Система получения альтернативной энергии из ресурсов многоквартирного дома

Введение. В недалёком прошлом для использования альтернативного источника электроснабжения для различного рода объектов, на нужды системы электроснабжения в основном применялись дизельные генераторы. Альтернативой им были бензиновые и газовые генераторы, но они использовались гораздо реже, в связи с тем что бензин значительно дороже дизельного топлива, а для газовых генераторов необходим магистральный газопровод. В настоящее время дизельные генераторы применяются не как альтернативные источники электроснабжения, а как резервные источники электроэнергии и их использование постепенно сокращается.

Развитие науки и техники позволило в настоящее время в качестве альтернативных источников электроэнергии использовать такие источники, как солнечные батареи, ветрогенераторы, биогазовые установки и т. д. Использование альтернативных источников электроснабжения позволяет добиться полной автономии для осуществления освещения лестнично-лифтовых узлов, подвальных и чердачных помещений, использования вырабатываемой энергии на нужды систем обеспечения наблюдения и пожарной охраны и т. д.

Достоинства альтернативных источников электроэнергии – их экологическая чистота, независимость от традиционной энергетики. Ограничениями же их можно назвать относительно высокую стоимость оборудования, позволяющего преобразовывать солнечную радиацию, силу ветра и т. д. в электричество.

На сегодняшний день при нынешнем уровне развития научно-технического прогресса, существующие потребности энергопотребления могут быть покрыты только лишь при использовании таких энергетических ресурсов, как нефть, природный газ, уголь, а также атомной энергетики, гидроэнергетики и т. д. Исходя из многочисленных научных исследований, органические виды топлива в недалёком будущем смогут только частично покрывать запросы мировой энергетики. Остальные потребности предполагается удовлетворять с помощью альтернативных источников энергии (возобновляемых и невозобновляемых). Под невозобновляемыми источниками энергии подразумевается использование природных запасов топлива, из которых человек может производить энергию. Примером данных источников могут служить ядерное топливо, природный газ, нефть и т. д. Под возобновляемыми понимается в основном постоянно существующие или периодически возникающие в окружающей среде потоки энергии [1]. Резолюция Генеральной Ассамблеи ООН № 33/148 разъясняет, что подразумевается под нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии: приливная, геотермальная, ветровая, солнечная и т. д. В последние годы можно заметить, что в средствах массовой информации большое внимание уделяется энергетическому кризису. Многие учёные утверждают, что достаточно лишь увеличить количество вырабатываемой энергии с помощью строительства электростанций различного типа. Но, как было отмечено выше, запасы органического топлива ограничены. Вследствие данных обстоятельств многие исследователи занимаются поиском новых источников энергии, которые в дальнейшем могли бы не только сохранить и заменить органические ресурсы, но и улучшить экологию планеты [1, 2–9, 13–19].

Одним из перспективных источников для получения электроэнергии в непромышленных масштабах является энергия перемещения воздушных потоков. Существует большое количество способов преобразования энергии воздушного потока в электроэнергию (ветрогенераторы различных конструкций). Также существуют технологии получения электроэнергии, основанные на движении воздуха за счёт его нагревания. Вследствие того, что для освещения лестнично-лифтовых узлов, подвальных и чердачных помещений требуется небольшое количество энергии, видится возможным перевести данные осветительные установки на получение питания от альтернативных источников электрической энергии, что, в свою очередь, привнесёт вклад в решение энергетической проблемы.

Авторами предложена установка электроснабжения, которая может быть использована как альтернативный источник электроэнергии на объектах жилищно-коммунального хозяйства в системе освещения лестничных площадок подъездов, подвальных и чердачных помещений малоэтажного и многоэтажного дома [10–12, 20–23].

