Теги: журнал домоводство электроэнергетика сам
Год: 2010
Текст
CAM №5’2010
Содержание
4 Альтернативная энергия на даче
Ветер
10 Энергия ветра
12 Определение скорости ветра
13 Небесная змея
14 Карта среднегодовой скорости
ветра в Украине
16 Типы ветроэнергетических
установок
20 Определяем мощность
ветрогенератора
22 Ветрогенератор из ведра
24 Расчет ветроколеса
Солнце
26 Солнечная энергия
29
Расчет фотоэлектрической
системы
32
Энергия Земли
Земля
ЖУРНАЛ «САМ» №5
ПОДПИСНОЙ ИНДЕКС
08314
Свидетельство о регистрации
КВ №8027 от 21 10.2003 г.
Учредитель:
Иван Присяжнюк
Издатель:
ООО «Новая детская литература»
Шеф-редактор:
Иван Присяжнюк
Редактор:
Вероника Алимова
Дизайн и верстка:
Сергей Владимиров
Корректор:
Лариса Колодина
Адрес редакции
и издателя:
03113, г. Киев,
ул. Дружковская, 10,
тел.. (044) 501-14-67
Адрес для писем:
03113, г Киев, а/я 1, журнал «Сам»
Отдел сбыта: тел . (044) 451-86-89
Подписано в печать 17.08.2010 г.
Печать: ООО «Фактор Друк»,
г, Харьков, ул. Саратовская, 51
Свидетельство о внесении
в Государственный реестр
серия ХК №120 от 21.10.2004 г.
Тираж 20 000
Цена договорная
Заказ № 7795
Альтернативная энергия
САМ №5’2010
Альтернативная
энергия
на даче
У вас есть загородный дом, но нет возможности протянуть к нему линию
электропередач? Подключение к централизованным сетям электроснабжения
непомерно дорого? Мы расскажем вам, каким образом можно организовать
собственное автономное энергоснабжение.
На первый взгляд, генера-
ция собственного электри-
чест ва от возобновляемых
источников энергии является
идеальным способом отказать-
ся от оплаты ежемесячных сче-
тов за электроэнергию. Для мно-
гих владельцев домов генерация
собственной энергии является
подходящим решением, которое
При создании собственной энергосистемы необходимо:
• Исследовать юридические и природные препятствия для установки
собственной электростанции.
• Изучить цены и технические характеристики от производителей или
поставщиков оборудования.
• Если ключевым фактором является экономическая целесообразность,
вам нужно провести экономический анализ с учетом всех факторов,
которые могут повлиять на стоимость генерируемой вами электро-
энергии.
• Понимать основы использования систем на основе возобновляемых
источников энергии.
• Рассмотреть возможности сочетания вашей системы с другими энер-
гоисточниками, а также рассмотреть все способы по повышению
энергоэффективности в вашем доме.
• Распланировать техническое обслуживание. Особенно это относится
к системе, содержащей дизель- или бензоэлектрический агрегат (как
основной или резервный источник электроснабжения). Нужно будет
также следить за состоянием аккумуляторной батареи (минимум об-
служивания требуют фотоэлектрические батареи).
удовлетворит существующие по-
требности. Однако такое решение
требует определенных материаль-
ных инвестиций, затрат времени,
как при покупке, так и при обслу-
живании системы. Таким образом,
переход на собственную систему
энергоснабжения — дело весьма
ответственное и требующее вдум-
чивого подхода.
Когда нужна
собственная энергия?
В последние годы стоимость
подключения к сетям централизо-
ванного электроснабжения значи-
тельно возросла. Добавьте сюда и
стоимость строительства и оборудо-
вания подстанции, и окажется, что
для отдельных домов и небольших
поселений подключение к сетям
централизованного электроснаб-
жения является непозволительной
роскошью.
К сожалению, ресурса ветра не
всегда достаточно для обеспечения
надежного электроснабжения, а
солнечная энергия может обеспе-
чить потребности среднего дома в
электроэнергии только с весны по
осень (в зимнее время, когда воз-
растает энергопотребление, ресур-
сов солнца также не всегда хватает).
Самым распространенным спосо-
бом решения проблемы электро-
снабжения в таких случаях явля-
ется использование генераторов
переменного тока с приводом от
бензинового или дизельного двига-
теля внутреннего сгорания (ДВС)
Однако такое решение требует вы-
соких эксплуатационных расходов.
САМ №5’2010
связанных с доставкой топлива и
частым ремонтом ДВС.
Для работы бытового холодиль-
ника с компрессором мощностью
100-200 Вт необходим круглосуточ-
ный режим питания и непрерыв-
ная работа ДВС в неэкономичном
режиме, близким к холостому ходу.
Многократного снижения расхода
топлива можно добиться путем
применения очень дорогих быстро
заряжаемых АБ и мощного заряд-
ного устройства. Использование
стандартного блока автоматическо-
го пуска ДВС почти удваивает стои-
мость системы.
В такой ситуации, учитывая веро-
ятностный характер возобновляе-
мых источников энергии, относи-
тельную дороговизну оборудования
возобновляемой энергетики, наи-
более оправданным решение явля-
ется создание гибридной энерго-
системы на базе жидкотопливного
(или газового) электрогенератора,
а также фотоэлектрических батарей
и/или ветроэлектрической уста-
новки. При этом фотоэлектриче-
ские батареи и ветроэлектрические
установки выбираются исходя не
из полной потребности в электро-
энергии, а для обеспечения базовой
нагрузки (например, освещение,
радио, холодильник), а остальная
энергия производится жидкотоп-
ливным электрогенератором.
В общем, если суммарная мощ-
ность ваших потребителей (элек-
трических нагрузок) не превыша-
ет нескольких кВт, потребляемая
энергия меньше нескольких кВт*ч
в сутки, а расстояние до точки
подключения к сетям централизо-
ванного электроснабжения более
нескольких сотен метров, то авто-
номная система электроснабжения
для вашего дома значительно более
выгодна, чем подключение к сетям.
Состав энергосистемы
1 Источник электрической энер-
гии. Их может быть несколько
(основной и резервный):
• жидкотопливныч генератор
(бензо- или дизель- электрический
агрегат);
• фотоэлектрическая батарея;
• ветроэлектрическая установка;
• микро- или малая гидроэлек-
тростанция;
• термоэлектрический генератор.
Иметь собственную электростанцию целесообразно,
когда:
• В вашем районе нет сети централизованного электроснабжения или
подключение связано с прокладкой новых линий электропередач и
установкой дополнительной подстанции.
• Вы хотите быть независимыми от ваших местных электросетей.
• Местность, где находится ваш дом, богата ресурсами возобновляемой
энергии.
• У вас есть стратегические решения, которые позволят вам не остаться
без энергии, когда нет прихода возобновляемой энергии.
• Вы не теряете надежду на то, что и в нашем государстве будут введены
в действие механизмы стимулирования генерации экологически чи-
стой энергии. Такие существуют сейчас в развитых странах Европы,
США, Китае, Индии, Японии и многих других.
Использование в энергосистеме
жидкотопливного генератора (ЖТГ)
позволяет:
• не зависеть от погодных условии;
• от ЖТГ можно осуществлять
форсированный заряд аккумуля-
торной батареи, разрядившейся до
опасного уровня. При этом ЖТГ бу-
дет работать с максимальной загруз-
кой, что обеспечивает минимальное
удельное потребление топлива;
• питать относительно большую
нагрузку - стиральную машину,
производственный инструмент
(станки и т. п.), утюг и т. д.;
• предусмотреть полезное ис-
пользование тепла, производимо-
го при работе ЖТГ путем установ-
ки теплообменника на выхлопную
трубу, или использовать тепло
охлаждающей жидкости ЖТГ (для
моделей с жидкостным охлажде-
нием). Таким образом, можно по-
лучить когенерационную установ-
ку, которая может повысить общую
КПД на 30-50 %.
2Аккумуляторная батарея (АБ) с
емкостью, достаточной для пи-
тания среднесуточной нагрузки. В
системах на возобновляемых источ-
никах энергии, в силу непостоян-
ства возобновляемого ресурса, это
необходимый элемент. Даже если
основной источник — жидкотоплив-
ный генератор, наличие аккумуля-
торной батареи позволит включать
его на непродолжительное время и
при этом иметь непрерывное энер-
госнабжение.
САМ №5’2010
к j
Технически достижимый энергетический потенциал
нетрадиционных и восстанавливаемых источников
энергии в пересчете на условное топливо (млн. т у. т.)
№ Солнечная энергетика Геотермальная энергетика Малая гидро- энергетика Тепловая анергия почвы и грунтовых вод
1. 0,39
2. 0
3. о 0,03
4. 0,32 0 0,03 1,36
5. 0 1,36
6. 0
7. । 7,40 1,05 0,21
8. 0 0,03
9. 0,17
10. 0 1,14
11. 0 кея
12. 0
13. 0,42
14. 0
15. 0,37 0 0.01
16. 1,43
17. 0 0,27
18. 0,96
19. 0
20. 1.69 1,07
21. 0 0,23
22. 0
23. 0
24. 0,09 0 0,29 0,19
25. 1.24
По данным Института возобновляемой энергетики НАН Украины (www.ive.opg.ua)
Альтернативная энергия
САМ №5’2010
Плюсы создания собственной автономной системы
электроснабжения
• Не нужно платить за подключение к сетям централизованного элект-
роснабжения и строительство ЛЭП;
• Вы не зависите от цен на электроэнергию;
• Вы сами являетесь хозяином своего оборудования и можете выраба-
тывать электроэнергию тогда, когда вам хочется.
3 Инвертор (преобразователь пос-
тоянного тока в переменный).
4Зарядное устройство и контрол-
лер заряда АБ.
5 Системы автоматического запус-
ка и остановки генератора в за-
висимости от напряжения на акку-
муляторной батарее.
6 Электротехническое оборудо-
вание — щиты, выключатели,
предохранители, кабели, система
заземления и т. д.
7 Нагрузка. В автономной системе
электроснабжения необходимо
использовать только энергоэффек-
тивные приборы. Например, ис-
пользование ламп накаливания не
рекомендуется, так как они потре-
бляют ток в четыре раза больший,
чем люминесцентные лампы. Не-
смотря на то, что обычно энерго-
эффективные приборы дороже, их
использование может обернуться
значительной экономией за счет
снижения мощности источника
энергии и емкости АБ.
Принцип работы
Блок-схема типичной автомати-
зированной системы электроснаб-
жения на базе жидкотопливного ге-
нератора и аккумуляторов показана
на рисунке.
