 Журнал "Магазин свет"
|
|
ПодпискаПопулярные статьи Освещаем меховой салон класса «люкс»  Светодиодные лампы T8 — шаг вперед или компромисс?  Инго Маурер: «Я не изменил свое отношение к светодиодам» |
Автономное уличное освещение: мечты и реальность
Во многих странах для освещения улиц и даже магистралей используют светильники на солнечных батареях. Но в России дело пока не пошло дальше декоративного освещения. Одна из причин – в нашем климате, с малым количеством солнечных дней в году. Выходом может быть совместное использование энергии ветра и солнца. Для этого на мачту светильника, кроме солнечной батареи, устанавливается и ветрогенератор. При хорошей погоде большую часть энергии дает солнце, при плохой – воздушные потоки. Мало того, ветры дуют не только днем, но и ночью, что позволяет практически круглосуточно заряжать аккумулятор. Вертикальная или горизонтальная ось?
Устройство для превращения кинетической энергии поступательно движущегося воздушного потока в механическую энергию вращения вала ветродвигателя называется ветроколесом. Ось вращения ветроколеса может быть расположена как вертикально, так и горизонтально. Наибольшее распространение получили ветряки с горизонтальной осью. Главный недостаток таких устройств — необходимость ориентации «колеса» по ветру. В маломощных ветряках «колесо» с генератором свободно поворачиваются в горизонтальной плоскости и ориентируются при помощи хвостового оперения. Более мощные системы используют для ориентации по ветру моторы, управляемые весьма сложной электроникой. Преимущество ветряков с вертикальной осью — отсутствие необходимости ориентировать их по ветру. До недавнего времени ветровое колесо в такой установке не могло само начать вращаться от движения воздушных масс, нужно было предварительно его раскрутить. Для этого на короткий промежуток времени электрический генератор включается в режиме электродвигателя. Сейчас уже созданы ветряки, лишенные данного недостатка. Ветрогенераторы с вертикальной осью (иногда их называют «вертикально осевые ветрогенераторы») вызывают большой интерес у специалистов, однако пока их широкое распространение сдерживается сложностью конструкции. Их использование выгодно при выработке электроэнергии для группы светильников, но для установки на одном светильнике они не подходят. В дальнейшем под ветрогенератором мы будем подразумевать систему с горизонтальной осью. Расчет мощности ветрогенератораМощность, которую дает ветрогенератор, определяется скоростью ветра, а также площадью ометания (т.е. площадью геометрической фигуры, которую «рисуют» вращающиеся лопасти ветроколеса). В установившемся режиме мощность не зависит от количества лопастей. Мощность идеального ветрогенератора вычисляется по формуле: P=0,5QSоV3СpNgNb, где Q — плотность воздуха, равная 1,23 кг/м3, Sо — площадь ометания, V — скорость ветра, Cp — коэффициент использования энергии ветра, зависит от конструкции ветряка, Ng — КПД электрогенератора, Nb — КПД мультипликатора (о том, что это за узел, пойдет речь дальше). У идеального ветряка Cp составляет 0,593, в реальности при грамотном проектировании может достигать 0,35 – 0,45. КПД электрогенератора лежит в пределах 0,6 – 0,8. Мультипликатор имеет КПД 0,7 – 0,9.  Мощность ветрогенератора в установившемся режиме не зависит от числа лопастей
Исходя из приведенной выше формулы следует, что, чем больше скорость ветра, тем больше мощность ветряка. Но это имеет отношение только к механической мощности. Что касается электрогенератора, то у него есть оптимальное значение скорости вращения ротора, при превышении которого мощность начинает падать. Номинальная скорость ветра — это скорость, при котором мощность электрогенератора максимальна. Соответственно, мощность, выдаваемая ветрогенератором при такой скорости, называется номинальной (хотя фактически речь идет о максимальной мощности). От количества лопастей, их формы и площади зависит такой параметр ветряка, как быстроходность. Она равна отношению линейной скорости концов лопастей к скорости ветра. Обычно значение быстроходности лежит в пределах 2 — 10. При большом значении быстроходности ветряк частота вращения вала велика, но крутящий момент мал. И, наоборот, при малом значении быстроходности ветряк крутится медленно, но имеет большой крутящий момент. Это сказывается на легкости запуска ветряка. Как правило, чем выше быстроходность, тем выше коэффициент использования энергии ветра. Таким образом, при проектировании ветряка важно найти оптимальное значение быстроходности, чтобы, с одной стороны, ветряк достаточно легко запускался, а, с другой стороны, эффективно использовал энергию ветра. Конструкция ветрякаСкорость вращения самых быстроходных ветровых колес не превышает 400 об/мин. В то же время, в ветряках используются электрогенераторы, для эффективной работы которых нужна скорость вращения не менее 1000 об/мин. Повышение скорости вращения осуществляется при помощи механического устройства, именуемого мультипликатором. Его не используют лишь в маломощных моделях ветряков, где можно поступиться КПД электрогенератора во имя удешевления всей конструкции. 
