СЛЪНЧЕВА АРХИТЕКТУРА. ЖИЛИЩЕ И ЕНЕРГИЯ

Слънчева архитектура.

Жилище и енергия

1.    Теория

Жилището е преграда, предназначена да промени температурата на околната среда преди тя да достигне до обитателите му. Температурата навън винаги е различна от тази, която обитателите желаят да се поддържа (около 20^oC) в помещенията.

         Максималното използване на енергията, независимо от това дали тя е слънчева от друг вид, може да се постигне, възползвайки се от  предимствата и недостатъците на сградата, ограничаване на превръщанията на енергия от един вид в друг, подобряване на изолацията и контролирана вентилация на помещенията с използване на отрадната топлина.

На фиг.1а е показана ниско енергийна къща с начина на изпълнение на изолацията под покрива, фиг.1б и на носещите стени, фиг.1в.

На фиг.1г е дадено изпълнението на външните стени с помощта на прозрачна топлинна изолация и ролетка защитаваща жилището през лятото от високи температури, а през зимата прозрачната топлинна изолация осигурява акумулиране на топлина в стените и топлоотдаване към вътрешността на сградата, което личи от разпределението на температурата през прозрачната изолация, стената и вътрешността на сградата.

        На фиг.2а е показан разрез на изолиран прозорец с двойно остъкляване и селективен отражателен слой, намаляващ загубите от излъчване на инфрачервеното лъчение от вътрешността на затопленото помещение .

          На фиг.2б е направено сравнение на инвестиционните разходи за обикновен (1), двоен (2) и остъкляване с изолация (3) и съответните разходи за отопление (в тъмно).

             Вентилация.

 Контролираното проветряване и вентилация е дадено на фиг.3а, без използване на отпадна топлина и използването и (фиг.3б).

Съществува голямо разнообразие от жилищни сгради от гледна точка на използваните материали, конструкция, архитектурни решения, технология на изграждане и изпълнение, поради което загубите на мощност през стените, вратите и прозорците са в широк диапазон.

Разликата между вътрешната и външната температури за дадена сграда обуславя загуби на енергия и мощност изразявана с величината W/m^2oC и зависеща от топлопроводността W/m^oC на стените и дограмата. Така, например, загубата на мощност през единичен прозорец е около 5,6W/m^2oC

     При двоен прозорец, в зависимост от изпълнението загубите са от 5,6 до 2,8 W/m^2oC, а за стени загубите са:

·         за стара сграда по стандарт загубите са 1 W/m^2oC;

·         стена с добра изолация  - 0,7 W/m^2оC;

·         добре изолиран под – 0,76 W/m^2o C.

Средната стойност на загубите за добре изолирани стени и прозорци е 1 W/m^2oC спрямо подовата площ.

Сега съществуват строителни изолации, които намаляват посочените стандартни норми няколко пъти.

С тези данни всеки може да оцени състоянието на изолацията на собственото си жилище или да направи изчисление за бъдещ строеж, в който да се създаде приятна и уютна атмосфера. Естественият въздухообмен в  помещенията, в нормални условия е веднъж на час. В ниските сгради, въздухообменът е два пъти по-малък от този с нормална височина. Обмяната на въздуха е съпроводена с значителна загуба на енергия.

В помещения с височина 2,8m, загубите при обмяна на въздуха веднъж на час са 0,93W/m^2oC за всеки квадратен метър от пода. За самостоятелна къща с добра изолация загубата на мощност е около 2,15W/m^2oC през стените и таваните и 1,86W/m^2oC при проветряване два пъти в час; за площ един квадратен метър от пода или общо 4W/m^2oC. При недобра изолация, загубата на мощност може да достигне 8W/m^2oC и повече до 100W/m².

Ясно е, че върху топлинния баланс, влиянието на загубите през стени, тавани и от проветряване е значително.

      При оценка на топлинния баланс на дадено жилище, освен обичайните източници на енергия и пасивното и активното използване на слънчевата енергия, трябва да се отчитат и допълнителните източници на енергия. Такива източници са: човешкото тяло, осветителните тела, използваната топла вода, телевизори, електродомакински уреди, готварска печка.

      От допълните източници на енергия може, например, да се получат следните количества енергии:

- от четирима обитатели с престой в жилището по 16 часа                                 – 4800Wh

- от осветителни тела с мощност 300 W работещи средно по 6 часа                   –1800Wh

- от други източници, например от използваната топла вода                              –5000Wh

- от телевизор (стар) и други                                                                                   – 1800Wh

- от електроуреди (фризери, хладилници) и други с обща мощност 250W за 24ч. – 6000Wh

- от готварска печка                                                                                                  – 4600Wh

- от пасивна слънчева енергия със средна мощност 100 W/m² през остъклени прозорци 10 m², поглъщана 12 часа                                                                                                  – 12000Wh

ОБЩО: 36000Wh

      Количеството енергия 36 kWh отделено в продължение на 24 часа е еквивалентно на постоянно включена мощност от 1,5kW. За по-подробно изчисление на загубите и на допълнителния приход на топлина е необходимо да са известни топлотехническите характеристики на жилището. Изчислявайки загубите за всеки месец от годината се съставя общият му енергиен баланс.

      За постигане на добри резултати, при създаване на уют в жилището е необходим подходящ избор на изолацията, на проветряването, отчитане на всички енергийни източници, а за максималното усвояване на слънчевата енергия трябва да се държи сметка за:

·         формата на сградата – кръгла или правоъгълна;

·         цвета на външните стени (черен, остъкляване);

·         за топлинният капацитет на сградата;

·         топлинната изолация и насочване на слънчевите лъчи към сградата;

·         вътрешното подреждане на помещенията.

Project 1: Build Your Own Flat Plate Collector

We are now going to make a flat plate collector. There are a number of different types of collector, all suitable for relatively simple manufacture in a home workshop. The key thing to remember about solar collectors is keeping the heat in and the cold out. This can be accomplished by using glazing on the sun-facing side of the panels and thermal insulation on the side that faces away from the sun. We need to try to
eliminate thermal bridges as far as we possibly can.

