10228

40

Рис. 35. Схема работы системы ГВС с вакуумным коллектором.

Накопительный бойлер содержит несколько контуров трубопроводов (рис. 35), и для повышения надежности системы, а также при сезонном использовании коллектора предусматривается дублирующий источник тепловой энергии, который подключается к дополнительному контуру. Как правило, этим источником является котел, но может быть предусмотрен трубчатый электронагреватель, расположенный непосредственно в накопительном бойлере, или дизель-генератор.

Рис. 36. Монтаж вакуумного коллектора.

Применение солнечной энергии в промышленности весьма обширно как с точки зрения получения электрической, так и тепловой энергии.

В данном пособии в качестве примера рассмотрим получившие широкое распространение параболические концентраторы солнечной энергии. Основная задача концентратора фокусировать солнечные лучи на емкости с теплоносителем, которым могут выступать, например, масло или вода, хорошо поглощающие солнечную энергию.

Параболические солнечные концентраторы бывают в длину до 50 метров, они имеют вид вытянутой зеркальной параболы. Такой концентратор состоит из массива вогнутых зеркал, каждое из которых собирает параллельные солнечные лучи, и фокусирует их в конкретной точке. Вдоль такой параболы, располагается труба с теплоносителем так, что на нее и фокусируются все отраженные зеркалами лучи. Чтобы снизить потери тепла, трубу окружают стеклянной трубкой, которая протянута вдоль линии фокуса цилиндра.

42

Рис. 39. Общий вид параболических концентраторов.

Справедливости ради стоит отметить, что на месте трубы может быть расположен и фотоэлемент. Однако, несмотря на то, что с фотоэлементами, размеры концентраторов могут быть меньшими, это чревато уменьшением КПД и проблемой перегрева, для решения которой требуется разработка качественной системы охлаждения.

Подводя итог в данном разделе можно сказать, что солнечная энергетика, пожалуй, одно из самых перспективных направлений использования энергии возобновляемых источников на сегодняшний день. Описанные установки составляют лишь малую часть существующего многообразия, которые способны на равных конкурировать с установками, использующими органическое топливо в качестве источника энергии.

Энергия ветра

Как уже было описано ранее, первоисточником для возникновения ветра является тепловая энергия Солнца. Воздух, нагреваясь возле поверхности земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности земли во времени и пространстве приводит к возникновению атмосферной циркуляции.

Скорость ветра увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра.

Именно кинетическая энергия ветра с помощью ветроэнергетических установок

43

преобразуется в механическую работу, которая в дальнейшем передается на вал электрогенератора, где вырабатывается электрический ток.

Рис. 40. Схема получения электроэнергии из энергии ветра для бытового потребления. Как видно из схемы (рис. 40), процесс транспортировки электрического тока схож с

аналогичным процессом в солнечных электростанциях – также первоначально вырабатывается постоянный ток, который накапливается в аккумуляторных батареях, затем с помощью инвертора преобразуется в переменный ток с напряжением в 220В, пригодный для использования в бытовых приборах. В данной схеме в качестве альтернативного источника электрической энергии используется дизель-генератор.

44

Рис. 41. Основные элементы ветроэнергетической установки.

В ветроэнергетической установке (на рис. 41 представлена установка с горизонтальной осью вращения), кинетическая энергия ветра воздействует на лопасти 1, которые крепятся к ротору 2, где совершается механическая работа, передаваемая на электрогенератор 7 при помощи системы зубчатых колес 6. Частота оборотов контролируется контроллером, на который также приходят данные от анемометра по скорости ветра и по флюгеру о его направлении.

45

Рис. 42. Диагностика ветроэнергетической установки.

Все ветроэнергетические установки (ВЭУ), классифицируют по следующим признакам:

•мощности: малой, средней, большой, гигантской;

•числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух-, трех- и многолопастные;

•отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения, параллельной или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье).

Маломощные установки (30 – 5000 Вт) - Применяются как зарядные устройства для аккумуляторных систем и создания локальных электрических сетей в местах, где нет доступа к общей энергосистеме.

Установки средней мощности (5 – 100 кВт) также чаще всего применяются для электропитания изолированных хозяйственных объектов.

Установки большой мощности (100 кВт – 5 МВт) и гигантские ветроустановки

(более 5 МВт) используются для коммерческой выработки электроэнергии с поставкой ее

вэлектросети, чаще всего в виде ветропарков, образующих ветроэлектростанции.

