометров газа в сутки.
Не газом окупает, а экологическим благополучием: иначе пришлое ।
бы строить и навозохранилища, и очистные сооружения, iр.п ни
большие деньги и очень много энергии. Кроме того, совхоз получ.к i
хорошее удобрение: в нем нет, как в свежем навозе, семян сорпякон.
способных прорасти, а значит, меньше надо расходовать гербици (он
()пять-таки, экологическая выгода.
Биогаз же — как бесплатное приложение: приятно, но н< оба ы
ICHbHO.
Именно поэтому не так просто подсчитать экономическую м|н|н i
। ивность подобных разработок. Обычно считают как pa i по био! i »у
жираты такие-то, газа получено столько-то, соответствующее котик
11 во солярки стоит столько-то. Получается в общем тоже выгодно, но
<роки окупаемости не рекордные,.,
Гут есть еще одна тонкость. Бактерии метанового брожени < в
отличие от аэробов при компостировании сами тепла не выделяю!,
п работают они только в тепле. Для одних, термофильных, нужно
поддерживать температуру около 55 °C, для других, мезо фильных —
около J7 °('. Вопрос о гом, какой вариан i лучше, еще и решен, и ди к<
в Ин гитутс микробиологии существую! ранние мнения Академик
Ml Бекер 1 чи । >!«'। ч и» , грмо(|и1Л1.1и.1Н itponri * »<|><|»« к i нвн< ।, ।/нНк»
310
Альтернативные источники энергии
ратория биотехнических систем, которой руководит кандидат техни
ческих наук А. А. Улит, 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 насчиты
вают 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 эффектив
ности, 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 энер
гетическому эффекту прибавить еще эффект экологический, перевед я
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 расши
рять 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 гово
рилось в начале раздела, строить не придется.
Как построить биореактор
Биогазовая установка может быть создана в любом хозяйстве из мес г
ных, доступных материалов силами специалистов самого хозяйства.
Ферментация навоза идет в анаэробных (бескислородных) уело
виях при температуре 30—55 °C (оптимально 40 °C). Длительное! i
ферментации, обеспечивающая обеззараживание навоза, не менее I '
суток. Для анаэробной ферментации можно использовать как обыч
ный, так и жидкий, бесподстилочный навоз, который легко подаете я
в биореактор насосом.
При ферментации в навозе полностью сохраняются азот и фосфор
Масса навоза практически не изменяется, если не считать испарят
мой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза
разлагается на 30—40 %; деструкции подвергаютс < в основном легко
разлагаемые соединения — жир, протеин, yi/i поды, а <к нови je гуму
сообразующие компоненты целлюлоз.» и /нпннн сохраняются
полное. I ью
Глава 7. Используем энергию биомассы
ill
Благодаря выделению меына и углекислого газа оптимизирует» и
соотношение C/N. Доля аммиачного азота увеличивается. Реакция
получаемого органического удобрения — щелочная (pH 7,2—7,8), ч к
делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По срав
нению с удобрением, получаемым из навоза обычным способом, ур«»
жайность увеличивается на 10—15 %.
Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/м3 (0,93 плотности воздуха;
имеет следующий состав (%): метан — 65, углекислый газ — 34, сону i
ствующие газы — до 1 (в том числе сероводород — до 0,1). Содержав и»
метана может меняться в зависимости от состава субстрата и техно
логии в пределах 55—75 %. Содержание воды в биогазе при 40 "С —
50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходим»
принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка т ру(>»
нужным уклоном и пр.).
Энергоемкость получаемого газа — 23 мДж/м3, или 5500 ккал/м'
Оборудование представлено на рис. 7.11.
Основное оборудование биогазовой установки — гермегич см
мкрытая емкость с теплообменником (теплоноситель — вода, н.п р< • а»
до 50—60 °C), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода i i >.»
В Примечание.
Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, in по а
зования подстилочного материала, теплоснабжения, создать • ><)»/»
типовой биореактор невозможно. Конструкция установки в< • мт
гом определяется местными условиями, наличием материть •«
/'id f II 1 1>.'Шnpiiiiiiindi шва hl
Для небольшой установки наиболее пр<>< ни решение — шпиль
зовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактор
на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м1 показана и ।
рис. 7,11. Внутренние перегородки могут быть из металла или кир
пича; их основная функция — направлять поток навоза и удлини и.
путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов
На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение завп
сят от свойств навоза — от текучести, количества подстилки.
Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более тру
доемок 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 бесподстн
лочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, ч го
нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев.
D Примечание.
Если суточное количество стоков известно, нужный объем реак
тора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку
12 суток— минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полу
ченную величину на 10% (так как реактор следует заполнять суб
стратом на 90 %).
Ориентировочная суточная производительность биореактора при
загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4—8 % — два объема
газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м3 будет давать в
сутки 100 м3 биогаза.
Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голов
крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м3 био-
газа, от 10 свиней — 1—3 м3, от 10 овец — 1 — 1,2 м3, от 10 кроликов —
0,4—0,6 м3.
Тонна соломы дает 300 м3 биогаза, тонна коммунально-бытовых
отходов — 130 м3).
D Примечание.
Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и
горячее водоснабжение, составляет в среднем 10 м3 в сутки, но
может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизо-
ляции дома.
7.8. Одновременное получение холода,
тепла и электроэнергии из биогаза
Достоинства и недостатки технологии
О
Определение.
Когенерация — это высокоэффективное использование первичног< >
источника энергии (биогаза, газа или дизельного топлива) для полу
чения двух форм полезной энергии — тепловой и электрической.
В 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 потр<*|)
ность в покупной энергии, что способствует уменьшению произвол
ственных расходов. Главное преимущество состоит в том, что прсюй
разование энергии здесь происходит с большей эффективностью.
Рассмотрим КПД. Любое производство электроэнергии, исподь
.ующее 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 произвол
ством электроэнергии полезно утилизирует теплоту двигателя, произ-
водя горячую воду или пар. Это резко повышает общий КПД установки,
В некоторых случаях он достигает 90%. Отношение электрической
дизтопливо
или газ
100%
БТЭС
п= 37%
П= 63%
35,7%} электроэнергия
53,8% ) полезное тепло
,3%
Потери 10,5%
Рис. 7.12. Распределение потоков энергии при работе когенерационной установки
I 111 1И1НП.К Hf Н)’П1ИМ1 iHr|ll
------------------------------------------
мощности к тепловой составляет l:l,2. Tpmгигрлцня Ik пользовать
технологии тригенерации позволяет сохрани и. т.н окпй К! 1Д кругло
годично. Например, летом отопление не гребуется, но необходимо кон
диционирование жилых помещений, офисов, больниц. В промышлсн
ности широко используется холодная вода и холод.
Недостатком когенераторов является только ограниченная мощ
ность до 3 МВт для одной машины. Средний промышленный noi р(
битель в России имеет установленную мощность в 1—2 МВт. При
необходимости могут быть установлены несколько параллельно рабо
тающих когенераторов.
Особенности установки и использования
Когенераторы легко перевозить и устанавливать. Они позволяю!
решить острый вопрос неравномерного суточного потребления элск
троэнергии, неразрешимый для крупных генерирующих установок
Действительно, для когенератора, линейная зависимость потребле-
ния топлива имеет место, начиная с 15—20% номинальной мощности
Секционируя (пакетируя) общую мощность на 4—8 блоков, работаю
щих параллельно, появляется возможность работы с 1,5—4% до 100"..
номинальной нагрузки при расчетном удельном потреблении топлив.»
При отсутствии нагрузки невостребованные когенераторы оста
навливаются, 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, гл ।
мусорных свалок, коксовый газ, попутный газ, пиролизный газ, дрс
весный газ, газ химической промышленности.
В Примечание.
Наибольшей эффективностью, надежностью и унц < реальностью
отличаются установки на основе га юс ых(.‘аю1юршн< двигать ьче
lillll / И< Hi 1111. iy<’M II U*| И И1<1 t’iH« 1МШ < I
II
ho вызвано, прежде m < hi, i oupcMi иными требованиями к жоло
|<гвч кой чистоте окружающей < реды, а также к снижению ж<плуа
। щионных расходов па органическое топливо и доступностью его
<ь пользования.
Газовые двигатели используются для работы в составе генератор
и и х установок, предназначенных для постоянной и периодической
рпооты (снятие пиковых нагрузок) с комбинированной выработком
। чек I роэнергии и тепла (когенерация).
Кроме того, установки могут использоваться для обеспечения
работы абсорбционных холодильных установок (тригенерация) в
। in iCMax кондиционирования.
