Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Дом

Ветрогенераторы для автономного дома: Ветроэлектрические установки для генерации электроэнергии из ветра

Содержание

Солнечные батареи и ветрогенераторы.

 

Предлагаем поставку и монтаж системы автономного электроснабжения выдающей напряжение 220 вольт, мощностью  0,5;  1;  2;  3;  5; 10 кВт. Система энергоснабжения состоит из электронного блока управления KIBOR, комплекта аккумуляторных батарей (зарядное устройство на солнечных батареях), панели солнечных батарей (солнечные модули) и ветрогенератора (ветряки).  Такую систему можно применять для обеспечения резервного питания домов и дач или основного электропитания (автономное электроснабжение) отдаленных объектов, где не возможно или нецелесообразно обеспечить постоянное электропитание обычными способами.



Коттедж с энергоустановкой на солнечных батареях и ветрогенераторе.

Солнечные батареи (устройство солнечной батареи) можно закрепить на крыше дома или, что более предпочтительно, сделать отдельную металлическую ферму. Во втором случае элементы солнечной батареи (установка солнечных батарей) можно наиболее оптимально сориентировать по отношению к солнцу и зимой будет меньше проблем с очисткой снега.

Ветрогенератор (ветряные электрогенератор) можно установить на крыше дома, но предпочтительнее его разместить на отдельной мачте или специальной конструкции и вынести подальше от дома. Ветрогенератор (ветряки генераторы) при вращении лопастей издает специфический звук, к которому, быстро, быстро привыкают.

Комплект аккумуляторных батарей может состоять из десятков аккумуляторов и размещать его лучше всего в сухом и не промерзающем месте, например, на чердаке или в подвале дома.

Блок автоматики – это мозг управления зарядкой аккумуляторной батареи и выработкой стабильного сетевого напряжения от потоков электричества поступающих от солнечных панелей (солнечные элементы) и ветрогенератора (ветряные генераторы).

Солнечные панели (солнечные батареи для дома), ветряки генераторы – отличные  альтернативные источники энергии для дома.

Создание, проектирование и поставка ветроэнергетической установки с солнечными батареями имеет много технических и практических нюансов. По этому, сразу хотим предупредить не создавать такую установку своими руками. Скупой платит дважды. Все элементы недешевы и мы хотели бы сэкономить ваши деньги.

Энергия солнца  и ветра исключительно «зеленые». Полезные ископаемые не затрачиваются и не уничтожаются.  Использование альтернативных источников энергии экономически выгодно, престижно и красиво! Ждем Ваших заказов.

 

Схема энергоустановки на солнечных батареях и ветрогенераторе.

Расчет выработки энергии ветрогенератором

Немало статей размещено в интернете, в том числе и на нашем сайте, о том, как рассчитать систему с солнечными батареями для конкретного дома, дачи, офиса или производственного здания. Нельзя не затронуть тему расчета системы содержащей ветрогенератор.

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

Ветрогенератор в автономной системе крайне полезен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно. 

Основная проблема ветровых турбин заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: турбина только начнет вращаться при скорости ветра около 3метров в секунду и, более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7метрах в секунду.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов. Но данные усреднены, поэтому следует изучить энерго-потенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор  может быть эффективен.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

  • ветрогенератор размещают на высокой мачте. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20метров, выработка увеличится в 2 раза;
  • применяют ветрогенераторы с вертикальным расположением лопастей. Вертикальные турбины более эффективны при слабых ветрах, а также менее шумные, тем не менее, их стоимость значительно выше горизонтальных;
  • применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра. Имея эти данные довольно сложно оценить количество вырабатываемой энергии, поэтому для дальнейших рассуждений нужно воспользоваться одной из специальных программ, учитывающих метеорологические данные в вашей местности. Мы предлагаем вам воспользоваться удобным сервисом — on-line калькулятор на нашем сайте. Программа учитывает местоположение установки, высоту мачты, а также рельеф местности. Если в электростанции имеются солнечные батареи, в калькуляторе можно произвести расчет для всей системы и получить данные и графики как суммарной, так и раздельной выработки энергии. 

              

                

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).
Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.
Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Не стоит забывать о том, что программа никак не может брать в расчет влияние местных особенностей (предметов, деревьев, заграждающих зданий и т. п.), затеняющих солнечные батареи или вносящих турбулентности в поток воздуха, данные факторы следует учитывать отдельно. 

Читать еще статьи…

 

Правильное расположение ветрогенератора

В регионах с высокой скоростью ветра, в прибрежных зонах и на объектах, где в зимний период солнечная электростанция «не справляется», для автономного энергоснабжения используют ветрогенераторные станции – «ветрогенераторы», (сокращённо ВГ). Но на большей территории нашей страны средняя скорость ветра составляет всего 4-5м/сек., тогда как ветрогенератору для выработки «номинальной мощности» требуется 10-12м/сек.. Именно поэтому нет никаких сомнений в важности правильной и продуманной установки устройства, достичения точки, где винт его окажется в зоне с максимальной скоростью ветра.

Мощность ветрогенератора и зависимость от скорости ветра и высоты мачты

Почему же так важно «не потерять» ни одного метра в секунду? Определим зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра.  

1. Кинетическая энергия воздуха, движущегося ламинарно (без завихрений)  W=1/2mV2, где m — масса воздуха, V – его скорость.

2. Массу воздуха, проходящего за время t и площадь S можно выразить следующим образом: m=VtSρ, где: S – площадь, описываемая винтом ВГ, ρ – плотность воздуха.

3. Чтобы определить мощность (P), делим энергию на время, подставляем выражение для массы, получаем: P=1/2V3Sρ.

4. Если теперь умножить выражение на КПД устройства в целом, включающее в себя коэффициент преобразования лопастей винта, коэффициент полезного действия редуктора и генератора (ƞ), получим реальную мощность «ветряка»: P=1/2V3Sρ ƞ. На практике обычно значение  ƞ лежит в пределах 0,4-0,5.

Как видно из расчета, мощность ВГ пропорциональна третей степени скорости ветра, то есть увеличение скорости в 2 раза даст увеличение мощности в 8 раз!

Таким образом, скорость ветра и отсутствие турбулентностей (завихрений) должны иметь решающее значение при выборе места установки ветрогенератора. Из этих соображений идеально подходят: 

  • берег крупного водоема;
  • вершина горы или возвышенности;
  • центр протяженного поля. 

Увы, в реальной жизни мало кто имеет на своем участке моря, поля и горы.  Поэтому принцип только один – чем выше установка, тем лучше. В идеале, Ветрогенератор должен быть выше не менее, чем на 6 (шесть) метров окружающих его предметов (дома, деревьев, строений, возвышенностей), чтобы оказаться в зоне ламинарного движения воздуха.

Приведем простой пример, который можно легко проверить в on-line калькуляторе для расчета на нашем сайте. Рассмотрим модель пятилопастного ветрогенератора HY-1000, стоящий в «бесконечном» поле вблизи Санкт-Петербурга:

  • При высоте мачты 5 метров максимальная выработка достигается в сентябре и составляет 1,38кВтч/сутки;
  • Если увеличить высоту мачты до 10 метров, получим 2,43 кВтч/сутки;
  • Увеличим высоту до 20 метров и получим уже – 3,12 кВтч/сутки.  

Вывод напрашивается сам собой —  часто вместо увеличения мощности ветрогенератора достаточно увеличить высоту мачты.

Решающая роль места установки «ветряка» в эффективности энергосистемы

Очень велик соблазн приделать мачту ветрогенератора к дому для увеличения высоты всей конструкции. Несмотря на очевидные плюсы, данный подход имеет ряд минусов:

Во-первых, установка издает звуки, и звуки эти отлично могут быть переданы по мачте на конструкцию дома, что со временем будет раздражать его жителей. Во-вторых, если здание находится в черте города, могут потребоваться дополнительные согласования в надзорных органах.

Стоит также обратить внимание на конструкцию самой мачты. Если горизонтальные линейные размеры мачты сравнимы или превышают размеры ВГ, то, собственно, сама мачта может являться источником турбулентности.

Очень показательный пример, когда мачта по сути мешает работать системе, плюс частично затеняет солнечные батареи, представлен на фотографии.

          

Особое внимание нужно уделить выбору сечения кабеля. Так как ВГ находится на мачте, а контроллер заряда где-то в доме, длина линии может быть значительной, равно как и падение напряжения. Это может привести к снижению эффективности заряда аккумуляторных батарей. Из этих соображений, площадь сечения кабеля должна быть достаточно большой, чтобы данный эффект был незначителен. Для расчёта площади сечения кабеля следует обратиться к правилам, описанным в статье Расчёт сечения провода.

В отличие от монтажа солнечных батарей, установка «ветряка» часто влечет за собой капитальные строительные работы, такие как бетонирование основания, монтаж свай для растяжек, сварочные работы. Тем не менее, правильно выполненный монтаж обеспечит надежную и эффективную работу системы, и максимальную выработку энергии на протяжении всего срока эксплуатации.

Читать другие статьи..

Солнечные батареи для дома, солнечные электростанции

Гелевые аккумуляторные батареи для солнечных электростанций

Комплектующее оборудование для автономного электроснабжения

Солнечные батареи — экологически чистый источник энергии


Среди альтернативных источников энергии особое место занимают солнечные батареи. Электрический ток вырабатывается в результате преобразования энергии солнечного излучения. Один или несколько солнечных фотоэлектрических (ФЭ) модулей, работающих в составе солнечной электростанции, называют Солнечной Батареей. Сами ФЭ модули собирают из солнечных элементов, произведённых на основе монокристаллического или поликристаллического кремния.


Солнечные батареи (панели, модули) вырабатывают постоянный электрический ток под воздействием солнечной лучистой энергии. Для круглосуточного электроснабжения необходимо накопление энергии в аккумуляторных батареях. Для выработки переменного тока с напряжением 220 Вольт применяются преобразователи напряжения (инверторы). Инвертор подключается к аккумуляторной батарее.


Солнечные батареи обладают высокой надёжностью, ввиду отсутствия движущихся частей. Стоит особенно подчеркнуть их бесшумную работу и экологическую безопасность, дополненную прекрасной эстетичностью. Чтобы полностью обеспечить себя электроэнергией, достаточно установить фотоэлектрические модули на крыше дома (или на участке земли соответствующей площади). Вырабатываемый постоянный ток накапливается в аккумуляторах и питает бытовые электроприборы.

Использование энергии Солнца даёт существенную выгоду!


Все мы знаем, что энергия Солнца ежедневно поступает на поверхность Земли. Она состоит из инфракрасных, видимых и ультрафиолетовых электромагнитных волн. Количество этой энергии поистине велико. Использование даже малой её части способно полностью удовлетворить энергетические потребности всего человечества. Также неисчерпаема и легкодоступна энергия ветра.


В системах автономного электроснабжения в качестве основного источника энергии можно применять солнечные батареи для дома совместно с другими источниками свободной энергии, такими как вертикальные ветрогенераторы.


Наши специалисты предложат эффективное решение Вашей задачи автономного энергоснабжения, и помогут реализовать проект, применяя в нём наиболее качественное и современное оборудование. Цель компании «Солнечная Энергоимперия» состоит в предоставлении Вам доступа к неиссякаемой, свободной и экологически безопасной энергии солнечного излучения и других природных источников.

Ветрогенератор

 

ВЕТРОГЕНЕРАТОР

 

 

  Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) —это устройство бытового или промышленного назначения, генерирующие электрическую энергию при помощи энергии ветра, т.е. посредством энергии перемещающихся воздушных масс (кинетической энергии). Ветроэнергетические установки среди прочих нетрадиционных источников получили, пожалуй, самое широкое распространение.

 

  Среди преимуществ, которыми обладают ветроустановки, специалисты отмечают:

— экологическую чистоту

— нет необходимости в обеспечении топливом

— мало шумность или бесшумность при работе

— автономность ветроэнергетической установки.

 

  Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и для частного использования. Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Единственное важное требование для ВЭС — высокая среднегодовая скорость ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

 

  Существуют два основных типа ветротурбин: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. В мире наибольшее распространение получили ветрогенераторы с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения.

                  

                     горизонтальная ось вращения                            вертикальная ось вращения

       

  Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором.

 

  Выбор ветряной энергетической установки определяется объектом, на котором вы собираетесь внедрять нетрадиционные источники энергии, а также необходимым количеством потребляемой энергии. Более мощные ветрогенераторы применяются при большой продолжительности безветренных периодов. Определить достаточность мощнос-ти ветрогенератора возможно только опытным путем с применением специальных регистрирующих приборов в течение длительного времени.

 

  Эффективность той или иной установки напрямую связана с ветроэнергетическим потенциалом в регионе, тарифом на электроэнергию у потребителя, а также техническими условиями на подключение. По сути, прибыль от работы ветроустановки – это общая прибыль от сэкономленной электроэнергии.

 

  Для обеспечения автономного питания жилого дома требуется собрать систему из: ветрогенератора (ротор, лопасти, ветротурбина), мачты с растяжками, контроллера, аккумуляторов, инвертора.

