Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Речная электростанция

Речную электростанцию (РЭС) создал и описал Рогозин М. Н. (http://www. rosinmn. ru/gidro)

Устройство. Речная электростанция (рис. 4.6) содержит корпус цилиндрической формы с размещенной внутри его гидротурбиной. Корпус с гидравлическим аккумулятором неподвижно установлен в земляном или бетонном основании. Гидротурбина посредством вала кинематически связана с электрогенератором. Речная электростанция также содержит водозаборник в форме корытообразной прямоугольной призмы, который снабжен шлюзовым отсеком (шлюзом) и обводным каналом — водоводом, содержащим не менее двух магистралей цилин­дрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы.

Корпус РЭС выполнен цилиндрической формы из высокопрочного, устойчивого к химическим средствам материала, например из чугуна,

Русло реки

Электрогенератор

Водозаборник

Гидротурбина’

Гидравлический

аккумулятор

Водовод Магистраль

Рис. 4.6. Схема речной электростанции

image339

железобетона, керметных материалов. Диаметр корпуса выбирается с учетом требуемых гидроэнергетических параметров водяного потока, размеров гидротурбины, величины номинальной мощности. РЭС и может составлять величину 2—10 м.

Водозаборник РЭС представляет корытообразную прямоугольную призму. Он выполнен из устойчивого к химическим средам материала, например, из железобетона, синтетических полимеров. Его габариты зависят от размеров реки, на которой он устанавливается.

В его центральной стене, на которую воздействует речной поток, установлен шлюз стандартной конструкции. Шлюз обеспечивает сброс лишней воды весной во время половодий и в момент сильных дождей.

В нижней части центральной стены размещен водовод, нижняя стенка которого размещена на уровне дна водозаборника. Водовод в сечении по ширине выполнен замкнутым эллипсообразным с неиз­менным сечением и горизонтальным расположением большой оси эллипса, изготовлен из железобетона или синтетики и снабжен со сто­роны центральной стены водозаборника фильтром — защитной сеткой (на фигурах не показано). Толщина дна, боковых стен и центральной стены водозаборника зависят от его размеров и составляют от 0,5 до 1 м. Водовод неизменной эллиптической формы и сечения расчленяется на магистрали цилиндрической формы, число которых не менее двух.

Площадь сечения и длина вывода зависят от глубины речного потока, его ширины, мощности РЭС. Большая ось эллиптического сечения у центральной стены составляет 10—30 м, а малая ось —
2…6 м. Длина эллиптической части водовода составляет 0,2—0,5/, где / — общая длина водовода с магистралью и соплом.

Длина расчлененных магистралей зависит от места расположе­ния корпуса РЭС и составляет 0,2—0,4/. Магистрали сопрягаются с соплами, выполненными эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте.

В корпусе РЭС в зоне размещения лопаток гидротурбины по обра­зующей размещены тангенциально сопла магистралей, которые сдви­нуты друг относительно друга в плоскости образующей на одинако­вые расстояния или угла а = 180°, 120°, 90°, 45° и установлены большой осью эллиптического сечения вертикально. Экспоненциальное сече­ние сопл и вертикальная установка их большой осью в корпусе РЭС обеспечивает максимальное повышение гидродинамических свойств водяного потока и скорости его течения.

Сопла эллиптического сечения сужаются по пологой экспоненте, являются продолжением зоны гидродинамического ускорения речной воды, их длина составляет 5—15 м, а их большая эллиптическая ось равна 0,5—3 м. Экспоненциальное сужение сопла может быть заме­нено коническим сужением.

Корпус РЭС нижним основанием сопряжен с гидравлическим акку­мулятором, верхняя часть корпуса которого выполнена в виде усечен­ного пустотелого конуса и сопряжена большим основанием со второй своей частью в форме полусферического пустотелого тела вращения.

Такая конструкция гидравлического аккумулятора восприни­мает вращение создаваемого соплами потока и образует маховик, что обеспечивает оптимальное вращение водяного потока на требуемых оборотах, его резкое ускорение вверх без затухания вращательного движения водяного потока в корпусе РЭС. Гидравлический аккумуля­тор также выполнен из прочного, устойчивого к агрессивным средам материала. Соотношение конической и сферической частей гидравли­ческого аккумулятора составляет 3:1—1:1. Корпус РЭС смонтирован с гидротурбиной на земляном или бетонном основании вертикально.

Водовод со стороны водозаборника сопряжен внутренней сторо­ной с центральной стеной водозаборника овальной кривой для полу­чения оптимального коэффициента истечения m на уровне m = 0,9. Аналогично наружные кромки сопл выполнены полукруглыми.

Гидротурбина стандартного типа с вертикальным расположением лопастей размещена вертикально в верхней части корпуса РЭС на подшипниках-опорах требуемых габаритов и мощности. На шейке
вала гидротурбины может быть размещен гидравлический метатель (на рис. 4.7 не показан), который выполнен в виде сегнерового колеса. Это дополнительно повышает крутящий момент на валу гидротур­бины, то есть ее мощность. Выше гидротурбины на корпусе РЭС раз­мещены выпускные сопла, выше уровня речной воды, через кото­рые осуществляется слив прошедшего через гидротурбину водяного потока в сливной канал.

Электрогенератор смонтирован на верхнем сечении корпуса и выбран стандартной формы на заданную мощность. Для обеспечения нормальной скорости вращения ротора электрогенератора он может содержать редуктор, связанный с валом гидротурбины.

