Реальность наступившего XXI века такова, что очень многие вчерашние скептики сегодня задумались об энергосбережении. Еще вчера условно дешёвая электроэнергия стремительно дорожает.
Меняется климат, меняются социальные отношения, меняется инфраструктура обеспечения энергоресурсами, а вместе с ними меняется и наше отношение к условиям комфортного проживания.
Отсутствие или нестабильная работа централизованных источников энергии требует иных (т.н. «возобновляемых») источников энергии. Неисчерпаемая энергия солнца, ветра и воды все больше приходит на смену или используется совместно с традиционными углеродными источниками энергии. Солнечные и ветряные электростанции в развитых странах уже производят электричество в промышленных масштабах.
Но всегда ли разумно использовать сверхмощные ветрогенераторы, гидрогенераторы, гигантские поля солнечных систем? Несмотря на постоянное снижение стоимости вырабатываемой энергии затраты на изготовление и обслуживание такого оборудования достаточно высоки, а влияние на окружающую среду огромно. Поэтому и размещают их на пустынных площадях суши и моря.
Альтернатива – использование малых электро- и теплогенерирующих систем. Стоимость их невысока, влияние на окружающую среду ничтожна, обслуживание минимально. Применение различных типов оборудования при правильном подборе и привязке к окружающим условиям позволит не только минимизировать затраты по энергоснабжению, но и полностью перейти на автономное энергообеспечение.
При выборе оборудования необходимо учитывать требования и условия:
— генерируемая мощность. Существующее оборудование позволяет использовать одновременно как централизованные источники, так и дополнительные (возобновляемые). Это снизит суммарные затраты;
— возможность и сложность монтажных работ;
— необходимость использования оборудования в качестве основного (постоянного) или аварийного источника энергии;
— климат региона установки оборудования;
— наличие возобновляемых источников, их постоянство в течении климатических сезонов;
— необходимость одновременной генерации электро- и тепловой энергии;
— расходы на приобретение и на последующую эксплуатацию.
Солнечная энергия
Количество солнечной энергии определяется солнечной инсоляцией. Солнечная инсоляция – это величина, определяющая количество облучения поверхности пучком прямых солнечных лучей (в том числе, отраженных или рассеянных облаками).
Энергия солнечного излучения преобразуется в солнечном коллекторе в тепловую энергию, а в солнечной панели в электрическую энергию.
При расчете систем на солнечных коллекторах или солнечных панелях первостепенное значение имеет фактическая инсоляция, которая может быть определена лишь на основе наблюдений.
Фактическая инсоляция на тот или иной участок поверхности зависит от ее ориентации относительно юга, угла к горизонту, конфигурации застройки, деревьев, температуры, но самое главное – широты местности и, как следствие, времени года.
Широта местности определяет зональность и сезонность распределения солнечной радиации. На экваторе угол падения солнечных лучей на земную поверхность максимальный, а к полюсам наблюдается его постоянное уменьшение. Т.к. между углом падения солнечных лучей и количеством солнечной радиации существует четкая зависимость, то от экватора к полюсам величина солнечной радиации снижается, а значит, снижается и эффективность использования солнечных коллекторов и солнечных панелей.
По данным специалистов Российского государственного гидрометеорологического университета в числе самых солнечных городов России — Краснодар, Красноярск, Новосибирск, Челябинск, Воронеж, Самара и Екатеринбург.
Система солнечной электрогенерации:
— комплект солнечных панелей;
— комплект установочных конструкций;
— контроллер (в т.ч. заряда аккумуляторов для Offline систем);
— комплект аккумуляторов (для Offline систем);
— инвертор.
Мощность таких систем — от сотен ватт до сотен мегаватт. Системы небольшой мощности обеспечивают электроэнергией частные дома, мобильные пункты. На небольших предприятиях, учреждениях, отелях используют системы от 12 кВт и более.
Энергоэффективность и надежность солнечной системы — наиболее важная её характеристика.
Солнечные панели на основе монокристаллического кремния имеют наибольший КПД и длительный срок эксплуатации (до 25 лет). Панели из поли- и аморфного кремния применяются в мобильных изделиях или в бюджетных проектах. Прозрачные и двухсторонние панели используют для проектов с особыми требованиями, т.к. пока эти панели достаточно дороги.
В системах OFFline, т.е. не использующих централизованные источники энергии, очень важно применения качественных аккумуляторов. Наиболее распространены AGM/gel аккумуляторы. На смену им приходят более дорогие Li-ion, F-ion, LiFePO4 и LTO аккумуляторы. LiFePO4 и LTO аккумуляторы работают в отрицательных температурах, а LTO имеют ресурс работы до 25 лет.
Стандартная система солнечной теплогенерации:
— комплект солнечных коллекторов;
— комплект установочных конструкций;
— контроллер;
— комплект оборудования первичного контура теплоносителя (насос, клапаны, термодатчики, соединительные трубопроводы, арматура);
— бак-накопитель.