Установка автономного электроснабжения состоит из следующих модулей: модуля альтернативного источника электроэнергии, модуль накопления электроэнергии. Модуль альтернативного источника электроэнергии включает аэро-, гидро- и солнечные генераторы. Аэрогенератор состоит из корпуса с расположенным в нем генератором, который закреплен на выходе вентиляционной шахты. К верхней части корпуса закреплен сменный турбодефлектор, который посредством вала крепится к аэрогенератору и соединён с модулем накопления электроэнергии. На крыше солнечной стороны здания, установлена солнечная фотопреобразовательная панель, которая кабелем соединена с модулем накопления электроэнергии. В подвальном помещении на входах систем горячего и холодного водоснабжения устанавливаются гидрогенераторы, которые также подключены к модулю накопления электроэнергии. Последний так же имеет подключение к сети питания и содержит в своём составе аккумуляторную батарею, устройство контроля заряда, преобразователь напряжения. На рис. 1 представлена блок-схема альтернативного источника электроэнергии; на рис. 2 – схема системы накопления электроэнергии.

Рис. 1. Блок схема альтернативного источника электроэнергии

Рис. 2. Схема системы накопления электроэнергии

Установка альтернативного источника электроэнергии содержит корпус 2 с расположенным в нем генератором 3, который крепится на выходе вентиляционной шахты 1. К верхней части корпуса 2 закреплен сменный турбодефлектор 6, который с помощью вала крепится к генератору 3, который соединен электрическим кабелем с системой 8 накопления электроэнергии. Внутри корпуса установлен воздухонаправляющий элемент 4. В отапливаемом помещении расположена система 8 накопления электроэнергии. На крыше солнечной стороны здания, с помощью системы креплений установлена солнечная фотопреобразовательная панель 7, которая соединена электрическим кабелем с системой 8 накопления электроэнергии. В подвальном помещении на вход систем горячего и холодного водоснабжения установлены гидрогенераторы 9, который также соединены электрическим кабелем с системой 8 накопления электроэнергии. Система 8 накопления электроэнергии (рис. 2) подключена к сети питания 220 В и содержит аккумуляторную батарею 10, устройство контроля заряда 11 аккумуляторной батареи 10, преобразователь напряжения 12. Работа установки автономного электроснабжения заключается в следующем. Система преобразует энергию восходящего воздушного потока вентиляции здания, энергию, поступающую от гидрогенераторов, и энергию солнечной фотопреобразовательной панели 7 в электрическую энергию.

В настоящей работе обсуждаются результаты исследования конструкции аэрогенератора. Получение электроэнергии происходит за счет силы воздушного потока, вентиляции здания, воздействуя с помощью воздуха направляющего элемента 4 на вал с лопастями 5 генератора 3, который вырабатывает постоянный электрический ток напряжением 12 В. Электрический ток поступает в систему 8 накопления электроэнергии.

Авторами были произведены исследования скорости воздушного потока в шахтах естественной вентиляции многоэтажного многоквартирного дома в отопительный период. Определение скорости воздушного потока в шахтах естественной вентиляции многоэтажного многоквартирного дома проводилось с помощью крыльчатого анемометра. Результаты представлены на рис. 3.

Рис. 3. Средняя скорость воздушного потока в шахте естественной вентиляции 10-этажного МКД

Из полученных результатов были сделаны следующие выводы: скорость воздушного потока в шахте естественной вентиляции увеличивается при уменьшении температуры уличного воздуха и при условии, что температура внутри отапливаемого объекта и температура на улице имеют разностной интервал не меньше 10 °С. Также было выявлено, что в различных частях выходного отверстия шахты естественной вентиляции скорость воздушного потока неравномерна.

Для детального исследования была создана портативная аэротруба с возможностью регулирования скорости воздушного потока от 0,5 до 3 м/с. Аэротруба представлена на рис. 4.

Рис. 4. Портативная аэротруба с возможностью регулирования скорости воздушного потока

Так как в ходе исследований вентиляционных потоков было выявлено, что в различных частях выходного канала шахты естественной вентиляции- скорость воздушного потока неравномерна, была разработана экспериментальная 3D модель насадки на выходную часть вентиляционной шахты естественной вентиляции для получения равномерного воздушного потока на выходе из вентиляционного канала. Цель установки насадки – равномерное поступление воздушного потока на ветроколесо установки. Конструкция насадки представлена на рис. 5.