 

  Мобильные ВЭУ могут применяться в путешествиях для подзарядки автомобильных аккумуляторов или для непосредственного питания электроприборов.

 

Рассчитать нужное Вам оборудования для электроснабжения >>

 

Цены на ветрогенераторы>>

 

 

 

Ветрогенератор для частного дома – устройство, принцип работы, разновидности, самодельный ветряк, правила выбора, монтаж

Со все возрастающей плотностью и территорией охвата сетей электропередач качество и стабильность не становится лучше, да и цены с каждым сезоном становятся только выше. Одним из лучших на сегодня альтернативных источников электроэнергии является автономный ветрогенератор для частного дома. Разберем, что собой представляет данное устройство, из каких частей оно состоит, как работает, какими плюсами и минусами обладает, каковы законные требования к его установке, какие разновидности существуют, а также каковы правила его выбора, размещения и установки.

Ветровой генератор электроэнергии для домаИсточник usamodelkina.ru

Ветрогенератор: устройство, принцип работы, плюсы и минусы

При наличии в местности проживания постоянных ветров покупка и установка ветрогенератора вполне целесообразна. Однако прежде чем приобретать его, необходимо понять его устройство, принцип действия и основные достоинства и недостатки. Разберем эти аспекты более детально.

Главные компоненты

Устройство ветрогенератора базируется на превращении кинетической силы ветровой нагрузки в механическую энергии с последующим преобразованием ее в электроэнергию. Для воплощения последовательных действия данной переходной цепочки прибор оснащается следующими основными узлами:

  • Лопастный пропеллер. Количество лопастей может варьироваться в широком диапазоне от модели к модели – от двух и трех до десяти и более.
  • Ротор. Элемент турбины, вращающийся под действием лопастей.
  • Редуктор. Передает и регулирует частоту вращения от ротора к генератору.
  • Генератор. Преобразуется механическую силу в электроэнергию.
  • Инвертор – преобразователь тока из переменного значения в постоянное.

Состав ветрового генератораИсточник odnastroyka.ru

  • Аккумуляторная батарея. Запасает электроэнергию на случай отключения и экономной работы ветрогенератора, а также простоя в случае безветрия.
  • Защитный корпус. Предохраняет оборудование от различного рода внешних факторов.
  • Аэро-компоненты. Крылья, хвост – для лучшего улавливания и подстройки пропеллера под ветровой поток.

Обратите внимание! Современные производители выпускают ветровые домашние генераторы, не нуждающиеся в сильном ветровом потоке. Они способны продуктивно функционировать при силе ветра всего в 4 м/сек.



Принцип действия

Механизм работы ветрогенератора напрямую связан с особенностями его конструкции – на одной оси установлены пропеллер и хвостовик с точкой противовеса, приходящейся на место крепления к вертикальной мачте. Действие происходит по следующему алгоритму:

  • Установленные на одной оси пропеллер и хвостовик улавливают потоки ветра и передают лопастям.
  • Начинаясь вращаться, лопасти передают момент движения генераторной турбине.
  • Вращение ротора приводит к образованию индукционного магнитного поля и образованию переменного электрического тока.

Ветрогенератор на своем загородном участкеИсточник moe-online. ru

  • Далее проходя через инвертор напряжение меняет переменные характеристики на постоянные.
  • Ток питает АКБ, которая в свою очередь распределяет энергию на потребительские мощности в доме.

Полезная информация! Ветрогенератор может играть роль как основного, так и дополнительного источника электроэнергии. В первом случае жила от прибора питает часть каких-либо приборов для экономии или пополнения нехватки мощности основной сети и используется на случай аварийного отключения последней. Во втором случае он может быть самостоятельным источником или входить в состав автономной системы, включающей гидротурбины, солнечные батареи и проч. оборудование.

Достоинства и недостатки

Автономная ветряная электростанция для частного дома имеет следующий ряд плюсов:

  • Прибор работает за счет фактически неисчерпаемого и возобновляемого вида энергетического ресурса.
  • Существенные затраты связаны только с покупкой, доставкой, установкой и подключением. На обслуживание средства практически затрачиваются. Поэтому на ветряк требуются единократные вложения средств, которые быстро окупаются в последующем применении.

Ветрогенератор – источник тока для частного домаИсточник ytimg.com

  • Получаемый вид энергии и применяемая для этой цели техника полностью экологически безопасны.
  • Генераторы приспособлены ко всем климатическим зонам и защищены от негативных погодных факторов.
  • Оборудование не требует настроек, регулировок и доработок в ходе эксплуатации.

К недостаткам ветрогенераторов относятся:

  1. Зависимость производительности от наличия ветра.
  2. В ходе работы оборудование создает электромагнитные помехи, что может негативно сказаться на ТВ, радио, интернете и связи.
  3. При чрезвычайных погодных проявлениях существует риск повреждения техники.
  4. Требуется обязательное заземление – для защиты прибора и конструкции или здания, на котором он установлен, от ударов молнии.
  5. Неправильный монтаж, нарушение инструкции или эксплуатация неисправного экземпляра может приводить к возникновению шума.

Совет! Чтобы определить, будет ли выгодна установка ветровой станции по выработке тока, необходимо учесть ряд факторов – вариант энергоснабжения с участием прибора, разнообразие доступных моделей, их характеристики, производительность и стоимость.

Ветрогенератор во дворе домаИсточник pechiexpert.ru

Альтернативные источники энергии и что можно использовать для частного дома

Законные требования

Чтобы ветровой генератор, установленный на частном доме или прилежащей территории, согласовывался с законодательной базой, он должен отвечать следующему ряду требований:

  • Мощность не выше 5 кВт. Оборудование с таким показателем относится к бытовым устройствам, не требующим контроля со стороны энергонадзорных учреждений.
  • Отсутствие муниципально-территориальных и технических ограничений на занимаемой площади. Некоторые частные территории могут находится внутри особо охраняемых, редких природных и иного статуса объектов, внутри которых запрещено размещение тех или иных технических средств.
  • Согласование с соседями (помехи, шум, падающая тень и т. д.). Все виды помех, которые возникают от установки, могут стать причиной жалобы не только соседей, но и рядом размещенных предприятий, передающих центров.
  • Высота мачты, отвечающая местным и федеральным требованиям. Высота мачты не превышает обычно 15 метров, но могут быть и исключения. Поэтому прежде чем сооружать высокую конструкцию, нужно убедиться, что она отвечает всем необходимым требованиям – отсутствие ЛЭП, вдали от аэропосадочной линии и т. д.

Ветряк на фасаде частного домаИсточник more-el.com

  • Отсутствие помех для местных и мигрирующих биологических видов. Птицы часто попадают в лопасти энергетических установок. Поэтому выбор места установки мачты с пропеллером должен исключать заранее известные пути их перелета.

Рекомендация! Чтобы исключить все возможные предъявления со стороны соседей или контролирующих органов, лучшее заранее собрать весь необходимый пакет документов, техпаспортов и сертификатов, подтверждающих, что ветряк для частного дома безопасен и безвреден. Кроме того, заводскую модель лучше устанавливать в полном соответствии с рекомендованными в технической документации параметров.

Разновидности

Для того чтобы правильно подобрать ветряной генератор, необходимо прежде всего учесть его технические параметры. Современные модели различаются по следующему ряду признаков:

  • Количеству лопастей пропеллера. Большое количество элементов винта усложняет конструкцию. Однако чем больше лопастей, тем меньшая скорость ветра нужна для запуска механизма.
  • Типу материала лопастей. Модели с жесткими пропеллерами более прочны и долговечны, но и значительно дороже парусных аналогов.

Многолопастный ветрогенератор для своего домаИсточник ytimg.com

  • Расположению направляющей вращения. Разделяются на вертикальные и горизонтальные. Первые прочнее и чувствительнее, вторые – отличаются лучшей производительностью.
  • Возможности изменения шаговых характеристик. Различаются на модели с изменяемым и неизменным шагом. Изделия с переменными шаговыми параметрами позволяют увеличивать скорость, а значит, и продуктивность. Однако они более сложны, громоздки и дороги.

Полезно знать! Доступные сегодня в широкой продаже заводские модели достаточно дороги. Поэтому нередко у желающих установить подобную автономную электростанцию возникает вопрос о том, как сделать ветрогенератор. Самодельные аналоги нередко изготавливают из автомобильных генераторов, соединяемых по схеме с аналогичным АКБ на 12 вольт.

Видео о том, что такое ветрогенератор, его плюсы и минусы:

Генератор электрического тока бензиновый для частного дома – какой лучше выбрать для дома и дачи, разновидности, выбор, запуск

Критерии выбора

При выборе ветрогенератора помимо технических характеристик, необходимо также правильно установить требуемую мощность. Задается она таким параметром, как диаметр ротора, рассчитать который можно по следующей формуле:

Эгод = 1,64 * Д23

Эгод – суммарная электроэнергия, потребляемые приборами дома за год, кВт,

Д – диаметр ротора, обозначаемый в метрах,

О – среднегодовое значение скорости ветра, метр/в секунду.

Подставляя известные параметры в эту форму, можно рассчитать, какого диаметра ротором должна быть оснащена ветряная электростанция для дома в конкретном случае.

Правила размещения

При монтаже устройства необходимо учесть следующий ряд требований:

  • Вблизи генератора не должно располагаться сооружений, кустов, деревьев и прочих препятствий на пути свободного прохождения ветровых потоков.
  • Чтобы шум и помехи от работы не оказывали негативного влияния на окружающих, ветряки для дома лучше располагать минимум на 30 метров вдали от жилища.
  • Во избежание возникновения ослабления ветровых потоков устанавливать механизм лучше на 2-3 метра выше окружающих преград, даже если они находятся на расстоянии до 200 метров.

Видео о том, как сделать простейший ветрогенератор:

Следует учесть, что даже при соблюдении всех правил установки гарантий постоянного результата по выработке электроэнергии быть не может. Так как показатель напрямую зависит от ветровой нагрузки, которая никогда не бывает стабильной.

Особенности установки

Промышленно изготовленный или самодельный ветряк необходимо устанавливать с соблюдением следующего минимума требований:

  1. Место установки лучше подбирать на возвышенности, вдали от препятствий, прибор располагать на высоте не менее 10 метров от поверхности земли.
  2. Мачта должна иметь надежное основание – лучше всего бетонное.
  3. Над ветряком необходимо расположить небольшой навес для защиты от осадков.
  4. При необходимости замены, ремонта или обслуживания облегчить доступ к оборудованию позволит складная конструкция мачты.

На заметку! При решении вопроса, как сделать ветряк, чтобы он отличался долговечностью и неприхотливостью в обслуживании, необходимо уделить внимание количеству фаз, генерируемых устройством. Так, трехфазные модели по сравнению с однофазными аналогами не гудят, не вибрируют и характеризуются лучшим сроком службы.

Видео-пример изготовления и применения ветряка для дома:

Солнечные батареи: сферы использования – когда стоит купить и насколько они вообще надёжны

Коротко о главном

Ветряной генератор для дома является одним из лучших альтернативных источников электроэнергии. Принцип его действия основа на преобразовании кинетической энергии ветра в механическую, а затем с помощью ротора – в электрическую. Среди главных его плюсов выделяются:

  • Работа за счет неисчерпаемого источника энергии – ветра.
  • Затраты связаны только с покупкой и установкой, оборудование долговечно и не требует особого обслуживания.
  • Приспособленность для любого климата.
  • Экологически чистый тип энергоресурса.

К недостаткам относятся – зависимость от силы ветра, помехи, возможность разрушения при стихийных погодных проявлениях. Установка ветряного генератора должна соответствовать требованиям закона – мощности, высоте, ограничениях, согласовании с соседями и отсутствию биологического вреда. Модели различаются по техническим параметрам – количеству лопастей, типу их материала, направлении оси вращения и изменчивости шага. При выборе нужно учитывать диаметр ротора, определяющий мощность. Монтаж прибора должен соответствовать правилам размещения и практическим рекомендациям.

Ветряная станция — АльтЭнерго

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

Ветроэлектрические установки могут работать как совместно с сетью, так и в автономном режиме. Принцип действия ветрогенераторов заключается в следующем: ветер раскручивает лопасти, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор, в свою очередь, вырабатывает электрическую энергию, которая подаётся на контроллер, где преобразуется до нормативных показателей частоты и напряжения.

Основное отличие от традиционных тепловых и атомных источников энергии заключается в полном отсутствии сырья и отходов. Соответственно, ветрогенераторы не наносят никакого вреда окружающей среде.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети,– в результате получается ветровая электростанция (ВЭС). Единственное важное требование для ВЭС – это высокий среднегодовой уровень ветра.
Небольшие ветрогенераторы могут эффективно работать и при относительно низких скоростях ветра, поэтому имеют более широкую географию установки. Активно развивается индустрия домашних ветрогенераторов. К примеру, для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 2 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором.

