Альтернативные источники энергии

  Отбор мощности начинается при скорости ветра  около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование  в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В  реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.

  У мощного ветродвигателя большие  размеры. Однако можно обойтись и  малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным  преобразователем, можно просуммировать выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

  Неожиданные проявления и применения. Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания. Появление экспериментального ветродвигателя на

  Оркнейских  островах (Англия) в 1986 году вызвало  многочисленные жалобы от телезрителей ближайших населенных пунктов. В  итоге около ветростанции был  построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины  были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает  радиоволны. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них  металлические полоски, предназначенные  для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый  сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и  создавал на экранах помехи.

  Построенная в 1980 году в городке Бун (США) ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала  безотказно, но вызывала нарекания  жителей городка. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла, и звенела посуда на полках. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться. Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию. Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой – однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями (рис.3). Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре. На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.

  [pic]

  Рис.3. Однолопастной карусельный двигатель

  2.ЭНЕРГИЯ  СОЛНЦА.

  Проблема  утилизации экологически чистой и притом «дармовой солнечной энергии  волнует человечество с незапамятных времен, но только недавно успехи в  этом направлении позволили начать формировать реальный, развивающийся  рынок солнечной энергетики. К  настоящему времени основными способами  прямой утилизации солнечной энергии  являются преобразование ее в электрическую  и тепловую. Устройства, преобразующие  солнечную энергию в электрическую, называются фотоэлектрическими или фотовольтаическими, а приборы, преобразующие солнечную энергию в тепловую, - термическими. В последнее время все большее распространение получают так называемые гибридные или как их еще называют комбинированные системы, сочетающие в себе функции фотовольтаических и термических устройств. Отличительной особенностью гибридных систем является возможность их функционирования в автономном режиме, без подключения к централизованным энергосистемам. В литературе все три типа приборов называются гелиосистемами. Сейчас, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт.

  2.1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

  Существует  два основных направления в развитии солнечной энергетики: решение глобального  вопроса снабжения энергией и  создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач.

  Эти преобразователи, в свою очередь, также  делятся на две группы; высокотемпературные  и низкотемпературные.

  В преобразователях первого типа солнечные  лучи концентрируются на небольшом  участке, температура которого поднимется до 3000°С. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для  плавки металлов

  (см. рис. 4.)

  Рис.4.Высокотемпературный гелиостат

  [pic]

  Самая многочисленная часть солнечных  преобразователей работает при гораздо  меньших температурах – порядка 100-200°С. С их помощью подогревают  воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят  пищу. Сконцентрированным солнечным  теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

  Солнечные установки практически не требуют  эксплуатационных расходов, не нуждаются  в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание  в чистоте. Работать они могут  бесконечно.

  2.2.КОНЦЕНТРАТОРЫ  СОЛНЕЧНОГО СВЕТА

  С детства многие помнят, что с помощью  собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении.

  Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью  вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью  вогнутого зеркала. Если в фокус  зеркала поместить трубу с  водой, то она нагреется. Таков принцип  действия солнечных преобразователей прямого действия.

  Наиболее  эффективно их можно использовать в  южных широтах, но и в средней  полосе они находят применение. Зеркала  в установках используются либо традиционные – стеклянные, либо из полированного  алюминия. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (рис. 6) имеют форму:

  1.цилиндрического  параболоида (а);

  2.параболоида  вращения (б);

  3.плоско-линейной  линзы Френеля (в).

  [pic][pic][pic]

  Рис. 5. Формы концентраторов солнечной энергии

  Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в

  Калифорнии  использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с  теплоносителем – дифенилом, нагреваемым  до 350°С. Желоб поворачивается для  слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские  гелиостаты). Это позволило упростить  систему слежения за солнцем. Солнечная  энергия может непосредственно  преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель  Стирлинга. Если в фокусе параболического  зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы поднимать  с глубины 20 метров 2 мі воды в час.

  В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко  из-за ее высокой стоимости.

  Рис.6. Солнечный водонагреватель

  [pic]

  Водонагреватель. Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.

  Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60-70°.

  КПД установки – 40%.

  Тепловые  концентраторы. Каждый, кто хоть раз  бывал в теплицах, знает, как резко  отличаются условия внутри нее от окружающих: Температура в ней  выше. Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают почву, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном направлении  тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и тепловые концентраторы.

  Это – деревянные, металлические, или  пластиковые короба, с одной стороны  закрытые одинарным или двойным  стеклом. Внутрь короба для максимального  поглощения солнечных лучей вставляют  волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается  воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или  насоса.

  2.3.ЖИЛОЙ  ДОМ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ

  Среднее за год значение суммарной солнечной  радиации на широте 55°, поступающей  в сутки на 20 мІ горизонтальной поверхности, составляет 50-

  60 кВт/ч. Это соответствует затратам  энергии на отопление дома  площадью

  60 мІ .

  Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном  коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с  жидкостным очевидны:

  - нет опасности, что система  замерзнет;

  -нет  необходимости в трубах и кранах;

  - простота и дешевизна.

  Недостаток  – невысокая теплоемкость воздуха.

  Конструктивно коллектор представляет собой ряд  застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых зачернена  матовой краской, не дающей запаха при  нагреве. Ширина короба около 60 см. В  части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному  варианту. Он много проще в строительстве  и дальнейшем обслуживании. По сравнению  с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши), не требуется  уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.

  Плоский коллектор, помимо прямой солнечной  радиации, воспринимает рассеянную и  отраженную радиацию: в пасмурную  погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы реально  имеем в средней полосе. Плоский  коллектор не создает высокопотенциальной  теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления  этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается  на фасаде, ориентированном на юг (допустимо  отклонение до 30° на восток или на запад).

  Неравномерность солнечной радиации в течение  дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный  день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает  тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором  наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве.

  Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор  с помощью вентилятора.

  Для дома, площадью 60 мІ , объем аккумулятора составляет от 3 до 6 мі . Разброс определяется качеством исполнения элементов  гелиосистемы, теплоизоляцией, а также  режимом солнечной радиации в  конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех  режимах

  (рис. 7. а-г):

  – отопление и аккумулирование  тепловой энергии (а);

  – отопление от аккумулятора (б);

  – аккумулирование тепловой энергии (в);

  – отопление от коллектора (г).

  В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается  и через отверстия у потолка  поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни  горячий воздух забирается из верхней  зоны коллектора и с помощью вентилятора  прокачивается через гравий, заряжая  тепловой аккумулятор. Для ночного  отопления и на случай пасмурной  погоды воздух из помещения прогоняется  через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.