Роль автономной энергетики в мире динамично растёт. Доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) уже составляет 23% от мирового производства электроэнергии, и дальнейший её рост будет обеспечен за счёт внедрения новых нетрадиционных технологий в бытовую энергетику.
Мировая промышленность смогла наладить выпуск разнообразных компактных, бытовых генераторов по ценам, доступным покупателям со средним доходом.
Поэтому, если до недавнего времени автономное электроснабжение загородного дома обычно организовывали там, где не было возможности подключиться к государственному источнику электроэнергии, то теперь все чаще наблюдается появление солнечных батарей, ветряков на зданиях в районах со вполне удовлетворительной инженерной инфраструктурой.
Система автономного электроснабжения дома (САЭ) — это гарантированная подача энергии необходимого качества и количества, вне зависимости от наличия и состояния внешних источников электроснабжения. В создании САЭ заинтересованы те, кто желает быть независимым от монополистов, не платить по их раздутым счетам и никогда не ущемлять себя в потреблении энергоресурсов.
- Расчёт САЭ для дома
- Солнечный комплект (Solar)
- Результаты исследований качества работы солнечных модулей
- Ветрогенераторы и зелёный тариф
- Технические характеристики ветрогенераторов для автономного электропитания дома
- Малогабаритная гидроэнергетика
- Инновационные комбинированные электро — тепловые когенерационные системы
Расчёт САЭ для дома
Автономное электроснабжение дома считается устойчивым для нормального жизнеобеспечения частного жилья, если подобранные источники будут стабильно вырабатывать электричество, независимо от каких-либо внешних факторов. Схемы САЭ компактны, многофункциональны и собираются, как конструктор LEGO из следующего типового оборудования:
- Источник энергии (комплект — Solar, ветрогенератор, гидрогенератор);
- контроллер для накопления заряда аккумулятора портативный;
- электрохимические аккумуляторы и электроподстанция;
- инвертор.
Основным показателем для подбора оборудования является потребляемая мощность, её нужно знать для проведения технико-экономических расчётов схемы САЭ.
Автономное электричество для частного дома (дача), расчёт потребляемой мощности жилого дома, площадью 100 м2:
| Наименование | Активная мощность | Расчётные коэффициенты | Всего | |||
| № | приборов и устройств | Количество, ед. | спроса | использования Ки | Квт-час | |
| Кс | ||||||
| 1 | Внутренне освещение дома, м2 | 100 | 0,04 | 0,8 | 0,8 | 2,56 |
| 2 | Освещение придомовой территории, м2 | 80 | 0,03 | 0,6 | 0,6 | 0,864 |
| 3 | Кухонная плита | 1 | 4 | 0,8 | 1 | 3,2 |
| 4 | Машина стиральная | 1 | 2,2 | 1 | 0,6 | 1,32 |
| 5 | Машина посудомоечная | 1 | 2,2 | 0,8 | 0,8 | 1,408 |
| 6 | Бак водонагреватель | 1 | 2 | 0,6 | 0,8 | 0,96 |
| 7 | Климатическая техника | 1 | 3 | 0,7 | 0,8 | 1,68 |
| 8 | Отопительные приборы | 0 | 2 | 0,4 | 1 | 0 |
| 9 | Кухонная техника (суммарно) | 2 | 5 | 0,3 | 1 | 3 |
| 10 | Отопительный котёл | 1 | 6 | 0,8 | 0,9 | 4,32 |
| 11 | Триммер, кВт-час | 0 | 2 | 0,4 | 0,8 | 0 |
| 12 | Насос погружной | 1 | 2 | 0,8 | 0,9 | 1,44 |
| 13 | Компьютеры | 3 | 0,5 | 0,6 | 1 | 0,9 |
| 14 | Итого | |||||
| 21,652 | ||||||
Солнечный комплект (Solar)
Для использования солнечного коллектора потребует две вещи: солнечный свет и специальное оборудование, которое получает, преобразовывает, хранит и передаёт в домашнюю сеть преобразованную энергию солнца. Такая схема электроснабжения имеет неограниченный источник энергии, в отличие от ископаемых видов топлива, она не является дефицитной и становится конкурентоспособной при стоимости нефти 70 долларов за баррель и выше.