Aluminum clip fins are one of the easiest ways of assembling a solar collector quickly, as they essentially clip onto a matrix of copper pipe. Another way of constructing a solar collector is to use an old radiator painted black inside an insulated box—crude but effective! (Figure 2). This system contains more water, and as a result has a slower response time. This is because it takes more time to heat up the thermal mass of the radiator.

A home-made clip fin collector.Figure 2

            Warning.

One of the problems that solar collectors suffer from is freezing in the winter. When temperatures drop too low, the water in the pipes of the collectors expands—this runs the risk of severely damaging the collectors.

ЕНЕРГИЯ НА ВЪЛНИТЕ

ЕНЕРГИЯ НА ВЪЛНИТЕ

1. ВЪВЕДЕНИЕ.

Мощността, пренасяна от вълните в дълбоки води е пропорционална на квадрата на амплитудата и периода. Поради това най-голям интерес представляват дълговълновите вълни   с голяма амплитуда  . Те позволяват да се отнема от единица дължина на гребена средно 50÷70 kW/m.

Развитието на вълновата енергетика е свързано със значителни трудности, основните от които са:

1.    Вълните са нерегулярни по амплитуда, фаза и посока на движение. Конструирането на устройство за ефективно извличане на енергия при широк диапазон на вариране на величините е трудно.

2.    Винаги съществува вероятност от възникване на екстремални щормове и урагани с образуване на вълни с висока интензивност. Конструкциите на вълновите енергийни установки трябва да устояват при тези условия. Обикновено веднаж на 50 години възникват вълни с амплитуда, която превишава 10 пъти средната. Те създават 100 пъти по-високи натоварвания на конструкциите, които трябва да ги издържат.

3.    Пиковите стойности на мощността са присъщи на вълните в дълбоки води, идващи от открито море. Поради това възникват трудности по създаването на устройства за такива режими, обслужването им, стабилизацията в зададено положение, предаването на енергията на брега.

4.    Обикновено периодът на вълните е   s, т.е. честота  Hz. Достатъчно трудно е да се приспособи това нерегулярно бавно движение към генериране на електроенергия с промишлена честота (500 пъти по-висока).

5.    Изборът на устройство за преобразуване на енергията на вълните от всички съществуващи съоръжения е сложна, понякога непосилна задача.

6.    Психологичният фактор да се мисли за “голямата” енергетика на промишлено развитите райони води до създаването само на големи вълнови електростанции в места с високи вълнови потенциали. Съществуват тенденции да се игнорират зоните с умерен потенциал, където често се оказва икономически изгодно използуването на вълновата енергия.

Предимствата на вълновата енергия са:

-         достатъчно голяма концентрация;

-         достъпна за преобразуване;

-         прогнозируема в зависимост от климатичните условия;

-         запазване на потенциала при разпространение на големи разстояния – големите вълни по бреговете на Европа се зараждат в центъра на Атлантическия океан и дори в Карибския залив.

2. УСТРОЙСТВА ЗА ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА ЕНЕРГИЯТА НА ВЪЛНИТЕ.

Едновременно с изменение на нивото и наклона на повърхността на вълната се изменя кинетичната и потенциалната енергия и налягането под вълната. Устройствата, преобразуващи енергията на вълните, са разнообразни в съответствие с характерните величини, които определят работата им.

                  2.1. Устройства, следящи профила на вълната.

Устройството, разработено от Стефан Солтер от Единбургския университет, е наречено “патица” (фиг.1). Формата му осигурява максимално ефективно извличане на енергия от вълната, която навлиза от лявата страна и предизвиква колебателно движение. Цилиндричната противоположна страна осигурява липсата на вълна вдясно при колебания на патицата около оста О. Мощността се отнема от оста на колебателната система при условия на минимално отражение. Отражението и пропускането на енергия са незначителни (5%) и поради това устройството е с висока ефективност в широк диапазон на честотата на вълните (фиг.2). Развитието на тази конструкция е в посока на повишаване на ударната устойчивост и създаване на закотвена гирлянда от преобразователи като гъвкава линия. Предполагаемият размер на реалното устройство е 0,1.λ, което съответствува на 10 m за атлантически вълни от 100 m. Верига от “патици” с дължина няколко километра при установяване в подходящ район може да осигури обща мощност 100 MW.  

Фиг. 1 Патица на Солтер

             2.2. Колебателен воден стълб.

При постъпване на вълната върху частично потопената куха кула (фиг.3), отворена под водата, стълбът течност в кухината се разколебава, предизвиквайки изменение на налягянето на газа над течността. Кухината може да бъде свързана с атмосферата чрез турбина. Потокът може да се регулира така, че да преминава през турбината в една и съща посока или да се използува подходяща турбина (напр. на Уелс). 

Принципът на действие на същото устройство е показан на фиг.4. Основно предимство на такава конструкция е възможността да се регулира скоростта на въздуха и чрез дифузора да се повиши. Така се съчетава бавното движение на вълната с изискването за висока скорост на въртене на турбината и генератора. Освен това се отделя генераторът от зоната на действие на солената вода.

 2.3. Подводни устройства.

Предимствата на подводните устройства са във възможността да се избягнат щормовете и свързаните с тях механични проблеми.

 2.4. Системи с улавяне на вълните.

Схемите на тези устройства използуват явление, наблюдавано в природните лагуни. Вълната се разбива в пясъчния откос и водата се издига на височина, превишаваща средното морско ниво и запълва басейна. Водата може да се върне обратно през водна турбина. На фиг.5 е показана схема на електроцентрала за о-в Мавриций с мощност 20 MW. При специфична мощност 22 kW/m ефективността на такова устройство е над 30%. Необходимата дължина на преградата е 5 km.

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ХИБРИДНА СИСТЕМА ЗА ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА ЕНЕРГИЯ

ОБЩИ ПОЛОЖЕНИЯ

Последните няколко десетилетия се характеризират с доста сериозни енергийни проблеми. В периода на петролната криза цената на петрола претърпява резки промени и в същият период човечеството става свидетел на невъзвратими природни и ядрени катастрофи. От друга страна  непрекъснато нарастват производствените разходи за нуждите от електрификация на страните от третия свят. В крайна сметка светът осъзна големите екологични рискове от енергийната консумация. В този смисъл възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) предлагат изход, като перспективите са да заместят до колкото е възможно класическите източници на енергия.

