Автономное энергоснабжение загородного дома. Возобновляемые и традиционные источники электроснабжения

Наверняка вы обращали внимание на промышленные сооружения и просто жилые дома, которые используют автономные источники возобновляемой энергии. Особенно такие объекты часто попадаются в странах Западной Европы, в США, Китае, странах с жарким климатом. К слову, ветряные электрические станции выглядят весьма брутально.

Владельцы частных и небольших объектов недвижимости тоже стремятся обеспечить свою энергетическую независимость от сетей общего пользования по различным причинам. Наиболее частая причина – отсутствие вблизи инфраструктуры поставщика электрической или тепловой энергии, или стоимость подключения к таким источникам нерентабельно и нецелесообразно и единственный вариант, который приемлемо решает проблемы энергообеспечения - это организация автономного энергоснабжения загородного дома или объекта.

Итак, независимое энергоснабжение (установка автономной децентрализованной системы) необходимо в случаях:

• Отсутствия традиционных источников электроснабжения поблизости;
• Подключение объекта к сети поставщика энергии не рентабельно;
• Неудовлетворительное качество и низкая надежность электроснабжения в районе.

Системы солнечного энергоснабжения

Энергия, передаваемая нам солнцем – первая в очереди на использование. Солнце есть почти везде, основной ее недостаток – невозможность использования в ночных условиях.

Кроме того, солнечный свет – это экологически чистый источник электроэнергии, полностью бесшумный, при этом срок службы солнечных панелей более 30 лет, повреждение их возможно только механическое, срок службы АКБ около 10 лет, т.о. при условии 100% использования всех генерируемой энергии, установка окупится через 3-5 лет, и прослужит еще 20-30 лет, при соответствующем обслуживании.

Принцип работы электрической солнечной установки состоит в преобразовании солнечного света при помощи батарей солнечных элементов в постоянный электрический постоянный ток, который потом преобразуется в переменный при помощи инвертора. Контроллер заряда MPPT контролирует ток и напряжение заряда АКБ от солнечных элементов, нагрузки и распределение нагрузок между источниками энергии.

Такая система включает в себя такие элементы:

• Батареи солнечных элементов;
• Контролер заряда батарей (MPPT);
• Инвертор;
• Блок аккумуляторных батареи;
• Автоматический выключатель на постоянный ток большой мощности. Большая мощность нужна, если потребуется быстрое подключение мощностей АКБ;
• Устройства защиты электрических цепей.

Схема установки с указанными элементами показана на рисунке

Пример установки солнечной генерации на 3 кВт.

Система теплового солнечного энергоснабжения. Солнечный коллектор

Солнечные коллекторы позволяют преобразовывать солнечную энергию излучения в тепловую энергию нагрева теплоносителя системы отопления и горячего водоснабжения. Они изготавливаются по специальной технологии, из материалов, что позволяет хранить тепло и использовать его для подогрева помещений и гидравлических систем. Конструкция элемента показана на рисунке:

Тепловые солнечные системы делятся на:

• Активные тепловые системы. Основной элемент такой системы – плоский коллектор, который содержит стеклянные емкости (трубочки), заполненных теплоносителем (вода, воздух или жидкость низкой температуры кипения). Трубки с теплоносителем закрыты прозрачным кожухом. Трубки могут быть вакуумированы. Тепловой поток передается с помощью излучения к теплоносителю, и не рассеивается т.к. конвективная составляющая заблокирована. Аккумулируется тепловая энергия в баках, нагреванием каменной подушки. В помещении, которое требует обогрева помещают аккумулятор, а водяная и воздушная системы работают в замкнутом цикле. Компрессоры перемещают теплоноситель в системе. Повысить эффективность такой системы можно путем установки отражателей лучей солнца (параболическая форма) и установки механизма по изменению угла наклона. Коллектор такой системы изображен на рисунке выше. А ниже – схема с применением такого коллектора в загородном доме.
   
  Такое децентрализованное энергоснабжение обеспечит обогрев дома, приготовление горячей воды, а также сушку сельскохозяйственной продукции, древесины и пр.
• Пассивные тепловые системы. Классическим их примером может быть терраса, обращенная на юг, теплица. Чтобы увеличить поглощение тепловой энергии солнца глухими стенами, их специально зачерняют и тогда происходит поглощение солнечного излучения. Чтобы увеличить эффективность, такие стены еще и застекляют. Другой пример пассивно системы также хорошо известен – летний душ с черным баком, вода в котором нагревается от солнца
  

Получение электрической энергии при помощи ветра и воды

Ветряные станции, получают электричество, путем преобразования энергии ветра в электрическую используя генераторы электрического тока. На лопасти «ветряка» воздействует подъемная сила ветра, лопасти приводят в действие вал электрогенератора. Таким образом ветряная энергия преобразуется в электрическую, которая с помощью контролера накапливается в аккумуляторах, а затем может расходоваться потребителем. Аккумуляторы необходимы в связи с тем, что присутствует фактор непостоянства возобновляемого источника - ветра.

