Энергетика и промышленность России - избранные материалы.

Гибридные системы для альтернативных источников

Оказывается, энергия различных альтернативных источников - Солнца, ветра, морской волны, приливов и отливов, больших и малых рек - может суммироваться при помощи гибридных систем и работать на общую нагрузку.

Собственно, идея сложения состоит в том, что энергия от различных источников преобразуется в энергию сжатого воздуха. Воздух поступает в общую магистраль. На выходе магистрали устанавливается пневмодвигатель, который преобразует энергию сжатого воздуха в механическую энергию.

На выходе пневмодвигателя можно будет получить как возвратно-поступательное, так и вращательное движение. Использование гибридных систем позволит значительно сократить себестоимость вырабатываемой энергии, а также сократить стоимость самих установок.

Получаемая таким способом механическая энергия может быть использована, например, для получения тепла при помощи гидродинамических теплогенераторов, для работы холодильных компрессоров с целью получения холода, для работы электрогенераторов и для многих других целей.

Кроме того, сам по себе сжатый воздух может быть использован для работы станков и инструментов, гидронасосов и других агрегатов.



Ветер и волна

Предположим, нужна установка, которая сможет суммировать энергию ветра и энергию морской волны для преобразования в электричество.

Для решения этой задачи следует собрать гибридную установку, в состав которой войдут ветрокомпрессор (компрессор, на валу которого установлено ветроколесо) и пневмонасос, который приводится в движение за счет колебаний морской волны.

Сжатый воздух от ветрокомпрессора и пневмонасоса через соответствующие клапаны будет подаваться в общую магистраль, на выходе которой установлен пневмодвигатель и электрогенератор.

При отсутствии ветра такая установка будет работать на энергии морской волны, а при отсутствии морской волны - на энергии ветра.

Такая установка, помимо энергии ветра и морской волны, может получать и суммировать энергию и от других источников. Например, от Солнца, реки, геотермальных установок.

То есть источников энергии может быть много, а установка всего одна. Основная идея создания гибридных систем альтернативной энергетики как раз в том и заключается, чтобы сконцентрировать как можно больше различных источников энергии.

Разумеется, дешевле сделать один агрегат на все виды энергии, нежели создавать на каждый вид энергии отдельную установку. При этом вопрос о стоимости выработанной энергии становится чуть ли не излишним.



Как суммировать энергию океана

Для большей убедительности рассмотрим, к примеру, энергию океана.

Морская волна имеет свою высоту и движется с некоторой скоростью. То есть имеется уже два вида энергии: потенциальная энергия высоты волны и кинетическая энергия ее скорости.

Для побережья Европы эта суммарная энергия составляет 50-90 кВт на 1 метр фронта воды, а на юге Австралии доходит и до 100 кВт. Если же волны нет, то есть приливы и отливы, а это тоже порядка 13,5 кВт с каждого квадратного метра.

В качестве источника энергии можно использовать здесь и глубоководные морские течения, и разницу температуры между верхними и нижними слоями морской воды. Создать на каждый вид энергии по отдельному агрегату, конечно же, можно - но только зачем?

Тем более что все эти источники энергии находятся практически в одном месте. Не проще ли всю эту энергию собрать в одной гибридной установке и протянуть на берег один-единственный шланг, в котором и будут находиться все эти виды энергии в виде сжатого воздуха?



Снижение себестоимости

Чтобы новые установки были доступными самым широким слоям населения, они должны быть дешевыми. Само по себе создание гибридных систем является достаточно эффективным средством снижения себестоимости систем альтернативной энергетики в целом.

Еще раз скажем, что дешевле и проще в одной установке собирать энергию от самых различных источников, нежели на каждый вид энергии делать свою установку, которая сначала будет преобразовывать эту энергию в электричество, а затем это электричество будет где-то собираться и накапливаться в аккумуляторах.

Преобразование в электричество приводит к неизбежным потерям и в электрогенераторе, преобразователе и аккумуляторе. К тому же, чтобы установить электрогенератор в морскую или речную воду, его нужно очень тщательно защитить от попадания соли и влаги, а это непростая и дорогостоящая задача. С пневмокомпрессором таких проблем не возникает. Его не нужно ни от чего защищать.

Если вода или влага и попадут в пневмокомпрессор, то они будут скапливаться в дренажной системе и никоим образом не повлияют на работу системы в целом. Кроме того, электрогенератору, для того чтобы он начал действовать, нужна определенная скорость, а для работы пневмокомпрессора вполне достаточно, чтобы скорость была просто больше нуля.

