четверг, 7 февраля 2013 г.

Ветер и солнце: альтернативные источники электроэнергии для дома

Многие из нас любят выбраться на природу, чтобы отдохнуть от городской суеты и насладиться чистым воздухом, тишиной природы и прочими радостями пребывания вдали от города. Многие даже выбирают для себя жизнь в загородном доме, и в ближайший город ездят в основном на работу.

Хорошо, если такой дом или дача имеет все коммуникации, в том числе – подведенные линии электропередач. Но часто бывает, что в недавно построенном доме официальное подключение к местной электросети затягивается, требует многочисленных согласований и значительных капиталовложений. Да и в случае успешного подключения сельские линии электроснабжения пока не могут похвастать ни стабильным напряжением, ни бесперебойностью подачи электричества. Некоторые пользователи вообще предпочитают не подключаться к существующим сетям, изначально строя полностью автономные дома в удалении от любых населенных пунктов и линий коммуникаций.

Сегодня мы расскажем о таких набирающих популярность у современных украинцев устройствах, как ветряные и солнечные электростанции. Обе системы электроснабжения призваны повысить автономность загородного дома, и отличаются только первичным способом получения электричества, имея в остальном идентичную инфраструктуру для пользования полученной электроэнергией.


Ветряная электростанция, как следует из ее названия, преобразует кинетическую энергию ветра во вращательное движение привода электрогенератора. Проще говоря, когда ветер дует на пропеллер, тот вращается и приводит в действие ротор генератора (как правило, постоянного тока). В этой системе также присутствует редуктор, повышающий обороты привода генератора целью обеспечения приемлемой скорости вращения, а значит и вырабатываемой мощности.

Конечно же, целесообразно устанавливать ветрогенератор там, где ветер дует часто и сильно. Известно, что с увеличением высоты растет и скорость ветра. Поэтому для установки ветровых турбин применяются специальные мачты. Если просто, то чем выше – тем лучше.

При оценке эффективности ветровой турбины обычно принимают во внимание следующие параметры:

  • количество лопастей;
  • начальная скорость – скорость ветра, при которой установка начинает генерировать ток;
  • номинальная скорость – скорость ветра, при которой установка обеспечивает номинальную мощность;
  • максимальная скорость – скорость ветра, при которой турбина еще работает без повреждений;
  • частота вращения при номинальной мощности;
  • количество произведенной энергии в киловатт-часах за определенный период времени.

Все эти параметры влияют на выбор конкретной модели ветровой турбины, место и способ ее монтажа. Впрочем, при заказе такой установке Вам все это подробно объяснят специалисты устанавливающей компании, предоставив оптимальный вариант, подходящий именно для Ваших условий эксплуатации.


Солнечная электростанция, в свою очередь преобразует энергию солнечного света в электрическую. Мощность солнечной установки зависит от площади задействованных солнечных батарей, также называемых солнечными модулями или панелями. Чем больше площадь таких панелей, тем больше на нее попадет света и тем больше электроэнергии она производит. Модульными они называются не зря – площадь солнечной установки увеличивают, составляя целые массивы солнечных панелей, конструкция которых позволяет подключать нужное количество панелей.

Коэффициент полезного действия солнечных панелей обычно невысок и со временем даже уменьшается. Производители обычно указывают в документации на панели график уменьшения производительности панели с течением времени. У хороших солнечных модулей падение производительности не должно быть выше 20% за 20 лет. Поэтому такие системы обычно проектируются на период эксплуатации до 30 лет, в течение которого сами солнечные панели не нуждаются в каком-либо специальном уходе, кроме чистки поверхности от загрязнений.

Применять такие установки целесообразно там, где солнце светит часто и много. Облучение определенного участка пространства солнечным светом называется инсоляцией. Чтобы не вдаваться в подробности, целесообразность установки солнечной электростанции в той или иной местности, можно определить, посмотрев карту инсоляции. Общая тенденция для Украины здесь тоже простая – чем южней, тем лучше.


При выборе солнечных панелей также следует учитывать, какая погода наиболее характерна для Вашей местности. Если наблюдаются частые туманы, густая облачность или регулярно идет дождь, то многого Вы от солнечных панелей не получите. Устанавливать солнечные батареи тоже лучше так, чтобы в течение дня на них не падала тень от находящихся рядом объектов, а угол падения солнечных лучей был как можно более близок к 90°.

Также следует помнить, что по известным всем причинам в течение дня направление солнечного излучения меняется. По этой причине солнечные панели обычно устанавливают либо на крышах домов под углом с восточной и западной стороны, либо горизонтально в любом удобном месте. Зачастую солнечные панели ставят на мачту ветряной турбины.