Электрогенератор с мультипликатором
В ветряке к электрогенератору подключается контроллер, стабилизирующий напряжение и управляющий подачей энергии на аккумулятор. Контроллеры для ветрогенераторов, как правило, имеют дополнительный вход для подключения солнечных батарей. Если аккумулятор полностью заряжен, а нагрузка отсутствует, то контроллер подключает к электрогенератору балластное сопротивление. Совсем без нагрузки ветрогенератор использовать нельзя, поскольку тогда скорость вращения ветрового колеса может стать недопустимой, что в итоге приведет к разрушению устройства. Но даже если подключена нагрузка, при очень сильном ветре также возможно разрушение генератора. Когда скорость ветра превышает допустимый предел, работа устройства прекращается и срабатывает система защиты. В маломощных генераторах просто тормозится ветроколесо, в более мощных системах ветроколесо вместе с хвостом принимает вертикальное положение. Аккумулятор выполняет роль буфера, сглаживающего колебания выходной мощности генератора. Преобразование постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В осуществляется инвертором. Светодиодный светильник можно питать от 12 В без инвертора, напрямую, что удешевляет устройство и упрощает его эксплуатацию. Наиболее подходят для использования в ветрогенераторах так называемые гелевые аккумуляторы (в литературе их часто ошибочно называют гелиевыми, что неверно, поскольку названы они в связи с использованием в них геля, а не газа гелия). Принцип работы гелевых аккумуляторов аналогичен хорошо известным свинцово-кислотным аккумуляторам, только вместо жидкого электролита используется гель. В результате аккумулятор не требует обслуживания, а, именно, периодического подливания дистиллированной воды. Срок службы гелевого аккумулятора достигает 12 лет. Он способен работать при температурах до -40C. Стоимость оборудованияВетрогенератор с номинальной мощностью 300 Вт стоит в России около 20000 руб, 1 кВт — 40000 руб. К ветряку и электрогенератору с контроллером потребуется еще и гелевый аккумулятор емкостью 120 Ач, стоимость которого составляет около 20000 руб. Итого, при выходном напряжении 12 В стоимость комплекта оборудования будет около 48000 руб. Для подачи в нагрузку переменного тока с напряжением 220 В потребуется инвертор стоимостью около 10000 руб. Для сравнения, солнечная батарея мощностью 0,3 кВт с контроллером стоит около 45000 руб, 1 кВт — около 150000 руб. Расходы на аккумулятор и инвертер будут теми же. Отсюда следует вывод, что стоимость оборудования в пересчете на 1 Вт мощности у ветрогенератора значительно ниже, чем у солнечной батареи. Поэтому основной упор должен делаться на ветряк, а солнечные батареи должны обеспечивать минимальную мощность для подзарядки аккумулятора в период длительного штиля. ВандалоустойчивостьПоскольку фонари с ветрогенераторами зачастую устанавливаются в удаленных местах, встает вопрос вандалоустойчивости. Проще говоря, что произойдет, если хулиганы или злоумышленники закидают устройство камнями? Сравним по этому параметру солнечную батарею мощностью 430 Вт и комбинацию ветряк 300 Вт + солнечная батарея 130 Вт. Стоимость солнечной батареи 430 Вт составляет около 64000 руб. Она состоит из 2 – 4 отдельных модулей. При попадании камня большого размера (такого, который разбивает защитное стекло) в модуль он выходит из строя и подлежит замене. В наихудшем варианте все модули выходят из строя, т.е. ущерб составит те самые 64000 руб. При «обстреле» камнями ветряка у него могут сломаться или погнуться лопасти. Даже если испорчена одна лопасть, придется менять и другие, поскольку лопасти должны быть из одного комплекта, чтобы при вращении не возникало биений. Комплект новых лопастей для 300-ваттного ветрогенератора стоит около 6000 руб. Солнечная батарея на 130 Вт стоит около 17000 руб. Итого максимальный ущерб, который могут принести хулиганы, составит 23000 руб. То есть ветряк значительно превосходит по вандалоустойчивости солнечные батареи. Elgo Sunwind
В качестве примера рассмотрим установку Elgo Sunwind. В ней для получения электроэнергии используются ветряк с диаметром ветрового колеса 1,38 м, дающий номинальную мощность 300 Вт, а также солнечная батарея с максимальной мощностью 130 Вт. Минимальная скорость ветра составляет 2,5 м/с, номинальная — 10 м/с, максимальная — 50 м/с. Электроэнергия накапливается гелевым аккумулятором емкостью 120 Ач. Высота мачты — 7,2 м. Выработанная и накопленная электроэнергия поступает на светодиодный светильник. Поскольку напряжение питания светильника 12 В, то инвертер не требуется. Выпускается 4 модели, различающиеся мощностью светильника: Sunwind 10 — 21 Вт, Sunwind 20 — 31 Вт, Sunwind 30 — 41 Вт, Sunwind 40 — 51 Вт. Световой поток лежит в пределах от 1200 лм до 7200 лм, в зависимости от модификации. Аппаратура способна работать в диапазоне температур от -30 до +40 C. Elgo Sunwind автоматически включает освещение при наступлении темноты, а на рассвете автоматически его выключает. Хватит ли энергии?