Двигатель внутреннего сгора-
ния (дизельный, бензиновый или
работающий на сжиженном или
природном газе) приводит во вра-
щение электрогенератор перемен-
ного тока. Во время работы генера-
тора, нагрузка питается напрямую
от генератора через реле передачи,
установленное в блоке беспере-
бойного питания. Одновременно
происходит заряд аккумуляторных
батарей. При этом микропроцес-
сор блока бесперебойного питания
управляет зарядным током так,
чтобы не перегружать генератор
и обеспечить эффективный заряд
аккумуляторной батареи.
Двигатель запускается в автома-
тическом режиме от встроенного
стартера генератора, питаемого от
встроенной стартерной АБ. Одно-
временно блок управления дает ко-
манду на открытие клапана подачи
топлива, после чего система перехо-
дит в режим генерации. Для увели-
чения срока службы основной АБ,
блок управления постоянно кон-
тролирует величину напряжения на
CAM №5’2010
Автоматизированная система электроснабжения
на базе жидкотопливного генератора и аккумуляторов
- стрелки указывают направление передачи электроэнергии
- силовые электролинии выделены толстой линией
АБ и, в зависимости от напряжения,
дает команду или на пуск двигате-
ля и заряд АБ, или на выключение
двигателя и прекращение заряда АБ.
Верхнее и нижнее значения напря-
жения на аккумулятора выбираются
в зависимости от его типа и характе-
ра нагрузки.
При длительной максимальной
нагрузке во избежание быстрого
разряда аккумуляторной батареи
должна быть предусмотрена воз-
можность принудительного ручного
включения ДВС для подзаряда АБ,
независимо от величины напряже-
ния на АБ.
В такой автономной системе ак-
кумуляторы работают в тяжелых
циклических режимах. Поэтому
необходимо применять аккумулято-
ры, хорошо работающие в этих ре-
жимах - гелевые или типа OPz. При
применении аккумуляторов AGM
нужно выставлять высокое напря-
жение для включения генератора,
что может приводить к частым запу-
скам генератора.
По материалам
www.solarhome. ги
Альтернативная энергия
САМ №5’2010
Энергия
ветра
Принимая решение по целесообразности установки
ветряка, нужно учитывать среднемесячную
и среднегодовую скорость ветра, рельеф местности
и характер задач, которые необходимо решить.
САМ №5’2010
Энергия ветра
При тех скоростях ветра, кото-
рые есть в большинстве реги-
онов Украины, устанавливать
ветроустановку мощностью более 5
кВт нецелесообразно — ее срок оку-
паемости будет сравним со сроком
службы. Исключение составляют
случаи установки ВЭС в местах со
среднегодовой скоростью ветра бо-
лее 4,5 м/с. Однако малые ветроу-
становки мощностью от 0,1 до 2 кВт
вполне себя оправдывают даже в
режиме «дачного» применения. Не-
смотря на то, что они также имеют
низкий среднегодовой коэффици-
ент использования мощности, их
низкая цена оправдывает их исполь-
зование в качестве дополнительного
источника энергии. Особенно вы-
годно использование малых ВЭС в
автономных системах электроснаб-
жения вместе с солнечными батаре-
ями и дизель-генераторами. Приме-
нение ВЭС в этом случае позволит
значительно снизить потребление
топлива при недостаточном прихо-
де солнечной радиации — например,
в пасмурную погоду или зимой.
Для небольшого загородного дома
при наличии среднегодовой скорос-
ти ветра более 4 м/с достаточно ве-
троустановки (ВЭС) мощностью;
• Около 150-200 Вт для покрытия
базовых потребностей в электро-
энергии — освещение, телевизор,
связь, радио, другая маломощная
нагрузка. Если в доме есть неболь-
шой холодильник, то нужна ветро-
установка мощностью 0,5-1 кВт.
• От I до 5 кВт для электроснаб-
жения почти всех потребностей в
типовом загородном доме, вклю-
чая стиральную машину, холодиль-
ник, компьютеры и т. п. В периоды
сильного и продолжительного ветра
излишки вырабатываемой электро-
энергии могут использоваться для
отопления помещений.
Выбор мест размещения ВЭУ
должен производиться в районах с
благоприятными ветровыми усло-
виями, обеспечивающими эконо-
мическую целесообразность ис-
пользования энергии ветра.
В районах со среднегодовыми
скоростями ветра от 6 м/с и выше
использование ВЭУ становится
выгодным для ВЭУ любого назна-
чения в широком диапазоне мощ-
ностей. Проектирование ветроэнер-
гетических систем для районов со
среднегодовыми скоростями ветра
ниже 6 м/с требует дополнительного
обоснования с расчетом ожидаемой
выработки энергии и ее сопостав-
ления с данными потребностями и
оценки приемлемости полученных
результатов по экономическим по-
казателям для конкретных потреби-
телей.
Наиболее благоприятными ме-
стами считаются возвышенные и
равнинные участки, места, близкие
к морским побережьям, долинам
больших рек и водоемов.
Следует избегать мест с вогну-
той формой рельефа, а также мест
вблизи леса, жилых домов и про-
изводственных объектов, которые
могут помешать беспрепятствен-
ному подходу воздушных масс к
ветроустановке. При этом необхо-
димо обратить особое внимание на
исключение помех на пути ветра в
направлениях, несущих преоблада-
ющую часть энергии.
Проект ветроэлектрической стан-
ции должен предусматривать раз-
мещение ВЭУ на огражденной
территории, недоступной для по-
сторонних лиц. В противном случае,
должно быть предусмотрено воз-
ведение ограждения вокруг ветро-
агрегата. Должны быть установлены
предупреждающие плакаты техники
безопасности.
Ветроустановка должна быть
удалена от жилых помещений, ле-
чебных учреждений, школ и домов
отдыха на расстояние, которое обе-
спечивает снижение уровня шума,
создаваемого работающей ВЭУ, до
уровня 45 дБ.
Место для сооружения ветроу-
становок должно находиться вне
отведенной территории расположе-
ния железных дорог и автомобиль-
ных трасс, линий электропередач,
магистральных газопроводов, ка-
бельных и водопроводных трасс.
Ветроустановки не должны уста-
навливаться на пути основных трасс
перелетных птиц, а также разме-
шаться вблизи их массового гнездо-
вания.
Если ветроустановка оказывает
шумовое, визуальное или другое
воздействие, то выбранное место
для сооружения ветроустановок
должно быть согласовано с местной
администрацией района размеще-
ния ВЭУ.
По материалам www.solarhome.ru
Альтернативная энергия
САМ №5’2010
Определение
скорости ветра -
по внешним признакам
Очень легкий
Легкий
ветки слегка качаются, дым
плывет в воздухе, сохраняя
очертания клубов
Умеренный
ветки гнуться, ветер
«слизывает» дым с трубы
и перемешивает его
в однородную массу,
поднимается пыль
Свежий
верхушки деревьев шумят
и квчаются
Очень свежий
тонкие стволы деревьев
гнутся, завывание ветра
в трубах
Сильный
листья срываются,
на стоячей воде
образуются волны
с опрокидыванием гребней
Резкий
тонкие ветки ломаются,
звтруднено движение
против ветрв
Буря
толстые ветви ломаются,
срывает кровельные
покрытия
Сильная буря
тонкие деревья ломаются
движение воздуха
незаметно
движение воздуха едва
заметно, шелестят листья
Признаки
САМ №5’2010
Энергия ветра
Небесная змея
Когда мы думаем о добыче
энергии из ветра, мы пред-
ставляем себе открытое про-
странство, на котором установле-
ны большие ветряные турбины с
гигантскими медленно вращаю-
щимися лопастями. Но предпри-
ниматель и изобретатель из горо-
да Фуллертона, что на юго-западе
штата Калифорния, США, смог
создать принципиально новый тип
ветряка, гораздо меньший по раз-
мерам и легко масштабируемый.
Новый компактный ветрогенератор
можно размещать прямо на крыше
родного дома.
Компактнее и мобильнее
Вместо одного гигантского ротора
с 15-метровыми лопастями, в про-
екте Дата Селза-
ма «Sky Serpent»
(«Небесная змея»)
используется не-
сколько малень-
ких роторов, рас-
положенных на
одном валу. Из-
меняя свое по-
ложение и угол,
каждый ротор
может улавливать
свой поток ветра
и не мешать вин-
ту, следующему
за ним. Вся тур-
бина подключена
к единственному генератору, кото-
рый, по словам Селзама, произво-
дит почти столько же энергии, что и
ветряк, в котором используется в 10
раз больше лопастного материала.
В зависимости от условий экс-
плуатации ось, на которой держат-
ся роторы, может изменяться по
длине и содержать любое количе-
ство роторов разного размера. Ось
можно закрепить на крыше дома,
а при использовании легкосплав-
ных материалов, ветрогенератор
становится мобильным. Исполь-
зуя десять роторов диаметром 18
дюймов (около 46 см), «Небесная
змея» способна вырабатывать от
100 до 400 Вт энергии, в зависимо-
сти от скорости ветра.
парит в небе на воздушном шаре.
Другой концепт предполагает вари-
ант, в котором турбина может пла-
вать на поверхности воды, а ее ось и
Экономичнее и эффективнее
Получив грант на сумму $75 000 от
калифорнийской Комиссии по энер-
гетике, Селзам начал работу над про-
ектом в 1999 году. Он вел разработку
в собственном гараже, а испытания
проводил в самодельной аэродинами-
ческой трубе. Селзам сумел построить
турбину с семью роторами, которая
производила 3000 Вт, и турбину с двой-
ным ротором, производящую 2000 Вт
электроэнергии. Он уже продал 20 по-
добных ветряков, производительно-
стью 20( 0 Вт каждый, раежичным за-
интересованным домовладельцам.
Другой опытный образец на 3000
Вт использует 25 роторов. В нем ось
присоединена с одной стороны к
основанию на земле, а другой конец
пропеллеры простираются в воздухе
над поверхностью океана.
В 1980-х годах Селзам учился в
Университете Калифорнии в Ирви-
не (однако не закончил его). Тем не
менее, его проекты мультироторно-
го ветряка получили положительную
оценку от Брента Шеибэля — быв-
шего испытателя турбин компании
Дженерал Электрик, который те-
перь заведует испытательной лабо-
раторией в Техачапи (Калифорния).
Ветротурбинная промышленность в
С ША растет более чем на 40% ежегод-
но, и Селзам надеется, что его проект
получит широкое применение, ведь
он способен упростить производство,
транспортировку и установку ветря-
ков, а сами ветряки станут более эсте-
тичными и эффективными.
