Производство электроэнергии

Использование электроэнергии в экодоме имеет свои особенности. В частности, кроме потребления ее на обычные нужды: освещение, питание электро- и радиоприборов, бытовой техники, она используется для питания специфического инженерного оборудования экодома, например, вентиляторов и небольших насосов систем воздушного и водяного солнечного отопления, насосов системы водоснабжения и пр. Как уже говорилось, основными источниками электроэнергии в экодоме являются автономные альтернативные источники: ветроэлектростанции, солнечные батареи, микрогэс, и др., а в качестве дополнительных могут использоваться центральная сеть (если она есть поблизости) и генераторы на невозобновимых источниках энергии (бензине, солярке и др).

Необходимо отметить, что сейчас стоимость электроэнергии, получаемой от сети меньше, чем стоимость ее от автономных источников. Но тенденция такова, что стоимость энергии от сети постоянно растет, а стоимость автономных электростанций на возобновимом топливе падает. Например, в странах Западной Европы, где интенсивно развивается ветроэнергетика, стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветростанциями (ВЭС) уже сейчас сравнима и даже меньше, чем стоимость энергии, получаемой от тепловых, атомных и гидроэлектростанций.

Самую высокую удельную стоимость (стоимость на единицу мощности) сейчас имеют солнечные модули и батареи - от 3 до 7 долл. за ватт. Однако новейшие достижения в микроэлектронике и физике полупроводников позволят по оценкам специалистов уже в течение ближайших 3-5 лет снизить цену на них до 1долл. (сейчас это стоимость ВЭС) и затем сделать их самыми дешевыми источниками из всех. Если сюда добавить высочайшую надежность и долговечность, а также простоту монтажа и эксплуатации, то солнечные электростанции (СЭС) являются самыми перспективными источниками энергии для экодома. На первом подготовительном этапе развития экопоселений несколько солнечных модулей небольшой мощности (200-300 вт) могут быть использованы, например, для питания вентиляторов и насосов систем отопления. Это целесообразно и потому, что обеспечивается синхронная работа солнечных коллекторов и солнечных электрических модулей, поскольку оба используют общий источник энергии – солнце.

Ассортимент солнечных модулей, выпускаемых как отечественными, так и западными производителями, достаточно широк, они обладают более или менее близкими техническими характеристиками, поэтому их выбор при проектировании экодома будет определяться стоимостными и надежностными показателями.

Основным источником электроэнергии в экодоме, на мой взгляд, будут малые ветроэлектростанции (ВЭС). Существует большое количество проектов малых ВЭС мощностью от нескольких сотен вт до десятков квт, как в нашей стране, так и за рубежом. Однако есть ряд моментов, на которые необходимо обратить внимание. Большинство зарубежных ВЭС рассчитаны на работу при высоких скоростях ветра (12 м/сек и выше). Вероятно, это связано со специфическими условиями работы там, где они больше всего применяются (пустынные и гористые местности, побережья морей и океанов). Справедливости ради, надо отметить, что большинство зарубежных ВЭС значительно легче по весу, чем наши станции и имеют прекрасный дизайн. Нелишне напомнить, что в советское время наша страна являлась лидером в разработке и производстве ВЭС, они выпускались серийно на нескольких предприятиях СССР. В нынешней России их производство за последние 10-15 лет практически свернуто, несмотря на то, что многие разработки и экспериментальные образцы имеют лучшие характеристики, чем у зарубежных ВЭС, в частности они способны эффективно работать при малых скоростях ветра (5-7 м/сек и даже ниже).

Почему мы делаем такой упор на скорость ветра? Потому, что на большей части Европейской территории России среднегодовая скорость ветра составляет 5-7 м/сек, а некоторых районах и ниже (3-5 м/сек). В силу этого большинство ВЭС зарубежного производства у нас попросту не будет работать, следовательно, надо ориентироваться на российские станции. Фактически, сейчас в России их серийно выпускает только одно предприятие в г. Хабаровске (Компания «ЛМВ Ветроэнергетика»), и малые серии производят на Украине в г.г. Харькове и Киеве. Ряд других предприятий, выпускавших ВЭС, либо исчезли, либо свернули производство в силу неблагоприятной экономической ситуации в России (РПЗ в г. Рыбинске, МКБ «Радуга» в г. Дубне и др.). Существует также большое количество прогрессивных разработок и опытных образцов малых ВЭС, которые можно было бы запустить в серийное производство уже сейчас. Рассмотрим наиболее интересные конструкции малых ветроэлектростанций.

