Автономное энергоснабжение должно быть комплексным


О проблеме автономного энергообеспечения малых объектов

Автономный домПроблема автономного энергообеспечения малых объектов – а это индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма и т. д. – становится всё более актуальной. Она имеет прямое отношение и к выживанию ещё сохранившихся сельских поселений, и к освоению новых территорий, к вопросу занятости населения и, конечно же, к сохранению окружающей среды. Да и экономика энергоснабжения объектов даже в зоне доступности к инженерным сетям с каждым годом всё настойчивее принуждает к поиску альтернативных путей. Подтверждением тому является возрастающий интерес к решению этой задачи как со стороны специалистов в данной области, так и просто энтузиастов в практическом освоении альтернативной энергетики.

Однако, как показывает опыт использования самых разнообразных технических устройств, как собственного изготовления, так и промышленного – отечественного либо зарубежного (в основном – китайского), на сегодняшнем этапе нет удовлетворительных примеров автономного комплексного энергоснабжения даже малых объектов. В лучшем случае встречаются удачные решения по бесперебойному электроснабжению потребителей и то только при небольших нагрузках. А уж о стабильном автономном теплоснабжении от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) без тепловых её накопителей говорить не приходится.

Анализ всевозможных вариантов решения рассматриваемой проблемы убеждает, что автономное энергоснабжение от ВИЭ должно быть комплексным. Это – не только полная независимость от поставщиков энергии с их ценовым и правовым произволом, от аварийных и плановых, а также «веерных» отключений, но и оптимальное решение в смысле минимизации капитальных и эксплуатационных затрат, а также предельно высокая эффективность использования природных энергоресурсов. И если первые из упомянутых аргументов не нуждаются в пояснениях, то последние рассмотрим поподробнее.

За основную модель энерго-инфраструктурного комплекса для малых объектов примем «Пример комплексного энергоснабжения объектов от ВИЭ», являющийся приложением к статье «К разумной энергетике». Главным отличительным признаком этого варианта является наличие в нём теплового аккумулятора – накопителя тепловой энергии.

Разработано очень много конструкций тепловых аккумуляторов, отличающихся и по исполнению, и по виду используемого материала, и по энергоёмкости – вплоть до сезонного теплоснабжения крупных объектов. Они просты по своему устройству, состоят из недорогих и доступных материалов и практически не требуют никакого обслуживания. Для создания в них теплового резерва разработаны различные преобразователи солнечной, ветровой, волновой – то есть возобновляемой энергии. О них поговорим позже.

Вопрос теплоснабжения жилья, разных подсобных и хозяйственных объектов, теплиц и т. д. здесь решается просто. Более серьёзного внимания требует решение вопроса преобразования тепла в электрическую энергию: известные паросиловые агрегаты из-за своей сложности, небезопасности и низкой эффективности здесь заведомо не годятся, а уж о термопарах и говорить нечего.

В упомянутом «Примере» приводится тепломеханический преобразователь по патенту RU №2442906, 2012 г. Он прост в изготовлении, безопасен в эксплуатации, легко вписывается в схему автоматического управления. Но при использовании для его теплочувствительных элементов (ТЧЭ) обычных дюралевых труб реальный КПД будет ниже «паровозного». Конечно, при утилизации сбрасываемого им тепла на отопительные цели (по ниже приведенной блок-схеме) общий к.п.д. системы энергоснабжения остаётся очень высоким, однако соотношение затрат тепла – на обогрев и электроснабжение – может оказаться невыгодным.

Сейчас уже созданы новые материалы, позволяющие изготовить теплочувствительные элементы с улучшенными механическими свойствами и таким образом повысить в разы к.п.д. преобразователя, но эти материалы пока отсутствуют в широком доступе.

С учетом этих обстоятельств был разработан более совершенный компактный тепломеханический преобразователь с более высоким (по крайней мере – на порядок) КПД., чем у выше рассмотренного. При этом он также безопасен и практически не требует никакого обслуживания. Но для освоения его производства должны быть соответствующие производственные условия, а также выполнение определенных формальностей, связанных с патентованием этой модели.