Альтернативная энергия
САМ №5’2010
Средняя скорость
V < 4,5 м/с
САМ №5’2010
к j
Энергия ветра
В
Украине
По данным Института возобнов-
ляемой энергетики НАН Украины
(www.ive.org.ua)
Альтернативная энергия
САМ №5’2010
Типы ветроэн
установок
Известно много различных ветроэнергетических
установок (ВЭС), но все их можно разделить на
Горизонтальные
(крыльчатые)
Широкое распространение полу-
два типа: с горизонтальной и вертикальной осью
вращения. Первые имеют сложную конструкцию,
зато обладают более высоким коэффициентом
использования энергии ветра, поэтому чаще
применяются в промышленности. Вторые - более
просты в конструкции, но менее продуктивны.
На рынке они встречаются редко и применяются
обычно в частных домах.
чили ветроустановки с крыльчаты-
ми ветроколесами и горизонталь-
ной осью вращения (рис. 1). Среди
них наибольшее развитие получили
двух- и трехлопастные ветроколеса
Вращающий момент ветроколеса
в них создается подъемной силой,
образующейся при обтекании про-
филя лопастей воздушным потоком.
В результате кинетическая энергия
воздушного потока в пределах пло-
шали, сметаемой лопастями, пре-
образуется в механическую энергию
вращения ветроколеса.
Мощность, развиваемая на оси ве-
троколеса, пропорциональна квад-
рату его диаметра и кубу скорости
ветра. По классической теории Н. Е.
Жуковского, для идеального ветро-
колеса коэффициент использова-
ния энергии ветра Е,= 0,593. То есть
идеальное ветроколесо (с бесконеч-
ным числом лопастей) может из-
влечь 59,3% энергии, проходящей
через его поперечное сечение. Ре-
ально на практике у лучших быстро-
ходных колес максимальное значе-
ние коэффициента использования
энергии ветра доходит до 0,45-0,48,
а у тихоходных - до 0,36-0,38. Важ-
ной характеристикой ветроколе-
са является его быстроходность Z,
представляющая собой отношение
скорости движения конца лопасти
к скорости ветрового потока. Конец
лопасти обычно движется в пло-
скости ветроколеса со скоростью,
которая в несколько раз выше ско-
рости ветра. Оптимальные значения
быстроходности двухлопастного
колеса — 5-7, трехлопастного — 4-5,
шестилопастного — 2,5-3,5.
Из конструктивных характеристик
на мощность ветроколеса основное
влияние оказывают его диаметр, а
также форма и профиль лопастей.
САМ №5’2010
Энергия ветра
ергетических
Рис. 1. Ветроколеса крыльчатых ветроустановок:
1 - многолопастное, 2 - трехлопастное, 3 - двухлопастное, 4 - однолопастное с противовесом.
Мощность мало зависит от числа
лопастей.
Частота вращения ветроколеса
пропорциональна быстроходности
и скорости ветра и обратно пропор-
циональна диаметру. На величину
мощности влияет также высота рас-
положения центра колеса, так как
скорость ветра зависит от высоты.
Мощность ВЭУ, как отмечалось,
пропорциональна скорости ветра в
третьей степени При расчетной ско-
рости ветра и выше обеспечивается
работа ВЭУ с номинальной мощ-
ностью. При скоростях ветра ниже
расчетной мощность ветроустановки
может составлять 20-30% от номи-
нальной и менее. При таких режимах
работы происходят большие потери
энергии в генераторах вследствие
их низких КПД на малых нагрузках,
а в асинхронных генераторах воз-
никают, кроме того, большие реак-
тивные токи, которые необходимо
компенсировать. Для исключения
этого недостатка в некоторых ВЭУ
применяют генераторы с номиналь-
ными мощностями 100 и 20-30% от
номинальной мощности ВЭУ. При
слабых ветрах первый генератор от-
ключается. В некоторых ВЭУ ма-
лый генератор обеспечивает также
возможность работы установки при
малых скоростях ветра при пони-
женных оборотах с высоким значе-
нием коэффициента использования
энергии ветра. Установка ветроколе-
са «на ветер», т. е. перпендикулярно
к направлению ветра, производится
в агрегатах очень малой мощности с
помощью хвоста (хвостового опере-
ния), в агрегатах небольшой и сред-
ней мощности — посредством ме-
ханизма виндроз, а в современных
крупных установках — специальной
системой ориентирования, получа-
ющей управляющий импульс отдат-
чика напраатения ветра (флюгера),
установленного наверху на гондоле
ветроустановки.
Механизм виндроз представляет
собой одно или два небольших ветро-
колеса, плоскость вращения которых
перпендикулярна к плоскости враще-
ния основного колеса, работающих
на привод червяка, поворачивающего
платформу головки ветродвигателя
до тех пор, пока виндрозы не будут
лежать в плоскости, параллельной
направлению ветра. Крыльчатое ве-
троколесо с горизонтальной осью
вращения может располагаться перед
башней и за ней. В последнем случае
Горизонтальные (крыльчатые) ВЭС - лопастные механизмы с горизонтальной
осью вращения. Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое
применение крыльчатых ветрогенераторов в промышленности.
Чтобы обеспечить максимальную скорость вращения, лопасти крыльчатого ветряного
генератора должны располагаться вертикально - перпендикулярно потоку воздуха. Для
достижения этого применяется специальное устройство - стабилизатор. Горизонталь-
ные ВЭС могут непосредственно соединяться с генератором без мультипликаторов.
У крыльчатых ветрогенераторов намного выше коэффициент использования энергии
ветра. В то же время скорость вращения у них обратно пропорциональна количеству
крыльев. Другими словами, чем меньше лопастей - тем выше скорость вращения. По-
этому установки с количеством лопастей больше трех практически не используются.
лопасть подвергается постоянному
многократному воздействию пере-
менных сил при прохождении в тени
башни, что одновременно значитель-
но повышает уровень шума. Для регу-
лирования мощности и ограничения
частоты вращения ветроколеса при-
меняется ряд способов, в том числе
поворот лопастей или их части вокруг
своей продольной оси, а также за-
крылки, клапаны на лопастях и дру-
гие способы.
Основными преимуществами
ветроустановок с горизонтальной
осью вращения ветроколеса явля-
ется то, что условия обтекания ло-
пастей воздушным потоком посто-
янны, не изменяются при повороте
ветроколеса, а определяются только
скоростью ветра. Благодаря этому,
а также достаточно высокому значе-
нию коэффициента использования
энергии ветра, ВЭУ крыльчатого
типа в настоящее время получили
наибольшее распространение.
САМ №5’2010
Альтернативная энергия
Вертикальные (роторные)
Другой разновидностью ветроко-
леса является ротор Савониуса (рис.
2). Вращаюший момент возникает
при обтекании ротора потоком воз-
духа за счет разного сопротивления
выпуклой и вогнутой частей рото-
ра. Колесо отличается простотой,
но имеет очень низкий коэффици-
ент использования энергии ветра —
всего 0,10-0,15. В последние годы в
ряде зарубежных стран, особенно
в Канаде, начали заниматься раз-
работкой ветродвигателя с ротором
Дарье, предложенным во Франции
в 1920 г. Этот ротор имеет верти-
кальную ось вращения и состоит из
цвух-четырех изогнутых лопастей.
Лопасти образуют пространствен-
ную конструкцию, которая враща-
ется под действием подъемных сил,
возникающих на лопастях от ветро-
вого потока. В роторе Дарье коэф-
фициент использования энергии
ветра достигает значений 0,30-0,35.
В последнее время провозятся раз-
работки роторного двигателя Дарье
с прямыми лопастями. Главным пре-
имуществом ветроустановок Дарье
является то, что они не нуждаются
в механизме ориентации на ветер.
У них генератор и другие механиз-
мы размещаются на незначительной
высоте возле основания. Все это су-
щественно упрощает конструкцию.
Однако серьезным органическим
недостатком этих ветродвигателей
является значительное изменение
условий обтекания крыла потоком
за один оборот ротора, циклично
повторяющееся при работе. Это мо-
жет вызывать усталостные явления
и приводить к разрушению элемен-
тов ротора и серьезным авариям,
что должно учитываться при кон-
струировании ротора (особенно при
больших мощностях ВЭУ). Кроме
того, для начала работы их гребуется
раскрутить.
Зависимости коэффициента ис-
пользования энергии ветра Е, от
быстроходности Z для различ-
ных типов ветроколес приведены
на рис.З. Видно, что наибольшее
значение Е, имеют двух- и трехло-
пастные колеса с горизонтальной
осью вращения. Для них высокое
Е, сохраняется в широком диапазо-
не быстроходности Z. Последнее
существенно, так как ветроуста-
новкам приходится работать при
скоростях ветра, изменяющихся в
больших пределах. Именно поэто-
му установки этого типа получили
в последние годы наибольшее рас-
пространение.
а) двухлопастный, б) четырехлопастный
CAM №5’2010
Энергия ветра
Вертикальные (карусельные, роторные) ВЭС - лопаст-
ные механизмы с вертикальной осью вращения.
Работают при низких скоростях ветра, но имеют малую эф-
фективность. Поэтому встречаются они достаточно редко и
применяются, как правило, в домашних системах.
В то же время, в отличие от горизонтальных, могут работать
при любом направлении ветра, не изменяя своего положе-
ния. Установка сама следит «откуда ветер дует», следова-
тельно, ей не нужны никакие дополнительные устройства.
Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет
применять в них простые электросхемы для съема энергии,
в частности, асинхронные генераторы.
В то же время тихоходность ограничивает применение
вертикальных ВЭС, так как вынуждает применять повы
шающие редукторы - мультипликаторы, имеющие очень
низкий КПД. Без мультипликатора такую установку экс-
плуатировать проблемно.
0.2 ‘
4 6 Z
Рис. 3. Типовые зависимости коэффициента исполь-
зования энергии ветра £, от быстроходности ветроко-
леса Z:
1 - идеальное крыльчатое ветроколесо;
2 , 3 и 4 - двух-, трех- и многолопастные крыльчатые
ветроколеса;
5 - ротор Дарье;
6 - ротор Савониуса;
7 - четырехлопастное ветроколесо датской мельницы.
Альтернативная энергия
Определяем
САМ №5’2010
к j
Ветрогенераторы -
набирающий
популярность вид
энергетического
оборудования.