Одна из этих разработок – ВЭС с вертикально расположенным ротором (WEI Windrotor) имеет уникальные характеристики, может работать при любых направлениях и скоростях ветра, как малых (от 3,5 м/сек), так и ураганных. Она проста в установке и техническом обслуживании, поскольку основное оборудование расположено на поверхности земли, а не на большой высоте, как у ВЭС с горизонтальным ротором. Разработчик заинтересован в создании совместного предприятия по производству малых ВЭС с небольшим объемом инвестиций, либо продает лицензию на производство.

Другая разработка, ветроэлектростанция с диффузором (ВЭУД-1), имеет стандартные характеристики при вдвое меньших размерах ветроколеса и сверхнизких скоростях ветра (до 3 м/сек). При скорости ветра 5м/сек она развивает номинальную мощность 1 квт. Разработан целый ряд этих ВЭС, отличающихся размерами лопастей и величиной мощности (от 0,25 до 10 квт). Заявленная стоимость киловаттной установки – 1500 долл.

Еще одна интересная разработка – однолопастная ВЭС (ВЭУ-1), подготовленная к выпуску Московским заводом «Агрегат-привод». Она имеет самый малый вес (25 кг без мачты и 60 кг с мачтой) по сравнению со всеми известными отечественными ВЭС, диапазон рабочих скоростей ветра – 3 - 40 м/сек и развивает номинальную мощность 1 квт при скорости 7 м/сек. Это же предприятие осуществляет разработку и серийное производство низкоскоростных генераторов для ВЭС любой мощности. Для сравнения, вес серийной ВЭС «Шексна-1» мощностью 0,5 квт Рыбинского приборостроительного завода составляет 265 кг, а вес установки «ВЭУД-1» (см. выше) – 90 кг.

Серийные ветроустановки Хабаровского предприятия выпускаются под маркой «ЛМВ» и являются одними из лучших в мире, обладая высочайшей надежностью и большим сроком службы - 20 лет (правда они работают при более высоких скоростях ветра, нежели описанные выше ВЭС). Наверное, поэтому они являются и одними из самых дорогих в России (дороже них лишь установки «Радуга», производимые в г. Дубне). «Компания ЛМВ Ветроэнергетика» выпускает целый ряд ВЭС мощностью от 0,5 до 10 квт, при рабочих скоростях ветра – 7 – 12 м/сек.

Стоит отметить также украинские ветростанции «ВЭУ-0,75» и «WE-1000», обладающие неплохими параметрами, работающими при небольших скоростях ветра и недорогих (1500 долл. для «ВЭУ-0,75»).

Если поблизости от экодома протекает речка или ручей, для производства электроэнергии выгодно использовать энергию течения воды, устанавливая микрогидроэлектростанции (микроГЭС). Они имеют мощность от единиц до десятков квт и по стоимости и эксплуатации могут оказаться дешевле ВЭС. Ценным их качеством является независимость от погодных условий и равномерность выработки энергии во времени, т.к. скорость течения намного более постоянная величина, чем скорость ветра или поток солнца. МикроГЭС бывают погружные (устанавливаются на дно реки), деривационные, или рукавные (используют гибкую трубу для для формирования водного потока большой скорости вне ручья) и свободнопоточные (плавают на поверхности реки). Они очень надежны, долговечны, просты в эксплуатации и сравнительно дешевы.

В последнее время появились сообщения, что предприятие «Юсмар» в г. Кишиневе подготовило к выпуску т.н. квантовую теплоэлектростанцию (КТЭС), которая использует энергию вихревого потока воды. Эта станция вырабатывают одновременно электрическую и тепловую энергию, что делает ее весьма перспективной для использования в качестве комплексного автономного источника энергии экодома. Самая маленькая модель производит 4 квт электрической и 5 квт тепловой энергии и стоит 9500 долл.

