Новые технологии для автономного питания электронных устройств

Аналитический обзор аналогов автономного электроснабжения

технические науки

  • Кропотова Наталья Анатольевна , кандидат наук, старший преподаватель
  • Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России
  • АВТОНОМНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
  • ТЕРМО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ
  • ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Похожие материалы

  • Технологичность и эффективность огнезащитного покрытия для металлических конструкций быстровозводимых модулей
  • Техническое решение удаления продуктов сгорания топлива при контрольном осмотре пожарного автомобиля ПСЧ в зимний период
  • Коррозионное разрушение деталей механизмов и систем пожарного автомобиля
  • Устройство для автономного электроснабжения на основе элементов Пельтье при реализации эффекта Зеебека
  • Технико-экономическое обоснование устройства для автономного электроснабжения на основе эффекта Зеебека

Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь — электрической. Основное требование — увеличить объем ее выработки, но в последнее время все большее внимание привлекает энергия, которая должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики. Не стало исключением и явление, открытое в 1821 году Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck) и названное позже «Эффектом Зеебека». Эффект Зеебека, открытый в начале XIX века, актуален и в настоящее время [1]. Возможности его применения неограничены. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов применения эффекта Пельтье (обратный эффекту Зеебека) и очень малая часть занимается исследованием эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона, практических же приборов и устройств автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека нет.

Приведем лишь малый список тех аналогов, которые нашли промышленное применение на сегодняшний день. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В таком преобразовании отсутствует промежуточное звено, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую.

За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термоэлектрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт. Большинство ТЭГ предназначены для так называемой «малой энергетики». Они обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность [2]. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии.

В упрощенном виде термоэлектрический генератор можно представить в виде металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ) и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающим среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур, как представлено на рисунке 1. Вся конструкция должна сжиматься с усилием, обеспечивающим надежную передачу тепла от источника в окружающую среду с одной стороны и не допускающей превышения допустимого усилия при тепловом расширении конструкции.

Рисунок 1. Базовая конструкция термоэлектрического генератора

На рисунке видно, что сжатие обеспечивается с помощью резьбовых соединений и рессорной пружины. Пружины могут быть также иной конструкции, например витой или дисковой. Целью конструкции является обеспечение равномерности усилия сжатия в заданном интервале температур. Благодаря своей простоте базовая конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет) [3].

Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях – это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением, причем преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе. Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации.

ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отходящей) тепловой энергии выделяется на промышленных объектах и оборудовании при температуре поверхностей до 300 °С [4].

Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно. Совсем недавно практическое применение получили устройства, утилизирующие энергию тепловых потоков при перепаде температур менее 10 К [5, 6].

До настоящего времени существенным ограничением преимуществ термоэлектрического преобразования остается относительно низкий коэффициент эффективности преобразования теплового потока в электрическую энергию — от 3 до 8%. Однако в ситуации, когда для относительно небольших нагрузок невозможно или экономически нецелесообразно подвести обычные линии электропередачи, ТЭГ становится незаменимым [7]. Сферы таких применений крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, а также питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем и до бытовых генераторных устройств, например, в составе дровяной топочноварочной печи, печи для сауны, камина и отопительного котла. Приведем еще несколько примеров практического применения ТЭГ [8]:

  1. использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;
  2. автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;
  3. источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов (например, рисунок 2);

Рисунок 2. Термоэлектрический генератор ТЭГ-15 на газораспределительных пунктах – а, среднетемпературный генераторный модуль серии Mars – б.

  1. преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;
  2. обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи, один из примеров приведен на рисунке 3;

Рисунок 3. Генератор ТЭГ-5

  1. измерение тепловых потоков (тепломеры);
  2. обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °С);
  3. получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре (рисунок 4).

Приведенный аналитический обзор послужит вводной страницей к теме создания устройства для автономного электроснабжения широкого применения на основе эффекта Зеебека. Поскольку техническое решение такого позволит выработать требуемую электрическую энергию без дополнительных затрат.

