Методы обеспечения электричеством загородных домов

Уезжая за город как на длительное пребывание (на целое лето или в отпуск), так и на короткие выходные, владельцы домов могут столкнуться с проблемой отключения электричества. Причем выйти из строя энергосистема способна неожиданно и на неопределенное время. Ветхость оборудования, плохая защита от гроз и постоянное хищение цветных металлов с ЛЭП и подстанций делают свое дело. Сказывается также общая изношенность советской еще системы. Она значительно выработала заложенный ресурс и поэтому не всегда обеспечивает высокую мощность. Происходящие аварии в энергетике и их тяжелые последствия всем известны. А случаи перенапряжения и просадок в сети не поддаются учету. И что говорить о тех, к чьим домам линии электропередачи вообще не подведены. Ведь подключить и провести к своему дому отдельную линию дело не только дорогое, но еще и длительное. Между тем на электричестве «завязано» все. Мы стали «энергозависимыми» людьми. Существуют альтернативные способы обеспечения загородных домов электричеством.

Принцип действия мини ТЭЦ и мини ТЭС рассматривались в пункте 2.3.5 и 2.3.6 соответственно.

 

Генераторы

Электрогенератор, или альтернатор, как его часто называют специалисты, преобразует механическую энергию вращения вала двигателя в электромагнитную энергию переменного тока. В зависимости от его типа и конструкции электростанция подходит для решения тех или иных задач.

Синхронный или асинхронный?

Для возбуждения ЭДС (электродвижущей силы) в обмотках статора (неподвижная часть генератора) нужно создать переменное магнитное поле. Это достигается вращением намагниченного ротора (другое его название – якорь). Для намагничивания используют разные приемы.

Так, у синхронного генератора на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а, следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток. Роль регулятора прекрасно играет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки очень высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток.

Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становится источником радиопомех.

Чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их замены желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж затем нагружать станцию «по полной программе».

Многие самые современные синхронные генераторы снабжены бесщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brashless). Они лишены перечисленных недостатков, а потому предпочтительнее.

Асинхронный генератор вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. К тому же, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора можно сделать закрытым и тем самым практически исключить попадание внутрь пыли и влаги.

К сожалению, асинхронники тоже не лишены недостатков. Стабильность напряжения на выходе у них обычно хуже, чем у синхронников. Да и способность к пусковым перегрузкам оставляет желать лучшего: при достижении некоторого критического значения тока в обмотках статора, ротор попросту размагничивается. Впрочем, намагнитить его несложно – достаточно подать на определенные входы указанное в инструкции напряжение.

Перечисленные «асинхронные проблемы» частично решают, оснащая станции регулятором напряжения и стартовым усилителем. Однако все эти «навороты» лишают агрегат его главного достоинства – простоты.

Сколько же в нем фаз?

Действительно, зачем нужны непонятные три фазы, когда и с одной-то не разберешься? Но в том-то и дело, что без них – никуда. Начнем с того, что трехфазная схема подключения позволяет передавать энергию трех однофазных источников всего по трем проводам (в случае однофазной схемы потребовалось бы выделить по два провода на каждый такой источник).

В итоге при равной выходной мощности трехфазный альтернатор компактнее, легче и имеет больший КПД. К тому же он более универсален – на выходе дает как бытовые 220 вольт, так и промышленные 380. Полноценно работать на однофазную нагрузку трехфазный альтернатор может только при правильном подключении.

Двигатель

Бензиновые моторы

Обычно на бензиновых электростанциях малой и средней мощности применяются карбюраторные, или, как их часто называют, бензиновые моторы (совсем правильный термин – «двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием»).

 

Как явствует из названия, топливом для них служит бензин. Сгорая, он отдает часть своей энергии поршню, совершая полезную работу, а все что осталось – тратит на нагрев атмосферы и деталей мотора. Разумеется, чем больше джоулей идет в полезное дело, тем лучше.

Повышение КПД – сложная техническая задача, для решения которой прибегают к разным приемам.

Достичь качественного скачка в борьбе за снижение расхода топлива удалось при переходе к верхнеклапанной компоновке двигателя. Одна из таких схем с распределительным валом в картере и штанговым приводом получила в последние годы наибольшее распространение и обозначается OHV. Ее внедрение позволило уменьшить площадь поверхности камеры сгорания, а значит, уменьшить нагрев деталей мотора. Кроме того, появилась возможность повысить степень сжатия (с 5–6 до 7–9 единиц) при использовании бензина прежней марки, что еще больше повысило эффективность.

