Возобновляемое и автономное энергоснабжение

Часть 1.
        Природа наш мудрый наставник

        Есть такое точное выражение: «Энергетика - хлеб промышленности». Чем серьезнее уровень развития промышленности и технологий - тем больше энергии нужно для них. Существует даже специальное понятие - «опережающее развитие энергетики». Это значит, что ни одно промышленное предприятие, ни один дом нельзя построить до того, как будет расчитан и определен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять. Вот поэтому довольно определенно можно судить о технической и экономической мощи, а проще говоря - о богатстве любого государства, исходя из количества и обьемов добываемой и используемой электроэнергии.
        Запасы энергии в природе огромны. Несут энергию и солнечные лучи, и ветер, и движущиеся массы воды, и многие другие природные источники. Но дело в том, что не все формы природной энергии пригодны для прямого использования. Но даже та энергия, которая могла бы с успехом использоваться в промышленности и в быту, остается не востребована по причине… тривиального остутствия понимания возможности и необходимости ее использования.
        За историю развития энергетики накопилось множество технических средств и способов добывания энергии, преобразования ее в нужные формы. Огонь костров зажгли первобытные люди, еще не понимавшие его природы - однако этот способ преобразования химической энергии в тепловую сохраняется и совершенствуется уже на протяжении тысячелетий.
        Затем люди придумали ветряные мельницы – громоздкие агрегаты для преобразования энергии ветряных потоков в механическую энергию вращающегося вала. С изобретением двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины и электрического генератора человечество получило в свое распоряжение достаточно мощные технические устройства, способные преобразовать природную энер-гию в иные различные ее виды, удобные для применения. На этом поиск новых источников энергии не завершился. Вскоре были изобретены аккумуляторы, топливные элементы, преобразователи энергии солнца, ветра, воды в электрическую, и - в ХХ столетии - атомные реакторы.
        Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, становится сейчас все более насущ-ной. Основу современной мировой энергетики составляют тепло- атомно- и гидроэлектростанции. Однако их развитие сдерживается рядом факторов. Стоимость угля, нефти и газа, урана на которых работают эти станции, растет, а природные ресурсы этих видов топлива сокращаются. Более того, многие страны не располагают собственными энергоресурсами или испытывают в них недостаток. В процессе производства электроэнергии на этих электростанциях происходит выброс вредных веществ в атмосферу. И, наконец, аварии на ЭС наносят непоправимый ущерб природе и всему человечеству. Что касается аварий на ГЭС, то в случае прорыва плоти-ны любой гидроэлектростанции образуется огромная волна, которая сметет все на своем пути. А ведь большинство таких плотин расположено вблизи крупных городов с населением в несколько сотен тысяч жителей.


        ЧАСТЬ 2
        Альтернативное электропитание и его перспективность
        Выход из сложившегося положения один – развитие и внедрение так называемых “возобновляемых” источников энергии. Все чаще звучат призывы общественности, требующие уменьшить, а то и вообще отказаться от использования ядерного топлива, закрыть все атомные электростанции и возвратится к производству электроэнергии на ТЭС и ГЭС, а также интенсивно использовать «нетрадиционные» виды получения энергии. К последним относят прежде всего установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также разные мини-электростанции, основанные на двигателях внутреннего сгорания.
        При использовании 1МВт мощности на солнечных, ветровых, геотермальных энергоустановках, малых ГЭС при выработке в среднем 2 млн. кВт в год предотвращается выброс около 1700 кг двуокиси углерода, до 15 т сернистого газа и до 2 т окислов азота. В настоящее время по данным международного энергетического агенства (МЭА) производство электроэнергии за счёт альтернативных источников энергии оценивается более чем в 200 млрд. кВт или около 2,1% от общего производства и доля эта будет постоянно увеличиваться.
        Постоянно возрастающий спрос на энергию представляет значительную проблему для всего населения Земли. С ростом энергопотребления (которое уже сегодня превышает 20 млрд.т.у.т. (тонн условного топлива) в год, а через 10 лет по расчётам удвоится) катастрофически возрастает загрязнение окружающей среды. Это может привести к изменению климата на Земле и другим непоправимым последствиям. Возобновляемые источники энергии не ведут к дополнительному нагреву планеты и их вредное воздейстие на окружающую среду (загрязнение атмосферы, почвы и воды) в целом гораздо ниже традиционных ТЭС, ГЭС и АЭС.
        Потенциальные возможности альтернативных источников составляют в год: энергии Солнца - 2300 млрд.т.у.т., энергии ветра - 26,7 млрд.т.у.т., энергии Земли - 40000 млрд.т.у.т., энергии малых рек - 360 млн.т.у.т. Эти источники энергии создают перспективы для решения энергетической проблемы в будущем при одновременном решении экологических проблем.


