Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №3 Сентябрь 2006 / Статьи и обзоры оборудования

Как наладить производство гибридных систем альтернативной энергетики

1. Общие сведения о гибридных системах альтернативной энергетики

1.1. Альтернативная энергия от различных источников, энергии Солнца, ветра, морской волны, приливов и отливов, энергии рек и прочих источников может суммироваться при помощи гибридных систем альтернативной энергетики и работать на общую нагрузку.

Идея сложения состоит в том, что энергия от различных источников преобразуется в энергию сжатого воздуха. После чего, сжатый воздух, полученный от различных установок, поступает в общую магистраль. На выходе магистрали сжатого воздуха 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.

Сам по себе сжатый воздух может быть использован для работы станков и инструментов, может быть использован для работы гидронасосов, а также для работы самых различных агрегатов.

1.2. Предположим, нам нужна установка, которая сможет суммировать энергию ветра и энергию морской волны, после чего эту суммарную энергию нужно будет преобразовать 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 от 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 установка будет работать на энергии ветра.

1.3. Приведенная в качестве примера установка помимо энергии ветра и морской волны может получать и суммировать энергию и от других источников. Например, от энергии солнца, энергии реки, геотермальной и прочих видов энергии. То есть, источников энергии может быть много, а установка всего одна. Основная идея создания гибридных систем альтернативной энергетики и заключается как раз в том, чтобы сконцентрировать в себе 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 излишним.

1.4. Для большей убедительности всего вышеизложенного 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 м 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. Можно использовать в качестве источника энергии и глубоководные морские течения, и разницу температуры между верхними и нижними слоями морской воды. Делать на каждый вид энергии по отдельному агрегату конечно же можно, только спрашивается зачем? Тем более, когда 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.

2. Снижение себестоимости установок альтернативной энергетики

2.1. Чтобы установки альтернативной энергетики были доступными самым широким слоям населения и чтобы они пользовались спросом, они должны быть дешевыми.

Само по себе создание гибридных систем альтернативной энергетики является достаточно эффективным средством снижения себестоимости систем альтернативной энергетики в целом.

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

Если учесть 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.

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

Еще лучше, если 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, из автомобильного радиатора можно сделать опреснитель морской воды. В общем, еще очень многое чего можно сделать, используя стандартные узлы и детали машиностроительного производства. 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 совсем бесплатными. Многие из них вполне смогут еще работать десятки лет в системах альтернативной энергетики и приносить прибыль.

2.3. Для создания стандартного набора агрегатов альтернативной энергетики можно было бы предложить следующие устройства:

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 п. а), б) и в) можно сконструировать в виде стандартных модулей или блоков. В результате этого, из одних и тех же агрегатов, применяя их в различном сочетании, можно будет изготавливать сотни различных конструкций самого различного назначения и решать самые различные задачи.

2.4. Рациональное использование ландшафта местности и ее климатических условий также являются 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 будет разместить солнечные агрегаты, у поверхности воды разместятся гидродинамический и поплавковый генератор волны. В подводной части скалы можно будет установить генератор приливов и отливов или морских течений. Ну а в самой глубоководной части следует установить 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.

3. Получение пресной воды при помощи гибридных систем альтернативной энергетики

3.1. Самый гениальный опреснитель, работающий на альтернативной энергии, изобрела сама природа.

Дождь и снег получаются из влажного воздуха при наличии разности температур. Лед получается 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 альтернативной энергетики.

