Ветрогенераторы солнечные батареи и другие полезные конструкции pdf
У альтернативной энергетики есть ряд серьёзных недостатков в виде малой энергетической мощности и эффективности, и есть ряд нерешённых вопросов утилизации её компонентов. К тому же, солнечная и ветряная электрогенерации абсолютно не защищены от природных катаклизмов.
Скрытая угроза всегда прячется за красотой и практичностью:
Во время шторма повреждены солнечные батареи в Умакао – городе на восточном побережье Пуэрто-Рико. Последствия урагана «Мария».
Ветряные турбины успешно пережили ураган, но для их активации требуется энергия из городской сети, к которой они подключены. И пока нет необходимой мощности в сети, ветряные турбины – “бесполезны”.
В центре Сан-Хуана здания со светом в окнах работают от генераторов, так как на острове нет общественного электричества. Чрезмерная зависимость от альтернативной энергетики обрекла жителей Пуэрто-Рико на незавидную участь: 40% жителей даже спустя 4 месяца не имели доступ к электричеству.
Малая энергетическая мощность ветряной и солнечной энергетики упирается в физический предел энергии, получаемой нашей планетой от Солнца, и в КПД её использования. Всё это сводится к показателю энергетической рентабельности «EROEI» (напомню, это коэффициент, который определяет, сколько энергии было затрачено на сооружение энергогенерирующих мощностей, и сколько эти мощности выработали нам энергии). Чтобы любое живое существо могло выживать, EROEI должен быть больше единицы.
Согласно исследованию европейских учёных, EROEI современных солнечных электростанций составляет 3,9 единиц, а современных ветроэлектростанций – 16 единиц.
То есть, ветряная электростанция за весь срок службы выработает в 16 раз больше энергии, чем было затрачено на её строительство, пусконаладочные работы и обслуживание на всём сроке эксплуатации.
Достаточно ли этого для удовлетворения потребностей нашей цивилизации?
Ещё в 2013 году группой американских экономистов были подсчитаны современные потребности нашей цивилизации в энергии. Они привели детальные расчёты показателей качества жизни от «EROEI».
За основу оценки было взято множество факторов, влияющих на качество жизни общества. И получились следующие результаты:
1. современная сельскохозяйственная деятельность возможна при EROEI не менее 5;
2. современное образование возможно при EROEI не менее 7;
3. современное здравоохранение возможно при EROEI не менее 12;
4. для поддержания среднемирового уровня качества жизни общества требуется EROEI не менее 14 единиц.
Пирамида энергетических потребностей в исследовании американских экономистов
Однако исследователи утверждают, что для научно-технического развития общества требуется минимальный EROEI не менее 20, а для поддержания качества жизни в развитых странах EROEI должен быть около 30 единиц.
Смогут ли альтернативные источники энергии обеспечить подобные показатели EROEI?
КПД современных ветроэлектростанций (ВЭС) составляет 40-45%, что уже близко к теоретически предельному КПД в 59,3%. Следовательно, теоретический максимальный «EROEI» ВЭС будет в районе 22 единиц, что недостаточно для поддержания сложившегося качества жизни Германии.
Современная солнечная панель имеет КПД 25%. Если допустить, что её КПД станет 100%, то «EROEI» возрастёт до 15 единиц, чего недостаточно даже для поддержания научно-технического прогресса общества.
Сильно сомневаюсь, что даже близкие показатели подобного КПД мы вообще сможем достичь. Но дело в другом. Тут важно осознать, что теоретический предел КПД приведённых возобновляемых источников энергии уже сегодня неспособен поддерживать уровень жизни в развитых странах.
Залогом развития любой цивилизации является количество потребляемой им энергии. Чем энергии больше, тем больше потенциал общества к развитию.
Если совокупный «EROEI» всех источников энергии упадет ниже 5 – в мире начнется голод.
Ничего сильно страшного в альтернативной энергетике нет, пока она развивается как отдельная энергетическая отрасль. Страшное начинается тогда, когда ею пытаются заменить мощные источники энергии (такие, как атомная или углеводородная энергетика).
Сопоставление количества затраченных ресурсов (материалов) с типом генерации энергии, Тонн на ТВт*ч. Только одних материалов солнечная энергетика требует в 15 раз больше, чем ядерная.