Существуют два основных типа ветрогенераторов: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. Эффективность ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения выше, чем у вертикальных ветрогенераторов.

1 августа 2010 года недалеко от хутора Крапивенские Дворы Яковлевского района ООО «АльтЭнерго» ввело в работу пять ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения и автоматической системой ориентации на ветер общей мощностью 100 кВт.

Ветроэлектрические установки стали первым объектом «АльтЭнерго» и первым объектом альтернативной энергетики заметной мощности на территории Белгородской области. Номинальная мощность каждого генератора 20 кВт.

Автономный дом – обзор

ПРОГРАММА: ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ИНФОРМАЦИЯ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

В данной статье может быть представлен только очень краткий обзор. С 1974 года BMFT профинансировал более 500 проектов на сумму 2 500 миллионов немецких марок. В таблице 1 представлена ​​разбивка основных тем и выделенного бюджета. Ежегодные фонды были значительно увеличены в течение последних нескольких лет. Установлены новые приоритеты. Многие технологии сейчас готовы к коммерциализации или уже успешно внедрены, например.грамм. высокоэффективные горелки и низкотемпературные системы отопления, системы централизованного теплоснабжения, тепловые насосы и солнечные системы горячего водоснабжения.

Таблица 1. Возобновления и энергосбережения BMFT расходы на миллион DM

1974 — 89 87 87 88 89
Photovoltaics 567 60 70 97 95
Wind 252 18 16 34 27
технологии в развивающихся странах 551 31 36 42 35
Геотермальные 173 5 3 12 15
солнечной тепловой активный / пассивный 238 11 12 11 16
хранения энергии 130 14 5 7 10
Водород 113 8 10 21 18
Биологическая энергодобыча 20
исследовательские центры 268 22 24 24 29
Всего 2 507 2 507 181 198 255 309
309

Однако проникновение на рынок проникновения на возобновлениях и энергосберегающих технологиях все еще препятствует высоким инвестиционным расходам и длительным временам амортизации системы при нынешних ценах на энергоносители. Поэтому главная цель состоит в том, чтобы повысить рентабельность, эффективность и долговечность этих технологий. Для достижения этой цели в рамках программы осуществляются как долгосрочные исследования и разработки новых инновационных концепций, так и демонстрационные программы по внедрению передовых технологий.

Фотогальваники получили наивысший приоритет (Таблица 1) в связи с высоким технологическим потенциалом и растущим рынком. Как разработка новых технологий производства солнечных элементов, так и новых концепций солнечных элементов, например.грамм. ожидается, что тонкопленочные технологии снизят стоимость модуля с 15 до 5 марок/Вт в ближайшие 10 лет. Долгосрочные усилия включают НИОКР по солнечному водороду, а также базовые НИОКР в недавно начатой ​​программе фотобиологического производства водорода.

Еще одним важным предметом программы является развитие возобновляемых источников энергии для применения в развивающихся странах (DC). Очевидно, что использование возобновляемых источников энергии может способствовать быстро растущему спросу на энергию. Системы возобновляемой энергии часто очень хорошо вписываются в существующие децентрализованные энергетические системы в DC.Несколько проектов двустороннего сотрудничества связаны с демонстрацией новых солнечных технологий в конкретных климатических и социальных условиях DC. Совместные проекты включают в себя фотоэлектрические системы, например. телекоммуникации и водяные насосы и солнечные тепловые системы, такие как недорогие воздухонагреватели для сушки, опреснения морской воды, охлаждения и производства электроэнергии.

Внедрение технологий возобновляемой энергии в Германии поддерживается расширенными демонстрационными программами.Программа ветроэнергетики мощностью 100 МВт была начата в 1989 году и будет расширена до 200 МВт ввиду большого общественного резонанса и интереса в 1991 году. Недавно BMFT объявила о программе 1000 солнечных крыш. В рамках этой программы на крышах домов будут установлены фотоэлектрические системы мощностью 1–5 кВт, подключенные к сети. Затраты на установку будут разделены между BMFT (50%), штатами (20%) и владельцами домов. Излишки электроэнергии можно подавать в сеть по выгодной цене. Программа полевых испытаний и мониторинга предоставит обширный опыт и надежные результаты для оптимизации систем.

Solar Active Technologies

Солнечные системы горячего водоснабжения (ГВС) используются в коммерческих целях уже более десяти лет. На сегодняшний день в ФРГ установлено более 300 000 м 2 солнечных коллекторов. Усилия в программе были сосредоточены на следующих темах:

программы долгосрочного мониторинга на выбранных солнечных установках

программы испытаний на солнечных системах ГВС

методы испытаний (DIN, ISO)

исследование новых инновационных компонентов и систем, e.грамм. новые напыляемые поверхности селективного поглотителя, прозрачная изоляция для высокоэффективных коллекторов.

С 1979 по 1984 год в общественных зданиях было установлено около 140 крупных систем ГВС и отопления с использованием солнечной энергии (Peuser, 1990). В рамках программы CEC по открытым плавательным бассейнам с солнечным подогревом в Германии было построено 8 установок, последние две из которых в 1988 году состояли из недорогих пластиковых поглотителей. Было проверено около 40 солнечных электростанций и 6 плавательных бассейнов с солнечным подогревом. Бассейны с солнечным подогревом оказались одним из самых экономичных применений солнечной энергии в Германии.Потенциал замещения велик: существует более 6000 общественных открытых бассейнов и 300 000 частных бассейнов.

Программа мониторинга выбранных солнечных установок обнаружила много недостатков и часто низкую эффективность системы. Это произошло в результате неправильного планирования и проектирования установок, неблагоприятного контроля, ошибок монтажа и неправильного подключения к обычной резервной системе отопления. При этом все контролируемые системы были отремонтированы и показывают значительно повышенную эффективность.

Эти результаты подтверждают, что активные солнечные системы могут вносить значительный вклад в потребность в энергии даже в менее благоприятных условиях солнечной радиации в ФРГ при условии надлежащего проектирования, правильной установки и технического обслуживания установок. Активные солнечные системы могут обеспечить 250 кВтч/м 2 со стандартными плоскими коллекторами и до 450 кВтч/м 2 с высокоэффективными коллекторами или в низкотемпературных системах предварительного нагрева с использованием солнечной энергии.

Распространение результатов, в частности среди дизайнеров и архитекторов, считается ключевым вопросом программы.Информация о проектах предоставляется через специальный информационный центр BINE, а также на семинарах.

Недавно была завершена обширная программа испытаний 14 коммерческих солнечных систем ГВС (HÖß, A. 1987). Проект реализован компанией TÚV Bayern e.V. для определения тепловых характеристик, надежности и экономичности солнечных систем ГВС. Данные тестовой программы использовались компаниями для оптимизации систем и публиковались для информирования общественности. Проект начался в 1985 году с долгосрочной программы наружного мониторинга.Солнечные системы должны были ежедневно обеспечивать 200 литров горячей воды температурой 45°C. Системы обычно состоят из 6–8 м солнечных коллекторов 2 (плоских пластинчатых, высокоэффективных трубчатых коллекторов, насосных или термосифонных систем) и водогрейного котла объемом 200–500 литров. Компоненты были испытаны в отдельных лабораторных испытаниях. Программа испытаний была расширена в 1987 году для 5 выбранных систем, которые были перестроены. Усовершенствованные системы демонстрируют хорошие тепловые характеристики, надежность и безопасность. Эффективность системы варьируется от 19% до 47%.Высокоэффективные солнечные коллекторы отдавали потребителю до 600 кВтч/м 2 полезной солнечной энергии. Сроки амортизации 15 и 30 лет были рассчитаны с ценой энергии 0,21 немецких марок/кВтч.

Разработка стандартов контроля качества является очень важной предпосылкой для выхода на рынок. Разрабатывается стандартная процедура испытаний, позволяющая определить годовую производительность солнечной системы в течение нескольких недель. Исследования проводятся в сотрудничестве с DIN e. В., TÚV Bayern e.V. и университеты Мюнхена, Штутгарта и Аахена/Юлиха. Результаты показывают, что предложенный метод кратковременного динамического испытания способен определять годовые показатели с точностью около 5 %. Этот метод был апробирован с несколькими различными небольшими солнечными системами ГВС (насосные, термосифонные, плоские и вакуумные коллекторы, интегрированные системы накопительных коллекторов). Этот метод предлагается в качестве немецкого национального стандарта (DIN) и для Международной организации по стандартизации (ISO).Будущая работа будет посвящена изучению применимости метода для измерений на месте и для установок больших размеров.

Солнечные пассивные технологии

Эта тема программы охватывает очень широкий спектр научно-исследовательских и демонстрационных проектов, связанных с различными энергосберегающими технологиями и солнечной архитектурой. Усилия сосредоточены на снижении потребности в отоплении помещений. Существующие стандарты устанавливают верхний конкретный предел в 150 кВтч/м 2 a. Готовящийся новый регламент снижает этот верхний предел на 30%.Результаты программы показывают, что даже гораздо более низкие потребности в отоплении технически осуществимы. Это было показано, например, в проекте Landstuhl (Gruber et al., 1989) для домов на одну и две семьи. Краткое изложение результатов будет представлено ниже. В рамках совместного шведско-германского сотрудничества в Ингольштадте (ФРГ) и Хальмштадте (Швеция) были построены низкоэнергетические террасные дома. Потребность в отоплении этих зданий в Ингольштадте может быть снижена на 60% по сравнению с обычными зданиями.В новых домах объединены шведские технологии строительства и немецкие технологии отопления. Недавно был начат проект Heidenheim, чтобы продемонстрировать большой потенциал энергосбережения с помощью доступных в настоящее время технологий, интегрированных в хорошо спроектированные системы отопления.

В рамках программы также изучаются новые инновационные концепции для строительства автономных домов с очень низким энергопотреблением или даже с энергопотреблением. Часть этих усилий включена в сотрудничество МЭА: Солнечные передовые здания в рамках программы МЭА: Солнечное отопление и охлаждение (Hestnes, 1989).Основные усилия программы Solar Passive сосредоточены на исследованиях и разработках прозрачной изоляции и демонстрации ее применимости в пилотных проектах. Другими темами программы являются тепловое моделирование зданий и разработка упрощенных инструментов проектирования, которые могут использоваться архитекторами. Германия участвует в проекте CEC PASSYS и во многих других проектах МЭА. Далее можно кратко рассмотреть только два проекта.

Проект Ландштуль

В рамках этого проекта с 1984 по 1985 год в Ландштуле и в некоторых других местах ФРГ было построено 22 солнечных дома и 3 эталонных дома.Дома очень хорошо утеплены. В период с 1985 по 1987 год была проведена обширная программа мониторинга для определения тепловых характеристик компонентов и систем. Дома были спроектированы как солнечные пассивные дома с большими окнами, ориентированными на юг, зимними садами и временными затенениями. В домах были установлены системы низкотемпературного теплого пола и воздушного отопления; в 13 домах были установлены солнечные системы горячего водоснабжения, а в 6 домах были установлены системы отопления помещений тепловыми насосами.Подводя итоги, результаты проекта показывают, что наивысший приоритет должен быть отдан исключительно хорошей изоляции здания. Поведение жителей (закрытие жалюзи, работа системы вентиляции) и требуемый комфорт (температура в помещении) сильно влияют на экономию энергии. Солнечные поступления окон в значительной степени компенсируются тепловыми потерями окон с обычным стандартом k = 2,8 Вт/м 2 К (двойное остекление).Оценка программы мониторинга показывает, что зимние сады лишь незначительно снижают потребность в отоплении примерно на 10% при условии, что они не отапливаются зимой обычным образом. Сегодня зимние сады очень популярны в Германии, главным образом, ввиду их высокой комфортности для проживания.

Солнечные системы горячего водоснабжения обычно показали КПД системы 40–55% для систем с вакуумными коллекторами и 30–40% для стандартных плоских коллекторов. Солнечные системы ГВС достигли полезного прироста солнечной энергии до 2 МВтч/год.Однако это значение сильно зависит от потребления. Низкое потребление приводит к большим потерям.

Прозрачная изоляция

Тесное сотрудничество между несколькими научно-исследовательскими институтами и компаниями началось в 1986 году (Götzberger, A., 1989). Тем временем достигнуто замечательное состояние развития, которое уже позволяет применять материалы в пилотных и демонстрационных проектах. Основные исследования и разработки направлены на разработку новых материалов (например, аэрогелей) и оптимизацию термооптических свойств, а также интеграцию в системы (фасады, окна с автоматическими жалюзи для предотвращения перегрева летом).Недавнее исследование (Lohr et al., 1989) показало, что потребность в отоплении помещений может быть снижена на 50% в домах с традиционной изоляцией и до 80% в домах с прозрачной изоляцией. Прозрачные изолированные фасады могут способствовать потребности в отоплении помещений на уровне 100–200 кВтч/м 2 a. Первые дома были оборудованы прозрачным утеплителем. В настоящее время передовые системы установлены в доме на две семьи и многоквартирном доме Sonnenackerweg во Фрайбурге и в домах с террасами на одну семью в Hellerhof в Дюссельдорфе.Разработаны интересные и архитектонически приемлемые концепции.

