Автономная электростанция для загородного дома: Автономные электростанции для загородного дома

Автономные электростанции для загородного дома

Актуальность автономного снабжения дома электроэнергией с различной степенью остроты ощущается многими владельцами загородного жилья. Одних не устраивает неустойчивость работы электросетей в своем населенном пункте – перебои в снабжении или нестабильное напряжение не дают возможности с полным комфортом пользоваться современными приборами. У других и вовсе нет возможности в ближайшей перспективе подключиться к ЛЭП. Третьих настораживают постоянно растущие тарифы, и они, мысля на перспективу, хотят снизить свою зависимость от энергоснабжения, чтобы очередные удорожания не сказывались чувствительно на семейном бюджете. Наконец, ширится круг домовладельцев, которые и вовсе мечтают обрести полную независимость в вопросах энергообеспечения своих владений.

Автономные электростанции для загородного дома

Следует сразу сказать, что реализация подобных задач – дело очень даже непростое, и, на первых порах особенно – довольно затратное. Так что если кто-то собирается заниматься подобным проектом с перспективой получить материальный выигрыш, то полной окупаемости придется радоваться весьма нескоро. Тем не менее, автономные электростанции для загородного дома становятся все популярнее, и прослеживается тенденция к их все более широкому распространению. Особенно в плане использования альтернативных источников энергии. 

В настоящей публикации попробуем рассмотреть основные моменты, связанные с установкой автономных источников электроэнергии. Так проще будет ориентироваться в этом вопросе при составлении наметок собственного проекта.

Достоинства и недостатки автономных систем электроснабжения дома

Чтобы, как говорится, очертить горизонты предоставляемых возможностей, но с другой стороны – несколько «приземлить» излишне радужные, «прожектёрские» настроения, имеет смысл для начала вкратце ознакомиться с общими достоинствами и недостатками автономных систем электроснабжения дома.   

Итак, в пользу автономных домашних электростанций говорит следующее:

• При условии проведения правильных профессиональных расчетов, грамотного составления проекта и его качественной реализации, хозяевам загородного дома больше не придется сталкиваться к «капризами» местных электросетей. Имеются в виду случаи внезапного исчезновения напряжения или сильных его скачков, грозящих вывести бытовые приборы или инструменты из строя. Хорошо отлаженная система работает как часы, домашняя техника – в безопасности.

Аварии на линиях электропередач, скачки напряжения и прочие неприятности – ото всего этого владелец автономной электростанции застрахован.

• Уходят проблемы с возможными лимитами мощности подключения к сетям и объемами потребления энергии. Соответственно – и с оплатой по установленным тарифам. Владелец волен насыщать свой быть любыми приборами в рамках эксплуатационных возможностей своей энергосистемы, то есть создавать любой уровень комфорта.
• Техника, используемая для выработки электроэнергии, как правило, обладает внушительным запасом надежности, и выходит из строя довольно редко. Естественно, при ее правильной эксплуатации и регулярном обслуживании.
• Если мыслить масштабно, и учитывать опыт применения домашних электростанций в странах Западной Европы, то можно не только полностью удовлетворять собственные потребности в электроэнергии, но и реализовывать ее излишки. Для того существуют специальные программы взаимодействия с компаниями энергетического комплекса. Естественно, такой подход ускорил бы окупаемость затрат и даже вывел  собственный «энергоблок» в прибыльное начинание.

Система «зеленого тарифа», когда хозяин электростанции начинает продавать излишки выработанной энергии государству, наверняка заинтересует многих.

Правда, чтобы выйти на подобный уровень требуется не только реализация тщательно продуманного проекта с весьма значительными стартовыми затратами, но и прохождение целого ряда бюрократических процедур и технических экспертиз. Тем не менее, подобное направление в «частной электроэнергетике» наверняка имеет немалый потенциал будущего развития.

Теперь более плотно коснемся недостатков автономной системы электроснабжения.

Устал, лень, очень холодно, потом – никакие отговорки не принимаются, никто за тебя работоспособность системы не восстановит.

• Уже не раз говорилось, но – повторимся, стартовые вложения как на разработку проекта, так и на приобретение необходимого комплекта оборудования, его монтаж и отладку, могут быть очень внушительными. Да и эксплуатационные расходы могут оказаться немалыми. И ожидать быстрой окупаемости было бы неправильно.
• Все риски, в том числе материальные, берет на себя потенциальный владелец электростанции. Это лишний раз говорит о том, с какой тщательностью должен продумываться и прорабатываться проект.
• На хозяев возлагается и полная ответственность за эксплуатацию оборудования, его своевременное техническое обслуживание, соответствующий уход, соблюдение всех требований безопасности. Если система выходит из строя, и дом остается без электроэнергии – жаловаться некому и незачем. Точнее, никто не мешает обратиться за технической поддержкой к специалистам – но это уже будет исключительно за свой счет.

• Проведение регулярных профилактических мероприятий (а без этого – никак) также потребует дополнительных затрат, так как для их выполнения требуется профессиональный подход. Ситуация может усугубляться тем, что дома с автономной электростанцией довольно часто расположены на значительном удалении от крупных центров. То есть придется брать на себя и транспортные затраты для вызова специалистов.

Так что тому, кто загорелся идеей перевести свои владения исключительно на автономное электроснабжение, следует десять раз все продумать, просчитать, взвесить все «pro & contra», прежде чем начать вкладывать средства в реализацию столь масштабного проекта. И не ждать при этом сиюминутной выгоды – окупаемость может растянуться на 10 и более лет. И это при том что само оборудование тоже имеет какой-то, пусть и немалый, но все же ограниченный ресурс эксплуатации.

Помимо перечисленных, различные по принципу работы типы генерирующего оборудования имеют еще и собственные достоинства и недостатки – о них будет рассказано в соответствующих подразделах публикации.

А какие источники энергии можно использовать для автономного электроснабжения?

Здесь совершенно очевидно разделение на две группы.

• К первой можно отнести электрические генераторы, имеющие силовой привод и использующие в качестве источника сторонней энергии один из видов топлива – жидкое (бензин или солярка) или природный газ.
• Ко второй группе отнесём генераторные установки, которые приводятся в действие совершенно бесплатными, природными источниками энергии. К этому определению подойдут ветровые генераторы, солнечные батареи и гидравлические системы.

А теперь познакомимся с этими источниками электроэнергии поближе.

Генераторы, использующие энергетический потенциал жидкого или газообразного топлива

Самый простой и быстрый в реализации способ обеспечить свой дом автономным источником энергии – прибрести генераторную установку, оснащенную приводом, использующим жидкое топливо или природный газ.

Несмотря на различия в типах используемых двигателей, принцип выдерживается общий. Двигатель внутреннего сгорания обеспечивает выработку кинетической энергии – крутящего момента с определённой скоростью вращения. Вращение передается на ротор генератора. Выработанная электроэнергия поступает на точки ее потребления.

Дизельный генератор – надежный источник электроэнергии, но требующий постоянного питания топливом.

Двигатель оснащен системой запуска (стартером), в зависимости от модели стартер может быть ручным или электрическим. Безусловно, для стационарной установки предпочтение отдается второму.

В чем достоинства

таких источников электроэнергии:

• Они вырабатывает переменный электрический ток, так сказать, в «готовом к употреблению», то есть к подаче на нагрузку виде – 220 вольт. То есть не требуется никаких дополнительных устройств-преобразователей.
• Топливные генераторы являются отличным решением, если требуется резервный источник энергии на случай перебоев в линиях электропередач. При пропадании напряжении в сети автоматика даст команду на запуск стартера, и спустя непродолжительное время энергоснабжение в доме будет восстановлено. А когда напряжение в подающей линии появится (стабилизируется), произойдет обратное переключение, и двигатель будет заглушен.

Аппаратура ввода резерва может быть уже установлена на бензиновый или дизельный генератор «по умолчанию». Если нет, то можно приобрести ее отдельным блоком – у большинства электростанций имеется адаптированный для ее подключения разъем.

Аппаратура ввода резервного источника энергии часто уже является составной частью приобретаемой силовой установки. Если нет, то предусматривается возможность ее подключения, а сам блок управления приобретается отдельно.

• Генераторы, работающие на жидком топливе, могут стать и основным источником электроэнергии, если загородные владения посещаются хозяевами эпизодически и на не очень продолжительное время. Понятно, что в таких условиях, как правило, дом не перенасыщен бытовой техникой, и есть возможность приобрести довольно компактную установку, которую несложно привезти с собой. Просто чтобы не переживать за ее сохранность в оставляемом, например, на неделю до следующих выходных доме.
• Практически незаменимой становится такая электростанция в условиях ведения загородного строительства, если пока нет возможности подключиться к электросети.

Величайшее достоинство жидко топливных генераторов – это их мобильность, возможность работы в полевых условиях, например, при ведении строительства своего загородного дома.

• Если разобраться, то все другие автономные источники электроэнергии сильно зависимы от времени суток и года, от установившейся на улицы погоды. А вот топливные электростанции способны полноценно работать в любой момент, когда потребуется.

К недостаткам такого подхода в организации автономного электроснабжения дома можно отнести следующее:

• Требуется постоянный запас топлива, которое, кстати, весьма недешевое и, к сожалению, постоянно растёт в цене. А для хранения хотя бы минимального запаса на непредвиденные ситуации необходимо создание определённых условий. Связанных в том числе и с проблемами безопасности проживания в доме.
• Работа жидкотопливной электростанции всегда сопряжена с выхлопом отработанных газов. Такое «соседство» может оказаться и неприятным в плане комфорта, и даже весьма опасным, так как выхлопы весьма токсичны для человека. То есть при стационарной установке этот вопрос придётся продумывать заранее.
• Работа двигателя внутреннего сгорания априори не может быть бесшумной. Это тоже накладывает определенные требования к размещению электростанции. Так как генератор нежелательно оставлять на открытом воздухе, придется для него возводить отдельное помещение на некотором отдалении от жилых построек, с соблюдением требований по его вентиляции и звукоизоляции.

Один из вариантов решения проблемы по стационарной установке автономной дизельной электростанции – расположенный на некотором удалении от жилого дома модуль из сэндвич-панелей.

• Как и любая другая техника с двигателями внутреннего сгорания, генераторы не могут работать беспрерывно – это оговаривается в их характеристиках. Да, выпускаются модели, способные эксплуатироваться весьма длительное время, но все равно паузы для проведения профилактических мероприятий, технического обслуживания нужны.
• Стоимость топлива вряд ли дает возможность говорить о перспективах экономии – сетевое электричество все равно получается значительно дешевле.

Уже отмечалось, что такие электростанции могут быть бензиновыми и дизельными. Если предполагается приобретение генератора для стационарной установки, рассчитанного на продолжительную работу, то предпочтение, безусловно, отдается дизелю. Такие агрегаты, хотя и стоят дороже бензиновых, превосходят надёжностью, устойчивостью выдаваемых оборотов, способностью к длительным безостановочным циклам эксплуатации. Для нечастых и непродолжительных включений может быть достаточно и качественного четырехтактного бензинового генератора, как более простого в обслуживании и запуске, да и более дешевого и менее габаритного.

Цены на бензиновые электростанции Huter

бензиновый генератор Huter

Кстати, некоторые существенные недостатки бензиновых и дизельных электростанций в определенной степени снижены в газовых установках. Здесь и шумность поменьше, и выхлопы не столь «агрессивные», и стоимость «голубого топлива» несравнимо ниже.

Генераторная установка, работающая на природном газе.

Но и с ними тоже есть свои негативные нюансы. Так, установка подобной электростанции потребует согласования с организацией, поставляющей газ, составления проекта, а монтаж ее и пусконаладочные работы должны проводиться только специалистами газового хозяйства. Вторым фактором, существенно ограничивающим широкое распространение таких силовых установок, является их очень высокая стоимость, даже без учета предстоящих затрат на проектные и монтажные мероприятия.

Таким образом, рассматривать топливные генераторы в качестве основного источника электроснабжения при постоянном проживании в доме – вряд ли приходится. А вот в качестве надежного резервного, постоянного готового прийти «на выручку» — лучше ничего и не придумать.

Какой выходной мощности потребуется генератор?

Казалось бы – вопрос несложный. Надо всего лишь просуммировать потребляемые мощности приборов, подключаемых к домашней электросети и заложить определенный эксплуатационный запас.

Но при такой методике вполне можно очень сильно ошибиться как в одну, так и в другую сторону. И то, и другое – плохо. Электростанция с недостаточной мощностью будет глохнуть при высокой нагрузке. Работа с избытком невостребованной мощности негативно влияет на сам генератор. Кроме того, с ростом этого параметра весьма сильно увеличивается и стоимость оборудования.

В чем же особенности расчета?

• Прежде всего, нельзя забывать, что многие бытовые приборы и электроинструмент потребляют не только активную, но еще и так называемую реактивную мощность. И общий показатель получается выше – он определяется отношение номинальной мощности к коэффициенту, называемому cos φ. Этот коэффициент обычно тоже указывается в технических характеристиках изделия. И чем он меньше, тем выше итоговый показатель.

Показатели номинальной мощности и cos φ на шильдике асинхронного двигателя. И 180 Вт номинала превращаются в 265 Вт общей мощности с учетом реактивной составляющей.

• Многие бытовые приборы и инструмент характеризуются пиковыми показателями пускового тока, которые превосходят номинальные порой в несколько раз. Да, они непродолжительные, но вероятность того, что суммарное сиюминутное потребление превысит возможности неправильно просчитанного генератора – все же есть.

Если просто просуммировать показатели потребляемой мощности (тем более, с учетом реактивной и пусковой поправки) все х имеющихся в доме электроприборов, то наверняка получится очень большое значение. Но вероятность того, что вся нагрузка включается одновременно – крайне невелика. Кроме того, если генератор используется в качестве резервного источника питания (как оно обычно и бывает), на время его работы потребуется все же соблюдать определенную «энергетическую дисциплину».

Имеется в виду, что ряд приборов, безусловно, остаются включёнными практически всегда – это холодильник, система обеспечения работы газового котла, освещение в требуемых объёмах. Вряд ли хозяева захотят остаться без телевизора или (и) компьютера. Но вот с остальными приборами требуется осмотрительность. Скажем, если в данное время готовиться пища на электроплитке, то, по всей видимости, стоит подождать с запуском стиральной или посудомоечной машинки, с микроволновкой или обогревателем. И так далее – должны задействоваться те приборы, без которых на период работы резервного источника электроэнергии действительно нельзя обойтись.

Аналогичный подход должен распространяться и на электроинструмент, если генератор используется в период строительства, или же требуется срочное выполнение каких-то работ по хозяйству. Вряд ли имеет смысл, например, одновременно проводить сварочные работы и запускать какое-то обрабатывающее оборудование. Впрочем, решать хозяевам.

Безусловно, хозяева дома сам вольны выбирать режим потребления энергии, то есть составлять перечень приборов и инструментов, одновременную работу которых должен обеспечивать генератор. Но во всем должна быть осмотрительность и «трезвый» взгляд.

Ниже читателю предлагает онлайн-калькулятор, который поможет быстро и с достаточной степень точности просчитать требуемую мощность генератора. Пользователю предстоит лишь указать тип и количество ламп, используемых для освещения, а затем галочками отметить те приборы или инструменты, которые, по его мнению, должны одновременно обеспечиваться электроэнергией. В алгоритм расчеты внесены средние показатели мощностей приборов и инструментов уже с поправками на реактивную составляющую и на пусковые токи.

Калькулятор расчета необходимой мощности топливного генератора

Перейти к расчётам

Вот на этот показатель, учитывающий еще и эксплуатационный запас, следует ориентироваться при выборе модели топливного генератора.

Электростанция на солнечных батареях

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии автономной электроэнергетики является использование солнечных батарей. Специальные полупроводниковые фотоэлементы способны преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. У каждого из элементов не особо выдающие показатели вырабатываемой мощности, но они составляются в большие по площади панели, а определенное количество таких панелей уже способно обеспечивать энергией домашнее хозяйство.

Солнечные панели на крыше дома

Что можно сказать о достоинствах такой системы:

• Оборудование не нуждается в топливе – для получения электрическая используется исключительно энергия солнечных лучей.
• Отсутствие каких-либо сложных механических кинематических узлов делает такие электростанции очень надежными и долговечными. Срок их службы исчисляется десятилетиями.
• Солнечные электростанции не требуют сложных профилактических работ – достаточно содержать в чистоте рабочую поверхности панелей.
• Если генераторы, преобразующие кинетическую энергию (вращение) в электрическую, имеют какое-то конечное значение своей мощности, то солнечная электростанция при необходимости и достаточности места может наращиваться дополнительным количеством панелей. То есть система получается более гибкой и имеет широкий потенциал к дальнейшему развитию.
• Солнечная электростанция совершенно бесшумна, не имеет ограничений по месту установки. Точнее, для монтажа панелей может подойти любой незатенённый участок как на крыше дома и хозяйственных построек, так и на придомовой территории

Теперь несколько слов о недостатках:

• Совершенно очевидно, что работоспособность такой станции имеет выраженную цикличность – в темное время суток выработки энергии не происходит. Кроме того, прослеживается очень высокая зависимость от продолжительности светового дня и погодных условий. Для работы с полной эффективностью панелям требуется прямой солнечный свет. В пасмурную погоду выработка резко падает.
• Существенным недостатком является и высокая стоимость самих панелей. Даже без учета монтажных работ и приобретения всего необходимого для организации полноценной электростанции оборудования. Так, один ватт выработанной энергии потребует самих панелей на сумму, сопоставимую с 1,5 доллара. Несложно подсчитать, во что примерно обойдется приобретение фотоэлементов для, скажем, гелиосистемы с отдачей в 1 и более кВт – многих это отпугивает сразу.
• Солнечные панели вырабатывают электричество с небольшим показателем напряжения, и его требуется привести к стандартам потребления.

В силу последнего пункта, а также из-за нестабильности выдаваемой мощности, солнечная электростанция организуется по принципу аккумуляции и дальнейшего преобразования выработанной энергии.  Примерно эта схема выглядит так:

Примерная схема домашней солнечной электростанции

Выработка электроэнергии происходит в установленных в требуемом количестве солнечных панелях (поз. 1). Специальный прибор – контроллер системы (поз. 2), направляет выработанный потенциал на заряд аккумуляторных батарей (поз. 3). При включении нагрузки постоянный электрический ток напряжением 12 или 24 В поступает в инвертор (поз. 4), где преобразуется в переменный напряжением 220 В/50 Гц, и уже в таком виде передается на точки потребления (поз 5).

Схема, понятно, дана с большим упрощением. Так, на ней показан один аккумулятор, а на деле это обычно целая батарея из нескольких накопителей энергии, обладающая очень высокой ёмкостью.

Несколько аккумуляторов высокой ёмкости, собранные в одну батарею.

Нередко непосредственно от аккумуляторов (точнее, от контроллера) отводится низковольтная линия, минующая инвертор. К ней можно подключить систему освещения дома, укомплектованную, например, светодиодными лампами, требующими напряжения всего в 12 вольт.

Выходную мощность инвертора рассчитать можно по тому же принципу, что и мощность генератора, применив тот же калькулятор. Но это, как говорится, сиюминутная мощность, показывающая возможность одновременного подключения той или иной нагрузки. А вот расчет количества самих солнечных панелей и аккумулирующего блока все же стоит поручить специалистам. Здесь немало тонкостей, сложных для неискушённого в этих вопросах человека.

Система расчета основана на том, что скрупулезно просчитываются все точки потребления энергии (освещение, бытовые приборы и т.п.), с учетом их мощности и средней продолжительности работы за определенный период (допустим, сутки). После суммирования получается результат, выраженный в киловатт-часах (кВтч) – такое количество энергии необходимо обеспечить ежедневно для полноценной устойчивой работы всего электрического оборудования дома.

Исходя из этого показателя и напряжения аккумуляторов просчитывают их необходимую суммарную емкость, выраженную в ампер-часах (Аh). При этом учитывается и эксплуатационный запас, и определенный уровень, ниже которого разряжать АКБ не рекомендуется (скажем, 25÷30 % от полной зарядки). Соответственно, по суммарному показателю подбирается требуемое число аккумуляторов, из которых собирается общая батарея.

Наконец, рассчитывается число солнечных панелей определённой мощности, которое будет способно обеспечить систематическое восполнение заряда аккумуляторов. При этом принимается в расчет множество факторов – помимо характеристик самих панелей, учитываются географическая широта региона, продолжительность светового дня, климатические особенности, специфика места размещения панелей и другое. Конечным результатом должно стать оптимальное количество панелей.

Провести подобные вычисления самостоятельно – тоже, конечно, можно, но велика вероятность совершить ошибку, просто из-за некорректной оценки исходных данных. Впрочем, как уже говорилось, система отличается большой гибкостью, и при необходимости (или при появлении материальной возможности) ее можно наращивать.

Грамотно спланированная и качественно смонтированная система вполне способна стать основным источником электроэнергии для загородного дома. Но если она используется «в чистом виде», то всегда остается вероятность остаться без электричества в силу непредвиденных внешних обстоятельств – затянувшейся непогоды, когда при привычном потреблении приток энергии становится минимальным, что ведет к разрядке аккумуляторов.