Какой бы автономный источник электричества из приведенных выше Вы не выбрали, обоим необходимо оборудование, которое бы позволяло использовать полученную электроэнергию в привычном для нас виде – 220 В переменного тока частотой 50 Гц. Ведь обе установки вырабатывают постоянный ток напряжением 12 или 24 В. Кроме того, полученная электроэнергия доступна только непосредственно в момент выработки и в том «количестве», которое обеспечивает наша генерирующая установка.

Как быть с мощными электроприборами, такими как чайник или микроволновая печь, имеющими мощность около 2 кВт, если наша солнечная панель способна выдать всего 0,25 кВт, а ветрогенератор – всего 0,8 кВт? Полученную электроэнергию необходимо где-то накапливать, преобразовывая и потребляя только нужную нам часть.

Для этих целей служит система из трех составляющих:

  • блока аккумуляторов, в которых накапливается электроэнергия, полученная в течение времени активной работы ветрогенератора или солнечной панели;
  • контроллера заряда этих аккумуляторов, через который на батареи поступает ток от панели или турбины
  • инвертора – преобразователь постоянного напряжения 12 или 24 В в переменное 220 В.



Система работает следующим образом: пока светит солнце или дует ветер, панель или генератор производят постоянный ток и передают его на контроллер, который заряжает аккумуляторы. К примеру, панель мощностью 120 Вт при напряжении 12 В выдаст максимальный ток заряда в 10 А при идеальных условиях.

Если мы поставим накопительный аккумулятор емкостью в 100 А•ч и напряжением в 12 В, то теоретически солнечная панель полностью зарядит его за 10 часов. На практике, это займет больше времени в связи с потерями в зарядном устройстве, да и солнце не будет все 10 часов освещать панель под прямым углом.

Что же нам делать с полностью заряженным 12-вольтовым аккумулятором емкостью в 100 А•ч, чтобы подключить к нему электрочайник мощностью 2,2 кВт, которому необходимо переменное напряжение 220 В? Правильно, придется использовать инвертор. Например, наш инвертор имеет ограничение по максимальной выходной мощности в 3 кВт, значит, на чайник его хватит. Но это еще не все: на преобразование электроэнергии, взятой от аккумулятора, инвертору тоже нужна электроэнергия и его КПД не будет равен 100% (у хороших инверторов он равен примерно 75%).


Итак, за более чем 10 часов работы солнечной панели мы «накопили» 1,2 кВт•ч электроэнергии и полностью зарядили аккумулятор. Энергию, которая вырабатывается после этого, контроллер заряда не передаст на аккумулятор, поэтому нам необходимо потратить накопленное.

Вообще, емкость батареи, необходимой для автономной работы, определяется мощностью нагрузки, которая будет к ней подключаться, и рассчитывается по формуле:

C = Р х Т х КПД / U,

где C – емкость батареи в ампер-часах, P – мощность нагрузки в ваттах, T – время работы в часах, U – напряжение батареи в вольтах (значение КПД можно принять равным 75%).

Из этой формулы можно вывести формулу для определения времени работы прибора заданной мощности от батареи:

T = C x U / (P x КПД)

Например, в примере с чайником время его работы составит 0,4 часа – то есть за 24 минуты непрерывной работы наш чайник израсходуют всю энергию, которую мы копили почти сутки.

Для расчета необходимой мощности готовой автономной электростанции нужно подбирать оптимальные параметры соотношения мощности первичной генерирующей установки (будь то ветрогенератор или солнечная батарея), емкости и напряжения аккумуляторов, выходной мощности и КПД инвертора, и самое главное – четко знать какую нагрузку и в течение какого времени мы хотим обеспечивать автономным электроснабжением. Так же нужно помнить, что нагрузка может быть активной и реактивной (например, приборы с электродвигателем – стиральная машина, холодильник), и для расчета мощности последней нужно учитывать ее коэффициент мощности (cos ф, указываемый в технических характеристиках устройства).


Имеет смысл устанавливать максимально возможное количество аккумуляторов. Правда, стоимость как зарядного устройства, так и инвертора в этом случае вырастет, но вместе с ними вырастает и самый главный параметр автономной электростанции – время автономной работы. Бороться с увеличением времени заряда массива аккумуляторов можно, увеличивая мощность первичных генерирующих установок.

В итоге все получается просто – чем больше Вы поставите солнечных панелей и ветрогенераторов, тем большее количество энергии они выработают и тем больше аккумуляторов они смогут зарядить, а те – дольше питать автономным электричеством Ваше домашнее хозяйство.




Источник: Rozetka.ua

Комментариев нет:

Отправить комментарий