К сожалению, дальнейшее повышение КПД бензинового двигателя за счет увеличения степени сжатия нецелесообразно – это потребует значительного увеличения октанового числа топлива (то есть его стоимости). В противном случае горючая смесь, детонируя, будет сгорать раньше времени, толкая поршень против его движения.

Для следующего качественного шага необходимо кардинально улучшить сам процесс смесеобразования, то есть отказаться от карбюратора в пользу систем впрыска с электронным управлением. А цена самой простой из них вплотную приближается к стоимости недорогого мотора вместе с его карбюратором.

Дизельные моторы

Дизельные электростанции обладают недостижимо низким для бензинового мотора расходом топлива. У него степень сжатия ограничена, главным образом, прочностью и термостойкостью деталей поршневой и кривошипно-шатунной групп. Для нормальной работы в жестких режимах дизельные моторы приходится делать очень прочными, то есть тяжелыми. Как следствие, при высокой частоте вращения вала они изнашиваются быстрее, чем более легкие детали карбюраторного двигателя. Вышесказанное никоим образом не означает того, что дизель менее долговечен (здесь самое время вспомнить о высоком запасе прочности), а лишь поясняет причину, по которой он «предпочитает» пониженные обороты.

У такого мотора есть два серьезных недостатка: высокая стоимость и относительно большая масса. Сложность и дороговизну ремонта в расчет брать не будем – они скомпенсированы надежностью и долговечностью.

Бензогенератор – электростанция, у которой в качестве первичного двигателя используется бензиновый двигатель внутреннего сгорания соединенный с генератором электрического тока. Бензогенераторы в основном применяются для резервного (редко постоянного) энергоснабжения, также бензогенераторы легче, чем дизель-генераторы. Основное применение бензиновых электростанций (бензогенераторы, бензогенератор) – источник энергии с продолжительностью непрерывной работы до 12 часов. Бензиновые электростанции (бензогенераторы) незаменимы в случае отключения электричества. Кроме того, такой генератор (бензогенератор) удобно применять в тех местах, где нет электроэнергии. В последнее время эти устройства – бензогенераторы, дизель-генераторы, электростанции стали широко применяться при выезде на природу, а также при строке небольших объектов, ремонте дорог и т.п.

Дизельный генератор (дизель-генератор, дизель-генераторы) – электростанция (электрогенератор) в которой установлен дизельный двигатель. Дизель-генераторы (дизельные электростанции) применяются в качестве основного или аварийного источника электроэнергии, в банках, в загородных коттеджах, на стройплощадках, на производстве, на съемочных площадках и т.п. Дизель-генераторы имеют, как правило, более продолжительный ресурс работы, но за счет более высокой стоимости дизельного двигателя, дизельные электростанции (дизель-генераторы) не получили широкого распространения как источники резервного энергоснабжения в частном секторе рынка. Но дизель-генераторы широко используются коммерческими и государственными структурами.

Бензогенераторы инверторного типа создан на основе современных технических решений. Электростанция (бензогенератор инверторного типа) в которой используется инверторная система с регулятором широтно-импульсной модуляции для более высокого качества электроэнергии (стабильность выходного напряжения и частоты). Бензиновые генераторы инверторного типа отличаются существенной экономией топлива благодаря электронной системе зажигания и электронному регулятору оборотов двигателя в зависимости от нагрузки. Инверторный бензогенератор оснащен функцией переключения двигателя в экономичный режим расхода топлива при малой нагрузке. Такие электрогенераторы незаменимы как источник резервного питания для электронного оборудования. Инверторные генераторы рекомендуется применять в организациях, использующих различную высокоточную электронную технику.

К недостаткам электрогенераторов можно отнести:

· эксплуатация бензоагрегатов должна производиться подготовленным пользователем;

· применение однофазных электрогенераторов требует тщательного проектирования схемы включения чувствительных к перепадам напряжения приборов и агрегатов и системы переключения основного и резервного вводов электропитания;

· ограниченный ресурс эксплуатации, повышенный шум, выхлопные газы, пожароопасность;

Газогенератор. В газогенераторе происходит процесс термического разложения органического топлива. Топливо не горит, а тлеет в условиях недостатка кислорода и в результате процесса, называемого пиролизом, образуется генераторный газ.