Тут важно понимать, что мы не дополняем мощности альтернативной энергетикой, а именно заменяем традиционную энергетику с высоким EROEI (EROEI атомной энергетики – от 75 и выше, EROEI углеводородной – от 28 и выше).
Европейские страны могут себе позволить развивать альтернативную энергетику, имея достаточно большие «EROEI» в смежной генерации (угольной и газовой), благодаря щедрым и богатым этими ресурсами соседям.
Но как показал опыт Австралии, чрезмерное заигрывание с альтернативными источниками энергии может погубить весь их общественный жизненный уклад. И первой под удар попала промышленность этой страны.
Казалось бы, Австралия имеет хороший топливно-энергетический потенциал, обеспеченный запасами традиционных полезных ископаемых (Австралия – третий в мире экспортёр энергоресурсов, после России и Саудовской Аравии). Что там может пойти не так? Оказывается, очень даже может, если бездумно заменять углеводородную генерацию альтернативными источниками, а не дополнять традиционные энергоносители.
Южная Австралия, город Джеймстаун. 100 МВт-ная батарея, построенная компанией “Tesla” для буферизации энергии от возобновляемых источников.
Да, распиаренные проекты Илона Макса по буферизации энергии с помощью альтернативных источников энергии ничуть не помогли Австралии, стоило только устроить им стресс-тест. А вот когда пришла реальная беда в связи с последними событиями в мире, пришло и осознание всей энергетической проблемы Австралии.
Даже уже в сенате Австралии прямо заговорили о возвращении к угольной и газовой генерации энергии, чтобы реанимировать обрабатывающую промышленность страны.
Сенатор Мэтт Канаван, не стесняясь, вообще заявил о фактическом провале альтернативной энергетики в Австралии, назвав её “ненадёжным источником энергии”.
Ничего удивительно в этом нет, так как альтернативная энергетика, даже с применением самых современных средств буферизации (хранения и накопления) энергии, не смогла обеспечить даже нужды шестисот жителей острова «Тау», где нет вообще никакой промышленности. Подобный эксперимент по переводу острова Тау на Солнечную генерацию полностью провалился, несмотря на все усилия лично самого Илона Макса.
Даже на тропическом острове заменить банальные дизель-генераторы солнечными панелями не получилось, несмотря на личные усилия самого Илона Маска.
На сегодня, помимо слабого энергетического выхода, солнечная и ветряная электрогенерации имеют ещё один весомый недостаток – утилизация отработавших конструкций.
Если утилизация солнечных панелей – это дорогая, вредная, загрязняющая атмосферу, но всё же реально существующая технология переработки, то утилизация стеклопластиковых конструкций ветроэнергетических станций – до сих пор нерешённая проблема.
Сегодня лопасти с прочие конструкции отработанных ветрогенераторов просто засыпают землёй или используются в качестве звукопоглощающих панелей.
Вот так в США утилизируют лопасти ветрогенераторов. Как сказал Вовка в Тридевятом царстве: “Ну ладно, и так сойдёт”.
В мире есть стартапы, которые пытаются решить проблему переработки подобных полимеров на вторсырьё. Но будем честны – никаких серьёзных сдвигов в этом направлении пока нет. Даже лидер в ветроиндустрии – компания “Vestas” – предполагает решить проблему безотходного производства ветрогенераторов только к 2040 году.
История знает много примеров рождения, процветания и забвения цивилизаций: Ацтеки, Ольмеки, Инки, Персы, Рим, Македония, Монгольская, Египетская, Майя… Согласно самому авторитетному исследователю проблем коллапса цивилизаций историку-антропологу Джозофу Тейнтеру, неконтролируемый коллапс цивилизаций наступает в результате истощения ресурсной базы. А для развитой цивилизации, как наша сегодняшняя, истощение ресурсной базы – это, в первую очередь, падение общего «EROEI» совокупных источников энергии.
И с развитием альтернативной генерации энергии падение коэффициента «EROEI» только увеличивается. Ну а если альтернативная энергетика будет и дальше пытаться вытеснить традиционную углеродную и атомную, то коллапс и нашей цивилизации будет неизбежен.