Пространството около нас непрекъснато е пронизвано от енергийни потоци на различни източници.Така например, пълният поток на слънчевото излъчване, попадащо върху Земята, съставлява 1,8.10¹⁷   [W], т. е. на всеки човек се пада средно 30 [MW] мощност, което се равнява на мощността от десет големи дизел-генератора. Максималната плътност от този вид лъчение е около 1 [kW/m² ], което оказва въздействие върху проектирането и изграждането на слънчеви ел. установки и станции.

ВЕИ биват различни, основаващи се на два основни фактора: движението на планетите и слънчевото лъчение. Независимо от това, те се характеризират с определено качество – частта от източника, която може да бъде превърната в механична работа.

Приливите и отливите се дължат на гравитационното въздействие върху Земята на Луната и Слънцето. Средната мощ на приливната енергия е около 3.10¹²  [W]. За добив на енергия от този вид ВЕИ е необходима голяма амплитуда на прилива, респективно на отлива.

При морските вълни извличането на енергия е отдавна осъществим процес. Само, че за получаването на електрическа енергия по този метод са необходими определени райони с необходимата мощ на вълната. Този вид ВЕИ предполага известна неопределеност по отношение възможните въздействия върху околната среда на широкомащабен енергиен добив от вълните.

Геотермалната енергия се получава за сметка на разпад на радиоактивните елементи U²³⁵, U²³⁸, Th²³², K⁴⁰, като тези изотопи съществуват в различни концентрации и в разнообразни геоложки образования. Стойността на топлинният поток на повърхността на Земята е 0,068 [W/m² ].

Понастоящем невъзобновяемите (класическите) източници на енергия са основни за производството на електричество в света. Анализите в темповете на нарастване световното потребление на енергия за последните 50 години показват, че нефтът, земният газ и уранът ще посрещнат нуждите от енергия, докато употребата на въглища се увеличава слабо. Прогнозите сочат, че залежите от нефт и земен газ ще се изчерпят след 40 години. Това е най-съществената причина за търсене на нови, алтернативни енергийни източници. Друга причина е влошаващата се екологична обстановка от употребата на изкопаеми горива, също така и потенциалният риск, който съществува при атомните електроцентрали. Не на последно място са и политико-икономическите фактори, т.е. зависимостта на страните, бедни на изкопаеми горива и от техния внос.

ВЕИ са напълно чисти и безвредни за околната среда, не изискват специално добиване и имат повсеместно разпределение. Техни недостатъци са непостоянният им и периодичен характер, ниската им енергийна плътност и все още високата им себестойност, която постепенно намалява.

Слънцето се състои главно от атомен водород с неголям примес на хелий. Източник на енергия се явява превръщането на водорода в хелий чрез термодинамични процеси в централната част на Слънцето при температура около 13 милиона Келвина (13.10⁶ К) и налягане 20 хиляди терапаскала (20.10¹⁵ [Pa]). Лъчистият поток на повърхността на Слънцето е 60 [MW/m² ], а по горната повърхност на атмосферата  - 1,4 [kW/m² ] стойност, известна като слънчева константа. Около 1/3 от фотонното излъчване се отразява в атмосферата и не взима участие в процесите на Земята. По-малко от половината от идващия поток се поглъща от земната повърхност и се превръща в топлина. Около 1/5 се поглъща от атмосферата и предизвиква създаването на вятър.

В зависимост от качеството на енергийният източник ВЕИ се разделят на три групи.

Източници на механична енергия – хидро- и ветроизточници, енергия на вълните и приливите. Като цяло тези източници притежават високо качество и се използват масово за преобразуване в електрическа енергия. КПД на ветрови съоръжения обикновено е от порядъка на 30 %, на хидроенергията – 60%, вълновата и приливно-отливната енергия – 75 %.

Топлинни възобновяеми източници са топлинната енергия на Слънцето и биогоривото. За съвременните топлинни установки и централи КПД на тези източници представлява около 35 %.

ВЕИ на основата на фотонни процеси – фотосинтез и фотоволтаична енергия, притежават свойството да преобразуват слънчевата енергия само в определен честотен спектър, а не в целия диапазон на излъчване. Това предопределя и по-ниският им К.П.Д. Освен това, при фотоволтаичните преобразуватели негативна роля играе и повишаването на температурата на повърхността на преобразувателя, което допълнително понижава качеството на източника. Тези ВЕИ преобразуват около 10 ¸ 15 % и този К.П.Д. се счита за добър.Теоретично максималният К.П.Д. за тези източници е до 40 %.

Нито един от ВЕИ не може да бъде универсален, т.е. подходящ за използване в коя да е ситуация. Затова енергията на възобновяемите източници трябва да бъде ориентирана преди всичко върху местните природни особености и съответно обществените потребности. В зависимост от тези особености биха могли да се комбинират няколко източника за добиване на ел. енергия и топлина. Например, немалко са местата, където може да се впрегне ветровата в паралел със слънчевата енергия. От практическа и целева гледна точка се налага изграждането на такива съоръжения така, че да се използват пълноценно природните дадености за добиването на електроенергия. Това може да се постигне чрез т. нар. “хибридни системи”, които са едно алтернативно решение на проблемите от икономическа и екологична гледна точка.

І.1. Източници на енергия

Генераторите на електрическа енергия  могат да се класифицират по следния начин:

І.1. А. Физико – химични генератори

1. Батерии (сухи) – характерното за тях е, че имат голямо бъдеще и намират все по-широко приложение в различни съвременни апарати и устройства;
2. Пиезоелектрически генератори;
3. Термодвойки;
4. Акумулатори;
5. Слънчеви клетки и генератори и
6. Горивни клетки.

І.1.Б. Електромеханични генератори

а) Генератори за постоянен ток:

1. Генератор с независимо възбуждане (електромагнитно или с постоянни магнити);
2. Генератор с паралелно възбуждане;
3. Генератор с последователно възбуждане;
4. Генератор със смесено възбуждане и
5. Електромашинен усилвател (специална машина с надлъжно и напречно поле).

б) Синхронни генератори  (с независимо възбуждане или със самовъзбуждане) и

в) Асинхронни генератори.

            Електромеханичните генератори – тяхното устройство, принцип на работа, електромагнитни процеси, характеристики и теория са изучавани в курсовете по електрически машини.