3.2. Первый в мире опреснитель, имитирующий круговорот воды в природе, был построен на севере Чили еще в 1872 г. и в течение 36 лет снабжал пресной водой рудник, давая в день 20 м3 питьевой воды. Это была простая установка бассейнового типа, занимавшая площадь 4600 кв. метров, которая перерабатывала соленую и загрязненную воду. Морская или минерализованная вода заливалась в мелкий бассейн с теплоизоляцией и гидроизоляцией. При наличии солнца 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 1 кг или 1 л воды и ее испарения нужно затратить около 2,4 МДж теплоты или 670 кВт•ч на 1 м3 воды. В течение летнего солнечного дня на 1 м2 поступает около 20 МДж солнечной энергии, при КПД солнечного опреснителя 0,36 за день испаряется слой воды толщиной 3 мм. То есть, солнечный опреснитель бассейнового типа может производить с одного кв. метра примерно 3 литра пресной воды в сутки. Для создания индивидуальных опреснительных установок 8-10 л/сутки такой производительности вполне достаточно. Если стеклянную крышу заменить каркасом из прозрачной полиэтиленовой пленки, а днище бассейна застелить черной полиэтиленовой пленкой, то себестоимость такого индивидуального опреснителя при массовом производстве не превысит 25-30 долл. Производительность такого опреснителя можно увеличить в 1,2-1,5 раза, если его конструкцию дополнить отражателями (зеркалами). Вода, получаемая из опреснительных установок, обеззараживается, а стало быть индивидуальные солнечные опреснители при их массовом использовании будут еще способствовать сокращению числа вирусных заболеваний и эпидемий.

3.3. 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.

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 уже ничего промывать не надо. Такой опреснитель можно вообще на полгода оставить где нибудь в пустыне и пусть он там чего-нибудь орошает.

3.4. Итак, чтобы имитировать круговорот воды в природе, следует решить три задачи:

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

1а. 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.

2а. 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 пневмораспылители. Лучше всего применять готовые пневмораспылители из числа тех, которые широко используются в строительстве или в сельском хозяйстве.

3а. Для получения холода можно использовать окружающий воздух, можно использовать поднятую с глубины холодную морскую воду или же холодную воду с близлежащих водоемов. 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 вентилятор будет работать либо на солнечных батареях или же обдув будет производиться 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.

3.5. Решив все три условия для получения пресной воды, можно перейти и к созданию конструкции самого опреснителя. Наиболее простая конструкция опреснителя представлена на схеме 1.

В замкнутом объеме распыляется нагретая морская вода. Распылитель изображен в виде душа, (хотя на самом деле душ работать не будет, поскольку он сразу же засорится загрязненной соленой водой).

Влажный воздух будет конденсироваться на трубках с холодным теплоносителем, установленным в верней части, а образовавшийся конденсат будет стекать в емкость по наклонным желобам.

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

3.6. Гораздо большей производительности опреснителя можно достигнуть, если влажный воздух принудительно продувать через охлаждающую систему. Например, при температуре воздуха 25°С, влажности 100% и температуре охладителя 15°С, плотность насыщенного пара составляет соответственно 23 г/м. куб. и 12,8 г/м. куб. То есть, из 1 м. куб. можно извлечь 10,2 г пресной воды. Если воздух продувается через поперечное сечение 1 кв. м. со скоростью 1 м/с в течение 24 ч, то за сутки получится 800 кг воды. Если же температуру влажного воздуха увеличить с 25°С, до 40°С, то плотность насыщенного пара составит уже 50, 7 г/м. куб. и из 1 м. куб. можно будет получить уже 37,9 г. воды. То есть, производительность этой же самой установки увеличится в 3 раза. Оптимальный же вариант нужно выбирать экспериментальным путем на действующей модели, ибо расчетным путем можно получить только очень приблизительные результаты.

На схеме 2 изображена конструкция опреснителя, в котором влажный воздух принудительно откачивается пневмонасосом или вентилятором, после чего он подается в контур охладителя, где на выходе охладителя образуется конденсат.

На схеме 3 влажный воздух также принудительно откачивается, но только уже при помощи инжектора.

Сжатый воздух, проходя через сопло инжектора, охлаждается и охлаждает поступающий влажный воздух. Тем самым конденсат будет получаться уже на выходе из инжектора. Однако для большей эффективности на выходе инжектора можно будет установить и охладитель.

3.7. Надо отметить, что идеально чистую пресную воду можно получать и из влажного окружающего воздуха, разумеется в том случае если он есть. В этом случае простейший опреснитель будет представлять собой ветрокомпрессор, который будет через сопло пропускать сжатый воздух и выделять из него конденсат. Стойка ветрокомпрессора, выполненная в виде трубы, может быть использована в качестве емкости для сбора конденсата. Остается только лишь в нижней части стойки установить водяной кран и опреснительная установка готова.