Список литературы

  1. Шостаковский, П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания. / П. Шостаковский. // Новые технологии. — 2010. № 12. — С. 131-138.
  2. Крылов Е.Н. Региоселективность реакции нитрования алкилбензолов ацетилнитратом в бинарных органических растворителях. / Е.Н. Крылов, Л.В. Вирзум, Н.А. Жирова. // Вестник Ивановского государственного университета. — Иваново, 2004. № 3. С. 58-62.
  3. Топоров А.В. Применение методов конечных элементов для расчета магнитных систем магнитожидкостных устройств. / А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, А.Н. Мальцев, Е.А. Топорова, К.М. Волкова. // Фундаментальные и прикладные вопросы науки и образования. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 сентября 2016 г. Ч. 2. — Смоленск: ООО «Новаленсо», 2016. – 175. С. 54-56.
  4. Крылов Е.Н. Расчет селективности при нитровании алкилбензолов в трифторуксусной кислоте. / Е.Н. Крылов, Н.А. Жирова. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. — Иваново, 2007. Т. 50. № 1. С. 10-15.
  5. Разумов А.А. Оценка потребления количества теплоты в бакелизаторах при изготовлении абразивных изделий на бакелитовой связке. Технологические приемы экономии энергии при термообработке. / А.А. Разумов, Н.А. Кропотова. // Сборник статей по материалам III всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы». ИВИ ГПС МЧС России. – Иваново, 2012. С. 312-314.
  6. Пучков П.В. Магнитожидкостное уплотнение подшипника качения. / П.В. Пучков, А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, И.А. Легкова. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в социокультурном пространстве современного общества». В 3-х частях. — Смоленск. 2016. С. 33-35.
  7. Кропотова Н.А. Технические характеристики изготовления абразивного инструмента для работы в арктических условиях. / Н.А. Кропотова, Е.Ю. Моисеева, В.Е. Иванов. // Сборник материалов X Международной студенческой научно-практической конференции «Научное сообщество студентов». — М.: ИнтерактивПлюс, 2016. С. 125-127.
  8. Кропотова Н.А. Технология изготовления абразивного инструмента для работы в суровых условиях. / Н.А. Кропотова, Е.Ю. Моисеева // Новая наука: от идеи к результату: Международное научное периодическое издание по итогам Международной научно-практической конференции (29 июня 2016 г, г. Сургут). / в 2 ч. — Стерлитамак: АМИ, 2016. № 6-2 (90). Ч.2. Стр. 133-136.

Завершение формирования электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

  • 23 ноября 2020
  • Создание электронного архива по направлению «Науки о Земле и энергетика»

    • 29 октября 2020
  • Электронное периодическое издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), свидетельство о регистрации СМИ — ЭЛ № ФС77-41429 от 23.07.2010 г.

    Соучредители СМИ: Долганов А.А., Майоров Е.В.

    Новые технологии для автономного питания электронных устройств

    «Гигафабрика» в Сибири : как новые аккумуляторы меняют экономику России

    «Гигафабрика»
    в Сибири : как новые аккумуляторы меняют экономику России

    Литий-ионные аккумуляторы, на которых работает современная портативная электроника, захватывают всё новые отрасли экономики — транспорт, электроэнергетику и даже добычу полезных ископаемых. Россия — одна из немногих стран, где есть собственное производство таких аккумуляторов, запущенное при содействии «Роснано».

    В 2019 году Нобелевский комитет одной из главных в современном мире признал технологию литий-ионных аккумуляторов: премию по химии вручили трём ученым, которые занимались развитием этой технологии. На таких батареях сегодня работают смартфоны, планшеты, ноутбуки и всё более часто — электромобили.

    Первые прототипы литий-ионных батарей появились ещё в 1970-х гг., но до практического применения доросли только к 1990-м. С тех пор за счёт масштабирования и совершенствования технологии цены удалось сильно снизить: только в 2010-х они упали на 85%, а за следующее десятилетие стоимость хранения энергии снизится ещё на 66 — 80%.

    Читайте также  Новая серия одноядерных микроконтроллеров c2000™ delfino™ f2837xs от ti

    Большой толчок развитию технологии дала Tesla — самый крупный на сегодня производитель электромобилей. Компания смогла первой наладить массовый выпуск машин с литий-ионными батареями, для этого в Неваде (США) открыли завод по производству аккумуляторов, который назвали «гигафабрикой» в честь единицы измерения потребления и производства энергии. Ещё одну «гигафабрику» компания строит под Берлином.

    В десятке лидеров

    Развитие технологии позволило сильно расширить круг применения батарей: литий-ионные аккумуляторы высокой емкости сегодня могут питать автобусы, троллейбусы, поезда и другую технику, и технология продолжает трансформировать новые отрасли экономики.

    Мировой рынок литий-ионных аккумуляторов по итогам 2019 года оценили в $36,35 млрд, а к 2027 году он может вырасти до $116 млрд, и у России есть реальный шанс увеличить свою долю на этом рынке. По оценке управляющего директора по инвестиционной деятельности «Роснано» Владимира Козлова, объём российского сегмента рынка систем накопления энергии к 2025 году может составить $1,5 — $3 млрд в год. Минэнерго в своём оптимистическом сценарии рассчитывает на $8 млрд.