І.2. ХИБРИДНИ СИСТЕМИ ЗА ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА СЛЪНЧЕВА И ВЕТРОВА ЕНЕРГИИ В ЕЛЕКТРИЧЕСТВО

І.2.А. Преобразуване на слънчева енергия в електричество

Преобразуването на слънчевата енергия в електричество се извършва чрез фотоволтаични (PV) системи. Фотоволтаични (PV) системи за захранване с електроенергия на хижи, отделно стоящи къщи, фарове и други биха могли да намерят приложение в България. Предполага се, че в страната към 2020 г. ще се монтират общо 500 броя слънчеви модули 30х48W с площ 10,8 m² всеки и производство на променлив ток 4000 Wh на ден.

       Основният елемент на PV системите е фотоволтаичния генератор. Той се състои от фотоволтаични модули свързани помежду си, които осигуряват получаването на постоянен ток (фиг. 1).

Модулът е базовият конструктивен елемент на PV генератора. Като структура фотоволтаичният модул е съставен от монокристални или поликристални силициеви клетки. Най-често клетките се свързват в модула последователно, поради специфичните  електрически характеристики на индивидуалната слънчева клетка. Например за типична монокристална силициева слънчева клетка с диаметър 10,16 cm или поликристална клетка с размери 10 х 10 сm мощността при стандартни условия е от 1 до 1,5 W, като зависи от к.п.д. на клетката. Тази мощност се достига при напрежение 0,5 до 0,6 V. Слънчевите клетки се свързват последователно.

От броя на слънчевите клетки в модула зависи и напрежението на същия. Номиналното работно напрежение на системата обикновено се прави еднакво с това на подсистемата за съхраняване на енергията (акумулаторната батерия). Поради това по-голямата част от производителите на фотоволтаични модули произвеждат стандартни конфигурации, които могат да работят с акумулатори 12V. Установено е, че модули включващи набор от 33 до 36 слънчеви клетки осигуряват надеждна работа, позволявайки дозареждане на акумулаторите при добри условия (слънчево време) и компенсиране на ниското напрежение на модула от акумулаторите при облачно време.

Обикновено фотоволтаичните модули се произвеждат с мощност в границите от 40 до 60 W. Параметрите на модула се дават от производителя при следните стандартни условия:

·               слънчева радиация 1 kW/m₂;

·               спектрално разпределение AM1,5;

·               температура на клетката 25°С.

Това всъщност са и условията при които се правят сравнения на слънчевите клетки.

Основните характеристики на слънчевите модули са: ток на късо съединение, напрежение на празен ход и точка на максимална мощност във функция от слънчевата радиация и температурата.

Както за отделната клетка, така и за модула, токът на късо съединение е пропорционален на слънчевата радиация и се изменя по същия начин както радиацията през деня. Понеже напрежението е логаритмична функция на тока, то зависи също така логаритмично от радиацията. Поради това напрежението се изменя по-малко отколкото тока през целия ден. При конструирането на PV генератори се пренебрегва изменението на напрежението и се приема, че тока на късо съединение е пропорционален на радиацията.

Работната точка на модула трябва да бъде възможно най близо до точката на максимална мощност. Важна особеност на фотоволтаичните модули е, че напрежението в точката на максимална мощност е приблизително независимо от слънчевата радиация. Средната стойност на това напрежение през целия ден може да се оцени на около 80 % от напрежението на празен ход при стандартни условия. Тази особеност е важна при конструирането на системата.

Друг показател на PV модула е температура на клетката при нормална работа, която се дефинира като температура на клетката, при положение, че модулът работи на празен ход при следните условия:

·               слънчева радиация 0,8 kW/m²;

·               спектрално разпределение AM1,5;

·               температура на околната среда 20°С;

·               скорост на вятъра > 1 m/s.

Тази температура се изменя в границите от 40 до 46 °С и се използва за определяне на работната температура Т_С на слънчевата клетка.

Модулите са свързани последователно, като формират клонове, в които броят на модулите N_S зависи от напрежението което е необходимо да се получи от генератора, а броя на паралелните клонове N_P зависи от тока, който е необходим да се получи от генератора.

Предполага се, че всички модули са еднакви. На практика обаче, техните параметри показват известни отклонения поради две основни причини:

·               слънчевите клетки и модулите са различни по качество в резултат на технологичния процес. По принцип, токът на клетките (модулите) има по-големи отклонения от напрежението;

·               в различни части на фотоволтаичния генератор е възможно да има различни условия на работа.

Тези разлики в параметрите водят до два основни ефекта:

Първо, изходната мощност на генератора е по-малка от сумата от мощностите на отделните модули. Това води до нарастване на загубите. Тези загуби могат да бъдат намалени чрез избор на модули с еднакви параметри преди свързването им в клоновете.

Второ, съществува опасност от прегряване на клетката с най-лоши показатели в клона. При определени обстоятелства, такава клетка може да бъде товар за останалите клетки в клона.

Важен проблем, който стои пред конструкторите на PV генератори е дали модулите да бъдат монтирани неподвижно или тяхната ориентация да следи движението на Слънцето.

При по-голяма част от генераторите, модулите са разположени с фиксиран наклон ориентирани към екватора. Предимството на това решение е простотата на изпълнение – без движещи се части и ниска цена. Оптималният ъгъл на наклон на модулите зависи основно от географската ширина, дела на разсеяната слънчева радиация и от характеристиките на товара.

Монтирането на двуосна следяща система позволява да се използва до 40 % повече слънчевата енергия през годината сравнено с неподвижна система с фиксиран наклон. От друга страна това усложнява системата и води до по-малка надеждност и увеличаване на разходите за поддръжка. Едноосната следяща система не е толкова сложна, но е по неефективна от двуосната. Ако е възможно, ориентацията може да бъде променяна ръчно. Установено е, че при слънчев климат и ориентиране на плосък панел към Слънцето два пъти на ден и три различни положения на наклона може да се добие около 95% от енергията която би била добита с напълно автоматизирана ориентация на панела.

Добиването на електрическа енергия от Слънцето зависи съществено от времето. Поради това при самостоятелни фотоволтаични уредби винаги се налага да се предвиди и система за съхраняване на енергията (например акумулатори).

