Автономные системы электроснабжения

В Европе создание автономных систем пока находится на уровне проектирования. Единственный, известный на сегодняшний день проект "Concept House" принадлежит крупнейшей шведской строительной корпорации NCC (www.ncc.se). Ориентировочная стоимость одного дома NCC, оборудованного системой автономного энергоснабжения, составляет 75 млн. шведских крон, что, по их собственному заключению, слишком дорого.

Обзор рынков сбыта

В целом система "Автономный Дом" оптимальна для энергоснабжения удаленных от энергосетей объектов, как жилых, так и производственных: отдельно стоящих усадеб, охотничьих домиков, гостиниц в национальных парках и заповедниках, лесопилок, тепличных хозяйств, дальних армейских гарнизонов т.д. Но даже вблизи энергосетей только автономная система "Автономный Дом" обеспечит бесперебойное энергоснабжение, независимое от поломок и аварий на подстанциях.

О степени востребованности любой разработки можно судить по уровню государственной стимуляции подобных работ. Практически во всех экономически развитых странах развитие альтернативной энергетики является приоритетным. Это подразумевает налоговые льготы, гранты и пр. В Австралии существует государственная программа «Remote Areas Power Systems» (RAPS) или «Энергоснабжение отдаленных областей». Наша компания предполагает принять деятельное участие в этой программе после получения в ближайшем времени австралийского патента.

Самое удачное место для внедрения системы "Автономный Дом", - конечно же - острова, недоступные ни для линий электропередач, ни для газопровода. Завозить на них дизельное топливо или уголь дорого и крайне неудобно. Именно по этой причине, из 6500 островов Аландского архипелага между Финляндией и Швецией заселено только 65, а из 3000 греческих островов - 200. Поэтому самый короткий и абсолютно точный ответ на вопрос о перспективных рынках сбыта - "все острова земного шара".

Рис. 10 Автономная система энергоснабжения (патент RU 35386 U1)

Данная разработка представляет собой полностью автономную систему энергоснабжения здания, которая позволяет вести строительство практически в любом месте, не заботясь о подводе электросети и топлива. Источником энергии в данной системе является так называемая альтернативная или возобновляемая энергия, т.е. энергия солнца, ветра и земли, а дома, использующие эту энергию, являются экологически чистыми. Известно очень много систем, использующих альтернативную энергию, но, как правило, это отдельные установки, являющиеся дополнением к традиционным системам энергоснабжения или очень сложные в реализации и просто нереальные с экономической точки зрения системы, о чем и свидетельствует отсутствие их реализации. Основные узлы автономной системы энергоснабжения:

ветрогенераторная установка - источник электроэнергии;

солнечный коллектор - плоские радиаторы с селективным покрытием, преобразующие солнечную энергию в тепловую;

тепловой насос - преобразователь низкопотенциальной энергии (теплота земли, водоемов, сточных вод и т.д.);

тепловой аккумулятор - термоизолированная емкость с водой. Основным источником электроэнергии для обеспечения работы системы отопления, горячего и холодного водоснабжения, а также для питания бытовых электроприборов является ветрогенератор. Предлагаемые на сегодняшний день многими зарубежными и российскими производителями ветрогенераторы для нормальной работы требуют слишком большие ветроресурсы (для выхода на номинальную мощность обычно требуется скорость ветра 10 - 14 м/с). К сожалению, большая часть нашей страны, в том числе и Ленинградская область, не обладают такими ветроресурсами, поэтому нами разработана ветрогенераторная установка, оптимизированная под ветроресурсы нашего региона. Для обеспечения бесперебойности питания используется аккумуляторная батарея и инвертор. Управление работой всей системы энергоснабжения здания обеспечивается автоматической системой управления.

Рис. 11 Ветрогенератор

Источником тепла системы отопления является гелиосистема, включающая в себя блок солнечных коллекторов и аккумулятор тепла. Антифриз, нагреваемый в солнечном коллекторе, посредством теплообменника передает теплоту воде в аккумуляторе. Энергия запасается в летний период и отбирается в холодное время года. В качестве отопительных приборов в данной системе применены так называемые <теплые полы>, которые в отличии от традиционных радиаторов эффективно работают даже при низких температурах теплоносителя. Система отопления включает в себя аккумулятор тепла, расширительный бак, циркуляционный насос, теплообменный аппарат, управляемый трехходовой вентиль и отопительные приборы. Теплообменный аппарат служат для догрева теплоносителя тепловым насосом перед подачей на "теплые полы".