    По словам Владимира Козлова, с 2016 года российский рынок каждый год прирастает как минимум одним серийным продуктом с использованием литий-ионных аккумуляторов. «Рынок уже поверил в характеристики литий-ионных аккумуляторов и экономику решений на их основе», — говорит Козлов. Особенно перспективно выглядит сегмент аккумуляторов высокой емкости. Сегодня они производятся всего в десяти странах, и Россия — одна из них.

    Крупномасштабное производство литий-ионных аккумуляторов — завод «Лиотех» — запустили в декабре 2011 года в Новосибирской области при участии «Роснано». Предприятие площадью 40 тыс. кв. м построили всего за девять месяцев. На тот момент завод был крупнейшим в мире производством батарей высокой ёмкости, его плановая мощность составила примерно 1 млн аккумуляторов в год. «Роснано» инвестировала в проект 7,58 млрд руб.

    Сегодня «Лиотех» — единственный в России промышленный производитель литий-ионных батарей с собственным производством ячеек. Предприятие работает по модели B2B, в основном поставляя продукцию для крупных промышленных заказчиков по трём крупным направлениям.

    Большое значение литий-ионные аккумуляторы получили в энергетике: в удалённых населённых пунктах в Забайкальском крае, Кемеровской области, Якутии и Тыве батареи «Лиотеха» используют в составе гибридных энергоустановок. Такие установки включают дизельный генератор энергии и солнечные панели, а батареи накапливают и равномерно распределяют выработанную энергию. В Якутии начинается реализация крупного проекта строительства пяти новых автономных гибридных установок с применением аккумуляторов «Лиотех». Они появятся в труднодоступных населённых пунктах, где нет централизованного энергоснабжения.

    Применение аккумуляторов в энергоснабжении не ограничено удалёнными населёнными пунктами. Также их используют для обеспечения бесперебойного питания в случае отключения городской сети. Например, системы бесперебойного обеспечения электроэнергией были созданы в бизнес-центре «Принципал Плаза», в офисе компании «Полиметалл» и на Белорусском вокзале в Москве. В конце 2019 года компания «Лиотех» выиграла тендер на производство систем бесперебойного питания для Сбербанка. По оценке «Роснано», объём рынка таких решений на базе литий-ионных аккумуляторов в России для всех сфер применения к 2025 году может составить 12 млрд руб.

    Самые необычные альтернативные источники электроэнергии

    Энергия из морских волн

    В апреле 2021 года британская компания Mocean Energy представила Blue X — прототип установки, которая будет преобразовывать кинетическую энергию морских волн в электричество.

    Принцип работы такой: установку помещают на поверхность воды, она качается на волнах и приводит в движение шарнир посередине. Тот в свою очередь запускает генератор, который вырабатывает электроэнергию и по кабелям перенаправляет ее на сушу.

    Как это применять: по оценкам Mocean Energy, если использовать хотя бы 1% всей доступной энергии волн в мире, можно обеспечить электричеством 50 млн зданий. Для сравнения: в России насчитывается около 14 млн жилых домов.

    Энергия из ДНК

    Оказалось, что органические молекулы тоже преобразуют солнечную энергию в электричество. В 2021 году немецкие ученые сумели синтезировать супрамолекулярную — то есть более сложную, чем обычная молекула — систему на основе ДНК.

    Основа системы — фуллерен, «футбольный мяч» из 60 атомов углерода. К нему крепится краситель, который поглощает солнечный свет и отдает получившуюся энергию фуллерену. Но возникает проблема: если не упорядочить такие супрамолекулы, ток между ними будет протекать с трудом, а со временем и вовсе затухнет.

    Ученые предложили такое решение: закрепили супрамолекулы на основе фуллеренов и красителя на спирали ДНК. Так движения электронов становятся упорядоченными, а электрический ток не затухает.

    Как это применять: исследователи не обещают, что в скором времени на всех крышах появятся солнечные батареи из ДНК, но развивать это направление планируют. По их прогнозам, технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные батареи на основе кремния.

    Респираторы с солнечными батареями

    Берлинский изобретатель Хайнц Кнупске превратил респиратор в устройство, генерирующее электроэнергию. По сути, это привычная для нас маска, на поверхности которой закреплена маленькая солнечная батарея.

    Как это применять: батарея вырабатывает энергию, которой хватает для подзарядки телефона или часов. В начале 2021 года в Китае уже наладили серийное производство «солнечных» масок и отправили первую партию в Европу.

    Солнечные паруса

    В 2019 году Планетарное общество развернуло парус LightSail 2 на одной из ракет от SpaceX, и он успешно прошел испытания.

    Солнечный парус — почти то же самое, что и обычный парус на кораблях. Только в движение его приводит не ветер, а солнечная энергия — поток заряженных частиц, которые выделяет Солнце. Если поймать этот поток энергии, можно долгое время путешествовать в космосе по заданному маршруту, а топливо для этого не понадобится.

