ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СЕЛЬСКИХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 658.26

Ястребов А.В.

магистрант

Пермский государственный аграрно- технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова (Россия, г. Пермь)

Мохова А.А.

магистрант

Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова (Россия, г. Пермь)

Зекин В.Н.

профессор, к.т.н.

Пермский государственный аграрно- технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова (Россия, г. Пермь)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СЕЛЬСКИХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Аннотация: проблема истощения природных энергоресурсов и повышения их стоимости особенно для индивидуальных потребителей требует поиска их новых источников. Одним из вариантов решения этих проблем является использование альтернативных источников энергии, которые не только более перспективны, но и не загрязняют окружающую среду. В данной статье изучена теоретическая основа и рассмотрена возможность использования солнечных панелей и ветрогенераторов, тепловых насосов для жилых зданий в сельской местности в Пермском крае.

Ключевые слова: солнечная энергия, ветровая энергия, альтернативные источники энергии, тепловой насос, солнечные панели, ветрогенераторы.

Введение

Сегодня потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) используется в малых объёмах, в том числе и в строительной индустрии, как в нашей стране, так и во всём мире.

Электричество сегодня считается чем-то обыденным, ведь оно есть в каждом доме. Оно вырабатывается при помощи электростанций, работающих на нефти, природном газе, ядерном топливе или угле. Эти традиционные источники представляют собой определенную опасность для окружающей среды, к тому же их запасы иссякают.

Решением проблемы истощения запасов нефти и других традиционных источников энергии является применение возобновляемых источников, т.к. атомная энергетика показала свою небезопасность и неэкологичность. Возобновляемыми источниками энергии являются - солнце, ветер, вода, тепло земли и др.

Актуальность использования возобновляемых источников энергии с каждым днем становится все актуальнее, в связи с разразившимся мировым финансовым кризисом, который заставил многих пересмотреть свои взгляды и планы на вопросы энергообеспечения.

Цель статьи заключается в рассмотрении использования солнечных панелей и ветрогенераторов для отопления жилых зданий в сельской местности.

Для достижения указанной цели необходимо изучить теоретическую основу и рассмотреть возможность использования солнечных панелей и ветрогенераторов для жилых зданий в сельской местности в Пермском крае.

1. Теоретическая основа

Возобновляемые, или альтернативные источники энергии — это природные явления, которые путем преобразования в специальных установках превращаются в тепловую или электрическую энергию.

По происхождению возобновляемые энергетические ресурсы, можно разделить на два вида: естественные и искусственные.

Естественные - это энергия солнца, ветра, приливов, биомассы, геотермальная, гидроэнергия и низкопотенциальная тепловая энергия воздуха, поверхностных грунтов, водоемов.

Искусственные - это потери энергии и отходы, образующиеся в технологических процессах, использующих возобновляемые энергетические ресурсы, и в процессе жизнедеятельности. Например, различные виды отходов -промышленные, бытовые, сельскохозяйственные и др. [5]

Возможность получения энергии на месте, с помощью ветрогенераторов и (как дополняющих элементов) солнечных панелей, способствует удешевлению энергии, тем самым повышая энергоэффективность здания.

1.1. Солнечные панели

Солнечная панели (солнечная батареи) - объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. На сегодняшний день реальный КПД солнечных батарей, доступных широкому потребителю, лежит в пределах от 17 до 23%.

Фотогальваническая энергетика (солнечные батареи) производят электроэнергию из солнечного света. Эти элементы позволяют преобразовывать солнечный свет непосредственно в электрическую энергию. Фотогальваническая система состоит из модуля (ячейки, генерирующие энергию) и прилагающейся системы компонентов. Большинство фотогальванических систем представлено в виде плоских тарелок, в которых свет немедленно поступает в модуль. Другой вид - фотогальванические концентраторы - с помощью оптической системы улавливают свет и передают его в небольшую по площади и высокоэффективную солнечную ячейку. [4]

Солнечные панели на базе кремния, как альтернативный источник электрической энергии, проверены временем, они отличаются надежностью и

безопасностью, компактностью и относительной доступностью. Срок их нормальной эксплуатации доходит до 30 лет.