Следует быть готовым, что первоначальные затраты будут весьма внушительными, и строить надежды на слишком быструю окупаемость вложенных средств – несколько наивно.

Видео: Пример домашней солнечной электростанции на 6 кВт

Ветровые электростанции

Колоссальную энергию перемещения воздушных масс (ветра) человек использует с древнейших времён. Достаточно вспомнить парусные корабли или, например, ветряные мельницы. Нашла она применение и ветроэнергетике, причем в некоторых странах эта отрасль поставлена буквально на промышленную основу.

Применяются ветровые установки и для обеспечения электроэнергией частных домов.

По сути, такая установка представляет собой обычный генератор, на оси ротора которого установлена крыльчатка с лопастями, приводимыми во вращение потоком воздуха. Как вариант – на ось ротора вращение передается посредством той или иной кинематической схемы (редуктора) – смысла это не меняет. А расположение оси крыльчатки может быть как горизонтальным, так и вертикальным.

Компоновка ветрового генератора может быть горизонтальной (на рисунке — слева) и вертикальной.

Что можно сказать о достоинствах ветровой электростанции?

• Источник энергии – совершенно бесплатный.
• Работа электростанции не сопровождается никакими выбросами в атмосферу.
• Существуют технологии самостоятельного изготовления энергетических установок, например, с использованием обычных электродвигателей или даже просто мощных неодимовых магнитов.

Недостатков больше, причем – они весьма существенные.

• Ветровая установка также очень зависима от установившейся погоды.
• Для того чтобы поймать хороший ветер иногда приходится поднимать ветряк на значительную высоту, что усложняет и без того непростой монтаж.
• Работа такой станции может сопровождаться весьма неприятными звуковыми эффектами.
• Не стоит ожидать от домашнего ветряка слишком высокой отдачи – позднее мы посмотрим на этот вопрос чуть пристальнее.
• Стоимость готовых ветровых станций – весьма высокая, и окупаемости, если рассчитывать только на энергию ветра, ожидать вообще не приходится.

Ветровую энергетическую установку в принципе следует рассматривать всерьез в качестве варианта только в том случае, если среднегодовой показатель ветра составляет не менее 4-5 м/с. В противном случае такая станция вообще не принесет никакой ощутимой пользы.

Карта примерного распределения показателей среднегодовой скорости ветра на территории России.

Этот показатель выводится по результатам многолетних метеорологических наблюдений, с учётом и максимальных значений, и полностью безветренных дней. Таким образом, он позволяет с достаточной степенью достоверности рассчитывать выработку «ветровой» электроэнергии на определенный период: неделю, месяц, год и т.п. На карте-схеме показаны лишь приблизительные значения, но узнать конкретное для своего населенного пункта несложно – достаточно обратиться в местную метеослужбу.

А вот в технических характеристиках ветровых генераторов обычно фигурирует другой показатель – расчетная скорость, которая обычно превосходит среднегодовую в 1,5 — 2 раза.  Ориентироваться на него при расчетах на перспективу – будет неверным. Он, скорее, показывает номинальную мощность генератора при оптимальной скорости вращения ротора.

Чтобы убедиться в том, что вряд ли стоит надеяться только лишь на «ветровую» электроэнергию, достаточно провести расчет возможной ее выработки.

Следует правильно понимать, что каким бы совершенным ни был сам ветряк или подключенный к нему генератор, объем энергии все равно определяется площадью, с которой она будет «сниматься». В случае с «классическим» горизонтальным ветряком эта площадь ограничена площадью круга, описываемого вращающимися лопастями. А ветровая энергия лежит в прямой зависимости от скорости перемещения потока и плотности воздуха. То есть никак «выше головы не прыгнешь».

Интересно, что при этом не имеет значения количество лопастей (выпускаются установки даже с одной лопастью). Наоборот, когда лопастей больше трех, появляются негативные аэродинамические моменты, снижающие общую производительность системы.

Цены на популярные бензиновые электростанции

 

Итак, существует формула, учитывающая упомянутые параметры, а также коэффициент использования ветровой энергии, коэффициенты полезного действия самого генератора (как правило, он не выше 0,85) и редуктора. КПД редуктора тоже бывает обычно не выше 0,9, но если вращение с крыльчатки на генератор передается напрямую, то можно принять его и за единицу.

Формулу приводить не станем – она заложена в алгоритм расчета предлагаемого вниманию онлайн-калькулятора:

Калькулятор прогнозируемой мощности, вырабатываемой ветровым генератором

Перейти к расчётам

Не составит трубе провести самостоятельный расчет, чтобы убедиться в весьма невысоких показателях выработки энергии. И это еще – для идеальных условий, когда практически полностью отсутствуют какие-то естественные или искусственные помехи ветру. И еще без неизбежных потерь в системе преобразования выработанной энергии.

Так как и ветровые, и солнечные источники энергии, для того чтобы стать полноценной электростанцией, требуют примерно одинаковой аппаратной оснащенности, их обычно объединяют в одну систему с общим управлением

Понятно, что ветровая электростанция, как сильно зависимая от внешних условия, должна оснащаться системой накопления и преобразования энергии. По этому критерию она мало чем отличается от солнечной. Поэтому очень часто их даже объединяют в общую систему, значительно повышая тем самым ее эксплуатационные возможности.

Ветровой источник электроэнергии – «за» и «против»

Установка ветрового генератора – довольно неоднозначное решение, требующее особого подхода к планированию и оценке работоспособности и рентабельности. Подробнее об этом, а также о возможности изготовления ветрогенератора своими руками – в специальной публикации нашего портала.

Наилучший выход – комплексное использование различных источников электроэнергии

Если владелец дома все же одержим желанием полной автономизации в вопросах электроснабжения, то оптимальным вариантом следует считать создание комплексной энергетической системы. Она будет включать в себя ветровой генератор (один или несколько), требуемое количество солнечных панелей, аккумуляторную станцию, всю необходимую аппаратуру коммутации и преобразования (контроллер, инвертор). И плюс к этому – резервный источник энергии в виде стационарно установленного дизельного или бензинового генератора.

При таком подходе полноценно используются все преимущества каждой из рассмотренных схем, сглаживаются имеющиеся недостатки. И в целом домашняя электростанция предстает полноценным «организмом», способным полностью удовлетворить энергетические потребности загородного дома.

Расширенная схема домашней электростанции с несколькими источниками энергии.

Нумерация позиций на этой схеме сохранена, по аналогии с рассмотренной в разделе солнечных электростанций. Но, как видно, есть и существенные отличия.

Итак, в качестве внешнего источника бесплатной энергии одновременно используются и солнечные панели, и ветровой генератор (поз. 1а). При идеальных условиях, то есть в ясный ветреный день они одновременно будут работать на заряд аккумуляторов. Ничего страшного – если уровень заряда достигнет верхнего предела, котроллер или выберет приоритет, отключив один из источников, или даже временно отключит оба.

Понятно, что в ночное время или при длительной пасмурной погоде работать будет только ветряк. Аналогично, при безветрии основным источником энергии становятся солнечные батареи.

Если же обстоятельства складываются таким образом, что ни один из источников не работает полноценно, а накопленного заряда становится недостаточно (аккумуляторы приближаются к нижнему допустимому пределу разрядки), автоматически запускается жидкотопливный или газовый генератор (поз. 6). Он, в зависимости от конкретных условий или произведенных настроек, будет работать или только на подзарядку аккумуляторного блока, или возьмет на себя одновременно и общее энергоснабжение дома.

В итоге хозяева (при наличии достаточного запаса топлива) получаются полностью застрахованными — электроэнергия у них будет при любых складывающихся обстоятельствах.  

Безусловно, создание такой универсальной «умной» системы требует профессионального подхода. При составлении проекта предстоит учесть множество исходных критериев, правильно подобрать оборудование, чтобы избежать возможных конфликтов между отдельными узлами и модулями. Реализация проекта потребует очень немалых затрат как в плане приобретения оборудования, так и для проведения монтажных и пусконаладочных работ.

Но зато на выходе будет система, которую при любом рассмотрении можно будет считать полноценной автономной домашней электростанцией.

Узнайте, как сделать солнечный воздушный коллектор своими руками, из нашей новой статьи на нашем портале.

*  *  *  *  *  *  *

В публикации были рассмотрены основные источники получения электроэнергии в условиях домашней автономной электростанции. Правда, «за скобками» остались еще несколько вариантов, которые на практике используются нечасто или даже просто существуют пока только в виде экспериментальных образцов.
Так, если крупно вывезло, и через участок протекает речка или ручей, вполне можно установить водяное колесо или турбину, связанные с генератором. Учитывая то, что скорость потока обычно сохраняется стабильной, такой источник электроэнергии будет работать независимо о капризов погоды. Правда, в зимнее время года в условиях нашего климата большинство подобных водоемов замерзает, что затрудняет работу станции или даже делает ее полностью невозможной.

Если территорию участка пересекает ручей или речка, то почему бы не воспользоваться потенциалом движущейся воды?

Другие способы – более экзотичные. Так, в интернете можно найти и чертежи, и обсуждения проектов станций, вырабатывающих ток из атмосферного электричества. Другим направлением является использование неиссякаемой геотермальной энергии. Но говорить о серьезности таких подходов на современном уровне развития технологий и доступности требуемого оборудования – пока не приходится. Тем не менее, надо полагать, что в будущем подобные источники для получения электроэнергии станут обыденным делом.

Автономная электростанция для дома и коттеджа

В сегодняшних условиях развития общества прослеживается постоянный и стабильный рост энергопотребления, при том, что сети остаются старыми и приходят в состояние все большего износа. Как следствие, учащаются случаи поломок и неполадок в электросетях, что делает центральное энергоснабжение нестабильным.

Эффективным вариантом защиты от подобных неожиданностей является использование альтернативного источника энергии – дизельного электрогенератора. Соответствующая по мощности модель установки с легкостью сможет обеспечить питание любого объекта – как дачного домика, так и крупного особняка.

Однако следует помнить, что для получения действительно качественного результата следует использовать соответствующее по качеству оборудование.

Современная автономная электростанция от авторитетного европейского производителя IVECO MOTORS уже после первого года эксплуатации станет выгоднее дешевого аналога и на это влияет целый ряд факторов:

• Долговечность и надежность в работе;
• Повышенный рабочий ресурс до ТО;
• Экономичность, позволяющая сокращать затраты топлива в несколько раз;
• Длительный срок гарантийного обслуживания.

Рассчитываем мощность электростанции

Приняв решение о приобретении дизель генераторной установки многие сталкиваются с проблемой выбора, поскольку в каждой из основных категорий представлены десятки различных моделей.

Для того, чтобы обеспечить стабильное автономное электроснабжение при оптимальных финансовых затратах, необходимо учесть несколько факторов:

• Нельзя забывать о габаритах ДГУ и их соответствии помещению, где будет размещена установка.
• Однако главным параметром является мощность установки, которая должна соответствовать суммарной потребляемой мощности дома или коттеджа с некоторым запасом, необходимым для стабильности напряжения и возможности увеличения энергопотребления.
• Важно, при расчете требуемой мощности, необходимо считать стартовую мощность энергопотребителя, а не номинальную.
• Если Вам необходимо не стандартное решение, проконсультируйтесь с техническим специалистом нашей компании.

Более подробную информацию вы можете прочитать в нашей статье «Рекомендации по установке дизель-генераторной установки».

Установка электростанции

Правильная инсталляция дизель генератора для дома или коттеджа требует выполнения целого ряда обязательных условий. Необходимо учитывать, что станция требует:

• В случае открытого исполнения должна быть размещена в специально подготовленном помещении, защищенном от высокой сырости, низких температур и осадков;
• В тоже время установка требует хорошей вентиляции и возможности отвода выхлопных газов;
• Естественно, помещение для установки должно иметь контакт с общей энергосетью обеспечиваемого объекта;
• Автономная электростанция должна монтироваться на жестком основании и иметь доступ для свободной циркуляции воздуха и возможности поточного обслуживания со всех сторон;
• В случае установки на улице, установка должна быть оснащена кожухом, защищающим генератор от внешних факторов воздействия, а также снижающим шумовой эффект.

Модели электростанций

Этапы работ

	1. Консультационный выезд По желанию клиента, специалисты технической службы компании «Бриз Моторс», осуществят консультационный выезд на участок установки оборудования, помогут оценить необходимую мощность, тип оборудования, стоимость работ и подробно ответят на все интересующие вас вопросы.
	2. Доставка Служба логистики компании «Бриз Моторс», бережно доставляет своим клиентам приобретаемое ими оборудование по всей территории РФ. Доставка производится всеми доступными видами транспорта. Действует гибкая система скидок.
	3. Установка Специалисты монтажной службы компании «Бриз Моторс», в минимально сжатые сроки, осуществят монтаж оборудования на ваш объект и запустят в эксплуатацию.
	4. Гарантийное, сервисное и техническое обслуживание Сертифицированные специалисты компании «Бриз Моторс», обеспечивают полный комплекс услуг по диагностике, гарантийному, сервисному и техническому обслуживанию оборудования, в соответствии с регламентом завода-изготовителя.

Гарантии и плюсы работы с «Бриз Моторс»

• Электростанции от ведущих европейских производителей.
• Собственный склад.
• Официальная гарантия от производителей.
• Укомплектованный опытными специалистами профессиональный штат.
• Сервисная служба по ремонту и обслуживанию дизель генераторных установок.
• Собственное производство блок контейнеров типа «Север» и мобильных станций.

Автономная солнечная электростанция для дачи и загородного дома в Уфе

Автономная электростанция для дачи или загородного дома позволяет использовать экологически чистый источник энергии. В зависимости от мощности, автономная солнечная электростанция для дачи, может частично или полностью обеспечивать потребность обитателей дачного хозяйства в электроэнергии.

Автономная солнечная электростанция для дачи обычно рассчитана на работу в течение сезона — с мая по сентябрь, а автономная солнечная электростанция для загородного дома постоянного проживания работает круглый год.

К преимуществам автономных солнечных электростанций относится простота эксплуатации. Они не требуют специального сервисного обслуживания, обычно достаточно время от времени очищать стекла и проверять контактные соединения.

Даже в условиях сурового климата автономная солнечная электростанция сможет обеспечить достаточное для функционирования дачи или загородного дома количество электроэнергии. Для подстраховки можно предусмотреть резерв — подключение к обычной электрической сети или дизель-генератор, но чаще всего в таком резерве нет необходимости.

Самые маленькие автономные солнечные электростанции могут обеспечивать уличное освещение или освещение небольших объектов на даче — например, теплиц, хозяйственных построек.

В некоторых случаях автономная электростанция на солнечных батареях для загородного дома является самым экономичным и доступным вариантом энергообеспечения. Речь идет об удаленных дачных, коттеджных поселках, отдельно стоящих домах. Солнечные батареи можно установить в отдаленных районах, в сельской местности. Это надежный и экономичный вариант автономного энергообеспечения в местности, удаленной от централизованных линий. Панели автономных солнечных электростанций закрываются ударопрочным стеклом, что делает их устойчивыми к механическим повреждениям и действиям вандалов.

Автономная электростанция для загородного дома: цена и выбор

Для правильного выбора автономной электростанции для дачи или загородного дома нужно определиться с некоторыми параметрами. В первую очередь, нужно рассчитать суммарную мощность электрических приборов, питание которых будет осуществляться за счет электростанции. Необходимо определить наибольшее потребление электричества в час. Кроме того, необходимо учитывать сколько месяцев в году должна работать автономная солнечная электростанция. Для дачи, как правило, это летний сезон, часть весны и осени, а для загородного дома — круглый год. Принципы выбора электростанций для дома постоянного проживания и для дачи примерно одинаковы, различие лишь в сезонности использования. Вам может понадобится электростанция только для обеспечения работы освещения, или для обеспечения работы холодильника, телевизора, стиральной машины, других бытовых приборов. Конечно, в этих случаях будет отличаться и комплектация, и цена.

Для правильного выбора также нужно учитывать солнечную активность в месте расположения дачи или загородного дома.

Автономная солнечная электростанция обычно включает в себя ряд компонентов: сами солнечные батареи (панели), аккумулятор, инвертор и контроллер.

Солнечные батареи (панели) бывают трех разновидностей — монокристаллические, поликристаллические и с напылением из кремния. Цена автономной солнечной электростанции для загородного дома в значительной степени зависит от стоимости этих элементов. Они отличаются по КПД, размерам, весу, цене.

Что касается аккумулятора, тут важно обратить внимание на температурный режим эксплуатации, мощность и уровень заряда.

Контроллеры и инверторы также отличаются по своим характеристикам.

На современном российском рынке представлены различные по мощности и комплектации автономные солнечные электростанции для загородного дома. Цена автономной солнечной электростанции для загородного дома в значительной степени зависит от мощности. Также на цену влияет комплектация и страна-производитель. Мы не рекомендуем дешевые автономные электростанции и комплектующие китайского производства. Процент брака среди них очень высок.

Автономная ветровая электростанция для загородного дома

Скажем еще несколько слов о другом альтернативном источнике электроэнергии — автономной ветровой электростанции для загородного дома. Такие электростанции обладают достаточно высокой стоимостью, они окупаются не ранее, чем через 5-6 лет. Автономная ветровая электростанция для загородного дома будет эффективно работать только в местности с сильными ветрами. Для размещения больше подходят приморские территории, площадки в горной местности.

Более выгодно комбинировать разные источники получения энергии, например, можно использовать ветровую электростанцию как дополнение к солнечной.

Посмотреть автономные солнечные электростанции для загородного дома:

Автономная электростанция для загородного дома СЭС 6000/8кВт

Автономная электростанция для загородного дома СЭС 6000/8кВт

СЭС-6000 состоит солнечных панелей NP 200, и в общей сложности производит до 28-30 кВт часов электричества в день при ярком солнечном излучении и служит для бесперебойного питания электроприборов бытового и хозяйственного использования.

Энергетическая система для загородного дома имеет модульную конструкцию, проста в эксплуатации и обслуживании. Эксплуатируется СЭС как автономно, так и с подключением в центральную электросеть.

Автономная солнечная установка мощностью мощностью 6000 ватт, с номинальной мощностью инвертора 8000Вт и банком аккумуляторных батарей общей емкостью 3200 А*ч включает оборудование европейского качества и силовую электронику высокой надежности.

Система автономного электроснабжения 6 кВт Цена: от 700.000 руб

Фото автономной системы 6 кВт предоставлены заказчиком из Ленинградской области, Приозерский район.

Технические характеристики

Код СЭС-6000/8кВт

Энергоэффективность системы до 30 кВт*ч в сутки летом

Энергетический потенциал АКБ емкость АКБ 3200 А*ч

Номинальная мощность системы 8000Вт

Максимальная мощность подключаемой нагрузки 8кВт

Мощность панелей 6000Вт

Солнечные панели 260Вт 24 шт

Контроллер заряда MPPT 80А 2 комплекта

Аккумуляторные батареи 200 А*ч 12 В 16 шт

Инвертор c З/У XTH 8000-48 1 комплект

Постоянная мощность Инвертора 8000 Вт

Устройства автоматической защиты DC 2 комплекта

Рабочий режим эксплуатации модулей при -40..+85 °С

Срок службы ФЭМ 25 лет

Гарантия 2 года

Электрические характеристики измерены при стандартных условиях: энергетическая освещенность 1 кВт/м2 при 25 °С.

Дополнительные услуги и отдельный заказ:

Конструкция крепления модулей (фасад/кровля), на выбор

Устройства автоматической защиты по переменному току, предохранители

Стеллаж для аккумуляторов

Солнечный кабель DC и соединительные кабели

Услуги по выезду специалиста на объект, монтаж и подключение.

Стоимость монтажа, шеф монтаж и ввод в эксплуатацию оборудования зависит от места расположения объекта. Руководитель монтажной бригады: квалифицированный специалист по фотоэлектрическим системам, солнечным коллекторам и ветрогенераторам.

Состав оборудования:

Солнечная электростанция может включать монокристаллические модули Saana 260Вт (+5%), или поли- и монокристаллические модули мощностью 200 — 260Вт.

В состав системы входят необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи емкостью до 3200А*ч, выполненные с использованием усовершенствованной технологии AGM, также подходят гелевые аккумуляторы.

Синусный инвертор оснащен системной панелью управления, зарядным устройством, датчиком температуры АКБ и реле переключения для автоматического запуска/остановки резервного генератора. Инвертор/Блок бесперебойного питания марки Studer Xtender XTH8000-48 имеет непрерывную мощность 8000Вт, обеспечивая работу АС нагрузки переменного тока. Форма выходного напряжения инвертора — чистый синус (синусоидальная волна). Дополнительная пусковая мощность инвертора, обеспечивает запуск нагрузок с высокими пусковыми токами. Инверторы данной серии идеально подходят для электропитания холодильных компрессоров, электродвигателей и подобных устройств.

MPPT контроллер нового типа, оснащенный системой поиска точки максимальной мощности заряда фотоэлектрических модулей. В комплект солнечной электростанции может входить мощный Studer VarioTrack MPPT-80A 12/24/48В с силой тока 80 ампер. Новый тип контроллера заряда оснащен системой поиска точки максимальной мощности заряда фотоэлектрических модулей. Одно из важных преимуществ предлагаемой энергетической установки — это сочетание мощных солнечных модулей и MPPT-контроллера, способного максимально увеличить количество энергии, генерируемой модулями.