< екционирование когенераторных установок из нескольких бло
гон, позволяет достичь эффективности такой же, как и у большой
у< гановки, при этом получая ряд значительных преимуществ.
)то точное управление мощностью. Максимальный КПД дости1 а
гея при загрузке на 100%. Это значит, что при секционировании, в
минимальные часы энергопотребления, есть возможность нагру >и i .
часть блоков, а часть — оставить в нерабочем состоянии. Это нрши»
ди г к увеличению ресурса всей системы в целом.
В последнее время стремительно растет количество оборудова
ния, которое использует для своей работы биогаз, свалочный га i, i a i
водоочистных станций или другое альтернативное топливо как,
например, метан. Принцип использования биогаза в когенерациоп
пых установках представлен на рис. 7.13.
Биогазовая станция строится, прежде всего, возле очистных соо
ружений сточных вод, на свалках коммунальных отходов или в сель
i кохозяйственных предприятиях, занимающихся животноводством
Поскольку биогаз обычно возникает как побочный продукт во
время обработки органических отходов, эксплуатация когенерациоп
пых установок, работающих на этом виде топлива, является с жоп<
мп ческой точки зрения очень выгодной.
И Примечание.
Новое энергетическое законодательство в таком случае г ц ан
тирует потребителям когенерационной технологии, которьн
используют возобновляемые источники энергии. долговрем< нньк
стабильные закупочные цены электричества на экономичен ки nf и
влекапк льном уровне.
• »Ч II I-114 Mill! 11.11 И> (ОЧНИКИ . |<’|)1РИ
для поставок в сеть
для поставок в сеть
Нал ютатель
для поставок в соть
Рис. 7.13. Принцип использования ио.- i г
а на очистных сооружений сточных вод; б -ни»в<мм ппг нК’Д
nfti и'.польювании отходовжи<ч>11 юлпДч*) *< • Ф
|||,п> И' "ЛЬ »У« М ЧН*|Н ИК.< ЬИчМ.н < Ы
л/
Основные к*хнич<м кие параметры
Основные технические пар* мегры когенерационных ус i анонс ж (n.i
Лл с когенерационных установок 1’EDOM) представлены в гобл. 7.6
' >( нс' ные технические параметры когенерационных установок 1сх тц,
Наименование установки Электрическая мощность, кВт Тепловая мощность, кВт Расход газа* мЗ/чпс
Топливо —ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
framl F25 А (Р) 25 47 8,4
И eml F25 S (Р) 24 47 8,4
< rntoT88 81 123 25,2
। . ntoTlOO S (Р) 100 143 30,3
< intoT120S(P) 118 169 35,0
. ntoTISOS (Р) 150 211 43,7
> ntoT160S (P) 160 220 46,1
с 1 HtoT300S(P) 302 422 91,0
Quanto C400 S (P) 412 561 117
Quanto C5OOS(P) 514 645 143
Quanto C770 S (P) 785 1010 219
Quanto Cl 000 S (P) 1050 1387 292
Quanto Cl 200 S (P) 1172 1519 318
Quanto Cl 500 S(P) 1465 1845 402
Quanto C2000 S (P) 2010 2166 504
Топливо — БИОГАЗ
Preml F25 AP BIO 23 41,5 11,6
ntoT88SPBIO 76 113 35,6
Cento T100 SP BIO 95 130 42,5
(entoT150SP BIO 142 193 62,6
Cento T160 SP BIO 150 203 65,3
Quanto C770SPBIO 785 1344 374
Quanto Cl 100 SP BIO 1100 1441 459
‘.,анные параметры действительны для природного газа с низшей теплотворной способностью 34 МДжМ
Расход приведен для биогаза, содержащего 65% метана при нормальных условиях (00С, 101,325 кПа). В случат
уугихусловий данные могут отличаться.
Сокращения в таблице: А — асинхронный генератор; S — синхронный генератор; Р — параллельная
р <бота с электросетью
Успешного Вам использования
АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ!
