Часть вторая: Электричество из бани: получить, сохранить, использовать…
Альтернативный аккумулятор для альтернативной энергетики
Характерной особенностью термоэлектрических модулей является непосредственное получение электрической энергии, что позволяет сразу подключать модули к аккумуляторным батареям и заряжать их.
Однако обычные аккумуляторные батареи имеют один существенный недостаток: они не могут хранить запас энергии достаточно долгое время и нуждаются в подзарядке. Для того, чтобы сделать запас энергии "длительного" хранения, необходимо использовать альтернативные аккумуляторы: гидравлические или пневматические.
Пневматический аккумулятор
Пневматический аккумулятор представляет собой баллон со сжатым газом или воздухом. Для обеспечения безопасности его хранения и удобства эксплуатации баллоны со сжатым воздухом можно закапывать в землю.
Для того, чтобы создать запас пневматической энергии достаточно закачать воздух в баллон при помощи компрессора. При этом особенно важно, что компрессор может быть подсоединен напрямую к термоэлектрическим модулям. Понятно, что запас энергии зависит от уровня давления в баллоне или, иными словами, от количества сжатого воздуха.
Узким звеном при этом является прочность самого баллона, определяемая допустимым уровнем давления. Но при этом можно использовать не один баллон, а несколько, соединив их вместе при помощи специальной гребенки, обеспечивающей равномерный расход газа из аккумулятора.
При помощи несложного расчета можно определить запас энергии, которым обладает один кубический метр воздуха при давлении, равном 50атмосфер.
Для этого можно воспользоваться уравнениями для идеального газа. Для справки: идеальным считается газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом и не имеют реальной массы и размера.
Тогда, для расчета работы, которую может выполнить сжатый газ, воспользуемся уравнением
Учитывая, что
P1 V1 = P2 V2
и проведя все необходимые расчеты, определяем, что запас энергии одного кубического метра сжатого воздуха при температуре 20 градусов Цельсия приблизительно составляет 5,9 кВт.
С одной стороны, это немного. Но если использовать в качестве аккумулятора пневматической энергии не один кубический метр сжатого воздуха, а несколько, то вполне можно вести речь о запасе энергии, достаточном для обеспечения комфортных условий жизни в загородном доме в период между топками печи.
Отличительной особенностью пневматического аккумулятора является то, что он не нуждается в подзарядке и может хранить запас энергии сколь угодно долго. К примеру, можно закачать воздух осенью, зиму провести в городской квартире и воспользоваться запасом энергии весной, при первом выезде в загородный дом после длительного зимнего перерыва.
При этом изменение температуры окружающей среды даже на пару десятков градусов не очень существенно повлияет на работу пневматического аккумулятора.( В приведенной формуле используется абсолютное значение температуры Т=273+t)
Еще больший запас энергии можно получить при использовании гравитационного аккумулятора, примером которого может быть резервуар с водой, установленный на возвышении. Единственным его недостатком является возможность использования только в теплое время года. Зимой такой аккумулятор, а вернее вода в нем, просто замерзнет.
Гравитационный аккумулятор
В качестве гравитационного аккумулятора можно использовать воду, поднятую на любую высоту. При этом полученный запас энергии прямо пропорционален высоте, на которую поднимается вода и ее количеству. Для того, чтобы привести такой аккумулятор энергии в рабочее состояние достаточно просто открыть кран резервуара для хранения воды и создать поток жидкости.
При этом роль гравитационного аккумулятора может выполнять любой бассейн или пруд, расположенный в верхней части участка, имеющего неровный ландшафт, а также емкость, предназначенная для накопления воды, направляемой затем на хозяйственные нужды. Отметим, что из этой же емкости вода может подаваться в баню, а также в дом.
Что мы имеем…
Итак, подведем промежуточный итог и определим, что в загородном доме, в котором имеется баня и обычная дровяная печь для обогрева помещения и приготовления пищи, практически в любое время года можно получать электричество в количестве, достаточном для обеспечения комфортных условий жизни. Для этого можно использовать термоэлектрические элементы, установив их на панель и, при необходимости, перенося их из одного помещения в другое.
При этом эффективность термоэлектрических модулей выше эффективности обычного бензинового генератора ( расчет ведется по затратам на приобретение бензинового генератора и термоэлектрических модулей)
Учитывая то, что печь топится лишь периодически, необходимо подумать о хороших аккумуляторах, емкость которых будет достаточной для создания большого запаса энергии. При этом можно использовать пневматический и гравитационный аккумулятор.
Как увеличить запас энергии в гидравлическом аккумуляторе
В одной из предыдущих статей речь шла о двигателях Стирлинга, с помощью которых можно эффективно преобразовывать тепловую энергию в механическую, а затем в электрическую.
Но при каждом преобразовании энергии неизбежно происходят потери ее мощности. Для того, чтобы сократить их количество, можно использовать полученную механическую энергию, отказавшись от ее преобразования в электричество.
Иными словами, двигатель Стирлинга может напрямую использоваться как насос для перекачивания жидкости из скважины в накопительный резервуар. К тому же, двигатели Стирлинга могут работать не только от тепла, получаемого от банной печи, но и от любого другого источника тепловой энергии, например, солнца.
