Гибридные системы энергоснабжения

Гибридные, или комплексные, энергосистемы, которые совмещают работу централизованных энергосетей с поставщиками энергии на базе возобновляемых источников энергии (солнечные водонагревательные коллекторы, солнечные фотоэлектрические батареи, биогазовые установки, тепловые насосы, ветроэнергетические установки и т.п.), в сочетании с аккумуляторами энергии и эффективной теплоизоляцией помещений вполне могут конкурировать с централизованным энергоснабжением от ТЭЦ и АЭС.

Солнечные водонагреватели следует использовать преимущественно в качестве первой ступени для предварительного подогрева воды в обычных топливных системах горячего водоснабжения. Что касается сочетания энергии солнца и ветра, то стоит принимать во внимание следующие обстоятельства:
– в холодное время года приход солнечной радиации заметно падает, а скорость ветра возрастает;
– на потери тепла в гелиосистемах оказывает влияние не только температура окружающего воздуха, но и скорость ветра;
– потенциал ветровой энергии значительно возрастает при циклонах и антициклонах, однако в пасмурные дни при соответствующем состоянии атмосферы (повышенная облачность) солнечная активность снижается.

Гелиосистемы и ветротехника способны эффективно дополнять друг друга. К гелиосистемам относятся в первую очередь солнечные водонагревательные коллекторы и солнечные фотоэлектрические батареи прямого преобразования солнечного излучения в электроэнергию. Ввиду того, что солнечные водонагреватели в летнее время могут покрывать до 80 процентов потребности в горячей воде, а в зимнее – значительно меньше, необходимо использовать наряду с ними различного рода аккумуляторы, а также другие источники энергии. Последние – это электрические и газовые котлы, а также ветроэнергетические установки, в определенных случаях сочетающиеся с газогенераторными и биогазовыми установками.

Устраивать гибридную систему энергоснабжения возможно не только при новом строительстве, но и одновременно со строительной модернизацией существующего здания после его соответствующего тщательного обследования. В обоих случаях ветроэнергетическая установка монтируется на крыше здания. При этом параметры ветроустановки надлежит определять на основании данных по ветроэнергоресурсу места ее размещения. Указанный агрегат содержит ветроротор (ветророторы) с вертикальной осью вращения, который составлен из крыльчатых ветроколес, связанных по вертикали лопастями геликоидного желобчатого вида, приводной вал, редуктор-мультипликатор, электрогенератор. Ветроротор размещается над шатровым концентратором внутри пространственного концентратора.

Пространственный концентратор компонуется из ветроприемных экранов, объединенных по внутреннему периметру ветроротора обечайками, и содержит гелиотяговое устройство с энергоприемными гранями солнечной радиации, выстраиваемыми на освещенных солнцем сторонах здания. Вдоль энергоприемных граней выполняется воздуховод со стеновыми тепловыми аккумуляторами, под которыми к воздуховоду вдоль фундамента подводится проточная полость от теневой стороны здания. В каналах полости устанавливаются проточные электрогенераторы и заслонки, которые регулируют воздушные потоки. Воздуховод в верхней части над шатровым концентратором имеет воздухозаборник, разделенный перегородкой с воздуховодом от наружной стороны энергоприемных граней. Воздуховод и воздухозаборник подводятся под нижнюю обечайку к ветроротору. В качестве теплового аккумулятора используются наружные стены здания, теплоизолированные с внутренней стороны. Наружные поверхности этих стен следует зачернить, а энергоприемные грани – изготовить из светопрозрачного материала.

На рисунках – концептуальные решения зданий, оснащенных геликоидной ветроэнергетической техникой и гелиотяговым устройством.

Дополнительная минимизация энергопотребления в высокоразвитых странах зачастую осуществляется путем организации отопления зданий за счет автономных, расположенных на чердаках или технических этажах, паровых котельных на газе или электричестве. Децентрализация отопления зданий помимо прочего предоставляет возможность беспрепятственно осуществлять прямые рыночные расчеты поставщиков энергии с ее потребителями (например, жильцами конкретного жилого дома).

Промышленность же при наличии автономных котельных ограничивается созданием узловых электростанций с попутной выработкой генераторного газа в случае применения твердотопливных энергоносителей: дров, торфа, каменного угля или твердых бытовых и производственных отходов. При подобном положении вещей в экономии энергии оказываются заинтересованными прежде всего конкретные потребители, а не посредники.

С целью достижения наивысшей эффективности использования топлива и снижения объема вредных выбросов, целесообразно древесное топливо сначала переводить в генераторный газ и только потом сжигать в котлах. Важно, что генераторный газ из древесины чище подобного газа, получаемого из угля или мазута. Кроме того, в энергетических установках для производства электрической и тепловой энергии, в том числе сочетающихся с ветротехникой и гелиосистемами, можно эффективно использовать твердое, жидкое и газообразное биотопливо, произведенное из древесного сырья.

При этом весь процесс производства энергии происходит или совсем без потребления органического топлива, или при его весьма незначительном расходе. Делать ставку исключительно на ископаемые виды топлива и в первую очередь на природный газ в корне неверно. Наиболее ценные топливные продукты следует пускать на производство промышленной товарной массы, а вторичные топливные ресурсы (стружки, опилки, солома, мусор и т.д.) и малоценное топливо (бурый уголь, торф и т.д.) – перерабатывать в генераторный газ. Использовать его в городах можно и через системы централизованного газоснабжения. При этом, конечно, необходимо широко применять энергию солнца и ветра.

По материалам конференции «Новое в проектировании систем теплоснабжения и вентиляции. Отопление и кондиционирование. Теплоизоляция. Проектирование котельных», состоявшейся 21 июля 2010 года в Минске

Николай ЛАВРЕНТЬЕВ и Дмитрий ЖУКОВ, кандидаты техн. наук