Рассмотрим принцип работы. Солнечные панели собирают лучи. Они попадают на фотоэлектрический слой. Солнечный свет приводит к высвобождению электронов из двух слоев. На освободившиеся место из первого слоя встают электроны второго слоя. Происходит постоянное движение электронов, что приводит к естественному образованию напряжения на внешней цепи. В результате один из фотоэлектрических слоев приобретает отрицательный заряд, а второй - положительный.

Эти действия приводят в работу аккумулятор. Он начинает набирать и хранить заряд. При этом уровень заряда аккумулятора постоянно контролируется. Если он низкий, контролер включает в работу солнечную панель. В случае высокого заряда это же устройство панель отключает. Далее включается в работу инвертор. Он преобразовывает ток из постоянного в переменный. С его помощи на выходе электростанции появляется напряжение в 220 В. Это дает возможность подключать и питать от электростанции бытовые приборы.

Эффективность и правильность работы солнечных батарей зависит не только от их вида, мощности, но и от установки и подключения. Должна быть разработана правильная схема подключения всех элементов электростанции и грамотно выбрано место для установки солнечных панелей. Такую работу можно доверять только профессионалам.

Не секрет, что выходное напряжение одной панели относительно невысокое. Обычно используются несколько батарей одновременно. Все панели должны подключаться параллельно-последовательным способом. Такой тип подключения позволяет обеспечивать максимальную эффективность работы оборудования.

Среди его неоспоримых достоинств стоит отметить следующие:

• экологическая безопасность. В наше время экология - это одна из насущных проблем. Солнечные электростанции работают без вреда окружающей среде. Они не выделяют при работе вредных веществ;

• быстрая окупаемость. Стоимость электричества, как для бытовых пользователей, так и для предприятий, постоянно растет. С установкой панелей удается полностью или частично перейти на альтернативный источник энергии, являющийся абсолютно бесплатным и доступным каждому. Благодаря этому, покупка и установка оборудования окупается за считанные годы работы;

• легкость использования электростанции. Несмотря на сложное устройство и принцип работы, эксплуатировать станцию довольно просто. Главное - следить за исправностью ее составляющих и не экономить на обслуживании, которое требуется не так часто;

• быстрая установка. Профессионалы монтируют все элементы станции буквально за несколько часов или дней (в зависимости от количества панелей, мощности, др.). Больше времени занимает подбор составляющих и покупка оборудования.

Недостатки у таких установок тоже имеются. Самый основной заключается в дороговизне оборудования. Однако не стоит забывать, что большой вклад при покупке быстро окупится многолетним бесплатным использованием энергии солнца. Вторым серьёзным недостатком солнечных панелей является их зависимость от внешних факторов. Эффективность их работы зависит от погоды, температурных условий, положения по отношению к Солнцу, от чистоты поверхности.

Солнечные батареи для частного дома - один из наилучших на данный момент способов обеспечить себя экологичным электричеством.

В Пермских климатических условиях энергии солнца вполне хватит, чтобы обеспечить бесперебойную работу бытовых электроприборов и создать за городом настоящий комфорт в летний период времени. Климатические условия

Пермского края позволяют использовать солнечные батареи с эффективностью 18-25 % от номинальной производительности.

В летний период этот показатель может достигнуть 40 %. Таким образом, применение солнечных батарей в Пермском крае целесообразно в летний сезон на объектах, удалённых от сетей электроснабжения.

1.2. Ветрогенераторы

Ветровой генератор является вторым наиболее распространенным источником альтернативной энергии. Долгое время ветровые установки использовались исключительно для промышленной генерации энергии из-за своих крупных габаритов и дороговизны. С развитием технологии КПД ветрогенератора удалось повысить, а размеры уменьшить, что сделало ветряки доступными для частных домохозяйств.