В системах солнечной теплогенерации применяют два типа солнечных коллекторов:
— плоские. Основной элемент — медный «змеевик», размещенный под плоской стеклянной панелью со специальным светопоглощающим покрытием;
— модули с вакуумными трубками. Основной элемент такого модуля – закаленные стеклянные вакуумные трубки, внутри которых находятся медные тепловые трубки. Тепловая трубка с незамерзающим теплоносителем дополнительно защищена от замерзания в холодный период методом конусования нижней части трубки. Стеклянная трубка имеет трехслойное селективное поглощающее покрытие Al-n/Ss/Cu с высокой избирательной способностью (до 95%).
Солнечные коллекторы предназначены для нагрева теплоносителя (в зимний период от -40 гр. С и выше) в замкнутой системе с последующим использованием сохраненного тепла в баках-аккумуляторах для нужд горячего водоснабжения и отопления.
Для увеличения тепловой мощности возможно последовательно/параллельное подключение модулей.
На текущий момент вакуумный коллектор — наиболее эффективный теплогенератор для любого региона, где есть солнечное излучение. КПД использования солнечного излучения у вакуумных трубок достигает 85%.
Такая система может работать в сочетании с водогрейными котлами, системами централизованного отопления и низкотемпературными системами отопления. Но наиболее энергоэффективна она в сочетании с тепловыми насосами различных типов. См. ниже раздел «Тепловые насосы».
Ветро- гидрогенераторы
Малые ветрогенераторы (до 10 кВт), в отличии от крупных ветрогенераторных станций (от 100 кВт), используются для снабжения электроэнергией частных домов и различных объектов без сложных систем распределения. Энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера. В частности, это и непостоянство ветровых потоков и дороговизна самих ветрогенераторов.
Тем не менее, в районах с постоянными ветровыми нагрузками (южное побережье и северные области России на запад от Енисея) срок окупаемости таких систем достаточно мал (см. карту).
В отсутствии централизованных или иных возобновляемых источников энергии – ветро- и гидроэнергетика единственная альтернатива мобильным дизель-генераторам.
Малая система ветро- гидрогенерации:
— электрогенератор;
— лопасти, форма и размер которых определяется номинальной мощностью;
— контроллер (в т.ч. заряда аккумуляторов для Offline систем);
— комплект аккумуляторов (для Offline систем);
— инвертор.
Современные ветрогенераторы вертикального типа характеризуются простой и надежной конструкцией, сверхмалой стартовой скоростью (от 1,5 м/с), низкой скоростью вращения (от 100 RPM до 350 RPM) при номинальной выходной мощности (от 300 Вт до 10 000 Вт).
Главные преимущества (относительно горизонтальных ветрогенераторов):
— на 30% больше выходной мощности при низкой скорости ветра;
— бесшумная работа — около 30 дб;
— легкий вес и безопасность конструкции.
Ветрогенераторы вертикального типа до 2000 Вт идеально подходят для установки на крыше частного дома.
Тепловые насосы.
Тепловые насосы — настоящее чудо эффективности.
Существует несколько типов тепловых насосов (ТН): воздушные и геотермальные (использование тепла земли или воды). Эффективность геотермальных ТН выше воздушных, но затраты на их сооружение и последующую эксплуатацию превышают в 5 и более раз.
ТН типа «воздух-вода» называется машина, которая поглощает низкопотенциальную теплоту из окружающей воздушной среды с температурой от -25°С (стандартно -10°С ) до +50°С и передает ее в систему теплоснабжения в виде нагретой воды.
Работа теплового насоса основана на цикле Карно. Теплоноситель (приточный воздух) отдает тепло во входном теплообменнике (испарителе) хладагенту. Нагретый хладагент, нагнетаемый компрессором, в выходном теплообменнике (конденсаторе) отдает тепло теплоносителю (пропиленгликоль или вода) и охладившись, поступает в испаритель, где нагревается от новой порции приточного воздуха. Цикл повторяется.
Электроэнергия, потребляемая ТН, тратится лишь на работу компрессора. Максимальная температура теплоносителя на выходе конденсатора для ТН типа «воздух-вода» достигает +50°С ÷ +60°С. Этого достаточно для использования ТН как в системах «теплый пол» в регионах с теплым климатом (минимальная температура -10°С), так и в регионах с умеренным климатом (минимальная температура -25°С).
В современных ТН применяются инверторные преобразователи, технологии нечеткого интеллектуального управления размораживанием и линейного управления впрыском. Это значительно повышает надежность оборудования при перепадах питающего напряжения и обеспечивают стабильную эффективную работу при низкой температуре окружающей среды с экономией до 70% энергопотребления по сравнению с традиционными методами.
Коэффициент полезного действия (COP), определяемый отношением выходной (тепловой) мощности ко входной (потребляемой электрической), для ТН «воздух-вода» достигает 5, уменьшаясь до 1 при температуре приточного воздуха -25°С. Для геотермальных он постоянен – около 5,5.
Значительное уменьшение затрат на отопление, длительный срок службы – до 25 лет, минимальные затраты на монтаж, запуск и сервисное обслуживание, возможность дистанционного мониторинга, экологичность и независимость от поставщиков энергоносителей – всё это отличает ТН воздух-вода» как от других типов ТН, так и от газовых, твердотопливных или электрических теплоэнергоустановок.
При использовании ТН совместно с солнечными коллекторами общая суточная энергоэффективность существенно возрастает.