Неотъемлемой частью электрообеспечения экодома являются источники бесперебойного питания (ИБП). Как уже указывалось, альтернативные источники электроэнергии имеют низкие выходные напряжения (практически все ветро- и гидрогенераторы и солнечные модули выдают напряжения из стандартного ряда: 12, 24, 36, 48, 60 вольт), обладают крайней неравномерностью выработки энергии во времени, а иногда и вообще не работают (в отсутствии солнца и ветра, например). Поэтому необходима аккумуляция энергии и преобразование ее в стандартную сеть 220 вольт. Далее, поскольку для производства электроэнергии используются несколько альтернативных источников (например, ВЭС и СЭС), а в дополнение к ним может применяться и центральная сеть, необходимо предусмотреть коммутационно-распределительное устройство (блок управления), чтобы оперативно менять источники энергии и режимы работы автономной сети в целом. Наконец, должна быть предусмотрена защита сети от перенапряжений и коротких замыканий

Все эти функции и выполняет источник бесперебойного питания, который состоит из преобразователя напряжения (инвертора), аккумулятора, зарядного устройства, блока управления и панели ручного управления. Функциональная схема работы автономной сети экодома следующая: электроэнергия от одного или нескольких источников через зарядное устройство поступает в аккумулятор (заряжая его), затем постоянное напряжение аккумулятора преобразуется в инверторе в переменное напряжение 220 вольт и поступает к потребителю. Синхронизация и порядок работы в этой схеме обеспечивается блоком управления и панелью ручного управления.

Из приведенной схемы понятно, что фактическим источником электроэнергии для потребителя является аккумулятор, а альтернативные источники служат в основном для его зарядки. Поэтому аккумулятор – важнейший элемент электрической сети экодома. Выбор его емкости определяется мощностью и количеством потребителей, временным графиком их работы, величиной пусковых токов электродвигателей насосов, холодильника, пылесоса и пр. Необходимо использовать полностью необслуживаемые (герметичные) аккумуляторы, обладающие высокой надежностью и не загрязняющие атмосферу. В России такие аккумуляторы не выпускаются, поэтому надо ориентироваться на лучшие модели зарубежного производства, такие, как Varta, Fiamm, Bosch и др. Их дороговизна окупится сторицей в первые же годы эксплуатации экодома.

Другой важной частью ИБП является преобразователь постоянного низкого напряжения аккумулятора в переменное напряжение 220 вольт, или инвертор. Он должен быть достаточно мощным (обычно несколько квт) и выдерживать как обычную нагрузку в виде постоянно подключенных к сети потребителей, так и пиковые нагрузки, возникающие при включении некоторых приборов. Обычно используют не один, а два и более инверторов разной мощности, работающих каждый на определенную группу потребителей.

Блок управления выполняет следующие функции: коммутирует источники энергии по приоритету; при прекращении подачи энергии от альтернативных источников подключает потребителей непосредственно к центральной сети 220 вольт (при наличии ее); при полной зарядке аккумулятора отключает альтернативные источники от зарядного устройства и подключает их к балластным нагрузкам (обычно это мощные низковольтные электронагреватели, используемые для подогрева воды в резервных баках-аккумуляторах); защищает сеть от перегрузок и коротких замыканий. Его «мозгом» обычно является микропроцессор.

Назначение и функции зарядного устройства и панели ручного управления ясны из их названий.

Как российская, так и западная промышленность выпускают множество моделей источников бесперебойного питания, однако в большинстве случаев будет необходимо провести индивидуальную конструкторскую разработку ИБП для конкретного проекта экодома, используя стандартные промышленные модели для его составных частей: инверторов, зарядных устройств и т.д. Примером удачной конструкции ИБП может служить преобразователь МАП «Энергия», выпускаемый московской фирмой «МикроАрт». Он в несколько раз дешевле (~200 долл. за 2-х киловаттную модель) аналогичных зарубежных моделей и может использоваться как составная часть ИБП для любого конкретного проекта электроснабжения экодома, а в некоторых случаях наличие одного или нескольких преобразователей «Энергия» достаточно для выполнения всех функции ИБП.