    Как это применять: используя наработки Планетарного общества, в 2021 году NASA с помощью паруса планирует долететь до Луны, а затем отправиться к околоземному астероиду 1991 VG.

    «Бесконечная» энергия из воздуха

    В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen — генератор, который создает электричество с помощью натурального белка и влаги из воздуха.

    С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают белок, который может проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше, чем человеческий волос — и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами.

    Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности в 45%, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий и работает даже в помещении.

    Как это применять: пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. В скором времени ученые разработают версию для мобильных телефонов и смарт-часов, чтобы те никогда не разряжались. А если у исследователей получится совместить Air-gen с краской для стен, в домах появится бесконечный источник электроэнергии.

    Электричество из дерева

    Если сжать древесину, а потом вернуть в исходное состояние, она вырабатывает электрическое напряжение — правда, очень низкое. Ученые из Швейцарии провели несколько экспериментов и в 2021 году сумели превратить древесину в мини-генератор.

    Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили ее в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов древесной коры — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия самостоятельно возвращается в исходную форму. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево.

    Как это применять: пока исследователи проводят испытания получившегося материала. Они уже выяснили, что энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.

    Жидкое топливо из солнечной энергии

    Сейчас электричество получают с помощью сжигания органического топлива, например угля и природного газа. У этого способа есть две проблемы: органическое топливо вредит экологии и когда-нибудь закончится. Это заставляет ученых искать замену органике.

    С 2001 года китайские ученые пытались преобразовать солнечную энергию в жидкое топливо. Спустя 20 лет у них это получилось.

    Исследователям удалось получить жидкий продукт с минимумом примесей — содержание метанола в нем достигает 99,5%. Для этого потребовалось три шага:

    • превратить свет, полученный с помощью солнечных батарей, в энергию;
    • с помощью этого электричества разложить воду на водород и кислород;
    • соединить водород и оксид углерода и получить метанол.

    Как это применять: в отличие от нефти и угля, это топливо сгорает чисто. Если у Китая получится сделать производство жидкого метанола массовым, углекислого газа в атмосфере станет намного меньше — на долю Китая приходится около 29% мировых выбросов.

    Автономное питание. Виды и работа. Источники и применение

    Строительство в редко заселенной местности сопровождается рядом трудностей. С одной стороны проживание на окраине является залогом тишины, покоя и положительной экологической ситуации. В то же время в таких местах имеются проблемы с инфраструктурой и коммуникациями. Отсутствие электричества является основной проблемой, которую нужно решать в первую очередь. Прокладка электрической линии от центральной сети стоит дорого, поэтому экономически выгодным решением будет автономное питание участка.

    Читайте также  Микросхемы flash-памяти фирмы samsung
    Преимущества и недостатки внедрения автономного питания
    Неоспоримым достоинствам перехода на собственную электросеть являются:
    • Полная независимость от централизованного электроснабжения.
    • Меньшая себестоимость 1 кВт электричества при использовании альтернативных источников энергии.
    • Стабильность электроснабжения.
    • Возможность продажи избыточно сгенерированного электричества в сеть.

    Имея в своем распоряжении систему автономного питания дома можно бесперебойно получать электричество даже в те моменты, когда окружающие его временно лишены по причине выполнения ремонтных работ на ЛЭП.

    Автономные системы имеют и недостатки. К ним можно отнести:
    • Дороговизна оборудования.
    • Потеря полезного пространства, требуемого на размещение оборудования.
    Альтернативные источники энергии для питания дома
    Сейчас развитие технологий позволяет использовать в качестве источника электроэнергии следующие системы:
    • Бензиновые и дизельные генераторы.
    • Электростанции на солнечных батареях.
    • Ветрогенераторные станции.

    Все эти виды оборудования имеют разную стоимость, а также рентабельность. Кроме этого для их установки требуется соблюдение определенных условий, что не всегда возможно в отдельных случаях. Это в первую очередь зависит от местонахождения участка и прочих факторов.

    Бензиновые и дизельные генераторы

    Такие генераторные установки являются самыми безотказными, при этом они стоят дешевле прочих систем. К сожалению, сама себестоимость получения 1 кВт энергии у них очень высокая. Такое оборудование представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который подключается к генерирующей электричество катушке. Мотор раскручивает ее, а она в свою очередь создает электрический ток.

    Самыми компактными являются бензиновые генераторы. Они бывают очень легкими, но в таком исполнении по мощности способны обеспечить энергией только несколько слабых бытовых приборов, таких как телевизор, вентилятор и освещение. Более серьезные генераторы выдают достаточно энергии для полноценного пользования всем имеющимся бытовым оборудованием в доме. И они довольно производительны чтобы запитать серьезные потребители, такие как духовой шкаф, микроволновая печь или водонагревательный бойлер.