        Ветроэнергетика
         Очень давно, видя, какие разрушения приносят сильные потоки ветра, человечество задумалось над тем, нельзя ли использовать энергию ветра в своих целях. Первые ветряные мельницы придумали около 1,5 тыс. лет назад древние персы, в дальнейшем ветряные мельницы успешно улучшались. Например, в Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, всбивали масло.
        Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 году и через несколько лет в стране работали уже сотни подобных ему установок, которые успешно применялись в сельском хозяйстве. Энергия ветра очень велика. На сегодняшний день по оценкам Всемирной метеорологической организации ее запасы составляют 170 трлн кВт/ч в год. И что самое главное - эта энергия дешевле атомной и ее можно получать без загрязнения окружающей среды.
        Принцип работы ветроустановок прост - лопасти, вращающиеся за счет силы ветра, передают механическую энергию через вал к электрогенератору, который в свою очередь вырабатывает электроэнергию. Т.е. происходит преобразование механической в электрическую энергию, энергия ветра превращается электрический ток.
        Для получения электроэнергии из ветряного потока применяют разные по конструкции (в основном вертикальные) многолопастные винты (также применяют винты с тремя, двумя и даже одной лопастью) и вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления.
        Остальным конструкциям приходится разворачиваться по ветру. Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, которые частично сглаживают порывы ветра за счет инерции и разного рода аккумуляторы, обычно электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны и, выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту и. падая вниз, вращает турбину).
        Кроме названных, применяют и электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кисло-род и водород, их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) или в газовой турбине, в процессе чего вновь получая ток без резких колебаний напряжения, связанного с порывами ветра.
        В мире работает более 50 тыс. ветроустановок различной мощности. Например, Германия получает от ветра около 10% своей электроэнергии, а Западная Европа - около 2600 МВт электроэнергии. По мере окупания ветряных электростанций их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества снижается. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт/ч электроэнергии, полученной на ветростанциями, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт/ч.
        В Украине в целом территориальные особенности и ветровые условия благоприятны для строительства ветроэлектростанций. На сегодня Украина имеет опыт строительства и эксплуатации современных ВЭС. Всего по Украине установлено 125 ветроэнергетических установок (каждая мощностью более 100 кВт) общей мощностью 13402 кВт, за весь срок эксплуатации выработано 15373 МВт/час электрической энергии, что соответствует 5550 т. у. т. Прогнозируемая мощность ветроэнергетических установок в Украине к 2025 году должна составить около 800…1100 МВт/час. В экологическом плане развитие ветроэнергетики в Украине создает перспективы реального уменьшения уровня применения ископаемого топлива, за счет чего уменьшаются уровень вредных выбросов и загрязнения окружающей среды. Особенно важен экологический аспект для курортных зон Украины, расположенных на юге и в Карпатах, являющихся наиболее благоприятными для строительства ВЭС.
        Рассмотрим устройство ветрогенераторов на конкретных примерах – установки «Пчела» и ВЭУ-08, представленных в нашем магазине. Ветроэлектрические установки такого типа круглосуточно заряжают аккумуляторные батареи и, являясь источником гарантированного электроснабжения, обеспечивают отопление, освещение, питание бытовых электроприборов, компьютерной техники, систем автоматизации и сигнализации, связи. Ветронасосы механические гарантируют обеспечение потребителей водой. Все ветроустановки снабжены системой защиты при буревых скоростях ветра, имеют высокую эксплуатационную надежность, удобны при транспортировке и обслуживании.