Вертикальный генератор гораздо легче запустить на невысоком расстоянии от земли и с ним будет легче работать. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения более эффективны, чем горизонтальные, и могут быть объединены в группы, в которых турбулентности, созданные отдельно стоящими ветряными турбинами, могут помочь вращаться соседним турбинам, увеличивая эффективность общей системы. [3]

Ветрогенераторы, используемые для выработки электрической энергии, бывают разных размеров, типов и модификаций. Большие ветрогенераторы, которые обычно используются на ветряных фермах (электростанциях), могут вырабатывать большое количество электричества - сотни мегаватт, которым можно обеспечивать сотни домов. Небольшие ветряки, которые вырабатывают не больше 100 кВт электроэнергии, используются в частных домах, фермах, подсобных хозяйствах и т.п., служат источником дополнительной электроэнергии, способствуют уменьшению оплаты за основной источник электроэнергии.

Ветрогенераторы в среднем окупаются при наличии централизованного электричества при ветре 4 м/с через 8 лет, при ветре 5 м/с через 6 лет, при ветре

6 м/с через 4 года, при ветре 7 м/с через 2,5 года, при ветре 8 м/с через 1,5 года. В Пермском крае средние скорости ветра чуть менее 3 м/с (точнее, 2,4 м/с), что говорит о невысокой эффективности ветроустановок.

Научные исследования в области применения ветрогенераторов позволили пересмотреть некоторые фундаментальные основы ветроэнергетики: вместо разнесения ветротурбин на большое расстояние и подъема на максимальную высоту нужно ставить ветряки как можно плотнее и ниже, что важно в малоэтажном проектировании зданий при внедрении в них ветрогенераторов. Особенностью ветра является его непостоянство, что приводит к изменению скорости ветра; при отсутствии ветра требуется дополнительный источник энергии, компенсирующий потерю энергии, -энергия солнца (солнечные батареи и т. п.). Для ветра характерно не только изменение скорости, но и изменение направления. Использование ветрогенераторов с вертикальной осью вращения решает эту проблему, для них не требуется автоматического изменения ориентации. [2]

Рассмотрим принцип работы. Потоки ветра вращают лопасти ветрогенератора: проходят через турбину, приводит её в действие и она начинает вращаться. На валу турбины возникает энергия, которая будет пропорциональна ветровому потоку. Чем сильнее ветер, тем большее количество энергии возникает. Далее энергия передается по валу ротору на мультипликатор (если он есть), который её генерирует. Более продуктивными являются устройства без мультипликатора, который ускоряет вращение оси, потому что не создается, а, естественно, и не растрачивается лишняя энергия, а скорости ветра вполне достаточно для оптимальной работы ветрогенератора. Генератор превращает механическую энергию в электрическую. [4]

Преимущества ветрогенераторов:

• Абсолютная безопасность. Традиционные источники энергии, которые сейчас питают 98% всех городов мира, в качестве побочного эффекта вырабатывают миллиарды кубометров токсичных газов и прочих отходов,

которые наносят колоссальный вред экологической обстановке планеты. Ветряк в процессе эксплуатации не выделяет никаких вредных веществ, что делает его абсолютно чистым источником энергии. Его работа остается практически незаметной, он не изменяет силу или направление потоков ветра, аккуратно подстраиваясь под их течение.

• Максимальная эффективность. Ветряной генератор практически не расходует ресурсы, если не считать затрат на периодическое техобслуживание. Ему не нужно топливо, как и прочие иссекаемые запасы. Агрегат генерирует электрическую энергию буквально из воздуха, не используя его при этом как любой другой традиционный ресурс. Благодаря такой особенности ветряки считаются одними из самых перспективных направлений в коммерческой энергетике.

• Надежность. Ветряные электростанции разрабатываются так, чтобы их конструкция могла прослужить десятки и более лет. Для достижения таких целей используются современные сплавы, высокопрочные полимерные композиты, а также комбинации различных износостойких материалов, не поддающихся воздействию коррозии, кислот, солей и прочих агрессивных сред.