    Самыми громоздкими, но и выгодными в плане соотношения затрат на топливо и получаемую энергию являются дизельные генераторы. Но они, как и бензиновое оборудование, редко используются как полноценное автономное питание. Дороговизна получения энергии вынуждает их применять только в качестве резервного источника на момент перебоев с центральной электросетью.

    Расход дизельного генератора для получения 1 кВт в час составляет 250 г горючего. Таким образом, даже при использовании генератора для питания только телевизора, холодильника и светильника, за час будет сжигаться примерно литр дизельного топлива. Постоянно платить такую цену за столь малый объем электричества абсолютно невыгодно.

    Кроме высокой себестоимости такое оборудование не лишено и прочих недостатков:
    • Шумность в работе.
    • Необходимость в ручной периодической дозаправке бака.
    • Невозможность круглосуточной непрерывной работы, поскольку оборудование нуждается в охлаждении.
    • Сложности с запуском в холодное время года, особенно дизельных генераторных машин.

    Поскольку такое автономное питание применяется как временное при перебоях в центральной электросети, то оно зачастую подключается к нему параллельно. Кроме самого генератора, со встроенным в него инвертором для преобразования электроэнергии из постоянного тока в переменный, применяется еще система автоматического пуска. Она берет на себя обязанность запуска электрогенератора при отключении питания в центральной сети. Оборудование может настраиваться под различные параметры. К примеру, генератор запускается через 2 или 3 минуты после пропажи электричества. Таким образом, отпадает необходимость в обычном ручном запуске. Как только напряжение в центральной сети снова начнет поступать, оборудование самостоятельно отключиться и двигатель генератора остановится.

    Автономное питание на солнечных батареях

    Такое автономное питание является намного предпочтительнее, чем топливные генераторы на двигателях внутреннего сгорания. Самым главным достоинством подобных систем является очень низкая себестоимость получения 1 кВт энергии. Для работы солнечной батареи требуется только солнечный свет, который достается даром. Принцип таких систем заключается в преобразовании световых фотонов в свободные носители электрического заряда.

    Чтобы такая система выдавала действительно достаточную мощность для работы бытовых приборов в доме, требуется, чтобы она имела большую площадь. Один квадратный метр поверхности солнечной батареи обеспечивает мощность около 100 Вт, при напряжении до 25 В. Это очень мало, и достаточно только для медленной зарядки аккумуляторной батареи или питания лампочек освещения.

    Чтобы солнечная батарея могла давать электрический ток требуемых параметров, требуется установка дополнительного оборудования:
    • Инвертора.
    • Контроллера.
    • Аккумуляторных батарей.

    Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, доводя его под идентичные параметры с электричеством на 220В с центральной сети. В отдельных случаях солнечную батарею можно подсоединять к оборудованию нечувствительному к параметрам напряжения. Это может быть нагревательный ТЭН подогревающий воду для хозяйственных нужд или в системе отопления.

    Чтобы получить все преимущества использования электростанции требуется накопление избыточной энергии для ее применения в последующем. Такой источник энергии позволяет генерировать электричество только днем при достаточно ярком солнечном свете. Ночью батареи полностью бесполезны. Для решения данной проблемы применяется контроллер заряда, который осуществляет подзарядку аккумулятора. Накопленное на нем электричество полностью или частично расходуется вечером и ночью, а с утра заряд снова восполняется от солнечных панелей.

    На первый взгляд солнечные панели это абсолютно идеальное решение, когда требуется экономически выгодное автономное питание дома.

    Однако такие системы не лишены и недостатков:
    • Высокая стоимость солнечных панелей и прочего оборудования.
    • Необходимость в периодической чистке поверхности батарей от слоя пыли, снижающего их эффективность.
    • Батареи занимают много места, и требуют размещения на солнечной стороне участка.

    Многие недостатки электростанций на солнечных батареях вполне решаемы. Зачастую проблемы с размещением такого оборудования решаются его установкой на крыше, тем самым не занимается полезное пространство. Это сразу же решает и проблему с затенением, поскольку мелкие фруктовые деревья и хозяйственные постройки не создают мешающей тени. Что касается высокой стоимости оборудования, то современные солнечные панели имеют большой ресурс, поэтому они успевают окупиться намного раньше, чем выйдут из строя. Однако стоит учитывать, что такой источник энергии подразумевает постоянную зарядку и разрядку аккумулятора. От этого его ресурс быстро сокращается. Чтобы иметь достаточный запас энергии ночью, АКБ придется периодически менять.