Работа речной электростанции. Речная электростанция рабо­тает следующим образом (рис. 4.7). При размещении РЭС на малой реке с достаточно высокими берегами в водозаборнике накапли­вается уровень речной воды и создается по уровню водовода водя­ной напор. Вследствие тангенциального размещения сопел проис­ходит преобразование поступательного движения водяного потока в цилиндрическом корпусе. Получив от гидравлического аккумуля­тора вращательно-поступательные движения, вращающийся водяной поток в цилиндрическом корпусе воздействует на лопатки гидротур­бины, заставляя ее вращаться с заданной скоростью.

image341Вал гидротурбины приво­дит во вращение ротор электро­генератора с требуемой скоро­стью, которая при необходимо­сти корректируется редуктором.

Происходит непрерывная выра­ботка электрической энергии электрогенератором. Избытки накопленной в водозаборнике речной воды по сверхдопусти­мому уровню непрерывно отво­дятся шлюзом в продолжение русла реки.

В результате того, что корпус РЭС цилиндрической формы смонтирован вертикально, снабжен гидравлическим акку­мулятором в виде пустотелого
конуса, сопряженного большим основанием с пустотелой замкнутой полусферой. При этом водовод содержит не более двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте. Следует отметить, что сопла размещены концентрично по корпусу и расположены тан­генциально по вертикали большей эллиптической осью, решается поставленная техническая задача.

В сравнении с прототипами и аналогами упрощается конструкция речной электростанции, повышается ее КПД, оптимально использу­ется энергия малых рек.

Созданная речная электростанция, ширина водозаборника которой составляет 20 м, высота 3 м, диаметр магистралей до 2 м и большая ось эллиптического сечения сопел составила 1,5 м, позволяет генери­ровать энергию 300—800 кВт. При этом ее КПД больше чем в 1,5 раза превышает КПД речных электростанций-аналогов.

Промышленное исполнение гирлянд и материалоемкость

Как и в любой другой конструкции, несущий каркас позволяет использовать очень тонкий материал для изготовления спирали. Вариантов каркасного исполнения можно придумать множество, соблюдая разумный баланс между ценой, прочностью, весом и сроком службы гирлянд.

Представляется интересной и другая возможность, — делать гирлянду-спираль сгибанием из достаточно тонкого алюминия или оцинковки, выпускаемых промышленностью в рулонах разной ширины, в том числе с уже нанесенным покрытием (П. Колосов, http:// rosinmn. ru/vetro/girland/girland. htm).

По себестоимости материала это выйдет в 150—200 руб. за квадрат­ный метр ометаемой площади (оптовые цены). Занятным вариантом было бы выгибать спираль нужной длины прямо на месте установки ветрогирлянд, а не соединять из коротких сегментов, загнутых в цеху. Для предотвращения разворачивания можно также использовать тон­кий металлический трос, овивающий спираль в направлении, обрат­ном закрутке лопастей.

Главной особенностью гирлянды является отказ от жесткого несу­щего стержня-опоры, что значительно облегчает и упрощает кон­струкцию ветродвигателя. Вес гирлянды является важным параме­тром, т. к. сильно влияет на требования к прочности и внешних опор, и тросов подвеса, и материала самой гирлянды. Поэтому естественно возникает вопрос, можно ли еще как-то улучшить отношение ометае­мой площади к затраченному на лопасти материалу?

В принципе, можно вместо увеличения хорды лопастей оптимизи­рованного профиля попробовать разнести их на некоторое расстоя­ние друг от друга (рис. 1.23).

Конечно, такой вариант уже трудно назвать ротором Савониуса, в котором важную роль для повышения КИЭВ играет именно взаимодействие лопастей.

Рис. 1.23. Модернизация
ротора Савониуса

Подпись: Рис. 1.23. Модернизация ротора Савониуса Можно ли пожертвовать опреде­ленной частью КИЭВ при условии, что некоторую потерю эффек­тивности существенно перекроет рост ометаемой поверхности гир­лянды? С одной стороны, конструкции в стиле чашечного анемометра серьезно уступают Савониусу. С другой, — профиль из упомянутого выше отчета в первую очередь подвергался оптимизации именно как отдельное крыло. Как поведет себя ветрогирлянда из двух разнесен­ных полуспиралей? Похоже, получить ответ можно лишь опытным путем.

Напрашивается опробовать гирлянду вообще из одной лопасти — спирали. При двукратном выигрыше в материалоемкости заметное падение КИЭВ, вообще-то, еще не гарантировано. Однолопастные про­пеллеры, например, эффективнее многолопастных, а проблема балан­сировки для гирлянды-спирали из нескольких витков и с небольшой быстроходностью не так уж и актуальна. Конструкция однолопастной спирали в «каркасно-тепличном» исполнении очевидна.

Ветроэлектростанции производства компании. «Винд Электрик Ост»

Автономная ветроэлектростанция (далее ВЭС) предназначена для использования в качестве автономного источника энергии и может работать для питания электроприборов мощностью от 5,5 до 30 кВт. Данная ВЭС служит для преобразования кинетической энергии ветрового потока в трехфазную электрическую энергию напряжением 380 В, частотой 50 Гц (http://www. windelectricost. ru/production. php.).