І.2.Б. Преобразуване на ветрова енергия в електричество

Ветрова енергия

Големите разлики в постоянните промени в слънчевото излъчване водят до различни температури на въздуха около земното кълбо. В области със силна слънчева радиация атмосферния въздух се затопля и се разширява, образувайки региони с високо налягане. В области където радиацията е по-малка, въздуха се охлажда, образувайки региони с ниско налягане. Тези разлики в налягането в атмосферата предизвикват ускоряване на въздушните частици, в резултат на което започва движение на въздушните маси.

Ресурси

При изследване разпределението на преобладаващите ветрове над страната са отделени четири района: първият с преобладаващи северни ветрове, който е разположен на изток от линията Силистра – Шумен – Ямбол; вторият с преобладаващи западни и северозападни ветрове,  характерен за района на Дунавската хълмиста равнина (ДХР) и Западна Тракия; третият с различна посока, който е характерен за предпланинските и нископланински части на страната; четвъртият с преобладаващи западни и северозападни ветрове характерен за високопланинските върхове и била (фиг. 2.).

Фиг. 2.Годишно разпределение на преобладаващия вятър.

При изследване на многогодишния режим на скоростта на вятъра са отделени три района: първият район със средна скорост под 2 m/s  характерна за по-голямата част от територията на страната – ДХР, Тракийската низина, Софийското поле, долините на р.Струма и р.Места, Предбалкана; вторият със скорост от 2 до 4 m/s, разположен на изток от линията Русе – Велико Търново – Елхово; третият със скорост превишаваща 4 m/s е характерен за Черноморското крайбрежие и откритите и обезлесени планински места с височина над 1000 m.

При изследване на пространственото разпределение на енергийния потенциал на вятъра са отделени схематично три ветроенергийни зони (табл.1.): зона на малкомащабната ветроенергетика – тя включва равнинната част на страната, ДХР, Тракийската низина, долините на р.Струма и р.Места, Западна България с енергиен потенциал на височина 10 m над земята по-малък от 100 W/m² или 1000 kWh/m²; зона на средно мащабната ветроенергетика включва Черноморското крайбрежие и Добруджанското плато, тънка ивица по брега на р.Дунав и местата в планините с надморска височина до 1000 m с потенциал от 100 до 200 W/m² или от 1000 до 2000 kWh/m²; зона на голямата ветроенергетика включва откритите планински била и върхове с надморска височина над 1000 m, а също така вдадените в морето части от сушата (нос Калиакра и нос Емине), където средногодишната плътност на ветровия поток превишава 200 W/m² или 2000 kWh/m².

Станция	Зима		Пролет		Лято		Есен		Годишно
	W/m2	kWh/m2	W/m2	kWh/m2	W/m2	kWh/m2	W/m2	kWh/m2	W/m2	kWh/m2
Зона А
Плевен	19	165	24	209	11	96	12	104	42	365
Габрово	15	131	9	78	16	139	40	348	34	296
Пловдив	45	391	31	270	17	148	15	131	57	496
Петрич	18	157	19	165	14	122	10	87	38	331
София	74	644	53	461	27	235	29	252	108	940
Зона Б
Оряхово	96	835	74	644	55	479	55	479	149	1296
Омуртаг	109	948	88	766	61	531	73	635	234	2036
Несебър	161	1401	149	426	47	409	77	670	182	1583
Созопол	195	1697	56	487	33	287	101	879	191	1662
Зона В
Калиакра	577	5020	270	2349	247	2149	473	4115	773	6725
Х.Персенк	373	3245	244	2123	78	679	175	1523	226	1966
Вр.Мургаш	1439	12519	833	7247	338	2941	776	6751	1758	15294
Вр.Ботев	1136	9883	778	6769	274	2384	443	3854	1148	9988
Черни връх	818	7117	601	5229	275	2393	479	4167	1051	9144

Табл.1. Потенциални ресурси на вятъра [W/m²] и [kWh/m²] за височина 10 m над земната повърхност.

Потенциалните ресурси на вятъра, определени за ниво 50 m над земната повърхност са близо 2 пъти по-големи от тези за 10 m.

Показано е, че енергийният потенциал на вятъра е разпределен неравномерно през отделните сезони на годината. Най-много ресурси има през зимния период, като достигат до 50 % от годишните. През пролетта те са 25-30 %. Най-ниски са ресурсите през лятото и есента – съответно 10-15 % и 15-20 %.

Плътността на енергията на вятъра, изчислена в W/m² е дадена за височина 10 m над земята, което дава една възможност за идентифициране на ресурсите на вятъра за малките и големи вятърни турбини. Разработена е таблица с класовете на скоростта на вятъра, определени на базата на плътността на енергията на вятъра (табл. 2.).

Класове	0	1	2	3	4	5	6	7	8
Плътност	<50	50	100	150	200	250	300	400	>1000

Табл. 2. Класове с плътност на енергията на вятъра [W/m²]

за височина h=10 m.

С нейна помощ е разработена карта с класовете на вятъра (фиг. 3.).

Фиг. 3. Ветроенергийни класове с различна плътност на енергията

В отличие от ресурсите на слънчевата радиация, ресурсите на вятъра се оползотворяват с помощта на съоръжения, които са ориентирани перпендикулярно към земната повърхност. Следователно, за пресмятането на тоталните налични ресурси е необходимо да се направи допускане,  колко броя съоръжения могат да бъдат разположени на дадено място от земната повърхност. Предположено е, че ветровите турбини са разположени шахматно на разстояние един роторен диаметър. При това положение тоталните средногодишни ветрови ресурси се оценяват на 125 000 TWh.

Както и при слънчевите технологии, при пресмятане на достъпните ветрови ресурси трябва да се вземат в предвид вариациите на терена. За територията на страната средногодишните достъпни ресурси на вятъра се оценяват на 62000 TWh.

За оценка на резервните ресурси на вятъра у нас е допуснато, че ветровите турбини са инсталирани на разстояние 10 роторни диаметъра. Това допускане се основава на наблюдението, че режима на ветровете у нас, от които може да се очаква производство на енергия, обикновено преобладават от дадена посока. Допуснато е, че само 3 % от земята може да бъде използвана за производство на ветрова енергия в близко бъдеще. По такъв начин средногодишните резервни ресурси на вятъра се оценяват на 21-33 TWh.