Назначение ветрогенерато-
ра — преобразовывать кине-
тическую энергию воздуш-
ного потока, называемого ветром,
в энергию электрическую. Кроме
ветрогенераторов, еще довольно
распространены ветряки, служащие
для прямого привода насосов, так
называемые ветронасосы. Энергию,
вырабатываемую ветрогенератором,
можно рассчитать по следующей
формуле:
Р = 0,5*rho*S*Cp*V3*Ng*Nb
где Р — мощность, Вт; rho — плот-
ность воздуха (примерно 1,225 кг/
куб.м); S — площадь метания рото-
ра; V — скорость ветра, м/с; Ср —
аэродинамический коэффициент
(теоретически 0,5); Ng - КПД гене-
ратора; Nb — КПД редуктора (если
есть).
Все составляющие этой формулы
для конкретного ветрогенератора,
кроме скорости ветра, являются
константами (плотность воздуха,
конечно, зависит от температуры,
но ее изменениями можно пренеб-
речь, как малыми). Поэтому можно
сказать, что мощность, вырабатыва-
емая ветрогенератором, пропорцио-
нальна кубу скорости ветра.
Это означает, что мощность ветро-
генератора на слабых ветрах (даже
если он вращается) очень мала. Но с
усилением ветра идет резкое нарас-
тание мощности. А поскольку ве-
тер на практике дует с постоянной
скоростью и направлением только в
аэродинамической трубе, понятно,
что мощность, вырабатываемая вет-
рогенератором, является постоянно
меняющейся по времени величиной.
Поэтомулюбая энергетическая систе-
ма с использованием ветрогенератора
в качестве источника энергии должна
иметь стабилизирующее звено.
В малых автономных системах
роль такого звена обычно игра-
ет аккумуляторная батарея. Если
мощность ветрогенератора больше
мощности нагрузки, батарея заря-
жается. Если мощность нагрузки
больше — батарея разряжается. Из
этого следует следующая важная
особенность ветрогенератора, как
источника мощности если боль-
шинство других источников вы-
бираются по мощности пиковой
нагрузки, ветрогенераторы следует
выбирать исходя из величины по-
требления электроэнергии в месяц
(или в год. как кому нравится).
Проиллюстрируем это на приме-
ре. На берегу моря, где средняя ско-
рость ветра приближается к 6 м/с,
стоит домик, куда приезжает семья
из трех человек на выходные. Элект-
рооборудование включается тоже
только на выходные. В день пот-
ребление достигает 15 кВт*ч, при
этом пиковая нагрузка — до 3 кВт.
Следовательно, в месяц потребле-
ние энергии равно 120 кВт*ч. При
среднегодовой скорости ветра 6 м/с
выработку 120 кВт*ч в месяц может
обеспечить небольшой 700-Ваттный
САМ №5’2010
Энергия ветра
мощность
ветрогенератор. Кроме того, для ак-
кумулирования энергии в течение 5
дней потребуется батарея большой
емкости, и инвертор (который пре-
образовывает постоянное напря-
жение батареи в стандартное пере-
менное) мощностью 3 кВт, чтобы
обеспечить пиковые нагрузки.
Другой пример. В местности со
средней скоростью ветра 5 м/с по-
строен телекоммуникационный
объект, который постоянно потреб-
ляет в среднем 2 кВт электроэнер-
гии, при этом пиковая нагрузка не
превышает тех же 3 кВт. В данном
случае умножаем 2 кВт на количе-
ство часов в месяц (720) и получаем
1440 кВт*ч — величина потребления
объекта в месяц. Чтобы при такой
скорости ветра обеспечить выработ-
ку 1420 кВт*ч, нужен ветрогенератор
мощностью 10 кВт. При этом рабо-
тать он будет через тот же инвертор
мощностью 3 кВт.
Как можно видеть, в каждом из
вышеописанных случаев мощность
ветрогенератора отличается в от
пиковой мощности нагрузки. Мощ-
ность пиковои нагрузки определяет
мощность преобразователя Сам ве-
трогенератор определяет только ве-
личину выработки в определенный
временной промежуток при опреде-
ленной среднемесячной скорости
ветра. Кроме средней скорости ве-
тра, существуют более подробные
вводные данные для оценки ветро-
вых ресурсов, называемые параме-
трами Вейбулла, которые отражают
распределение длительности ветра
определенной силы для данного ме-
ста, они используются при проекти-
ровании ветропарков мощностью в
десятки МВт.
Для проектов малой энергетики
тратиться на такие исследования не
имеет экономического смысла, т. к.
можно приблизительно оценить
ожидаемую выработку по величи-
не средней скорости ветра в месте
установки ветрогенератора. Из при-
веденных примеров также можно
сделать вывод о характере нагрузки,
для питания которой наиболее це-
лесообразно применять ветрогене-
ратор. Это неравномерная нагрузка,
при которой пиковая нагрузка пре-
вышает в 10 и более раз нагрузку
среднюю
Наиболее распространенный слу-
чай для использования относитель-
но небольшого ветрогенератора —
бытовая нагрузка. Например, для
семьи в городской квартире средняя
нагрузка —0.5 кВт (360 кВт*ч в месяц
по счетчику')- Пиковая нагрузка —
5 кВт, когда включена электроплита,
стиральная машина, микроволнов-
ка и другие, менее мощные прибо-
ры. 5-кВтный ветрогенератор может
обеспечить эти нужды даже в не
очень ветренном месте. Равномер-
ная же нагрузка, например, отопле-
ние, когда круглосуточно работает
даже один отопительный прибор
мощностью 1 кВт, в месяц требует
720 кВт*ч, которые ветрогенератор
мощностью 5 кВт может обеспечить
только в местности с хорошими вет-
ровыми ресурсами (например, на
берегу моря, в степи и т. д.).
По материалам НПО «Электро-
сфера» , wvw. elettracompany. сот
САМ №5’2010
Альтернативная энергия
Ветрогенератор
из ведра
Этот небольшой ветряк ротор-
ного типа, сделанный в до-
машних условиях из подруч-
ных средств, разумеется, не может
обеспечить работу электроприборов
в коттедже. Однако ему вполне по
силам простые задания, когда требу-
ется небольшое количество энергии.
Например, для освещения дворовых
построек или участка вечером.
Ротор
Сначала изготавливаем ротор и пе-
ределываем шкив генератора. Итак,
берем ведро и делим его на четыре
равные части, используя рулетку и
маркер (карандаш), размечаем мес-
та лопастей, как показано на рис.1,
и аккуратно вырезаем ножницами
по металлу, предварительно засвер-
лив отверстия для вставки ножниц.
Если резка производится турби-
ной (болгаркой), то делать это надо
очень аккуратно, чтобы не перегреть
металл (это, конечно, невозможно,
если ведро из оцинкованной стали
или крашеной жести).
Порядок работ
Ведро будет крепиться к генератору
четырьмя болтами (кднищу и шкиву),
поэтому СИММЕТРИЧНО размеча-
ем места под отверстия для болтов Мб
на шкиве и на дне ведра. Это делается
для того, чтобы избежать дисбаланса
при вращении. Теперь осталось пред-
Вам понадобятся:
• Автомобильный генератор 12 В;
• Аккумулятор 12 В (любой - кислотный
или гелиевый, можно даже практически
нерабочий);
• Металлическое ведро из-под краски,
лака или старая БОЛЬШАЯ кастрюля (из
алюминия или нержавеющей стали);
• Автомобильное реле зарядки аккуму-
лятора;
• Реле контрольной лампы заряда (ав-
томобильное);
• Выключатель ПГ (полугерметичный).
кнопка на 12 В;
• Вольтметр (от любого старого измери-
тельного устройства или готовый авто-
мобильный);
• Доза наружная большая (коммуника-
ционная коробка);
• Провода сечением минимум 2,5 мм2,
лучше 4 мм2;
• 4 болта Мб с гайками, шайбами, гро-
верами;
• 2 больших хомута или нержавеющая
проволока (для крепления генератора
к мачте);
• Инструмент: дрель со сверлами, от-
вертка, ключи, кусачки и т. п.
Мощность ветряка: 1 кВт
принять 10 шагов — и самодельный
ветрогенератор готов. Вот эти шаги:
1. Отгибаем лопасти на ведре (надо
учесть направление вращения гене-
ратора, в большинстве случаев он
крутится по часовой стрелке), но не
сильно круто, чтобы избежать ура-
ганных порывов.
2. Крепим болтами ведро к шкиву.
3. Подсоединяем провода к генера-
тору (не забудьте переписать марки-
ровку контактов и цвета проводов).
4. Собираем цепь.
5. Крепим генератор к мачте.
6. Крепим провода к генератору и
мачте.
7. Соединяем генератор в цепь.
8. Подсоединяем аккумулятор в
цепь проводами 4 мм2 (длиной не
более 1 м).
9. Подключаем нагрузку проводами
сечением до 2,5 мм2 (освещение,
электроприборы).
10. Дополнительно возможно по-
ставить преобразователь (инвертер)
12-220В на 700-1500 Ватт (подклю-
чив в цепь к контактам 7, 8 прово-
дом 4 мм2 длиной не более 1 м).
Наконец, ваш ветряк готов. Ско-
рость вращения можно задавать
углом изгиба лопастей.
Ветряк в работе
На таком ветряке (с инвертером
1000 Вт и аккумулятором 75 А) может
работать уличное освещение на «низ-
кокалорийных» (энергосберегаю-
щих) лампах по 11-15 Вт (автоматика
через фотоэлемент), дополнительная
зарядка автомобильного аккумулято-
ра, подогрев («Доброе тепло») и осве-
щение сарая и курятника, аварийное
освещение дома на светодиодах и
таких же лампах, охранная сигнали-
зация и видеонаблюдение, телевизор
и персональный компьютер. Правда,
для этого придется сделать отдельную
группу при монтаже проводки дома.
Преимущества и недостатки
Два главных плюса такого мини-
ветряка очевидны — быстрота сборки
и экономность. Для его изготовле-
ния не нужны мачты и лопасти флю-
герного типа. Кроме того, при его
работе отсутствует ультразвуковая
вибрация, как от вентилятора. Ра-
ботает такое устройство достаточно
тихо. В целом ветряк неприхотливый
в обслуживании, его легко отремон-
тировать в случае необходимости.
Единственный недостаток — ма-
ленький ветряк не способен выдержи-
вать порывы ураганного ветра (может
сорвать ведро, но его легко заменить).
В то же время необходимо помнить,
что это маломощное устройство, и
при подключении мощной нагрузки
(>1 кВт) останавливается (в этом слу-
чае необходим редуктор и ротор боль-
шего размера).
CAM №5’2010
Энергия ветра
AUTl/ФТ
Ремеы!
Конструкция ве-
тряной установки.