Ветроколесо состоит из восьми или двенадцати стеклопластиковых лопастей (стеклоткань Т-13 со связующей полиэфирной смолой типа 9100), закрепленных на ступице. Ступица, в свою очередь, закреплена к главному валу, при скорости от 3 м/с начинает превращать посту­пательное движение ветрового потока во вращательное движение главного вала ветроэлектростанции. Главный вал ВЭС, в свою оче­редь, эластично соединен с валом руктора, выходной вал которого (редуктора) соединен с валом тихоходного магнитоэлектрического генератора. Этот генератор вырабатывает трехфазный переменный ток частотой 50 Гц, напряжением 370—400 В.

Главный вал, редуктор и генератор расположены в поворотной гондоле, которая имеет возможность поворота относительно башни вокруг вертикальной оси. В опорно-поворотном узле расположена кольцевая электрическая контактная система, через которую вырабо­танная генератором электроэнергия из поворотной гондолы переда­ется по кабелю.

В дальнейшем электроэнергия по кабелю передается в энергоблок (стабилизатор напряжения), который осуществляет стабилизацию напряжения, выработанного ВЭС в трехфазную с частотой 50 Гц и напряжением 380 В. Данная энергия может быть использована для питания различных бытовых электроприборов.

Автономная ВЭС может применяться для энергообеспечения индивидуальных домов, дачных домиком, зимовий, небольших про­изводств и других небольших потребителей, нуждающихся в автоном­ных источниках электроэнергии, а также на территориях, куда ввоз органического топлива затруднен или дорог.

Основные технические характеристики ВЭС:

скорости ветра, м/с………………………………………………………….. 3—8

♦ установленная мощность, кВт…………………………………….. 5,5—30

♦ выходное напряжение, В……………………………………………………. 380

Подпись: скорости ветра, м/с 3—8 ♦ установленная мощность, кВт 5,5—30 ♦ выходное напряжение, В 380

♦ рекомендуемый диапазон среднегодовой

Мачта ветроэлектростанции выполнена из труб диаметром 57 и 76 мм, П-образных фланцев, закладных в фундамент. Для удобства транспортировки мачта разделена на две или три секции в зависимо­сти от требуемой высоты мачты (12 или 18 м) и «нулевой» секции, заливаемой в фундамент. Мачта устанавливается на бетонном фун­даменте размером 3,5 на 3,5 м, или 4,5 на 4,5 м в плане, в зависимости от высоты мачты и толщины бетонной подушки 40—50 см с глубиной залегания 2 м от поверхности земли.

♦ количество фаз…………………………………………………………………….. 3;

♦ частота, Гц…………………………………………………………………………. 50;

♦ диаметр ветротурбины, м………………………………………………… 4—7;

♦ количество лопастей……………………………………………………… 8—16;

♦ скорость вращения ветротурбины, об/мин……………………… 30 ±10;

♦ минимальная рабочая скорость ветра, м/с………………………………. 3;

♦ расчетная скорость ветра, м/с………………………………………. 3,5—7;

♦ максимальная рабочая скорость ветра, м/с…………………………… 30;

♦ штормовая скорость ветра, м/с……………………………………………. 60;

♦ высота мачты, м………………………………………………………………… 12 — 18—24;

♦ срок службы, лет………………………………………………………………… 20;

♦ интервал рабочих температур, °С……………………………… -50…+50;

♦ масса ВЭС с мачтой, кг…………………………………………. 1420—2460;

♦ ток на выходе генератора, А…………………………………………. 18—64.

Подпись: ♦ количество фаз 3; ♦ частота, Гц 50; ♦ диаметр ветротурбины, м 4—7; ♦ количество лопастей 8—16; ♦ скорость вращения ветротурбины, об/мин 30 ±10; ♦ минимальная рабочая скорость ветра, м/с 3; ♦ расчетная скорость ветра, м/с 3,5—7; ♦ максимальная рабочая скорость ветра, м/с 30; ♦ штормовая скорость ветра, м/с 60; ♦ высота мачты, м 12 — 18—24; ♦ срок службы, лет 20; ♦ интервал рабочих температур, °С -50...+50; ♦ масса ВЭС с мачтой, кг 1420—2460; ♦ ток на выходе генератора, А 18—64.

Опорно-поворотный узел выполнен в виде полой оси из ст.45, двух радиально упорных подшипников и внешней обечайки, имеющей воз­можность свободно вращаться вокруг оси. Ось со своим фланцем кре­пится к мачте, а к внешней обечайке крепится гондола ВЭС. За счет поворота опорно-поворотного узла ветроколесо всегда устанавливается со своей плоскостью вращения перпендикулярно к ветровому потоку, что обеспечивает максимальную эффективность ветроколеса.

В гондоле расположены магнитоэлектрический генератор перемен­ного тока, планетарный редуктор, главный вал из ст. 45 на двух ради­ально упорных подшипниках и провода для передачи электроэнергии от генератора на токосъемник, расположенный в опорно-поворотном узле. Обмотки генератора выполнены из электротехнической меди.

В ступице расположен пружинный механизм регулирования обо­ротов ветроколеса. С его помощью поддерживаются постоянные обо­роты ветроколеса в пределах 30 ±10 об/мин во всем диапазоне рабо­чих скоростей ветра: от 3 м/с до 25 м/с.