Ветроустановка "ПЧЕЛА" предназначена для обеспечения электроэнергией объектов с малым энергопотреблением. Может применяться для энергоснабжения (частично) дома, коттеджа, используется в полевых лагерях, на пасеках, яхтах и т.п. Хорошо подходит для питания автономных объектов, таких как ретрансляторы, маяки, метеостанции, рекламные щиты, различные системы контроля, наблюдения, сбора и передачи данных и т.п.
Тихоходный генератор на постоянных магнитах прямо приводится турбиной. Отсутствие мультипликатора и системы возбу-ждения генератора обеспечивает высокий ресурс ветроустановки. Небольшие размеры ветроустановки позволили спроектировать ее таким образом, что она нормально функционирует в широком диапазоне скоростей ветра без регулирования турбины. Простота конструкции обеспечивает высокую надежность "ПЧЕЛЫ".

Основные эксплуатационные характеристики
Номинальная мощность	150 Вт
Диаметр ветротурбины	1.2 м
Стартовая скорость ветра	3 м/с
Расчетная скорость ветра	8 м/с
Макс. эксплуатационная скорость ветра	45 м/с
Номинальная частота вращения	800 об/мин
Номинальное напряжение генератора	12 В
ЭДС генератора (при макс. оборотах)	до 60 В
Длина ветроустановки	1.5 м
Вынос турбины от оси мачты	0.2 м
Маса	9 кг

        Установка «Пчела» маломощная, простой конструкции. Более мощные ветроустановки вырабатывают гораздо больше энергии и способны, как минимум, обеспечить электроэнергией дом, небольшое хозяйство.

Другой пример ветроустановки - ВЭУ-08.
Установка ВЭУ-08 - единственная в Украине подобного класса, которая прошла государственные приемочные испытания (протокол №01-13-2003(1340302))

        Номинальная/перегрузочная мощность, кВт - 1,5/3
        Стартовая/номинальная/максимальная скорость ветра, м/с - 2,5/7,5/45
        Выходное напряжение, В - 220
        Диаметр ротора, м - 3,3
        Мачта, м -11; 17
        Генератор малообслуживаемый многополюсный синхронный с возбуждением от постоянных магнитов, который соединен с ветротурбиной напрямую, что не требует применения мультипликаторов и трансмиссии. Это позволяет обеспечить долговечность ветроустановки и снизить уровень шума.

Выработка электроэнергии за месяц в зависимости от среднемесячной скорости ветра
Vcp, м/с	W, кВт•Ч
3	60
5	200
7	340

Основные эксплуатационные характеристики
Номинальная мощность	800 Вт
Диаметр ветротурбины	3.1 м
Стартовая скорость ветра	2.5 м/с
Расчетная скорость ветра	8 м/с
Макс. эксплуатационная скорость ветра	50 м/с
Номинальная частота вращения	310 об/мин
Метод остановки	флюгирование
Регулирование оборотов	изменение шага
Номинальное напряжение генератора	24 В
ЭДС генератора (при макс. оборотах)	до 60 В
Рекомендуемая высота мачты	11..17 м

        Ветроустановка ВЭУ-08 универсальноа в применении, функционирует автоматически, требует минимальное обслуживание, срок экслуатации более 20 лет.