47

осью вращения названы в честь их создателя - французского авиаконструктора Жорджа Жана Мари Дарье (1988-1979), запатентовавшего свое изобретение в 1931 году.

Рис. 44. Сравнение ветрогенераторов с вертикальной и горизонтальной осями вращения: слева направо: трехлопастной с горизонтальной осью вращения, пятилопастной с горизонтальной осью вращения, ротор Дарье типа Н, винтообразный ротор Дарье; внизу: классические с горизонтальной осью вращения и вертикальной осью (ротор Дарье).

В качестве альтернативы роторам Дарье в ветроустановках с горизонтальной осью вращения можно привести ротор Савониуса, названного в честь финского архитектора и изобретателя Йоханеса Сигурда Савониуса, изобретение которого датируется 1922 (1924) годом.

48

Рис. 45. Й.С.Савониус (1884-1931) и конструкция ротора Савониуса.

В настоящий момент горизонтально-осевые ветроэлектрические установки получили наибольшее распространение, а самым популярным видом стали береговые горизонтально-осевые ветроэлектрические установки — ГОВЭУ. Как правило, такие ВЭУ оснащены тремя лопастями (существуют также много-, двух- и однолопастные ВЭУ), а их мощность может достигать 10 МВт. Мощность ГОВЭУ зависит, главным образом, от диаметра и высоты расположения ветроколеса (ротора) — лопастной системы ВЭУ, воспринимающей аэродинамические нагрузки от ветрового потока. Диаметр ветроколеса для крупных ВЭУ может достигать 100 м. С целью повышения эффективности работы ГОВЭУ оснащаются специальными устройствами ориентации на ветер. Так, в малых ГОВЭУ могут использоваться обычные флюгеры. Ориентация на ветер более крупных установок требует использования механизированных систем поворота ВЭУ.

Морские ГОВЭУ имеют схожую конструкцию за небольшими исключениями, связанными со способами их установки. Так, морские ГОВЭУ подразделяются на опорные (устанавливаются в мелководье на специальную опору-фундамент) и плавучие (используются на глубоководных морских участках). Морские ГОВЭУ позволяют нивелировать некоторые недостатки береговых аналогов. Так, во избежание негативного «теневого» эффекта (аэродинамический след работы соседних ВЭУ) ГОВЭУ должны быть установлены на определенном расстоянии друг от друга. Такая ситуация ведет к проблемам поиска оптимальных территорий для размещения ВЭУ на суше. Выбор мест размещения морских ГОВЭУ менее ограничен.

Плавучие ГОВЭУ могут также размещаться в местах, удаленных от суши на расстояние до 20 км, в результате они не видны с берега и визуально не портят ландшафт. Кроме того, морские ГОВЭУ работают в более благоприятных условиях (более высокая и стабильная скорость ветра) для выработки электроэнергии.

Тем не менее, морские ГОВЭУ характеризуются более высокими по сравнению с береговыми аналогами капитальными издержками, что обусловлено повышенной сложностью их установки, в том числе более протяженной сетевой инфраструктурой, особенно для плавучих ГОВЭУ. Кроме того, размещение ВЭУ в море требует проведения анализа их негативного эффекта на морскую экосистему.

49

Рис. 46. Морские ГОВЭУ: слева прибрежная, справа на плавучей платформе.

Однако далеко не всегда требуются огромные мощности, вырабатываемые ветрогенераторами. Так, например, для автономного освещения уличного фонаря достаточно небольшого ветрогенератора или солнечной панели или их комбинации (рис.

47).

Рис. 47. Автономный фонарь: слева компания «Амира», справа компания «Оптилайт». Весьма интересным изобретением для бытового использования (можно установить

во дворе любого дома) может послужить Dragonfly Invisible Wind Turbine (рис. 48),

который создал итальянец Ренцо Пьяно. Этот двухлопастной ветряк имитирует способность стрекозы парить в воздухе, используя самые слабые бризы.

Еще одним интересным вариантом ветряка небольшой мощности может послужить модульный мобильный блок (модульный турбинный блок), развивающий мощность до 50 кВт от американской компании Eastern Wind Power (рис. 49).

Пожалуй, самым инновационным вариантом ветрогенератора может служить летающий ветрогенератор, предложенный компанией Altaeros Energies и прошедший успешные испытания (рис 49).