Солнечная установка может включать (по желанию заказчика), оборудование марки Xantrex (Schneider Electric), например, контроллер заряда MPPT XW-MPPT80-600 в комплектации с Xantrex инверторами серии Conext SW с зарядным устройством.

Регулятор напряжения MPPT-80 отличается максимальным входным напряжением до 600В от солнечных модулей, наличием функции отслеживания точки эффективной мощности и высоким постоянным током зарядного устройства контроллера.

Модульная конструкция солнечной электростанции позволяет увеличить общую мощность установки за счет дополнительного подключения оборудования.

Сделайте Ваши расчеты энергопотребления, нагрузки, домашней техники. Подберите подходящую по энергоэффективности систему, отправьте нам техническое задание для предложения и оформите заказ.

Автономные системы электроснабжения для дома на солнечных батареях

Предлагаем Вашему вниманию готовые комплекты систем электроснабжения на солнечных батареях для решения конкретных задач (солнечная электростанция для автомобиля, резервное и автономное электропитание для дачи, системы автономного электроснабжения для дома, инверторные системы бесперебойного энергоснабжения для коттеджа, ИБП, автономный источник питания 12 Вольт для освещения и т.п.)

Все представленные здесь готовые решения являются не просто наборами комплектующих, а реальными системами, прошедшими тестирование в техническом отделе нашей компании и успешно эксплуатирующиеся нашими покупателями. Все готовые решения комплектуются всеми необходимыми кабелями и соединителями, так что покупателю остается только соединить разъемы по прилагающейся схеме, закрепить солнечные панели на крыше или на стене дома и пользоваться ими.

Если Вы не нашли среди готовых комплектов нужного Вам решения, звоните нам по телефону 8 (495) 619-39-43 и мы поможем подобрать оборудование для решения Вашей задачи. Также Вы можете отправить нам заявку по электронной почте или через форму обратной связи.

Каталог солнечных электростанций и ИБП

Использование солнечной энергии для дома становится все популярнее в России. И хотя пока не идет речи об экономии электричества по причине отсутствия государственной поддержки использования возобновляемых источников электроэнергии в частных домах и квартирах, но в тех местах, где нет магистральной электросети, использование энергии Солнца гораздо выгоднее использования топливных генераторов 220/380 Вольт.

Стоимость оборудования загородного дома солнечными батареями достаточно высока. Причем, в Московской области и в средней полосе России выработка электроэнергии от фотоэлектрической станции в зимнее время в 5-10 раз меньше, чем летом. В связи с этим нужно понимать, что автономное солнечное энергоснабжение домов выгодно только в весенне-летний период, а осенью и зимой периодически придется использовать бензиновый или дизельный электрогенератор для подзарядки аккумуляторов при длительной пасмурной погоде.

Кроме фотоэлектрических систем, большое распространение получили инверторно-аккумуляторные системы резервного электроснабжения, которые кроме своей основной функции источника бесперебойного питания при отключении света, обладают также возможностью увеличения мощности сети, используя энергию в аккумуляторах. На основе таких систем возможно создание гибридных систем электроснабжения, отличительной особенностью которых является приоритетное использование солнечной энергии.

 

Системы автономного электроснабжения по низким ценам покупайте в интернет-магазине Solnechnye.RU

Автономные электростанции для загородного дома в Краснодаре

Автономные электростанции для загородного дома

Технический прогресс стремительно меняет привычный уклад человечества, требуя постоянного потребления электроэнергии. Человек нуждается в этом ресурсе повсеместно, практически любая деятельность не обходится без электричества.

В настоящее время существует необходимость не только в освещении помещения или территории, многие бытовые приборы и инструменты требуют постоянного электроснабжения. Если в городе отмечается в основном стабильная и бесперебойная подача, то за его пределами ситуация может быть совершенно иной.

Линии электропередач в силу своего длительного срока эксплуатации, часто нуждаются в квалифицированном техническом обслуживании, что не всегда бывает своевременным. В связи с этим, наблюдаются частые поломки, что доставляет немалый дискомфорт владельцам загородной недвижимости. Кроме того, подключение к уже имеющейся сети, может иметь несколько неприятных моментов, что не соответствует ожиданиям. Довольно часто владельцам предлагают ограниченную мощность, что доставляет массу неудобств. Автономная электростанция стала решением этой проблемы для собственников загородной жилой или коммерческой недвижимости.

Компания «MOTOR» готова предложить своим покупателям качественные автоматизированные дизельные электростанции по приемлемым ценам.

Перед оформлением заказа, каждый покупатель должен еще раз удостовериться, что выбрал оптимальный вариант для собственного загородного дома. Поэтому необходимо знать о некоторых важных нюансах. Что следует учесть:

• Размеры оборудования и размеры помещения, где планируется установка. Место для расположения, должно быть просторным, обеспечивающим свободный доступ к автономной станции для технического обслуживания.
• Предполагаемая мощность, которая необходима для стабильного электроснабжения. Важно помнить, что приобретаемая автономная электростанция должна быть несколько больше по объемам поставляемой мощности, что позволит гарантировать бесперебойную подачу энергии.
• Расчет мощности включает в себя стартовую мощность потребления энергии, а не номинальную.
• Нередко клиенты обращаются с индивидуальными заказами, которые отличаются от стандартных решений. В этом случае необходима помощь консультанта, который поможет выбрать оптимальное оборудование.

Преимущества автономной электростанции

Стабильное электроснабжение далеко не единственный плюс в использовании устройства. Автономная электростанция обладает рядом преимуществ, что обусловлено таким высоким спросом на данный тип оборудования. Предлагаем ознакомиться с основными положительными моментами использования представленного типа электроснабжения:

1. Передача электроэнергии для загородной недвижимости осуществляется бесперебойно и стабильно.
2. Огромный выбор оборудования, предложенный на нашем сайте, гарантирует закупку оптимального устройства исходя из предоставленных покупателями данных.
3. Стоимость электростанции, доставка, а также ее установка позволит сэкономить лишние финансовые средства. Уже через пару месяцев использования данного типа электроснабжения, разница станет ощутимой.
4. Мы предлагаем качественную продукцию, которая отличается надежностью и долговечностью. При соблюдении требований во время установки оборудования, длительный срок эксплуатации гарантирован производителем.
5. Автономная станция для подачи электроэнергии считается самым мобильным средством.

Условия для установки автономной электростанции

Специалисты компании «MOTOR» готовы предложить свои услуги, установка электростанции происходит быстро, но самое главное – качественно. Монтаж автономной станции требует определенных условий, с которыми важно ознакомиться предварительно.

1. Оборудование должно быть размещено в специальном помещении, которое защитит его от влаги, сырости, резких перепадов температуры и осадков.
2. Помещение для установки должно иметь хорошую вентиляционную систему.
3. Автономная электростанция требует монтажа на жестком основании, а также свободную циркуляцию воздуха.
4. Подготовленное место должно быть свободным, следует уделить особое внимание его шумоизоляции.

Среди наших клиентов крупнейшие организации России, которые ценят высокое качество продукции, компетентность сотрудников и приемлемые условия сотрудничества. Мы зарекомендовали себя как ответственного исполнителя и надежного партнера. Опытные логисты рассчитывают время доставки, менеджеры по продажам, всегда готовы предложить выгодные варианты. Что необходимо знать о компании «MOTOR»:

• Наш завод, уже более 10 лет специализируется на производстве энергетического оборудования.
• В нашем штате работают опытные и высококвалифицированные специалисты.
• В отличие от многих конкурентов, мы предлагаем собственную сервисную службу.
• В распоряжении компании огромная производственная территория.
• Мы стремимся соответствовать запросам клиентов, поэтому применяем в производстве только современные технологии и предлагаем исключительно качественную продукцию.
• У нас всегда богатый ассортимент. Представлены различные модели, среди которых как малые электростанции, так и объемные.

Поскольку автономная электростанция имеет массу разновидностей, далеко не все покупатели имеют четкое представление, какой товар следует приобрести. Важно! Каждый заказ имеет индивидуальные характеристики, поэтому рекомендации знакомых в выборе модели будут неуместны. На главной странице сайта предложены контактные номера для связи, наши специалисты ответят на любые вопросы, а также подробно проинформируют об особенностях разных типов автономных оборудований для подачи электричества.

Консультант помогает определиться с продукцией, при этом учитывается объем потребляемой мощности, размер загородного дома и помещения для автономной электростанции. Далее происходит непосредственное оформление заказа, с указанием адреса доставки. Важно отметить, что товар отправляется в любой населенный пункт нашей страны. В этом случае, каждый клиент вправе лично выбрать транспортную компанию из предложенного списка, которая и займется транспортировкой груза.

Монтажная группа рабочих, компании «MOTOR» быстро и надежно установит оборудование и подготовит все необходимое для запуска и непосредственной эксплуатации устройства. Установленная нашими специалистами электростанция, автоматически переходит на сервисное обслуживание. Более подробную информацию можно получить по телефону у менеджера.

Стоимость каждого заказа рассчитывается индивидуально. Цена зависит не только от протяженности указанного маршрута, но и от срочности поставки товара, габаритов выбранного оборудования и установленных тарифных планов транспортной компании. Многолетний опыт позволяет утверждать, что совокупная стоимость окажется выгодным предложением.

Важно понимать, что автономная электростанция для загородного дома, цена на которую в компании Юг-Энерго самая выгодная, выбирается только из предоставленных данных об объекте. Мощность устройства должна быть подобрана с определенным запасом, чтобы исключить в будущем ограничение потока электричества. Точное соблюдение всех требований для установки автономного оборудования гарантирует его максимальный срок службы.

В компании «MOTOR» представлен огромный выбор товаров, а компетентные сотрудники, всегда готовы предоставить подробную консультацию о характеристиках того или иного оборудования, а также об условиях установки и доставки. Доверьтесь профессионалам! Нашими услугами воспользовались уже миллионы покупателей, среди которых множество известных организаций в нашей стране.

Автономное электроснабжение

Организация автономной подачи электричества важна для загородных домов, дачных участков. В этом случае используются генераторы, которые вырабатывают электричество. В зависимости от мощности и вида, оборудование может использоваться постоянно или в качестве резервной системы.

Виды автономного электроснабжения

Автономные электростанции являются лучшим решением для комфортной жизни в загородном доме. Реализация проекта электроснабжения зависит от вида генератора, схемы монтажа и принципа работы. Наиболее популярными видами генераторов для обеспечения автономного электроснабжения являются:

• дизельные генераторы;
• бензиновые генераторы;
• газовые генераторы.

Тип оборудования подбирается в зависимости от общего энергопотребления, целей и стоимости. Бытовые генераторы являются менее мощными моделями и применяются в качестве резервной системы выработки тока. Профессиональные станции отличаются высокой мощностью и могут использоваться постоянно.

Цены на генераторы

Стоимость генератора зависит от функционала и мощности. Маломощные модели являются самыми дешевыми, мощные генераторы имеют более высокую цену.

На стоимость влияют и дополнительный функционал, которым оснащаются устройства:

• стабилизатор;
• электростартер, система автоматического включения или пульт управления;
• автоматическая регулировка потребления топлива.

Монтаж

Подключение генератора выполняется специалистами, учитываются требования СНиП и СанПиН. От правильности проведения работ зависит срок эксплуатации, бесперебойность функционирования оборудования и безопасность его работы.

Этапы проведения монтажа:

• выбор вида и параметров генератора;
• расчет сметы проекта и сроков выполнения работ;
• установка оборудования, монтаж дополнительных элементов системы;
• наладочные работы, проверка оборудования.

Клиентам предоставляются также и услуги по сервисному гарантийному и постгарантийному обслуживанию.

Эффективность автономного электроснабжения

Мини-электростанции можно использовать не только для частных целей, но и для обеспечения электроэнергией офисных зданий, торговых центров, предприятий.

Преимущества систем:

• возможность бесперебойной подачи электричества;
• работа в постоянном режиме;
• полноценная замена централизованного энергоснабжения.

В компании «ДОМИАТО» представлен широкий ассортимент генераторов по доступным ценам. Покупайте качественное оборудование с доставкой по Москве и области, и заказывайте организацию автономного электроснабжения.

Самодостаточный подход к энергии на основе био-водорода

Abstract

Вследствие парникового эффекта и глобального энергетического кризиса поиск источников чистой альтернативной энергии и разработка приложений для повседневной жизни стали неотложными задачами. В этом исследовании предлагается разработка «автономного дома» с упором на использование современных технологий зеленой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, достижения энергетической автономии и разумного использования энергии для создания устойчивой и комфортной среды обитания.Двумя атрибутами домов являются: (1) самодостаточный энергетический цикл и (2) автономный контроль энергии для поддержания экологического комфорта. Таким образом, автономный дом сочетает в себе энергосберегающий пассивный дизайн, снижающий выбросы углерода, с активными элементами, необходимыми для поддержания комфортной среды.

Ключевые слова: Производство водорода путем темной ферментации, топливные элементы с протонообменной мембраной, пассивный дизайн, активное оборудование, технология экологически чистой энергии

1. Предпосылки и цели

Усилия по продвижению применения и использования энергии с начала Результатом 20 века стало изобретение многих видов энергоемкого активного оборудования и бытовой техники.В связи с растущим осознанием уязвимости экологической среды Земли с конца 20 века защитники окружающей среды пропагандируют энергосберегающий пассивный дизайн. После парникового эффекта и глобального энергетического кризиса рассвет 21 века заставил мир столкнуться с противоречием между энергосберегающим устойчивым пассивным дизайном и энергоемким активным дизайном, отвечающим требованиям комфорта. Это привело к новой парадигме разумного использования энергии.Сообщества и жилища должны использовать новые методы, такие как датчики, аккумуляторные батареи и преобразователи энергии, чтобы улучшить домашнюю среду [1]. В этом исследовании предлагается разработка «автономного дома на основе энергии биоэнергетики», использующего альтернативную энергию в сочетании с датчиками окружающей среды, компьютерными технологиями и активными архитектурными элементами для улучшения некоторых недостатков производительности пассивных домов.

2. Ретроспектива литературы

«Автономный дом» определяется как дом, который может функционировать независимо от поддержки и услуг со стороны общественных объектов [2].Однако движение автономных домов не требует, чтобы пользователи вели уединенный и скудный образ жизни. Ключевой характеристикой автономного дома является использование технологий экологически чистой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, а также создания устойчивой, высококачественной и комфортной среды обитания. В области архитектуры «автономия» имеет два значения: автономное управление и самодостаточность [3]. Автономия означает, что человек может самостоятельно управлять своими делами и принимать независимые решения без влияния или контроля со стороны других [4,5].Самодостаточность означает, что можно поддерживать самообеспеченность такими ресурсами, как еда, вода и энергия [6].

Хотя автономия и самодостаточность применяются к различным ситуациям в разных областях обучения и предметах, на самом деле они являются частично совпадающими понятиями, которые довольно трудно различить. В социологии самодостаточность используется для описания образа жизни людей, живущих на обочине общества [7]. Что касается политики социального обеспечения, программы самообеспечения призваны помочь семьям с низкими доходами обрести экономическую независимость [8,9].В области городского планирования одно предложение призывает к строительству самодостаточных индивидуальных домов вокруг большого общего дома с общими удобствами, чтобы преодолеть отчуждение современных подразделений и создать совместную жилую среду [10]. В архитектуре автономные легкие дома относятся к жилищам кочевых народов. Конечно, кочевничество также рассматривается как образцовый самодостаточный образ жизни. В области защиты окружающей среды автономия в последнее время стала ключевым принципом в технологиях зеленой энергии и использовании водных ресурсов [11–14].В Нидерландах самодостаточность представляет собой концептуальную основу, включающую как технологическую, так и экологическую политику [15]. Использование чистой энергии и бытовой техники — необходимые условия для комфортной жизни [16]. Тем не менее, проживание в автономном доме не означает, что его жители должны вести жизнь кочевников или людей, находящихся на маргиналах. Вместо этого в автономном доме применяются альтернативные источники энергии и другие соответствующие технологии в соответствии с принципом автономии и, таким образом, снижается зависимость от ископаемого топлива и сокращаются выбросы углекислого газа, чтобы улучшить глобальное потепление, сохраняя при этом высококачественную среду обитания.

Множество разногласий по-прежнему связано с поиском автономии в области энергетики и ресурсов. Согласно книге 2004 г. « Почему глобализация работает, » экономиста Вольфа [17], защитника рыночной экономики, разделение глобальной экономики на самодостаточные регионы или отдельных лиц вызовет разворот и крах глобализации. это происходит с 1960-х годов, что приведет к атрофии цивилизации. Недавнее принятие Китаем защитной политики продовольственной самообеспеченности, направленной на обеспечение продовольственной безопасности, стало сильным ударом по рыночной экономике.Тем не менее, целенаправленное продвижение рыночной экономики также является весьма сомнительной стратегией. Во времена нехватки продовольствия в мире Япония, которая изначально была самодостаточной в рисе, фактически использовала рис для производства автомобильного топлива и разработала «машину для рисового спирта». Но хотя это расширило возможности применения и повысило ценность продовольственных культур, скептически настроенные японские исследователи считают, что это приведет к увеличению цен на продовольствие и приведет к трудно решаемой нехватке сырья [18].Король Таиланда Пумипон выступает за экономическую самодостаточность, делая упор на региональном или индивидуальном стремлении к энергетической и ресурсной автономии. Помимо преимуществ самодостаточности и независимого контроля, автономия также может обеспечить энергосбережение и сокращение выбросов углерода за счет ограничения торговли и транспортировки энергии и ресурсов [19]. Область экономики основана на предпосылке, что человеческие потребности безграничны, а ресурсы ограничены; он подчеркивает функционирование рыночного механизма, но игнорирует влияние таких нерыночных факторов, как возобновляемые ресурсы и влияние на экологию на экономические системы.Естественный мир в конечном итоге поддерживает человеческие экономические системы. Эксплуатация человеком окружающей среды в течение последних сорока или пятидесяти лет вызвала огромные разрушения и, скорее всего, будет иметь необратимые последствия [20]. Такие вопросы, как автономия, проводить ли локализацию или глобализацию и поддерживать ли экономическую самодостаточность или рыночную экономику, остаются весьма противоречивыми. Наконец, очень сложный вопрос — как использовать архитектурный дизайн для сохранения автономии в энергии и ресурсах.

Термин «автономный дом» был впервые предложен Александром Пайком, целью исследования которого было разработать систему обслуживания дома, которая могла бы снизить потребление местных ресурсов [21]. В 1975 году Вейл определила автономный дом как дом, который может функционировать независимо и не требует дополнительных затрат со стороны близлежащих коммунальных служб. Этот тип дома не нужно было подключать к таким услугам, как газ, вода, электричество или канализация; он использовал альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия или энергия ветра, и мог очищать собственные сточные воды и сточные воды.Таким образом, он не производил никаких загрязнений и не тратил впустую энергию. Первый автономный дом, согласующийся с теорией, был спроектирован и построен в 1993 году создателями автономного дома Брендой и Робертом Вейлом [22]. Этот дом обеспечивает автономию в области водоснабжения, энергетики, канализации и очистки сточных вод, а также производит электроэнергию для использования в городе. Конечно, многие построенные сооружения, соответствующие принципу автономии, долгое время существовали в естественных экологических системах. Например, курганы термитов используют некоторые ключевые принципы пассивного дизайна.представлены четыре структуры, воплощающие принципы автономного проектирования, и обсуждаются их функции / размер, расположение, ключевые технологии, принципы проектирования и значение исследований.

Таблица 1.

Анализ зданий с применением автономных принципов.

Имя Объект	Курганы [23]	Автономный дом [22]	Жилищный проект Хокертон [24]	Самостоятельный небоскреб [25]
Иллюстрация
Дизайнер / год	Термиты / неизвестно	Бренда и Роберт Вейл / 1993	Бренда и Роберт Вейл / 1998	Мэтью Спаркс / запланировано
Функция	Подземный дом	Частный дом	Арендное сообщество	Офисное здание
Расположение	Африка	Ноттингемшир, Англия (центр города)	Хокертон, Англия (пригород)	Эр-Рияд, Дубай и Бахрейн (побережье)
Ключевые технологии и принципы проектирования	Термит курганы имеют пассивную конструкцию, регулирующую воздушный поток и сохраняющую энергию.Курганы дают термитам автономию: помимо обеспечения комфортной среды обитания, курганы также способствуют росту грибов (которые утилизируют отходы термитов).	Энергию получают от солнца и ветра; дождевая вода собирается для использования в качестве питьевой. Дом построен с максимально возможным использованием переработанных и местных материалов.	Электроэнергия и водоснабжение, а также очистка сточных вод обеспечиваются системой с нулевым выбросом углекислого газа; продукты питания выращиваются по технологии пермакультуры.Сообщество состоит из пяти модульных одноэтажных засыпок. Модульная конструкция упрощает строительство домов и снижает расходы.	Цилиндрическая форма башни обеспечивает минимальную площадь воздействия солнечных лучей и, таким образом, снижает потребность в энергии для кондиционирования воздуха. На крыше есть ветряная турбина, солнечные батареи и аккумуляторные батареи для аварийного использования. Солнечные батареи на море вырабатывают энергию из водорода, извлекаемого из морской воды. Энергия хранится в водородных топливных элементах для использования в ночное время.
Значение для научных исследований	Сканирование и компьютерное моделирование термитников предоставили исследовательскую модель для пассивного энергосбережения и удаления отходов.	Этот дом, расположенный в центре современного западного города, демонстрирует автономный и устойчивый образ жизни.	Ограничения по контрактам на строительство домов, общественное планирование и аренду формируют это кооперативное автономное сообщество.	Использует современные зеленые технологии, поддерживает устойчивое развитие окружающей среды и создает качественную и комфортную среду обитания.