Использование энергии солнца
        Солнце изливает на Землю океан энергии. Человек, буквально купаясь в этом океане, словно не замечая этого, вгрызается в землю за углем и нефтью, чтобы добыть энергию для заводов и фабрик, для освещения и отопления. И ведь добываетто он всю ту же энергию Солнца, которую "впитали" растения былых времен, ставшие впоследствии за миллионы лет углем. Растения способны уловить меньше одного процента падающей на листья солнечной энергии, а после сжигания угля ее выделяется и того меньше. Солнечная энергия доступна всем и каждому. Ее практически сколько угодно. Она экологична - ничего не загрязняет, ничего не разрушает и не нарушает, она дает жизнь всему на Земле. Более того, эта энергия даровая, но при всех своих достоинствах и самая дорогая. Именно поэтому солнечные электростанции не так распространены, как электростанции других видов.
        На острове Сицилия недалеко от известного вулкана Этна еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы - башенный, зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике на высоте 50 м. Там вырабатывается пар с температурой более 500 С, который приводит в действие турбину с генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровым аккумулятором. Доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 1020 МВт и больше, если группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу.
        Иного типа электростанция в Альмерии на юге Испании мощностью 0,5 МВт. Ее сфокусированное солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот (как в атомных реакторах), который нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ непрерывность работы электростанции, возможность накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. На таком принципе могут быть созданы более крупные станции до 300 МВт. В установках такого типа концентрация солнечной энергии так высока, что КПД паротурбинного процесса, как в традиционных тепловых электростанциях. Такой же принцип работы еще в одном варианте солнечной электростанции в Германии мощностью 20 МВт. КПД этой станции поднят 18%, что существенно больше, чем у других подобных установок.
        А в бывшем СССР около Керчи построена станция мощностью 5 МВт. Вокруг башни размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел. Зеркала площадью 25 м2 каждое автоматически следят за Солнцем и собирают солнечную энергию плотностью потока в 150 раз большую, чем Солнце создает на поверхности Земли. В котле генерируется пар с температурой 250 С, который вращает турбину. В специальных емкостях - аккумуляторах под давлением содержится вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду. Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще 3-4 часа после захода Солнца, а на половинной мощности - около полусуток.
        Солнечная энергия используется везде - в небольших автомобилях на солнечных батареях, на космических станциях и спутниках. Сейчас появляется достаточно много различных зарядных и питающих устройств на солнечных батареях.

        В состав ветросолнечного комплекса входят, кроме ветрогенератора и фотоэлектрических батарей, преобразователь постоянного тока (24В) в переменный (инвертор) 220В, 50Гц, контроллеры, автоматика и аккумуляторные батареи. Три основные величины определяют работу комплекса:
        1) выходная мощность (Р, кВт) определяется только мощностью преобразователя и не зависит от скорости ветра и освещенности фотобатареи, емкости аккумуляторов;
        2) время непрерывной работы (t, час) при отсутствии ветра/солнца определяется только емкостью АБ (А*ч) и зависит от величины и характера нагрузки и режимов работы. Для примера, в 4х полностью заряженных аккумуляторов емкостью 200А*ч запасается 7-8кВт*ч электроэнергии, что при постоянной нагрузке 1кВт обеспечивает непрерывную работу 7-8 часов;
        3) выработка электроэнергии (W, кВт*час) определяется реальным ветропотенциалом, высотой мачты, рельефом местности, солнеч-ной освещенностью и расположением фотобатарей и, обычно, указывается за усредненный промежуток времени, например, месяц, т.к. дневная или, тем более, часовая выработка будет носить выборочный, случайный характер.

Выработка электроэнергии за месяц в зависимости от среднемесячной скорости ветра
Vcp, м/с	W, кВт•Ч
3	80
5	210
7	350

        Для мест со значительным ветропотенциалом (например, степь, возвышенность) или при использовании мачты высотой 17м (что уменьшает шумовое воздействие) выработка увеличивается.
        Фотобатареи типа "ISOFOTON-110Вт" вырабатывает 10-30кВт*ч электроэнергии в месяц в зависимости от освещенности.
        В системах обычно используются следующие типы АБ:
        1. тип Оберон "200-240А*ч", производство Украина, малообслуживаемые, негерметичные (необходимо устанавливать в техническом проветриваемом помещении), срок службы 3-5 лет, 1 шт. ~ 180$;
        2. тип SSB "200-220А*ч", пр. Китай, герметичные необслуживаемые (устанавливать можно где угодно), срок службы 5-7 лет, 1 шт. ~ 320$.
        В качестве дополнительного зарядного устройства в блоке управления предусмотрена работа с сетью 220В, либо с бензин/дизель электростанцией по различным алгоритмам (резервный режим).
        В случае использования гибридных ветросолнечных систем предусматривается более плавное среднегодовое покрытие нагрузок, так как ветер доминирует в осенне-зимний период, а солнце - в весеннелетний, а также увеличение среднесуточной (среднемесячной) выработки энергии за счет увеличения вероятности одновременной работы двух независимых источников энергии. Таким образом, при работе двух источников с одним Блоком Управления и Преобразования относительная стоимость системы в целом снижается и, как следствие, уменьшается удельная себестоимость выработки одного кВт/ч электроэнергии.