В сети интернет можно найти немало оригинальных разработок насосов, в основе которых лежит использование двигателя Стирлинга. Вот пример одного из них http://mynergy.ru/2011/06/solar-water-pump-stirling/
Однако оценить их производительность и эффективность без проведения специального тестирования невозможно. По этой причине речь идет лишь о самой возможности использования двигателя Стирлинга для наполнения аккумуляторов энергии.
Отметим, что в промышленности двигатели Стирлинга применяются все чаще, но самое широкое распространение они получили в военной промышленности. Именно двигатели Стирлинга установлены на многих подводных лодках, где необходимо не только эффективное преобразование тепловой энергии в механическую и электрическую энергию, но и бесшумность работы всех устройств и агрегатов.
Для установки двигателя Стирлинга не требуется никаких специальных условий или приспособлений: достаточно просто обеспечить нагрев горячей поверхности двигателя. При этом работа механизма начинается даже при незначительном перепаде температур, что позволяет использовать устройство и на малых оборотах.
Купить двигатель Стирлинга в настоящее время можно только в виде игрушки или забавной модели для демонстрации движения, возникающего практически ни от куда. Остается только одно: сделать его своими руками.
Есть гидроаккумулятор, что дальше?
Вода, поднятая на определенную высоту над уровнем земли, имеет запас энергии, прямо пропорциональный ее массе, а также высоте, на которой она находится. Для преобразования этого запаса потенциальной энергии в электричество необходимо использовать генераторы электрической энергии или микро электростанции, устанавливать которые можно практически на любой поток воды.
Их стоимость находится в интервале от нескольких тысяч рублей, до нескольких сотен тысяч рублей. Все зависит от производительности, на которую эти устройства рассчитаны.
Ниже в таблице приведены данные микро-ГЭС, купить которые можно без проблем.
При желании можно купить гидрогенераторы электрической энергии, меньшей мощности, установить которые можно практически на любой поток жидкости.
Для их работы достаточно движения воды в водопроводных трубах в доме. Стоит такой электрогенератор недорого.
Его цена сопоставима с ценой циркуляционного насоса для систем отопления.
Разумеется, количество энергии, вырабатываемое таким генератором, будет невелико. Но при постоянном использовании воды, в том числе и для полива огорода, можно накапливать электричество в аккумуляторной батарее. При этом речь может идти уже о значительно большем запасе электрической энергии.
Общая схема автономной электрической сети
Общая схема автономной электрической сети, для работы в качестве источника энергии можно использовать русскую баню, состоит из нескольких частей.
Главным ее элементом является печь как источник тепловой энергии, а также термоэлектрические модули, позволяющие получать электрическую энергию в достаточном количестве. При этом стоимость одного ватта энергии, полученной при помощи термоэлектрического модуля практически в три раза дешевле стоимости одного ватта электрической энергии, полученного при помощи обычного дизельного электрогенератора.
Следует обратить внимание, что расчеты стоимости энергии приводились для начала эксплуатации термоэлектрических модулей, срок использования которых без ремонта и технического обслуживания рассчитан минимум на десять лет.
Со временем себестоимость электрической энергии, полученной при помощи термоэлектрических модулей, будет уменьшаться, в итоге становясь бесплатной.
При работе термоэлектрических модулей происходит зарядка аккумуляторных батарей, контроль которой осуществляется с помощью контролера заряда.
Если аккумулятор заряжен полностью, вырабатываемая модулями электрическая энергия может использоваться для закачки воздуха в газовые баллоны и подачи воды в резервуар.
Учитывая то, что в русской бане во время ее использования происходит выработка большого количества тепловой энергии, большая часть которой просто уходит в атмосферу, в бане можно установить двигатели Стирлинга, с помощью которых можно также закачивать воздух в газовые баллоны и подавать воду в резервуар.
Итогом топки печи в бане и работы всех устройств, предназначенных для преобразования тепловой энергии в электрическую и механическую энергию, имеются в наличии заряженные аккумуляторные батареи, а также пневматические аккумуляторы в виде газовых баллонов с воздухом и гидравлический аккумулятор в виде резервуара с водой, поднятого над поверхностью земли.
Этого запаса энергии вполне достаточно для комфортного обеспечения жизни в загородном доме до следующей топки печи в бане. Уменьшить или увеличить запас энергии можно, уменьшив или увеличив количество используемых термоэлектрических модулей.
Для того, чтобы использовать запас воды для получения электрической энергии, необходимы электрогенераторы, устанавливать которые можно не только на подающую трубу от резервуара для воды, но и на любые другие трубопроводы, по которым движутся жидкие среды.
В том числе и вода для полива или вода, используемая для хозяйственных нужд. Вырабатываемая при этом электрическая энергия в любых, даже в самых малых количествах, должна идти на подзарядку аккумуляторных батарей.
Следует обратить внимание на то, что все части этой схемы работоспособны и вполне успешно используются на практике все в той же экономной Европе.
Возможно, в нашей стране с ее необъятными энергетическими ресурсами кому-то покажется неинтересным получать электричество из движущихся потоков воды, а кому-то это может очень пригодиться.