Энергетический автономный дом – Колледж пермакультуры, Австралия

В связи с загрязнением атмосферы и изменением климата мы все должны взять на себя определенный уровень ответственности; за вклад в проблемы и, что более позитивно, за то, чтобы стать частью решения.

 

Энергетический автономный дом

Робин Фрэнсис

Эта статья была первоначально опубликована в журнале Permaculture International Journal. В этой статье рассматриваются наши внутренние потребности в энергии и способы их удовлетворения эффективными и экологически чистыми способами.Мы можем начать «очищать воздух» в нашем собственном домашнем окружении.

Энергетическая автономия или уверенность в своих силах — это вариант, который сейчас рассматривается более серьезно, чем когда-либо прежде, и на то есть веские причины.

Это может быть просто из-за необходимости для людей, переезжающих в отдаленные сельские районы, где «сетевое» подключение либо недоступно, либо доступно только за большие деньги. Даже несколько опор могут стоить земли, и примерно по той же цене хорошо спланированная автономная энергетическая система может оказаться дешевле в долгосрочной перспективе — счета за электроэнергию не приходят каждые три месяца.

Могут быть и другие причины для установки альтернативного источника электроэнергии. Они основаны на праве этического выбора, НЕ завися от основного источника, который генерируется ядерными реакторами или ископаемым топливом, загрязняющим атмосферу. В этой ситуации мы находим множество примеров полной независимости и многочисленные примеры постепенного изменения; постепенное отключение от сети путем поэтапной установки соответствующих альтернативных источников энергии вместе со стратегиями снижения общего потребления энергии.

Какой бы ни была ситуация или причины выбора самообеспечения энергией, фактический источник и поставка энергии являются лишь частью общего процесса планирования. Прежде чем мы увлечемся всеми возможностями, предоставляемыми технологиями производства энергии, нам сначала нужно рассмотреть наши варианты энергосбережения. Соответствующая технология начинается с пользователя, а не с производителя.

Энергетические потребности и сохранение
Как и в случае с любым другим элементом или фактором в дизайне пермакультуры, будь то курица, огород или пруд, мы должны тщательно проанализировать наши собственные потребности, входы и выходы или производительность элемента, как они будут поставляются, и какие преимущества они предлагают другим аспектам ближайшего окружения.Не является исключением и проектирование бытовой энергосистемы.

Итак, каковы наши потребности в энергии? Мы обнаружили, что большая часть бытовой энергии используется для отопления и охлаждения помещений, горячего водоснабжения, подогрева и охлаждения пищи (кухонные плиты и холодильники), освещения, стирки одежды и различных других бытовых приборов. В домохозяйствах, на 100 % зависящих от электричества, в умеренном или прохладном климате более 60 % энергии часто используется только для отопления помещений и горячего водоснабжения, а в более теплом климате электроснабжение горячего водоснабжения является наибольшим потребителем энергии, оба из которых могут быть легко обеспечены средства, отличные от производства электроэнергии.

Три основных способа сохранения бытовых потребностей в энергии:

1. Поведенческие:
Это включает в себя такие вещи, как: максимальное использование светового дня; разумно использовать пространство в доме для различных видов деятельности, например. выбор теплой солнечной стороны для зимних дневных занятий; правильно одеваться, теплее одеваться в зимние дни; укутаться в одеяло с грелкой, чтобы посидеть прохладными вечерами; выработать привычку выключать свет, когда им не пользуются; замачивание бобовых и сушеных продуктов для сокращения времени приготовления.

2. Проект дома:
Дом должен быть спроектирован с учетом его климата и расположен так, чтобы максимально использовать солнечный свет и защищать от холода и сильных ветров. Доступно множество отличных публикаций с подробной информацией о пассивных и активных методах проектирования солнечных батарей для домов в различных климатических условиях. Это необходимо сочетать с разумным озеленением, используя лиственные деревья на солнечной стороне и вечнозеленые ветрозащитные насаждения на холодной, ветреной стороне. Идеальный дом, спроектированный на солнечных батареях, станет совершенно неэффективным, если зимнее солнце будет закрыто большими вечнозелеными деревьями.Эффективность как обогрева, так и охлаждения может быть повышена путем добавления правильно расположенных конструкций, таких как перголы, теплицы и навесы.
Внутренний дизайн дома имеет решающее значение: активные помещения (кухня, столовая, гостиная, студия/офис) должны располагаться на солнечной стороне, а кладовая (кладовая) и спальни должны располагаться на прохладной стороне. Небольшие помещения легче отапливать, чем большие, а хорошо ламбрекеновые шторы и двойное остекление снизят теплопотери. Обязательно размещайте тепловыделяющие устройства, такие как кухонные плиты и обогреватели, там, где они могут отдавать тепло соседним помещениям — дымоход, встроенный в наружную стену, — это позорная трата тепловой энергии.
Выбор материалов играет важную роль в управлении микроклиматом в помещении; их теплоаккумулирующая и излучающая способность, а также их изоляционные качества.
Грамотный дизайн дома может значительно сократить потребление внешней энергии, причем не только электроэнергии, но и других видов топлива, включая нефть, газ и древесину.

3. Технологические:
Это относится к нашему выбору приборов, их источникам топлива или энергии и эффективности. Можно выбрать множество бытовых приборов, не требующих электричества, таких как системы горячего водоснабжения с использованием солнечной энергии, кухонные плиты и обогреватели, сохраняющие древесину, стиральные машины с ручным и педальным управлением, сушилка для белья на солнечных батареях (бельевая веревка), сейф koolgardi (см. вставку), газовые приборы ( холодильник, кухонная плита), солнечная печь, плита для сена, потолочные вентиляторы, активируемые солнечными батареями, и это лишь некоторые из них.

Не сбрасывайте со счетов энергоэффективность неэлектрических приборов, особенно дровяных кухонных плит и обогревателей. Сжигание древесины также загрязняет нашу атмосферу. Это очень тяжелая работа, чтобы поддерживать постоянный запас дров, и дорого платить кому-то еще за то, что он поставляет их для вас.

Генерация электроэнергии
После того, как все вышеперечисленное было вычеркнуто из списка, не так уж и много осталось для производства электроэнергии; освещение, радио, телевизор и несколько других электрических инструментов и приборов, которые могут считаться необходимыми.Теперь, когда потребности в электроэнергии определены, следующим шагом является выбор подходящей формы генерации.
В то время как бензиновые и дизельные генераторы иногда рассматриваются как быстрое и простое решение, поскольку выходная мощность в час снижается, в долгосрочной перспективе они могут быть более дорогими, а проблемы использования ископаемого топлива, загрязнения, шума и внешней зависимости не решен.

Основными источниками для автономных энергетических систем являются солнечная энергия, ветер, вода и биогаз (метан). Считается, что солнечная энергия и малая гидроэнергетика имеют преимущество перед энергией ветра в том, что они могут более регулярно перезаряжать аккумуляторные батареи, в то время как у ветра есть недостатки по частоте. Окончательное решение будет зависеть от параметров доступных ресурсов; количество и частота доступного солнечного света, ветра и текущей воды. Биогаз в этом отношении может быть более надежным источником энергии.

AC/DC
Это, безусловно, помогает демистифицировать чудо того, как работает электричество, и понять его различные формы. Проще говоря, постоянный ток (постоянный ток) используется в большинстве небольших домашних энергетических систем, обычно при низком напряжении (12 вольт и 24 вольта). Аккумуляторная батарея хранит электроэнергию, вырабатываемую солнцем, ветром или водой, чтобы она была доступна по мере необходимости, а не только тогда, когда светит солнце, дует ветер или течет вода.12 вольт постоянного тока достаточно для освещения, радио и телевидения, а инвертор можно использовать для преобразования постоянного тока в переменный (переменный ток) для обычных приборов. Переменный ток высокого напряжения является стандартным питанием в основной сети.
Вам необходимо довольно точно оценить, сколько энергии вам потребуется, чтобы определить размер вашей системы (например, сколько батарей, солнечных панелей, какая гидросистема и т. д.). Это означает выбор того, какие светильники и приборы будут использоваться, определение того, сколько ампер или ватт каждый из них потребляет в течение того, сколько часов в день.(Понимаете, что я имею в виду под демистификацией?)

«Энергия из природы», опубликованная Rainbow Power Company, определенно рекомендуется к прочтению не только с точки зрения понимания энергетических систем, но и для получения важной практической информации об оценке потребностей в энергии, принятии правильных решений при выборе как приборов, так и генерирующих систем, а также « как сделать самому».

Доступные приборы и инструменты постоянного тока (12 вольт):
Освещение, радиоприемники, стереосистемы, телевизоры, водяные насосы, паяльники, дрели, угловые шлифовальные машины, электролобзик, ленточная шлифовальная машина и несколько других инструментов для хобби.На некоторые модели стиральных машин может быть установлен мотор на 12 вольт – подробнее см. «Энергия природы»

.

Пример из практики 1
Эта автономная гидросистема была разработана на плато в северной части штата Новый Южный Уэльс, Австралия. Надежный природный источник большого объема обеспечивает постоянный источник воды с соседнего склона. Вода подается самотеком через 2-дюймовую полипропиленовую трубу в напорный резервуар рядом с домом, обеспечивая ежедневное водоснабжение дома и сада. Для выработки электроэнергии был установлен мотор-генератор на 12 вольт (от VW Beetle), который приводился в действие путем открытия крана для заполнения резервуара для воды.Резервуар наполняется каждый вечер, когда требуется электричество для освещения, но иногда вечерние потребности в электричестве превышают емкость резервуара, поэтому он переполняется. Система продолжает работать, перелив воды поступает в утиный пруд. Из-за пористой почвы пруд для уток имеет медленную течь и нуждается в регулярном доливе. Утки любят пруд и обогащают его водой своим пометом. Когда утиный пруд наполняется, обогащенная питательными веществами вода переливается в сад, одновременно поливая и удобряя деревья.В целом, это хорошо спланированная система, соответствующая участку, его потребностям и ресурсам, таким образом, чтобы полностью использовать потенциал воды, используя ее разными способами и сокращая человеческий труд. Много чего происходит, когда кран открыт!

Пример из практики 2
В Западном Берлине группа студентов сформировала жилищный кооператив, когда правительство пригрозило выселить их из здания, в котором они жили на корточках. После долгих переговоров они получили законный доступ и право собственности на здание и застроили его как пример энергоэффективности и ресурсоэффективности.Они разорвали связь с сетью по моральным соображениям, не желая использовать энергию, поступающую от ядерного источника. Климат в Берлине требует какой-либо формы отопления помещений 8-9 месяцев в году, а горячая вода необходима круглый год, поэтому было установлено центральное отопление / горячее водоснабжение, работающее на природном газе. Процесс нагрева воды обеспечивает пар для выработки электроэнергии. Теплые бытовые воды (сточные воды из ванных комнат, прачечных и кухонь) подаются в резервуары возле газового нагревателя для предварительного подогрева поступающей холодной воды, тем самым уменьшая количество газа, необходимого для нагрева воды. В конечном итоге они надеются заменить природный газ биогазом (метаном), который производится на месте из сточных вод и сточных вод. Они производят больше электроэнергии, чем им нужно, поэтому излишки продаются обратно в сеть за бесценок. Поскольку продавать электроэнергию в частном порядке незаконно, они всерьез задумываются о расширении членства в кооперативе на соседний дом, жители которого стремятся подключиться к чистому и дешевому источнику электроэнергии.

Как стать автономным по электричеству в крошечном домике?

Вы хотите сделать свой дом автономным и больше не быть подключенным к национальной электросети? Контролировать свое воздействие на окружающую среду и потреблять электроэнергию собственного производства?

Это мечта многих из нас… Но стать 100% автономным в электричестве может показаться невозможным, если мы подумаем о смене погоды, времени года, его стремлении к комфорту, потреблении электроприборов, отоплении и т. ) привычек.
Так как же добиться полной автономности в электричестве? Солнечные панели, ветряк, гидротурбина, какую производственную систему выбрать? В этой статье рассказывается все, что вам нужно знать о , производящем собственное электричество .

БЫТЬ САМОДОСТАТОЧНЫМ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ = ИЗМЕНИТЬ ПРИВЫЧКИ!

Автономность в электричестве, экология, ответственность, автономная среда обитания

Электрическая автономия возможна только при установке эффективной системы производства электроэнергии И реализации разумного энергопотребления .

Новые способы потребления, которые будут способствовать вашему экологически ответственному подходу и позволят избежать ненужного потребления электроэнергии, хранящейся в ваших батареях, с риском выработки пара!