С созданием постоянных магнитов из редкоземельных металлов, обладающих высокими показателями остаточной магнитной индукции, применение ветрогенераторов вышло на качественно новый уровень, т.к. появилась возможность создавать устройства генерации большой мощности без коллекторного узла.

Принцип действия водяной турбинной установки полностью аналогичен принципу действия ветрогенератора. Принципиальное отличие – в масштабах использования. Одна водяная турбина может потенциально вырабатывать многократно большую мощность, чем ветряная, с другой стороны, ветрогенераторы проще разместить в большем количестве.

Применение водяных турбин позволяет развернуть промышленные и гражданские объекты рядом с источником водоснабжения.

Для преобразования энергию воды в электрическую, для обеспечения небольших объектов электросетей районов используются микро-гидроэлектростанции. Принципы работы и конструкции микро-гэс подробнее описаны в здесь.

avtonomnoe-electros-05-hydro

Энергоснабжение, тепловые насосы

Тепловой насос работает по принципу, аналогичному принципу кондиционера или холодильника – перекачивает тепло из земли в здание используя компрессорно-конденсаторный цикл.

Эта технология удобна, когда тепловая энергия не может быть добыта другими способами, она успешно используется в повседневной жизни, но, возможно не так часто, как другие ВИЭ. Особенно эффективны тепловые насосы в низкотемпературных системах отопления, таких как теплый пол.

Тепловые насосы также применяются тепловые насосы для постоянного предварительного подогрева теплоносителя системы отопления (с температурой до 60^°С) и приготовления горячей воды – как и солнечные коллекторы. Тепловые насосы могут быть обратимы, т.е. перекачивать в здание холод.

Тепловые насосы помогают затратить меньше энергии на обогрев или охлаждение дома, а значит будет полезно рассмотреть возможность их применения в автономном доме.

Энергоснабжение с помощью дизель-, бензо-, газогенераторов. Последний рубеж

Бывают ситуации, отнесем их к нештатным, когда по каким-то причинам, основные источники электроснабжения недоступны. В качестве примера: Произошел обрыв линии электропередач на фоне проливных дождей. Если дом оснащен, например, солнечной электростанцией, а система оснащена обычным, не усиленным банком АКБ, то через несколько дней работы в таком режиме, аккумуляторы выйдут на режим разряда менее 60% и менее, а в этом случае, целесообразно не «сажать» их до 0, а переключиться на топливный генератор.

Топливные генераторы - это дизельные, бензиновые и газовые автономные электростанции. Такие станции сжигают топливо в двигателях внутреннего сгорания, маховик которых соединен с валом электрического генератора.

Когда заряд банка АКБ падает ниже заданной величины, автоматически включается топливный генератор и осуществляет подзарядку аккумуляторов, по достижении полного заряда, генератор отключается.

Такой алгоритм позволяет продлить срок службы банка АКБ и рационально расходовать углеводородное горючее. Дело в том, что если электричество, вырабатываемое генератором не использовать сразу, то его часть просто теряется.

Ёмкость накопленных запасов энергии может быть увеличена путем установки дополнительных емкостей для хранения топлива, танков, газгольдеров и пр.

Электроснабжение с помощью гибридной электрической системы

Гибридная система электроснабжения позволяет осуществлять подачу электроэнергии к потребителям от различных источников в смешанном режиме, при этом система автоматики гибридной установки в первую очередь будет расходовать электричество, выработанное наиболее дешевым источником.

Энергия на одном и том же объекте может вырабатываться одновременно из нескольких автономных источников и вырабатываться по графику, чередуя источники. Несколько источников могут иметь как чёткую последовательность отключений и включений, так и автоматическое чередование в зависимости от выгоды выработки. Например, днем используются солнечные батареи, а ночью - энергия ветра.

Если здание также присоединено к общей сети электроснабжения, то гибридная система, при наличии избытка генерируемой внутри нее мощности, может продавать электричество на внешний рынок, что может в ряде случаев даже принести прибыль владельцу.

Гибридная система удобна тем, что когда один из источников не может добывать энергию, система автоподдержки энергии автоматически включает тот источник, который обеспечивает необходимую мощность. Выбор источника происходит в зависимости от времени суток, сезона, текущих погодных условий. Гибридная система переключается не на любой источник энергии, а на наиболее рентабельный для определенного времени года, суток, погоды, в автоматически настроенном режиме.