CC BY
6
Soloviev Alexander Eduardovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, [email protected], Russia, Tula, Tula state University,
Prokhortsov Alexey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Ivakhno Natalia Valerievna, doctor of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula,Tula State University,
Novakov Alexander Victrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University
УДК 620
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-167-172
К ВОПРОСУ ОСНАЩЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ДОМОВ ИСТОЧНИКАМИ ВЕТРОВОЙ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Ю.А. Щепочкина, С.А. Войнаш, О.П. Балашов, В.А. Соколова
Указывается на перспективность использования источников ветровой, солнечной энергии для обеспечения энергосберегающих домов. Предложена конструкция лопасти ветрового колеса, позволяющая в светлое время суток генерировать электрическую энергию даже при полном отсутствии ветра. Проведен анализ недостатков использования солнечной генерации. Приведено техническое решение щелевого световода. Для преобразования максимального количества солнечной энергии в электричество даны рекомендации по монтажу оборудования для использования солнечной энергии с фотоэлектрическим модулем. Для проектирования и создания домов, оснащенных альтернативными источниками энергии, необходимо учитывать климатические условия местности.
Ключевые слова: ветровая и солнечная энергия, энергосберегающие дома, ветровое колесо, щелевой световод.
Введение. В последние годы в Российской Федерации, странах СНГ проблемы энергосбережения, экологии, сохранения окружающей среды особенно актуальны. Как трудовая деятельность, так и отдых человека во многом зависят от экологической обстановки, в том числе, от многих зачастую трудно оцениваемых ее составляющих, например, от чистоты воздуха, почвы, воды. Выработка большого количества электрической энергии, без которой трудно представить жизнь современного человека, все заметнее влияет на окружающую среду. Отчасти поэтому все популярнее становятся, так называемые, энергосберегающие дома. Их иногда называют экологичными, поскольку они потребляют меньше энергетических ресурсов, а, следовательно, наносят меньший вред окружающей среде. Это не совсем так. Обратим внимание на различия между ними. К экологичным домам относятся, преимущественно, объекты, сооруженные из натуральных материалов, характеризующихся низким уровнем их переработки и вписывающиеся в естественную природную среду. Энергосберегающими домами являются объекты, потребляющие меньшее количество энергии (топлива) в процессе эксплуатации в сравнении с другими подобными объектами [1-5]. В отдельных странах, например, в Белоруссии существует программа, направленная на сокращение потребления топлива [6]. Одним из решений проблемы уменьшения потребления топливных ресурсов стало использование, так называемых, альтернативных источников энергии, в частности, ветровой, солнечной. Само название - альтернативные источники - служит противопоставлением традиционному источнику энергии - углеводородному сырью.
Во всех развитых странах мира альтернативные источники энергии в настоящее время используют практически повсеместно. Мощность ветров на Земле намного превышает потребляемую на планете энергию. Энергия ветров широко используется в ветровых установках для выработки электричества. Такие установки особенно эффективны для небольших городов и поселков, расположенных на морском побережье, в горах, на открытых местностях, где средняя скорость ветра достаточно высока. В Российской Федерации ветровые электростанции действуют, например, в Башкортостане, Калмыкии, на Чукотке. «Росатом» рассчитывает в ближайшие годы поставить на российский рынок порядка 600 ветроуста-новок общей мощностью 1,6 ГВт [7].
Использование естественной солнечной энергии особенно целесообразно в местностях с большим количеством солнечных дней в году. Например, в Туркменистане число солнечных дней в году составляет более 300. Государственная программа этой страны по энергосбережению предусматривает повышение роли альтернативных источников энергии [8]. В других странах, например, в США (пустыня Мохаве) работает солнечная электростанция большой мощности, построено (штат Калифорния) несколько солнечных электростанций малой мощности для обеспечения электроэнергией жилых домов.
Солнечные энергетические установки могут преобразовывать солнечную энергию, как в электрическую, так и в тепловую, поэтому находят широкое применение, например, в США, Чехии, для обеспечения энергосберегающих домов горячим водоснабжением. Заметим, что в индивидуальных домах на подогрев воды тратится примерно 15 % энергии, еще около 65 % тратится на отопление [9]. В Российской Федерации в 2019 г. работала 51 крупная солнечная электростанция суммарной мощностью 1,418 МВт [7].
Материалы и методы. Как правило, энергосберегающие дома оснащены ветроустановками и/или солнечными энергетическими установками. Отметим, что с развитием альтернативной энергетики стоимость получаемой ветровой и солнечной электроэнергии постепенно снижалась и достигла 0,06-0,08 $ за 1 кВтч.
Результаты. Некоторый интерес может представлять предложенное нами техническое решение ветрового колеса [10], в котором каждая лопасть имеет выемку для размещения в ней фотоэлектрического генератора (солнечной батареи). Выемка может быть выполнена с одной или с обеих сторон лопасти, рис. 1.