Если вы еще этого не сделали, вам придется начать с улучшения потребления электроэнергии путем ежедневного принятия новых привычек , таких как

  • Выключайте неиспользуемые электроприборы (даже в режиме ожидания они потребляют)
  • Не оставляйте зарядные устройства подключенными к сети
  • Стирайте белье при низкой температуре и сушите его на открытом воздухе
  • Останавливайте баллон с горячей водой, когда вас нет дома

В дополнение к этим небольшим мерам по энергосбережению, вы также должны установить энергоэффективное электрооборудование , например:

  • Светодиодные лампы с низким энергопотреблением внутри помещений, солнечные лампы снаружи
  • Электроприборы класса энергии А (VMC, водонагреватель, холодильник и т. д.)

Вы также можете предпочесть неэлектрифицированные приборы .Например, для отопления с помощью пеллетной печи, газа для приготовления пищи или солнечного водонагревателя.

Отопление — это очень важный момент, который следует учитывать при обеспечении автономии электричества, поскольку на него может приходиться до 65 % энергопотребления, если вы живете в традиционном жилище.

Так называемые «пассивные дома» оптимизируют и экономят отопление благодаря отличной изоляции стен и окон. Таким образом, их потребление тепла снижается почти на 90%. Для
Крошечные домики
Если это ваш альтернативный жилищный проект, его небольшой размер снова является преимуществом, поскольку он требует небольшого нагрева благодаря небольшой площади поверхности!

РАСЧЕТ И УПРАВЛЕНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Потребление электроэнергии, управление электричеством, лучшее и меньшее потребление.

После того, как вы внедрили эти новые рефлексы потребления энергии и энергоэффективное оборудование, вам придется рассчитать свои потребности в электроэнергии , прежде чем выбрать подходящую вам систему производства электроэнергии.

Для этого снимайте показания счетчика электроэнергии в течение нескольких дней. Это позволит вам установить среднее значение Вт, которое вы потребляете ежедневно .

Будьте осторожны, вам все равно придется добавить запас на те дни, когда вы будете потреблять больше или когда ваша производственная система будет давать меньше электроэнергии из-за плохой погоды.

Этот расчет потребленных ватт позволит вам установить пределы потребления электроэнергии, которые не должны превышаться.

Со всеми этими данными вы, наконец, сможете приступить к делу: выбрать систему подачи возобновляемой энергии!

Какую бы систему вы ни выбрали, произведенная электроэнергия будет храниться в батареях . Аккумуляторы, которые, как правило, обеспечивают от 12 до 15 вольт. Электроприборы в доме работают от 220 вольт, поэтому не забудьте добавить преобразователь.

Что касается управления вашим электричеством, вы должны знать, что в настоящее время существует интеллектуальных решений , которые позволяют распределять произведенную энергию на бытовые приборы (дополнительная информация об Eco Infos Energies Renouvelables).

Наконец, прежде чем выбрать систему производства электроэнергии, не забывайте, что электрическая автономия связана с природой: солнцем, ветром, водой .

В результате ваше производство иногда может быть менее эффективным.Чтобы не остаться без электричества, можно спланировать генератор, некоторые модели работают на биотопливе.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАНЕЛИ

Фотоэлектрические панели на дереве – SmartFlower

Установка фотоэлектрических панелей является наиболее широко используемой системой для самостоятельного производства электроэнергии .

Конечно, некоторые люди могут не захотеть их устанавливать из-за воздействия на окружающую среду, вызванного их очень неэкологичным производством… Однако их экологический баланс уравновешивается их неиспользованием ископаемого топлива для их работы.

Это также более экономичный способ производства электроэнергии, чем ветряные турбины. Действительно, солнечные комплекты становятся все более эффективными и менее дорогими, поэтому они обеспечивают более быструю окупаемость инвестиций .

По данным ADEME, 5 м2 солнечных панелей достаточно для производства электроэнергии, эквивалентной годовому потреблению электроэнергии семьей из 4 человек (без учета отопления)!

Чтобы быть еще более точным и помочь вам сравнить с вашим собственным потреблением Ватт в год, подсчитано, что 1 м2 фотоэлектрических панелей производит около 100 кВт/год .Не стесняйтесь посетить специализированный сайт MyShop solaire, дистрибьютора солнечных комплектов для самостоятельной сборки (автономных, самостоятельных, гибридных и т. д.), с которым мы сотрудничаем для реализации наших крошечных домов, чтобы изучить различные типы установки солнечные панели.

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

ветряное дерево – ветряная турбина – Neo Wolrd Wine

По определению, ветряные турбины работают от ветра. Не только с попутным ветерком, нет. При минимальная скорость ветра 14 км/ч .

Таким образом, они более изменчивы в своих характеристиках, поскольку они зависят от силы ветра , а также от размера лопастей .

Бытовые ветряные турбины являются очень хорошим дополнением к фотогальванической установке , так как обе системы работают попеременно в зависимости от погоды.

Что касается производства возобновляемой энергии, домашние ветряные турбины (от 8 до 30 кВт в зависимости от модели) обеспечивают от 10 000 до 50 000 кВт/год .

Также следует знать, что установка ветрогенератора менее 12 метров не подлежит разрешению. Будьте осторожны, не забудьте свериться с PLU вашего города (или любым другим текстом, относящимся к нему)!

Точно так же вам не рекомендуется обсуждать это с вашими соседями выше по течению. Чтобы избежать конфликтов с соседями в будущем…

Наконец, существует множество моделей бытовых ветряных турбин , доступных от различных поставщиков.разной мощности, габаритов и дизайна, как у очень оригинальных моделей ветряных деревьев от французской компании Neo World Wine.

МИКРО ГИДРОТУРБИНЫ

Микрогидроэлектростанция – Photo Provence Energie Partagée

Микрогидротурбина является более чистой , но гораздо менее распространенной установкой по производству возобновляемой энергии .

Поскольку этот метод производства электроэнергии работает только с силой текущего , он может быть дополнительным устройством для солнечных батарей, чтобы быть 100% самодостаточным .

При условии, конечно, что на вашем участке есть водопад или ручей.

Для установки микрогидротурбины необходимо сконцентрировать гидравлическую энергию на естественном склоне с высотой воды более 2 метров . Возможно, потребуется развитие водотока.

Установка и электрическая выработка вашей микрогидротурбины зависят от конкретных характеристик вашего водотока , трудно указать его электрическую мощность.Тем не менее, мы советуем вам посетить сайт Hydroturbine.info, вы найдете всю необходимую информацию, например, о том, как реализовать вашу гидравлическую турбину, определить топологию вашего грунта или о различных существующих моделях гидроэлектрических турбин.

В заключение, не забудьте проконсультироваться с общественными пособиями , на которые вы имеете право, если вы устанавливаете систему производства возобновляемой энергии на economie.gouv.fr: бонус за собственное потребление, экологический кредит с нулевой ставкой, налоговый кредит и т. д.

Хотите узнать больше о наших крошечных домиках?

Связаться с командой BIMIFY

🙂.

[et_bloom_inline optin_id=»optin_4″]

Самодостаточный подход к энергетике на основе биоводорода

Abstract

В связи с парниковым эффектом и глобальным энергетическим кризисом 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) автономное управление энергией 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 темного брожения, топливные элементы с протонообменной мембраной, пассивная конструкция, активное оборудование, технология «зеленой» энергии

20-го века привели к изобретению многих видов энергоемкого активного оборудования и бытовой техники.Из-за растущего осознания уязвимости экологической среды Земли защитники окружающей среды с конца 20 века продвигают энергосберегающий пассивный дизайн. После парникового эффекта и глобального энергетического кризиса на заре 21 века мир столкнулся с противоречием между энергосберегающим устойчивым пассивным проектированием и энергоемким активным проектированием, отвечающим потребности в комфорте. Это привело к новой парадигме интеллектуального использования энергии.Сообщества и жилые дома должны использовать новые методы, такие как датчики, аккумуляторные батареи и преобразователи энергии, для улучшения домашней среды [1]. Это исследование выступает за разработку «автономного дома на основе биоводородной энергии», использующего альтернативную энергию в сочетании с датчиками окружающей среды, вычислительными технологиями и активными архитектурными элементами, чтобы улучшить некоторые недостатки производительности пассивных домов.

2. Ретроспектива литературы

«Автономный дом» определяется как дом, который может функционировать независимо от поддержки и услуг общественных объектов [2].Однако движение за автономные дома не требует от пользователей вести уединенную, скупую жизнь. Ключевой характеристикой автономного дома является использование технологий зеленой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, а также создания устойчивой, качественной, комфортной среды обитания. В области архитектуры «автономия» имеет два значения: автономный контроль 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 человек может поддерживать самодостаточность в таких ресурсах, как пища, вода и энергия [6].

Хотя автономия и самодостаточность применяются к разным ситуациям в разных областях обучения и предметах, на самом деле они являются перекрывающимися понятиями, которые довольно трудно различить. В социологии самодостаточность используется для описания образа жизни людей, живущих на обочине общества [7]. В области политики социального обеспечения программы самообеспечения призваны помочь малообеспеченным семьям достичь экономической независимости [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 сфере охраны окружающей среды автономия в последнее время стала ключевым принципом в технологиях «зеленой» энергетики и использования водных ресурсов [11–14].В Нидерландах самодостаточность представляет собой концептуальную основу, включающую как технологическую, так и экологическую политику [15]. Использование экологически чистой энергии и бытовой техники являются необходимыми условиями комфортной жизни [16]. Тем не менее, проживание в автономном доме не означает, что жильцы должны вести жизнь кочевников или маргиналов общества. Вместо этого автономный дом использует альтернативную энергию и другие соответствующие технологии в соответствии с принципом автономии и тем самым снижает зависимость от ископаемого топлива и уменьшает выбросы углекислого газа, чтобы смягчить глобальное потепление, при этом обеспечивая высококачественную среду обитания.

Много противоречий все еще окружает стремление к автономии энергии и ресурсов. Согласно книге 2004 года « Why Globalization Works » экономиста Вольфа [17], сторонника рыночной экономики, атомизация глобальной экономики на самодостаточные регионы или отдельные лица приведет к обращению вспять и краху глобализации. это происходит с 1960-х годов, что приведет к атрофии цивилизации. Недавнее принятие Китаем защитной политики продовольственной самообеспеченности, направленной на обеспечение продовольственной безопасности, нанесло сильный удар по рыночной экономике. Тем не менее целенаправленное продвижение рыночной экономики также является крайне подозрительной стратегией. В это время международной нехватки продовольствия Япония, которая изначально обеспечивала себя рисом, фактически использовала рис для производства автомобильного топлива и разработала «автомобиль из рисового спирта». Но хотя это расширило применение и повысило ценность продовольственных культур, скептически настроенные японские исследователи считают, что это повысит цены на продовольствие и приведет к трудноразрешимой нехватке сырья [18].Король Таиланда Пхумипон выступает за экономическую самодостаточность, подчеркивая региональное или индивидуальное стремление к автономии в области энергии и ресурсов. Помимо преимуществ самодостаточности и независимого управления, 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 экологии на экономические системы. Мир природы в конечном счете поддерживает экономические системы человека. Эксплуатация человеком природной среды за последние сорок-пятьдесят лет привела к большим разрушениям и, скорее всего, будет иметь необратимые последствия [20]. Такие вопросы, как автономия, следует ли стремиться к локализации или глобализации и следует ли отдавать предпочтение экономической самодостаточности или рыночной экономике, остаются весьма спорными. Наконец, очень сложной проблемой является то, как использовать архитектурный дизайн для сохранения автономии в отношении энергии и ресурсов.

Термин «автономный дом» впервые был предложен Александром Пайком, целью исследования которого была разработка системы обслуживания дома, которая могла бы снизить потребление местных ресурсов [21]. Вейл в 1975 году определил автономный дом как дом, который может функционировать независимо и не требует участия близлежащих объектов общественного обслуживания. Этот тип дома не нужно было подключать к таким услугам, как газ, вода, электричество или канализация; он использовал альтернативную энергию, такую ​​как солнечная энергия или энергия ветра, и мог очищать свои собственные сточные воды и сточные воды. Поэтому он не производил загрязнения и не тратил энергию впустую. Первый автономный дом в соответствии 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 нужд города. Конечно, в естественных экологических системах уже давно существует множество построенных структур, соответствующих принципу автономии. Например, в термитниках используются некоторые ключевые принципы пассивного проектирования.представлены четыре структуры, воплощающие принципы автономного проектирования, и обсуждаются их функция/размер, расположение, ключевые технологии, принципы проектирования и исследовательская значимость.

Таблица 1.

Анализ зданий на принципах автономности.