Было проведено исследование влияния устанавливаемой насадки на выходную часть вентиляционного канала, которое показало, что скорость воздушного потока в шахте естественной вентиляции до установки и с установкой специальной на- садки уменьшилась на 0,2 м/с. Для компенсации уменьшения тяги естественной вентиляции использованы дефлекторы систем естественной вентиляции. Было проведено исследование влияния сменных дефлекторов на изменение скорости воздушного потока в шахтах естественной вентиляции здания. Лучшие результаты были получены с активными вентиляционными дефлекторами. Турбина активного дефлектора создаёт частичный вакуум в канале, в результате скорость воздушного потока в шахте естественной вентиляции усиливается и при установке не уменьшает тягу. На рис. 6 представлены график изменения тяги в вентиляционной шахте естественной вентиляции МКД, оборудованной активным дефлектором, в зависимости от скорости воздушного потока и внешний вид активных дефлекторов.

Рис. 5. Конструкция насадки для равномерного распределения воздушного потока на выходе вентиляционной шахты

1 *Vc = 3.6 кмУч

Рис. 6. График изменения тяги в вентиляционной шахте естественной вентиляции МКД с активным дефлектором диаметром от 400 до 630 мм

Рис. 7. Модель ветроколеса

Рис. 8. Ветроколесо на валу генератора

Рис. 9. Ветроколесо с 17 лопастями

Рис. 10. Ветроколесо с 13 лопастями

Из графиков изменения тяги в вентиляционном канале естественной вентиляции можно сделать вывод, что при установке насадки под активный дефлектор уменьшение скорости воздушного потока компенсируется активным дефлектором.

На рис. 7 представлена модель ветроколеса, которое устанавливается на вал генератора, расположенного внутри насадки, устанавливаемой в шахту естественной вентиляции.

На рис. 8 приведено ветроколесо, которое крепится на валу генератора.

Авторами были проведены исследования аэродинамических характеристик различного рода ветроколёс. Из ряда альтернативных конструкций были выбраны три варианта, которые представлены на рис. 9–11.

На рис. 9 представлена конструкция ветроко-леса с 17 лопастями.

На рис. 10 представлена конструкция ветро-колеса с 13 лопастями.

На рис. 11 представлена конструкция ветро-колесо с 12 лопастями.

В ходе проведённых исследований было выявлено, что наилучшими аэродинамическими характеристиками обладает ветроколесо, представ- ленное на рис. 10. Оно позволило получить более высокий КПД по сравнению с другими.

На рис. 12 представлена установка с данным ветроколесом.

На рис. 13 представлен внешний вид используемого генератора.

При проведении исследования с использованием данного тихоходного генератора были получены следующие значения при скорости воздушного потока 2,8 м/с. Скорость вращения ветроге-нератора 55 об/мин, выходная мощность 1 Вт.

Рис 11. Ветроколесо с 12 лопастями

а)

б)

Рис. 12. Ветроколесо с 13 лопастями (а); установка с ветроколесом из 13 лопастей (б)

Рис. 13. Генератор с редуктором

Заключение. В работе проведён обзор современных методов получения альтернативной электроэнергии для освещения лестнично-лифтовых узлов, подвальных и чердачных помещений многоэтажных, многоквартирных домов. Предложен метод получения альтернативной электроэнергии для освещения лестнично-лифтовых узлов, подвальных и чердачных помещений многоэтажных, многоквартирных домов.

Произведены исследования скорости воздушного потока в шахтах естественной вентиляции многоэтажного многоквартирного дома в зимних условиях, разработана 3D модель получения равномерного воздушного потока на выходе вентиляционной шахты. Проведены исследования различных видов ветроколёс и выбрана оптимальная конструкция.

Проведено исследование влияния сменных дефлекторов на изменение скорости воздушного потока в шахтах естественной вентиляции здания. Выявлены наиболее перспективные к применению сменные дефлекторы.