Так, например, ветрокомпрессор, в отличие от ветрогенератора, начинает производить энергию уже после того, как ветроколесо начнет вращаться. Что касается стоимости агрегатов, то пневмокомпрессор на порядок дешевле электрогенератора аналогичной мощности.

Если учесть еще и то, что для привода ветрокомпрессора можно использовать и возвратно-поступательное движение, то от дорогостоящего ветроколеса можно будет вообще отказаться и заменить его ветропарусом - который под воздействием ветра будет создавать колебательные движения.



Нужны ли новые детали?

Следующим путем снижения себестоимости установок является создание стандартных модулей и агрегатов, из которых и будет собираться система в целом, в зависимости от ее назначения.

Еще эффективнее в качестве этих модулей и агрегатов применять серийно выпускаемые узлы и детали машиностроительного производства. Так, например, двигатель внутреннего сгорания после небольшой доработки может работать как пневмонасос, как пневмодвигатель или как паровой двигатель.

Насос стеклоочистителя вполне можно использовать для циркуляции теплоносителя в солнечном коллекторе, а автомобильный компрессор может работать совместно с ветроколесом. Из водяного вентиля можно сделать регулируемый пневмоклапан, а из автомобильного радиатора можно сделать опреснитель морской воды.

И еще очень многое можно сделать, используя стандартные узлы и детали машиностроительного производства. Тем более что эти узлы и детали уже отработаны, испытаны и проверены. Их стоимость значительно дешевле, нежели аналогичные изделия, сделанные на заказ.

Если же применять детали и узлы со списанного оборудования, то они получатся чуть ли не бесплатными. Многие из них вполне смогут еще работать десятки лет в системах альтернативной энергетики и приносить прибыль.



Наборы устройств

Можно предложить следующие стандартные наборы агрегатов альтернативной энергетики:

а) Для преобразования источников альтернативной энергии в механическую или тепловую энергию:
1. Солнечный коллектор. 2. Концентратор солнечной энергии. 3. Соляной пруд. 4. Водяное колесо. 5. Гидротурбина. 6. Ветроколесо. 7. Ветропарус. 8. Тепловой двигатель. 9. Поплавковый привод морской волны. 10. Гидродинамический привод морской волны.

б) Для передачи механической или тепловой энергии:
1. Механический привод. 2. Электропривод. 3. Пневмопривод. 4. Гидропривод. 5. Теплоноситель. 6. Тепловая трубка. 7. Световод.

в) В качестве исполнительных агрегатов:
1. Электрогенератор. 2. Пневмонасос. 3. Гидронасос. 4. Пневмодвигатель. 5. Гидродвигатель. 6. Радиатор. 7. Теплообменник. 8. Гидродинамический теплогенератор. 9. Холодильный компрессор. 10. Холодильный агрегат абсорбционного типа. 11. Опреснитель.

Агрегаты, перечисленные в этих пунктах, можно сконструировать в виде стандартных модулей или блоков. В результате из одних и тех же устройств, применяя их в различном сочетании, можно будет изготавливать сотни конструкций самого различного назначения для решения самых различных задач.



Используем ландшафт

Рациональное использование ландшафта местности и ее климатических условий также является очень существенным условием снижения стоимости систем альтернативной энергетики в целом.

Так, например, если на небольшом удалении от берега океана имеется выступающая скала, то на ее вершине можно будет установить ветроустановку, в центральной части можно разместить солнечные агрегаты, а у поверхности воды - гидродинамический и поплавковый генератор волны.

В подводной части скалы можно будет установить генератор для приливов/отливов или морских течений. Ну а на самой глубине - водозабор холодной морской воды, которая понадобится для повышения эффективности работы теплового двигателя, холодильной установки или опреснителя.

Если при этом гибридная система настроена на получение электроэнергии, то от скалы до берега нужно будет проложить электрокабель; если же она настроена на получение сжатого воздуха или водорода, то вместо электрокабеля нужно будет проложить трубопровод.

Генераторы морских волн или речных течений можно также встраивать в пристани, защитные сооружения или волнорезы. Это также является существенным способом снижения стоимости систем.



Как добыть пресную воду

Гениальный опреснитель, работающий на альтернативной энергии, изобрела сама природа.

Дождь и снег образуются из влажного воздуха при наличии разности температур. Лед - при наличии минусовой температуры.

Задача изобретателя сводится к тому, чтобы создать эти условия в нужном месте, сконструировать опреснительную установку как можно меньших размеров и как можно более дешевую. Эта задача вполне решается при помощи гибридных систем.