Самым важным узлом в данной системе является тепловой насос, обеспечивающий работу системы горячего водоснабжения, утилизацию теплоты сточных вод и догрев теплоносителя основной системы отопления, а также в определенных условиях может выполнять роль основного генератора тепла.

Основным достоинством данной системы является полная автономность и практически троекратная надежность, т.е. даже при выходе из строя любого из узлов, система компенсирует потери за счет перераспределения нагрузок в других узлах. Совместная работа основных узлов позволяет более полно использовать возможности каждого из них и практически полностью исключить влияние неблагоприятных погодных условий и пиковых режимов (день - ночь и т.п.). Отсутствие традиционного топлива, проблем с его доставкой и хранением и интеллектуальная система управления обеспечивают безопасность и комфортность эксплуатации данной системы.

Система отопления

Основные элементы системы отопления включают в себя:

? аккумулятор тепла;

? отопительные приборы ("теплые полы");

? управляемый трехходовой вентиль;

? теплообменный аппарат;

? циркуляционный насос;

? датчик температуры теплоносителя.

Работа системы отопления определяется условиями эксплуатации и зависит от времени года. Можно выделить два основных режима: летний и зимний.

Летний период (отопление отключено)

В данном режиме работы отключаются отопительные приборы ("теплые полы") и система входит в режим накопления тепловой энергии, который в свою очередь определяется целым рядом дополнительных параметров. В дневное время суток основным источником энергии для нагрева аккумулятора тепла служит солнечный коллектор, а при работающем ветрогенераторе дополнительным источником становится тепловой насос. Если температура в аккумуляторе ниже 60?С, включается насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя аккумулятора через теплообменный аппарат в котором расположена часть конденсатора теплового насоса, что и обеспечивает нагрев. При отсутствии солнца или в ночное время этот режим становится основным. Все процессы в системе отопления регулируются автоматической системой управления. Отопительный сезон Переход системы отопления в основной режим заключается в подключении отопительных приборов и циркуляции теплоносителя между аккумулятором и отопительными приборами.

Температура на входе отопительных приборов устанавливается в определенной зависимости от температуры наружного воздуха и контролируется датчиком температуры. Регулировку и поддержание необходимой температуры обеспечивает трехходовой регулирующий вентиль, управляемый АСУ, путем подмешивания теплоносителя из обратного коллектора на вход системы. При работающем тепловом насосе поступление теплоносителя из аккумулятора полностью прекращается, что позволяет сэкономить значительное количество энергии запасенной в аккумуляторе.

Тепловой насос

Тепловой насос является основным компонентом данной автономной системы энергоснабжения и задействован практически во всех режимах. Его высокая эффективность позволяет наиболее рационально использовать излишки вырабатываемой ветрогенератором энергии и в сочетании с дешевой солнечной энергией обеспечивает полную автономность энергообеспечения здания.

Горячее водоснабжение

Одним из основных режимов работы теплового насоса - приготовление горячей воды. Днем, при включении источником тепла становится солнечный коллектор, что существенно повышает эффективность процесса приготовления горячей воды.

Рис. 12

Утилизация тепла

Так как основное потребление горячей воды связано, как правило, с приемом ванны или душа, то в системе предусмотрен утилизатор тепла сточных вод ванной комнаты, который является еще одним источником тепла при производстве горячей воды. До сброса в канализацию сточная вода попадает в утилизатор, где происходит отбор и возврат тепла, что позволяет значительно снизить затраты на приготовления горячей воды. В системе также предусмотрена принудительная система вентиляции с рекуперацией тепла.

Отопление

При работающем ветрогенераторе основной нагрузкой теплового насоса является система отопления:

? летом производится нагрев теплового аккумулятора при условии, что температура теплоносителя в нем ниже 60^oС

? в отопительный период тепловой насос работает непосредственно на отопительные приборы, что позволяет существенно экономить запасы тепла аккумулятора.

Рис. 13 Гелиосистема

Гелиосистема представляет собой замкнутый контур, в который помимо солнечного коллектора входит теплообменник, размещенный в тепловом аккумуляторе, циркуляционный насос и расширительный бак. Режимы работы солнечного коллектора определяются как временем суток эксплуатации, так и временем года. Основной режим работы - "день - лето", т.е. при максимальном уровне солнечной радиации, когда температура теплоносителя в коллекторе может достигать 100 ?С. Циркуляционный насос прокачивает нагретый в коллекторе теплоноситель через теплообменник, где происходит отбор тепла водой аккумулятора.