Аккумулятор, инвертор и зарядное устройство обычно входят в комплект поставки ветро- и гидроэлектростанции и вносят существенный вклад в их стоимость, не обладая при этом высокими характеристиками. Поэтому гораздо дешевле и целесообразнее покупать отдельно ветро- или гидрогенератор и отдельно существенно более качественные аккумуляторы и источник бесперебойного питания (или изготовить его по индивидуальному проекту).

В заключение рассмотрения вопроса об электрообеспечении экодома необходимо остановиться на проблеме необходимого запаса мощности альтернативных источников. Многие авторы дают сильно завышенные оценки в части электропотребления жилища и соответственно мощности необходимого источника электроэнергии. Например, по расчетам Датского Технологического института, семья из 4-5 человек, живущая в доме площадью 120 кв.м, расходует в год около 2000 квт.ч электроэнергии на бытовые электроприборы, еще 4000 квт.ч – на освещение и горячую воду и 10800 квт.ч – на отопление. Правда, это касается обычного жилища. Но на основании подобных данных делается вывод о необходимости использования также и в экодоме автономных источников мощностью не менее 4-5 квт, а обычно 10-12 квт.

Проведем примерный расчет потребления электроэнергии в экодоме, состоящем из 5 комнат (не считая подсобных и сантехнических помещений) площадью около 100кв.м. Исходные данные для расчета приведены в таблице:

потребитель	мощность(вт)	кол-во (шт.)	время работы за сутки (час)	энергопотребление (квт.час)
осветительные лампы (энергосбер.)	20	5	5	0,5
телевизор	100	3	5	1,5
видеомагнитофон	100	1	5	0,5
компьютер	100	1	5	0,5
холодильник	200	2	8	3,2
насос системы водоснабжения	500	1	10	5,0
итого				11,2

При расчете не учитывается энергопотребление редко используемых приборов (утюг, стиральная машина и пр.), а также предполагается, что в доме полностью используется солнечное и печное отопление и приготовление горячей воды, а электродвигатели насосов и вентиляторов системы обогрева питаются от солнечных модулей мощностью 200-300 вт. (в большинстве случаев этого достаточно).

Немецкие экотехнологии у нас.

М едленно, но верно экотехнологии, становясь перспективной альтернативой традиционным энергоресурсам и потому популярные на Западе, прививаются сегодня и у нас. Одна из экономичных, экологичных, энергосберегающих технологий – выработка тепловой энергии из солнечного света. В деревне Старый Лепель Лепельского района Витебской области на крыше школьной столовой в июне этого года был установлен солнечный коллектор. Пилотная для Беларуси модель передана немецкой фирмой-производителем “Wagner-Solar GmbH» в дар местной школе. Коллектор обеспечивает потребность столовой в горячей воде и позволяет экономить значительные средства на теплоэнергию.

Торжественное открытие солнечной установки с выступлением представителей компании, местных властей, освящением здания и праздничным концертом, подготовленным лепельскими школьниками, состоялось в минувшую пятницу.

В ходе мероприятия специалисты Wagner-Solar GmbH рассказали подробнее об солярном устройстве и его функционировании.

К оллекторы на крыше переводят энергию солнечных лучей в тепло, которое переносится с помощью антифриза и через теплообменник отдается в наполненый водой бак-аккумулятор объемом 750 л. В теплый солнечный день вода нагревается до 70 градусов. В бойлере она размешивается с поступающей холодной. Получить таким образом можно до 1000 л теплой, температурой 40-50 ºС воды, которая используется непосредственно на кухне. Солнечный коллектор способен бесперебойно вырабатывать горячую воду в течение всего летнего периода. Даже в мороз при ясной погоде вода в нем нагревается до 25 ºС. Устройство предусматривает также дополнительное отопление за счет котла. Однако есть и некоторые нюансы функционирования солнечной установки. Решающим фактором являются наклон и расположение крыши. Оптимальная работа коллектора с минимизацией теплопотерь достигается при угле ее наклона в 40 градусов и ориентированием на юг. По площади солнечный коллектор довольно компактен – 16 м2, и обошелся он немецкой стороне в 15 тыс. евро. Такой же солнечный коллектор будет пожертвован компанией для амбулатории в д. Занарочь Мядельского района Минской области. П ерспективными направлениями использования своей технологии специалисты Wagner-Solar GmbH видят в отопительных системах жилых домов и при водонагреве в ванных комнатах. Подсчитано: установка коллектора с объемом водохранилища 300 л стоимостью 5500 евро окупается в среднем за 5-7 лет.