Современный газогенератор может заменить инверторный бензогенератор. Сейчас разработан газогенератор, способный решать самые разнообразные задачи: беспрерывное обеспечение электроэнергией промышленных объектов, электроснабжение коттеджа или частного дома, существует даже газогенератор в прицепе, применяемый в грузовых автомобилях. Это может быть газогенератор на угле, водородный газогенератор, или когенераторная установка, важно то, что с помощью любого из этих приборов можно существенно сэкономить свои средства.

Если дизельгенератор работает на жидком топливе, то газовые генераторы предназначены для получения горючего газа (смесь СО, Н и др.) из твердого топлива влажностью до 40% (торф, уголь, дрова, сельхоз. и прочие отходы, способные гореть, окисляясь кислородом воздуха). Газовые электрогенераторы обеспечивают работу самых разных двигателей внутреннего сгорания: карбюраторных, инжекторных, дизельных.

Хорошо известно, что бензиновые электростанции и традиционные бензиновые генераторы не отличаются отсутствием вредных выбросов в атмосферу. А даже самый простой автомобильный газогенератор по сравнению со своим бензиновым коллегой сравнительно менее вреден по отношению к окружающей среде, так как октановое генераторного газа равно 110-140, что заметно выше, чем у жидкого топлива. Полезен генераторный газ и для двигателей – он продлевает их моторесурс.

При электроснабжении коттеджа только от автономного электрогенератора генератора согласования проекта, как правило, не требуется.

Кратко подытожить проблему выбора типа силовой установки можно:

– Любой дизель экономичнее бензинового мотора и обычно успевает окупить разницу в цене.

– «Тихоходный» (1500 об./мин) дизель превосходит бензиновый мотор по ресурсу примерно в четыре-пять раз, а по весу – в два-три раза. «Быстроходный» (3000 об./мин) по обоим параметрам опережает карбюраторный мотор примерно в полтора раза.

– Если в конструкции не предусмотрены свечи накаливания (а они имеются, как правило, лишь на очень мощных двигателях), запустить дизель при отрицательных температурах весьма непросто.

– Зимой на дизельном моторе нужно использовать специальные сорта топлива.

- Газогенераторы более экологичны в использовании и при наличии проведенного магистрального газа экономичнее в использовании, чем дизель.

Двух- и четырехтактные двигатели

Конструктивно двухтактные моторы проще и, соответственно, дешевле, легче и надежнее (иногда – еще и долговечнее) четырехтактных. Оборотная сторона медали – повышенный расход топлива и необходимость возиться с маслом (его приходится подавать вместе с бензином).

Бензиновые электростанции хотя легкие и с хорошим КПД, однако топливо расходуют больше, чем дизельные.

Какие марки альтернаторов наиболее популярны? Основные производители альтернаторов: Generac (Англия), Leroy Somer (Франция), Mecc Alte (Италия), Metallwarenfabrik Gemmingen (Германия), Sawafuji (Япония), Sincro (Италия), Soga (Италия), Stanford (Англия), Yamaha (Япония) и др.

 

Микро ГЭС

Малые и микроГЭС – объекты малой гидроэнергетики. Эта часть энергопроизводства занимается использованием энергии водных ресурсов и гидравлических систем с помощью гидроэнергетических установок малой мощности (от 1 до 3000 кВт). Малая энергетика получила развитие в мире в последние десятилетия, в основном из-за стремления избежать экологического ущерба, наносимого водохранилищами крупных ГЭС, из-за возможности обеспечить энергоснабжение в труднодоступных и изолированных районах, а также, из-за небольших капитальных затрат при строительстве станций и быстрого возврата вложенных средств (в пределах 5 лет).

Если поблизости от поселения протекает речка или ручей, для производства электроэнергии выгодно использовать энергию течения воды, устанавливая микрогидроэлектростанции – микроГЭС.

МикроГЭС (мощностью до 100 кВт) можно установить практически в любом месте. Гидроагрегат состоит из энергоблока, водозаборного устройства и устройства автоматического регулирования. Используются микроГЭС как источники электроэнергии для дачных поселков, фермерских хозяйств, хуторов, а также для небольших производств в труднодоступных районах – там, где прокладывать сети невыгодно.

Ценным их качеством является независимость от погодных условий и равномерность выработки энергии во времени, т.к. скорость течения более постоянная величина, чем скорость ветра или поток солнца.

