Возобновляемые источники энергии
Возобновляемые источники энергии, не требующие сжигания полезных ископаемых, включают солнечную радиацию, ветер, теплоту грунта, энергию движения воды. Достоинство таких источников энергии — экологическая чистота и небольшие затраты труда и средств на эксплуатацию. Если теплоты возобновляемых источников энергии недостаточно, их дублируют традиционными установками. Экономия топлива при этом составляет около 20…30%.
Коротко рекомендации сводятся к следующему: – здание ориентируют так, чтобы стены и крыша получали максимальное количество солнечных лучей зимой и минимальное — летом; – здание на площадке располагают таким образом, чтобы южная сторона была больше раскрыта, чем северная; – вытянутое здание размещают в направлении восток — запад, а коридор устраивают с северной стороны, чтобы основной свет получали комнаты; – в здании чердачного типа уклон крыши должен быть более 45°, чтобы летом кровля меньше нагревалась, а зимой получала больше прямых солнечных лучей; – следует использовать окружающую растительность и рельеф площадки для формирования микроклимата.
Солнечная радиация, поступающая на землю, преобразуется растениями, вызывает движение воздушных масс и круговорот воды. Энергию солнца можно преобразовывать в электрическую или тепловую в гелиоустановках. На эффективность использования гелиоустановок влияют прежде всего широта местности, количество солнечных дней и чистота атмосферы.
Гелиоустановки состоят из коллектора, теплообменника, теплоаккумулятора, насосов и трубопроводов (рис. 1). Солнечная энергия превращается в тепловую в коллекторе, который может быть плоским, фокусирующим и объемным.
Плоские коллекторы состоят из светопрозрачного защитного слоя (стекла или пленки), тепло-приемника (поглощающей поверхности), труб или коробов для теплоносителя, теплоизоляции и защитного короба.
Ультрафиолетовые солнечные лучи проходят через светопрозрач-ный защитный слой и достигают теплоприемника — темной абсорбирующей панели, Панель нагревается и начинает излучать длинноволновую (инфракрасную) радиацию. Для инфракрасных лучей защитный слой непрозрачен, поэтому внутри коллектора температура повышается (парниковый эффект). Плоские коллекторы работают и в пасмурную погоду. Накопленную теплоту выводит из коллектора воздушный или жидкий теплоноситель.
Теплоприемник рекомендуется изготовлять из материалов с высокой теплопроводностью: листов меди или алюминия, окрашенных в черный цвет. В сельских условиях теплоприемник можно изготовить из листов фанеры, оргалита, асбестоцемента, поверхность которых с одной стороны, окрашивают в черный цвет, а с другой — укрывают теплоизоляционным материалом.
Теплоноситель (воздух или жидкость) отбирает тепло от теплоприемника, для этого он должен проходить по трубам, коробам или вдоль замкнутой поверхности солнечной батареи. Роль жидкого теплоносителя обычно играет вода, в зимних условиях используют незамерзающую жидкость.
Плоские коллекторы могут быть построечного и заводского из-готовления. При самостоятельном изготовлении коллектором может служить южная сторона крыши или стена.
Для любых конструктивных решений поверхность теплоприемника должна плотно соприкасаться с поверхностью теплоносителя. Плоские солнечные коллекторы наиболее дешевые, но имеют низкий коэффициент полезного действия. Тем не менее воздух в них может нагреваться до 120 °С.
Коллекторы с изогнутой поверхностью концентратора солнечной энергии позволяют получить очень высокую температуру (до 500 °С и выше). Концентратор фокусирует солнечную энергию на трубчатом или плоском теплообменнике и имеет зеркальное светоотражающее покрытие. Для увеличения продолжительности интенсивной работы его оборудуют поворотными механизмами слежения за солнцем (рис. 2). Коллекторы с изогнутой поверхностью концентратора применяют на силовых установках для выработки электроэнергии и привода паросиловых машин. Работают они только в солнечные дни при прямом солнечном излучении.
Объемным солнечным коллектором может считаться любое здание или наземное сооружение закрытого типа, а также часть этого здания: чердак, веранда, зимний сад (теплица). Солнечные лучи попадают внутрь помещения, нагревают массивные поверхности (стены и пол), от них нагревается воздух, причем тепло за счет аккумуляции каменными конструкциями продолжает излучаться и в вечернее время, согревая интерьер здания (рис. 3).
Теплоаккумулирующие устройства для отопления и горячего водоснабжения зданий устраивают в виде закрытых емкостей с камнями (для аккумуляции теплого воздуха) и в виде резервуаров с жидкостью. На 1 м2 поверхности коллектора в резервуаре предусматривают 45…70 л воды. Бак устанавливают на чердаке или в подвале и тщательно изолируют. К сожалению, баки из стали со временем корродируют, а стекловолокнистые стоят дорого.” Лучшими сейчас считают пластиковые емкости. В зависимости от конструкции теплота сохраняется от 2 дней до 3 недель.
Лучший эффект восприятия солнца плоским коллектором достигается при перпендикулярном падении солнечных лучей на тепло-приемник. По этой причине оптимальный наклон плоского коллектора (для северного полушария) составляет 10… 15° плюс широта места нахождения объекта. Например, для Московской области (56° с. ш.) пространственная ориентация коллектора должна быть близка к вертикали и коллектор должен быть обращен на южную сторону (±10°).