1 - резистор;
2 - обмотка стар-
тера генератора;
3 - ротор генера-
тора;
4 - регулятор на-
пряжения;
5 - реле обратно-
го тока;
6 - амперметр;
7 - аккумулятор;
8 - предохрани-
тель;
9 - выключатель.
САМ №5’2010
Альтернативная энергия
Основной частью ветроустановки,
является ветроколесо.
Посредством его кинетическая
энергия ветра преобразовывается
в энергию механическую.
Расчет
Напомним.делятся ветроколе-
са на две группы — с горизон-
тальной и вертикальной осью
вращения. Мы будем рассматривать
ветроколесо с горизонтальной осью
вращения. Оно может иметь одну
или несколько лопастей, которые
устанавливаются под некоторым
углом к плоскости вращения.
Ветроколесо можетбытьбыстроход-
ным или тихоходным. В зависимости
от диаметра и количества лопастей
обороты ветроколеса при одной и той
же скорости ветра будут разные. Этот
показатель называется быстроходно-
стью ветроколеса и определяется от-
ношением окружной скорости конца
лопасти к скорости ветра:
Z = L* W/60/V. где:
W — частота вращения ветроколе-
са (об/мин.);
V — скорость ветра (м/с):
L — длина окружности (м).
Но первоначально мы не знаем
частоту оборотов ветроколеса, ко-
торые зависят от его исполнения.
При прохождении воздуха через
лопасти, остается «возмущенный»
след, который тормозит вращение
ветроколеса. И поэтому, чем лопа-
стей больше, тем быстроходность
становится меньше. Для того, чтобы
ориентировочно рассчитать оборо-
ты ветроколеса, возьмем за основу
быстроходность (Z). установленную
практическим путем для ветроколес
с разным количеством лопастей:
1-лопастное ветроколесо Z = 9,0
2-лопастное ветроколесо Z = 7,0
3-лопастное ветроколесо Z = 5,0
6-лопастное ветроколесо Z = 3,0
12-лопастное ветроколесо Z = 1,2
И по приведенной ниже формуле
рассчитаем обороты ветроколеса:
W = V/L*Z*60
От исполнения ветроколеса зави-
сят результаты работы всей конст-
рукции и безопасная эксплуатация
установки.
Многолопастные конструкции —
низкооборотистые и, следовательно,
центробежные и гироскопические
силы значительно меньше, чем у вы-
сокоскоростных. Учитывая то, что
технологии изготовления ветроко-
лес в любительских условиях остав-
ляют желать лучшего, рекомендуют
многолопастные ветроколеса с ко-
личеством лопастей не менее пяти —
такие конструкции не так критичны
к погрешностям балансировки, не
требовательны к аэродинамическо-
му исполнению профиля лопасти и с
успехом могут применятся вогнутые
лопатки.
Установка лопаток
Если разместить лист фанеры под
углом к набегающему потоку возду-
ха. то максимальная подъемная сила
при одинаковой скорости воздуха
будет при угле установки равной 45°.
По мере уменьшения или увеличе-
ния угла, будет уменьшаться и подъ-
емная сила, а сопротивление потоку
будет, соответственно, уменьшаться
или увеличиваться. Поэтому возьмем
за отправную точку угол в 45°. Но для
того, чтобы ветроколесо максимально
эффективно использовало энергию
ветра и не имело зон торможения —
колесо должно иметь изогнутую фор-
му: чем дальше от оси вращения нахо-
дится элемент лопасти, тем меньший
угол установки требуется.
Шаг винта
Одним из показателей для расчета
лопасти является шаг винта - рас-
стояние, на которое переместится
масса воздуха за один оборот, если
представить эту массу воздуха в виде
гайки диаметр которой равен 2R,
а угол подъема резьбы равен углу
между хордой взятого сечения и
плоскостью вращения винта. Шаг
винта определяется по формуле:
Н = 2nR * tg а, где:
Н = шаг выделенного сечения (м.);
R = радиус сечения (м.);
а = угол установки сечения (град.).
Угол установки сечения лопастей
ветроколеса определим по преобра-
зованной формуле:
а (угол установки) =
= Arctg (H/2nR)
ц.=Ч/ X* V *
САМ №5’2010
Энергия ветра
ветроколеса
Пример расчета крутки
лопасти:
шаг лопасти = 1 метр,
диаметр ветроколеса = 3 метра
При данных установках в идеале,
без учета сопротивления ветроколе-
са, при скорости ветра 3 м/с ветро-
колесо должно сделать 3 оборота в
секунду или 3 * 60 = 180 об/мин.
Но это в идеале. На самом деле,
на скорость вращения ветроколе-
са влияют турбулентность потока
от предыдущей лопасти, трение,
создаваемое самими лопастями,
реакция генератора в зависимости
от приложенной электрической
нагрузки. И в реальности оборо-
ты ветроколеса будут стремится к
расчетным показателям, но фак-
тически окажутся значительно
ниже.
Мощность ветрового
потока
Следующий показатель при рас-
чете ветроколеса, это мощность
ветрового потока, проходящего че-
рез площадь ометания ветроколеса.
Вычисляют ее достаточно точно по
общепринятой методике;
Р = 0,5 *Q * S * V3
Р — мощность (Вт);
Q — плотность воздуха (1,23 кг/
м‘);
S - площадь ометания ротора
(м);
V — скорость ветра (м/с).
Но так как стопроцентного пре-
образования одного вила энергии в
другую невозможно, то начнем вы-
читать потери. Ветроколесо имеет
определенный коэффициент ис-
пользования (преобразования)
энергии ветра. Максимальное зна-
чение теоретического использо-
вания энергии ветра у идеальных
быстроходных крыльчатых ветро-
колес равно 0,593. Для лучших об-
разцов быстроходных ветроколес с
аэродинамическим профилем этот
показатель составляет от 0,42 до
0,46. Для многолопастных тихо-
ходных ветроколес этот показатель
колеблется от 0,27 до 0,35 в зави-
симости от качества исполнения и
в расчетах обозначается символом
Ср. Для согласования оборотов
тихоходного ветроколеса и гене-
ратора необходимо использовать
повышающий редуктор и его КПД
колеблется от 0,7 до 0,9 в зависи-
мости от коэффициента передачи
и исполнения.
Преобразовывая механическую
энергию в электрическую, также не-
сем потери. Поэтому отражаем их в
КПД генератора Ng от 0,6 (для авто-
тракторных генераторов с обмоткой
возбуждения) до 0,8 (для генерато-
ров с возбуждением от постоянных
магнитов).
Р = 0,5 *Q * S * V3 * Ср * Ng * Nb,
где Р — мощность (Вт);
Q — плотность воздуха (1,23 кт/
м3);
S — площадь ометания ротора
(м2);
V — скорость ветра, (м/с);
СР — коэффициент использова-
ния энергии ветра (0,35 хороший
конструктив);
Ng — КПД генератора (автомо-
бильного 0,6, на постоянных магни-
тах 0,8);
Nb — КПД повышающего редук-
тора (0,7 - 0.9).
Подставим данные для 6-лопаст-
ного 3-метрового ветроколеса и
узнаем, какую мощность можно
получить на ветроустановке с гене-
ратором на постоянных магнитах и
редуктором, имеющим КПД = 0,9
при средней скорости 5 м/с:
Р = 0,5 * 1,23 * (3,14 *(1,5*1,5 ))
*(5*5*5)* 0,35 * 0,8 * 0,9 =
136 Вт.
При этом обороты ветроколеса
составят.
W = V/ L*Z*60 = 5/ 9,42 * 3 *
60 = 95,5 об/мин.
Остается подобрать передаточное
число редуктора в зависимости от
оборотов генератора.
Евгений Бойко,
и'ии'. evgenb. myli vepage. ru
САМ №5’2010
к л
Альтернативная энергия
Солнечная
энергия
Солнце — это бесплатный, неисчерпаемый, экологически чистый источник
энергии, не требующий добычи и транспортировки. Все более актуальным
с каждым годом становится вопрос сокращения затрат на энергоресурсы,
необходимые для отопления и горячего водоснабжения. Развитые страны уже
давно пошли по пути замещения традиционных энергоресурсов солнечной
энергией.
Оптимальный угол наклона солнечных модулей
САМ №5’2010
Энергия Солнца
Authors M Sun. T Cebecnuei T. Hukl E 0 Dunlop
PVGIS C European Communities. 2001-2008
http://re.jrc.sc.suropa.su/pVgli/
Yearly sum of global irradiation [kWh nr]
<1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550»
<863 900 938 975 1013 1050 1088 1125 1163>
Yearly electricity generated by 1kW„^ system with performance ratio 0 75 [kWh/kW^J
0 50 100 200 km
Карта солнечного излучения (оптимальная плоскость)
Принципы солнечного отоп-
ления и нагрева воды ис-
пользовались с самых древ-
них времен. Всем известно, что
поверхность черного цвета нагре-
вается на солнце быстрее и силь-
нее, чем белая Вот это свойство
и используется в солнечных кол-
лекторах, они собирают это тепло
для того, чтобы нагреть воду. В за-
висимости от потребности в ко-
личестве тепла и горячей воды на
крыше здания и (или) южной сте-
не устанавливаются коллекторы,
состояшие из тоненьких трубочек,
по которым в бак-аккумулятор
подается вода. Солнце нагревает
трубки, те нагревают воду, вода
накапливается в баке и потом ис-
пользуется для обогрева или горя-
чего водоснабжения. Все гениаль-
ное — просто!
Солнечные коллекторы
Установки, собирающие, сохраня-
ющие и передающие солнечное теп-
ло, называются солнечными кол-
лекторами. Солнечные коллекторы
позволяют получить горячую воду,
а в районах с высокой солнечной
активностью, при построении ком-
бинированных котельных, тепло от
солнечных коллекторов можно ис-
пользовать в системах отопления.
Это позволяет сократить расходы на
отопление и горячее водоснабжение
дома. Существует два основных типа
солнечных коллекторов: плоский
солнечный коллектор и вакуумный
солнечный коллектор.
Плоский солнечный коллектор
представляет собой теплоизоли-
рованную застекленную панель, в
которой помещена пластина по-
глотителя с высоко-селективным
покрытием. Именно эта пласти-
на собирает солнечную энергию
и передает тепло в заполненные
жидкостью циркуляционные тру-
бы. Несмотря на теплоизоляцию
нижней и боковых стенок плоско-
го коллектора, в зимнее время его
производительность снижается за
счет тепловых потерь с солнечной
стороны. В круглогодичных сол-
нечных водонагревательных уста-
новках обычно используются ва-
куумные солнечные коллекторы,
хотя возможно использование и
плоских коллекторов с хорошей те-
плоизоляцией. Плоские коллекто-
ры широко используют по причине
невысокой стоимости.