3. Теоретическая основа

В соответствии с определением автономного дома, ретроспективой литературы и анализом конкретных случаев, с макроскопической точки зрения, автономное проектирование дома включает в себя три области: устойчивую окружающую среду, архитектурное проектирование и энергетические приложения. ().Обращаясь к микро-точке зрения, соображения устойчивости и применения энергии включают (1) технологию зеленой энергии (возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергетика (включая разность потенциалов и приливную энергию) и термоядерный синтез), (2) видение и цели, (3) факторы выбора зеленой энергии и оценка осуществимости. Что касается энергетических приложений и архитектурного проектирования, элементы включают (1) цикл самообеспечения, (2) преобразование и форму энергии (включая преобразование и расчет энергии и работы, соответствие между входами и выходами и методы обработки), (3) поддержку здания. система и (4) оценка осуществимости.Архитектурный дизайн и соображения устойчивости включают (1) автономную среду (расположение дома, планировку и размер), (2) автономное проживание (независимые жилища или форма кооперативного сообщества) и (3) автономный дом (принципы пассивного проектирования, дополнительное использование активного оборудования для повысить производительность) ().

Макроскопическая перспектива автономных домов.

Микропредметы в автономных домах.

4. Моделирование и эмпирические исследования

4.1. Видение и цели

Автономный дом на основе био-водородной энергии предполагает, что в течение десяти лет технология водородной энергетики достигнет уровня зрелости, позволяющего использовать ее во многих повседневных применениях.Когда наступит это время, каждая семья сможет установить «резервуар для брожения, вырабатывающий водород», похожий на септик, и водородные топливные элементы размером примерно с кондиционеры на окнах. Если проектная цель производства водородной энергии, удовлетворяющая средней потребности домохозяйства в электроэнергии 3 кВт, может быть достигнута, на каждые 200 000 домохозяйств потребуется на одну тепловую электростанцию ​​меньше (т. Е. Вырабатывающую в среднем 600 МВт). Распределенные электрические системы в домашних условиях могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций и, таким образом, достичь целей энергосбережения, сокращения выбросов углерода и энергетической автономии.

4.2. Технология «зеленой» энергии и био-водородная энергия

Принимая во внимание стремление к автономному производству и потреблению электроэнергии в домашних условиях, какая форма альтернативной энергии является наиболее подходящей в качестве основного источника энергии для домашних хозяйств? Этот вопрос давно вызывает у энергетиков и экономистов. Согласно рекомендации исследовательской группы по применению био-водородной энергии Университета Фэн Чиа, система с наибольшим коммерческим потенциалом представляет собой «систему выработки энергии на основе био-водорода в реальном времени», состоящую из установки для производства водорода темного брожения (анаэробный биореактор с непрерывным перемешиванием, CSABR) и топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC).Этот тип системы может генерировать возобновляемую энергию, а также обрабатывать городские отходы и сточные воды. Факторы оценки зеленой энергии включают такие объективные условия, как доступность сырья, климатические факторы, ограничения площадок, пороговые значения производственных технологий и удельные затраты. Для сравнения, хотя солнечную и ветровую энергию легко получить, они сильно зависят от климата и относительно ненадежны. Гидроэнергетика подлежит ограничениям на размещение, а ядерная энергия имеет гораздо более высокий технологический порог, чем могут выдержать обычные домохозяйства.С точки зрения энергетической автономии домашних хозяйств, производство водорода из биомассы и выработка электроэнергии предлагает преимущества легко приобретаемого сырья, отсутствие влияния климата, стабильную выходную мощность, отсутствие ограничений на площадку и относительно низкий порог технологии производства.

В этом исследовании рекомендуется использовать энергетические системы биомассы, включающие преобразование биомассы в водород, который затем хранится в форме с высокой плотностью и в конечном итоге преобразуется в формы энергии, которые могут использоваться в домашнем хозяйстве.Подходящие типы биомассы включают навоз животных, отходы сельскохозяйственных культур, древесину, сахарные культуры, городской мусор, городские сточные воды, водные растения и энергетические культуры. Из них городские отходы, такие как городской мусор и городские сточные воды, будут играть наиболее важную роль. По оценкам, Тайвань в настоящее время производит шесть миллионов тонн органических отходов ежегодно, которые могут быть использованы в качестве сырья для производства энергии из биомассы.

4.3. Цикл самообеспечения

Для того, чтобы соответствовать принципам самообеспеченности энергией, автономный дом на основе био-водорода должен завершить цикл самообеспечения, включающий производство энергии, хранение, контроль распределения, загрузку приложений, рециркуляцию, утилизацию и повторное использование. .Под средой жизнеобеспечения понимается экосистема в биосфере Земли, которая может удовлетворить физиологические потребности живых организмов. Экономические системы должны получать функции жизнеобеспечения от естественной среды, иначе они не смогут выжить. Основная тема концепции устойчивого развития заключается в том, что последствия действий человека должны подвергаться определенным ограничениям, чтобы не разрушать разнообразие, сложность и функции экологических систем жизнеобеспечения [26]. Как следствие, эффективно функционирующая автономная система, основанная на человеческом обществе, должна объединять экологические и экономические аспекты, если она хочет реализовать идеалы устойчивого развития.показывает, что мировые ресурсы и энергия будут быстро исчерпаны из-за эффекта энтропии в рыночной экономике, уделяя особое внимание только процессу, охватывающему только сырье, производство и потребление продуктов [27]. показывает, как устойчивое развитие должно объединять экологию и экономику, подчеркивает рециркуляцию и повторное использование после потребления и опирается на цикл самодостаточности для снижения потребления энергии и замедления энтропии.

Цикл самообеспечения.

4.4. Система поддержки здания

В соответствии с циклом энергетической самообеспеченности здание может рассматриваться как средство преобразования массы в энергию и должно состоять из цикла, состоящего из производства энергии, хранения, управления распределением, приложений загрузки, рециркуляции, утилизации и повторного использования. .Здание также должно иметь опорную систему, включающую: (1) камеру для производства био-водорода, (2) резервуар для хранения водорода, (3) установку для подачи водорода, (4) топливные элементы, (5) другие вспомогательные альтернативные источники энергии. (солнечная энергия, энергия ветра и т. д.), (6) аккумуляторные батареи, (7) преобразователь, (8) диспетчерская и панель описания и (9) силовая нагрузка здания. Если в будущем будут использоваться автомобили на водородных топливных элементах, то (10) можно добавить установку для заправки водородом. Если количество электроэнергии, вырабатываемой зданием, может превышать его потребление и может быть предоставлено другим местным пользователям, то можно добавить подключение к электросети общего пользования ().Биологическая камера производства водорода состоит из пяти основных компонентов: (а) резервуар для субстрата, (б) резервуар для питательной соли, (в) резервуар для ферментации для производства водорода, (г) резервуар для разделения газа и жидкости и (е) устройство для очистки водорода. Система производства энергии на основе биоводорода в реальном времени включает в себя процессы производства водорода, хранения водорода, поставки водорода и его использования ().

Биоводородная система выработки электроэнергии в реальном времени.

4.5. Технико-экономическое обоснование

В этом разделе делается попытка определить на основе проектной цели производства энергии на био-водороде, удовлетворяющей средней потребности домохозяйства в электроэнергии в 3 кВт, какое вспомогательное оборудование потребуется, объемы помещений, площади и расположение, а также схему плана. здания.Эта информация послужит ориентиром для проектирования односемейных автономных домов.

Согласно информации Тайваньской энергетической компании [28], статистика за последние пять лет показывает, что домашнему хозяйству необходимо 3–4 кВт установленной мощности. Согласно Лин [29], ферментационный резервуар для производства водорода ³ объемом 3,2 м может удовлетворить потребности в энергии обычной семьи. Однако, если в качестве сырья выбрана биомасса, переменные, такие как методы обработки и преобразования, а также факторы окружающей среды (температура, влажность, давление и т. Д.)) повлияет на скорость производства водорода и плотность водорода. Установка резервуара для хранения водорода может решить проблемы, связанные с переменной производительностью. Избыточный водород можно хранить и использовать в тех случаях, когда его количество недостаточно. Согласно системе выработки энергии в реальном времени на биоводороде, разработанной университетом Фэн-Чиа, в течение 300 дней использования каждый литр резервуара для производства биогидрогена производил 1,15 ± 0,08 литра водорода в час. Когда маленькие светодиоды были подключены к системе, работающей при температуре окружающей среды (25 ° C), ток и напряжение были равны 0.38 А и 2,28 В соответственно. Согласно формуле мощность = ток × напряжение, система вырабатывала в среднем 0,87 Вт (0,38 × 2,28 = 0,87 Вт). Следовательно, можно консервативно оценить, что резервуар для ферментации для производства водорода объемом 3222 л (≈3,2 м ³ ) потребуется для размещения средней домашней нагрузки в 3 кВт ((3000 / 0,87) ÷ (1,15–0,08) = 3222 L ≈ 3,2 м ³ ). Это примерно размер обычного коммерческого септика (2–3 м ³ ). На экспериментальной установке по производству био-водорода Университета Фэн Цзя () пять основных компонентов камеры для производства био-водорода (резервуар для субстрата, резервуар для питательной соли, резервуар для ферментации для производства водорода, резервуар для разделения газа и жидкости и устройство для очистки водорода) имеют соотношение объемов 2: 2: 1: 1: 1.Как следствие, общий объем камеры производства био-водорода будет в семь раз больше, чем объем бродильного чана для производства водорода, то есть 22,4 м ³ . Предполагая, что обычный дом с вертикальным просветом 2,5 м, потребуется примерно 15 м ² площади оборудования (при условии, что высота резервуара составляет 1,5 м). Если коридоры и другое оборудование занимают одну четверть помещения для производства био-водорода, тогда для помещения потребуется общая полезная площадь 20 м ( ² ).Коммерческие топливные элементы мощностью 3 кВт имеют объем примерно 0,33 м ³ (http://www.solore.com.tw/power/fuel/stacks/3kw.htm). Резервуары для хранения водорода должны быть в состоянии хранить достаточно водорода в течение трех дней. Так как среднее домашнее хозяйство на Тайване использует примерно 3 × 320 ÷ 30 = 32 кВтч каждые три дня, а топливный элемент мощностью 3 кВт требует 36 л водорода в минуту, 36 л водорода могут, таким образом, произвести 0,05 кВтч. Таким образом, на три дня потребуется примерно 32 ÷ 0,05 = 640 л водорода. Коммерческий резервуар для хранения водорода объемом примерно 1.68 м ³ (http://www.hbank.com.tw/fc_products_pr_05.htm), следовательно, можно использовать в этом приложении. Согласно фактическим данным Исследовательского центра энергетики и ресурсов FCU, когда рабочий объем составляет 3 л, а HRT составляет 8 ч, концентрация матрицы в сырье будет 20 г ХПК / л, и система будет вырабатывать 0,87 Вт электроэнергии. . Кроме того, поскольку 20 г ХПК / л = 17,8 г сахарозы / л (фактические данные), для получения 0 потребуется 6,675 г сахарозы / ч (3–1 / 8 ч x 17,8 г сахарозы / л = 6,675 г сахарозы / ч).87 Вт и 23 017 г сахарозы / час потребуется для выработки 3 кВт (6,675 г сахарозы / час x 3000 / 0,87 = 23 017 г сахарозы / час). По данным Taiwan Power Corp., среднее ежедневное потребление электроэнергии домохозяйством составляет 10 кВтч, поэтому система должна работать в течение 3,3 часа в день, чтобы обеспечить ежедневную электрическую нагрузку домохозяйства в 3 кВт (10 кВтч / 3 кВт). Таким образом, на одно домашнее хозяйство в день потребуется в общей сложности 75 956 г сахарозы (23 017 г сахарозы / ч × 3,3 ч / день = 75 956 г сахарозы / день).

Экспериментальная установка по производству био-водорода (слева, внутри; справа, снаружи).

дает размеры объемов и площадей помещения для хранения сырья биомассы, помещения для производства био-водорода, топливных элементов, резервуара для хранения водорода и диспетчерской, а также модель. показывает схематический план системы производства электроэнергии в реальном времени на биоводороде в качестве образца для проектирования односемейных автономных домов.

Схематический план системы выработки энергии в реальном времени на био-водороде.

Таблица 2.

Оценки функциональных направлений и исследуемая модель.

Функция	Объем	Площадь
Склад биомассы	7,5 м 3	3 м 2
Камера производства био-водорода	22,4 M 3	20 M 2
Топливные элементы	0,33 M 3	0,5 M 2
Бак для хранения водорода	1.68 M 3	1,5 M 2
Диспетчерская	7,5 M 3	3 M 2

4.6. Автономное управление

В соответствии с принципами энергетической автономии при проектировании дома, ориентированном на потребности пользователей, необходимо, помимо соблюдения пассивной планировки и принципов проектирования здания, также учитывать использование активных адаптивных устройств. Активные устройства можно использовать для повышения производительности пассивного здания, улучшения автономного управления энергетическими приложениями и поддержания комфортной среды обитания.

Автономный дом в этом проекте будет использовать тепловую выталкивающую вентиляцию с использованием лестницы в качестве вентиляционной башни. Из-за эффекта тепловой плавучести горячий воздух обычно попадает в вентиляционную башню по лестнице и выходит через верхнюю часть башни из-за эффекта воздушного потока. Однако, когда внешнее давление превышает давление в помещении, при вентиляции с тепловой плавучестью может возникнуть обратный поток воздуха, и горячий воздух не сможет выйти. Когда датчики перепада давления и вычислительная техника используются в сочетании с клапаном воздушного потока, если в вентиляционной башне есть отрицательное давление по сравнению с воздухом снаружи, можно включить вентиляционный вентилятор наверху башни или угол наклона воздуха регулируемый клапан потока, чтобы гарантировать, что внутреннее пространство градирни имеет положительное давление по сравнению с наружным воздухом, и горячий воздух может легко выходить.Из-за этого в автономном доме будет использоваться активное устройство, обеспечивающее оптимальную вентиляционную работу башни с пассивной тепловой плавучестью () [30].

Проект башни вентиляции тепловой плавучести (рисунок Чен Ниен-Цзы).

5. Рекомендации и выводы

Исследование устанавливает схему возможного автономного дома на основе водородной энергии, который не будет производить загрязнений и не тратить энергию. Предложения для будущих исследований:

(1) Независимая модель выработки и использования электроэнергии в жилых домах островного типа:

Это исследование было сосредоточено на развитии автономных городских жилых домов, связанных с государственной системой электроснабжения, и есть надежда, что домохозяйства распределенные электрические системы могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций.Однако дома, расположенные в отдаленных пригородах и местах, где недоступно общественное электричество, нуждаются в автономных энергетических системах еще больше. Тем не менее, дальнейшие исследования должны изучить, как поддерживать стабильность и производительность выработки энергии, прямого использования, хранения и поставки для использования. Исследования могут также быть сосредоточены на модификации бытовых генерирующих систем для подачи питания переменного тока и изучении моделей использования и распределения, а также бытовых приборов и оборудования, которые подходят для питания переменного тока.

(2) Интеграция и управление несколькими энергетическими системами:

В соответствии с принципами энергетической автономии здания могут поддерживать несколько источников энергии (таких как энергия биомассы, солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, геотермальная энергия и т. Д. .). Поэтому дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на стабильном использовании нескольких источников энергии и различных типов производимого ими тока (переменного или постоянного тока). Потребуются более эффективные платформы управления энергией, чтобы избежать ненужных потерь при преобразовании энергии.

(3) Изучение экологических характеристик городских систем с точки зрения энергетики:

Согласно широкому определению экосистемы, города можно рассматривать как часть экосистемы. Дальнейшие исследования могут изучить метаболизм материи, преобразование энергии, круговорот воды и денежные потоки в городской производственной и потребительской деятельности, а также изучить динамические механизмы, функциональные принципы, экономические и экологические преимущества, пространственные структуры и правила управления городскими системами.

(4) Обработка сточных вод и химическая потребность в кислороде (ХПК), когда биомасса используется для производства водорода:

Поскольку водородный генератор на биомассе Университета Фэн Чиа производит лишь небольшое количество сточных вод, эти сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами кампуса. и сбрасываются непосредственно в канализацию сточных вод университетского городка; он направляется в пруд для очистки сточных вод университета, а затем сбрасывается в городскую канализационную систему. Однако, когда в будущем установки по производству водорода из биомассы станут обычным явлением, необходимо будет создать очистные сооружения на уровне сообществ.Такие объекты должны снизить ХПК сточных вод от производства водорода в достаточной степени, чтобы соответствовать стандартам выбросов, прежде чем воду можно будет сбрасывать в городские системы сточных вод. Потребуется сотрудничество с инженерами по охране окружающей среды, чтобы интегрировать соответствующие меры по контролю загрязнения.

Это исследование рассматривает автономный дом, основанный на био-водородной энергии, как ключевую технологию жилищного строительства нового поколения. Это имеет два значения: во-первых, самодостаточный энергетический цикл дома, состоящий из производства, потребления и переработки, удовлетворяет потребности устойчивого развития.Во-вторых, использование датчиков, вычислительных механизмов и адаптивных архитектурных элементов позволит автономно управлять окружающей средой. Что касается применения и повторного использования энергии и ресурсов, автономный дом этого типа может согласовать проект пассивного энергосбережения с потребностями в энергии активных устройств, удовлетворяя потребность в комфортной среде.

Самодостаточный подход к энергии на основе био-водорода

Abstract

Вследствие парникового эффекта и глобального энергетического кризиса поиск источников чистой альтернативной энергии и разработка приложений для повседневной жизни стали неотложными задачами.В этом исследовании предлагается разработка «автономного дома» с упором на использование современных технологий зеленой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, достижения энергетической автономии и разумного использования энергии для создания устойчивой и комфортной среды обитания. Двумя атрибутами домов являются: (1) самодостаточный энергетический цикл и (2) автономный контроль энергии для поддержания экологического комфорта. Таким образом, автономный дом сочетает в себе энергосберегающий пассивный дизайн, снижающий выбросы углерода, с активными элементами, необходимыми для поддержания комфортной среды.

Ключевые слова: Производство водорода путем темной ферментации, топливные элементы с протонообменной мембраной, пассивный дизайн, активное оборудование, технология экологически чистой энергии

1. Предпосылки и цели

Усилия по продвижению применения и использования энергии с начала Результатом 20 века стало изобретение многих видов энергоемкого активного оборудования и бытовой техники. В связи с растущим осознанием уязвимости экологической среды Земли с конца 20 века защитники окружающей среды пропагандируют энергосберегающий пассивный дизайн.После парникового эффекта и глобального энергетического кризиса рассвет 21 века заставил мир столкнуться с противоречием между энергосберегающим устойчивым пассивным дизайном и энергоемким активным дизайном, отвечающим требованиям комфорта. Это привело к новой парадигме разумного использования энергии. Сообщества и жилища должны использовать новые методы, такие как датчики, аккумуляторные батареи и преобразователи энергии, чтобы улучшить домашнюю среду [1]. В этом исследовании предлагается разработка «автономного дома на основе энергии биоэнергетики», использующего альтернативную энергию в сочетании с датчиками окружающей среды, компьютерными технологиями и активными архитектурными элементами для улучшения некоторых недостатков производительности пассивных домов.

2. Ретроспектива литературы

«Автономный дом» определяется как дом, который может функционировать независимо от поддержки и услуг со стороны общественных объектов [2]. Однако движение автономных домов не требует, чтобы пользователи вели уединенный и скудный образ жизни. Ключевой характеристикой автономного дома является использование технологий экологически чистой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, а также создания устойчивой, высококачественной и комфортной среды обитания. В области архитектуры «автономия» имеет два значения: автономное управление и самодостаточность [3].Автономия означает, что человек может самостоятельно управлять своими делами и принимать независимые решения без влияния или контроля со стороны других [4,5]. Самодостаточность означает, что можно поддерживать самообеспеченность такими ресурсами, как еда, вода и энергия [6].

