Научно-производственное предприятие
phone
  • (068) 734-59-44
ETOVХарьковSyneko - научно-производственное предприятиеСтатьиИНТЕГРАЛЬНАЯ АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Контакты
  • Syneko - научно-производственное предприятие
  • Александр Согоконь
  • +38 (068) 734-59-44
  • Написать нам
  • Московский проспект, 41, Харьков
  • График работы

ИНТЕГРАЛЬНАЯ АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Кризисы – это благодатное время для радикального пересмотра и решительного изменения концепций, стратегий и парадигм. Острый энергетический кризис в Украине является мощной движущей силой для поиска новых решений в области альтернативных источников энергии.

С другой стороны, Природа не расточительна, она одну и ту же идею, один и тот же принцип повторяет многократно. Но при каждом новом повторении она так маскирует решение, что мы иногда тратим годы и десятилетия, чтобы в конце пути с удивлением обнаружить, что это уже было решено, и мы об этом должны были давно догадаться. А поскольку энергетика это неотъемлемая часть Природы, то выход из энергетического кризиса надо искать среди уже решенных человечеством аналогичных задач.

Обратим ретроспективный взгляд на историю развития микроэлектроники. В начале 20-го столетия активно развивается как элементная база (электровакуумные лампы, резисторы, конденсаторы), так и схемотехнические решения (схемы усилителей, генераторов и пр.). Начинается массовое производство радиоприемников с навесным монтажом. К 50-м годам появляются полупроводниковые приборы, которые, в 60-х (и после) начинают массово вытеснять ламповую технику, демонстрируя компактность печатного монтажа,надежность и устойчивость. В 70-х появляются интегральные микросхемы, сначала в виде сборок транзисторов, а затем в виде законченных схемотехнических решений (калькуляторов, электронных часов, усилителей и пр.).

Причин для интеграции в радиоэлектронике было много, но мы остановимся на чисто экономической. Самый простой радиоприемник содержит не меньше десятка транзисторов. У каждого из них есть корпус и три вывода. Каждому из них нужна, как минимум, пара резисторов для установки рабочей точки. Все это затраты материалов и рабочего времени на монтаж. Гораздо проще и экономически оправдано поместить все транзисторы в один корпус, и сразу установить оптимальные рабочие точки.

Вернемся к альтернативной энергетике. Если воспользоваться аналогией с микроэлектроникой, то в настоящее время мы находимся в стадии создания элементной базы и развития схемотехнических решений.

Доказано, что ни один вид альтернативной энергии не в состоянии самостоятельно покрыть все энергетические расходы, связанные с жизнеобеспечением даже одного человека. Это связано с непостоянством этих источников, с их сезонностью и суточными колебаниями в поступлении энергии. Поэтому, для достижения энергетической независимости и круглогодичной автономности необходимо использовать несколько видов альтернативных источников. И вот здесь начинаются трудности и нестыковки.

Возьмем, к примеру, систему, содержащую ветрогенератор, фотовольтаические солнечные батареи, солнечный коллектор, глубинный тепловой насос и термоэлектрический преобразователь, связанный с котлом на твердом топливе. В принципе такой энергетический комплекс может круглогодично обеспечить энергией жилище. Причем, котел с термоэлектрическим преобразователем здесь играют подстраховочную роль на случай либо сильных морозов, либо выхода из строя одной из систем. Мало кто может позволить себе такую роскошь потому как, во-первых, это дорого, а во-вторых, занимает большую площадь. А об использовании в многоквартирном доме даже и думать не приходится. По аналогии с электроникой, это такая же непозволительная роскошь для большинства граждан, как ламповый батарейный радиоприемник в 30-х годах прошлого столетия. Но это не значит, что подобные системы не имеют права на жизнь.

Из вышеприведенной аналогии следует вывод: нужно объединять «транзисторы» в одном «корпусе» и сразу «выставлять оптимальные рабочие точки».

Недавно в НПМП «Syneko» разработаны несколько типов подобных устройств, названных гибридами-трансформерами [1].