Самой простой системой подогрева воды от плоского коллектора считают одноконтурную термосифонную. Одноконтурной ее называют потому, что и теплоносителем, и для расхода служит одна и та же вода. Бак-аккумулятор устанавливается выше коллектора солнечной энергии и образует вместе с трубами коллектора замкнутый контур (сообщающиеся сосуды). При нагревании воды в коллекторе ее объем увеличивается и она стремится вверх по трубопроводу, вытесняя -более прохладную воду в нижние слои гидросистемы. Более прохладная вода с днища перетекает по нижней части циркуляционного трубопровода в нижнюю часть коллектора. Овос-ходом солнца вода начинает циркулировать и постепенно подогреваться, затем ее забирают из верхней части бака-аккумулятора. В баке устанавливают дополнительный водонагреватель, работающий в пасмурные дни или при аварийных ситуациях. Ночью такая система начинает отдавать тепло (опрокидываться) через коллектор. Этот эффект может быть использован для обогрева помещений. Для подогрева питьевой воды лучше не пропускать ее через систему коллектора, а использовать тепло, скопившееся в баке-аккумуляторе. Чистая питьевая вода подогревается через теплообменник (змеевик), установленный в баке.
Ветровая энергия, так же как и солнечная, имеет много преимуществ для использования в автономном хозяйстве и является экологически чистой. Количество энергии, которое можно получить от ветрового потока, пропорционально площади сечения (площади, описываемой воздухоприемными плоскостями) и скорости ветра в третьей степени. Скорость ветра — главное условие эффективной работы агрегата, поэтому так важно найти площадку со скоростью ветра не менее 3 м/с.
Скорость ветра изменяется как в течение суток (ночью ветер обычно затихает), так и в течение года (сильные ветры бывают преимущественно осенью и зимой).
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) состоят из ветродвигателя, передаточного механизма (редуктора), преобразователя энергии (электрогенератора, компрессора, гидронасоса), аккумулятора энергии (электроаккумулятора, емкости со сжатым воздухом, напорного бака) и устройства, потребляющего энергию (потребителя).
Ветродвигатель преобразует ветровую энергию в механическую или электрическую, Оптимальное место для его установки — ровный холм с пологим склоном, окруженный свободным пространством радиусом в несколько километров. Если такой возможности нет, то нижняя кромка ветрового колеса должна превышать верхнюю точку препятствия минимум на 3 м в радиусе до 150 м. Если этого невозможно достичь на участке, то выбирают место, на котором нижняя кромка ветрового колеса возвышалась бы над препятствием на такую высоту Ь, которая не менее 15 раз укладывается в расстояние а до препятствия 6 = а/15 (рис. 4).
Ветродвигатели могут быть с вертикальной и горизонтальной осью вращения ветрового колеса (рис. 5).
Наиболее распространены крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, которые могут быть тихоходными и быстроходными.
Тихоходные двигатели рассчитаны на улавливание слабого ветра (традиционные ветровые двигатели) и снабжены многолопастными крыльями большого диаметра.
Быстроходные крыльчатые двигатели оснащают двумя-тремя лопастями. Лопасти выполняют легкими, прочными и стойкими к природным условиям. Их используют для привода установок с малым крутящим моментом там, где можно начинать вращение без нагрузки, в том числе для центробежных насосов и электрогенераторов.
У ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветроколеса линейная скорость вращения лопастей в несколько раз больше скорости ветра, чем они выгодно отличаются от ветродвигателей предыдущего типа.
Ветродвигатели с вертикальной осью вращения различают карусельные, роторные, барабанные, цепные.
Полуцилиндры ротора устанавливают на одинаковом расстоянии от вертикальной оси, обычно по нескольку установок на одной оси. Каждый последующий ротор поворачивают на 60° по отношению к предыдущему, в результате чего обеспечивается более плавная работа всей установки при_изменении скорости и направления ветра.
Ветродвигатели карусельного и барабанного типа работают по принципу водяного колеса, одна сторона которого погружена в поток.
Лопасти цепных ветродвигателей гибкие, две или три узкие пластинчатые металлические лопасти соединены верхними и нижними концами на оси. Под воздействием центробежных и аэродинамических сил они приобретают оптимальную ветроулавливающую форму. Эти двигатели способны воспринимать ветер в любом направлении, обладают высоким КПД (0,6), но сложны в изготовлении.
Аккумуляторы предназначены для накапливания энергии и использования ее в безветренный период.
Электроаккумуляторы дороги, экологически не безопасны и могут накапливать электроэнергию только на несколько суток.
Электроэнергию можно использовать для получения водорода из воды (путем электролиза). Водород запасают в газгольдерах и расходуют в качестве топлива для газового двигателя.
Существуют также механические (инерционные) и пневмоком-прессорные установки по аккумуляции энергии, но, к сожалению, пока это оборудование слишком дорого.
В сельских условиях наиболее экономичный способ аккумулирования энергии — это подъем и перекачивание воды. Вода, перекачанная с помощью ветродвигателя в водоем, расположенный выше по рельефу, или в резервуар, приподнятый на опорах, в безветренный период может приводить в движение водяные мельницы и электрогенераторы. Высокий эффект может получиться от сочетания ветроэнергетической установки с работой гидростанции на малой реке. Зимой и в разгар лета воды для напора часто не хватает, и для того, чтобы снизить расход воды в ветреное время, включается электрогенератор от ветряного двигателя, а сток воды временно прекращается.
Кроме того, ветровую энергию можно использовать непосредственно для подъема воды, на мельницах и т. п.
Комплексное использование энергии солнца, ветра, переработки отходов и очистки воды позволяет создать автономное поселение, не загрязняющее окружающую среду, не требующие подвоза топлива, пищи и воды. Проектирование и строительство таких поселков на 5…10 семей могут существенно повлиять на образ жизни и систему расселения людей, на их отношение к окружающей природе.
Участок - Возобновляемые источники энергии
Остались вопросы по теме - "Возобновляемые источники энергии", задайте их на