Регулирование скорости вращения ветроколеса осуществляется путем изменения продольных углов установки лопастей. Это, в свою очередь, позволяет ВЭС защищаться от ураганных ветров, не прекра­щая вырабатывание электроэнергии.

Постройка самодельных солнечных батарей из элементов с eBay

Интересным опытом по самостоятельной сборке недорогой само­дельной солнечной батареи делится Майкла Дэвиса, США (русский перевод В. Германовича, http://germarator. ru/post/56).

М. Девис построил ветрогенератор для электрообеспечения участка, удаленного от цивилизации в Аризоне (см. гл. 1). Этот ветро­генератор работает хорошо, когда ветер дует. К сожалению, бывает нужно больше энергии. И эта энергия должна быть более стабильна.

В Аризоне более 300 солнечных дней в году, поэтому солнечная батарея кажется очевидным дополнением к ветрогенератору. К сожа­лению, солнечные батареи недешевы, поэтому было решено сделать все саму. Использовались самые обычные инструменты и недорогие распространенные материалы. В итоге удалось сделать батарею, кон­курирующую с коммерческими образцами по мощности, но не остав­ляющую им никакого шанса по цене.

Солнечная батарея (СБ) — это контейнер, содержащий массив солнечных элементов. Солнечные элементы, это те штуки, которые на самом деле делают всю работу по преобразованию солнечной энергии в электричество. К сожалению, для получения мощности, достаточ­ной для практического применения, солнечных элементов надо доста­точно много. Также, солнечные элементы ОЧЕНЬ хрупкие. Поэтому их и объединяют в СБ.

Батарея содержит достаточное количество элементов для получе­ния высокой мощности и защищает элементы от повреждения. Звучит не слишком сложно.

Проект был начат, как обычно, с поиска в сети информации по самодельным СБ. Ее оказалось очень мало.

Стартовые умозаключениям:

♦ главное препятствие в постройке СБ — это приобретение сол­нечных элементов за разумную цену;

♦ новые солнечные элементы очень дороги и их сложно найти в нормальном количестве за любые деньги;

♦ дефектные и поврежденные солнечные элементы есть в наличии на eBay и других местах гораздо дешевле;

♦ солнечные элементы «второго сорта» возможно, могут быть ис­пользованы для изготовления солнечной батареи.

В итоге работа была начата с покупки элементов на eBay. Купил несколько блоков монокристаллйческих солнечных элементов раз­мером 3×6 дюйма. Чтобы сделать СБ, необходимо соединить после­довательно 36 таких элементов. Каждый элемент генерирует порядка 0,5 В. 36 элементов, соединенных последовательно дадут нам около 18 В, которые будут достаточны для зарядки батарей на 12 В.

В Примечание.

Да, такое высокое напряжение 18 В действительно необходимо для эффективной зарядки 12 В аккумуляторов.

Солнечные элементы этого типа тонкие как бумага, хрупкие и ломкие как стекло. Их очень легко повредить. Продавец этих элемен­тов окунул наборы из 18 шт. в воск для стабилизации и доставки без повреждений.

■■■ Совет.

1ИІ Воск — это головная боль при его удалении. Если у вас есть возмож­ность, ищите элементы, не покрытые воском. Но помните, что они могут получить больше повреждений при транспортировке.

Ищите элементы с уже припаянными проводниками. Даже с такими элементами вам нужно быть готовым много поработать паяльником. Если же вы купите элементы без проводников, приготовьтесь рабо­тать паяльником раза в 2—3 больше. Короче, лучше переплатить за уже припаянные провода.

Солнечные элементы продаются самого широкого спектра форм и размеров. Вы можете использовать более крупные или мелкие, чем рассматриваемые 3×6 дюймов. Просто помните:

♦ элементы одного типа производят одинаковое напряжение неза­висимо от их размера, поэтому для получения заданного напря­жения всегда потребуется одинаковое количество элементов;

♦ большие по размеру элементы могут генерировать бОлыний ток, а меньшие по размеру, соответственно — меньший ток.

Общая мощность вашей батареи определяется так: напряжение умноженное на генерируемый ток.

Использование больших по размеру элементов позволит получить большую мощность при том же напряжении, но батарея получится круп­нее и тяжелее. Использование меньших элементов позволит уменьшить и облегчить батарею, но не сможет обеспечить такую же мощность.

image255Внимание.

Использование в одной батарее элементов разных размеров — пло­хая идея. Причина в том, что максимальный ток, генерируемый вашей батареей, будет ограничен током самого маленького эле­мента, а более крупные элементы не будут работать в полную силу.

Солнечные элементы, которые были выбраны, имеют размер 3×6 дюйма и способны генерировать ток примерно 3 А. Планируется сое­динить последовательно 36 таких элементов, чтобы получить напря­жение чуть больше 18 В. В результате должна получиться батарея, способная выдавать мощность порядка 60 Вт на ярком солнце.

Причем, это 60 Вт каждый день, когда светит солнце. Эта энергия будет идти на зарядку аккумулятора, который будет использоваться для питания светильников и небольшой аппаратуры всего несколько часов после наступления темноты.

После того как вы купите солнечные элементы, спрячьте их в без­опасное место, где они не разобьются, не попадут детям для игр и не будут съедены вашей собакой до тех пор, пока вы не будете готовы установить их в СБ. Элементы очень хрупкие. Грубое обращение пре­вратит ваши дорогие солнечные элементы в маленькие синенькие бле­стящие и ни для чего непригодные осколочки.