1.Гибрид-трансформер, производящий электричество.

Гибрид-трансформер - это солнечно-ветровая установка, которая днем при наличии солнца работает как обычная солнечная батарея, а на ночь изменяет свою геометрию, и превращается в ветро-электрогенератор и продолжает давать электричество при наличии ветра. Если наутро солнце не покажется, то она и дальше будет находиться в режиме ветроустановки. И даже всю зиму может пережить в «личине» ветряка, а с появлением первых солнечных дней начнет превращаться в солнечную батарею. Причем, это не сумма двух разных устройств на одном фундаменте, а именно трансформер, так как каждый элемент устройства выполняет по две функции. Поэтому затраты материалов, занимаемая площадь и, естественно, стоимость будут примерно в 2 раза меньше, чем отдельно построенные ветряк и поле солнечных батарей.

Кроме того, в наших климатических условиях очень часто бывает пасмурная погода при полном отсутствии ветра. В этом случае рассеянный свет концентрируется на одной ячейке солнечной батареи, которая даже в таких условиях может работать в номинальном режиме. Благодаря конструктивным особенностям, снег в зимний период не скапливается на светочувствительной поверхности панелей, а пыль, осевшая за день, сметается ветром в ночное время. Если КПД солнечных батарей будет 15-20%, то доли электричества, полученные от солнца и от ветра, будут примерно одинаковыми в расчете на 1кв метр активной площади.

На Рис.1 показана схема одного из вариантов реализации предложенного принципа. Это 4-х лопастная система вертикально-осевой ветротурбины, которая при изменении ориентации лопастей превращается в солнечную батарею, поскольку на вогнутой поверхности лопастей расположены фотовольтаические модули.

4 лопасти1.png

Рис.1

Для эффективной работы в режиме электрогенератора, ось вращения ветротурбины должна быть расположена вертикально. Для эффективной работы в режиме солнечной батареи, ось ветротурбины должна располагаться перпендикулярно солнечным лучам. Поэтому, при переходе из режима ветрогенератора в режим солнечной батареи, одновременно с изменением ориентации лопастей осуществляется изменение наклона оси вращения ветротурбины. А благодаря возможности поворота ветротурбины, осуществляется постоянное слежение за положением солнца на небосклоне, что обеспечивает максимальную эффективность работы солнечных батарей. При этом поворотом ветротурбины может управлять электрогенератор, подключаемый как электродвигатель к системе слежения за положением солнца. В качестве иллюстрации такой конфигурации, на Рис 2 показано ветроколесо 7-ми лопастной ветротурбины.

Фиг3b.pngСолнечно-ветровая мачта1.png

Рис.2 Рис.3

Возможна еще одна конфигурация гибрид-трансформера. Фотовольтаические ячейки расположены на выпуклой стороне лопастей ветротурбины, а вогнутые стороны лопастей покрыты светоотражающим слоем. В этом случае работа ветротурбины в режиме солнечной батареи практически ничем не отличается от рассмотренного выше варианта, за исключением того, что датчик определения положения солнца находится с противоположной стороны. А вот в пасмурную и безветренную погоду светоотражающие лопасти будут фокусировать рассеянный свет на одну лопасть, что приведет к тому, что вместо 4-х неработающих панелей, будет нормально работать хотя бы одна.

Кроме того, в солнечную и ветреную погоду, когда приоритетным является режим ветрогенератора, солнечные панели тоже будут вносить свой вклад в общую мощность. В течение каждого полуоборота две панели будут попадать в относительно благоприятные условия солнечного освещения. Это даст прибавку в 30-40% к общей выработке электроэнергии.

Таким образом, при размещении в одном «корпусе» только двух «транзисторов», уже получается четыре разных режима работы, и несколько дополнительных эксплуатационных преимуществ.

Предложенное решение очень полезно для владельцев солнечных электростанций, желающих повысить мощность, но не имеющих возможность увеличить площадь земельных участков, занятых солнечными панелями. В этом случае можно на северной границе участка построить несколько вышек с многоэтажным расположением гибрид-трансформеров, например, как показано на Рис.3. Такое дополнение к существующей станции не только повысит мощность, но и в некоторой степени сгладит суточные колебания в выработке энергии.