На выходе микроГЭС получаем переменный ток 220В большой мощности круглыми сутками, а потому можно пользоваться сразу и без инвертора с аккумуляторами. Но тянуть провода от реки все же придется. К тому же стоит учитывать сезонность уровня воды и замерзание зимой.

Обычно микроГЭС представляет собой шланг, забирающий из реки часть воды, которая вращает генератор. Выходит, что нужен перепад высот несколько метров между началом и концом шланга. Без плотины этого можно достичь в холмистой местности.

МикроГЭС бывают погружные, которые устанавливаются на дно реки, деривационные, или рукавные, использующие гибкую трубу для формирования водного потока большой скорости вне ручья и свободнопоточные, которые плавают на поверхности реки. Они очень надежны, долговечны, просты в эксплуатации и сравнительно дешевы, порядка 7000 $ за ГЭС мощностью 10-15 кВт. Одна такая ГЭС может обслуживать до 10 домов и более.

 

Солнечные батареи

Рис. 2.11. Солнечные батареи.

Принцип действия солнечных батарей состоит в прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. При этом генерируется постоянный ток. Энергия может использоваться как напрямую различными нагрузками постоянного тока, запасаться в аккумуляторных батареях для последующего использования или покрытия пиковой нагрузки, а также преобразовываться в переменный ток напряжением 220В для питания различной нагрузки переменного тока.

Преимущества солнечных энергетических установок (СЭУ):

· Высокая надежность – до сих пор СЭУ являются источником питания для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания.

· Низкие текущие расходы – бесплатное топливо солнечная энергия. Благодаря отсутствию движущихся частей, СЭУ не требуют особого ухода.

· Экологичность – при использовании СЭУ не сжигается топливо, у них нет движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми. Не выделяют вредных отходов.

· Модульность – СЭУ можно довести до любого размера. Владелец такой системы может увеличить либо уменьшить ее, если изменится его потребность в электроэнергии.

· Низкие затраты на строительство – обычно СЭУ строят близко к потребителю. Нет нужды тянуть ЛЭП на дальние расстояния и закупать трансформаторы и др. Меньше проводов означает низкие затраты и более короткий период установки.

· Длительный срок службы – работают до 30 лет, а в отдельных случаях и дольше.

· Независимость от изменения цен на энергоносители – постоянный рост тарифов на топливо и электроэнергию, не является проблемой при использовании СЭУ.

Рис. 2.12. Центры производства ФЭП и солнечных модулей в России в 2008 году.

В России сложилось три центра производства солнечных элементов и модулей – Краснодарский край, Рязанская область и Московская область. Производство фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и солнечных модулей (СМ) в России в 2008 году составило 15,6 МВт.

Российские производители солнечных элементов и модулей:

· ОАО «НПП «Квант», г.Москва – производит ФЭП, СМ и ФЭС.

· ООО «Солнечный ветер», г.Краснодар – производит ФЭП, СМ и ФЭС.

· ЗАО “ОКБ завода “Красное знамя”, г.Рязань – производит ФЭП, СМ и ФЭС.

· ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов», г.Рязань производит ФЭП и СМ.

Система электроснабжения автономного дома с выходом переменного тока на базе фотоэлектрической солнечной батареи состоит из:

1. Солнечной батареи необходимой мощности;

2. Контроллера заряда аккумуляторной батарея, который предотвращает губительные для батареи глубокий разряд и перезаряд;

3. Батареи аккумуляторов (АБ);

4. Инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный;

5. Энергоэффективной нагрузки переменного тока.

Рис. 2.13. Система электроснабжения автономного дома с выходом переменного тока на базе фотоэлектрической солнечной батареи.

Для обеспечения надежного электроснабжения необходим резервный источник электропитания (на рисунке не показан). В качестве такого источника может быть небольшой (2-6 кВт) бензо- или дизельэлектрогенератор. Введение такого резервного источника электроэнергии резко сокращает стоимость солнечной батареи из-за отстутствия необходимости рассчитывать ее на худшие возможные условия (несколько дней без солнца, эксплуатация зимой, и т.п.)

В этом случае в систему также вводится зарядное устройство для быстрого заряда (в течение нескольких часов) АБ от жидкотопливного электрогенератора. Возможно применение блока бесперебойного питания, в котором возможность заряда АБ уже встроена.