Хотя автономия и самодостаточность применяются к различным ситуациям в разных областях обучения и предметах, на самом деле они являются частично совпадающими понятиями, которые довольно трудно различить. В социологии самодостаточность используется для описания образа жизни людей, живущих на обочине общества [7].Что касается политики социального обеспечения, программы самообеспечения призваны помочь семьям с низкими доходами обрести экономическую независимость [8,9]. В области городского планирования одно предложение призывает к строительству самодостаточных индивидуальных домов вокруг большого общего дома с общими удобствами, чтобы преодолеть отчуждение современных подразделений и создать совместную жилую среду [10]. В архитектуре автономные легкие дома относятся к жилищам кочевых народов. Конечно, кочевничество также рассматривается как образцовый самодостаточный образ жизни.В области защиты окружающей среды автономия в последнее время стала ключевым принципом в технологиях зеленой энергии и использовании водных ресурсов [11–14]. В Нидерландах самодостаточность представляет собой концептуальную основу, включающую как технологическую, так и экологическую политику [15]. Использование чистой энергии и бытовой техники — необходимые условия для комфортной жизни [16]. Тем не менее, проживание в автономном доме не означает, что его жители должны вести жизнь кочевников или людей, находящихся на маргиналах.Вместо этого в автономном доме применяются альтернативные источники энергии и другие соответствующие технологии в соответствии с принципом автономии и, таким образом, снижается зависимость от ископаемого топлива и сокращаются выбросы углекислого газа, чтобы улучшить глобальное потепление, сохраняя при этом высококачественную среду обитания.

Множество разногласий по-прежнему связано с поиском автономии в области энергетики и ресурсов. Согласно книге 2004 г. « Почему глобализация работает, » экономиста Вольфа [17], защитника рыночной экономики, разделение глобальной экономики на самодостаточные регионы или отдельных лиц вызовет разворот и крах глобализации. это происходит с 1960-х годов, что приведет к атрофии цивилизации.Недавнее принятие Китаем защитной политики продовольственной самообеспеченности, направленной на обеспечение продовольственной безопасности, стало сильным ударом по рыночной экономике. Тем не менее, целенаправленное продвижение рыночной экономики также является весьма сомнительной стратегией. Во времена нехватки продовольствия в мире Япония, которая изначально была самодостаточной в рисе, фактически использовала рис для производства автомобильного топлива и разработала «машину для рисового спирта». Но хотя это расширило возможности применения и повысило ценность продовольственных культур, скептически настроенные японские исследователи считают, что это приведет к увеличению цен на продовольствие и приведет к трудно решаемой нехватке сырья [18].Король Таиланда Пумипон выступает за экономическую самодостаточность, делая упор на региональном или индивидуальном стремлении к энергетической и ресурсной автономии. Помимо преимуществ самодостаточности и независимого контроля, автономия также может обеспечить энергосбережение и сокращение выбросов углерода за счет ограничения торговли и транспортировки энергии и ресурсов [19]. Область экономики основана на предпосылке, что человеческие потребности безграничны, а ресурсы ограничены; он подчеркивает функционирование рыночного механизма, но игнорирует влияние таких нерыночных факторов, как возобновляемые ресурсы и влияние на экологию на экономические системы.Естественный мир в конечном итоге поддерживает человеческие экономические системы. Эксплуатация человеком окружающей среды в течение последних сорока или пятидесяти лет вызвала огромные разрушения и, скорее всего, будет иметь необратимые последствия [20]. Такие вопросы, как автономия, проводить ли локализацию или глобализацию и поддерживать ли экономическую самодостаточность или рыночную экономику, остаются весьма противоречивыми. Наконец, очень сложный вопрос — как использовать архитектурный дизайн для сохранения автономии в энергии и ресурсах.

Термин «автономный дом» был впервые предложен Александром Пайком, целью исследования которого было разработать систему обслуживания дома, которая могла бы снизить потребление местных ресурсов [21]. В 1975 году Вейл определила автономный дом как дом, который может функционировать независимо и не требует дополнительных затрат со стороны близлежащих коммунальных служб. Этот тип дома не нужно было подключать к таким услугам, как газ, вода, электричество или канализация; он использовал альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия или энергия ветра, и мог очищать собственные сточные воды и сточные воды.Таким образом, он не производил никаких загрязнений и не тратил впустую энергию. Первый автономный дом, согласующийся с теорией, был спроектирован и построен в 1993 году создателями автономного дома Брендой и Робертом Вейлом [22]. Этот дом обеспечивает автономию в области водоснабжения, энергетики, канализации и очистки сточных вод, а также производит электроэнергию для использования в городе. Конечно, многие построенные сооружения, соответствующие принципу автономии, долгое время существовали в естественных экологических системах. Например, курганы термитов используют некоторые ключевые принципы пассивного дизайна.представлены четыре структуры, воплощающие принципы автономного проектирования, и обсуждаются их функции / размер, расположение, ключевые технологии, принципы проектирования и значение исследований.

Таблица 1.

Анализ зданий с применением автономных принципов.

Имя Объект	Курганы [23]	Автономный дом [22]	Жилищный проект Хокертон [24]	Самостоятельный небоскреб [25]
Иллюстрация
Дизайнер / год	Термиты / неизвестно	Бренда и Роберт Вейл / 1993	Бренда и Роберт Вейл / 1998	Мэтью Спаркс / запланировано
Функция	Подземный дом	Частный дом	Арендное сообщество	Офисное здание
Расположение	Африка	Ноттингемшир, Англия (центр города)	Хокертон, Англия (пригород)	Эр-Рияд, Дубай и Бахрейн (побережье)
Ключевые технологии и принципы проектирования	Термит курганы имеют пассивную конструкцию, регулирующую воздушный поток и сохраняющую энергию.Курганы дают термитам автономию: помимо обеспечения комфортной среды обитания, курганы также способствуют росту грибов (которые утилизируют отходы термитов).	Энергию получают от солнца и ветра; дождевая вода собирается для использования в качестве питьевой. Дом построен с максимально возможным использованием переработанных и местных материалов.	Электроэнергия и водоснабжение, а также очистка сточных вод обеспечиваются системой с нулевым выбросом углекислого газа; продукты питания выращиваются по технологии пермакультуры.Сообщество состоит из пяти модульных одноэтажных засыпок. Модульная конструкция упрощает строительство домов и снижает расходы.	Цилиндрическая форма башни обеспечивает минимальную площадь воздействия солнечных лучей и, таким образом, снижает потребность в энергии для кондиционирования воздуха. На крыше есть ветряная турбина, солнечные батареи и аккумуляторные батареи для аварийного использования. Солнечные батареи на море вырабатывают энергию из водорода, извлекаемого из морской воды. Энергия хранится в водородных топливных элементах для использования в ночное время.
Значение для научных исследований	Сканирование и компьютерное моделирование термитников предоставили исследовательскую модель для пассивного энергосбережения и удаления отходов.	Этот дом, расположенный в центре современного западного города, демонстрирует автономный и устойчивый образ жизни.	Ограничения по контрактам на строительство домов, общественное планирование и аренду формируют это кооперативное автономное сообщество.	Использует современные зеленые технологии, поддерживает устойчивое развитие окружающей среды и создает качественную и комфортную среду обитания.

3. Теоретическая основа

В соответствии с определением автономного дома, ретроспективой литературы и анализом конкретных случаев, с макроскопической точки зрения, автономное проектирование дома включает в себя три области: устойчивую окружающую среду, архитектурное проектирование и энергетические приложения. ().Обращаясь к микро-точке зрения, соображения устойчивости и применения энергии включают (1) технологию зеленой энергии (возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергетика (включая разность потенциалов и приливную энергию) и термоядерный синтез), (2) видение и цели, (3) факторы выбора зеленой энергии и оценка осуществимости. Что касается энергетических приложений и архитектурного проектирования, элементы включают (1) цикл самообеспечения, (2) преобразование и форму энергии (включая преобразование и расчет энергии и работы, соответствие между входами и выходами и методы обработки), (3) поддержку здания. система и (4) оценка осуществимости.Архитектурный дизайн и соображения устойчивости включают (1) автономную среду (расположение дома, планировку и размер), (2) автономное проживание (независимые жилища или форма кооперативного сообщества) и (3) автономный дом (принципы пассивного проектирования, дополнительное использование активного оборудования для повысить производительность) ().

Макроскопическая перспектива автономных домов.

Микропредметы в автономных домах.

4. Моделирование и эмпирические исследования

4.1. Видение и цели

Автономный дом на основе био-водородной энергии предполагает, что в течение десяти лет технология водородной энергетики достигнет уровня зрелости, позволяющего использовать ее во многих повседневных применениях.Когда наступит это время, каждая семья сможет установить «резервуар для брожения, вырабатывающий водород», похожий на септик, и водородные топливные элементы размером примерно с кондиционеры на окнах. Если проектная цель производства водородной энергии, удовлетворяющая средней потребности домохозяйства в электроэнергии 3 кВт, может быть достигнута, на каждые 200 000 домохозяйств потребуется на одну тепловую электростанцию ​​меньше (т. Е. Вырабатывающую в среднем 600 МВт). Распределенные электрические системы в домашних условиях могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций и, таким образом, достичь целей энергосбережения, сокращения выбросов углерода и энергетической автономии.

4.2. Технология «зеленой» энергии и био-водородная энергия

Принимая во внимание стремление к автономному производству и потреблению электроэнергии в домашних условиях, какая форма альтернативной энергии является наиболее подходящей в качестве основного источника энергии для домашних хозяйств? Этот вопрос давно вызывает у энергетиков и экономистов. Согласно рекомендации исследовательской группы по применению био-водородной энергии Университета Фэн Чиа, система с наибольшим коммерческим потенциалом представляет собой «систему выработки энергии на основе био-водорода в реальном времени», состоящую из установки для производства водорода темного брожения (анаэробный биореактор с непрерывным перемешиванием, CSABR) и топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC).Этот тип системы может генерировать возобновляемую энергию, а также обрабатывать городские отходы и сточные воды. Факторы оценки зеленой энергии включают такие объективные условия, как доступность сырья, климатические факторы, ограничения площадок, пороговые значения производственных технологий и удельные затраты. Для сравнения, хотя солнечную и ветровую энергию легко получить, они сильно зависят от климата и относительно ненадежны. Гидроэнергетика подлежит ограничениям на размещение, а ядерная энергия имеет гораздо более высокий технологический порог, чем могут выдержать обычные домохозяйства.С точки зрения энергетической автономии домашних хозяйств, производство водорода из биомассы и выработка электроэнергии предлагает преимущества легко приобретаемого сырья, отсутствие влияния климата, стабильную выходную мощность, отсутствие ограничений на площадку и относительно низкий порог технологии производства.

В этом исследовании рекомендуется использовать энергетические системы биомассы, включающие преобразование биомассы в водород, который затем хранится в форме с высокой плотностью и в конечном итоге преобразуется в формы энергии, которые могут использоваться в домашнем хозяйстве.Подходящие типы биомассы включают навоз животных, отходы сельскохозяйственных культур, древесину, сахарные культуры, городской мусор, городские сточные воды, водные растения и энергетические культуры. Из них городские отходы, такие как городской мусор и городские сточные воды, будут играть наиболее важную роль. По оценкам, Тайвань в настоящее время производит шесть миллионов тонн органических отходов ежегодно, которые могут быть использованы в качестве сырья для производства энергии из биомассы.

4.3. Цикл самообеспечения

Для того, чтобы соответствовать принципам самообеспеченности энергией, автономный дом на основе био-водорода должен завершить цикл самообеспечения, включающий производство энергии, хранение, контроль распределения, загрузку приложений, рециркуляцию, утилизацию и повторное использование. .Под средой жизнеобеспечения понимается экосистема в биосфере Земли, которая может удовлетворить физиологические потребности живых организмов. Экономические системы должны получать функции жизнеобеспечения от естественной среды, иначе они не смогут выжить. Основная тема концепции устойчивого развития заключается в том, что последствия действий человека должны подвергаться определенным ограничениям, чтобы не разрушать разнообразие, сложность и функции экологических систем жизнеобеспечения [26]. Как следствие, эффективно функционирующая автономная система, основанная на человеческом обществе, должна объединять экологические и экономические аспекты, если она хочет реализовать идеалы устойчивого развития.показывает, что мировые ресурсы и энергия будут быстро исчерпаны из-за эффекта энтропии в рыночной экономике, уделяя особое внимание только процессу, охватывающему только сырье, производство и потребление продуктов [27]. показывает, как устойчивое развитие должно объединять экологию и экономику, подчеркивает рециркуляцию и повторное использование после потребления и опирается на цикл самодостаточности для снижения потребления энергии и замедления энтропии.

Цикл самообеспечения.

4.4. Система поддержки здания

В соответствии с циклом энергетической самообеспеченности здание может рассматриваться как средство преобразования массы в энергию и должно состоять из цикла, состоящего из производства энергии, хранения, управления распределением, приложений загрузки, рециркуляции, утилизации и повторного использования. .Здание также должно иметь опорную систему, включающую: (1) камеру для производства био-водорода, (2) резервуар для хранения водорода, (3) установку для подачи водорода, (4) топливные элементы, (5) другие вспомогательные альтернативные источники энергии. (солнечная энергия, энергия ветра и т. д.), (6) аккумуляторные батареи, (7) преобразователь, (8) диспетчерская и панель описания и (9) силовая нагрузка здания. Если в будущем будут использоваться автомобили на водородных топливных элементах, то (10) можно добавить установку для заправки водородом. Если количество электроэнергии, вырабатываемой зданием, может превышать его потребление и может быть предоставлено другим местным пользователям, то можно добавить подключение к электросети общего пользования ().Биологическая камера производства водорода состоит из пяти основных компонентов: (а) резервуар для субстрата, (б) резервуар для питательной соли, (в) резервуар для ферментации для производства водорода, (г) резервуар для разделения газа и жидкости и (е) устройство для очистки водорода. Система производства энергии на основе биоводорода в реальном времени включает в себя процессы производства водорода, хранения водорода, поставки водорода и его использования ().

Биоводородная система выработки электроэнергии в реальном времени.

4.5. Технико-экономическое обоснование

В этом разделе делается попытка определить на основе проектной цели производства энергии на био-водороде, удовлетворяющей средней потребности домохозяйства в электроэнергии в 3 кВт, какое вспомогательное оборудование потребуется, объемы помещений, площади и расположение, а также схему плана. здания.Эта информация послужит ориентиром для проектирования односемейных автономных домов.

Согласно информации Тайваньской энергетической компании [28], статистика за последние пять лет показывает, что домашнему хозяйству необходимо 3–4 кВт установленной мощности. Согласно Лин [29], ферментационный резервуар для производства водорода ³ объемом 3,2 м может удовлетворить потребности в энергии обычной семьи. Однако, если в качестве сырья выбрана биомасса, переменные, такие как методы обработки и преобразования, а также факторы окружающей среды (температура, влажность, давление и т. Д.)) повлияет на скорость производства водорода и плотность водорода. Установка резервуара для хранения водорода может решить проблемы, связанные с переменной производительностью. Избыточный водород можно хранить и использовать в тех случаях, когда его количество недостаточно. Согласно системе выработки энергии в реальном времени на биоводороде, разработанной университетом Фэн-Чиа, в течение 300 дней использования каждый литр резервуара для производства биогидрогена производил 1,15 ± 0,08 литра водорода в час. Когда маленькие светодиоды были подключены к системе, работающей при температуре окружающей среды (25 ° C), ток и напряжение были равны 0.38 А и 2,28 В соответственно. Согласно формуле мощность = ток × напряжение, система вырабатывала в среднем 0,87 Вт (0,38 × 2,28 = 0,87 Вт). Следовательно, можно консервативно оценить, что резервуар для ферментации для производства водорода объемом 3222 л (≈3,2 м ³ ) потребуется для размещения средней домашней нагрузки в 3 кВт ((3000 / 0,87) ÷ (1,15–0,08) = 3222 L ≈ 3,2 м ³ ). Это примерно размер обычного коммерческого септика (2–3 м ³ ). На экспериментальной установке по производству био-водорода Университета Фэн Цзя () пять основных компонентов камеры для производства био-водорода (резервуар для субстрата, резервуар для питательной соли, резервуар для ферментации для производства водорода, резервуар для разделения газа и жидкости и устройство для очистки водорода) имеют соотношение объемов 2: 2: 1: 1: 1.Как следствие, общий объем камеры производства био-водорода будет в семь раз больше, чем объем бродильного чана для производства водорода, то есть 22,4 м ³ . Предполагая, что обычный дом с вертикальным просветом 2,5 м, потребуется примерно 15 м ² площади оборудования (при условии, что высота резервуара составляет 1,5 м). Если коридоры и другое оборудование занимают одну четверть помещения для производства био-водорода, тогда для помещения потребуется общая полезная площадь 20 м ( ² ).Коммерческие топливные элементы мощностью 3 кВт имеют объем примерно 0,33 м ³ (http://www.solore.com.tw/power/fuel/stacks/3kw.htm). Резервуары для хранения водорода должны быть в состоянии хранить достаточно водорода в течение трех дней. Так как среднее домашнее хозяйство на Тайване использует примерно 3 × 320 ÷ 30 = 32 кВтч каждые три дня, а топливный элемент мощностью 3 кВт требует 36 л водорода в минуту, 36 л водорода могут, таким образом, произвести 0,05 кВтч. Таким образом, на три дня потребуется примерно 32 ÷ 0,05 = 640 л водорода. Коммерческий резервуар для хранения водорода объемом примерно 1.68 м ³ (http://www.hbank.com.tw/fc_products_pr_05.htm), следовательно, можно использовать в этом приложении. Согласно фактическим данным Исследовательского центра энергетики и ресурсов FCU, когда рабочий объем составляет 3 л, а HRT составляет 8 ч, концентрация матрицы в сырье будет 20 г ХПК / л, и система будет вырабатывать 0,87 Вт электроэнергии. . Кроме того, поскольку 20 г ХПК / л = 17,8 г сахарозы / л (фактические данные), для получения 0 потребуется 6,675 г сахарозы / ч (3–1 / 8 ч x 17,8 г сахарозы / л = 6,675 г сахарозы / ч).87 Вт и 23 017 г сахарозы / час потребуется для выработки 3 кВт (6,675 г сахарозы / час x 3000 / 0,87 = 23 017 г сахарозы / час). По данным Taiwan Power Corp., среднее ежедневное потребление электроэнергии домохозяйством составляет 10 кВтч, поэтому система должна работать в течение 3,3 часа в день, чтобы обеспечить ежедневную электрическую нагрузку домохозяйства в 3 кВт (10 кВтч / 3 кВт). Таким образом, на одно домашнее хозяйство в день потребуется в общей сложности 75 956 г сахарозы (23 017 г сахарозы / ч × 3,3 ч / день = 75 956 г сахарозы / день).

Экспериментальная установка по производству био-водорода (слева, внутри; справа, снаружи).

дает размеры объемов и площадей помещения для хранения сырья биомассы, помещения для производства био-водорода, топливных элементов, резервуара для хранения водорода и диспетчерской, а также модель. показывает схематический план системы производства электроэнергии в реальном времени на биоводороде в качестве образца для проектирования односемейных автономных домов.

Схематический план системы выработки энергии в реальном времени на био-водороде.

Таблица 2.

Оценки функциональных направлений и исследуемая модель.

Функция	Объем	Площадь
Склад биомассы	7,5 м 3	3 м 2
Камера производства био-водорода	22,4 M 3	20 M 2
Топливные элементы	0,33 M 3	0,5 M 2
Бак для хранения водорода	1.68 M 3	1,5 M 2
Диспетчерская	7,5 M 3	3 M 2

4.6. Автономное управление

В соответствии с принципами энергетической автономии при проектировании дома, ориентированном на потребности пользователей, необходимо, помимо соблюдения пассивной планировки и принципов проектирования здания, также учитывать использование активных адаптивных устройств. Активные устройства можно использовать для повышения производительности пассивного здания, улучшения автономного управления энергетическими приложениями и поддержания комфортной среды обитания.

Автономный дом в этом проекте будет использовать тепловую выталкивающую вентиляцию с использованием лестницы в качестве вентиляционной башни. Из-за эффекта тепловой плавучести горячий воздух обычно попадает в вентиляционную башню по лестнице и выходит через верхнюю часть башни из-за эффекта воздушного потока. Однако, когда внешнее давление превышает давление в помещении, при вентиляции с тепловой плавучестью может возникнуть обратный поток воздуха, и горячий воздух не сможет выйти. Когда датчики перепада давления и вычислительная техника используются в сочетании с клапаном воздушного потока, если в вентиляционной башне есть отрицательное давление по сравнению с воздухом снаружи, можно включить вентиляционный вентилятор наверху башни или угол наклона воздуха регулируемый клапан потока, чтобы гарантировать, что внутреннее пространство градирни имеет положительное давление по сравнению с наружным воздухом, и горячий воздух может легко выходить.Из-за этого в автономном доме будет использоваться активное устройство, обеспечивающее оптимальную вентиляционную работу башни с пассивной тепловой плавучестью () [30].

Проект башни вентиляции тепловой плавучести (рисунок Чен Ниен-Цзы).

5. Рекомендации и выводы

Исследование устанавливает схему возможного автономного дома на основе водородной энергии, который не будет производить загрязнений и не тратить энергию. Предложения для будущих исследований:

(1) Независимая модель выработки и использования электроэнергии в жилых домах островного типа:

Это исследование было сосредоточено на развитии автономных городских жилых домов, связанных с государственной системой электроснабжения, и есть надежда, что домохозяйства распределенные электрические системы могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций.Однако дома, расположенные в отдаленных пригородах и местах, где недоступно общественное электричество, нуждаются в автономных энергетических системах еще больше. Тем не менее, дальнейшие исследования должны изучить, как поддерживать стабильность и производительность выработки энергии, прямого использования, хранения и поставки для использования. Исследования могут также быть сосредоточены на модификации бытовых генерирующих систем для подачи питания переменного тока и изучении моделей использования и распределения, а также бытовых приборов и оборудования, которые подходят для питания переменного тока.