А чтобы было очевидно, насколько быстро может деградировать любая энергетическая отрасль под натиском лоббирования альтернативной энергетики, просто осознайте следующий факт:
В мире осталась единственная компания, обладающая всем циклом ядерных технологий. И это “Росатом”.
Ветроапокалипсис.
P.S. А как космос будем колонизировать? Тоже с помощью ветряков и солнечных панелей? Ну тогда мы обречены…
В связи с бурным развитием, и существенным снижением стоимости возобновляемых источников энергии (ВИЭ) многие владельцы частных домов и коттеджей, имеющие проблемы с электроснабжением, задумались о приобретении ветрогенераторов или солнечных батарей в качестве альтернативной или резервной системы питания.
Сейчас основными резервными источниками электрической энергии являются бензиновые или дизельные генераторы, ввиду их общей доступности и простоты установки. Но тенденция меняется, все больше людей отказывается от шумных и затратных топливных генераторов в пользу ВИЭ.
Минусы топливных генераторов очевидны:
- Сильный шум при работе
- Затраты на регулярное ТО и обслуживание
- Затраты на топливо (основная статья расходов)
- Выхлопные газы, и вредные выбросы
- Постоянный контроль и отсутствие полностью автоматических режимов
- Требуют отдельных помещений для установки
Солнечные батареи и ветрогенераторы не имеют этих минусов, и способны вырабатывать достаточно электроэнергии для питания всего дома. Кроме того, вложения делаются разово, при покупке и установке оборудования, а обслуживание этих систем требуется проводить гораздо реже. Попробуем разобраться, какой же из этих источников лучше, какие плюсы и минусы у того и другого.
Ветрянная электростанция.
Что касается ветрогенераторов, то очевидно чтобы они вырабатывали электричество необходим ветер, причем большинство из них выдает свой номинал при скорости ветра 11м/c, что является не слабым ветром, так 1кВт ветряк, при скорости ветра 3-5м/c выдает 150-400Вт. Это стоит учитывать при выборе системы, и устанавливать их на высокой мачте в местах с постоянным сильным ветром. Второе, на что стоит обратить внимание это то, что установка ветрогенератора – не простая задача, мачта должна быть высотой от 7-10м и выше, сам ветряк имеет немалый вес, большинство от 60кг, поэтому фундамент мачты должен быть капитальный, тросы-растяжки необходимой длины, громоотвод и молниезащита.
И последнее, насчет оборудования, для полноценной ветроэлектростанции требуется:
- Ветрогенератор (вертикальный или горизонтальны)
- Контроллер заряда (следит за зарядом АКБ, избавляет от излишек энергии, при сильном ветре, с внешними или внутренними ТЭНами, и другими опциями)
- Аккумуляторы (необслуживаемые AGM, GEL)
- Инвертор, преобразователь напряжения (12/24/48 – 220)
- Мачта, провода, автоматы
Стоимость полного комплекта оборудования, начинается от 150тыс.руб. (комплект для питания основного оборудования дома, средней мощности)
Солнечная электростанция.
Солнечным батареям для выработки электричества необходим солнечный свет, причем номинальная мощность достигается летом, когда солнце находится в зените, т.е. с 11 до 16 часов, в зависимости от региона. Утром и вечером мощность падает, а в зимнее время при облачной погоде могут вырабатывать 10-20% от номинала, а то и меньше. Для максимальной эффективности солнечные панели устанавливают на крыше или специальных конструкциях на земле, под углом к горизонту 30-60гр. Стоимость креплений и монтажных элементов для солнечных батарей ниже чем для ветрогенератора, так же плюсом является то, что их проще монтировать.
Оборудование для солнечной электростанции включает:
- Солнечные батареи
- Контроллер заряда
- Аккумуляторы
- Инвертор
- Крепления, провода, автоматы
Стоимость полного комплекта оборудования, начинается от 100тыс.руб. (комплект для питания основного оборудования дома, средней мощности)
Гибридная электростанция солнце+ветер.
Идеальным вариантом является установка комбинированной системы, где в качестве генерирующих мощностей используется ветряк и солнечные панели. Стоимость такой системы будет выше, но и позволит полностью отказаться от центральной сети. В такой системе мощность солнечных батарей и ветрогенератора может быть небольшой, т.к. выработка электроэнрегии будет осуществлятся практически круглосуточно.