Енергийният ветрови потенциал за Българските крайбрежни води на Черно море по литературни данни е 20,6 TWh на година.

Като перспективи за развитие на ветроенергетиката в България в близко бъдеще могат да се отнесат равнинните райони на нос Калиакра и нос Емине със средна годишна скорост на вятъра превишаваща 6 m/s, а също така и северното Черноморие от нос Калиакра до Шабла със средна годишна скорост на вятъра около 5 m/s. В тези райони е възможно построяването на няколко ветрови ферми с инсталиран капацитет няколко десетки MW. Направено е проучване, че годишното производство на електроенергия в района на нос Калиакра и нос Емине ще бъде 950 MWh при инсталирана мощност 400 kW и 600 MWh в района на Шабла при инсталирана мощност 250 kW. Към 2020 г. се очаква в района на нос Калиакра да бъдат монтирани 100 бр. ветрови турбини със сумарна инсталирана мощност 40 MW, в района на нос Емине - 50 бр. с мощност 20 MW и в района Шабла – 50 бр. с мощност 12,5 MW. В такъв случай годишното производство на електроенергия ще бъде съответно 95, 48 и 30 GWh или общо за страната 173 GWh.

Биха могли да се посочат и други райони с подходящи ветрови условия, като например района на “Франгелското плато” над гр.Варна, района на местността “Сините камъни” край гр. Сливен, района на връх Мургаш и други.

3. Указания за изпълнение на задачите

3.1. Изследване на хибридна система за преобразуване на слънчева и ветрова енергия

3.1.А. Компоненти на системата BRC mini PV

Основните компоненти на комбинираната система BRC mini – PV са ветрогенератор и фотоволтаичен генератор. В зависимост от изграждането на системата тя се допълва от акумулатор, регулатор за зареждане и инвертор.

Ветрогенератор BRC – mini

Използваният ветрогенератор е с хоризонтална ос на въртене, паралелно на ветровия поток. Той превръща кинетичната енергия на движението на въздуха в електрическа. Параметрите на ветрогенератора се описват чрез мощностната му характеристика (фиг.4.). Тя отразява отдаваната от него мощност в зависимост от скоростта на вятъра.

Фиг. 4. Крива на мощността на BRC – mini.

        Изходната мощност (P_W) на ветросиловата уредба (ВСУ) нараства пропорционално с третата степен на скоростта на вятъра (v) и втората степен на диаметъра на ротора (D). Ефективната мощност на ВСУ следователно може да бъде увеличена чрез скоростта на вятъра и/или чрез диаметъра на ротора.

        Ветрогенераторът е от типа BRC – mini (фиг.5.). Двулопатковият ротор превръща вятърната енергия във въртеливо движение на генератора. Той е разположен на хоризонтална ос и има диаметър на витлата 2,40 m. Тръбната мачта е с височина 4,50 m.

         Самовъзбуждащ се синхронен генератор произвежда променливо напрежение, което изправено се подава до компонентите на системата. За да се предотврати повреждане на BRC – mini, не трябва никога да се експлоатира без “Dump Load” (за Dump Load могат да се използват отоплителни и осветителни тела, помпи, бойлери за топла вода). Скоростта на включване на ветроенергийния конвертор е 2,5 m/s. Номиналната мощност от 500W се достига при 9 m/s. ВСУ достига своята пълна мощност, само когато е оптимално насочен към вятъра. За целта BRC – mini е съоръжен с “двузнаменно” регулиране, при което натиска на въздуха въздейства върху напречно “флагче”, т.е. върху самия ротор, така че генераторът се завърта около вертикалната си ос.

Техническите характеристики на BRC – mini са:

·         Тип: трифазен индукторен тип, бавноходен;

·         Номинални обороти: n_Н= 350 min^-1;

·         Номинално напрежение: U_Н = 220 V_~;

·         Напрежение на възбуждане при номинални обороти: U_В= 150 V;

·         Номинална мощност: Р_Н= 500 W;

·         К.п.д.: η =72 %.

Фотоволтаичен генератор – PV

Енергийният потенциал на слънцето се дължи на протичащия при няколко милиона градуса в ядрото на слънцето процес на ядрен синтез на водородните изотопи (деутерий и тритий) в хелий: 

Получената при този процес разлика в масите се превръща в енергия. Тази енергия приема във фотосферата качествата на електромагнитно лъчение.

Мощността на лъчението извън въздушната обвивка възлиза на D₀ = 1,353 kWh/m². D₀ се нарича соларна константа. Това лъчение, при преминаването през въздушната обвивка на Земята, отчасти се абсорбира и разсейва. Глобалното лъчение, достигащо земната повърхност, при добри условия (ясен, слънчев ден) в нашите ширини е приблизително 1000 W/m² (отвесно лъчение).

Слънчевите клетки превръщат слънчевото лъчение, независимо дали е директно или дифузно, непосредствено в електричество. Характеристиката на слънчевите клетки съдържа следните характерни точки (фиг. 6.):

·         напрежение на празен ход U₀=20 V;

·         ток на късо съединение I_КС=3,35 A ;

·         точка на максимална мощност МРР.

 Броят на произведените зарядоносители е пропорционален на интензивността на облъчване, така че и протичащата във вътрешността на слънчевата клетка фотосветлинна енергия е пропорционална на интензивността на облъчване.

Слънчевият генератор се състои от два панела, всеки от които e от по два стандартни модула (общо четири за системата) от типа SN 12-50. Всеки модул се състои от 36 последователно свързани монокристални силициеви клетки с размери 100´100 mm (фиг. 7.). При монтажа на PV – модулите се присъединяват защитни диоди към изводите, означени със знак “+”, с цел да се предотврати пропускането на ток в

Фиг. 7. Слънчев панел

обратна посока при възникване на повреда в слънчевия модул. Използвани са клетки от един и същи тип и с еднаква мощност. Модулите са с размери 950´435 mm.

Според направени измервания със слънчев симулатор, при стандартни условия максимално достижимата мощност на всеки модул възлиза на 50 W. Стандартни условия:

·         атмосферна маса АМ = 1,5 ;

·      облъчване Е = 1000 W/m²;

·         температура на клетките Т = 24 ⁰С.