(2) Интеграция и управление несколькими энергетическими системами:

В соответствии с принципами энергетической автономии здания могут поддерживать несколько источников энергии (таких как энергия биомассы, солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, геотермальная энергия и т. Д. .). Поэтому дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на стабильном использовании нескольких источников энергии и различных типов производимого ими тока (переменного или постоянного тока). Потребуются более эффективные платформы управления энергией, чтобы избежать ненужных потерь при преобразовании энергии.

(3) Изучение экологических характеристик городских систем с точки зрения энергетики:

Согласно широкому определению экосистемы, города можно рассматривать как часть экосистемы. Дальнейшие исследования могут изучить метаболизм материи, преобразование энергии, круговорот воды и денежные потоки в городской производственной и потребительской деятельности, а также изучить динамические механизмы, функциональные принципы, экономические и экологические преимущества, пространственные структуры и правила управления городскими системами.

(4) Обработка сточных вод и химическая потребность в кислороде (ХПК), когда биомасса используется для производства водорода:

Поскольку водородный генератор на биомассе Университета Фэн Чиа производит лишь небольшое количество сточных вод, эти сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами кампуса. и сбрасываются непосредственно в канализацию сточных вод университетского городка; он направляется в пруд для очистки сточных вод университета, а затем сбрасывается в городскую канализационную систему. Однако, когда в будущем установки по производству водорода из биомассы станут обычным явлением, необходимо будет создать очистные сооружения на уровне сообществ.Такие объекты должны снизить ХПК сточных вод от производства водорода в достаточной степени, чтобы соответствовать стандартам выбросов, прежде чем воду можно будет сбрасывать в городские системы сточных вод. Потребуется сотрудничество с инженерами по охране окружающей среды, чтобы интегрировать соответствующие меры по контролю загрязнения.

Это исследование рассматривает автономный дом, основанный на био-водородной энергии, как ключевую технологию жилищного строительства нового поколения. Это имеет два значения: во-первых, самодостаточный энергетический цикл дома, состоящий из производства, потребления и переработки, удовлетворяет потребности устойчивого развития.Во-вторых, использование датчиков, вычислительных механизмов и адаптивных архитектурных элементов позволит автономно управлять окружающей средой. Что касается применения и повторного использования энергии и ресурсов, автономный дом этого типа может согласовать проект пассивного энергосбережения с потребностями в энергии активных устройств, удовлетворяя потребность в комфортной среде.

Самодостаточный подход к энергии на основе био-водорода

Abstract

Вследствие парникового эффекта и глобального энергетического кризиса поиск источников чистой альтернативной энергии и разработка приложений для повседневной жизни стали неотложными задачами.В этом исследовании предлагается разработка «автономного дома» с упором на использование современных технологий зеленой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, достижения энергетической автономии и разумного использования энергии для создания устойчивой и комфортной среды обитания. Двумя атрибутами домов являются: (1) самодостаточный энергетический цикл и (2) автономный контроль энергии для поддержания экологического комфорта. Таким образом, автономный дом сочетает в себе энергосберегающий пассивный дизайн, снижающий выбросы углерода, с активными элементами, необходимыми для поддержания комфортной среды.

Ключевые слова: Производство водорода путем темной ферментации, топливные элементы с протонообменной мембраной, пассивный дизайн, активное оборудование, технология экологически чистой энергии

1. Предпосылки и цели

Усилия по продвижению применения и использования энергии с начала Результатом 20 века стало изобретение многих видов энергоемкого активного оборудования и бытовой техники. В связи с растущим осознанием уязвимости экологической среды Земли с конца 20 века защитники окружающей среды пропагандируют энергосберегающий пассивный дизайн.После парникового эффекта и глобального энергетического кризиса рассвет 21 века заставил мир столкнуться с противоречием между энергосберегающим устойчивым пассивным дизайном и энергоемким активным дизайном, отвечающим требованиям комфорта. Это привело к новой парадигме разумного использования энергии. Сообщества и жилища должны использовать новые методы, такие как датчики, аккумуляторные батареи и преобразователи энергии, чтобы улучшить домашнюю среду [1]. В этом исследовании предлагается разработка «автономного дома на основе энергии биоэнергетики», использующего альтернативную энергию в сочетании с датчиками окружающей среды, компьютерными технологиями и активными архитектурными элементами для улучшения некоторых недостатков производительности пассивных домов.

2. Ретроспектива литературы

«Автономный дом» определяется как дом, который может функционировать независимо от поддержки и услуг со стороны общественных объектов [2]. Однако движение автономных домов не требует, чтобы пользователи вели уединенный и скудный образ жизни. Ключевой характеристикой автономного дома является использование технологий экологически чистой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, а также создания устойчивой, высококачественной и комфортной среды обитания. В области архитектуры «автономия» имеет два значения: автономное управление и самодостаточность [3].Автономия означает, что человек может самостоятельно управлять своими делами и принимать независимые решения без влияния или контроля со стороны других [4,5]. Самодостаточность означает, что можно поддерживать самообеспеченность такими ресурсами, как еда, вода и энергия [6].

Хотя автономия и самодостаточность применяются к различным ситуациям в разных областях обучения и предметах, на самом деле они являются частично совпадающими понятиями, которые довольно трудно различить. В социологии самодостаточность используется для описания образа жизни людей, живущих на обочине общества [7].Что касается политики социального обеспечения, программы самообеспечения призваны помочь семьям с низкими доходами обрести экономическую независимость [8,9]. В области городского планирования одно предложение призывает к строительству самодостаточных индивидуальных домов вокруг большого общего дома с общими удобствами, чтобы преодолеть отчуждение современных подразделений и создать совместную жилую среду [10]. В архитектуре автономные легкие дома относятся к жилищам кочевых народов. Конечно, кочевничество также рассматривается как образцовый самодостаточный образ жизни.В области защиты окружающей среды автономия в последнее время стала ключевым принципом в технологиях зеленой энергии и использовании водных ресурсов [11–14]. В Нидерландах самодостаточность представляет собой концептуальную основу, включающую как технологическую, так и экологическую политику [15]. Использование чистой энергии и бытовой техники — необходимые условия для комфортной жизни [16]. Тем не менее, проживание в автономном доме не означает, что его жители должны вести жизнь кочевников или людей, находящихся на маргиналах.Вместо этого в автономном доме применяются альтернативные источники энергии и другие соответствующие технологии в соответствии с принципом автономии и, таким образом, снижается зависимость от ископаемого топлива и сокращаются выбросы углекислого газа, чтобы улучшить глобальное потепление, сохраняя при этом высококачественную среду обитания.

Множество разногласий по-прежнему связано с поиском автономии в области энергетики и ресурсов. Согласно книге 2004 г. « Почему глобализация работает, » экономиста Вольфа [17], защитника рыночной экономики, разделение глобальной экономики на самодостаточные регионы или отдельных лиц вызовет разворот и крах глобализации. это происходит с 1960-х годов, что приведет к атрофии цивилизации.Недавнее принятие Китаем защитной политики продовольственной самообеспеченности, направленной на обеспечение продовольственной безопасности, стало сильным ударом по рыночной экономике. Тем не менее, целенаправленное продвижение рыночной экономики также является весьма сомнительной стратегией. Во времена нехватки продовольствия в мире Япония, которая изначально была самодостаточной в рисе, фактически использовала рис для производства автомобильного топлива и разработала «машину для рисового спирта». Но хотя это расширило возможности применения и повысило ценность продовольственных культур, скептически настроенные японские исследователи считают, что это приведет к увеличению цен на продовольствие и приведет к трудно решаемой нехватке сырья [18].Король Таиланда Пумипон выступает за экономическую самодостаточность, делая упор на региональном или индивидуальном стремлении к энергетической и ресурсной автономии. Помимо преимуществ самодостаточности и независимого контроля, автономия также может обеспечить энергосбережение и сокращение выбросов углерода за счет ограничения торговли и транспортировки энергии и ресурсов [19]. Область экономики основана на предпосылке, что человеческие потребности безграничны, а ресурсы ограничены; он подчеркивает функционирование рыночного механизма, но игнорирует влияние таких нерыночных факторов, как возобновляемые ресурсы и влияние на экологию на экономические системы.Естественный мир в конечном итоге поддерживает человеческие экономические системы. Эксплуатация человеком окружающей среды в течение последних сорока или пятидесяти лет вызвала огромные разрушения и, скорее всего, будет иметь необратимые последствия [20]. Такие вопросы, как автономия, проводить ли локализацию или глобализацию и поддерживать ли экономическую самодостаточность или рыночную экономику, остаются весьма противоречивыми. Наконец, очень сложный вопрос — как использовать архитектурный дизайн для сохранения автономии в энергии и ресурсах.

Термин «автономный дом» был впервые предложен Александром Пайком, целью исследования которого было разработать систему обслуживания дома, которая могла бы снизить потребление местных ресурсов [21]. В 1975 году Вейл определила автономный дом как дом, который может функционировать независимо и не требует дополнительных затрат со стороны близлежащих коммунальных служб. Этот тип дома не нужно было подключать к таким услугам, как газ, вода, электричество или канализация; он использовал альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия или энергия ветра, и мог очищать собственные сточные воды и сточные воды.Таким образом, он не производил никаких загрязнений и не тратил впустую энергию. Первый автономный дом, согласующийся с теорией, был спроектирован и построен в 1993 году создателями автономного дома Брендой и Робертом Вейлом [22]. Этот дом обеспечивает автономию в области водоснабжения, энергетики, канализации и очистки сточных вод, а также производит электроэнергию для использования в городе. Конечно, многие построенные сооружения, соответствующие принципу автономии, долгое время существовали в естественных экологических системах. Например, курганы термитов используют некоторые ключевые принципы пассивного дизайна.представлены четыре структуры, воплощающие принципы автономного проектирования, и обсуждаются их функции / размер, расположение, ключевые технологии, принципы проектирования и значение исследований.

Таблица 1.

Анализ зданий с применением автономных принципов.

Имя Объект	Курганы [23]	Автономный дом [22]	Жилищный проект Хокертон [24]	Самостоятельный небоскреб [25]
Иллюстрация
Дизайнер / год	Термиты / неизвестно	Бренда и Роберт Вейл / 1993	Бренда и Роберт Вейл / 1998	Мэтью Спаркс / запланировано
Функция	Подземный дом	Частный дом	Арендное сообщество	Офисное здание
Расположение	Африка	Ноттингемшир, Англия (центр города)	Хокертон, Англия (пригород)	Эр-Рияд, Дубай и Бахрейн (побережье)
Ключевые технологии и принципы проектирования	Термит курганы имеют пассивную конструкцию, регулирующую воздушный поток и сохраняющую энергию.Курганы дают термитам автономию: помимо обеспечения комфортной среды обитания, курганы также способствуют росту грибов (которые утилизируют отходы термитов).	Энергию получают от солнца и ветра; дождевая вода собирается для использования в качестве питьевой. Дом построен с максимально возможным использованием переработанных и местных материалов.	Электроэнергия и водоснабжение, а также очистка сточных вод обеспечиваются системой с нулевым выбросом углекислого газа; продукты питания выращиваются по технологии пермакультуры.Сообщество состоит из пяти модульных одноэтажных засыпок. Модульная конструкция упрощает строительство домов и снижает расходы.	Цилиндрическая форма башни обеспечивает минимальную площадь воздействия солнечных лучей и, таким образом, снижает потребность в энергии для кондиционирования воздуха. На крыше есть ветряная турбина, солнечные батареи и аккумуляторные батареи для аварийного использования. Солнечные батареи на море вырабатывают энергию из водорода, извлекаемого из морской воды. Энергия хранится в водородных топливных элементах для использования в ночное время.
Значение для научных исследований	Сканирование и компьютерное моделирование термитников предоставили исследовательскую модель для пассивного энергосбережения и удаления отходов.	Этот дом, расположенный в центре современного западного города, демонстрирует автономный и устойчивый образ жизни.	Ограничения по контрактам на строительство домов, общественное планирование и аренду формируют это кооперативное автономное сообщество.	Использует современные зеленые технологии, поддерживает устойчивое развитие окружающей среды и создает качественную и комфортную среду обитания.

3. Теоретическая основа

В соответствии с определением автономного дома, ретроспективой литературы и анализом конкретных случаев, с макроскопической точки зрения, автономное проектирование дома включает в себя три области: устойчивую окружающую среду, архитектурное проектирование и энергетические приложения. ().Обращаясь к микро-точке зрения, соображения устойчивости и применения энергии включают (1) технологию зеленой энергии (возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергетика (включая разность потенциалов и приливную энергию) и термоядерный синтез), (2) видение и цели, (3) факторы выбора зеленой энергии и оценка осуществимости. Что касается энергетических приложений и архитектурного проектирования, элементы включают (1) цикл самообеспечения, (2) преобразование и форму энергии (включая преобразование и расчет энергии и работы, соответствие между входами и выходами и методы обработки), (3) поддержку здания. система и (4) оценка осуществимости.Архитектурный дизайн и соображения устойчивости включают (1) автономную среду (расположение дома, планировку и размер), (2) автономное проживание (независимые жилища или форма кооперативного сообщества) и (3) автономный дом (принципы пассивного проектирования, дополнительное использование активного оборудования для повысить производительность) ().

Макроскопическая перспектива автономных домов.

Микропредметы в автономных домах.

4. Моделирование и эмпирические исследования

4.1. Видение и цели

Автономный дом на основе био-водородной энергии предполагает, что в течение десяти лет технология водородной энергетики достигнет уровня зрелости, позволяющего использовать ее во многих повседневных применениях.Когда наступит это время, каждая семья сможет установить «резервуар для брожения, вырабатывающий водород», похожий на септик, и водородные топливные элементы размером примерно с кондиционеры на окнах. Если проектная цель производства водородной энергии, удовлетворяющая средней потребности домохозяйства в электроэнергии 3 кВт, может быть достигнута, на каждые 200 000 домохозяйств потребуется на одну тепловую электростанцию ​​меньше (т. Е. Вырабатывающую в среднем 600 МВт). Распределенные электрические системы в домашних условиях могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций и, таким образом, достичь целей энергосбережения, сокращения выбросов углерода и энергетической автономии.

4.2. Технология «зеленой» энергии и био-водородная энергия

Принимая во внимание стремление к автономному производству и потреблению электроэнергии в домашних условиях, какая форма альтернативной энергии является наиболее подходящей в качестве основного источника энергии для домашних хозяйств? Этот вопрос давно вызывает у энергетиков и экономистов. Согласно рекомендации исследовательской группы по применению био-водородной энергии Университета Фэн Чиа, система с наибольшим коммерческим потенциалом представляет собой «систему выработки энергии на основе био-водорода в реальном времени», состоящую из установки для производства водорода темного брожения (анаэробный биореактор с непрерывным перемешиванием, CSABR) и топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC).Этот тип системы может генерировать возобновляемую энергию, а также обрабатывать городские отходы и сточные воды. Факторы оценки зеленой энергии включают такие объективные условия, как доступность сырья, климатические факторы, ограничения площадок, пороговые значения производственных технологий и удельные затраты. Для сравнения, хотя солнечную и ветровую энергию легко получить, они сильно зависят от климата и относительно ненадежны. Гидроэнергетика подлежит ограничениям на размещение, а ядерная энергия имеет гораздо более высокий технологический порог, чем могут выдержать обычные домохозяйства.С точки зрения энергетической автономии домашних хозяйств, производство водорода из биомассы и выработка электроэнергии предлагает преимущества легко приобретаемого сырья, отсутствие влияния климата, стабильную выходную мощность, отсутствие ограничений на площадку и относительно низкий порог технологии производства.

В этом исследовании рекомендуется использовать энергетические системы биомассы, включающие преобразование биомассы в водород, который затем хранится в форме с высокой плотностью и в конечном итоге преобразуется в формы энергии, которые могут использоваться в домашнем хозяйстве.Подходящие типы биомассы включают навоз животных, отходы сельскохозяйственных культур, древесину, сахарные культуры, городской мусор, городские сточные воды, водные растения и энергетические культуры. Из них городские отходы, такие как городской мусор и городские сточные воды, будут играть наиболее важную роль. По оценкам, Тайвань в настоящее время производит шесть миллионов тонн органических отходов ежегодно, которые могут быть использованы в качестве сырья для производства энергии из биомассы.

4.3. Цикл самообеспечения

Для того, чтобы соответствовать принципам самообеспеченности энергией, автономный дом на основе био-водорода должен завершить цикл самообеспечения, включающий производство энергии, хранение, контроль распределения, загрузку приложений, рециркуляцию, утилизацию и повторное использование. .Под средой жизнеобеспечения понимается экосистема в биосфере Земли, которая может удовлетворить физиологические потребности живых организмов. Экономические системы должны получать функции жизнеобеспечения от естественной среды, иначе они не смогут выжить. Основная тема концепции устойчивого развития заключается в том, что последствия действий человека должны подвергаться определенным ограничениям, чтобы не разрушать разнообразие, сложность и функции экологических систем жизнеобеспечения [26]. Как следствие, эффективно функционирующая автономная система, основанная на человеческом обществе, должна объединять экологические и экономические аспекты, если она хочет реализовать идеалы устойчивого развития.показывает, что мировые ресурсы и энергия будут быстро исчерпаны из-за эффекта энтропии в рыночной экономике, уделяя особое внимание только процессу, охватывающему только сырье, производство и потребление продуктов [27]. показывает, как устойчивое развитие должно объединять экологию и экономику, подчеркивает рециркуляцию и повторное использование после потребления и опирается на цикл самодостаточности для снижения потребления энергии и замедления энтропии.

Цикл самообеспечения.

4.4. Система поддержки здания

В соответствии с циклом энергетической самообеспеченности здание может рассматриваться как средство преобразования массы в энергию и должно состоять из цикла, состоящего из производства энергии, хранения, управления распределением, приложений загрузки, рециркуляции, утилизации и повторного использования. .Здание также должно иметь опорную систему, включающую: (1) камеру для производства био-водорода, (2) резервуар для хранения водорода, (3) установку для подачи водорода, (4) топливные элементы, (5) другие вспомогательные альтернативные источники энергии. (солнечная энергия, энергия ветра и т. д.), (6) аккумуляторные батареи, (7) преобразователь, (8) диспетчерская и панель описания и (9) силовая нагрузка здания. Если в будущем будут использоваться автомобили на водородных топливных элементах, то (10) можно добавить установку для заправки водородом. Если количество электроэнергии, вырабатываемой зданием, может превышать его потребление и может быть предоставлено другим местным пользователям, то можно добавить подключение к электросети общего пользования ().Биологическая камера производства водорода состоит из пяти основных компонентов: (а) резервуар для субстрата, (б) резервуар для питательной соли, (в) резервуар для ферментации для производства водорода, (г) резервуар для разделения газа и жидкости и (е) устройство для очистки водорода. Система производства энергии на основе биоводорода в реальном времени включает в себя процессы производства водорода, хранения водорода, поставки водорода и его использования ().

Биоводородная система выработки электроэнергии в реальном времени.

4.5. Технико-экономическое обоснование

В этом разделе делается попытка определить на основе проектной цели производства энергии на био-водороде, удовлетворяющей средней потребности домохозяйства в электроэнергии в 3 кВт, какое вспомогательное оборудование потребуется, объемы помещений, площади и расположение, а также схему плана. здания.Эта информация послужит ориентиром для проектирования односемейных автономных домов.