Выбор производителя солнечных установок на д. Старый Лепель пал не случайно. Здесь с 2001 г. работает благотворительная организация “Дома вместо Чернобыля”, реализующая совместно с МБОО “ЭкоДом” на территории Беларуси гуманитарную программу по строительству экологически чистых домов для чернобыльских переселенцев. За прошедший период времени с их помощью новый кров обрели 11 семей из брагинского, хойницкого и гомельского районов. Еще три семьи переедут на новое место жительства в октябре этого года и три – осенью следующего.

П редназначенные для переселенцев дома выполнены по каркасной технологии с заполнением стен методом скользящей опалубки смесью из глины, воды и щепы технологической. Строительная бригада “ЭкоДомСтрой” (структурное подразделение МБОО “ЭкоДом”) начинает строительство с нулевого цикла, укладывает фундаментные блоки, возводит на них несущий деревянный каркас, а заполнение стен глиняно-щепочной смесью осуществляют уже волонтерские группы. Нынче в поселке их трудится 56 человек, из которых 36 волонтеров – немецкие школьники и члены благотворительной организациий “Дома вместо Чернобыля”, остальные – наши. Кстати, это третья волонтерская смена. Каждая из них трудится по 3 недели при обычном 8-часовом рабочем дне и с двумя выходными. Труд волонтеров организован следующим образом: одна группа размешивает смесь непосредственно на стройплощадке, тщательно выдерживая необходимые пропорции глины и щепы, другая – носит и заполняет ею каркасную конструкцию. Контролируют весь процесс 2 прораба. П редставитель немецкой стороны Кристоф Шиль отвечает за качество смеси. После того как коробка дома возведена, устанавливается кровля с металлочерпичным покрытием. В таком состоянии дом простоит до следующего лета. В новом строительном сезоне начнется утепление и отделка здания. Стены и кровля утепляются тростниковыми плитами в 2 слоя по 5 см, собственное производство которых налажено ЭкоДомом в д. Занарочь. По теплопроводности показатель у них 0,067 Вт/(м•К). По периметру дом оштукатуривается материалами “Забудова”. Изнутри также утепляется тростником и обшивается гиспокартоном с последующим оштукатуриванием.

В качестве противопожарной профилактики все внутреннее и чердачное пространство дополнительно обрабатывается глиняным раствором, на тростниковых плитах делаются стяжки глиной, глиняно-песчаным составом настилаются плиты перекрытия.

Для большей герметичности дверные и оконные проемы обиваются OSB-плитами, и устанавливаются стеклопакеты. Д ома получаются 2-этажными, с техническим 3-м этажом и жилой площадью около 160 м2. Все помещения внутри – довольно просторные. Свободная планировка позволяет делать 5 комнат с учетом кухни и санузла на первом этаже и около трех наверху. В домах предусматривается устройство топочной печи и установка газовых котлов. В каждом помещении стоят терморегуляторы. Архитектурные проекты жилых домов разрабывают в НИПТИС с учетом пожеланий немецкого заказчика. Конструкция стены также консультируется с немецкими разработчиками данной дерево-каркасной технологии. Стоимость такого дома – около 105 млн бел. рублей вместе с хозпостройкой.

На сегодня финансирование всех работ осуществляется за счет организации “Дома вместо Чернобыля”. Посильную помощь оказывает и МБОО “ЭкоДом”. Как рассказал ее директор Юрий Супринович, средства на строительство фирма изыскивает от продажи электроэнергии, полученной на собственных ветряных установках в Мядельском районе Минской области. Вся инфраструктура – проведение горячего, холодного водопровода, канализации, электросетей, обустройство дорог – финансируется из средств местного бюджета. В настоящий момент в д. Старый Лепель возведено 20 домов, три из них сдадут под ключ в октябре, каркасы еще трех простоят до следующего лета. Всего в поселке планируется построить 30 экологических домов.

Однако опыт их возведения в д. Старый Лепель у организации “Дома вместо Чернобыля” не единожден. Свою благотворительную программу по строительству жилья для пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС она начала еще в 1994 г. в д. Дружная Мядельского раойна.