Мощността се достига при напрежение в точката на максимална изходна мощност приблизително 16 V. Напрежението на празен ход   на модула възлиза на 20 V. Следва, че напрежението на празен ход на отделната силициева клетка възлиза на 0,55 V. Токът в точката на максимална изходна мощност е 3,3 А. Чрез 36^-те последователно свързани монокристални клетки този модул постига голям резерв от напрежение. Поради това и при повишени околни температури, които водят до спадане на напрежението в слънчевата клетка, може да се осигури необходимото напрежение за зареждане на акумулатора (12 V).Модулите са монтирани с наклон от 45⁰ към хоризонтала на мачтата на ВСУ и винаги са насочени на юг.

Акумулатор

За непрекъснатото осигуряване с електроенергия е необходимо съхранението на произведеното електричество. Във възобновяемите енергийни системи подходящи за това са презареждащите се електрохимични батерии (акумулатори).(т.І.1)

При съвременното ниво на техниката се използват предимно оловни акумулатори. Те имат отрицателен оловен електрод, положителен електрод от оловен двуокис и разредена сярна киселина за електролит. Напрежението на една акумулаторна клетка, при което акумулаторът достига определения номинален ток и капацитет, се нарича напрежение на зареждане. Аналогично се дефинира напрежение на разреждане, което не трябва да се надвишава, за да се избегне пълният разряд на акумулатора. Реакцията, която протича в оловния акумулатор е отразена в уравнението:

                                                              зареждане

2PbSO₄ + 2H₂O     «     Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

                                            разреждане

 При цикъла на зареждане/разреждане възниква разход на заряди, тъй като  странична реакция се разлагат и водни молекули. Поради това, при презареждане не може да се получи първоначалното количество заряди.

За увеличаването на напрежението и капацитета акумулаторите се включват последователно или паралелно. Могат да бъдат групирани само акумулатори от един и същ вид, номинален капацитет, възраст и еднаква концентрация на киселината.

Акумулаторът в комбинираната уредба трябва да бъде с голям капацитет, голяма издръжливост в цикличен режим, добро презареждане след дълбок разряд и лесна поддръжка.

Като акумулиращ елемент в разглежданата система е използван един акумулатор тип TG1, 12V, 160Ah.

Регулатор на зареждане

В комбинираните уредби с фотоволтаични генератори регулаторът спомага за възможно най-оптималното използване на слънчевата енергия. Неговото предназначение е защита на акумулатора от прекомерно зареждане и разреждане, т.е. избягването на режими, които могат значително да намалят продължителността на живот на акумулатора. Различаваме три типа регулатори:

Сериен регулатор

Серийният регулатор прекъсва връзката между слънчевия генератор и акумулатора, когато се достигне границата на зареждане (фиг. 8.) 

За изправна експлоатация серийният регулатор се нуждае от стабилно токозахранване от акумулатора. При силно разреден или демонтиран акумулатор регулаторът не може да включи фотоволтаичния генератор. Недостатък са и загубите, които възникват в импулсния транзистор. Тази енергийна загуба трябва да се компенсира от слънчевия генератор и не може да се ползва от акумулатора или консуматора.

Шунтов регулатор

При този вид регулатори (фиг. 9.) слънчевият генератор се свързва накъсо при зареден акумулатор чрез електронен шалтер (транзистор). Слънчевият генератор не подава напрежение и зареждането на акумулатора спира. Ако напрежението в акумулатора спадне под граничното за зареждане, поради включване на консуматори, то регулаторът изключва. Слънчевата енергия е на разположение.

Фиг. 9. Шунтов регулатор.

 Регулаторът има две значителни предимства: от една страна при зареждане се губи мощност само в диода за обратен ток, а от друга – това реле функционира и ако акумулаторът е изтощен или дори откачен.

Индикатор за максимална мощност (МРР-индикатор)

И двата предишни типа регулатори не винаги оптимално използват електроенергията от слънчевия генератор. Това се дължи на факта, че работната точка на слънчевата клетка се определя от напрежението на акумулатора и не винаги съответства на точката на максимална мощност.

МРР-индикаторът се опитва да избегне този недостатък. Преобразувател на постоянно напрежение с управляваща електроника самостоятелно търси точката на максимална мощност на слънчевата клетка. Напрежението и мощността в тази точка се преобразуват в зарядно напрежение на акумулатора с помощта на индикатора. Поради високата цена на индикатора неговото използване е икономически оправдано само за фотоволтаични генератори с голяма мощност.

В разглежданата комбинирана система се използва шунтов регулатор.

Инвертор

Ветрогенераторът BRC-mini, слънчевият генератор и акумулаторът дават постоянно напрежение (12 V), което може да бъде преобразувано с помощта на инвертор в променливо напрежение със стойност 230 V и честота 50 Нz. В автономните  енергоснабдителни системи се използват инвертори от типа, показан на фиг.10.

Фиг.10. Инвертор.

Тези инвертори работят на базата на включване и изключване на силови полупроводници и следователно за комутация не е необходимо наличието на мрежово напрежение. Към най-решаващите фактори за избор на инвертори спадат способността за претоварване и качеството на трансформирания променлив ток. Според формата на трансформирания ток различаваме правоъгълни, трапецовидни и синусоидални инвертори (фиг. 11.).

Фиг. 11. Изходно напрежение на правоъгълни, трапецовидни и синусоидални инвертори.

Правоъгълното напрежение е подходящо предимно за универсални двигатели. Трапецовидното напрежение намира приложение при захранване на асинхронни машини. Синусоидалното напрежение е необходимо само в специални случаи като медицинско-техническата област, при големи компютри и асинхронни машини с продължителен режим на работа.

Към инверторите се поставят големи изисквания: трябва да работи с висок к.п.д. и при частично натоварване, да е с изгодна цена, заради ефективността на цялата система.

Dump Load

Предназначението му е да предпази от увреждане ветрогенератора BRC mini. За Dump Load могат да се използват отоплителни или осветителни елементи с мощност до 500 W.

В разглежданата комбинирана система се използва отоплителен елемент тим FS 502 с номинално напрежение U_н=230 V~ и номинална мощност P_н=500 W.