Итак, солнечная батарея — это просто неглубокий ящик. Может быть сделан он из фанеры толщиной, например, 10 мм с бортиками из реек толщиной 20 мм. Бортики приклеены и привинчены на место. Батарея будет содержать 36 элементов размером 3×6 дюймов (при­мерно 7,5×15 см). Элементы были разделены на две группы по 18 шт. просто для того, чтобы их было проще паять в будущем. Отсюда и центральная планка посередине ящика.

52,7 см

Подпись: 52,7 смНа рис. 3.10 представлен небольшой набросок, показывающий раз­меры СБ. Все размеры в дюймах (простите меня, поклонники метри­ческой системы). Бортики толщиной 20 мм (% дюйма) идут вокруг всего листа фанеры. Такой же бортик идет по центру и делит батарею на две части. Но в принципе, размеры и общий дизайн не критичны. Можете свободно все варьировать в своем эскизе. Следует сделать небольшие отверстия в бортиках. Это венти­ляционные отверстия, предназначенные для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи СБ и служащие для удаления влаги.

54 см

Подпись: 54 см

Рис.3.10. Внешний вид и размеры ящика для солнечной батареи

Подпись: Рис.3.10. Внешний вид и размеры ящика для солнечной батареиВнимание.

Эти отверстия должны быть только внизу батареи, иначе дождь и роса попа­дут внутрь.

Такие же вентиляционные отверстия должны быть сделаны в цен­тральной разделительной планке.

Чтобы защитить батарею от погодных неприятностей, лицевую сто­рону закрываем оргстеклом или стеклом. Стекло тоже можно исполь­зовать, но стекло бьется. Град, камни и летящий мусор могут разбить стекло, а от оргстекла просто отскочат.

После этого, нужно окрасить все деревянные части солнечной батареи несколькими слоями краски, чтобы защитить их от влаги и воздействия окружающей среды. Ящик следует красить внутри и сна­ружи. При выборе типа краски и ее цвета был использован научный подход. Подложки тоже нужно окрасить в несколько слоев с обеих сторон.

image260Внимание.

Убедитесь, что вы хорошо все прокрасили, иначе дерево может покоробиться от влаги. А это может повредить солнечные эле­менты, которые будут приклеены к подложкам.

Теперь, когда готова основа для СБ, самое время подготовить сол­нечные элементы.

Удаление воска с солнечных элементов — это настоящая головная боль. После нескольких проб и ошибок автор все-таки нашел непло­хой способ.

Первый шаг, это «купание» в горячей воде, чтобы растопить воск и отделить элементы друг от друга. Не дайте воде закипеть, иначе пузырьки пара будут сильно бить элементы один о другой. Кипящая вода также может быть слишком горячей, в элементах могут быть нарушены электрические контакты. Рекомендуется погружать эле­менты в холодную воду, а потом медленно их нагревать, чтобы исклю­чить неравномерный нагрев.

Пластиковые щипцы и лопатка помогут отделить элементы, когда воск растает. Постарайтесь сильно не тянуть за металлические прово­дники — могут порваться.

Итак, «горячая ванна» предназначена для растапливания воска.

Второй шаг. Обработка в горячей мыльной воде и в чистой горя­чая вода. Температуры во всех кастрюлях ниже температуры кипения воды. Сначала в растапливаем воск, переносим элементы по одному в мыльную воду, чтобы удалить остатки воска, после чего промываем в чистой воде.

Третий шаг. Выкладываем элементы для просушки на полотенце.

Ш

Совет.

Вы можете менять мыльную воду и воду для промывки почаще. Только не сливайте использованную воду в канализацию, т. к. воск затвердеет и засорит сток.

Этот процесс удалил практически весь воск с солнечных элемен­тов. Только на некоторых остались тонкие пленки, но это не помешает пайке и работе элементов. Промывка растворителем, возможно, уда­лит остатки воска, но это может быть опасно и зловонно.

После разделения и удаления защитного воска из-за своей хруп­кости они стали удивительно сложными в обращении и хранении. Рекомендуется оставить их в воске до тех пор, пока вы не будете готовы установить их в СБ. Это позволит вам не разбить их до того, как вы сможете их использовать.

Начать нужно с отрисовки сетки на каждой основе, для упрощения процесса установки каждого элемента. Потом следует выложить эле­менты по этой сетке обратной стороной вверх, так их можно спаять вместе. Все 18 элементов для каждой половины батареи должны быть соединены последовательно, после чего обе половины также должны быть соединены последовательно для получения требуемого напря­жения.

Спаивать элементы между собой поначалу сложно. Начинайте только с двух элементов. Разместите соединительные проводники одного из них так, чтобы они пересекали точки пайки на обратной стороне другого. Также нужно убедиться, что расстояние между эле­ментами соответствует разметке.

Используйте маломощный паяльник и прутковый припой с сердце­виной из канифоли. Также перед пайкой смажьте флюсом точки пайки на элементах при помощи специального карандаша.

image262Внимание.

Не давите на паяльник! Элементы тонкие и хрупкие, нажмете сильно — сломаете.

Повторите пайку до тех пор, пока не получится цепочка из 6-ти эле­ментов. Соединительные шины от сломанных элементов автор при­паял к обратной стороне последнего элемента цепочки. Таких цепо­
чек автор сделал три, повторив процедуру еще дважды. Всего 18 элементов для первой половины батареи.