    Автономное питание от ветра

    В этом случае источником энергии выступает ветрогенератор. Это тоже довольно дорогостоящее оборудование, но отличающееся большей компактностью, чем солнечная электросистема. Можно сказать, что ветряки сочетают в себе конструктивные особенности генераторов на двигателях внутреннего сгорания и солнечных батарей. Ветряки и генераторы на горючем похожи, но первые получают крутящий момент в результате отталкивания лопастей ветром, что естественно бесплатно, а машины на дизельном топливе или бензине извлекают его от двигателя. Схожесть ветряков с солнечными панелями заключается в необходимости применения аналогичных вспомогательных элементов – инвертора, контроллера и аккумуляторных батарей.

    Содержать ветровой генератор намного дешевле, чем оборудование работающее на горючем. Объективно такие системы почти во всем уступают солнечным панелям, хотя в отдельных случаях и превосходят.

    К положительным сторонам ветряков можно отнести:
    • Очень низкая себестоимость получения 1 кВт энергии.
    • Необходимость небольшой площади для установки.
    • Ремонтопригодность системы.
    Что касается недостатков, то их много:
    • Сильный шум при работе.
    • Нестабильность получения энергии при отсутствии ветра достаточной силы.
    • Сложность обслуживания по причине расположения ветрогенератора на возвышении.
    • Создание помех влияющих на работу средств связи.
    • Необходимость расположения на удалении в радиусе 20 м от построек и высоких деревьев.

    Гул от работы ветряка зачастую невыносим, особенно если он давно не обслуживался. Его создают не только подшипники, но и ветер, контактирующий с лопастями. Как следствие такое автономное питание не подойдет в том случае, когда ветрогенератор нужно ставить близко к дому.

    Источник автономного питания

    Энергетический кризис, ставший следствием московской аварии на подстанции в Чагине и настигший Москву и ряд ближайших к ней областей, показал, что для нашего человека даже столь неординарные события — это вовсе не повод для того, чтобы нервничать.

    ля Минпромэнерго РФ отключение электричества, произошедшее в московском и соседних регионах России, — это уникальная ситуация чрезвычайного характера, однако хронические отключения как отдельных домов, так и целых кварталов в различных регионах страны случаются не так уж и редко.

    Работники Министерства промышленности и энергетики РФ, естественно, сделали надлежащие выводы и уже докладывают нам, что «из всего комплекса действий, связанных с ликвидацией отключения электричества, будет вынесен бесценный позитивный опыт», однако изношенное оборудование, которое служит уже по 40-50 лет, не может быть заменено в одночасье, а пока идет техническое перевооружение отрасли электроэнергетики, мы тоже можем кое-что предпринять, чтобы хоть как-то обезопасить себя от подобных издержек цивилизации.

    Источники бесперебойного питания

    ак известно, источники бесперебойного питания (ИБП или UPS — Uninteruptable Power Source) предназначены скорее для того, чтобы предотвратить аварийное завершение работы устройства, а вовсе не для длительной работы оного при отсутствии напряжения в электросети. Собственно, стоимость аккумуляторов составляет наиболее весомую долю в общей стоимости ИБП, причем чем большую емкость они имеют, тем система дороже.

    Строго говоря, те цифры, которые указаны в прайс-листах или на корпусах ИБП, обозначают так называемую полную мощность, которая измеряется в вольт-амперах (В·А, V·A) и применима к постоянному току, или активную мощность, измеряемую в ваттах (Вт), а время работы от батарей зависит от мощности UPS нелинейно.

    Для импульсных блоков питания компьютеров мощность в вольт-амперах соответствует мощности в ваттах с коэффициентом 0,6-0,8, то есть если на ИБП указано 400 V·A, то это соответствует суммарной мощности подключаемых устройств примерно в 280 Вт. Однако производители рекомендуют выбирать ИБП с расчетом 20% запаса по мощности нагрузки, чтобы у пользователя все-таки хватило времени на выполнение всех завершающих действий перед выключением компьютера. Например, для современных настольных ПК с блоками питания мощностью 300 Вт необходимо выбирать ИБП мощностью 350-360 Вт (или 514 V·A).

    Читайте также  Разборка, перемотка и сборка китайских трансформаторов

    Как показывает опыт, простой домашний компьютер с монитором работает на ИБП мощностью 400 V·A в лучшем случае лишь 5-10 мин. Поэтому, сообразуясь с существующими моделями и запасом по мощности нагрузки, лучше выбрать ИБП, рассчитанный на 600-750 V·A. Причем если для ИБП мощностью 500 V·A время работы составит 10-15 мин, то на ИБП мощностью 1000 V·A тот же набор устройств будет работать минут 40 (то есть один мощный ИБП работает дольше, чем два с такой же суммарной мощностью). Кстати, если перегрузка ИБП будет длиться хотя бы пару секунд, он просто отключит всю нагрузку.