Допълнителен генератор

Ако се цели висока степен на сигурност в електрозахранването, то комбинираната уредба може да бъде допълнена с генератор. За системи с дневна енергопотребност от няколко стотин Wh се използват малки ДВГ. Високата надеждност и възможността за дистанционно управление са аргументи за използването на допълнителен генератор. С вграждането на такъв акумулаторът може да бъде допълнително зареден преди да премине към дълбок разряд.

3.1.Б. Структура на РVТКС

• с акумулатор

Преимущество на комбинираните уредби е в различните, частично допълващи се по време на слънчевото лъчение и ветровата енергия характеристики (фиг.12.).

Фиг. 12. Времеви характеристики на слънчевото лъчение и ветровата енергия.

За изравняване на повременните различия между производство и потребление на електроенергия в рамките на комбинираната система се използва акумулатор.

Модел 1

При тази уредба с акумулатор, консуматорът се включва чрез разрядната защита на регулатора (фиг.30). Съоръжението се състои от следните компоненти :

·         ветрогенератор BRC-mini (500 W);

·         фотоволтаичен генератор (от 50 до 200 W) ;

·         акумулатор (12 V, от 115 до 460 Ah) ;

·         регулатор на заряда ;

·         инвертор ;

·         Dump Load ;

·         консуматор (помпа за постоянно или променливо напрежение или отоплително тяло).

Фиг.13. Комбинирана система за включване чрез регулатора на заряда консуматори

Номиналната мощност, която достига ветрогенератора е 500 W. Мощността на фотоволтаичния генератор варира между 50 и 200W (в зависимост от броя на модулите). Произведената от двата генаратора енергия се съхранява в акумулатор. Токът, който не се използва за зареждане на акумулатора се изразходва от Dump Load. За Dump Load може да се използват отоплителни тела, помпи, бойлери за топла вода и др.

          Предимството на този модел е в това, че консуматорът се включва чрез разрядната защита на регулатора за заряд. Така може да се удължи живота на акумулатора и следователно да се намалят общите разходи.

          Консуматорите за променлив ток се включват към установката чрез инвертор, а тези за постоянен ток могат да се захранят директно от комбинираната уредба (при тях няма загуби от инвертора).

          Недостатък на този модел е, че отдаваната мощност се ограничава от мощността на регулатора на заряда. За това мощността на консуматорите трябва да се съгласува с тази на регулатора.

Модел 2

При тази комбинирана уредба консуматорите се включват директно към акумулатора (фиг.31). Състои се от следните елементи :

·         ветрогенератор BRC-mini (500 W) ;

·         фотоволтаичен генератор (от 50 до 200 W) ;

·         акумулатор (12 V, от 115 до 460 Ah) ;

·         регулатор на заряда ;

·         инвертор ;

·         Dump Load ;

·         консуматор (помпа за постоянно или променливо напрежение или отоплително тяло).

Фиг.14. Комбинирана уредба с директно свързване на консуматорите към акумулатора.

За разлика от модел 1, при модел 2 консуматорите се включват директно към акумулатора, и тъй като няма ограничение на мощността, могат да се използват консуматори с по-голяма мощност. Трябва да се внимава да не се изтощи акумулатора повече от 60%, в противен случай продължителността му на живот силно намалява.

Консуматорите за променлив ток се захранват чрез инвертор (12V DC / 230V AC). Инверторът оскъпява уредбата, но позволява използването на променливотокови консуматори. Мощността на инвертора зависи от тази на консуматорите.

Модел 3

При тази комбинирана установка към ветро- и фотоволтаичния генератор се включва и друг енергопро-изводител (авариен генератор) – (фиг.15.). Консуматорите се включват както при модел 2 директно към акумулатора. Системата съдържа следните компоненти :

·         ветрогенератор BRC-mini (500 W);

·         фотоволтаичен генератор (от 50W до 200W) ;

·         акумулатор (12 V, от 115 Ah до 460 Ah) ;

·         допълнителен генератор ;

·         инвертор ;

·         Dump Load ;

·         консуматор (помпа за постоянно или променливо напрежение или отоплително тяло).

Фиг. 15. Комбинирана система с допълнителен генератор и директно включени консуматори към акумулатора.

          Предимството на тази система е във високата степен на сигурност, тъй като и при продължителен мрачен и безветрен период може да се осигури електрозахранването на консуматорите. Уредбата се допълва с бензинов или дизелов генератор. Допълнителният генератор трябва да се задейства самостоятелно,  ако  акумулатора  е  изтощен.  Затова аварийният генератор трябва да е снабден с електрически стартер. Предвидено е и изключване, ако напрежението на акумулатора надхвърли предварително определена стойност.

Всички описани до тук системи могат да бъдат преоборудвани за по-голяма мощност без големи разходи.  

• без акумулатор

Тези системи се характеризират с това, че осигуряването на енергия не е постоянно, тъй като в системата съзнателно не е включен акумулатор. По този начин се намаляват разходите за монтаж  и поддръжка.

Модел 1

При тази уредба консуматорите се захранват директно от ветро- и PV-генераторите - (фиг.33). Системата се състои от следните компоненти :

·         ветрогенератор BRC-mini (500 W) ;

·         фотоволтаичен генератор (от 50W до 200W) ;

·         инвертор ;

·         Dump Load ;

·         консуматор (помпа за постоянно или променливо напрежение или отоплително тяло).

Фиг.16. Комбинирана уредба за захранване на консуматори за постоянно или променливо напрежение без акумулатор.

Тези комбинирани системи се характеризират с просто устройство в сравнение с уредбите с акумулатор. Те са с по-ниски инвестиционни и експлоатационни разходи.

Недостатък на системите е нестабилността на изходното напрежение, което поражда проблеми по отношение на оптималното съгласуване на генераторите и консуматорите.

Модел 2

При тази комбинирана уредба ветро- и PV-генераторите захранват по отделно различни консуматори – (фиг.34.). Системата се състои от следните компоненти :

·         ветрогенератор BRC-mini (500 W);

·         фотоволтаичен генератор (от 50W до 200W) ;

·         инвертор ;

·         Dump Load ;

·         консуматори – за постоянно и променливо напрежение.

Фиг.17. Комбинирана уредба с разделено захранване на консуматорите.

Предимството е в пълното използване на мощността на уредбата. Сработването на генераторите с консуматорите е по-просто в сравнение с модел 1.