9 Hockerton House Project [24]

4

4

40022

4 Hockerton, Англия (пригород)

Имя

Пункт
курган [23] Автономный дом [22]
самодостаточный небоскреб [25]
Дизайнер / год Termites / Unknown Brenda и Robert Vale / 1993 Breenda и Robert Vale / 1998 Matthew Sparks / Planned
Функция Подземный дом Частный дом Аренда Сообщество Office Tower
Местоположение Африка Ноттингемшир, Англия (Центр города) Эр-Ой-Рияд, Дубай и Бахрейн (Море)
ключевые технологии и принципы дизайна Termite Насыпи имеют пассивную конструкцию, которая регулирует поток воздуха и экономит энергию. Насыпи дают термитам автономию: помимо обеспечения комфортной среды обитания, насыпи также способствуют росту грибов (которые утилизируют отходы термитов). Энергия получается из солнца и ветра; дождевая вода собирается для использования в качестве питьевой воды. Дом построен с использованием переработанных и местных материалов в максимально возможной степени. Энергоснабжение и водоснабжение, а также очистка сточных вод обеспечиваются системой с нулевым выбросом углекислого газа; Еда выращивается по технологии пермакультуры.Поселок состоит из пяти модульных одноэтажных засыпных. Модульная конструкция упрощает строительство домов и снижает затраты. Цилиндрическая форма башни обеспечивает минимальную площадь поверхности для воздействия солнечных лучей и, таким образом, снижает потребность в энергии для кондиционирования воздуха. На крыше есть ветряная турбина, солнечные батареи и аккумуляторы для аварийного использования. Солнечные батареи на море обеспечивают энергию водородом, извлеченным из морской воды. Энергия хранится в водородных топливных элементах для использования в ночное время.
Значение для 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. Строительство домов, планирование сообщества и ограничения по договору аренды формируют это кооперативное автономное сообщество. Использует современные экологически чистые 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 случаев, с макроскопической точки зрения, проектирование автономного дома включает в себя три области: устойчивую окружающую среду, архитектурный дизайн и применение энергии. ().Обращаясь к микро-точке зрения, соображения устойчивости и энергетических приложений включают (1) экологически чистые энергетические технологии (возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергетика (включая разность потенциалов и энергию приливов) и термоядерный синтез), (2) видение и цели, (3) факторы выбора зеленой энергии и оценка осуществимости. Что касается применения энергии и архитектурного дизайна, элементы включают (1) цикл самообеспечения, (2) преобразование и форму энергии (включая преобразование и расчет энергии и работы, соответствие между входами и выходами и методами обработки), (3) поддержка здания система и (4) оценка осуществимости. Архитектурный дизайн и соображения устойчивости включают (1) автономную среду (расположение дома, планировка 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.

Микроэлементы в автономных домах.

4. Моделирование и эмпирические исследования

4.1. Видение и цели

Автономный дом на основе биоводородной энергии предполагает, что в течение десяти лет технология водородной энергии достигнет уровня зрелости, позволяющего использовать его во многих сферах повседневной жизни.Когда это время придет, каждая семья сможет установить «танк для брожения, вырабатывающий водород», похожий на септик, и водородные топливные элементы размером с кондиционеры, устанавливаемые на окнах. Если проектная цель по выработке водородной электроэнергии, удовлетворяющей среднюю потребность домохозяйства в 3 кВт, может быть достигнута, на каждые 200 000 домохозяйств потребуется на одну тепловую электростанцию ​​(т. е. выработка в среднем 600 МВт). Бытовые распределенные электрические системы могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций и тем самым достичь целей энергосбережения, сокращения выбросов углерода и энергетической автономии.

4.2. Технология «зеленой» энергии и биоводородная энергия

Принимая во внимание стремление к автономному производству и потреблению электроэнергии в домашних хозяйствах, какая форма альтернативной энергии наиболее подходит в качестве основного источника энергии для домашнего хозяйства? Этот вопрос давно волнует энергетиков и экономистов. Согласно рекомендации исследовательской группы по применению биоводородной энергии Университета Фэн Чиа, система с наибольшим коммерческим потенциалом представляет собой «биоводородную систему производства электроэнергии в режиме реального времени», состоящую из установки для производства водорода темной ферментации (анаэробный биореактор с непрерывным перемешиванием, CSABR) и топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC). Этот тип системы может генерировать возобновляемую энергию, а также перерабатывать городские отходы и сточные воды. Факторы оценки зеленой энергии включают в себя такие объективные условия, как наличие сырья, климатические факторы, ограничения по местонахождению, пороговые значения технологии производства и себестоимость единицы продукции. Для сравнения, хотя солнечную и ветровую энергию легко получить, они сильно зависят от климата и относительно ненадежны. На гидроэнергетику распространяются ограничения по местоположению, а ядерная энергетика имеет гораздо более высокий технологический порог, чем могут выдержать обычные домохозяйства.С точки зрения автономии бытовой энергии производство водорода из биомассы и выработка электроэнергии предлагает преимущества легкодоступного сырья, свободы от климатических воздействий, стабильной выходной мощности, отсутствия ограничений по месту и относительно низкого порога 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 домашним хозяйством. 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 ежегодно производит шесть миллионов тонн органических отходов, которые можно использовать в качестве сырья для производства энергии из биомассы.

4.3. Цикл самодостаточности

Чтобы соответствовать принципам самодостаточности энергии, автономный дом на основе биоводорода должен завершить цикл самодостаточности, включающий производство, хранение, распределение энергии, приложения нагрузки, переработку, утилизацию и повторное использование. .Под средой жизнеобеспечения понимается экосистема в биосфере Земли, способная удовлетворить физиологические потребности живых организмов. Экономические системы должны получать функции жизнеобеспечения от природной среды и иначе не могут выжить. Основная тема концепции устойчивого развития заключается в том, что последствия деятельности человека должны быть подчинены определенным ограничениям, чтобы не разрушить разнообразие, сложность и функции экологических систем жизнеобеспечения [26]. Как следствие, эффективно функционирующая автономная система, основанная на человеческом обществе, должна интегрировать экологические и экономические аспекты, если она хочет реализовать идеалы устойчивого развития.показывает, что мировые ресурсы и энергия будут быстро исчерпаны из-за действия энтропии в рыночной экономике, делающей упор только на процесс, охватывающий только сырье, производство и потребление продукции [27]. показывает, как устойчивое развитие должно объединять экологию и экономику, делает упор на переработку и повторное использование после потребления и опирается на цикл самодостаточности для снижения потребления энергии и замедления энтропии.

Автономный цикл.

4.4. Система поддержки здания

В соответствии с циклом самообеспечения энергией здание можно рассматривать как средство преобразования массы в энергию, и оно должно иметь цикл, состоящий из производства, хранения, управления распределением, приложениями нагрузки, рециркуляцией, утилизацией и повторным использованием. .Здание также должно иметь систему обеспечения, включающую: (1) камеру производства биоводорода, (2) резервуар для хранения водорода, (3) установку 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 энергии, вырабатываемой зданием, может превышать его потребление и может быть предоставлено другим местным пользователям, то может быть добавлено подключение к сети общего электроснабжения ().Камера производства биологического водорода состоит из пяти основных компонентов: (а) резервуара для субстрата, (б) резервуара для питательной соли, (в) резервуара для производства водорода, (г) резервуара для разделения газа и жидкости и (д) устройства для очистки водорода. Система производства энергии в режиме реального времени на основе биоводорода включает в себя производство водорода, хранение водорода, подачу водорода и процессы использования водорода ().

Биоводородная система производства электроэнергии в режиме реального времени.

4.5. Технико-экономическая оценка

В этом разделе делается попытка вывести на основе проектной цели производства биоводородной энергии для удовлетворения средней потребности домохозяйства в 3 кВт, какое вспомогательное оборудование потребуется, объемы помещений, площади и планировку, а также план-схему. здания.Эта информация послужит ориентиром для проектирования односемейных автономных домов.

По данным Taiwan Power Co. [28], статистика за последние пять лет свидетельствует о том, что домохозяйству требуется 3–4 кВт установленной мощности. По словам Лина [29], 3,2-метровый 3 бродильный резервуар для производства водорода может удовлетворить потребности в электроэнергии обычной семьи. Однако если в качестве сырья выбрана биомасса, такие переменные, как методы обработки и конверсии, а также факторы окружающей среды (температура, влажность, давление и т.) повлияет на скорость производства водорода и плотность водорода. Установка резервуара для хранения водорода может решить проблемы, связанные с переменной производительностью. Избыток водорода можно хранить и использовать в то время, когда его количество недостаточно. Согласно системе производства электроэнергии в реальном времени на основе биоводорода, разработанной Университетом Фэн-Чиа, в течение 300 дней использования каждый литр резервуара для производства биоводорода 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 нулю.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). Таким образом, можно консервативно подсчитать, что бродильный резервуар для производства водорода объемом 3222 л (≈3,2 м 3 ) потребуется для размещения средней нагрузки домохозяйства в 3 кВт ((3000/0,87) ÷ (1,15–0,08) = 3,222 л ≈ 3,2 м 3 ). Это примерно размер обычного коммерческого септика (2–3 м 3 ). Взяв в качестве примера экспериментальную установку по производству биоводорода Университета Фэн Чиа (), пять основных компонентов камеры для производства биоводорода (резервуар для субстрата, резервуар для питательной соли, резервуар для брожения для производства водорода, резервуар для разделения газа и жидкости и устройство для очистки водорода) имеют объемные соотношения 2:2:1:1:1.Как следствие, камера для производства биоводорода будет иметь общий объем, в семь раз превышающий объем ферментационного резервуара для производства водорода, то есть 22,4 м 3 . Предполагая обычный дом с вертикальным просветом 2,5 м, потребуется примерно 15 м 2 площади оборудования (при условии, что резервуар имеет высоту 1,5 м). Если проходы и другое оборудование занимают одну четвертую часть помещения для производства биоводорода, то 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 достаточное количество водорода в течение трех дней. Поскольку среднее домашнее хозяйство на Тайване использует примерно 3 × 320 ÷ 30 = 32 кВтч каждые три дня, а для топливного элемента мощностью 3 кВт требуется 36 л водорода в минуту, следовательно, 36 л водорода могут генерировать 0,05 кВтч. Таким образом, на три дня потребуется примерно 32 ÷ 0,05 = 640 л водорода. Коммерческий резервуар для хранения водорода объемом примерно 1.Таким образом, в этом приложении можно использовать 68 м 3 (http://www.hbank.com.tw/fc_products_pr_05.htm). По фактическим данным Исследовательского центра энергетики и ресурсов FCU, при рабочем объеме 3 л и HRT 8 ч концентрация кормовой матрицы составит 20 г ХПК/л, а система будет вырабатывать 0,87 Вт электрической мощности. . Кроме того, поскольку 20 г ХПК/л = 17,8 г сахарозы/л (фактические данные), для образования 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/ч потребуется для производства 3 кВт (6,675 г сахарозы/ч x 3000/0,87 = 23 017 г сахарозы/ч). По данным Taiwan Power Corp., среднесуточное потребление электроэнергии домохозяйством составляет 10 кВтч, поэтому система должна работать в течение 3,3 ч ежедневно, чтобы обеспечить ежедневную электрическую нагрузку домохозяйства в 3 кВт (10 кВтч/3 кВт). Таким образом, на одно домашнее хозяйство потребуется 75 956 г сахарозы в день (23 017 г сахарозы/ч × 3,3 ч/день = 75 956 г сахарозы/день).

Экспериментальная установка по производству биоводорода (слева, внутри; справа, снаружи).

дает размеры объемов и площадей помещения для хранения сырья биомассы, помещения для производства биоводорода, топливных элементов, резервуара для хранения водорода и диспетчерской, а также модель. показывает схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени в качестве эталона для проектирования автономных домов на одну семью.

Схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени.

Таблица 2.

Оценки функциональных зон и модель исследования.

9

9 Топливные клетки

2

9

2

4,6. Автономное управление

В соответствии с принципами энергетической автономии проект дома, ориентированный на потребности пользователей, должен, помимо соблюдения принципов пассивной планировки здания и проектирования, 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.

В этом проекте автономный дом будет использовать тепловую вентиляцию с использованием лестницы в качестве вентиляционной башни. Из-за эффекта тепловой плавучести горячий воздух обычно поступает в вентиляционную башню по лестнице и выходит из верхней части градирни под действием воздушного потока. Однако, когда внешнее давление больше, чем давление внутри помещения, в системе вентиляции с термическим 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 вентиляционная башня имеет отрицательное давление по сравнению с воздухом снаружи, можно включить вентиляционный вентилятор в верхней части башни или угол наклона воздуха Клапан расхода отрегулирован, чтобы обеспечить положительное давление внутри градирни по сравнению с наружным воздухом, и горячий воздух сможет легко выйти.Из-за этого в автономном доме будет использоваться активное устройство для обеспечения оптимальной производительности вентиляции пассивной тепловой плавучей вентиляционной башни () [30].

Проект поплавковой вентиляционной башни (чертеж Чен Ниен-Цзы).