Вакуумный солнечный коллек-
тор — это набор вакуумных трубок,
в которых солнечное излучение пре-
образуется в тепловую энергию.
САМ №5’2010
Альтернативная энергия
Конструкция каждой отдельно
взятой трубки вакуумного солнеч-
ного коллектора напоминает всем
знакомый термос — одна стеклянная
трубка вставлена в другую. Только
внешняя часть трубки прозрачная,
а на внутренней трубке нанесено
покрытие, улавливаюшее солнеч-
ную энергию. Отдельные трубки,
расположенные параллельно друг
другу, в сумме образуют вакуумный
коллектор.
Мы поняли, как в трубках вакуум-
ного коллектора собирается тепло.
Далее его просто надо перенести к
объекту, который требуется нагреть.
Это может быть как система горя-
чего водоснабжения (ГВС), так и
отопления или, например, подогрев
воды в бассейне. В зависимости от
потребностей в тепловой энергии
выбирается то или иное количество
коллекторов, которые размещаются
на крыше и (или) стенах здания.
Хорошая теплоизоляция вакуум-
ных солнечных коллекторов и вы-
сокий коэффициент поглощения
(более 95 %) позволяет им работать
при низких температурах окружаю-
щей среды.
Солнечные
водонагреватели
Солнечный водонагреватель со-
стоит из солнечного коллектора и
батареи. Солнце нагревает проме-
жуточный теплоноситель (специ-
альный антифриз или воду) в кол-
лекторе, который передает тепло
через теплообменник в накопитель-
ный водонагреватель — емкость.
в которой хранится нагретая вода.
Эта емкость должна быть хорошо
утеплена во избежание ненужных
теплопотерь. Т. е. она должна удер-
живать тепло практически как тер-
мос. В качестве такой емкости часто
используется накопительный элект-
рический водонагреватель.
Использование в качестве емко-
сти электроводонагревателя позво-
ляет иметь горячую воду в моменты
отсутствия солнца. В этом случае ав-
томатически включается ТЭН водо-
нагревателя, который поддерживает
заданную температуру воды.
Теплоноситель между коллекто-
ром и водонагревателем может дви-
гаться двумя способами. Первый,
наиболее простой, — это естествен-
ная циркуляции. Второй — цирку-
ляция с использованием специаль-
ного насоса. Использование насоса
позволяет сделать систему более эф-
фективной. т. к. за счет принуди-
тельной циркуляции появляется
возможность передавать большее
количество тепла. Системы с естест-
венной циркуляцией принято назы-
вать пассивными, а с принудитель-
ной — активными.
Как выбрать объем
бойлера
Естественно, объем бойлера зави-
сит от количества проживающих в
доме и их индивидуальных потреб-
ностей в горячей воде.
При выборе объема надо учесть,
есть ли в доме ванна, джакузи или
только душ. Очень важно учитывать
и количество времени, которое хо-
зяева затрачивают на «водные про-
цедуры». Например, кому-то до-
статочно пяти минут на принятие
душа, а кому-то — целых полчаса.
Естественно, и расход воды в этих
случаях будет совершенно разным.
Как подсчитать
Можно произвести и более точ-
ный расчет, с учетом ваших индиви-
дуальных потребностей. Вот пример
такого расчета для семьи из 3 чело-
век. Допустим, вы принимаете душ
с расходом 8 литров в минуту в те-
чение 10 минут. Следовательно, вы
израсходуете 80 литров теплой воды.
Столько же воды расходуют и двое
других членов семьи. Суммируем
80 + 80 + 80 и получаем 240 литров
горячей воды. А еще нужна вода на
мытье посуды, например 4 л/мин в
течение 15 минут. Итого 240 + 60 -
300 литров.
Учитывая, что вы будете исполь-
зовать теплую воду, а не 60—70-
градусную, накопленную в водо-
нагревателе, то будет достаточно
примерно 200-литрового бойлера.
Если следующее большое пот-
ребление горячей воды заплани-
ровано только на вечер, то вода в
водонагревателе за это время успе-
ет снова нагреться, и вы сможете
также комфортно принять душ и в
конце дня. Если солнечной энер-
гии будет недостаточно для нагрева
воды, то автоматически включит-
ся встроенный в водонагреватель
ТЭН, и нагрев произойдет с его
помощью.
Комплексные системы
Кроме рассмотренных выше сол-
нечных водонагревателей, существу-
ют и целые комплексные системы
теплообеспечения и электроснаб-
жения зданий с использованием
солнечной энергии. Их составляю-
щими являются солнечные коллек-
торы и солнечные батареи. Такие
системы позволяют обеспечить дом
не только горячей водой, но и отоп-
лением и электроэнергией.
Для автоматизации процесса и
обеспечения наиболее эффектив-
ного режима работы комплексной
системы используется центр управ-
ления, построенный на базе микро-
процессорного контроллера.
По материалам
ivww. vsaduidoma.ru
CAM №5’2010
Энергия Солнца
Расчет
фотоэлектрической
системы
Приведем простой пошаговый метод расчета
фотоэлектрической системы (ФЭС).
Этот метод поможет определить требования
к системе и выбрать необходимые компоненты
системы электроснабжения.
Расчет фотоэлектрической сис-
темы можно условно разбить
на следующие этапы:
• Определение нагрузки и потре-
бляемой энергии.
• Определение значений необхо-
димой мощности инвертора и емко-
сти аккумуляторной батареи.
• Определение необходимого ко-
личества фотоэлектрических моду-
лей исходя из данных по приходу
солнечной радиации в месте уста-
новки системы.
• Расчет стоимости системы.
После выполнения 4 шага, если
стоимость системы недопустимо
велика, можно рассмотреть сле-
дующие варианты уменьшения
стоимости системы автономного
эле ктрос набже н ия:
• уменьшение потребляемой энер-
гии за счет замены существующей
нагрузки на энергоэффективные
приборы, а также исключение
тепловой, «фантомной» и необя-
зательной нагрузки (например,
можно использовать холодильни-
ки, кондиционеры и т. п., рабо-
тающие на газе);
• замену нагрузки переменного тока
на нагрузку постоянного тока. В
этом случае можно выиграть на
остутствии потерь в инверторе (от
10 до 40%). Однако, нужно учи-
тывать особенности построения
низковольтных систем постоян-
ного тока;
• введение в систему электро-
снабжения дополнительного
генератора электроэнергии —
ветроустановки, дизель- или
бензогенератора.
• смиритьсястем,что электроэнергия
будет у вас не всегда. И чем больше
будет мощность системы отличать-
ся от потребляемой мощности, тем
более вероятны будут у вас периоды
отсутствия электроэнергии.
1. Определение
энергопотребления
Составьте список устройств-
потребителей электроэнергии,
которые вы собираетесь питать
от ФЭС. Определите потребляе-
мую мощность во время их работы.
Большинство устройств имеют мар-
кировку. на которой указана номи-
нальная потребляемая мощность в
Ваттах или кило Ваттах. Если указан
потребляемый ток, то нужно умно-
жить этот ток на номинальное на-
пряжение (обычно 220 В).
Подсчитайте нагрузку перемен-
ного тока. Если у вас нет такой на-
грузки, то можете пропустить этот
шаг и перейти к подсчету нагрузки
постоянного тока.
1.1. Перечислите всю нагрузку
переменного тока, ее номиналь-
ную мощность и число часов рабо-
ты в неделю. Умножьте мощность
на число часов работы для каждого
прибора. Сложите получившиеся
значения для определения суммар-
ной потребляемой энергии пере-
менного тока в неделю.
1.2. Далее нужно подсчитать,
сколько энергии постоянного тока
потребуется. Для этого нужно умно-
жить получившееся значение на ко-
эффициент 1,2, учитывающий поте-
ри в инверторе.
1.3. Определите значение входно-
го напряжения инвертора по харак-
теристикам выбранного инвертора.
Обычно это 12 или 24 В.
1.4. Разделите значение п.1.2 на
значение п.1.3. Вы получите число
Ампер-часов в неделю, требуемое
для покрытия вашей нагрузки пере-
менного тока.
Подсчитайте нагрузку постоян-
ного тока.
1.5. Запишите данные нагрузки
постоянного тока.
1.6. Определите напряжение в
системе постоянного тока. Обычно
это 12 или 24 В. (Как в п.1.3)
1.7. Определите требуемое коли-
чество А*ч в неделю для нагрузки
постоянного тока (разделите значе-
ние п. 1.5 на значение п. 1.6).
1.8. Сложите значение п.1.4 и п.
1.7 для определения суммарной тре-
буемой емкости аккумуляторной
батареи. Это будет количество А*ч,
потребляемых в неделю.
1.9. Разделите значение п.1.8 на 7
дней; вы получите суточное значе-
ние потребляемых А*ч.
2. Оптимизируйте нагрузку
На этом этапе важно проанали-
зировать нагрузку и попытаться
уменьшить потребляемую мощ-
ность. Это важно для любой си-
стемы, но особенно важно для
системы электроснабжения жило-
го дома, так как экономия может
быть очень существенной. Снача-
ла определите большую и изменя-
емую нагрузку (например, насосы
для воды, наружное освещение,
холодильники переменного тока,
стиральная машина, электрона-
гревательные приборы и т. п.) и по-
Альтернативная энергия
САМ №5’2010
пытайтесь исключить их из вашей
системы или заменить на другие
аналогичные модели, работающие
на газе или от постоянного тока.
Начальная стоимость приборов
постоянного тока обычно выше (по-
тому что они выпускаются не в та-
ком массовом количестве), чем та-
ких же приборов переменного тока,
но вы избежите потерь в инверторе.
Более того, зачастую приборы по-
стоянного тока более эффективны,
чем приборы переменного тока (во
многих бытовых приборах, особен-
но электронных, переменный ток
преобразуется в постоянный, что
ведет к потерям энергии в блоках
питания приборов).
Замените лампы накаливания на
люминесцентные лампы везде, где
это возможно. Люминесцентные
лампы обеспечивают такой же уро-
вень освещенности при том, что по-
требляют в 4-5 раз меньше электро-
энергии. Срок их службы также
примерно в 8 раз больше.
Если у вас есть нагрузка, которую
вы не можете исключить, рассмо-
трите вариант, при котором вы буде-
те включать ее только в солнечные
периоды или только летом. Пере-
смотрите список Вашей нагрузки и
пересчитайте данные.
3. Определите параметры
аккумуляторной батареи (АБ)
Выберите тип аккумуляторной
батареи, которую вы будете ис-
пользовать. Мы рекомендуем ис-
пользовать 1ерметичные необслу-
живаемые свинцово-кислотные
аккумуляторы, которые обладают
самыми лучшими эксплуатационно-
экономическими параметрами.