Месяц	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
КВт*ч	190	215	230	195	155	110	100	85	105	140	155	170

        Автономные источники электроэнергии на основе бензо-дизельных генераторов

        Автономные источники электроэнергии на базе бензо-дизельных генераторов широко применяются во многих сферах деятельности. Независимые источники питания позволяют проводить строительные, ремонтные, другие работы, удобны в быту, во время отдыха и путешествий. Средства автоматики таких источников питания обеспечивают надежную работу в рекомендованном диапазоне рабочих режимов и достижение наиболее эффективных характеристик, имеют высокую степень автоматизации, требуют минимально-го количество персонала. Современное производство электростанций такого типа дает широкий спектр моделей для различных нужд и перед тем, как выбрать и купить электростанцию, необходимо знать особенности таких источников питания.
        По типу двигателей электрогенератора различают бензиновые электростанции, инверторные электростанции и дизельные электростанции.
        БЕНЗИНОВЫЕ СТАНЦИИ. Основные достоинства: относительно низкая стоимость оборудования по сравнению с другими типа-ми; компактность; легкий пуск в условиях низких температур; невысокий уровень шума электростанции; простота эксплуатации.
        Основное назначение: бензиновые электростанции используются как источник электропитания на непродолжительное время до 7-8 часов.
        ИНВЕРТОРНЫЕ СТАНЦИИ. Инверторные электростанции - это бензиновые электростанции (один из типов), которые помимо плюсов указанных выше имеют следующие достоинства: высокое качество производимой электроэнергии; компактность и отличный показатель соотношения массы оборудования к величине вырабатываемой энергии.
        Основное назначение: использование инверторных электростанций как источник резервного питания для оборудования тре-бовательного к качеству электроэнергии (компьютерная техника) или как источник электричества в походах (мини электростанции).
        ДИЗЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. Основные достоинства: низкая стоимость вырабатываемой электроэнергии; быстрая окупае-мость; большой моторесурс и долговечность.
        Основное назначение: использование дизельной электростанции, как источник резервного электропитания на продолжи-тельное время свыше 7-8 часов и при высоком уровне потребления электричества. Ассортимент дизельных электростанций также можно посмотреть в каталоге товаров.

        Малогабаритные водяные электростанции
        Гидроагрегаты для микро - ГЭС предназначены для эксплуатации в широком диапазоне напоров и расходов с высокими энергетическими характеристиками. В комплект поставки обычно входят: турбина, генератор и система автоматического управления. Микро-ГЭС - надежные, экологически чистые, компактные и быстроокупаемые источники электроэнергии для сел, дачных поселков, фермерских хозяйств в отдаленных и труднодоступных районах. Такие установки подразделяются по принципу работы, по конструк-тивному исполнению, по мощности и номинальному вырабатываемому напряжению. Технические решения, применяемые при созда-нии микро -ГЭС, разнообразны. Это и традиционные - применение практически всех гидротурбин (радиально-осевых, пропеллерных, ковшовых), а также много нетрадиционных предложений, например, гирляндные ГЭС.
        Многие зарубежные фирмы, например, австралийские "Элин" и "Касслер", шведская "Скандия" и др., выпускают компактные микро-ГЭС, полностью изготовленные, смонтированные и испытанные на заводе. Стандартные гидроагрегаты состоят из гидротурби-ны, трансформатора, распределительных устройств, аппаратуры регулирования и управления. Большое число микро-ГЭС произво-дится в КНР, имеющие мощность менее 25 кВт - 60 тыс. шт. Оборудование для них стандартизировано и применяется, начиная с мощности 12 кВт. Такие варианты микро -ГЭС являются малоконцентрированными источниками энергии, не вносящие в природную среду серьезных изменений, поэтому практически они могут считаться экологически безопасными установками.
        Малые ГЭС в отличие от дизельных и бензиновых электростанций все-таки требуют индивидуального проектирования и ус-тановки. Основные технические характеристики микро-ГЭС следующие:
        Диапазон мощности генератора: 5-50 кВт
        Номинальное фазное напряжение: 220 В
        Род тока: переменный синусоидальный трехфазный
        Номинальная частота: 50Гц
        Длина кабеля от генератора до системы управления: не более 50 м
        Длина кабеля от модуля до балластной загрузки: не более 10 м
        Масса базового модуля: не более 80 кг
        Габаритные размеры базового модуля, мм: 520х430х1200