Однако вернёмся к первичным преобразователям возобновляемой энергии. В описаниях упомянутых в «Примере» ветротепловых установок (ВТУ) указаны их главные достоинства: безопасность при всякой погоде и на всей прилегающей территории (т. е. отсутствие «опасной зоны»), способность надежно работать в широком диапазоне ветровых нагрузок, оптимальная динамика работы за счет строгой согласованности силовых характеристик ветроколеса и теплогенератора, защита от запредельных режимов, а также вполне приемлемые капитальные затраты, сопоставимые со стоимостью системы отопления подобных объектов с подключением к газовой сети. Одна – наиболее простая по конструкции – установка схематично показана на рис. 1. У неё такой же ветряк, как у ВТУ по патенту РФ №2253041, а теплогенератор конструкционно совмещен с теплоаккумулятором.

Ветротепловая установка

Но более перспективной представляется «Парусная импульсная ветроустановка» (патент РФ №2469209), опять же в варианте с тепловым преобразованием энергии: она вообще не имеет вращающихся органов, сохраняет свою работоспособность даже в экстремальных ветровых условиях, обладает свойством самооптимизации режима работы во всем диапазоне ветровых нагрузок и, таким образом, может быть использована на территории с самой плотной застройкой.

Что касается солнечных коллекторов, то хотелось бы остановиться на самых простых вариантах их конструкции, один из них показан на рис. 2.

 

Система теплоснабжения с использованием солнечной энергии

Разработан и «Солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель» — патент РФ № 2535193, не требующий электроэнергии для циркуляции теплоносителя и ориентации абсорбера на источник излучения, а также солнечные коллекторы с защитой от атмосферных осадков (в т.ч. града, снега и гололёда, доставляющих много хлопот при их эксплуатации).

Для автономного энергоснабжения малых объектов на побережьях создан «Импульсный преобразователь волновой энергии» — патент РФ № 2374485.

В заключение следует привести пару примеров комплексного энергоснабжения с краткими пояснениями их практического исполнения.

При выборе вариантов за основу были приняты следующие соображения:

  • требование бесперебойности энергообеспечения объектов даже в самые холодные зимы;
  • целесообразность начать освоение этого нового направления (т. е. с использованием энергоёмких теплоаккумуляторов) с самых простейших конструкций;
  • необходимость обеспечения полной безопасности ветроустановок, позволяющей использовать их на ограниченных земельных участках, где исключена возможность отчуждения территории под «опасную зону», а также максимальное снижение уровня причиняемого дискомфорта;
  • сведéние к минимуму капитальных затрат и эксплуатационных издержек.

В соответствии с этим были выбраны по одному варианту для каждого вида ВИЭ, которые, кстати, в ниже описанном исполнении ещё не апробированы. При этом в качестве теплоносителя используется воздух, что позволяет максимально упростить всю систему теплоснабжения и обеспечить её надежность при любой погоде.

1. Вариант с ветротепловой установкой

Первичным преобразователем ветровой энергии в этом варианте принята упрощенная установка, предназначенная для совместной работы с простейшим галечным аккумулятором (такой вариант упоминается в «Примере комплексного энергоснабжения объектов от ВИЭ»). Используется принцип аэродинамического нагрева (как в аэродинамической сушильной камере, только вместо просушиваемого материала здесь воздухопроницаемый экологически чистый накопитель тепла – промытый гравий, мелкий булыжник и т.п.). Мощный осевой вентилятор с меняющимся углом поворота лопастей создает возможность автоматического регулирования нагрузки на ветроколесо, чем обеспечивается его вращение практически с постоянной скоростью при любом напоре ветра в расчетном интервале. Предусмотрена защита от запредельных режимов, от опасной вибрации (в этом случае автоматическое повторное включение исключено), а при наличии потенциальной опасности – и от шквальных ударов ветра. Конструкция лопастей и их креплений исключает возможность разрушения ветроколеса с потерей его фрагментов. Таким образом, «опасной зоны» не существует.