5. Рекомендации и выводы

В исследовании представлен план возможного автономного дома на основе водородной энергии, который не будет загрязнять окружающую среду и не будет тратить энергию впустую. Предложения для будущих исследований следующие:

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

Это исследование было сосредоточено на развитии автономных городских жилых домов, подключенных к общественной энергосистеме, и мы надеемся, Распределенные электрические системы на основе могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций.Тем не менее, дома, расположенные в отдаленных пригородах и местах, где общественное электричество недоступно, еще больше нуждаются в автономных энергетических системах. Тем не менее, дальнейшие исследования должны изучить, как поддерживать стабильность и производительность выработки энергии, прямого использования, хранения и подачи для использования. Исследования также могут быть сосредоточены на модификации бытовых генерирующих систем для обеспечения электроэнергией переменного тока и изучении моделей использования и распределения, а также бытовых приборов и оборудования, подходящих для электроснабжения 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, гидроэнергетика и геотермальная энергия и т. д.). .). Поэтому дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на стабильном использовании нескольких источников энергии и различных типов тока, которые они производят (переменного или постоянного тока). Потребуются более эффективные платформы управления энергопотреблением, чтобы избежать ненужных потерь при преобразовании энергии.

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

В соответствии с широким определением экосистемы города можно рассматривать как часть экосистемы. Дальнейшие исследования могут изучить метаболизм материи, преобразование энергии, круговорот воды и денежные потоки в городском производстве и потреблении, а также исследовать динамические механизмы, функциональные принципы и экономические и экологические выгоды, пространственные структуры и правила управления городских систем.

(4) Обработка сточных вод и химическая потребность в кислороде (ХПК) при использовании биомассы для производства водорода:

Поскольку генератор водорода на биомассе в Университете Фэн Чиа производит лишь небольшое количество сточных вод, эти сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами кампуса. и сбрасывается непосредственно в канализацию сточных вод кампуса; он направляется в пруд для очистки сточных вод университета, а затем сбрасывается в городскую канализационную систему. Однако необходимо будет создать очистные сооружения на уровне общины, когда в будущем станут обычными заводы по производству водорода из биомассы.Такие объекты должны снизить ХПК сточных вод от производства водорода настолько, чтобы соответствовать стандартам выбросов, прежде чем воду можно будет сбрасывать в городские системы сточных вод. Сотрудничество с инженерами по охране окружающей среды будет необходимо для интеграции соответствующих мер по борьбе с загрязнением.

Это исследование рассматривает автономный дом на основе биоводородной энергии как ключевую жилищную технологию следующего поколения. Это имеет два последствия: 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 осуществлять автономное управление окружающей средой. Что касается применения и повторного использования энергии и ресурсов, автономный дом такого типа может гармонизировать дизайн пассивного энергосбережения с энергетическими потребностями активных устройств, отвечающих потребности в комфортной среде.

Самодостаточный подход к энергетике на основе биоводорода

Abstract

В связи с парниковым эффектом и глобальным энергетическим кризисом 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) автономное управление энергией 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 темного брожения, топливные элементы с протонообменной мембраной, пассивная конструкция, активное оборудование, технология «зеленой» энергии

20-го века привели к изобретению многих видов энергоемкого активного оборудования и бытовой техники. Из-за растущего осознания уязвимости экологической среды Земли защитники окружающей среды с конца 20 века продвигают энергосберегающий пассивный дизайн.После парникового эффекта и глобального энергетического кризиса на заре 21 века мир столкнулся с противоречием между энергосберегающим устойчивым пассивным проектированием и энергоемким активным проектированием, отвечающим потребности в комфорте.

Это привело к новой парадигме интеллектуального использования энергии. Сообщества и жилые дома должны использовать новые методы, такие как датчики, аккумуляторные батареи и преобразователи энергии, для улучшения домашней среды [1]. Это исследование выступает за разработку «автономного дома на основе биоводородной энергии», использующего альтернативную энергию в сочетании с датчиками окружающей среды, вычислительными технологиями и активными архитектурными элементами, чтобы улучшить некоторые недостатки производительности пассивных домов.

2. Ретроспектива литературы

«Автономный дом» определяется как дом, который может функционировать независимо от поддержки и услуг общественных объектов [2]. Однако движение за автономные дома не требует от пользователей вести уединенную, скупую жизнь. Ключевой характеристикой автономного дома является использование технологий зеленой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, а также создания устойчивой, качественной, комфортной среды обитания. В области архитектуры «автономия» имеет два значения: автономный контроль 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 человек может поддерживать самодостаточность в таких ресурсах, как пища, вода и энергия [6].

Хотя автономия и самодостаточность применяются к разным ситуациям в разных областях обучения и предметах, на самом деле они являются перекрывающимися понятиями, которые довольно трудно различить. В социологии самодостаточность используется для описания образа жизни людей, живущих на обочине общества [7].В области политики социального обеспечения программы самообеспечения призваны помочь малообеспеченным семьям достичь экономической независимости [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 сфере охраны окружающей среды автономия в последнее время стала ключевым принципом в технологиях «зеленой» энергетики и использования водных ресурсов [11–14]. В Нидерландах самодостаточность представляет собой концептуальную основу, включающую как технологическую, так и экологическую политику [15]. Использование экологически чистой энергии и бытовой техники являются необходимыми условиями комфортной жизни [16]. Тем не менее, проживание в автономном доме не означает, что жильцы должны вести жизнь кочевников или маргиналов общества.Вместо этого автономный дом использует альтернативную энергию и другие соответствующие технологии в соответствии с принципом автономии и тем самым снижает зависимость от ископаемого топлива и уменьшает выбросы углекислого газа, чтобы смягчить глобальное потепление, при этом обеспечивая высококачественную среду обитания.

Много противоречий все еще окружает стремление к автономии энергии и ресурсов. Согласно книге 2004 года « Why Globalization Works » экономиста Вольфа [17], сторонника рыночной экономики, атомизация глобальной экономики на самодостаточные регионы или отдельные лица приведет к обращению вспять и краху глобализации. это происходит с 1960-х годов, что приведет к атрофии цивилизации.Недавнее принятие Китаем защитной политики продовольственной самообеспеченности, направленной на обеспечение продовольственной безопасности, нанесло сильный удар по рыночной экономике. Тем не менее целенаправленное продвижение рыночной экономики также является крайне подозрительной стратегией. В это время международной нехватки продовольствия Япония, которая изначально обеспечивала себя рисом, фактически использовала рис для производства автомобильного топлива и разработала «автомобиль из рисового спирта». Но хотя это расширило применение и повысило ценность продовольственных культур, скептически настроенные японские исследователи считают, что это повысит цены на продовольствие и приведет к трудноразрешимой нехватке сырья [18]. Король Таиланда Пхумипон выступает за экономическую самодостаточность, подчеркивая региональное или индивидуальное стремление к автономии в области энергии и ресурсов. Помимо преимуществ самодостаточности и независимого управления, 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 экологии на экономические системы.Мир природы в конечном счете поддерживает экономические системы человека. Эксплуатация человеком природной среды за последние сорок-пятьдесят лет привела к большим разрушениям и, скорее всего, будет иметь необратимые последствия [20]. Такие вопросы, как автономия, следует ли стремиться к локализации или глобализации и следует ли отдавать предпочтение экономической самодостаточности или рыночной экономике, остаются весьма спорными. Наконец, очень сложной проблемой является то, как использовать архитектурный дизайн для сохранения автономии в отношении энергии и ресурсов.

Термин «автономный дом» впервые был предложен Александром Пайком, целью исследования которого была разработка системы обслуживания дома, которая могла бы снизить потребление местных ресурсов [21]. Вейл в 1975 году определил автономный дом как дом, который может функционировать независимо и не требует участия близлежащих объектов общественного обслуживания. Этот тип дома не нужно было подключать к таким услугам, как газ, вода, электричество или канализация; он использовал альтернативную энергию, такую ​​как солнечная энергия или энергия ветра, и мог очищать свои собственные сточные воды и сточные воды.Поэтому он не производил загрязнения и не тратил энергию впустую. Первый автономный дом в соответствии 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 нужд города. Конечно, в естественных экологических системах уже давно существует множество построенных структур, соответствующих принципу автономии. Например, в термитниках используются некоторые ключевые принципы пассивного проектирования.представлены четыре структуры, воплощающие принципы автономного проектирования, и обсуждаются их функция/размер, расположение, ключевые технологии, принципы проектирования и исследовательская значимость.

Таблица 1.

Анализ зданий на принципах автономности.

Pault Объем Область
70024 7,5 м 3 3 M 2
Bio-водородная палата 22,4 млн 3 20 м 2
0,33 м 3 0,5 м 2
Бак для хранения водорода 1. 68 м 3 1,5 млн
7,5 м 3 3 м 2
9 Hockerton House Project [24]

4

4

40022

4 Hockerton, Англия (пригород)

Имя

Пункт
курган [23] Автономный дом [22]
самодостаточный небоскреб [25]
Дизайнер / год Termites / Unknown Brenda и Robert Vale / 1993 Breenda и Robert Vale / 1998 Matthew Sparks / Planned
Функция Подземный дом Частный дом Аренда Сообщество Office Tower
Местоположение Африка Ноттингемшир, Англия (Центр города) Эр-Ой-Рияд, Дубай и Бахрейн (Море)
ключевые технологии и принципы дизайна Termite Насыпи имеют пассивную конструкцию, которая регулирует поток воздуха и экономит энергию. Насыпи дают термитам автономию: помимо обеспечения комфортной среды обитания, насыпи также способствуют росту грибов (которые утилизируют отходы термитов). Энергия получается из солнца и ветра; дождевая вода собирается для использования в качестве питьевой воды. Дом построен с использованием переработанных и местных материалов в максимально возможной степени. Энергоснабжение и водоснабжение, а также очистка сточных вод обеспечиваются системой с нулевым выбросом углекислого газа; Еда выращивается по технологии пермакультуры.Поселок состоит из пяти модульных одноэтажных засыпных. Модульная конструкция упрощает строительство домов и снижает затраты. Цилиндрическая форма башни обеспечивает минимальную площадь поверхности для воздействия солнечных лучей и, таким образом, снижает потребность в энергии для кондиционирования воздуха. На крыше есть ветряная турбина, солнечные батареи и аккумуляторы для аварийного использования. Солнечные батареи на море обеспечивают энергию водородом, извлеченным из морской воды. Энергия хранится в водородных топливных элементах для использования в ночное время.
Значение для 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. Строительство домов, планирование сообщества и ограничения по договору аренды формируют это кооперативное автономное сообщество. Использует современные экологически чистые 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 случаев, с макроскопической точки зрения, проектирование автономного дома включает в себя три области: устойчивую окружающую среду, архитектурный дизайн и применение энергии. ().Обращаясь к микро-точке зрения, соображения устойчивости и энергетических приложений включают (1) экологически чистые энергетические технологии (возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергетика (включая разность потенциалов и энергию приливов) и термоядерный синтез), (2) видение и цели, (3) факторы выбора зеленой энергии и оценка осуществимости. Что касается применения энергии и архитектурного дизайна, элементы включают (1) цикл самообеспечения, (2) преобразование и форму энергии (включая преобразование и расчет энергии и работы, соответствие между входами и выходами и методами обработки), (3) поддержка здания система и (4) оценка осуществимости. Архитектурный дизайн и соображения устойчивости включают (1) автономную среду (расположение дома, планировка 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.

Микроэлементы в автономных домах.

4. Моделирование и эмпирические исследования

4.1. Видение и цели

Автономный дом на основе биоводородной энергии предполагает, что в течение десяти лет технология водородной энергии достигнет уровня зрелости, позволяющего использовать его во многих сферах повседневной жизни.Когда это время придет, каждая семья сможет установить «танк для брожения, вырабатывающий водород», похожий на септик, и водородные топливные элементы размером с кондиционеры, устанавливаемые на окнах. Если проектная цель по выработке водородной электроэнергии, удовлетворяющей среднюю потребность домохозяйства в 3 кВт, может быть достигнута, на каждые 200 000 домохозяйств потребуется на одну тепловую электростанцию ​​(т. е. выработка в среднем 600 МВт). Бытовые распределенные электрические системы могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций и тем самым достичь целей энергосбережения, сокращения выбросов углерода и энергетической автономии.

4.2. Технология «зеленой» энергии и биоводородная энергия

Принимая во внимание стремление к автономному производству и потреблению электроэнергии в домашних хозяйствах, какая форма альтернативной энергии наиболее подходит в качестве основного источника энергии для домашнего хозяйства? Этот вопрос давно волнует энергетиков и экономистов. Согласно рекомендации исследовательской группы по применению биоводородной энергии Университета Фэн Чиа, система с наибольшим коммерческим потенциалом представляет собой «биоводородную систему производства электроэнергии в режиме реального времени», состоящую из установки для производства водорода темной ферментации (анаэробный биореактор с непрерывным перемешиванием, CSABR) и топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC). Этот тип системы может генерировать возобновляемую энергию, а также перерабатывать городские отходы и сточные воды. Факторы оценки зеленой энергии включают в себя такие объективные условия, как наличие сырья, климатические факторы, ограничения по местонахождению, пороговые значения технологии производства и себестоимость единицы продукции. Для сравнения, хотя солнечную и ветровую энергию легко получить, они сильно зависят от климата и относительно ненадежны. На гидроэнергетику распространяются ограничения по местоположению, а ядерная энергетика имеет гораздо более высокий технологический порог, чем могут выдержать обычные домохозяйства.С точки зрения автономии бытовой энергии производство водорода из биомассы и выработка электроэнергии предлагает преимущества легкодоступного сырья, свободы от климатических воздействий, стабильной выходной мощности, отсутствия ограничений по месту и относительно низкого порога 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 домашним хозяйством. 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 ежегодно производит шесть миллионов тонн органических отходов, которые можно использовать в качестве сырья для производства энергии из биомассы.