Капля ’силикона

Элемент • солнечной батареи

Подпись:

Рис. 3.11. Схема нанесения силикона

Подпись: image266Три цепочки элементов должны быть соединены последовательно. Поэтому сред­нюю цепочку поворачиваем на 180 градусов по отношению к двум другим. Ориентация цепочек получилась правильной (элементы все еще лежат обратной стороной вверх на подложке). Следующий шаг — приклеива­ние элементов на место.

Приклеивание элементов потребует некоторой сноровки. Наносим небольшую каплю силиконового герметика в центре каждого из шести элементов одной цепочки (рис. 3.11). После этого переворачиваем цепочку лицевой стороной вверх и размещаем элементы по разметке, которую нанесли раньше. Легонько прижмите элементы, надавли­вая по центру, чтобы приклеить их к основе. Сложности возникают в основном при переворачивании гибкой цепочки элементов. Вторая пара рук тут не повредит.

Не наносите слишком много клея и не приклеивайте элементы нигде, кроме центра. Элементы и подложка, на которой они смонтиро­ваны, будут расширяться, сжиматься, гнуться и деформироваться при изменении температуры и влажности. Если вы приклеите элемент по всей площади, он со временем сломается. Приклеивание только в цен­тре дает элементам возможность свободно деформироваться отдельно от основы. Элементы и основа могут деформироваться по-разному, и элементы не сломаются.

Автор использовал медную оплетку от кабеля для соединения пер­вой и второй цепочки элементов.

Можно использовать специальные шины или даже обычные про­вода. Такое же соединение делаем с обратной стороны между второй и третьей цепочкой элементов. Каплей герметика желательно прикре­пить провод к основанию, чтобы он не «гулял» и не гнулся.

Тест первой половины солнечной батареи на солнце показал, что при слабом солнце в дымке эта половина генерирует 9,31 В.

После того как обе основы с элементами будут готовы, можно уста­новить их на место в подготовленную коробку и соединить.

Каждая из половин помещается на свое место. Были использованы 4 небольших шурупа для крепления основы с элементами внутри батареи.

Провод для соединения половин батареи удобно пропустить через одно из вентиляционных отверстий в центральном бортике. Тут тоже пара капель герметика поможет закрепить провод на одном месте и предотвратить его болтание внутри батареи.

image268Внимание.

Каждая солнечная батарея в системе должна быть снабжена блоки­рующим диодом, соединенным последовательно с батареей. Диод нужен для предотвращения разряда аккумуляторов через батарею ночью и в пасмурную погоду.

В авторской версии использован диод Шоттки на 3,3 А. Диоды Шоттки имеют гораздо более низкое падение напряжения, чем обыч­ные диоды. Соответственно, будут меньше потери мощности на диоде.

Сначала планировалось присоединить диод снаружи батареи. Но после того, как были изучёны технические характеристики диодов, решил поместить их внутри батареи. У этих диодов падение напряже­ния уменьшается с ростом температуры. Внутри батареи будет высо­кая температура, диод будет работать более эффективно. Используем еще немного силиконового герметика, чтобы закрепить диод.

Просверлите отверстие в днище батареи ближе к верху, чтобы выве­сти провода наружу. Провода рекомендуется завязать на узел, чтобы предотвратить их вытягивание из батареи, и закрепить герметиком.

image270Совет.

Важно дать герметику высохнуть до того, как мы будем крепить оргстекло на место. Испарения из силикона могут образовать пленку на внутренней поверхности оргстекла и элементов, если вы не дадите силикону высохнуть на открытом воздухе.

И еще немного герметика для герметизации выходного отвер­стия. На выходной провод автор прикрутил двухконтактный разъем. > Розетка этого разъема будет присоединена к контроллеру заряда акку­муляторов, который был использован для установленного уже ветро — генератора. Таким образом, солнечная батарея сможет работать с ним параллельно.

Оргстекло на этапе настройки и пробной эксплуатации не герме­тизируйте. У автора по результатам тестов потребовался доступ к внутренностям батареи, там обнаружилась проблема. На одном из
элементов отошел контакт. Может быть, это произошло из-за пере­пада температур или из-за неаккуратного обращения с батареей. Кто знает? Пришлось разобрать батарею и заменить этот поврежденный элемент. С тех пор проблем не было. Затем следует герметизировать стыки под оргстеклом при помощи герметика или закрыть их алюми­ниевой рамкой.

Вот результаты тестирования напряжения законченной батареи на ярком зимнем солнце. Вольтметр показывает 18,88 В без нагрузки. А вот тест по току в тех же условиях (яркое зимнее солнце): амперметр показывает 3,05 А — ток короткого замыкания. Это как раз недалеко от расчетного тока элементов. Солнечная батарея прекрасно работает!

Солнечная батарея в работе. Она обошлась чуть дороже 100 долла­ров. Не так уж и плохо! Это лишь малая часть стоимости серийной СБ такой же мощности. И это очень просто!

Источник — http://www. mdpub. com/SolarPanel/index. html, где можно посмотреть фотографии всех этапов работы и узнать подробности.

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ ВЕТРА. ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Можно ли использовать бесплатный ветер?

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или ветроэлектро­станция) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Устройство ветроэлектрической установки в упрощенном виде представлено на рис. 1.1.