Возможность установки светильника с питанием от ветряка и солнечной батареи зависит от следующих факторов: распределения скоростей ветра, уровня солнечной радиации и продолжительности освещения в ночное время. Под распределением скоростей подразумевается соотношение между промежутками времени, когда дуют слабые, средние и сильные ветры, а также средняя скорость ветра. Этот показатель не зависит напрямую от географической широты, а определяется множеством факторов. Даже если есть данные по конкретному региону, в пределах его распределение скоростей ветра может радикально различаться. Например, в крупных городах средняя скорость ветра ниже, чем в малых городах и селах. В приморских регионах средняя скорость ветра выше, чем в центральной России, что, кстати, и обуславливает размещение рядом с морем крупных ветроэлектростанций. Уровень солнечной радиации частично связан с географической широтой, однако, он определяется и климатическими условиями. Наконец, продолжительность освещения в ночное время напрямую связана с географической широтой. При реализации крупных проектов в области ветроэнергетики на предполагаемое место установки будущего ветряка, на ту же высоту устанавливают мини-метеостанцию, собирающую данные в автоматическом режиме. Измерения ведутся 2 – 3 месяца, на основании полученных данных делается вывод о возможности установки ветряка.  Elgo Sunwind – установка, использующая для освещения энергию ветра и солнца
Если установить метеостанцию нет возможности, дается приблизительная оценка на основании расчетов. Наиболее сложный месяц для подобного светильника — январь. С одной стороны, в этот месяц солнечная радиация сводится к минимуму. С другой стороны, продолжительность искусственного освещения достигает пика. В качестве примера рассмотрим установку Elgo Sunwind. Представим формулу расчета мощности в виде: P = kV3, где k – некоторый коэффициент, характеризующий ветрогенератор. Известно, что при номинальной скорости ветра V=10 м/с мощность равна P = 300 Вт. Отсюда, решая уравнение, получаем k = 0,3. Для точного расчета мощности, даваемой ветрогенератором, необходимо знать значения скорости ветра в каждый момент времени. Но для приблизительной оценки можно воспользоваться упрощением: Pв≈ kVср3, где Pв — средняя мощность, которую дает ветрогенератор, Vср – средняя скорость ветра. По данным исследований компании GE, такое упрощение может дать завышение результатов по сравнению с реальной ситуацией не более чем на 30%. В результате получаем оценку по нижней границе для Elgo Sunwind: Pв= 0,3Vср3/1,3 = 0,23Vср3, а энергия за сутки: Wв= 0,23Vср3*24 ч Мощность, которую дает солнечная батарея, может быть рассчитана по следующей формуле: Wс = NcEcS/30, где Nc — КПД солнечной батареи, Ec — солнечная энергия на 1 кв. м за месяц, S — эффективная площадь солнечной батареи, 30 — количество дней в месяце (округленно). Для рассматриваемой установки примем S = 1 кв. м, Nc = 0,2. В течение дня энергия накапливается в аккумуляторе. При наступлении темноты включается светильник и начинается расходование энергии. Предполагается, что автоматика настроена таким образом, чтобы включать и выключать свет в соответствии с действующими в России «Методическими рекомендациями по определению стоимости эксплуатации объектов уличного освещения». Если время работы светильника от энергии, полученной за сутки, превосходит рекомендуемое время освещения, то установка подходит для данной местности. Приняв КПД системы из аккумулятора и контроллера равным 0,8, получаем максимальное время работы светильника: t = 0,8 (0,23Vср3 * 24 ч+NcEcS/30) / P, где P — мощность, потребляемая светильником. Максимальное время работы светильника в разных городах России, часов в сутки
Из расчетов ясно, что для Петрозаводска установка Sunwind в любых модификациях не подходит. В Москве будет нормально работать только Sunwind 10. Но, если рассматривать дальнее Подмосковье, где гуляют более мощные ветра, а, именно, Каширу, то там нормально будут работать все варианты Sunwind. Самый мощный вариант Sunwind 40 использовать там все же не рекомендуется, поскольку он идет «на пределе», а ведь система должна еще накапливать энергию на случай нескольких дней подряд без солнца и ветра. В Сочи возможна установка только маломощных вариантов светильника. Однако если допустить, что светильник будет работать не в соответствии с «Методическими рекомендациями по определению стоимости эксплуатации объектов уличного освещения» (например, он установлен на частном участке, владельцу которого нужно освещение только вечером), то география его применения и диапазон мощностей могут быть расширены. ВыводыДля использования в большинстве регионов России, кроме самых северных, подойдет установка Elgo Sunwind 10. Ее возможностей достаточно, например, для освещения части территории перед домом. Использование моделей Sunwind 20 и Sunwind 30 возможно при средней скорости ветра, превышающей 5 м/с. Использование Sunwind 40, позволяющей освещать автомобильные дороги, требует исследования силы ветра в точке, где она будет установлена, поскольку у нее малый запас на случай отсутствия ветра. Читайте также:Комментарии к статье «Автономное уличное освещение: мечты и реальность».
|
;)
;)
|
|