Альтернативные и автономные источники энергии

Как альтернативные источники энергии ветряные и солнечные установки известны давно, хотя в России они распространены не так широко, как в европейских странах. Однако обойти вниманием этот бесплатный природный ресурс для получения электрической энергии невозможно, тем более что это не только экономически довольно выгодно, но и экологически безопасно.

Одним из условий, которые позволят использовать энергию ветра, является необходимость иметь ветряк – ветроэнергетическую установку. Кроме того, важно иметь дом на территории, где сильные ветры не редкость, хотя и небольших порывов будет достаточно для работы ветряка мощностью 1,5–4 кВт. Скромные потребности, такие, как свет, просмотр телевизор и подзарядка ноутбука, обеспечит установка мощностью 500–600 Вт.

Ветроэнергетическая установка (рис. 48) представляет собой конструкцию, состоящую из следующих элементов: мачты, ветроголовки с тремя лопастями, генератора, опорно-поворотного узла, контроллера, зарядного устройства, аккумулятора, инвертора.

Рисунок 48. Конструкция ветроэнергетической установки: 1) головка ветроколеса; 2) редуктор; 3) генератор; 4) труба; 5) обойма; 6) оребренный профиль; 7) мачта

Ветроэнергетическая установка работает так (рис. 49): лопасти, зафиксированные на колесе, приходят во вращение под воздействием ветра; колесо сообщает крутящий момент на вал генератора, который вырабатывает энергию. Между ее количеством и размером колеса есть прямая зависимость: чем больше колесо, тем легче оно захватывает ветер, тем больше энергии вырабатывается. Энергия поступает в зарядное устройство, которое трансформирует ее в постоянный электрический ток, необходимый для зарядки аккумуляторов. Всеми процессами управляет контроллер. Для получения переменного тока, на котором работает вся бытовая техника, имеется инвертор.

Рисунок 49. Схема работы ветряка: 1) ветрогенератор; 2) зарядное устройство; 3) аккумуляторы; 4) инвертор; 5) потребитель

Чтобы смонтировать ветроэнергетическую установку, необходимо подготовить бетонный фундамент, включающий закладной элемент (железобетонное кольцо), залитый раствором. Стальную мачту в вертикальном положении удерживают растяжки.

В настоящее время приобрести ветроэнергетическую установку, причем не только импортного, но и отечественного производства, не проблема. Понятно, что стоимость ее напрямую зависит от мощности, например ветроэнергетическая установка в 1 кВт (она даст 120 кВт в месяц) обойдется примерно в 35 000 руб.

Наличием сильных ветров на территории России могут похвастаться не все регионы. Это же относится и к солнечным дням, количество которых в разной местности различно, хотя даже сильная облачность не мешает получать 100 Вт с 1 м². Чтобы выработать 10 кВт энергии, необходимо, чтобы площадь солнечных батарей составляла 100 м².

Чтобы солнечную энергию преобразовать в электрическую, потребуются специальные элементы, сам же процесс трансформации называется фотоэлектрическим эффектом, а модуль, использующийся для этого, – фотоэлектрическим элементом.

По обе стороны фотоэлемента смонтированы токоотводы. Когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент, часть света (фотон) поглощается. При этом освобождается один электрон. В этот момент образуется ток. Электричество, образованное в солнечном элементе, может сразу использоваться или накапливаться в аккумуляторной батарее. Отдельные фотоэлементы не в состоянии обеспечить дом необходимым количеством энергии, поэтому их собирают в панели, различные по размеру и типу. Как правило, это кремниевые фотоэлектрические модули, размер которых варьируется от 0,4 до 1,6 м², мощностью 40—160 Вт.

Будучи объединенными, панели образуют солнечные батареи. Коэффициент полезного действия солнечных панелей пока невелик и составляет 5—15 % (только 15 % света преобразуется в электрическую энергию).

Комплекс солнечных батарей с контроллером, инвертором, аккумуляторами, кабелем, электронагрузкой и поддерживающей структурой называется солнечной станцией, которая может рассматриваться и применяться в качестве системы аварийного источника электроснабжения (рис. 50).

Рисунок 50. Устройство резервной фотоэлектрической системы: 1) солнечные панели; 2) инвертор; 3) аккумулятор; 4) сеть; 5) нагрузка

Стоимость станции из четырех модулей мощностью 115 Вт, двух аккумуляторов, инвертора мощностью 1 кВт и контроллера составит примерно 125 000 руб. Достаточно ли такой станции для обеспечения электроэнергией индивидуального дома, зависит от энергозатрат, которые перед покупкой комплекса необходимо подсчитать (если электричество в доме есть, то помогут показания счетчика за месяц; если оно не заведено, то следует установить все предметы, которые являются потребителями энергии, сложить их мощность и умножить на количество часов работы в месяц – это и будет количество энергозатрат). Разумеется, необходимо оптимизировать количество потребляемой энергии, например за счет установки энергосберегающих лампочек, уличных фонариков, работающих от солнечной батареи, и т. д.

Соединения и ответвления проводов и кабелей необходимо выполнять в специально предназначенных для этого разветвительных и соединительных коробках (их можно различить по количеству отверстий: в первых их четыре, во вторых – два).

Надо признать, что альтернативные источники энергии еще не превратились в обыденность, поскольку первоначальные затраты на приобретение оборудования достаточно высоки, и окупятся они не ранее чем через 10 лет. Однако перспективы, которые открываются, как утверждают ученые, огромные.

На случай перебоев с электроснабжением предназначаются и автономные источники энергии – передвижные электростанции. Они мобильны, компактны, мощны, обладают значительным ресурсом, долговечны, работают с достаточно низким уровнем шума и при большом перепаде температур – от +45 до –50 °С.

Основными комплектующими передвижной электростанции являются генератор и двигатель внутреннего сгорания. В зависимости от типа генератора, различают станции синхронные (для применения при аварийной ситуации) и асинхронные (для поддержания напряжения в сети и подключения электроприборов, реагирующих на скачки напряжения).

Передвижные станции могут работать на бензине или дизельном топливе. Первые используют в качестве источника электроснабжения при перебоях с подачей электричества. Их мощность колеблется в пределах от 0,5 до 12 кВт, чего вполне хватает для выполнения незначительных объемов работ. Генератор оснащен автозапуском, т. е. он начинает действовать при отключении электричества. Уровень шума бензиновых электростанций примерно на 20–30 % ниже, чем дизельных.

Дизельная электростанция рассчитана на постоянную работу. Ее мощность варьируется в значительном пределе – от 12 до 2500 кВт. Станции могут давать разное количество оборотов в минуту – до 3000 об/мин. Для постоянного энергоснабжения дома и участка достаточно, если этот параметр будет составлять 1500 об/мин. Дизельные станции последнего поколения могут бесперебойно работать круглый год.

При покупке передвижной электростанции надо выбрать агрегат необходимой мощности. Для этого надо установить, какие именно приборы будут работать от нее. Среди постоянных потребителей энергии нужно назвать холодильник, лампы, среди периодически включаемых – утюг, электроинструмент и т. п. Чтоб рассчитать мощность станции, надо суммировать мощности тех приборов, которые активно эксплуатируются, и прибавить дополнительно 20 %. Если потребности небольшого садового домика обеспечит станция мощностью 2 кВт, то для индивидуального благоустроенного дома потребуется станция мощностью 10–20 кВт.