3.8. В целом все предложенные схемы опреснителей можно собирать из готовых стандартных изделий, которые в большом количестве производят различные машиностроительные предприятия.

Если же в них и придется что нибудь доработать или переделать, то это все равно дешевле и проще, нежели разрабатывать и производить новую конструкцию с нуля.

4. Организация производства гибридных систем альтернативной энергетики

4.1. В большинстве случаев, вновь создаваемые системы альтернативной энергетики, быстрее и проще изготовить ввиде действующих моделей и провести их испытания, нежели заниматься разработкой проектов и изготовлением чертежей. Так, например, опреснитель, описанный в п. 3.6., можно собрать из готовых деталей в течение 2-3 дней, затратив на работу около 200 долларов. В то же самое время, для изготовления проекта этого опреснителя понадобится не менее полугода и не менее 20 тысяч долларов. Правда, перед тем как приступить к проекту, нужно еще подготовить бизнес-план и оформить очень много разных документов, а это уже шестизначные суммы. То, что этот проект в результате окажется работоспособным, гарантировать не может никто, а вот то, что денег как всегда не хватит, это гарантировать можно уже наверняка.

4.2. Смогли же великий Ньютон и Галилей совершить революционный переворот в науке без всяких там бизнес-планов, презентаций и прочей глупости. Почему же нельзя это сделать сейчас, пусть и не такое великое? Опытом наших великих предков было бы очень полезно воспользоваться при выборе места для производства новых систем альтернативной энергетики. В первую очередь, место для производства нужно выбирать там, где никто не мешает работать, и еще разумеется там, где есть максимальное количество источников альтернативной энергии. Разработчики должны иметь в своем распоряжении помещение 120-140 м кв. для хранения стандартных узлов и деталей и примерно такую же механическую мастерскую для сборки самих систем. Для производства опытных образцов и моделей этого вполне достаточно. При серийном же производстве систем, большие партии узлов и деталей, лучше заказать на соответствующих профильных предприятиях. Это будет и дешевле и проще.

Для определения минимальных затрат на производство нового изделия, нужно взять затраты на производство аналогичного изделия в Европе, затем эту сумму нужно поделить на 10 и к полученному результату прибавить накладные расходы и свою зарплату. Получившаяся сумма — это и есть минимальные затраты на производство.

4.3. Если разработчик, помимо минимальной суммы на производство, будет в последующем иметь свой процент от реализованной продукции или от выработанной энергии, то можно не сомневаться, что все его разработки будут самыми что ни на есть конкурентоспособными. Очень полезно подключить к этой работе специалиста, который будет заниматься сокращением себестоимости готовой конструкции или увеличением ее производительности за определенный процент. И уж совсем было бы хорошо, если бы в разработке нового изделия принимали участие несколько разработчиков одновременно, с выплатой соответствующего вознаграждения, за самую удачную конструкцию.

В целом, при таком творческом подходе, будут созданы именно те условия, при которых параметры разрабатываемых конструкций будут получаться самыми оптимальными, после чего можно будет под эти конструкции сделать и проект.

5. Популяризация систем альтернативной энергетики

5.1. Представьте себе плавучий ресторан, у которого платформа сделана в виде огромного морского кальмара, плавающего в открытом море. По краям платформы расположены экзотические щупальца с поплавками, которые получают энергию от морской волны. В центральной части установлена мачта, на которой вращается красочное ветроколесо. Повара готовят свои блюда на солнечных печах или на выработанном водороде. Часть морской воды, пройдя через опреснители, идет на приготовление напитков, которые потом охлаждаются в пневмохолодильнике. Другая часть опресненной морской воды, пройдя через солнечные коллектора, идет в бассейн и на кухню. Небольшая часть пресной воды поступает в оранжерею, где растут экзотические цветы и растения. Красиво? Конечно! И никакого тебе бензина и никакого электричества не надо. Если же еще и рыба будет за бортом ловиться, а один из опреснителей приспособить для изготовления горячительных напитков, тогда и поселиться можно будет на такой платформе, чем не экопоселение? Посетители, своими глазами увидевшие работу агрегатов и возможности систем альтернативной энергетики в целом, получат о ней куда большее представление, нежели в тысяче заумных журналов, которые, кстати, мало кто читает. После такого посещения, кто-то возможно захочет по такому же принципу, построить себе рыбозавод, а кто-то, возможно, надумает создать свою оранжерею на необитаемом острове. Все эти задачи становятся решаемы тогда, когда есть живой пример перед глазами. Если учесть то, что в качестве плавучей платформы можно использовать любое списанное судно, а все вышеперечисленные установки можно изготовить из стандартных узлов и деталей, то подобную конструкцию может позволить себе предприятие с достаточно скромным капиталом. В целом, это один из примеров того, как науку, бизнес и развлечение, можно объединить в единое целое. Здесь прибыль от развлечений идет на создание новых энергетических систем, энергетические системы будут привлекать клиентов, клиенты будут платить деньги, а деньги пойдут на новые развлечения. Так что все очень даже замечательно.