В настоящее время наиболее популярными в странах СНГ являются солнечные энергосистемы мировых производителей таких, как JA Solar, Trina, Jinko Solar, Yingli Solar, Canadian, Amerisolar, Perlight Solar, Solar World, Sharp, LG, Altek, SMA, ABB, Omron, LogicPower, Huawei, Fronius, Steсa, SlarEdge, имеющих гарантию производителя до тридцати лет.
Технические характеристики популярных моделей солнечных батарей:
| Показатели | Delta SM 30-12 P | One-Sun 30P | SY-50WM | FSM 100M | |
| 1 | Мощность, Вт: | 30 | 30 | 50 | 100 |
| 2 | % отклонения мощности | 3 | 3 | 3 | 6 |
| 3 | U холостого хода, В | 21,96 | 22,6 | 22,2 | 22,7 |
| 4 | Ток короткого замыкания, А: | 1,76 | 1,76 | 3 | 5,82 |
| 5 | U в точке max мощности, В: | 18,25 | 18 | 18 | 18,6 |
| 6 | Ток max мощности, А: | 1,64 | 1,66 | 2,78 | 5,38 |
| 7 | КПД панели, %: | 12,29 | 15 | 14,3 | 0,15,3 |
| 8 | КПД бесперебойный фотоэлемента, %: | 15,57 | 17,4 | 17,8 | 18,1 |
| 9 | Тип | Поли-кристаллические | Поли-кристаллические | кремневые монокристаллические 125х125мм | Моно-кристаллические |
| 10 | Класс качества: | Grade A | Grade A | Grade A | |
| 11 | Количество диодов, шт: | 2 | 2 | 15 | 2 |
| 12 | Степень защиты распред. коробки аварийный: | IP65 | IP65 | IP65 | IP65 |
| 13 | Max U системы, В: | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 14 | Tемпература, оС | -40°С…+85°С | -40°С…+85°С | -40°С…+85°С | -40°С…+85°С |
| 15 | Конвекторы: | MC4 | MC4 | MC4 | |
| 16 | Габариты: | 678 х 360 х 25 | 450х510х25 | 645х540х30 | 1209 х 539 х 35 |
| 17 | Масса, кг: | 3,2 | 2,7 | 4,2 | 9,2 |
К видам солнечных панелей можно отнести следующие:
- Монокристаллическая (mono);
- поликристаллическая (poly);
- аморфная (amorphy).
Результаты исследований качества работы солнечных модулей
Результаты исследований различных видов солнечных моделей можно подробно изучить и сравнить при помощи таблицы:
| Показатели | Монокристаллическая | Поликристаллическая | Аморфная |
| КПД, % | 17-22 | 12-18 | 6-8 |
| Срок эксплуатации, лет | 25 | 25 | 10 |
| Температурный коэффициент, % | 0,45 | 0,45 | 0,19 |
| Потеря эффективности в год, % | 1 | 1 | 5 |
| Цена | высокая | средняя | низкая |
| Светочувствительность | средняя | средняя | максимальная |
| Годовая выработка | высокая | средняя | низкая |
Ветрогенераторы и зелёный тариф
Использование ветрогенераторов для бытовых энергетических целей применяется в мире достаточно давно. Европа производит энергию от ветра в течение многих лет — в Германии, Испании, Дании и Франции. Многие другие страны такие, как Китай и Индия, в последнее время начали интенсивно развивать своё производство энергии ветра.
Ветровые турбины имеют три основные части: лопасти, мачта и генератор. Три больших лопастных винта установлены на вершине большой мачты, которые приводит в движение ветер. Если турбина производит больше энергии, чем нужно, её можно направить в общую энергосистему, по так называемому зелёному тарифу. Такой тариф применяется практически во всех странах мира (кроме России).