Так же в такую систему можно организовать для первичного подогрева воды, это позволит более эффективно использовать энергию, а излишки направлять на подогрев, при этом эномить еще и газ. Так ТЭНы ветрогенератора нагревают бак косвенного подогрева, через который поступает вода в систему отопления или ГВС. Очень важным моментом является правильный подбор всех компонентов системы, поэтому проектирование стоит доверять только профессионалам.
Выводы
Солнечные батареи являются более дешевым вариантом альтернативного электроснабжения, для большинства регионов. Конечно в условиях крайнего севера или других экстремальных погодных условиях стоит более предметно просчитывать варианты установки того или иного альтернативного источника. Ну а лучший выбор – это комбинированный системы ветро-солнечные электростанции.
Так же читайте статьи по этой теме:
Окупаемость солнечных батарей, расчет и сроки рентабельности, целесообразность установки
Расчет солнечной батареи и аккумуляторов, комплекта солнечной электростанции
Ветрогенераторы и системы автономного питания на их основе
Альтернативные источники энергии в последнее время пользуются большой популярностью. Ввиду обострившегося за последние годы топливо-энергетического кризиса, возобновляемые источники энергии являются единственным верным решением.
В качестве альтернативных источников используются экономичные солнечные коллекторы, тепловые насосы и ветрогенераторы. Наиболее удобным и доступным источником энергии являются ветрогенераторы, на которых остановимся подробнее.
Принцип работы ветрогенератора
Ветрогенераторы (ВЭУ) кинетическую энергию ветра превращают в электрическую при помощи генератора. Вращение ротора обеспечивается лопастями ветряка, которые вращаются, как пропеллер у самолета. Конструкция генератора ветроустановки очень схожа с той, которая используется в генераторах на теплоэлектростанциях. На сегодняшний день различается два вида ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью.
Ветроэлектроустановки с горизонтальной осью
Такого типа установка оснащена двумя или тремя лопастями, которые устанавливаются в верхней точке башни. Этот тип ВЭУ является самым распространенным. У такого ветряка ведущий вал ротора располагается в горизонтальном положении. У ветряков такого типа с большим количеством лопастей ротор представляет собой диск, из-за чего такие установки получили название монолитных. Чтобы установка работала эффективно, ее лопасти должны постоянно взаимодействовать с ветром. Монолитные конструкции отлично работают при малых скоростях ветра, когда двух или трехлопастные должны развивать большую скоростью, чтобы охватить ветровые потоки. Теоретически можно прийти к выводу, что чем больше лопастей, тем эффективней ее работа. Но на практике оказывается, что многолопастные ветряки не настолько эффективны, как немонолитные роторы. Все из-за того, что близко расположенные друг к другу лопасти мешают друг другу.
ВЭУ с вертикальной осью вращения
В ветряках с вертикальной осью вращения вал ротора располагается в вертикальном положении. У такой турбины лопасти длиннее, чем у турбин с горизонтальной осью. Закрепляются лопасти у верхней и нижней части башни. Главной отличительной особенностью этого типа турбины от предыдущего в том, что независимо от направления ветра ротор всегда находится в одном положении. Принцип работы у этой установки такой же, как и у предыдущей.
Не зависимо от типа установки различаются они по способу взаимодействия с ветром, то есть лопасти неподвижные и с изменяющимся углом. У каждой конструкции есть как свои преимущества, так и недостатки. К примеру, установки с движущимися лопастями намного эффективней используют ветровые потоки, что позволяет выработать больше электрической энергии. Для такой работы устройство должно оснащаться специальными подшипниками, которые очень часто становятся причиной неисправности ветряка. Более простыми и дешевыми в обслуживании являются установки с неподвижными лопастями, но их эффективность несколько ниже.
Гибридные системы
Для увеличения эффективности работы альтернативных источников энергии, а также для бесперебойной подачи электричества на объект сегодня часто используются гибридные системы. То есть ветрогенераторы дополняются солнечными батареями, в результате чего получается эффективная автономная ветро-солнечная электростанция. Применение подобных установок «ветер-солнце» позволяет обеспечить любой объект необходимой энергией за счет возобновляемых источников. Преимущества таких гибридов в их доступной стоимости и высокой эффективности. Применение качественных комплектующих и профессиональная сборка, позволят вам избавиться от проблем, которые могут возникать при эксплуатации.