Над теплоаккумулятором, занимающем определённую площадь, целесообразно разместить теплицу (оранжерею) или какую-либо хозяйственную постройку: кухню, баню либо сушилку. Здесь же можно расположить и предусмотренную в «Примере» микроТЭЦ. Отопление помещений обеспечивается потоком тёплого воздуха от контура охлаждения теплочувствительных элементов тепломеханического преобразователя (ТМП). При повышенной потребности тепла можно замкнуть этот контур и даже добавить тепло прямо от теплоаккумулятора. Поток теплого воздуха пропускается под полом, а выход его предусмотрен по внутреннему периметру наружных стен – за плинтусом через специально оставленную щель в 2 – 3 мм. В результате имеем очень тёплые полы и никаких труб и батарей!

Постоянство частоты вращения вала ТМП (а, следовательно, и электрогенератора) обеспечивается автоматическим регулированием подачи теплоносителя в контур нагрева ТЧЭ.

Вариант ВТУ описанной системы показан на рис.1 выше.

2. Вариант с солнечным нагревателем

Простейшим техническим решением системы с использованием солнечной энергии мог бы стать вариант с размещением предельно упрощенного солнечного коллектора на одном либо двух соседних скатах кровли. При строительстве новых помещений такие, но конструктивно усиленные коллекторы, целесообразно использовать как элементы конструкции крыши, установив их под оптимальным углом наклона (для географической широты средней полосы России — с учетом солнечного склонения в зимнее время – около 30 град. к вертикали).

В качестве теплоаккумулятора следует принять такой же галечный накопитель, однако предпочтительной конструкцией его была бы известная разновидность «теплоаккумулятор СТЕНА», которая примыкает к «глухой» стенке помещения.

Теплоаккумулятор типа "Стена"

Стационарный теплоаккумулятор СТЭ типа «Стена»

В варианте представленного комплекса имеется, однако, один существенный недостаток. При всем удобстве использования «твердых» накопителей тепла теплоемкость материала в 3 – 4 раза ниже, чем у воды. Если при аэродинамическом нагреве его общую теплоёмкость можно увеличить за счёт повышенной температуры нагрева, то в рассматриваемом солнечном варианте такая возможность ограничена, а, следовательно, потребуется увеличение объема и габаритов теплоаккумулятора, при этом не будет оптимальной и температура отбираемого воздуха для работы ТМП и некоторых других целей. Выход представляется в замене обычного коллектора на такой же простейший солнечный нагреватель, но с большей концентрацией лучей и с защитой от атмосферных осадков, (он сейчас проходит экспертизу в Роспатенте). С помощью такого нагревателя можно поднять температуру в аккумуляторе выше 200 oС, обеспечив запас тепла, соизмеримый с энергоёмкостью жидкостного теплоаккумулятора такого же объёма.

Пример простейшей конструкции «встроенного» плоского солнечного коллектора представлен на рис. 2. Для повышения интенсивности облучения абсорбера в зимнее время здесь предусмотрен дополнительный козырек с отражающими нижней и боковыми поверхностями. В холодные сезоны он практически удвоит эффективность коллектора, а с повышением солнца над горизонтом в летнее время этот дополнительный эффект снижается до минимума.

Отражатели – металлические листы с зеркальной поверхностью. Абсорбером служит также лёгкий листовой прокат, освещаемая сторона которого имеет селективное покрытие. Защитное покрытие коллектора – структурные листы поликарбоната, трубопроводов – известные тонкопленочные теплоизоляционные покрытия. Каркас с нижним и верхним каналами для протока теплоносителя сварен из труб, например, прямоугольного сечения.

Остается напомнить, что описания патентов можно найти в открытых реестрах ФИПС.

Н. Ясаков, Новороссийск

Наверх