В Украине в 2018 году по «зелёному тарифу» государство возвращает за поставку в сеть «лишнего» кВт в таких размерах:
- для частных электростанций мощностью до 30 кВт — 18 евро центов за 1кВт/час ;
- для наземных промышленных станций 15 евро центов за 1 кВт/час;
- для крышных — 16, 3 евро центов за 1 кВт/час.
Такой подход даёт возможность бытовому производителю электроэнергии окупить все свои затраты по установке электростанций мощностью 30 кВт всего за 4 года, получая ежегодную прибыль порядка 6500 у. е. По мере того как ветрогенераторы становились все более популярными, они стали дешевле и доступными для широкого круга потребителей.
К преимуществам ветрогенератора можно отнести следующие:
- Ветер бесплатный и 100% возобновляемый;
- ветрогенератор не загрязняет окружающую среду выбросами парниковых газов и другими вредными веществами;
- требуют для размещения небольших площадей, так как размещены на большой высоте;
- создают интересный ландшафт;
- отличный резервный источник автономного электропитания в отдалённых населённых пунктах;
- низкий срок окупаемости при использовании «зелёного тарифа» до 4 лет.
Но у ветрогенераторов есть и свои недостатки:
- Высокая первоначальная стоимость энергоснабжения;
- необходимость наличия земельных участков под строительство;
- необходимость наличия достаточного ветропотенциала местности;
- габаритность, строительные нормы могут не разрешить установку турбин в некоторых местах;
- шумовое загрязнение окружающей среды и аварийная зональность для перелётных птиц;
- низкий уровень использования — до 30% от установленной мощности;
- высокий уровень грозовой опасности.
Оглядываясь на эти данные, похожее, что такое автономное электричество имеет больше «минусов», чем «плюсов». Однако сила ветра оказывает гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем электроэнергия, произведённая из угля или нефти, поэтому для жителей районов, имеющих стабильный энергетический ветер, такой вид источника автономного электропитания дома очень перспективный.
Технические характеристики ветрогенераторов для автономного электропитания дома
Каждая разновидность ветрогенераторов имеет свои характеристики, сравнить которые можно при помощи таблицы:
| Марка/производитель | Мощность кВт | Напряжение, В | Диаметр ветроколеса, м | Скорость ветра, м/с |
| Т06/Китай | 0,6 | 24 | 2,6 | 9 |
| Т12/Китай | 1,2 | 24/48 | 2,9 | 10 |
| Т23/Китай | 2,3 | 48 | 3,3 | 10 |
| Т60/Китай | 6 | 48/240 | 6,6 | 11 |
| Т120/Китай | 12 | 240 | 8 | 11 |
| Passaat/Голландия | 1.4 | 12/24/488 | 3,1 | 14 |
| Montana/Голландия | 5 | 48/240 | 5 | 14 |
| Alize/Голландия | 10 | 240 | 7 | 12 |
| W800/Украина | 0,8 | 48 | 3,1 | 8 |
| W1600/Украина | 1,6 | 48 | 4,4 | 8 |
Малогабаритная гидроэнергетика
Автономное электричество для частного дома с помощью использования энергии воды — Hydro Power (гидроэнергетика), имеет преимущества и по сравнению с другими видами возобновляемой энергии, если система спроектирована и установлена правильно, создаёт минимум экологических рисков для окружающей среды.
Как правило, все что для этого нужно — это река с достаточным количеством воды и скорости течения, поступающей на водяную турбину, подключённую к генератору электроэнергии. В зависимости от размеров и необходимой мощности электрогенерации, миниэлектростанция для гидроэлектрических схем подразделяются следующим образом:
- Small Scale Hydro Power (небольшие), генерирует электрическую мощность от 100кВт (1кВт) и 1МВт (мегаватт), подавая эту генерируемую энергию непосредственно в коммунальную сеть, питающей более одного домашнего хозяйства.
- Mini Scale Hydro Power (мини-масштабные), которые генерируют мощность от 5кВт до 100кВт, подавая её непосредственно в коммунальную сеть или автономную систему с питанием от сети переменного тока.