Согласно информации Тайваньской энергетической компании [28], статистика за последние пять лет показывает, что домашнему хозяйству необходимо 3–4 кВт установленной мощности. Согласно Лин [29], ферментационный резервуар для производства водорода ³ объемом 3,2 м может удовлетворить потребности в энергии обычной семьи. Однако, если в качестве сырья выбрана биомасса, переменные, такие как методы обработки и преобразования, а также факторы окружающей среды (температура, влажность, давление и т. Д.)) повлияет на скорость производства водорода и плотность водорода. Установка резервуара для хранения водорода может решить проблемы, связанные с переменной производительностью. Избыточный водород можно хранить и использовать в тех случаях, когда его количество недостаточно. Согласно системе выработки энергии в реальном времени на биоводороде, разработанной университетом Фэн-Чиа, в течение 300 дней использования каждый литр резервуара для производства биогидрогена производил 1,15 ± 0,08 литра водорода в час. Когда маленькие светодиоды были подключены к системе, работающей при температуре окружающей среды (25 ° C), ток и напряжение были равны 0.38 А и 2,28 В соответственно. Согласно формуле мощность = ток × напряжение, система вырабатывала в среднем 0,87 Вт (0,38 × 2,28 = 0,87 Вт). Следовательно, можно консервативно оценить, что резервуар для ферментации для производства водорода объемом 3222 л (≈3,2 м ³ ) потребуется для размещения средней домашней нагрузки в 3 кВт ((3000 / 0,87) ÷ (1,15–0,08) = 3222 L ≈ 3,2 м ³ ). Это примерно размер обычного коммерческого септика (2–3 м ³ ). На экспериментальной установке по производству био-водорода Университета Фэн Цзя () пять основных компонентов камеры для производства био-водорода (резервуар для субстрата, резервуар для питательной соли, резервуар для ферментации для производства водорода, резервуар для разделения газа и жидкости и устройство для очистки водорода) имеют соотношение объемов 2: 2: 1: 1: 1.Как следствие, общий объем камеры производства био-водорода будет в семь раз больше, чем объем бродильного чана для производства водорода, то есть 22,4 м ³ . Предполагая, что обычный дом с вертикальным просветом 2,5 м, потребуется примерно 15 м ² площади оборудования (при условии, что высота резервуара составляет 1,5 м). Если коридоры и другое оборудование занимают одну четверть помещения для производства био-водорода, тогда для помещения потребуется общая полезная площадь 20 м ( ² ).Коммерческие топливные элементы мощностью 3 кВт имеют объем примерно 0,33 м ³ (http://www.solore.com.tw/power/fuel/stacks/3kw.htm). Резервуары для хранения водорода должны быть в состоянии хранить достаточно водорода в течение трех дней. Так как среднее домашнее хозяйство на Тайване использует примерно 3 × 320 ÷ 30 = 32 кВтч каждые три дня, а топливный элемент мощностью 3 кВт требует 36 л водорода в минуту, 36 л водорода могут, таким образом, произвести 0,05 кВтч. Таким образом, на три дня потребуется примерно 32 ÷ 0,05 = 640 л водорода. Коммерческий резервуар для хранения водорода объемом примерно 1.68 м ³ (http://www.hbank.com.tw/fc_products_pr_05.htm), следовательно, можно использовать в этом приложении. Согласно фактическим данным Исследовательского центра энергетики и ресурсов FCU, когда рабочий объем составляет 3 л, а HRT составляет 8 ч, концентрация матрицы в сырье будет 20 г ХПК / л, и система будет вырабатывать 0,87 Вт электроэнергии. . Кроме того, поскольку 20 г ХПК / л = 17,8 г сахарозы / л (фактические данные), для получения 0 потребуется 6,675 г сахарозы / ч (3–1 / 8 ч x 17,8 г сахарозы / л = 6,675 г сахарозы / ч).87 Вт и 23 017 г сахарозы / час потребуется для выработки 3 кВт (6,675 г сахарозы / час x 3000 / 0,87 = 23 017 г сахарозы / час). По данным Taiwan Power Corp., среднее ежедневное потребление электроэнергии домохозяйством составляет 10 кВтч, поэтому система должна работать в течение 3,3 часа в день, чтобы обеспечить ежедневную электрическую нагрузку домохозяйства в 3 кВт (10 кВтч / 3 кВт). Таким образом, на одно домашнее хозяйство в день потребуется в общей сложности 75 956 г сахарозы (23 017 г сахарозы / ч × 3,3 ч / день = 75 956 г сахарозы / день).

Экспериментальная установка по производству био-водорода (слева, внутри; справа, снаружи).

дает размеры объемов и площадей помещения для хранения сырья биомассы, помещения для производства био-водорода, топливных элементов, резервуара для хранения водорода и диспетчерской, а также модель. показывает схематический план системы производства электроэнергии в реальном времени на биоводороде в качестве образца для проектирования односемейных автономных домов.

Схематический план системы выработки энергии в реальном времени на био-водороде.

Таблица 2.

Оценки функциональных направлений и исследуемая модель.

Функция	Объем	Площадь
Склад биомассы	7,5 м 3	3 м 2
Камера производства био-водорода	22,4 M 3	20 M 2
Топливные элементы	0,33 M 3	0,5 M 2
Бак для хранения водорода	1.68 M 3	1,5 M 2
Диспетчерская	7,5 M 3	3 M 2

4.6. Автономное управление

В соответствии с принципами энергетической автономии при проектировании дома, ориентированном на потребности пользователей, необходимо, помимо соблюдения пассивной планировки и принципов проектирования здания, также учитывать использование активных адаптивных устройств. Активные устройства можно использовать для повышения производительности пассивного здания, улучшения автономного управления энергетическими приложениями и поддержания комфортной среды обитания.

Автономный дом в этом проекте будет использовать тепловую выталкивающую вентиляцию с использованием лестницы в качестве вентиляционной башни. Из-за эффекта тепловой плавучести горячий воздух обычно попадает в вентиляционную башню по лестнице и выходит через верхнюю часть башни из-за эффекта воздушного потока. Однако, когда внешнее давление превышает давление в помещении, при вентиляции с тепловой плавучестью может возникнуть обратный поток воздуха, и горячий воздух не сможет выйти. Когда датчики перепада давления и вычислительная техника используются в сочетании с клапаном воздушного потока, если в вентиляционной башне есть отрицательное давление по сравнению с воздухом снаружи, можно включить вентиляционный вентилятор наверху башни или угол наклона воздуха регулируемый клапан потока, чтобы гарантировать, что внутреннее пространство градирни имеет положительное давление по сравнению с наружным воздухом, и горячий воздух может легко выходить.Из-за этого в автономном доме будет использоваться активное устройство, обеспечивающее оптимальную вентиляционную работу башни с пассивной тепловой плавучестью () [30].

Проект башни вентиляции тепловой плавучести (рисунок Чен Ниен-Цзы).

5. Рекомендации и выводы

Исследование устанавливает схему возможного автономного дома на основе водородной энергии, который не будет производить загрязнений и не тратить энергию. Предложения для будущих исследований:

(1) Независимая модель выработки и использования электроэнергии в жилых домах островного типа:

Это исследование было сосредоточено на развитии автономных городских жилых домов, связанных с государственной системой электроснабжения, и есть надежда, что домохозяйства распределенные электрические системы могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций.Однако дома, расположенные в отдаленных пригородах и местах, где недоступно общественное электричество, нуждаются в автономных энергетических системах еще больше. Тем не менее, дальнейшие исследования должны изучить, как поддерживать стабильность и производительность выработки энергии, прямого использования, хранения и поставки для использования. Исследования могут также быть сосредоточены на модификации бытовых генерирующих систем для подачи питания переменного тока и изучении моделей использования и распределения, а также бытовых приборов и оборудования, которые подходят для питания переменного тока.

(2) Интеграция и управление несколькими энергетическими системами:

В соответствии с принципами энергетической автономии здания могут поддерживать несколько источников энергии (таких как энергия биомассы, солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, геотермальная энергия и т. Д. .). Поэтому дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на стабильном использовании нескольких источников энергии и различных типов производимого ими тока (переменного или постоянного тока). Потребуются более эффективные платформы управления энергией, чтобы избежать ненужных потерь при преобразовании энергии.

(3) Изучение экологических характеристик городских систем с точки зрения энергетики:

Согласно широкому определению экосистемы, города можно рассматривать как часть экосистемы. Дальнейшие исследования могут изучить метаболизм материи, преобразование энергии, круговорот воды и денежные потоки в городской производственной и потребительской деятельности, а также изучить динамические механизмы, функциональные принципы, экономические и экологические преимущества, пространственные структуры и правила управления городскими системами.

(4) Обработка сточных вод и химическая потребность в кислороде (ХПК), когда биомасса используется для производства водорода:

Поскольку водородный генератор на биомассе Университета Фэн Чиа производит лишь небольшое количество сточных вод, эти сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами кампуса. и сбрасываются непосредственно в канализацию сточных вод университетского городка; он направляется в пруд для очистки сточных вод университета, а затем сбрасывается в городскую канализационную систему. Однако, когда в будущем установки по производству водорода из биомассы станут обычным явлением, необходимо будет создать очистные сооружения на уровне сообществ.Такие объекты должны снизить ХПК сточных вод от производства водорода в достаточной степени, чтобы соответствовать стандартам выбросов, прежде чем воду можно будет сбрасывать в городские системы сточных вод. Потребуется сотрудничество с инженерами по охране окружающей среды, чтобы интегрировать соответствующие меры по контролю загрязнения.

Это исследование рассматривает автономный дом, основанный на био-водородной энергии, как ключевую технологию жилищного строительства нового поколения. Это имеет два значения: во-первых, самодостаточный энергетический цикл дома, состоящий из производства, потребления и переработки, удовлетворяет потребности устойчивого развития.Во-вторых, использование датчиков, вычислительных механизмов и адаптивных архитектурных элементов позволит автономно управлять окружающей средой. Что касается применения и повторного использования энергии и ресурсов, автономный дом этого типа может согласовать проект пассивного энергосбережения с потребностями в энергии активных устройств, удовлетворяя потребность в комфортной среде.

Автономная власть — обзор

2 Теория

Формирование европейского государства было многомерным процессом, но большинство теорий государственного строительства по-прежнему одномерны.Следовательно, многофакторная трехуровневая теория государственного строительства, которая объединяет (а) микроуровень индивидов и групп, (б) мезоуровень политической системы и (в) макроуровень общества, представляет собой более многообещающее предложение (Reinhard 1992).

Государственное строительство начинается на микроуровне с корыстной жажды власти отдельных людей, часто с конкурентного преимущества владения королевской властью. До существования государства как абстрактного института необходимая надличностная преемственность обеспечивалась династией.Династическое государственное строительство заключалось в устранении или, по крайней мере, в контроле над соперничающими обладателями автономной власти, начиная с догосударственной фазы истории — дворянством, церковью, городскими и сельскими общинами — с целью установления монополии на власть. Чтобы добиться успеха, династиям требовалась помощь правящих элит, которые в своих интересах сделали рост государственной власти своим делом. В конечном итоге адвокаты буржуазного происхождения оказались более квалифицированными для этой роли, чем члены церкви или дворянства, потому что, в отличие от последних, адвокаты обязаны своим статусом и властью служению монархам.

Глубокие изменения на мезоуровне политической системы явились результатом успешного использования войны, религии и патриотизма с целью расширения династической власти. Существовавшее ранее соперничество европейских монархов неизбежно росло вместе с их властью, потому что стало необходимо опережать своих соседей, расти за их счет и, в свою очередь, защищать себя от тех же целей. Следовательно, им требовались постоянно растущие армии и деньги во все возрастающем количестве, чтобы заплатить им.В решающей фазе своего роста современное государство было военным государством, которое расширило свои налогообложение, администрирование и принуждение главным образом для ведения войны.

Это привело к циклическому процессу, циклу принуждения-извлечения (Finer 1997) и, наконец, к внутренней и внешней монополии насилия. В конце концов, войну ведут только государства. Частные войны, такие как вендетты или вражды, восстания знати или народа, больше не были законными при могущественном военном и полицейском государстве. «Необходимость» в служении общему благу служила ключевым аргументом, узаконившим этот рост государственной власти.Но когда конкурирующие «конфессиональные» церкви после протестантской Реформации потеряли большую часть своей автономии в пользу государства — цену, которую пришлось заплатить за политическую защиту, — религия стала инструментом эмоциональной идентификации подданных со своей страной. «Католик» и «баварский», «польский» или «испанский» стали почти синонимами, с одной стороны, так же как «протестантский» и «английский», «прусский» или «шведский» — с другой.

Существенный вклад был внесен социальной и культурной средой на макроуровне.Во-первых, геоисторическое многообразие Европы было стимулом для роста государственной власти через цикл принуждения и изгнания. Результатом стал стабильный плюрализм внутренне строго унитарных государств — исключительный случай во всем мире. Универсальные империи никогда не имели шанса в Европе; Священная Римская империя немцев была в лучшем случае первой среди равных. Но внутреннее единство не было реализовано до конца восемнадцатого, девятнадцатого, а в некоторых случаях даже двадцатого века. Долгое время большинство монархий состояло из нескольких частей с неравным статусом, таких как Кастилия и Арагон или Полония и Литва.

Повсюду монархам приходилось сталкиваться с мощной системой автономного местного дворянского правления, с одной стороны, с общенациональной сетью частично автономных городских и сельских общин, с другой, опять же с европейской спецификой. Кроме того, до Реформации Церковь считала себя независимым сообществом, в некотором смысле даже государством перед государством. Этот исключительный европейский дуализм духовного и мирского в сочетании с столь же уникальным политическим плюрализмом оказался предпосылкой политической свободы, хотя ни церковь, ни государство, ни дворяне, ни городские олигархии не выступали за какую-либо свободу, кроме своей собственной.Наконец, сильное положение церкви объясняется ее ролью хранителя латинской культуры. Римское право, в некоторой степени преобразованное в каноническое право Церкви, прямо и косвенно доказало основополагающее значение не только для построения монархического государства, но и для свободы личности и собственности.

Электросеть завтрашнего дня будет автономной

Приятно иметь соседей , от которых можно положиться, одалживаете ли вы чашку сахара или вам нужен кто-то, чтобы выгуливать собаку, пока вас нет в городе.В районе Базальт-Виста в западном Колорадо жители даже ближе, чем большинство: они делятся своим электричеством. Но в отличие от вашего соседа с сахаром, жители Basalt Vista могут даже не знать, когда они щедры. Обмен энергией происходит автоматически, за кулисами. Что действительно знают жители, так это то, насколько у них недорогая, надежная и возобновляемая электроэнергия.

27 умных домов в Базальт-Виста, расположенном примерно в 290 км к западу от Денвера, являются частью пилотного проекта совершенно нового подхода к электросети.Весь район соединен между собой микросетью, которая, в свою очередь, подключается к основной сети. В каждом доме все интеллектуальные устройства и энергоресурсы, такие как аккумуляторная батарея, водонагреватель или солнечная фотоэлектрическая (PV) система, контролируются для максимального повышения энергоэффективности.

В более крупном масштабе соседние дома могут быстро распределять электроэнергию, обеспечивая надежное электричество для всех — солнечная энергия, генерируемая в одном доме, может использоваться для зарядки электромобиля по соседству.Если бы лесной пожар выбил из строя линии электропередач в этом районе, у жителей все равно была бы выработка и хранение электроэнергии в районе. С весны до осени фотоэлектрические системы могут обеспечивать достаточно электричества и заряжать батареи в течение нескольких дней. В разгар зимы, когда идет жара и снег на солнечных батареях, резервного питания хватит примерно на 2 часа.

Теоретически энергосистемы любого размера могут быть покрыты лоскутным одеялом из Basalt Vistas, многоуровневыми регионами и даже целой страной в интеллектуальных сетях для автоматического управления производством энергии и использованием миллионов управляемых распределенных энергоресурсов.Эта концепция лежит в основе автономная энергетическая сеть (AEG), видение того, как будущее энергетики может быть определено с помощью устойчивости и эффективности.

Концепция и основная технология автономной энергосистемы разрабатываются нашей командой в Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо. С 2018 года NREL и местное коммунальное предприятие Holy Cross Energy воплощают эту концепцию в жизнь, начиная со строительства первых четырех домов в Basalt Vista. В каждом доме есть 8-киловаттная фотоэлектрическая система на крыше с литий-железо-фосфатными аккумуляторными батареями, а также энергоэффективные полностью электрические системы отопления, охлаждения, водонагреватели и бытовые приборы.Все эти активы отслеживаются и могут контролироваться AEG. До сих пор средние счета за коммунальные услуги были примерно на 85 процентов ниже, чем обычные счета за электричество в Колорадо.

В полностью электрических домах Basalt Vista в Колорадо используются интеллектуальные контроллеры от Heila Technologies (справа) для управления фотоэлектрическими панелями, аккумуляторами, зарядкой, обогревом и охлаждением электромобилей. В случае отключения региональной сети район может по-прежнему получать электроэнергию из аккумуляторных батарей и солнечных батарей на крыше. Фото: Джош Бауэр / NREL

AEG принесут как минимум столько же преимуществ коммунальным предприятиям, сколько и клиентам. С AEG, контролирующими распределенные энергоресурсы, такие как солнечные батареи на крыше и бытовые аккумуляторные батареи, диспетчерская коммунального предприятия станет больше похожа на высокоавтоматизированный центр управления воздушным движением. В результате энергия, вырабатываемая в AEG, используется более эффективно — она ​​либо сразу же потребляется, либо сохраняется. Со временем оператору придется меньше инвестировать в строительство, эксплуатацию и обслуживание более крупных генераторов, включая дорогостоящие «пиковые» электростанции, которые используются только тогда, когда спрос необычно высок.

Но может ли такая большая и сложная сеть, как национальная электросеть, действительно работать децентрализованно и автоматически? Наши исследования однозначно говорят «да». Такие проекты, как проект Basalt Vista, помогают нам понять наши представления о AEG и продемонстрировать их в реальных условиях, и, таким образом, они играют решающую роль в определении будущего энергосистемы. Вот как.

Сегодня сетевые операторы должны решить две большие проблемы. Во-первых, к сети подключается все большее количество распределенных энергоресурсов.В Соединенных Штатах, например, ожидается, что количество солнечных установок в жилых домах будет расти примерно на 8 процентов в год до 2050 года, в то время как бытовые аккумуляторные системы, по оценкам, достигнут почти 1,8 гигаватт к 2025 году, а к 2030 году на дорогах США могут появиться около 18,7 миллиона электромобилей. При таком ожидаемом росте вполне возможно, что через десять лет у большинства потребителей электроэнергии в США будет горстка контролируемых распределенных энергоресурсов в своих домах. Исходя из этого, Pacific Gas & Electric Co.4 миллиона потребителей в районе залива Сан-Франциско могут иметь в общей сложности около 20 миллионов подключенных к сети систем, которыми коммунальное предприятие должно будет управлять, чтобы надежно и экономично эксплуатировать свою сеть. Это в дополнение к обслуживанию столбов, проводов, трансформаторов, переключателей и централизованных электростанций в его сети.

В автономной энергосистеме Basalt Vista используется радиоантенна на 900 мегагерц для связи с диспетчерским центром Holy Cross Energy, находящимся примерно в 50 километрах. Фото: Деннис Шредер / NREL

Из-за стремительного роста числа подключенных к сети устройств операторы больше не смогут использовать централизованное управление в недалеком будущем. В географически разнесенной сети только задержки связи делают централизованную систему непрактичной. Вместо этого операторам придется перейти на систему распределенной оптимизации и управления.

Домохозяйства полагаются на литий-железо-фосфатные батареи от Blue Planet Energy. Фото: Джош Бауэр / NREL

Другая проблема, с которой сталкиваются операторы, заключается в том, что сеть работает во все более неопределенных условиях, включая колебания скорости ветра, облачность и непредсказуемые спрос и предложение. Следовательно, оптимальное состояние сети меняется каждую секунду и должно точно определяться в реальном времени.

Централизованно управляемая сеть не может справиться с такой степенью координации. Вот где на помощь приходят AEG. Идея автономной энергосистемы выросла из участия NREL в программе под названием NODES (Сетевые оптимизированные распределенные энергетические системы), спонсируемые U.S. Авангардное энергетическое агентство Министерства энергетики ARPA-E. Вклад нашей лаборатории в NODES заключался в создании алгоритмов для модели энергосистемы, полностью состоящей из распределенных энергоресурсов. Наши алгоритмы должны были учитывать ограниченные вычислительные возможности многих клиентских устройств (включая солнечные панели на крыше, электромобили, аккумуляторы, бытовую технику и другие нагрузки) и при этом позволять этим устройствам обмениваться данными и самооптимизироваться. NODES, завершившаяся в прошлом году, оказалась успешной, но только в качестве основы для одной «ячейки», то есть одного сообщества, контролируемого одной AEG.

Наша группа решила развить идею УЗЛОВ дальше: расширить модель на всю сетку и множество ее составных ячеек, позволяя ячейкам взаимодействовать друг с другом в иерархической системе. Генерация, хранение и нагрузки контролируются с помощью ячеистых строительных блоков в распределенной иерархии, которая оптимизирует как локальную работу, так и работу ячейки, когда она подключена к более крупной сети.

В нашей модели каждый AEG состоит из сети технологий производства, хранения и конечного использования энергии.В этом смысле AEG очень похожи на микросети, которые все чаще развертываются в США и других странах мира. Но AEG является более продвинутым в вычислительном отношении, что позволяет его активам взаимодействовать в реальном времени, чтобы согласовывать спрос и предложение в посекундных временных масштабах. Подобно автономному транспортному средству, в котором транспортное средство принимает локальные решения о том, как передвигаться, AEG действует как автономная силовая система, которая решает, как и когда перемещать энергию. В результате AEG работает с высокой эффективностью и может быстро восстановиться после сбоев или даже полностью избежать сбоев.Электросеть, полностью состоящая из AEG, могла бы ловко решать задачи на всех уровнях, от отдельных потребителей до системы передачи.

Чтобы развить идею, нужно было с чего-то начать. Basalt Vista предоставила прекрасную возможность перенести концепцию AEG из лаборатории в сеть. Район спроектирован с нулевым потреблением энергии, и он относительно близок к Центр интеграции энергетических систем NREL, где находится наша группа.