1.Гибрид-трансформер, производящий горячую воду и электричество.

Это аналогичная предыдущей, солнечно-ветровая установка, которая представляет собой три «транзистора» в одном «корпусе». Днем при наличии солнца она работает как концентратор солнечного тепла и нагревает воду в бойлере, а на ночь изменяет свою геометрию, и превращается в ветро-электрогенератор и начинает заряжать аккумулятор. Причем, электричество получается как от ветрогенератора, так и от солнечных батарей. При полном штиле и в пасмурную погоду концентрирует рассеянный свет на одной ячейке, обеспечивая ей нормальную работу. В результате достигается еще большая гибкость в выборе, как источника энергии, так и в количестве получаемой энергии.

Принцип работы этого гибрид-трансформера легче всего понять на примере трехлопастной ветротурбины (Рис.4d). Как и в предыдущем устройстве, вогнутые поверхности лопастей зеркальные, а выпуклые – фотовольтаические. Но вдоль оси турбины проходит труба с теплоносителем, на которую зеркальные лопасти концентрируют солнечное излучение (Рис.4с). Нагретый теплоноситель может использоваться как для горячего водоснабжения, так и для отопления помещений. Если лопасти ориентированы так, как показано на Рис.4b, то ветротурбина работает как обычная солнечная батарея. В пасмурную погоду, когда освещенность недостаточна для работы всех батарей в номинальном режиме, то зеркальные поверхности лопастей концентрируют рассеянный свет, и направляют его только на одну фотопанель, обеспечивая ей нормальный режим работы. (Рис.4а).

схема винд-сан1.png

Рис.4.

Так же, как и в предыдущем устройстве, при наличии ветра и солнечного излучения, фотопанели будут вносить свою 30-40% прибавку к электричеству, полученному от ветрогенератора, а зеркальные лопасти даже при вертикальном расположении способны собрать до 10-15% солнечного излучения, и направить его на теплоприемник. В результате достигается еще большая производительность, так как устройство работает практически при любых погодных условиях, и время его простоя сведено к минимуму.

DSCI0533b.jpg

Рис.5

На Рис.5 показана фотография небольшого экспериментального образца, рассмотренного выше гибрид-трансформера. Лопасти, размером 165х430мм, с вогнутой стороны выполнены зеркальными. На снимке отчетливо видно, как свет фокусируется на поверхность вакуумной трубки, которая используется в качестве теплоприемника. Длина трубки 500 мм, диаметр – 58 мм. Диаметр окружности, на которой расположены оси поворота лопастей, составляет всего 390мм, что для ветроколеса очень мало. Переключение из режима ветрогенератора в режим концентратора оказалось на удивление легким и простым.

Испытания гибрид-трансформера, как концентратора солнечной энергии, (Рис.4с.) осуществлялись 9-10 марта 2015 года по методике, изложенной в [2]. Испытания проводились в двух режимах: при вертикальном расположении оси вращения ветроколеса, и при оптимальной ориентации концентратора на солнце (так, как показано на Рис.2). Результаты испытаний представлены на Рис.6.

испытания1.png

Рис.6

Учитывая то обстоятельство, что погодные условия были не очень благоприятные, и, что высота солнца над горизонтом в течение экспериментов изменялась от 7 до 34 градусов, то разброс точек на графике нужно признать удовлетворительным. Средняя мощность вакуумной трубки с таким концентратором при оптимальной ориентации на мартовском солнце оказалась равной 35Вт. При вертикальном расположении мощность примерно в 2 раза ниже, что легко объясняется тем, что верхний диск ветроколеса затенял примерно половину трубки. Если бы вместо верхнего диска был обруч со спицами, то результат был бы совсем другим. Поэтому режим работы концентратора в вертикальном положении не лишен смысла, и его необходимо оптимизировать, усовершенствовать и использовать при работе в режиме ветрогенератора.