Лопасти

і—— A Траї

Система изменения угла атаки лопасти

Колпак

ротора

Тс 1 СІ

Трансмиссия

Тормозная Система слежения система за направлением и

механизм

Лестница

image003

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промыш­ленные и домашние (для частного использования). Промышленные

Башня

Подпись: Башня

Фундам€

Рис. 1.1. Устройство ветроэлектрической установки

image006

Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления

ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Ее основное отли­чие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветря­ную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость сво­ему загородному дому.

Н

Примечание.

Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скоро­сти ветра 8 м/с.

Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами. Например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. И при этом одно другому не мешает — источники будут замечательно друг друга дополнять.

Схема контроллера заряда

Генератор турбины подключается к контроллеру. От контроллера идут провода к аккумулятору. Туда же подключается и нагрузка. Если напряжение на аккумуляторе падает ниже 11,9 В, контроллер под­ключает генератор к аккумулятору, и последний начинает заряжаться (рис. 1.37).

Если напряжение аккумулятора достигает 14 В, контроллер под­ключает к нему дополнительную нагрузку. Оба пороговых напря­жения, 11,9 В и 14 В, можно изменять подстроечными резисторами. Интересуясь в Интернете, какими же должны быть эти пороги для свинцовых аккумуляторов, я обнаружил некоторые расхождения у различных авторов. Для своей схемы я взял усредненные значения.

При напряжении аккумулятора между 11,9 В и 14 В, контрол­лер может переключать систему между зарядом и отдачей тока в нагрузку.

И Примечание.

Пара кнопок позволяет делать эти переключения в любое время, независимо от контроллера. Очень удобно при наладке устрой­ства.

Желтый светодиод зажигается во время зарядки аккумулятора. Когда аккумулятор заряжен, и избыточная мощность отводится в дополнительную нагрузку, загорается зеленый светодиод. Таким обра­зом, имеется минимальная обратная связь, позволяющая понять, что происходит в системе. Кроме того, с помощью мультиметра можно измерять напряжения в любых точках. Все это не очень удобно.

Еще желательно добавить вольтметр и амперметр, возможно, например, от автомобильного приборного щитка.

При исследовании схемы с помощью внешнего источника питания можно имитировать различные режимы заряда и разряда аккуму­лятора, и настроить контроллер. Устанавливая напряжение 11,9 В, а затем 14 В, нужно выставить подстроечными резисторами требуемые пороги.

Исследовав подробнее правила заряда свинцовых аккумуляторов, верхний порог автор установил равным 14,8 В.

image086Внимание.

В первую очередь, надо подключать к контроллеру аккумулятор, и только потом ветрогенератор или солнечную батарею. Если гене­ратор подключить первым, волны напряжения не будут сглажи­ваться аккумулятором, контроллер будет работать неправильно, реле хаотически переключаться, а броски напряжения, в конце кон­цов, приведут к выходу из строя микросхем.

Короче, всегда подключайте аккумуляторную батарею первой, а ветрогенератор вслед за ней. И наоборот, разбирая систему, убеди­тесь, в первую очередь, что генератор отключен. Батарею отключайте последней.

Наконец, представлю вам принципиальную схему. Она лишь немного отличается от прототипа, ссылка на который приводилась выше. Некоторые детали автор заменил на те, которые уже были у него, чтобы не тратиться на покупку новых. Советую вам поступать также. Совершенно не обязательно повторять схему один в один.

image088

Замечание: СЗс и IC3d не используются.

Заземлите их входы, а выходы оставьте свободными.

IC1 — LM7808 стабилизатор напряжения +8 В IC2 — LM1458 сдвоенный операционный усилитель IC3 — CD4001 4 логических элемента «2И-НЕ»

Q1- IRF540 MOSFET

D1 …D3 — блокировочные диоды, рассчитанные на максимальный ток подключаемых

источников

D4 — 1 N4007

LED1 — желтый светодиод LED2 — зеленый светодиод

F1 — предохранитель, рассчитанный на максимальный суммарный ток всех подключаемых источников

F2 — предохранитель 1 А в шине питания электроники контроллера RLY1 — автомобильное реле на коммутируемый ток 40 А РВ1, РВ2 — кнопки без фиксации Все резисторы 0,25 Вт ±10%

Рис. 1.37. Принципиальная схема генератора

Прикидочный расчет гелиосистем

Для расчета вам необходимо пройти несколько шагов (рис. 2.7).

Шаг 1. Определиться с количеством потребителей горячей воды.

Шаг 2. Определить примерное количество воды, потребляемой каждым членом вашей семьи в сутки.

Шаг 3. После этих двух шагов вы получите рекомендованный объем накопительного бака.

Шаг 4. Выберите желаемую степень замещения ваших потребно­стей в тепле энергией Солнца.

Рис. 2.7. Таблица примерного расчета гелиосистемы с сайта www. atmosfera. ua

Подпись:Шаг 5. Выберите южный или северный регион, где планиру­ется размещение системы.

Шаг 6. Выберите планируемую ориентацию устанавливаемых коллекторов.

Шаг 7. Выберите угол наклона устанавливаемых коллекторов.

Шаг 8. После выполнения последнего шага вы получите примерное необходимое количе­ство коллекторов.

После выполнение вышеу­казанных шагов вы получили необходимую емкость бака- накопителя и примерное коли­чество коллекторов. Далее вам необходимо решить, будете ли вы использовать солнечную энергию как дополнительный источник тепла в системе отопления.