Более того, Holy Cross Energy искала решение для управления энергоресурсами, принадлежащими потребителям, и оптовой генерацией в своей системе.В последние годы ресурсы, подключенные к сети, принадлежащие потребителю, стали намного доступнее; Сеть Святого Креста посещает от 10 до 15 новых солнечных установок на крышах в неделю. К 2030 году коммунальное предприятие планирует установить летнюю пиковую систему на солнечной энергии мощностью 150 мегаватт. Между тем, коммунальному предприятию приходилось иметь дело с нестандартными устройствами, вызывающими нестабильность в его сети, периодическими отключениями из-за суровых погодных условий и лесных пожаров, переменной выработкой солнечной и ветровой энергии, а также нестабильным рынком солнечной энергии на крышах и другой энергии, вырабатываемой ее потребителями.

Короче говоря, то, с чем столкнулся Святой Крест, очень похоже на то, с чем сталкиваются другие сетевые операторы по всей стране и большей части мира.

Для разработки концепции AEG наша группа работает над объединением двух областей: теории оптимизации и теории управления. Теория оптимизации находит решения, но может игнорировать реальные условия. Алгоритмы управления работают для стабилизации системы в неидеальных условиях. Вместе эти два поля образуют теоретическую основу для AEG.

Конечно, эти теоретические строительные леса должны соответствовать запутанным ограничениям реального мира. Например, контроллеры, выполняющие алгоритмы AEG, не являются суперкомпьютерами; это обычные компьютерные платформы или встроенные контроллеры на границе сети, и они должны завершить свои вычисления менее чем за 1 секунду. Это означает более простой код, и в этом случае чем проще, тем лучше. Между тем, однако, при расчетах необходимо учитывать задержку при обмене данными; в распределенной сети по-прежнему будут временные задержки при передаче сигналов от одного узла к другому.Наши алгоритмы также должны уметь работать с разреженными или отсутствующими данными и противостоять вариациям, создаваемым оборудованием от разных поставщиков.

Даже если мы создадим красивые алгоритмы, их успех все равно будет зависеть от физики топологии линий электропередач и точности моделей устройств. Для большого коммерческого здания, где вы хотите выбирать, что включать и выключать, вам нужна точная модель этого здания в нужные сроки. Если такой модели не существует, вы должны ее построить.Сделать это становится на порядок сложнее, когда оптимизации включают много зданий и много моделей.

Мы обнаружили, что определить абстрактную модель сложнее, чем оптимизировать поведение реальной вещи. Другими словами, мы «исключаем посредника» и вместо этого используем данные и измерения для непосредственного изучения оптимального поведения. Используя передовые методы анализа данных и машинного обучения, мы значительно ускорили время, необходимое для поиска оптимальных решений.

На сегодняшний день нам удалось преодолеть эти препятствия в небольшом масштабе. Средство интеграции энергетических систем NREL — это современный испытательный стенд для проверки новых моделей энергетической интеграции и модернизации электросетей. Мы смогли проверить, насколько практичны наши алгоритмы, прежде чем внедрять их в полевых условиях; они могут хорошо выглядеть на бумаге, но если вы пытаетесь решить судьбу, скажем, миллиона устройств за 1 секунду, вам лучше быть уверенным, что они действительно работают. В наших первоначальных экспериментах с оборудованием реальной мощности — более 100 распределенных ресурсов одновременно, на общую сумму около половины мегаватта — мы смогли проверить концепции AEG, управляя системами в различных сценариях.

Выйдя за пределы лаборатории, мы сначала провели небольшую демонстрацию в 2018 году с Микросеть на виноградниках и винодельнях Stone Edge Farm Estate в Сономе, штат Калифорния, в партнерстве с производителем контроллеров Heila Technologies, в Сомервилле, штат Массачусетс. Микросеть мощностью 785 киловатт обеспечивает питание фермы площадью 6,5 га за счет комбинации солнечных панелей и топливных элементов , и микротурбина, работающая на природном газе и водороде, а также накопитель в виде батарей и водорода. Электролизер на месте питает водородную заправочную станцию ​​для трех электромобилей на топливных элементах.

Микросеть подключена к основной сети, но также может работать независимо в «островном» режиме, когда это необходимо. Например, во время лесных пожаров в октябре 2017 года основная сеть в Сономе и вокруг нее вышла из строя, и ферма была эвакуирована на 10 дней, но Микросеть продолжала бесперебойно работать повсюду. Наша демонстрация AEG на Stone Edge Farm подключила 20 энергетических активов микросети, и мы показали, как эти активы могут функционировать вместе как виртуальная электростанция надежным и эффективным способом.Этот эксперимент послужил еще одним подтверждением концепции AEG.

Basalt Vista развивает концепцию AEG еще дальше. Чистый нулевой энергии Район доступного жилья, разработанный Habitat for Humanity для школьных учителей и других местных работников, уже многое сделал. Окончательные результаты этого реального эксперимента еще не доступны, но то, что первые жители с радостью охватили этот новый рубеж в области энергетики, принесло нам еще один интерес к будущему AEG.

В Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии исследователи разработали алгоритмы оптимизации для автономной энергосистемы и протестировали их на реальных энергосистемах (вверху), таких как зарядные станции для электромобилей (внизу). Фотографии: Деннис Шредер / NREL

Мы спроектировали наши ранние демонстрации так, чтобы другие утилиты могли безопасно и легко запускать испытания подхода AEG с использованием стандартных протоколов взаимодействия. Сейчас наша группа рассматривает дополнительные проблемы, с которыми AEG столкнутся при расширении и переходе от развертывания Holy Cross Energy в сельской местности к сети плотного города.Сейчас мы изучаем, как эта идея будет выглядеть во всей энергетической системе — внутри ветряной электростанции, внутри офисного здания, на заводском комплексе — и какое влияние она окажет на передачу и распределение электроэнергии. Мы также изучаем рыночные механизмы, которые будут благоприятствовать AEG. Понятно, что для продвижения концепции потребуется широкое сотрудничество между разными дисциплинами.

Наша группа в NREL не единственная, кто смотрит на AEG. Исследователи из ряда ведущих университетов присоединились к NREL, чтобы создать фундаментальную науку, лежащую в основе AEG.Эмилиано Далл’Анезе из Университета Колорадо, Боулдер; Флориан Дёрфлер из ETH Zurich; Ян А. Хискенс из Мичиганского университета; Стивен Х. Лоу из Netlab Калифорнийского технологического института; и Шон Мейн из Университета Флориды стали первыми участниками концепции AEG и приняли участие в серии семинаров по этой теме. В рамках этого сотрудничества уже ежегодно создаются десятки технических документов, которые продолжают закладывать основы для AEG.

В рамках NREL круг участников AEG также расширяется, и мы смотрим, как эта концепция может применяться к другим формам генерации.Одним из примеров является ветроэнергетика, где будущее с поддержкой AEG означает, что методы управления, аналогичные тем, которые используются на Stone Edge Farm и Basalt Vista, будут автономно управлять большими ветряными фермами. Взяв большую проблему и разбив ее на более мелкие ячейки, алгоритмы AEG значительно сокращают время, необходимое для того, чтобы все турбины пришли к консенсусу относительно направления ветра и отреагировали, поворачиваясь лицом к ветру, что может увеличить общее производство энергии. . В течение года это может означать для оператора дополнительные миллионы долларов дохода.

В нашем исследовании мы также рассматриваем, как оптимально интегрировать переменную подачу энергии ветра в более крупную ячейку, которая включает другие области энергетики. Например, если система управления энергопотреблением здания имеет доступ к прогнозам ветра, она может перемещать свою нагрузку в режиме реального времени, чтобы соответствовать имеющейся энергии ветра. Во время послеполуденного затишья в скорости ветра систему кондиционирования воздуха в здании можно было бы автоматически отрегулировать на несколько градусов, чтобы снизить потребность в дополнительной энергии, полученной от аккумуляторных батарей.

Мы также изучаем инфраструктуру связи. Для достижения быстрого отклика, требуемого ячейкой AEG, связь не может быть заблокирована одновременными подключениями к миллионам устройств. В новом партнерстве NREL с беспроводной компанией Антерикс из Вудленд-Парка, штат Нью-Джерси, мы демонстрируем, как будет работать выделенная сеть LTE для связи между устройствами.

Надежная работа, конечно же, предполагает, что каналы связи защищены от киберугроз и физических угроз.Возможность таких атак ведет разговор в энергосистемах к устойчивости и надежности. Мы считаем, что AEG должны минимизировать воздействие как преднамеренных атак, так и стихийных бедствий, а также сделать сеть более устойчивой. Это потому, что состояние каждого подключенного к сети актива в каждой ячейке AEG будет проверяться посекундно. Любое внезапное и неожиданное изменение статуса вызовет соответствующую реакцию. В большинстве случаев никаких радикальных действий не требуется, потому что изменение находится в пределах нормальной изменчивости операций.Но если причиной является серьезная неисправность, ячейка может автоматически изолировать себя, частично или полностью, от остальной сети до тех пор, пока проблема не будет решена. Изучение влияния AEG на устойчивость сети является постоянным приоритетом в NREL.

На данный момент AEG появятся первыми в таких районах, как Basalt Vista, и в других небольших учреждениях, таких как больницы и университетские городки. В конце концов, однако, должно произойти более крупное развертывание. Например, на Гавайях 350 000 клиентов установили солнечные батареи на крыше.С государственной мандат на 100-процентную возобновляемую энергию к 2045 году, количество распределенной солнечной энергии может утроиться. Коммунальная компания Hawaiian Electric Company предполагает подключить около 750 000 солнечных инверторов, а также аккумуляторные системы, электромобили и другие распределенные энергоресурсы. Соответственно, HECO стремится максимально снизить автономное управление до локального уровня, чтобы свести к минимуму необходимость связи между центром управления и каждым устройством. Для реализации полностью автономной сети потребуется некоторое время.В частности, нам необходимо провести обширные испытания и демонстрации, чтобы продемонстрировать возможность его применения с существующими инфраструктурами связи и управления HECO. Но в конечном итоге концепция AEG позволит утилите расставить приоритеты в управлении и сосредоточиться на критических операциях, а не пытаться управлять отдельными устройствами.

Мы думаем, что пройдет еще десять лет, прежде чем развертывание AEG станет обычным явлением, но рынок AEG может появиться раньше. В прошлом году мы добились прогресса в коммерциализации алгоритмов AEG, и при поддержке Отделение технологий солнечной энергии Министерства энергетики США, NREL, в настоящее время сотрудничает с Siemens в области методов распределенного управления.Аналогичным образом, NREL и компания по управлению энергопотреблением Eaton Corp. объединились, чтобы использовать работу AEG для автономных, электрифицированных перевозок.

Тем временем NREL исследовал, как поддерживать рынок распределенной энергии с помощью транзакций на основе блокчейна — вариант для так называемых трансактивных рынков энергии. Этот проект в партнерстве с BlockCypher успешно продемонстрировал, что такой район, как Basalt Vista, может беспрепятственно монетизировать свое распределение энергии.

По мере того, как мы продвигаемся к 100% чистой энергии с высокой концентрацией инверторных энергетических технологий, нам понадобится такое решение, как AEG, для продолжения эксплуатации сети надежным, экономичным и отказоустойчивым способом.Вместо того, чтобы обращаться к центральным электростанциям для удовлетворения своих потребностей в электроэнергии, отдельные потребители смогут все больше полагаться друг на друга. В сети, построенной на AEG, соседство будет автоматическим.

Эта статья опубликована в печатном выпуске за декабрь 2020 года как «Хорошие сети — хорошие соседи».

Tesla хочет сделать каждый дом распределенной электростанцией — TechCrunch

Генеральный директор Tesla

Илон Маск хочет превратить каждый дом в распределенную электростанцию, которая будет генерировать, хранить и даже доставлять энергию обратно в электросеть, используя продукты компании.

Хотя компания уже много лет продает солнечные батареи и аккумуляторы энергии, новая политика компании — продавать солнечную энергию только в сочетании с продуктами для хранения энергии, наряду с комментариями Маска в понедельник, раскрывает стратегию, направленную на масштабирование этого бизнеса за счет обращения к коммунальным предприятиям.

«Это процветающее будущее как для Tesla, так и для электроэнергетики», — сказал он. «Если этого не сделать, коммунальные предприятия не смогут обслуживать своих клиентов. Они не смогут этого сделать », — сказал Маск во время телефонного разговора с инвестором, отметив постоянные отключения электроэнергии в Калифорнии прошлым летом и недавний отказ сети в Техасе как свидетельство того, что надежность сети стала более серьезной проблемой.

На прошлой неделе компания изменила свой веб-сайт, чтобы запретить покупателям покупать только солнечную батарею или ее накопитель энергии Powerwall, и вместо этого потребовала приобрести систему. Позже Маск объявил об этом шаге в своем твите, заявив, что «солнечная энергия будет подаваться исключительно на Powerwall» и что «Powerwall будет взаимодействовать только между счетчиком коммунальных услуг и главной панелью выключателя дома, что обеспечивает сверхпростую установку и беспрепятственное резервное копирование всего дома во время отключения электросети».

Маск утверждает, что энергосистеме потребуется больше линий электропередачи, больше электростанций и более крупные подстанции для полной декарбонизации с использованием возобновляемых источников энергии и хранилищ.По мнению Маска, распределенные жилые системы — разумеется, с использованием продуктов Tesla — будут лучшим вариантом. Его заявление было частично подтверждено недавними исследованиями Массачусетского технологического института, которые показали, что США могут выйти на сеть с нулевым выбросом углерода, более чем вдвое увеличив свою пропускную способность, и еще одно исследование Принстонского университета, показывающее, что стране может потребоваться утроить свои системы передачи к 2050 году, чтобы достичь нулевых выбросов.

Маск представляет себе систему электросетей, радикально отличную от той, которая есть у нас сегодня, которая централизованно контролируется и управляется операторами сетей, независимыми организациями, такими как Независимый системный оператор Калифорнии или Совет по надежности электроснабжения Техаса.Это видение связано с бюрократическими и логистическими проблемами. Коммунальным предприятиям и регулирующей политике необходимо будет решить, как справиться с большим притоком так называемых «распределенных энергетических ресурсов», таких как солнечные батареи на крышах жилых домов, что может противоречить давно устоявшимся бизнес-моделям коммунальных предприятий.

Важно отметить, что вопрос о том, хватит ли одних только возобновляемых источников энергии с накоплением для обезуглероживания энергосистемы, является спорным. Многие эксперты полагают, что потребности в землепользовании, требования к хранению и проблемы с перебоями возобновляемых источников энергии могут превратить их роль в качестве основного производителя электроэнергии в страну несбыточной мечтой.Но Маск долгое время был оптимистом в отношении модели «возобновляемые источники энергии плюс накопители», написав в июле прошлого года в Твиттере, что «физика отдает предпочтение электротранспорту, батареям для стационарного хранения и солнечной / ветровой энергии для выработки энергии».

Крупнейшая в мире виртуальная жилая электростанция — pv magazine International

Из журнала pv USA

Sidewalk Infrastructure Partners (SIP) и OhmConnect объединились для создания Resi-Station, чистой электростанции мощностью 550 МВт, которая в ближайшее время будет запущена в Калифорнии месяц.В полном объеме через три года это будет крупнейшая бытовая электростанция в мире, заявили SIP и OhmConnect, компания, занимающаяся виртуальной электростанцией, которая использует мощность парка энергосберегающих домов и интеллектуальных устройств.

«То, что мы делаем с ответом на агрегированный спрос, и то, что Resi-Station сделает, — это предоставит каждому доступ к управлению спросом в режиме реального времени. И то, и другое возможно благодаря новаторским разработкам в области использования солнечной энергии в жилых домах », — сказал Cisco DeVries, генеральный директор OhmConnect.

Для людей, использующих солнечную энергию в жилых домах, объединение возможностей OhmConnect и Resi-Station даст им больше способов сэкономить и заработать на своих инвестициях в солнечную энергетику, добавил он.В рамках партнерства с Resi-Station компания SIP, поддерживаемая Alphabet, инвестирует 20 миллионов долларов в OhmConnect. SIP также предоставляет капитал для строительства и эксплуатации Resi-Station.

Resi-Station — это масштаб OhmConnect, который будет связан с Resilia, новой передовой сетевой платформой SIP, нацеленной на создание двунаправленных, трансактивных и распределительных электрических систем. В августе SIP запустила аналогичную дочернюю компанию Cavnue, которая сочетает в себе технологии и дорожную инфраструктуру, чтобы раскрыть потенциал подключенных и автономных транспортных средств.

«[С] Resi-Station мы переосмысливаем структуру современных электрических сетей, позволяя им функционировать больше как симфония, чем соло — последовательность энергозатратных и энергодающих систем, которые взаимодействуют и взаимодействуют друг с другом. доставлять электроэнергию безопасно, дешево и эффективно », — сказал Джонатан Винер, со-генеральный директор Sidewalk Infrastructure Partners.

Для SIP запуск Resi-Station соответствует его миссии, заключающейся в выявлении, финансировании и масштабировании технологий, которые, по его мнению, определят будущее инфраструктуры.Имея это в виду, он планирует запустить аналогичные проекты, которые инновационным образом задействуют распределенные энергоресурсы по всей стране, используя Resi-Station в качестве шаблона. OhmConnect и SIP будут совместно управлять им после его ввода в эксплуатацию.

Airbnb для энергетики

«Resi-Station — это первый большой шаг к открытию двери в глобальную сеть, — сказал ДеВриз.

В некотором смысле Resi-Station может пойти по стопам таких компаний, как Airbnb.«Airbnb сейчас в четыре или пять раз превосходит Marriott по количеству единиц, а Airbnb сделала это всего за несколько лет», — сказал ДеВриз.

Предложение Resi-Station аналогично.

«Это обеспечивает коммерческое масштабирование распределенных электростанций», — сказал ДеВриз. «Через несколько лет почти каждый в стране будет думать о своих бытовых приборах, автомобильных зарядных устройствах и об использовании энергии в своих домах как о чем-то, на чем они могут зарабатывать деньги, когда они их не используют — вроде того, как думают люди. Airbnb как способ заработать деньги в своей гостевой спальне.«

Resi-Station и платформа Resila не собираются заменять традиционные электростанции, но они станут основным компонентом энергосистемы США в течение следующих 10 лет», — сказал ДеВриз. По его словам, нормативные изменения, в том числе приказ 2222 Федеральной комиссии по регулированию энергетики, ускорят этот переход.

В соответствии с соглашением, достигнутым несколько лет назад, в периоды высокого спроса CAISO сообщает OhmConnect о своих потребностях в снижении мегаватт, а OhmConnect отправляет своим пользователям текстовые предупреждения с просьбой выключить питание.Если участники OhmConnect реагируют на запросы и потребляют меньше энергии, чем прогнозировалось, им платят. В дальнейшем OhmConnect также будет выполнять эту роль от имени Resi-Station.

Сеть будущего

В масштабе Resi-Station может достичь 5 ГВт-ч энергосбережения, заявили SIP и OhmConnect, добавив, что это соответствует полному объему нехватки энергии в Калифорнии во время отключений электроэнергии этим летом. Это также эквивалент не сжигания 3,8 миллиона фунтов угля.

Энергосбережение, которое может обеспечить Resi-Station, также в пять раз больше, чем обеспечивала OhmConnect прошлым летом, когда миллионы калифорнийцев столкнулись с серьезными отключениями электроэнергии во время аварийной ситуации в сети, вызванной тепловой волной, из-за которой коммунальные системы изо всех сил пытались справиться с растущим спросом.

В период с 13 по 20 августа компания OhmConnect отключила и включила интеллектуальные устройства и бытовые приборы своих клиентов, чтобы сократить общее потребление энергии почти на один ГВтч, что помогло избежать дополнительных отключений электроэнергии.За помощь в снижении нагрузки на энергосистему Калифорнии компания OhmConnect выплатила своим пользователям около 1 миллиона долларов.

Сразу после веерных отключений в августе прошлого года количество подписчиков на программу реагирования на запросы OhmConnect увеличилось втрое. Со стороны пользователя, желание помочь предотвратить отключение электроэнергии, экономические проблемы, связанные с пандемией, и тот факт, что цены на электроэнергию для бытовых потребителей в Калифорнии, составляющие почти 21 цент за кВт · ч, значительно выше, чем в среднем по стране в 13 центов за кВт · ч, — все это способствовало повышению интереса.

Для коммунальных предприятий, особенно тех, которые скептически относились к системам реагирования на спрос в жилищном секторе и не хотели, чтобы OhmConnect напрямую взаимодействовали со своими клиентами, опыт этого лета помог их осознать.

«Они [теперь] видят в нас источник столь необходимого снабжения, так что они не в состоянии отключать электричество. Они также теперь доверяют нам больше, потому что мы успешно поддержали масштабируемую сетку во время предупреждения о гибкости », — сказал ДеВриз.

По словам ДеВриса, Resi-Station — это только начало. «В течение следующих нескольких лет OhmConnect расширит свои мощности в Калифорнии до 2 ГВт… Это критически важно для будущего нашей электросети», — отметил он.

Чтобы сделать такой масштаб возможным, необходимо несколько нормативных изменений на уровне штата, и некоторые из них уже появляются на горизонте.В конце ноября Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии открыла слушания, направленные на установление политики, процессов и правил, обеспечивающих надежное электроснабжение в периоды экстремальных погодных условий в 2021 году.