6 - фотоэлектрический генератор; 7 - электрический кабель
При наличии ветра, действующего на ветровое колесо будет вырабатываться электрический ток. Одновременно в светлое время суток электрический ток будут вырабатывать фотоэлектрические генераторы, установленные в лопастях ветрового колеса. При фотоэлектрической генерации в близи р-п перехода образуется электрический ток, который определяется:
I н = I ф - 10
ч и)-1
(1)
Р = 1нин = 1фин - 10и„ ехр|^ |. (2)
где ин - напряжение нагрузки; 10 - ток насыщения; Iф - ток, индуцированный фотонами; q - величина заряда электрона; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; А - параметр вольт-амперной характеристики.
Электрическая мощность, выделяемая на нагрузке, в этом случае определится:
'и *
АкТ,
Нагрузочная вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-п - перехода и характеристики К„ при значениях (1), (2) и (3), соответствующие Кн1 < Кн2 < Кн3 представлены на рис.2.
Одним из основных недостатков фотоэлектрической генерации является то, что изменение температуры окружающей среды приводит к изменению напряжения и мощности вырабатываемой энергии (рис.3) на 15-20%. Но при вращении ветрового колеса при скорости ветра 3-5 м/с обеспечивает снижение температуры на 50С, что позволит стабилизировать характеристики при выработке электрической энергии, при этом деградация фотоэлементов будет незначительной.
168
Рис. 2. Нагрузочная ВАХр-п - перехода и характеристики Ян при различных значениях
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента, работающего при разных температурах окружающей среды
Другим недостатком такого использования солнечной генерации является ограниченная возможность ориентации солнечных панелей относительно светового потока для получения более высокой мощности и электрической энергии. Но такая конструкция ветрового колеса способна в светлое время суток обеспечить генерирование электрической энергии даже при полном отсутствии ветра.
Одним из направлений использования непосредственно солнечной или электрической энергии является применение щелевых световодов. Такими устройствами могут быть оснащены энергосберегающие дома. Жесткие щелевые световоды изготавливают из металла, пластмассы, мягкие - из эластичных материалов со светоотражающей внутренней поверхностью. Традиционный щелевой световод представляет собой цилиндрический полый канал. Внутренняя поверхность канала по всей его длине частично покрыта светоотражающим (зеркализованным) слоем. Остальная светопропускающая часть поверхности канала, свободная от отражающего слоя, выполняется в виде оптической светопроницаемой щели. В таких световодах солнечный свет или световой поток от электрических ламп направляется внутрь канала, например, с его торца. После многократных отражений световой поток, выходящий равномерно из оптической щели световода поступает в помещение. Для оснащения энергосберегающих домов было бы возможно, например, применение предложенного нами щелевого световода [11], обеспечивающего освещение по выбору: от оптических щелей световода, от светового рассеивателя или от оптических щелей и рассеивателя одновременно (рис.4).
При выборе освещения через оптические щели световой поток от источника света подают в основной канал, где он отражаясь от внутренней поверхности основного канала и внешней поверхности дополнительного канала, выходит через оптические щели. При выборе освещения через световой рассеи-ватель световой поток от источника света подается в дополнительный канал, где отражается от его внутренней поверхности и выходит в световой рассеиватель. Таким образом, в световоде освещение может подаваться по выбору - либо в основной, либо в дополнительный канал, либо в оба канала вместе. Световод может быть смонтирован в помещении, как горизонтально, так и вертикально. В последнем случае, световод может проходить сверху через межэтажные перекрытия. Например, на втором этаже может со-здаватся освещение за счет работы оптических щелей, а на первый этаж может выходить только рассеи-ватель.
Было подсчитано, что в отдельно стоящем доме с мансардой, состоящем из четырех жилых комнат и подсобных помещений, выстроенном обычным способом из кирпича, общая годовая потребность в энергии составляет около 20000 кВт ч. Вместе с тем, если теплоизолирующая способность конструкций дома будет увеличена вдвое, в доме рационально расходуется электроэнергия, установлено
оборудование для использования солнечной энергии, то затраты тепла можно снизить на 40-42 % [9]. Отметим, что установка оборудования для использования солнечной энергии с фотоэлектрическим модулем мощностью 53 Вт (для жилого дома) составляет всего 425 $ [12]. Монтаж оборудования для использования солнечной энергии с фотоэлектрическим модулем не является сложным и дорогостоящим. Панели рекомендуется размещать на юго-западной стороне (на крыше дома), чтобы преобразовывать максимальное количество солнечной энергии в электричество. Если использовать еще и типовую ветро-установку, например, ВЭУ-2000 (номинальная мощность 2000 Вт), то потребитель в год дополнительно получит еще 2100 кВтч энергоэнергии [13].