Морская или минерализованная вода заливалась в мелкий бассейн с теплоизоляцией и гидроизоляцией. При солнечной погоде вода из бассейна испарялась, а образующиеся водяные пары конденсировались на наклонной стеклянной крыше. Капли дистиллята стекали в наклонный желоб, по которому этот дистиллят попадал в накопительную емкость.

Для нагревания от 20 до 50 °С одного литра воды и ее испарения нужно затратить около 2,4 МДж теплоты, или 670 кВт-ч на 1 кубометр воды. В течение летнего солнечного дня на 1 квадратный метр поступает около 20 МДж солнечной энергии. При КПД = 0,36 солнечного опреснителя за день испаряется слой воды толщиной около 3 миллиметров.

То есть солнечный опреснитель бассейнового типа может производить с одного квадратного метра примерно 3 литра пресной воды в сутки. Для создания индивидуальных опреснительных установок 8-10 литров в сутки такой производительности вполне достаточно.

Вода, получаемая из опреснительных установок, обеззараживается, а стало быть, индивидуальные солнечные опреснители, при их массовом использовании, будут к тому же способствовать сокращению числа вирусных заболеваний.

Однако производить опреснители бассейнового типа большей производительности нецелесообразно. Они занимают очень много места, дорого стоят и достаточно трудоемки в их обслуживании. К тому же опреснители данного вида работают только лишь при наличии Солнца, а при его отсутствии вся эта конструкция просто бесполезна. Кроме того, этому опреснителю нужно регулярно промывать крышу, а это тысячи квадратных метров стекла.



Эффективный круговорот

Все эти недостатки можно устранить, если создавать опреснители с применением гибридных систем. При этом задача получения пресной воды значительно упрощается, удешевляется и становится намного эффективней. Здесь ничего промывать не надо. Такой опреснитель можно вообще на полгода оставить где-нибудь в пустыне для орошения.

Чтобы имитировать круговорот воды в природе, следует решить три задачи:

1. Нагреть морскую воду. 2. Получить влажный воздух. 3. Охладить влажный воздух.

Для нагревания морской воды можно применить солнечный водонагреватель, гидродинамический теплогенератор с пневмоприводом, соляной пруд или геотермальный источник. Все эти источники могут работать последовательно, поэтапно повышая температуру морской воды, или же могут суммировать свое тепло в многоконтурном теплообменнике.

Для получения влажного воздуха можно использовать стандартные электромеханические разбрызгиватели с приводом от солнечных батарей. Но поскольку гибридные установки производят сжатый воздух, то лучше всего применять готовые пневмораспылители - из числа тех, которые широко используются в строительстве и сельском хозяйстве.

Для получения холода можно использовать окружающий воздух, холодную воду с близлежащих водоемов или поднятую с глубины холодную морскую воду. Можно использовать и холодильные абсорбционные установки, работающие на солнечной энергии, или же холодильные компрессоры, работающие от сжатого воздуха.

Для достаточно эффективного охлаждения можно применить и градирню, в которой либо вентилятор работает на солнечных батареях, либо обдув производится сжатым воздухом от самой системы.

Все эти источники холода могут также работать совместно, поэтапно понижая температуру теплоносителя. Полученный холод можно аккумулировать в емкости с тепловой защитой. Там, где есть большой перепад температур в дневное и ночное время, аккумулировать ночной холод просто необходимо.



Новые конструкции

Решив все три условия для получения пресной воды, можно перейти и к созданию конструкции самого опреснителя. Наиболее простая конструкция такова: в замкнутом объеме распыляется нагретая морская вода; влажный воздух конденсируется на трубках с холодным теплоносителем, установленных в верхней части, а образовавшийся конденсат будет стекать в емкость по наклонным желобам.

Производительность тут уже зависит не от размера установки, как в случае с опреснителем бассейнового типа, а от поверхности теплообмена и разности температур. Для увеличения поверхности теплообмена можно применить оребренные трубки или же установить вместо них автомобильный радиатор. При этом производительность опреснителя увеличится, а габариты останутся теми же самыми.

Гораздо большей производительности опреснителя можно достигнуть, если влажный воздух принудительно продувать через охлаждающую систему. Например, при температуре воздуха 25 °С, влажности 100 процентов и температуре охладителя 15 °С плотность насыщенного пара составляет 23 грамма на кубометр и 12,8 грамма на кубометр соответственно. То есть из 1 кубометра можно извлечь 10,2 грамма пресной воды.

Все предложенные схемы опреснителей можно собрать из готовых стандартных изделий, которые в большом количестве производят различные машиностроительные предприятия.

Олег ТАТАУРОВ