    Однако и стоимость ИПБ зависит от мощности нелинейно. Так, скажем, если популярный ИБП APC SmartUPS 420 V·A стоит 150 долл., то APC SmartUPS 700 V·A — уже 250 долл. Впрочем, существуют и недорогие ИБП, которые не выравнивают напряжение, а только переключаются на аккумулятор в случае его отсутствия. Цены на такие устройства вполне доступны — APC BackUPS 500 V·A стоит примерно 50-60 долл.

    Отметим также, что срок службы аккумуляторов в ИБП колеблется от 3 до 6 лет, а стоимость замены всех аккумуляторов в одном ИБП составляет в среднем половину полной стоимости нового устройства.

    При этом недорогие ИБП, как правило, маломощные. Цены на мощные модели той же компании APC, такие как Matrix 300 и 5000 V·A, начинаются уже от 3 тыс. долл. А уж цена таких моделей, как Symmetra (APC) мощностью от 8000 до 16 000 V·A, — от 8 тыс. долл.

    Таким образом, применение мощных ИБП в домашних условиях оказывается бессмысленным, а использование недорогого ИБП сводится только к тому, чтобы срочно сохранить все файлы и выключить оргтехнику во избежание потери данных.

    Источник автономного питания из ИБП

    ак же нам защититься от длительных перебоев в электропитании? Неужели для этого необходимо покупать столь дорогие и мощные источники бесперебойного питания?

    Здесь можно предложить два варианта:

    • к штатному аккумулятору ИПС параллельно подключить недорогой автомобильный аккумулятор (кстати, у автомобилистов часто остаются вполне работоспособные аккумуляторы, использовать которые зимой они уже не решаются, но заряд такие устройства держат еще неплохо);
    • для пары-тройки автомобильных аккумуляторов использовать преобразователь напряжения из 12 в 220 В.

    Первый вариант, возможно, вполне сгодится в качестве дешевой альтернативы дорогостоящей замены штатных батарей ИБП, когда источник бесперебойного питания ввиду выхода из строя штатных батарей начинает работать только как сетевой фильтр. Однако в случае глубокой разрядки автомобильного аккумулятора применение нештатного аккумулятора на ИБП чревато серьезными проблемами.

    Ведь схема управления ИБП, как правило, рассчитана только на штатную батарею. Например, если вы вздумаете заменить на том же APC BackUPS 500 V·A штатную батарею 12V7AH на новую 12V20AH (по сути такую же, но более емкую), то при зарядке более емкая батарея будет брать больший ток и от перегрева проводов и элементов схемы наверняка выйдет из строя контроллер управления (или сработает защита от превышения тока в схеме подзарядки и зарядка попросту не пойдет).

    Что касается автомобильного, гораздо более емкого аккумулятора, то средний ток зарядки не сильно разряженной аккумуляторной батареи не превышает 1/10 от максимального, поэтому при неглубокой разрядке ничего случиться не должно. Однако после сколько-нибудь значительной разрядки дополнительного аккумулятора вам придется отсоединять его от ИБП и заряжать отдельным зарядным устройством, а это не очень удобно.

    Что можно предпринять в данной ситуации? Во-первых, можно использовать для подключения дополнительной батареи отдельный контроллер по минимальному и максимальному напряжению (например, описанный на http://battery.newlist.ru/chargers_lvd_01.htm). Тогда дополнительная схема автоматического отключения нагрузки по минимально и максимально допустимому напряжению защитит схему ИБП. Пороги срабатывания вы отрегулируете потенциометрами, а диапазон рабочих напряжений будет определяться параметрами используемых транзисторов.

    Или же, если вы планируете использовать автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор, то и ИПБ нужно выбирать не со щелочным, а со свинцово-кислотным штатным аккумулятором. Тогда схема подзарядки ИПБ будет рассчитана на использование батарей со сходными параметрами, следовательно, разряженный автомобильный аккумулятор не сожжет контроллер ИБП. Конечно, у любой схемы подзарядки есть некий предел тока и если навесить на совсем уж маломощный ИБП внешний автомобильный аккумулятор, то ИПБ может и сгореть, особенно если доводить аккумулятор до полной разрядки.

    Впрочем, можно использовать и смешанную схему, когда автомобильный аккумулятор заряжается постоянно подключенным зарядным устройством для автомобильных аккумуляторов (с контролем от перезаряда и прочей автоматикой) и одновременно аккумулятор подключается к ИБП параллельно штатной батарее. Таким образом, в этом случае ИБП служит лишь преобразователем напряжения из 12 в 220 В.

