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:

♦ 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.

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.

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.

Внимание.

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.

На 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.

Внимание.

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.

Внимание.

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.

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.

Внимание.

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.

Три 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.

Внимание.

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.

Совет.

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.

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.

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

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.

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.

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.

Внимание.

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.

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

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.

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/.

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.

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

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.

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-

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.

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.

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

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.

Перспективы развития

Энергия Солнца экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю, и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уни­кальный земной климат.

Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт-ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, полу­чаемой от сжигания 2х1012 т условного топлива. Эта величина сопо­ставима с мировыми топливными ресурсами — 6х1012 т условного топлива. Так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле, отмечает доктор физико — математических наук Б. Лучков (http://www. pomreke. ru/energy-futxire/).

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: сред­ний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб.

Пример.

Например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м2 — почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/м2). К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды.

Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с боль­шой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в акку­муляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энерге­тике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распро­странены СЭС башенного типа. Эти СЭС имеют котел, поднятый высоко над землей, и большое число параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни.

Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие тур­бину с электрогенератором.

Солнечные электростанции мощностью 0,1—10 МВт построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных солнечных электро­станций (до 100 МВт).

Примечание.

Главное препятствие на пути их широкого распространения сол­нечных электростанций — высокая себестоимость электроэнер­гии: она в 6—8 раз выше, чем на ТЭС

Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.

Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии:

♦ фототермический;

♦ фотоэлектрический.

В первом, простейшем, фототермическим, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления поме­щений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энер­гии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м2 за день может нагреть 50—70 л воды до температуры 80—90 °С.

Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных районах.

Н Примечание.

И все же будущее солнечной энергетики за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупрово­дниковых фотоэлементов — солнечных батарей.

Еще в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого вопло­тилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спут­ников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет актив­ная продажа солнечных батарей.

Солнечные элементы — принципы работы

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, кото­рые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготав­ливается из кремния (химический символ Si). Устройство солнечного элемента показано на рис. 3.1.

Типы солнечных элементов. СЭ может быть следующих типов:

♦ монокристаллический;

♦ поликристаллический;

♦ аморфный.

Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразо­вания энергии света. Моно — и поликристаллические элементы имеют

почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния (http://www. solarhome. ru/ru/basics/).

Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния раз­ной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характер­ный синий оттенок.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.

КПД солнечных элементов:

♦ монокристаллические — 12… 15 %;

♦ поликристаллические — 11…14 %;

♦ аморфные — 6 …7 %;

♦ теллурид кадмия — 7…8 %.

Пиковый ватт. СЭ производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.

Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощ­ность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, — это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:

♦ освещенность 1000 Вт/м2;

♦ солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света);

♦ температура элемента 25 °С (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Ию

Им

■111

О производителях малых ГЭС

В 1990-х годах в связи с сокращением объемов крупного гидроэ­нергетического строительства в России частично переориентировали свое производство на нужды малой гидроэнергетики:

♦ АО «ЛМЗ» и АО «НПО ЦКТИ» (г. Санкт-Петербург);

♦ АО «Тяжмаш» (г. Сызрань) и др.

Одновременно возникли, в том числе, в рамках конверсии, малые предприятия и акционерные компании, производящие оборудование для МГЭС. Среди них наиболее известны:

♦ АО «МНТО Инсет» и НПЦ «Ранд» ( г. Санкт-Петербург);

♦ АО «Напор», АО «НИИЭС», АО «Энергомаш» (Москва).

В числе поставщиков оборудования следует отметить также регио­нальные организации, входившие когда-то во Всесоюзный институт «Гидропроект». В настоящее время на российском рынке имеются:

♦ комплектные гидроагрегаты с системами автоматического управления и регулирования для сетевых и автономных МГЭС на напоры от 1 до 250 м;

♦ нестандартное гидромеханическое, подъемное оборудование;

♦ напорные трубопроводы, предтурбинные затворы;

♦ трансформаторные подстанции, распределительные устройства и другие компоненты, необходимые для строительства объектов малой энергетики.

Для МГЭС с использованием статического напора применяются гидроагрегаты с радиально-осевыми, пропеллерными, ковшовыми, наклонно — и поперечно-струйными, фронтальными гидротурбинами упрощенной конструкции.

Для МГЭС с использованием скоростного напора применяются гидротурбины типа «Дарье», «Уэллс», «Савониус» и др. Генераторы для малых ГЭС производят АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), АО «Урал-электротяжмаш», АО «Привод» (г. Лысьва), АО «СЭГПО» (г. Сарапул), АО «СЭЗ» (г. Сафоново) и др.