- Micro Scale Hydro Power (микромасштабные), домашняя схема САЭ для рек, с генератором постоянного тока для производства электромощности от сотен ватт до 5кВт в качестве части автономной системы.
Мини-ГЭС (гидроэлектростанции) в зависимости от вида водных ресурсов подразделяются на:
- русловые — малые речки с искусственным водоёмами на равнинах;
- стационарные — высокогорные речки;
- водоподъёмные с перепадом воды на промпредприятиях;
- мобильные — водяной поток поступает через армированные устройства.
Для работы мини-ГЭС используются следующие типы турбин:
- водяной напор > 60-м — ковшовые и радиально-осевые;
- при напоре 25—60-м — радиально-осевые и поворотно-лопастные;
- при низком напоре — пропеллерные и поворотно-лопастные в железобетонных устройствах.
Автономное электроснабжение дома с применением Hydro, Mini Hydro Systems или Micro Hydro Systems могут быть спроектированы с использованием либо водяных колёс, либо импульсных гидротурбин. Потенциал генерации конкретного участка будет зависеть от количества потока воды, которая, в свою очередь, зависит от условий и местоположения участка, а также от характеристик осадков на участке. Водяные колёса и водяные турбины отлично подходят для любой малой схемы гидроэнергетики, поскольку они извлекают кинетическую энергию из движущейся воды и преобразуют эту энергию в механическую энергию, приводящую в действие электрический генератор.
Максимальное количество электроэнергии, которое может быть получено из реки или потока проточной воды, зависит от количества энергии в конкретной точке потока. Но водяная турбина не идеальна, из-за потерь мощность внутри турбины вызванных трением. Большинство современных гидротурбин имеют к.п.д от 80 до 95% и способны использоваться, как миниэлектростанция для частного дома. Мини-ГЭС работают по надёжному принципу. Вода, воздействует на турбинные лопасти через гидропривод, приводит во вращение электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию.
Процесс контролируется системами автоматизации. Надёжная система автоматики защищает оборудование от перегрузок и поломок. Устройства современных гидрогенераторов сокращает до минимума производство монтажных работ в период строительства и создают оптимальное энергообеспечение электроэнергией.
Автономные источники электроснабжения мини-ГЭС проектируется при полном соответствии параметров турбины и гидроагрегата для производства требуемой частот вращения и тока.
К достоинствам работы мини-ГЭС относятся:
- экобезопасность оборудования;
- низкая себестоимость 1 кВт-час электроэнергии;
- автономность, простота и надёжность схемы;
- неисчерпаемость первичного ресурса.
К недостаткам мини-ГЭС относится слабая материально-техническая и производственная база для производства всего необходимого комплекса оборудования в стране.
Инновационные комбинированные электро — тепловые когенерационные системы
В течение следующих двух десятилетий человечество намерено резко увеличить использование возобновляемых источников энергии. Это является частью согласованной мировой политики по сокращению потерь в системе жизнеобеспечения и выбросов парниковых газов. Сегодня стало очевидным, что применение простых одно-ресурсных схем по созданию эффективной электростанции для частного дома будет недостаточно, нужно искать альтернативный и независимый путь дальнейшего развития САЭ.
Когенерационные САЭ сочетают в себе проверенные технологии фотоэлектрической (PV) и солнечной тепловой энергии (SHW) в единую интегрированную систему солнечной теплоэлектростанции, которая позволяет извлекать как можно больше солнечной энергии для выработки электричества, использует всю полезную теплоту системы. Солнечные коллекторы представляют собой водоохлаждающие концентрирующие PV—параболические устройства, которые захватывают, а не рассеивают то, что другие конструкции PV считают «отработанным теплом».
Архитектура включает в себя серию наземных или подземных устройств, которые независимо отслеживают солнце вдоль одной оси. Компактная система теплообмена/хранения SHW передаёт тепло, чтобы предварительно нагреть воду для внутреннего горячего водоснабжения. Таким образом, создаются самые эффективные в мире мини когенерационные автономные электростанции для загородного дома, обеспечивающие не только бесперебойное электроснабжение частного дома, но и его практически дармовое теплоснабжение.