Далее вам нужно определить,
сколько энергии вам нужно получать
от аккумуляторной батареи. Часто
это определяется количеством дней,
в течение которых АБ будет питать
нагрузку самостоятельно без подза-
ряда. Дополнительно к этому пара-
метру вам нужно учитывать характер
работы системы электроснабжения
Например, если вы устанавливае-
те систему для вашего загородного
дома, который вы посещаете только
на выходные, вам лучше установить
АБ большей емкости, потому что
она может заряжаться в течение всей
недели, а отдавать энергию только в
выходные дни. С другой стороны.
если вы юбавляете фотоэлектриче-
ские модули к уже существующей
системе электроснабжения на базе
дизель- или бензогенератора, ваша
батерея может иметь меньшую ем-
кость, чем расчетная, потому что
этот генератор может быть включен
для подзаряда АБ в любое время.
После того, как вы определите
требуемую емкость АБ, можно пере-
ходить к рассмотрению следующих
очень важных параметров.
3.1. Определите максимальное
число последовательных «дней без
солнца» (т. е. когда солнечной энер-
гии недостаточно для заряда АБ и
работы нагрузки из-за непогоды
или облачности). Вы также можете
принять за этот параметр выбранное
вами количество дней, в течение ко-
торых АБ будет питать нагру }ку са-
мостоятельно без подзаряда.
3-2. Умножьте суточное потреб-
ление в А*ч (см. п.1.9 расчета по-
требляемой энергии выше) на ко-
личество дней, определенных в
предыдущем пункте
3.3. Задайте величину глубины до-
пустимого разряда АБ. Учитывайте,
что чем больше глубина разряда, тем
быстрее ваши АБ выйдут из строя.
Мы рекомендуем значение глуби-
ны разряда 20 % (не более 30 %), что
значит что вы можете использовать
20 % от значения номинальной ем-
кости вашей АБ. Используйте коэф-
фициент 0.2 (или 0,3). Ни при каких
обстоятельствах разряд батареи не
должен превышать 80 %!
3-4- Разделите п.3.2 на п.3.3.
3-5. Выберите коэффициент из
таблицы, приведеной ниже, кото-
рый учитывает температуру окружа-
ющей среды в помещении, где уста-
CAM №5’2010
Энергия Солнца
новлены АБ. Обычно, это средняя
температура в зимнее время. Этот
коэффициент учитывает уменьше-
ние емкости АБ при понижении
температуры.
Температурный коэффициент
для аккумуляторной батареи:
°F °C Коэф.
80 6.7 1.00
70 21.2 1.04
60 15.6 1.11
50 10.0 1.19
40 4.4 1.30
30 -1.1 1.40
20 -6.7 1.59
3.6. Умножьте значение п.3.4 на
коэффициент п.3.5. Вы получите
общую требуемую емкость АБ.
Разделите это значение на
номинальную емкость выбран-
ной вами аккумуляторной батареи.
Округлите полученное значение до
ближайшего большего целого. Это
будет количество батарей, которые
будут соединены параллельно.
3.8. Разделите номинальное на-
пряжение постоянного токасистемы
(12, 24 или 48В) на номинальное на-
пряжение выбранной аккумулятор-
ной батареи (обычно 2, 6 или 12В).
Округлите полученное значение до
ближайшего большего целого. Вы
получите значение последовательно
соединенных батарей.
3-9. Умножьте значение п.3.7 на
значение п.3.8, для того, чтобы под-
считать требуемое количество акку-
муляторных батарей.
4. Определите количество
пиковых солнцечасов
Несколько факторов влияют на то,
как много солнечной энергии будет
принимать ваша солнечная батарея:
• когда будет использоваться си-
стема? Летом? Зимой? Круглый
год?
• типичные погодные условия ва-
шей местности;
• будет ли система ориентиро-
ваться на солнце;
• расположение и угол наклона
фотоэлектрических модулей.
Для определения среднемесячно-
го прихода солнечной радиации вы
можете воспользоваться таблицей.
Выработка электроэнергии сол-
нечной фотоэлектрической бата-
реей (СБ) зависит от угла падения
солнечных лучей на СБ. Максимум
бывает при угле 90 градусов. При от-
клонении от этого угла все большее
количество лучей отражается, а не
поглощается СБ.
Зимой приход радиации значитель-
но меньше из-за того, что дни коро-
че, облачных дней больше, Солнце
стоит ниже на небосклоне. Если вы
используете вашу систему только ле-
том, используйте летние значения,
если круглый год, используете значе-
ния для зимы. Для надежного элект-
роснабжения выбирайте из средне-
месячных значений наименьшее для
периода, в течение которого будет
использоваться ФЭС.
Выбранное среднемесячное зна-
чение для худшего месяца нужно
разделить на дней в месяце. Вы по-
лучите среднемесячное количество
число пиковых солнце-часов, кото-
рое будет использоваться для расче-
та вашей СБ.
5. Расчет солнечной
батареи
Необходимо определить общее
количество модулей, необходимых
для вашей системы.
Ток в точке максимальной мощ-
ности Impp может быть определен
из спецификаций модулей. Вы так-
же можете определить Impp поде-
лив номинальную мощность модуля
на напряжение в точке максималь-
ной мощности Umpp (обычно 17 —
17,5 В для 12-вольтового модуля).
5.1. Умножьте значение п. 1.9 на
коэффициент 1.2 для учета потерь
на заряд-разряд АБ.
5.2. Разделите полученное зна-
чение на среднее число пиковых
солнцечасов в вашей местности. Вы
получите ток, который должна гене-
рировать СБ
5.3. Для определения числа мо-
дулей, соединенных параллельно
разделите значение п. 5.2 на Impp
одного модуля. Округлите получен-
ное число до ближайшего большего
целого.
5.4. Для определения числа моду-
лей, соединенных последовательно,
разделите напряжение постоянного
тока системы (обычно 12, 24. 48 В)
на номинальное напряжение моду-
ля (обычно 12 или 24 В).
5.5. Общее количество требуемых
фотоэлектрических модулей равно
произведению значений п. 5.3 и
п. 5.4
6. Расчет стоимости
системы
Для расчета стоимости фотоэлект-
рической системы электроснабже-
ния нужно сложить стоимости СБ,
АБ, инвертора, контроллера заря-
да АБ и соединительной арматуры
(провода, выключатели, предохра-
нители и т. п.)
Стоимость СБ равна произве-
дению значения п.5.5 на стои-
мость одного модуля. Стоимость
АБ равна произведению значения
п.3.9 на стоимость одной аккуму-
ляторной батареи. Стоимость ин-
вертора зависит от его мощности
и типа. Стоимость соединитель-
ной арматуры можно принять
примерно равной 0,1-1% от стои-
мости системы.
По материалам
www.solarhome.ru
32 1Л1ЧФ САМ №5’2010
Энергия
Земли
В завершение следует упомянуть о том, что, кроме использования энергии
ветра и Солнца, в загородном доме можно использовать также и энергию
Земли (а также воздуха, воды и т. п.). Реализуется это с помощью включения
в энергетическую систему тепловых насосов.
Полтора века назад британ-
ский физик Уильям Томсон
придумал устройство под на-
званием «умножитель тепла», осно-
ванное на следующих физических
явлениях:
• вещество затрачивает энергию
при испарении и отдает энергию
при конденсации;
• температура кипения вещества
изменяется вместе с давлением.
В результате и появился тепловой
насос — устройство для переноса
тепловой энергии от источника с
более низкой температурой к источ-
нику с более высокой температурой,
фактически — это холодильник с ис-
точником более низкой температу-
ры во внешней среде или кондицио-
нер, работающий на нагрев.
Принцип работы теплового насоса
основан на том, что хладагент испа-
ряется в камере с низким давлением
и температурой и конденсируется в
камере с высоким давлением и тем-
пературой, осуществляя таким об-
разом перенос энергии (тепла) от
холодного тела к нагретому, то есть в
направлении, в котором самопроиз-
вольный теплообмен невозможен
В качестве низкопотенциально-
го источника тепловой энергии для
обогрева дома может быть исполь-
зовано тепло естественного проис-
хождения (наружный воздух; тепло
грунтовых, артезианских и термаль-
ных вод; воды рек, озер, морей и
ipyrux незамерзающих природных
водоемов). Тепловые насосы ком-
плектуются системой управления и
автоматики, которая поддерживает
заданный режим работы теплового
насоса.
Энергетическая эффективность
применения тепловых насосов за-
висит от температуры низкопотен-
циального источника и будет тем
выше, чем более высокую темпера-
туру он будет иметь
Тепловые насосы не относятся
к дешевому оборудованию. На-
чальные затраты на установку этих
систем несколько выше стоимости
обычных систем отопления и кон-
диционирования. Однако, если рас-
сматривать эксплуатационные рас-
ходы, то первоначальные вложения
в геотермальный обогрев, охлажде-
ние и горячее водоснабжение быст-
ро окупаются за счет энергосбе-
режения. Кроме того, необходимо
учитывать, что при работе теплового
насоса не требуется никаких допол-
нительных коммуникаций, кроме
бытовой электрической сети.
Производительность теплово-
го насоса (отношение количества
теплоты, переданной телу, к затра-
ченной работе) в идеальном случае
равна:
а=Т вых/(Т вых - Т вх.)
где Т вых. и Т вх. — температуры,
соответственно, на выходе и на вхо-
де насоса.
Устройство теплового
насоса
Основными элементами теплового
насоса являются соединенные тру-
бопроводом испаритель, компрес-
сор, конденсатор и регулятор потока
— дроссель, детандер или вихревая
труба. Схематично тепловой насос
можно представить в виде системы из
трех замкнутых контуров: в первом,
внешнем, циркулирует теплоотдатчик
(теплоноситель, собирающий теплоту
окружающей среды), во втором — ве-
1 - теплообменники в скважинах
(система теплосбора)
2 - контур незамерзающего
теплоносителя (тосол)
3 - тепловой насос
4 - контур отопительной воды
САМ №5’2010
Энергия Земли
щество, которое испаряется, отбирая
теплоту теплоотдатчика, и конден-
сируется, отдавая теплоту теплопри-
емнику, в третьем — теплоприемник
(вода в системах отопления и горяче-
го водоснабжения здания).