Рис. 4. Щелевой световод: а) вид сбоку; б) сечение по А-А: 1 - основной канал с внутренней светоотражающей поверхностью; 2 - дополнительный канал со светоотражающими внешней и внутренней поверхностями; 3 - световой рассеиватель; 4 - оптические щели
Естественно, что при проектировании и создании энергосберегающих домов, оснащенных альтернативными источниками энергии, необходимо учитывать климатические условия местности (число и продолжительность солнечных дней, направление ветров и другие факторы).
Заключение. Энергосберегающие дома - всего лишь частное решение проблемы энергосбережения, обеспечения комфортной окружающей среды для человека. Это особенно важно в условиях общемировой тенденции, направленной на сокращение потребления топливных ресурсов, сохранения природных богатств планеты. Не нужно недооценивать альтернативные источники, способные давать дешевую энергию практически без ущерба для экологии. Предложенная конструкция лопасти ветрового колеса позволяет в светлое время суток генерировать электрическую энергию даже при полном отсутствии ветра. Альтернативные источники энергии в ближайшем будущем не смогут вытеснить углеводородное сырье, но их использование безусловно внесет свой вклад в модернизацию топливно-энергетического комплекса, экологическую обстановку на планете.
Список литературы
1. Moskovitz J.T. The greenest home. N.Y.: Princeton Architectural Press. 2013. 192 p.
2. Self sufficient. Green architecture. Barcelona: Monsa. 2012. 95 p.
3. Green houses new directions in sustainable architecture. - Barcelona: Monsa. 2012. 115 p.
4.Kietlinski W. Swobodne rozwazania o architekturze, konstrukcji i przestrzeni // Przegl^d budow-lany. 2018. No 3. S. 61-63.
5. Piasecki M. Level(s) - europejski system oceny srodowiskowej budunkow // Materialy budowlane. 2018. No 11. S. 44.
6. Манцерова Т.Ф., Корсак Е.П. Энергосбережение как драйвер повышения энергоэффективности деятельности предприятия // Матер. Междунар. науч.-техн. конф. Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии. Могилев, 2022. С. 447-448.
7. Лобанов А. Квадрат бескарбонатной энергетики // Техника молодежи. 2021. № 4. С.30-34.
8. Язханова Х.Д. Рациональное использование энергетических систем // Матер. Междунар. науч.-техн. конф. Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии. Могилев, 2022. С.470-471.
9. Колачек С., Кобосил Ф. Строительство индивидуальных одноквартирных домов // Пер. с чешск. Под ред. Ю.А. Муравьева. М.: Стройиздат, 1985. 439 с.
10. Пат. № 2493428 Российская Федерация. Ветровое колесо / Щепочкина Ю.А.; № 2012116546; заявл. 24.04.2012; опубл. 20.09.2013. Бюл. № 26.
11. А.с. № 1820147 СССР. Световод / Щепочкина Ю.А.; № 4925297; заявл. 04.04.1991; опубл. 07.06.1993. Бюл. № 21.
12. Орлов Г.Г., Орлов А.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Ч.1. Иваново: ГОУВП «Иван. гос. энерг. ун-т имени В.И. Ленина», 2005. 136 с.
13. Руденко Б. Подбирающие ветер // Наука и жизнь. 2005. № 11. С. 32-36.
Щепочкина Юлия Алексеевна, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Иваново, Ивановский государственный политехнический университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, sergey_voi@mail. ru, Россия, Рубцовск, Рубцовский индустриальный институт (филиал) Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
Балашов Олег Петрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Рубцовск, Рубцовский индустриальный институт (филиал) Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна
TO THE QUESTION OF EQUIPMENT OF ENERGY SAVING HOUSES SOURCES OF WIND AND SOLAR ENERGY
Yu.A. Shchepochkina, S.A. Voinash, O.P. Balashov, V.A. Sokolova
The prospects of using sources of wind and solar energy to provide energy-saving houses are indicated. The design of the wind wheel blade is proposed, which makes it possible to generate electrical energy during daylight hours even in the absence of wind. An analysis of the shortcomings of the use of solar generation was carried out. The technical solution of the slot light guide is given. To convert the maximum amount of solar energy into electricity, recommendations are given for the installation of equipment for the use of solar energy with a photovoltaic module. To design and create houses equipped with alternative energy sources, it is necessary to take into account the climatic conditions of the area.
Key words: wind and solar energy, energy-saving houses, wind wheel, slotted light guide.
Shchepochkina Yulia Alekseevna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Ivanovo, Ivanovo State Polytechnic University,
Voinash Sergey Alexandrovich, junior researcher, [email protected], Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University,
Balashov Oleg Petrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University,
Sokolova Victoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