5.2. Для того, чтобы организовать аналогичное мероприятие на суше, нужно в различных зонах отдыха и на туристических базах сооружать развлекательные площадки. На этих площадках можно будет установить качели, карусели и прочие аттракционы, работающие от водяных или ветряных колес. Можно сделать красочные фонтаны, работающие на энергии морской волны. Можно будет изготовить и фигуры различных животных, которые будут двигаться с появлением солнечной энергии. Ну и конечно же, ко всему этому нужно будет добавить и солнечную кухню, потому как она в любом деле очень даже кстати. Главное здесь то, что это развлечение будет не только полезным, но и будет способствовать развитию и продвижению экологически чистых систем альтернативной энергии.

5.3. Сейчас, когда старшее поколение очень активно истребляет природные энергоносители, нужно бы в первую очередь подумать о молодом поколении, для которого альтернативная энергия может остаться в ближайшем будущем единственным видом энергии. С этой целью для молодежи следует создавать дома творчества, в которых они смогли бы самостоятельно учиться разрабатывать и создавать свои установки собственными руками. Если местные органы власти будут при этом предоставлять им конкретные производственные заказы, то такие дома творчества будут самоокупаемыми и создадут достаточно большое количество новых рабочих мест. Что же касается поколения самого младшего возраста, то для него можно наладить производство игрушек, так или иначе связанных с альтернативной энергией. Пусть развлекаются, а заодно и обучаются основам альтернативной энергетики.

6. Заключение

6.1. На сегодняшний день, в целом ряде стран достаточно эффективно действует дегенеративная система внедрения научно-технических разработок и изобретений. При такой системе судьбу новой разработки или изобретения решают финансисты, бухгалтеры или те, кто в этом деле просто ничего не соображает. Такая система, с одной стороны, является очень эффективным тормозом в развитии научно-технического прогресса, с другой стороны, она же является достаточно мощным стимулом для налаживания собственного производства в тех странах, где этой системы нет. Данная статья дает лишь некоторые рекомендации на предмет того, как можно наладить производство гибридных систем альтернативной энергетики на собственной территории, а также дает лишь только общее представление о гибридных системах вообще. Если только те немногие идеи, которые изложены в этой статье, начать реализовывать, то этой работой можно обеспечить инженеров, конструкторов, производителей на долгие годы вперед.

6.2. К подавляющему большинству так называемых производителей альтернативной техники сегодня нужно относится с большим чувством юмора. Процентов 90 из них и более не в состоянии предоставить ни технических характеристик своего изделия, ни графиков, ни расчетов. Больше половины сегодняшних производителей просто не способны ответить на самые элементарные технические вопросы, среди них немало и таких, которые не способны даже вспомнить адрес собственного производства.

Такая ситуация, конечно же, не может не радовать человека, решившего наладить собственное производство, поскольку еще раз убедительно доказывает, что системами альтернативной энергетики, кроме самой матушки-природы, пока что еще толком-то никто всерьез и не занимался, а потому и для изобретателей, и для ученых, и для конструкторов в этом направлении остается непочатый край работы. Остается пожелать им на этом пути удачи и успеха!

О. Л. ТАТАУРОВ,
эксперт «МЭИ-Интехэнерго».