АСУ

Основным источником электроэнергии является ветрогенераторная установка соответствующей мощности, подключенная к сетевому регулятору, который обеспечивает всю систему необходимой энергией и осуществляет постоянный контроль состояния аккумуляторных батарей. Регулятор контролирует степень разряда аккумуляторных батарей и в случае необходимости направляет часть энергии на подзарядку батареи.

Рис. 14

В случае, когда вырабатываемой энергии недостаточно (например, недостаточная сила ветра), регулятор направляет в систему недостающую энергию от аккумуляторной батареи через инвертор, который преобразует постоянное напряжение батареи в переменное с промышленной частотой и тем самым обеспечивает постоянство потребляемой мощности.

Управление системой энергоснабжения здания полностью автоматизировано. Автоматическая система управления выполнена на базе компьютера с соответствующими интерфейсами и программным обеспечением и питается от отдельной аккумуляторной батареи, что существенно повышает ее надежность. На вход АСУ в реальном масштабе времени поступают сигналы всех датчиков системы; полученная информация обрабатывается специальным программным обеспечением, что и определяет дальнейшее поведения всех элементов системы.

Автономное энергоснабжение необходимо для непрерывного и бесперебойного обеспечения имеющегося в доме оборудования и техники в тех случаях, когда происходит отключение электричества. Фактически именно система автономного электроснабжения является последним рубежом защиты нашей техники от перепадов напряжения. Главным «орудием» в такой системе выступают источники бесперебойного питания. Зачастую их путают с резервными источниками энергии, но это в корне неверно.

Бесперебойное питание служит для того, чтобы дать время основному оборудованию проработать до восстановления его запуска. Как правило, время работы таких источников составляет всего несколько минут и тратится оно на отключение от сети приборов, корректное завершение работы компьютерной техники и т.д. Цели, которые ставятся перед резервными источниками, кардинально иные, что и находит своё отражение в составлении, к примеру,проекта электроснабжения загородного дома.

Схема автономного электроснабжения дома: организация и её варианты

Для правильной организации системы автономного электроснабжения дома требуется тщательный подход к изучению особенностей архитектурного строения здания, удовлетворение всех требований к надёжности системы. Также необходимо знать подключаемую нагрузку и её суммарную мощность, иметь чёткий план размещения всего электрооборудования и многое другое.

Существует два основных и наиболее часто встречающихся метода организации и построения схемы автономного электроснабжения дома. При первом варианте питание разделяется по группам потребителей электричества, при этом каждая из них оснащена собственным источником бесперебойного питания. Следовательно, в случае выхода из строя одного источника прекратится работа только его группы, что никак не отразится на остальном оборудовании. Исходя из различной наполняемости групп оборудованием и поступающей нагрузки, время автономной работы каждой из групп может кардинально отличаться друг от друга.

Рис. 15

Второй вариант организации системы электроснабжения предполагает осуществление питания всего комплекса от одного, но очень мощного источника. Этот способ более рационален и даёт возможность отключать менее важную нагрузку, увеличивая время работы оборудования. Однако есть и существенный минус - если происходит отказ источника питания, то всё оборудование тоже отключается.

Обе эти схемы электроснабжения жилых домов в чистом виде встречаются не часто. Обычно применяется двойная система, представляющая собой соединение каждого из вышеупомянутых вариантов. Идея состоит в том, чтобы наиболее важные потребители энергии выделены были в отдельную группу «второго уровня», которая работает от источников бесперебойного питания с небольшой мощностью. Вместе с этой группой объединяются все остальные приборы, и создаётся единая централизованная система электроснабжения дома. И если происходит аварийное отключение энергии, то отключается как раз в первую очередь менее важное оборудование т.н. «первой группы», а вот более значимая и важная «вторая группа» будет ещё какое-то время работать.

В заключение необходимо добавить, что систему электроснабжения дома необходимо создавать с избытком резерва. В идеале нужна такая схема, когда каждый основной источник питания дублируется запасным. Делается это из очевидных причин - выход оборудования из строя практически всегда происходит неожиданно, и, самое главное, невовремя. Поэтому вариант создания дублирующей системы является самым надёжным, хотя и требует серьёзных расходов.

Рис. 16

Рис. 17

Рис. 18

Размещено на Allbest.ru