Внешний контур (коллектор) пред-
ставляет собой уложенный в землю
или в воду (напр., полиэтиленовый)
трубопровод, в котором циркулирует
незамерзающая жидкость — анти-
фриз. Источником низкопотенци-
ального тепла может служить грунт,
скальная порода, озеро, река, море
и даже выход теплого воздуха из сис-
темы вентиляции какого-либо про-
мышленного предприятия.
Во второй контур, где циркулиру-
ет хладагент, как и в бытовом холо-
дильнике, встроены теплообменни-
ки — испаритель и конденсатор, а
также устройства, которые меняют
давление хладагента — распыляю-
щий его в жидкой фазе дроссель
(узкое калиброванное отверстие) и
сжимающий его уже в газообразном
состоянии компрессор.
Конструкции геотермальных насосов
При работе этих систем используется возобновляемое тепло солнечного излучения,
которое накоплено в земле:
• насос с открытым циклом (теплоноситель подается непосредственно из водоема и
после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно);
• насос с закрытым циклом (теплоноситель прокачивается через замкнутый контур,
который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема. Это более эколо-
гически безопасный метод, чем открытый цикл);
• насос с горизонтальным теплообменником (замкнутый контур теплообменника
укладывается горизонтально в глубокие траншеи);
• насос с вертикальным теплообменником (замкнутый контур теплообменника уста-
навливается вертикально в подготовленные отверстия. Применяется в тяжелом грун-
те или при ограниченности пространства участка. Наиболее эффективным считается
тепловой насос с замкнутым циклом: теплоноситель прокачивается через замкнутый
контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема).
Рабочий цикл теплового
насоса
Жидкий хладагент продавливает-
ся через дроссель, его давление па-
дает, и он поступает в испаритель,
где вскипает, отбирая теплоту, по-
ставляемую коллектором из окру-
жающей среды. Далее газ. в который
превратился хладагент, всасывается
в компрессор, сжимается и. нагре-
тый. выталкивается в конденсатор.
Конденсатор является теплоотдаю-
щим узлом теплонасоса: здесь теп-
лота принимается водой в системе
отопительного контура. При этом
газ охлаждается и конденсируется,
чтобы вновь подвергнуться разря-
жению в расширительном вентиле и
вернуться в испаритель. После этого
рабочий цикл начинается сначала.
Эффективность
теплового насоса
В процессе работы компрессор
затрачивает электроэнергию. На
каждый затраченный киловатт-час
электроэнергии тепловой насос вы-
рабатывает 2,5-5 киловатт-часов
тепловой энергии. Соотношение
вырабатываемой тепловой энергии
и потребляемой электрической на-
зывается коэффициентом транс-
формации (или коэффициентом
преобразования теплоты) и служит
показателем эффективности тепло-
вого насоса. Эта величина зависит
от разности уровня температур в ис-
парителе и конденсаторе: чем боль-
ше разность, тем меньше эта вели-
чина.
По этой причине тепловой насос
должен использовать по возмож-
ности большее количество источ-
ника низкопотенциального тепла,
не стремясь добиться его сильно-
го охлаждения. В самом деле, при
этом растет эффективность тепло-
вого насоса, поскольку при слабом
охлаждении источника тепла не
происходит значительного роста
разницы температур. По этой при-
чине тепловые насосы делают так,
чтобы масса низкотемпературного
источника тепла была значительно
большей, чем нагреваемая масса.
Отличие теплового насоса от топ-
ливных источников тепла состоит в
том, что для работы, кроме энергии
для компрессора, ему нужен так-
же источник низкопотенциального
тепла, в то время как в традицион-
ных источниках тепла вырабатывае-
мое тепло зависит исключительно
от теплотворной способности топ-
лива.
Проблема привязки теплового
насоса к источнику низкопотенци-
ального тепла, имеющего большую
массу, может быть решена введением
в тепловой насос системы массопе-
реноса, например, системы прокач-
ки воды. Так устроена система цен-
трального отопления Стокгольма.
Условный КПД тепловых
насосов
Тепловой насос способен, исполь-
зуя высокопотенциальные источни-
ки энергии, «накачать» в помеще-
ние (в процентах от затраченной) от
200 % до 600 % низкопотенциальной
тепловой энергии. В этом нет нару-
шения закона сохранения энергии,
так как при этом охлаждается окру-
жающая среда.
САМ №5’2010
Альтернативная энергия
Теоретически применение тепло-
вых насосов для обогрева помеще-
ний эффективнее газовых котлов
Современные парогазотурбинные
установки на электростанциях име-
ют КПД незначительно меньший
КПД газовых котлов. В результа-
те при переходе электроэнергети-
ки на современное оборудование
и при применении тепловых насо-
сов можно получить экономию газа
до 3-5 раз в сравнении с газовыми
котлами. В действительности при-
ходится учитывать накладные рас-
ходы по передаче, преобразованию
Рекомендации по эксплуатации теплового насоса
• При использовании в качестве ис-
точника тепла энергии грунта трубопро-
вод, в котором циркулирует антифриз,
зарывают в землю на 30-50 см ниже
уровня промерзания грунта в данном
регионе. Минимальное рекомендуемое
расстояние между трубами коллектора —
0,8-1 м. Специальной подготовки почвы
не требуется. Но желательно использо-
вать участок с влажным грунтом, если же
он сухой, контур надо сделать длиннее.
Ориентировочное значение тепловой
мощности, приходящейся на 1 м трубо-
провода, 20-30 Вт. Таким образом, для
установки теплового насоса производи-
тельностью 10 кВт необходим земляной
контур длиной 350-450 м, для уклад-
ки которого потребуется 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 качестве источника
тепла используется скалистая порода,
трубопровод опускается в скважину. Не
обязательно использовать одну глубокую
скважину, можно пробурить несколько
неглубоких, более дешевых, чтобы по-
лучить общую расчетную глубину. Иногда
в качестве скважин используют фунда-
ментные сваи.
• Ориентировочно на 1 погонный метр сква-
жины приходится 50-60 Вт тепловой энер-
гии. Таким образом, для установки тепло-
вого насоса производительностью 10 кВт
необходима скважина глубиной 170 м.
• Хладагент подается непосредственно к
источнику земного типа, что обеспечивает
высокую эффективность геотермальной
отопительной системы. Испаритель уста-
навливают в грунт горизонтально ниже
глубины промерзания или в скважины
диаметром 40-60 мм, пробуренные вер-
и распределению электроэнергии
(т. е. услуги энергосетей). В резуль-
тате отпускная цена электричества
в 3-5 раз превышает его себестои-
мость, что сводит на нет приме-
нение в общем-то прогрессивной
технологии. В связи с этим, целе-
сообразно использовать электриче-
ство от альтернативных источников
(волновые, ветровые, солнечные
электростанции) или комбиниро-
вать генерацию электричества из
газа с использованием его здесь же,
на месте, для получения тепла в те-
пловом насосе.
тикально либо под уклоном до глубины
15-30 м. Благодаря такому инженер-
ному решению устройство теплообмен-
ного контура производится на площади
всего нескольких квадратных метров, не
требует установки промежуточного теп-
лообменника и дополнительных затрат на
работу циркуляционного насоса.
• При использовании в качестве источни-
ка тепла близлежащего водоема контур
укладывается на дно. Этот вариант принято
считать идеальным: не слишком длинный
внешний контур, «высокая» температура
окружающей среды (температура воды в
водоеме зимой всегда плюсовая), высокий
коэффициент преобразования энергии те-
пловым насосом.
• Ориентировочное значение тепловой
мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт.
Таким образом, для установки теплового
насоса производительностью 10 кВт не-
обходимо уложить в озеро контур длиной
300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на
1 пог. м устанавливается около 5 кг груза.
• Для получения тепла иэ теплого воз-
духа (например, иэ вытяжки системы
вентиляции) используется специальная
модель теплового насоса с воздушным
теплообменником. Тепло из воздуха для
системы отопления и горячего водоснаб-
жения также можно собирать на произ-
водственных предприятиях.
• Если тепла из внешнего контура все же
недостаточно для отопления в сильные
морозы, практикуется эксплуатация насо-
са в паре с дополнительным генератором
тепла (в таких случаях говорят об исполь-
зовании бивалентной схемы отопления).
Когда уличная температура опускается
ниже расчетного уровня (температуры би-
валентности), в работу включается второй
генератор тепла — чаще всего небольшой
электронагреватель.
Преимущества
и недостатки теплового
насоса
К преимуществам тепловых на-
сосов в первую очередь следует
отнести экономность: для пере-
дачи в систему отопления 1 кВт*ч
тепловой энергии установке не-
обходимо затратить всего 0,2-0,35
кВт*ч электроэнергии. Так как
преобразование тепловой энер-
гии в электрическую на крупных
электростанциях происходит с
КПД до 50%, эффективность ис-
пользования топлива при приме-
нении тепловых насосов повыша-
ется. Упрощаются требования к
системам вентиляции помещений
и повышается уровень пожарной
безопасности. Все системы функ-
ционируют с использованием
замкнутых контуров и практиче-
ски не требуют эксплуатационных
затрат, кроме стоимости электро-
энергии, необходимой для работы
оборудования.
Еше одним преимуществом тепло-
вых насосов является возможность
переключения с режима отопления
зимой на режим кондиционирова-
ния летом: просто вместо радиато-
ров к внешнему коллектору под-
ключаются фэн-койлы.
Тепловой насос надежен, его ра-
ботой управляет автоматика. В про-
цессе эксплуатации система не
нуждается в специальном обслужи-
вании, возможные манипуляции не
требуют особых навыков и описаны
в инструкции.
Важной особенностью системы
является ее сугубо индивидуаль-
ный характер для каждого потре-
бителя, который заключается в
оптимальном выборе стабильного
источника низкопотенциальной
энергии, расчете коэффициента
преобразования, окупаемости и
прочего.
Теплонасос компактен (его модуль
по размерам не превышает обычный
холодильник) и практически бес-
шумен.
К недостаткам тепловых насосов,
используемых для отопления, сле-
дует отнести большую стоимость
установленного оборудования.
По материалам
www.elettracompany.com,
аддисон.ру, www.g-mar.ru
НАУКА И ЖИ
КУПОН-ЗАКАЗ
- пеке 95558
юдписнои индек
Наука и жизнь (2009 и 2010 год) 5 журналов.
Цена комплекта — 25 грн. + почтовые услуги
Заказы присылайте по адресу:
03113, г. Киев—113, а/я 95,
ЧП «Присяжнюк Иван Ильич»
УлУ И ЖИЗНЬ
ПОПУЛЯРНОЕ ИЗДАНИЕ №1 (15)' 2010
журналов
за 25 грн.
Тестыизо^е
общество СТР-
1ема. '(’’Web
Нанотехнологии