    Вариант со специальным преобразователем напряжения 12/220 В вместо ИБП более надежен, но такой преобразователь напряжения большой мощности сравним по стоимости с ИБП и к тому же все равно потребует приобретения достаточно мощного зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов. При этом маломощное зарядное устройство заряжает очень долго, а мощное стоит довольно дорого и имеет внушительные размеры (то есть наряду с экономической целесообразностью такой системы необходимо будет рассмотреть и ее массогабаритные параметры).

    Стоимость автомобильных адаптеров 12/220 В мощностью 600 Вт составляет примерно 80-100 долл. Преобразователь напряжения 12/220 В мощностью 1200 Вт обойдется уже в 200-220 долл., а адаптер мощностью 2500-3000 Вт — более чем в 400 долл. Как видите, даже цены адаптеров уже вполне сопоставимы с ценами аналогичных по мощности ИБП, а ведь нам еще понадобится зарядное устройство для аккумуляторов!

    Готовые решения

    принципе, сама идея использования автомобильных аккумуляторов в качестве источника автономного питания не нова, и российская промышленность имеет несколько готовых решений. Так, например, фирма «МикроАрт» (http://www.invertors.ru) предлагает относительно недорогие устройства МАП «Энергия» — преобразователи постоянного напряжения 12 или 24 в переменное 220 В (двунаправленные инверторы) мощностью от 0,9 до 12 кВт со встроенным интеллектуальным микроконтроллером, обеспечивающим автоматическое управление режимами и, при необходимости, связь с компьютером.

    Такой преобразователь одновременно и заряжает автомобильные аккумуляторы (один или несколько), и используется как источник автономного питания: если есть сетевое напряжение 220 В, то он просто пропускает его сквозь себя и, при необходимости, подзаряжает аккумуляторы; если же внешнее сетевое напряжение исчезло — он мгновенно начинает генерировать 220 В от аккумуляторов. Время работы такого источника зависит от нагрузки и емкости аккумуляторов. Так, четырех аккумуляторов по 190 А/ч хватит на 17 ч при постоянной нагрузке 500 Вт (см. таблицу). Также, например, любой автомобиль можно будет использовать как автономную электростанцию на колесах, причем двигатель автомобиля некоторое время можно даже не включать. Такой преобразователь значительно дешевле газовой или дизельной мини-электростанции, миниатюрен и легок. Цена преобразователей МАП «Энергия» — от 8 тыс. руб. Дополнительно за 650 руб. можно приобрести шнур, контроллер и ПО для подключения этого устройства к компьютеру (то есть МАП «Энергия» способен полностью заменить ИБП).

    Мобильные дизель-генераторы

    Отметим, что, кроме ИБП, существует рынок мобильных дизель-генераторов, которые могут обеспечивать электропитанием на очень длительное время. Конечно, мощности у них обычно начинаются от нескольких киловатт, поэтому и цена таких устройств весьма высока. Однако сегодня встречаются уже мобильные топливные генераторы ценою от 100 долл.

    4-х литров топлива этого портативного генератора хватает на 6 часов. Обеспечивается напряжение 220 В (50 Гц, 3 А), мощность — 650 Вт.

    Если же перебои с электричеством очень длительные или его нет вообще, то можно использовать такой преобразователь совместно с мини-электростанцией (газовой или дизельной), а также с альтернативными источниками питания (солнечными гелиоустановками и ветрогенераторами) для накопления энергии. В этом случае, включая электростанцию всего на 3 ч в день, можно обеспечить себя электричеством на круглые сутки!

    Помимо использования данного устройства в качестве источника бесперебойного или автономного питания, его можно задействовать и как преобразователь постоянного напряжения 12 или 24 В (существует два варианта устройств) в переменное 220 В с частотой 50 Гц, и как пускозарядное устройство для автомобиля.

    Устройство обеспечивает защиту от перегрузки, короткого замыкания, подключения аккумулятора неправильной полярностью, от перезаряда и полного разряда аккумулятора. Кроме того, оно снабжено системой защиты питаемых устройств от перенапряжений и системой плавного пуска, что исключает высокое потребление тока в момент запуска.

    Время работы от аккумулятора

    Заметки на полях

    еобходимо отметить, что свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторные батареи настоятельно не рекомендуется заряжать в жилом помещении, так как при интенсивной подзарядке они выделяют газы. В процессе работы (разрядки) кислотные аккумуляторы вполне безобидны. Отметим, что, в частности, именно поэтому аккумуляторы для ИБП значительно дороже — их конструкция герметична и сверху у них отсутствуют вентиляционные отверстия. Поэтому аккумуляторное хозяйство в городской квартире лучше держать на балконе.