• Экономичность. Ветрогенераторы обладают высокими показателями КПД, так как их работа требует минимальных расходов. Сочетание низкой стоимости получаемой энергии и возможных доходов от ее реализации полностью объясняет целесообразность использования этих альтернативных источников.

• Простота сборки и монтажа. Установка бытовых моделей может осуществляться самостоятельно при условии наличия соответствующих знаний и навыков по работе с электросетями и оборудованием. Немаловажным фактором является то, что ветряную электростанцию можно в любое время модернизировать, изменить количество батарей, расширить систему, увеличить число потребителей и скорректировать другие параметры. При этом все работы могут выполняться силами 1-2 квалифицированных специалистов.

• Удобство. Существенным недостатком первых ветрогенераторов была сильная вибрация и шумы, которые они создавали при выработке электрической энергии. Использование современных технических решений позволило свести эти недостатки к минимуму. Современные ветряки отличаются минимальными колебаниями и уровнем помех.

• Отсутствие жестких требований. В отличие от прочего оборудования, вырабатывающего электроэнергию, ветровые генераторы могут устанавливаться на любых открытых частных участках при условии отсутствия помех для воздушных потоков. Для расположения на частной территории вовсе не нужны какие-либо разрешения, исключением являются только слишком крупные конструкции.

Недостатки ветрогенераторов:

• для установки необходимы сложные технические установки;

• изменчивость ветра может способствовать перебоям в подаче электроэнергии;

• из-за сильного ветра могут сломаться лопасти;

• ветряки перебивают радиоволны, мешают полетам птиц и насекомых и создают шум.

2. Использование солнечных панелей и ветрогенераторов для жилых зданий в сельской местности в Пермском крае

Большая часть территории Росси (более 60%) характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт-ч/м день. Этого достаточно для использования фотогальванических систем. [4]

Использование возобновляемых источников энергии для Перми является особенно актуальной задачей, т.к. суровый климат требует больших энергозатрат на отопление и содержание зданий, а обширная площадь не позволяет обеспечить надежное и эффективное энергоснабжение на всей территории страны.

Жизнь в XXI веке невозможна без электричества. Компьютер, холодильник, стиральная машина превращаются в ненужный хлам при отключении электроэнергии. А что если дом находится там, где электричества нет или есть перебои с поставкой электроэнергии?

Однако выделяемая энергия от солнца и ветра в Пермском крае очень переменна и ненадежна, поэтому наиболее надежным источником энергии будет тепловой насос.

По существующим на сегодняшний день экономическим оценкам считается, что в странах с холодным климатом, к которым относится Россия, целесообразно рассматривать вопрос о применении тепловых насосов, только использующих грунт как источник низкопотенциальной теплоты. Способность грунта сначала накапливать энергию солнца, а потом подолгу ее хранить, обеспечивает одинаковую температуру земли на глубине, распложенной ниже точки промерзания.

Главная отличительная особенность тепловых насосов в сравнении с традиционными источниками тепла - высокая эффективность работы, а значит и экономичность.

Тепловой насос забирает низкотемпературное тепло подземного источника, чтобы отдать его отопительной системе дома. Из чего это тепло извлекать, для теплового насоса не имеет значения.и грунт, и подземные воды, и вода со дна ближайшей реки.

Таблица № 1 Сравнение показателей для жилого дома, площадью 150-200 м2

№ п/п Наименование показателя Газовый котел Солнечные панели Ветрогенератор Тепловой насос

1 Стоимость тепла, руб/год 100 000130 000 80 000-100 000 100 000-130 000 30 00060 000

2 Стоимость оборудования и монтажа, руб. 100 000300 000 120 000600 000 300 000500 000 380 000700 000

3 КПД, % 10-15 17-23 22-59 50-63

4 Стоимость обслуживания, руб. /год 20 000 25 000 18 000 20 000

5 Срок службы, лет 10-15 30-50 20-30 Более 50

6 Срок окупаемости 1,5-2 года 5 лет 1,5-8 лет 5 лет

Таким образом, полученные результаты показывают экономическую эффективность использования нетрадиционных источников энергии для энергоэффективного дома площадью 150-200 кв. м. На основании таблицы № 1 можно сделать вывод, что наиболее эффективным является тепловой насос.