Было собрано еще два экспериментальный образец ветротурбины с примерно такими же размерами, но с 5-ю и с 12-ю лопастями (Рис.7). Ширина лопастей во втором случае была меньше, и составляла 90 мм, а высота 420 мм. В режиме концентратора работа этих образцов сомнений вызвать не могла, так как их конструкция полностью подпадает под первый пункт формулы патента на изобретение[3]. А работа в режиме ветроколеса представлена на видео [4] и [5]. Образец с 5-ю лопастями показал лучшие результаты.

Оценим энергетические и массо-габаритные параметры устройства, имеющего реальную потребительскую значимость. Для частных домовладений и коттеджей проблема мощности и габаритов не столь важна, как для жильцов многоквартирных домов. Рассмотрим сначала этот «тяжелый» случай, так как жителей многоэтажек значительно больше, и они больше подвержены диктату коммунальных служб. И, стало быть, для достижения энергетической независимости, больше нуждаются в альтернативных источниках энергии.

110420141234e.jpg

Рис.7.

Главным элементом, который определяет габариты устройства, является вакуумная трубка, выполняющая роль теплоприемника и теплообменника. Наиболее распространенный размер трубок 185см и 85см в длину. Существуют и 2-х метровые и 210см. Остановимся на трубке длиной 185 см. Тогда высота лопасти будет около 190см. Если диаметр ветроколеса принять равным 120см, то в режиме концентратора можно рассчитывать на тепловую мощность около 1,5 кВт. В режиме ветрогенератора можно рассчитывать на мощность 300-400Вт, и примерно на такую же мощность в режиме солнечной батареи.

Такой энергетический блок может полностью обеспечить семью из 3-4 человек горячим водоснабжением круглый год, и снизить потребление электроэнергии. В летний период производство электроэнергии за счет солнечного излучения может составлять 30-40 кВт*часов в месяц, и примерно столько же в зимние месяцы, за счет энергии ветра.

Весьма привлекательными в плане интеграции являются термоакустические системы преобразования тепла в электричество или в холод. Основной недостаток этих систем (большие размеры резонатора) можно превратить в преимущество, использовав корпус резонатора, как опору для солнечного концентратора или ветроустановки (Рис.8). При этом, тепловой аккумулятор, электрогенератор или морозильная камера могут находиться в подвальном помещении, т.е., там, где им и положено быть, а доставкой энергии от концентратора к преобразователям будут заниматься акустические колебания газа в резонаторе-опоре.

термоакустика1.png

Рис. 8.

Таким образом, на примере рассмотренных выше устройств (гибрид-трансформеров), показана принципиальная осуществимость,работоспособность и эффективность метода переноса известных приемов микроэлектроники в область альтернативной энергетики. Одновременное использование в одном устройстве разных физических явлений для преобразования энергии, полученной от разных альтернативных источников, позволяет уменьшить стоимость, как самих устройств, так и стоимость энергии, получаемой с их помощью. Это создает существенные конкурентные преимущества интегрированных систем перед моно системами, использующими только одно физическое явление и один источник энергии. И в будущем степень интеграции энергетических систем будет увеличиваться подобно тому, как на протяжении последних 50-ти лет увеличивается интеграция в электронике, приводящая к созданию совершенно немыслимых ранее устройств.

Литература.

1.Согоконь А.Б. Заявка на изобретение № а201501245 «Солнечно-ветровая установка»

2.Согоконь А.Б. «Измерение мощности вакуумных трубок» http://syneko.etov.com.ua/articles/13890-Izmerenie-moshchnosti-vakuumnih-trubok.html

3. Патент Украины № 108571 "Концентратор солнечного излучения" Согоконь А.Б., Согоконь С.И.

4. https://youtu.be/wbqlXXjlu1o

5. https://youtu.be/Spbl10Spt0A

18 апреля 2015
© 2013 - 2018 Syneko - научно-производственное предприятие | Пожаловаться на содержимое
Создать сайт бесплатно
Сайт создан на платформе ETOV