От вашего решения зависит выбор бака-накопителя с одним или двумя теплообменниками. Для отбора тепла в основную систему ото­пления вам будет бак с двумя теплообменниками. С помощью одного тепло будет передаваться в бак с водой, с помощью второго (верхнего) вы будете иметь возможность передавать излишки тепла в основную систему отопления.

Далее к получившемуся комплекту вам необходимо добавить рабо­чую станцию с контроллером, датчиками температуры и другой авто­матикой. Таким образом, имея комплект оборудования, состоящий из бака-накопителя, необходимого количества вакуумных солнечных коллекторов и рабочей станции с контроллером, вы сможете рассчи­тать стоимость вашей системы.

Для «грубого расчета» к стоимости оборудования обычно добав­ляется 30% на работы по монтажу и дополнительные трубы, фитинги, изоляцию и т. д. Остается только рассчитать сроки окупаемости системы.

В ряде случаем примерные расчеты можно произвести, заполнив калькулятор на сайтах компаний, занимающихся этим оборудова­нием, например, http://solar. atmosfera. ua/ru/bystry) — raschet-sistemy/.

Концентраторы

Параболоцилиндрические установки — на сегодня наиболее разви­тая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Схема параболоци — линдиреской установки показана на рис. 3.23.

Рис. 3.23. Схема параболического концентратора

Подпись:Солнечные пруды. Ни фокусирую­щие зеркала, ни солнечные фотоэле­менты (см. ниже) не могут вырабаты­вать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накоплен­ную днем, нужно сохранять в тепло — аккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 3.24).

Солнечные пруды имеют высо­кую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концен­трация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности (http://www. energy-bio. ru/ suncolll2.htm).

Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удержива­ется в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнеч­ной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности.

Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не заки­пает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холод­ными). Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с орга­ническим теплоносителем может вырабатывать электричество.

Холодная Горячая

вода вода Низкая

image316

Рис. 3.24. Солнечный пруд

Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоля­ции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, про­пущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в зам­кнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для произ­водства электричества. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 °С в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт-ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки.

Варианты изготовления ветряного пропеллера

Пропеллер — устройство типа винта самолета. Конструктивно пропеллер много проще и легче ветроколеса. Пропеллер вращается значительно быстрее и в определенных условиях позволяет обойтись без мультипликатора (см. рис. 1.12).

Для ветроэлектростанций целесообразней использовать два про­пеллера одновременно (см. рис. 1.13): один из них связывается с ротором электрогенератора и вращается в одну сторону, другой — со статором и вращается в противоположную сторону. Использование такой конструкции аналогично применению мультипликатора с пере­даточным отношением 1:2.

Рассмотрим еще вариант изготовления пропеллера. Пропеллер диа­метром 1,5 м изготавливается следующим образом. Выбирается чистая еловая, осиновая или березовая доска толщиной 25 мм, шириной 110— 120 мм и гладко выстругивается до толщины 20—23 мм. Находится центр доски и от него в обе стороны отмеряется по 60—70 мм, поме­чается рисками (см. рис. 1.14).

Это центральная часть доски — ступица. К ней четырьмя болтами крепится металлический фланец, который надевается на ось ротора генератора или мультипликатора.

Обе половины доски от ступицы к концам стесываются так, чтобы получились усеченные четырехугольные пирамиды поперечным сече­нием на концах 80×10 мм (см. сечения 3-3,4-4). Далее лицевые поверх-

image044

Рис. 1.12. Конструкция пропеллера Рис. 1.13. Конструкция с двумя пропеллерами

3-3 3-3 2-2 4-4 5-5

Рис. 1.14, Вариант изготовления пропеллера

Подпись: 3-3 3-3 2-2 4-4 5-5 Рис. 1.14, Вариант изготовления пропеллера

ности пирамид стесываются (половина их объема удаляется), причем на одном конце стесывается одна сторона, на другом — другая.

В результате вся лицевая сторона имеет вид пропеллера. На тыль­ной стороне по всей длине доски от ступицы до концов плавно закру­гляется прямой угол. Поперечное сечение должно иметь форму попе­речного сечения крыла самолета (см. сечения 1-1, 2-2). Пропеллер окрашивается масляной краской.

Ё

Совет.

Концы лопастей и его переднюю кромку лучше аккуратно оковать тонким алюминиевым листом во избежание преждевременного изнашивания.

Быстроходность пропеллера зависит от толщины доски (толщины ступицы). Чем тоньше ступица (в разумных пределах), тем быстро­ходней пропеллер. После установки, пропеллер необходимо сбалан­сировать.

Как изготовить станину

Ее можно сварить или склепать ее из металлического уголка (годится и деревянный вариант). На готовую станину установите шарикоподшипники.

В

Примечание.

Проследите, чтобы не было перекоса, иначе ротор не сможет легко вращаться.

Все детали установки дважды покройте масляной краской, на ниж­нем конце оси закрепите набор шкивов различного диаметра.

Перекинутый через шкив вертушки ремень соедините с генера­тором электрического тока, например, автомобильным (как вариант, можно попробовать применить электродвигатель стеклоочистителя). Построенный образец ветроэлектростанции при скорости ветра 10 м/с сможет обеспечить мощность, передаваемую на генератор, равную 800 Вт.