Заключение

Задача удовлетворения потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства в электрической и тепловой энергии, особенно в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, а также вопросы устойчивого развития и снижения негативного воздействия энергетики на окружающую среду диктуют необходимость развития возобновляемой энергетики.

Интеграция ветрогенераторов в жилые здания в сочетании с солнечными панелями способствует энергосбережению, автономности дома. В среднем одна семья, по данным The Archimedes, потребляет 3300 кВт*ч в год. [2]

Последние исследования в области техники позволят предположить, что в будущем ветрогенераторы с вертикальной осью вращения станут основным

источником получения энергии с помощью ветра в архитектуре малоэтажных зданий. [1]

Перспективность использования солнечных батарей и автономных энергоустановок на их основе не вызывает сомнений. Как показывают современные тенденции развития этого направления, широкое внедрение в жизнь солнечной энергетики связано не с уровнем разработки данной проблемы, а в первую очередь с экономической целесообразностью для каждого класса потребителей. [6]

Рассматривая недостатки и преимущества тех или иных альтернативных источников энергии выявили, что наиболее подходящим видом энергии для сельского хозяйства Пермского края будут являться тепловые насосы, которые могут успешно дополнить недостающую мощность энергосбережения и являться дополнительным и автономным источником энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Ван Дер Мелен П., Бриско К. Ветрогенераторы на крыше здания // Здания высоких технологий. 2013. Лето. С. 46-57.

Груничев И.А. Архитектурные принципы интеграции ветрогенераторов в малоэтажных зданиях в зонах прибрежных территорий // Жилищное строительство. 2015. №12. URL: https://cyberlenmka.ru/article/n/arhitektumye-prmtsipy-mtegratsn-vetrogeneratorov-v-maloetazhnyh-zdamyah-v-zonah-pribrezhnyh-territoriy (дата обращения: 23.12.2021).

Е. М. Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. — М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948. — 544 с. — 15 000 экз. Кучеров, А.В. Сравнительный технико-экономический анализ альтернативных источников энергии россии / А.В. Кучеров, О.В. Шибилева // Известия высших учебных заведений. Серия: Экономика, финансы и управление производством. — 2012. — №№ 3. — С. 108-111. — ISSN 2218-1784. — Текст : электронный // Лань

: электронно-библиотечная система. — URL:

https://e.lanbook.com/journal/issue/289725 (дата обращения: 23.12.2021). — Режим доступа: для авториз. Пользователей.

Маркова О.К. Х00 Учебное пособие. Архитектура малоэтажных жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии: учебное пособие по проектированию/ О.К. Маркова, М: Полиграфия МАРХИ, 2014.- 63с. Петренко, Ю.Н. Использование солнечной энергии для питания бытовых потребителей / Ю.Н. Петренко, А.М. Трещ // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. — 2013. — № 1. — С. 40-46. — ISSN 0579-2983. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/journal/issue/293662 (дата обращения: 23.12.2021).

Yastrebov A.V.

Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov (Russia, Perm)

Mokhova A.A.

Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov (Russia, Perm)

Zekin V.N.

Professor, Candidate of Technical Sciences

Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov (Russia, Perm)

USE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES DURING OPERATION RURAL RESIDENTIAL BUILDINGS

Abstract: the problem of depletion of natural energy resources and increasing their cost, especially for individual consumers, requires the search for their new sources. One of the solutions to these problems is the use of alternative energy sources, which are not only more promising, but also do not pollute the environment. This article examines the theoretical basis and considers the possibility of using solar panels and wind generators, heat pumps for residential buildings in rural areas in the Perm Region.

Keywords: solar energy, wind energy, alternative energy sources, heat pump, solar panels, wind generators.