СПИСОК РЕСУРСОВ СЕ IИ ИНН PHET
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: //re ne wables. r u/
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-ldslota.narod.ru/http://vislcn.ru/
http://wiiidslation.ac.net.ua/
ht(p://www. IOOOideas.ru/
hllp://www '0(> i и/
http://www.at live liousc.ru/
http://www.ar!<>ti4lurc.com/
http://www.apxu.ru/
http://www.atmosfcra.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://ww w. 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.ru/
http://www.promti.ru/
http://www.renewable.com.ua/
http://www.rosinmn.ru/
http://www.rza.org.ua/
http://www.scitoys.com/
h ttp.7/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. vampirch ik- sun .nm. r u/
http://www.vashdom.ru/
http://www.velacreations.com/
http://www.watcrvigprous.com/
http://www.wiu<l< l< < li icost.ru/
Уважаемые господа!
Книги издательства «Наука и Техника»
Вы можете заказать наложенным платежом
в нашем интернет-магазине
www.nit.com.ru,
а также приобрести
> в крупнейших магазинах г. Москвы:
1 1 «БИБЛИО-ГЛОБУС» ул. Мясницкая, д. 6/3, стр. 1, ст. М «Лубянка» тел. (495) 781 19 00, 624-46-80
Московский Дом Книги, ул.Новый Арбат, 8, ст. М «Арбатская> «ДК на Новом Арбате» тел. (495) 789-35 91
Московский Дом Книги, Ленинский пр., д.4О, ст. М «Ленинский пр.», «Дом технической книги» тел. (499) 137 60 Т '
Московский Дом Книги, Комсомольский пр., д. 25, ст. М «Фрунзенская», «Дом медицинской книги» тел. (499) 245-39 .
Том книги «Молодая гвардия» ул. Б. Полянка, д. 28, стр. 1, ст. М «Полянка» тел. (499)238 '.о 01
г вть магазинов «Новый книжный» тел. (495) 937-85-81, (499) 177-22-11
> в крупнейших магазинах г. Санкт-Петербурга:
(. лнкт-Петербургский Дом Книги Невский пр. 28 тел. (812) 448-23-57
Энергия» «Аристотель» Сеть магазинов «Книжный Дом» г Воронеж, пл. Ленина д. 4 Московский пр. 57 тел. (812) 373-01-47 ул. А. Дундича 36, корп. 1 тел. (812) 778-00-95 тел. (812) 559-98-28 > в регионах России: «Амиталь» (4732) 24-24-90
1. Екатеринбург, ул. Антона Валека д. 12 «Дом книги» (343) 253-50-10
г. Екатеринбург । Нижний Новгород, ул. Советская д. 14 Сеть магазинов «100 000 книг на Декабристов» «Дом книги» (343) 353-09-40 (831)277-52-07
। Смоленск, ул. Октябрьской революции д. 13 «Кругозор» (4812) 65-86-65
f. Челябинск, ул. Монакова, д. 31 «Техническая книга» (904)972 50 04
। Хабаровск Сеть книжно-канцелярских магазинов фирмы «Мирс» (4212)26 87-30
/ина Украине (оптом и в розницу) через представительство издательства
г. Киев, ул. Курчатова 9/21, «Наука и Техника», ст. М «Лесная»
(044)516-38-66
e-mail: nits@voliacable.com, nitkievrigmiiil.com
Мы рады сотрудничай шу • Вами!
^НиТ Книжный магазин
v<cI>y "* издательства «Наука и Техника»
приглашает за покупками
1Г!Г~С ________________
* * - X Предлагаем широкий ассортимент
технической литературы ведущих
издательств (более 2000 наименований):
• Компьютерная литература
• Радиоэлектроника
• Телекоммуникации и связь
• Транспорт, строительство
- Научно-популярная медицина,
педагогика, психология
♦ • «X Чем привлекателен наш магазин:
• низкие цены;
ежедневное пополнение ассортимента;
• поиск книг под заказ;
- обслуживание за наличный
и безналичный расчет;
• гибкая система скидок;
• комплектование библиотек;
• обеспечение школ учебниками
по информатике;
• возможна доставка.
Наш адрес: г. Санкт-Петербург
пр. Обуховской Обороны д. 107
ст. метро Елизаровская
Справки о наличии книг по тел. 412-70-25
E-mail: admin@nit.com.ru
(рассылка ассортиментного прайс-листа по запросу)
Мы работаем с 10 до 19 часов без обода и выходных
(в субботу и воскресенье до 10 ч •<)

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ
ГОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ПАК 1ИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
1Ю ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЭНЕРГИИ
ВЕТРА,
СОЛНЦА,
ЗЕМЛИ,
ВОДЫ,
БИОМАССЫ