Контроллеры для ветрогенератора
Контроллер – это устройство, основная функция которого управление зарядкой и разрядкой АКБ, а также отслеживание максимально допустимых оборотов ветрогенератора. Но данное устройство предназначено не только для защиты ВЭУ, он также выполняет ряд важных функций, среди которых:
- Остановка ветряка при сильном ветре;
- Цифровой процессор позволяет поддерживать оптимальный заряд аккумулятора;
- Эффективно переводит энергию ветроустановки в электрический заряд аккумулятора и тепловую энергию от ТЭНов;
- Обеспечивает запуск ветряка даже при слабом ветре;
- Управление инвертором.
Технические характеристики контроллера:
- Напряжение 12, 24 и 48 Вольт;
- Мощность контроллера, Вт.
- Совместимость с другими альтернативными источниками энергии;
- Устройства контроля скорости ветра, защита от перегрузок, контроль АКБ.
Рассмотрим схему контроллера, который устанавливается на ветрогенератор. Состоит данное устройство из выпрямителя на диодах, которые преобразует переменный ток в постоянный, что очень важно для зарядки аккумулятора. Для включения и отключения цепи заряда АКБ используется контактор, а амперметр и вольтметр снимают показания с заряда АКБ. Сегодня производители ВЭУ предлагают покупателям контроллеры управления, предназначенные для разных типов ветроустановок.
Преимущества покупки ветрогенератора от ИК «ЭнергоПартнер»
Ветрогенераторы – это установки принцип работы, которых устроен на превращении возобновляемых источников энергии в электрическую. Ветряки обладают массой неоспоримых преимуществ:
- Вы обретаете полную независимость от промышленных источников электроэнергии;
- Отсутствие необходимости проводить линии электропередач на большие расстояния;
- Возможность использовать ветрогенераторы с другими источниками энергии;
- Установка позволяет снизить расходы;
- Повышает стабильность электроснабжения.
Компания ИК «ЭнергоПартнер» занимается монтажом, ремонтом, пусконаладочными работами и диагностикой систем электрооборудования. Основное направление деятельности компании – это организации альтернативных источников электроснабжения. Кроме этого мы занимается продажей солнечных батарей, преобразователей напряжения, ИБП, контроллеров, ветрогенераторов и сопутствующего оборудования. К важным преимуществам сотрудничества с компанией можно отнести:
- Применение инновационных технологий и оборудования;
- Сотрудники компании прошли специальное обучение, получив соответствующие сертификаты;
- Проводим обследования, энергоаудит и разработку программ по энергоснабжению.
Что нужно знать тем, кто собирается установить ветрогенератор
Если вы планируете установить ветряк мощностью более 10 кВт для хозяйственных нужд важно получить информацию об изменениях скорости ветра в разный период времени. В том месте, где планируется установка ВЭУ требуется получить данные о поведении ветра в данной местности за последние 20 лет. Что касается монтажа маломощных установок, то достаточно будет получить данные о характере ветра за последний сезон. Но все же нелишним будет консультация специалиста, который учтет особенности рельефа, а также получить данные с метеослужбы о ветре в данной области.
Установка ветрогенератора должна проводиться на открытой местности, где нет никаких препятствий, которые могут задерживать потоки воздуха. Высота установки ВЭУ должна быть на несколько метров выше любой преграды, расстояние до которой должно составлять не менее 150 метров.
Для вычисления мощности установки нужно вычислить среднемесячное потребление электроэнергии, учитывая при этом список всех бытовых электроприборов и их максимальную мощность во время работы. Чаще всего в продаже представлены ветровые станции для домашнего использования мощностью от 2 до 10 кВт. На многих ресурсах можно видеть информацию о том, что для семьи из четырех человек достаточно установки мощностью 10 кВт. Но все же расчеты должны проводиться индивидуально для каждого объекта. Не менее важно обеспечить ветроутсановку всеми необходимыми системами защиты от молнии, обледенения, а также предусмотреть качественный фундамент. В любом случае при выборе ВЭУ и расчетах мощности будет возникать масса сопутствующих вопросов, на которые смогут ответить вам специалисты компании ИК «ЭнергоПартнер».