4.3. Цикл самодостаточности

Чтобы соответствовать принципам самодостаточности энергии, автономный дом на основе биоводорода должен завершить цикл самодостаточности, включающий производство, хранение, распределение энергии, приложения нагрузки, переработку, утилизацию и повторное использование. .Под средой жизнеобеспечения понимается экосистема в биосфере Земли, способная удовлетворить физиологические потребности живых организмов. Экономические системы должны получать функции жизнеобеспечения от природной среды и иначе не могут выжить. Основная тема концепции устойчивого развития заключается в том, что последствия деятельности человека должны быть подчинены определенным ограничениям, чтобы не разрушить разнообразие, сложность и функции экологических систем жизнеобеспечения [26]. Как следствие, эффективно функционирующая автономная система, основанная на человеческом обществе, должна интегрировать экологические и экономические аспекты, если она хочет реализовать идеалы устойчивого развития.показывает, что мировые ресурсы и энергия будут быстро исчерпаны из-за действия энтропии в рыночной экономике, делающей упор только на процесс, охватывающий только сырье, производство и потребление продукции [27]. показывает, как устойчивое развитие должно объединять экологию и экономику, делает упор на переработку и повторное использование после потребления и опирается на цикл самодостаточности для снижения потребления энергии и замедления энтропии.

Автономный цикл.

4.4. Система поддержки здания

В соответствии с циклом самообеспечения энергией здание можно рассматривать как средство преобразования массы в энергию, и оно должно иметь цикл, состоящий из производства, хранения, управления распределением, приложениями нагрузки, рециркуляцией, утилизацией и повторным использованием. .Здание также должно иметь систему обеспечения, включающую: (1) камеру производства биоводорода, (2) резервуар для хранения водорода, (3) установку 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 энергии, вырабатываемой зданием, может превышать его потребление и может быть предоставлено другим местным пользователям, то может быть добавлено подключение к сети общего электроснабжения ().Камера производства биологического водорода состоит из пяти основных компонентов: (а) резервуара для субстрата, (б) резервуара для питательной соли, (в) резервуара для производства водорода, (г) резервуара для разделения газа и жидкости и (д) устройства для очистки водорода. Система производства энергии в режиме реального времени на основе биоводорода включает в себя производство водорода, хранение водорода, подачу водорода и процессы использования водорода ().

Биоводородная система производства электроэнергии в режиме реального времени.

4.5. Технико-экономическая оценка

В этом разделе делается попытка вывести на основе проектной цели производства биоводородной энергии для удовлетворения средней потребности домохозяйства в 3 кВт, какое вспомогательное оборудование потребуется, объемы помещений, площади и планировку, а также план-схему. здания.Эта информация послужит ориентиром для проектирования односемейных автономных домов.

По данным Taiwan Power Co. [28], статистика за последние пять лет свидетельствует о том, что домохозяйству требуется 3–4 кВт установленной мощности. По словам Лина [29], 3,2-метровый 3 бродильный резервуар для производства водорода может удовлетворить потребности в электроэнергии обычной семьи. Однако если в качестве сырья выбрана биомасса, такие переменные, как методы обработки и конверсии, а также факторы окружающей среды (температура, влажность, давление и т.) повлияет на скорость производства водорода и плотность водорода. Установка резервуара для хранения водорода может решить проблемы, связанные с переменной производительностью. Избыток водорода можно хранить и использовать в то время, когда его количество недостаточно. Согласно системе производства электроэнергии в реальном времени на основе биоводорода, разработанной Университетом Фэн-Чиа, в течение 300 дней использования каждый литр резервуара для производства биоводорода 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 нулю.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). Таким образом, можно консервативно подсчитать, что бродильный резервуар для производства водорода объемом 3222 л (≈3,2 м 3 ) потребуется для размещения средней нагрузки домохозяйства в 3 кВт ((3000/0,87) ÷ (1,15–0,08) = 3,222 л ≈ 3,2 м 3 ). Это примерно размер обычного коммерческого септика (2–3 м 3 ). Взяв в качестве примера экспериментальную установку по производству биоводорода Университета Фэн Чиа (), пять основных компонентов камеры для производства биоводорода (резервуар для субстрата, резервуар для питательной соли, резервуар для брожения для производства водорода, резервуар для разделения газа и жидкости и устройство для очистки водорода) имеют объемные соотношения 2:2:1:1:1.Как следствие, камера для производства биоводорода будет иметь общий объем, в семь раз превышающий объем ферментационного резервуара для производства водорода, то есть 22,4 м 3 . Предполагая обычный дом с вертикальным просветом 2,5 м, потребуется примерно 15 м 2 площади оборудования (при условии, что резервуар имеет высоту 1,5 м). Если проходы и другое оборудование занимают одну четвертую часть помещения для производства биоводорода, то 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 достаточное количество водорода в течение трех дней. Поскольку среднее домашнее хозяйство на Тайване использует примерно 3 × 320 ÷ 30 = 32 кВтч каждые три дня, а для топливного элемента мощностью 3 кВт требуется 36 л водорода в минуту, следовательно, 36 л водорода могут генерировать 0,05 кВтч. Таким образом, на три дня потребуется примерно 32 ÷ 0,05 = 640 л водорода. Коммерческий резервуар для хранения водорода объемом примерно 1.Таким образом, в этом приложении можно использовать 68 м 3 (http://www.hbank.com.tw/fc_products_pr_05.htm). По фактическим данным Исследовательского центра энергетики и ресурсов FCU, при рабочем объеме 3 л и HRT 8 ч концентрация кормовой матрицы составит 20 г ХПК/л, а система будет вырабатывать 0,87 Вт электрической мощности. . Кроме того, поскольку 20 г ХПК/л = 17,8 г сахарозы/л (фактические данные), для образования 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/ч потребуется для производства 3 кВт (6,675 г сахарозы/ч x 3000/0,87 = 23 017 г сахарозы/ч). По данным Taiwan Power Corp., среднесуточное потребление электроэнергии домохозяйством составляет 10 кВтч, поэтому система должна работать в течение 3,3 ч ежедневно, чтобы обеспечить ежедневную электрическую нагрузку домохозяйства в 3 кВт (10 кВтч/3 кВт). Таким образом, на одно домашнее хозяйство потребуется 75 956 г сахарозы в день (23 017 г сахарозы/ч × 3,3 ч/день = 75 956 г сахарозы/день).

Экспериментальная установка по производству биоводорода (слева, внутри; справа, снаружи).

дает размеры объемов и площадей помещения для хранения сырья биомассы, помещения для производства биоводорода, топливных элементов, резервуара для хранения водорода и диспетчерской, а также модель. показывает схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени в качестве эталона для проектирования автономных домов на одну семью.

Схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени.

Таблица 2.

Оценки функциональных зон и модель исследования.

9

9 Топливные клетки

2

9

2

4,6. Автономное управление

В соответствии с принципами энергетической автономии проект дома, ориентированный на потребности пользователей, должен, помимо соблюдения принципов пассивной планировки здания и проектирования, 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.

В этом проекте автономный дом будет использовать тепловую вентиляцию с использованием лестницы в качестве вентиляционной башни. Из-за эффекта тепловой плавучести горячий воздух обычно поступает в вентиляционную башню по лестнице и выходит из верхней части градирни под действием воздушного потока. Однако, когда внешнее давление больше, чем давление внутри помещения, в системе вентиляции с термическим 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 вентиляционная башня имеет отрицательное давление по сравнению с воздухом снаружи, можно включить вентиляционный вентилятор в верхней части башни или угол наклона воздуха Клапан расхода отрегулирован, чтобы обеспечить положительное давление внутри градирни по сравнению с наружным воздухом, и горячий воздух сможет легко выйти.Из-за этого в автономном доме будет использоваться активное устройство для обеспечения оптимальной производительности вентиляции пассивной тепловой плавучей вентиляционной башни () [30].

Проект поплавковой вентиляционной башни (чертеж Чен Ниен-Цзы).

5. Рекомендации и выводы

В исследовании представлен план возможного автономного дома на основе водородной энергии, который не будет загрязнять окружающую среду и не будет тратить энергию впустую. Предложения для будущих исследований следующие:

(1) Независимая модель производства и использования электроэнергии в жилых районах островного типа:

Это исследование было сосредоточено на развитии автономных городских жилых домов, подключенных к общественной системе электроснабжения, и мы надеемся, что домашние хозяйства Распределенные электрические системы на основе могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций.Тем не менее, дома, расположенные в отдаленных пригородах и местах, где общественное электричество недоступно, еще больше нуждаются в автономных энергетических системах. Тем не менее, дальнейшие исследования должны изучить, как поддерживать стабильность и производительность выработки энергии, прямого использования, хранения и подачи для использования. Исследования также могут быть сосредоточены на модификации бытовых генерирующих систем для обеспечения электроэнергией переменного тока и изучении моделей использования и распределения, а также бытовых приборов и оборудования, подходящих для электроснабжения 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, гидроэнергетика и геотермальная энергия и т. д.). .). Поэтому дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на стабильном использовании нескольких источников энергии и различных типов тока, которые они производят (переменного или постоянного тока). Потребуются более эффективные платформы управления энергопотреблением, чтобы избежать ненужных потерь при преобразовании энергии.

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

В соответствии с широким определением экосистемы города можно рассматривать как часть экосистемы. Дальнейшие исследования могут изучить метаболизм материи, преобразование энергии, круговорот воды и денежные потоки в городском производстве и потреблении, а также исследовать динамические механизмы, функциональные принципы и экономические и экологические выгоды, пространственные структуры и правила управления городских систем.

(4) Обработка сточных вод и химическая потребность в кислороде (ХПК) при использовании биомассы для производства водорода:

Поскольку генератор водорода на биомассе в Университете Фэн Чиа производит лишь небольшое количество сточных вод, эти сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами кампуса. и сбрасывается непосредственно в канализацию сточных вод кампуса; он направляется в пруд для очистки сточных вод университета, а затем сбрасывается в городскую канализационную систему. Однако необходимо будет создать очистные сооружения на уровне общины, когда в будущем станут обычными заводы по производству водорода из биомассы.Такие объекты должны снизить ХПК сточных вод от производства водорода настолько, чтобы соответствовать стандартам выбросов, прежде чем воду можно будет сбрасывать в городские системы сточных вод. Сотрудничество с инженерами по охране окружающей среды будет необходимо для интеграции соответствующих мер по борьбе с загрязнением.

Это исследование рассматривает автономный дом на основе биоводородной энергии как ключевую жилищную технологию следующего поколения. Это имеет два последствия: 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 осуществлять автономное управление окружающей средой. Что касается применения и повторного использования энергии и ресурсов, автономный дом такого типа может гармонизировать дизайн пассивного энергосбережения с энергетическими потребностями активных устройств, отвечающих потребности в комфортной среде.

Самодостаточный подход к энергетике на основе биоводорода

Abstract

В связи с парниковым эффектом и глобальным энергетическим кризисом 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) автономное управление энергией 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 темного брожения, топливные элементы с протонообменной мембраной, пассивная конструкция, активное оборудование, технология «зеленой» энергии

20-го века привели к изобретению многих видов энергоемкого активного оборудования и бытовой техники. Из-за растущего осознания уязвимости экологической среды Земли защитники окружающей среды с конца 20 века продвигают энергосберегающий пассивный дизайн.После парникового эффекта и глобального энергетического кризиса на заре 21 века мир столкнулся с противоречием между энергосберегающим устойчивым пассивным проектированием и энергоемким активным проектированием, отвечающим потребности в комфорте.

Это привело к новой парадигме интеллектуального использования энергии. Сообщества и жилые дома должны использовать новые методы, такие как датчики, аккумуляторные батареи и преобразователи энергии, для улучшения домашней среды [1]. Это исследование выступает за разработку «автономного дома на основе биоводородной энергии», использующего альтернативную энергию в сочетании с датчиками окружающей среды, вычислительными технологиями и активными архитектурными элементами, чтобы улучшить некоторые недостатки производительности пассивных домов.

2. Ретроспектива литературы

«Автономный дом» определяется как дом, который может функционировать независимо от поддержки и услуг общественных объектов [2]. Однако движение за автономные дома не требует от пользователей вести уединенную, скупую жизнь. Ключевой характеристикой автономного дома является использование технологий зеленой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, а также создания устойчивой, качественной, комфортной среды обитания. В области архитектуры «автономия» имеет два значения: автономный контроль 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 человек может поддерживать самодостаточность в таких ресурсах, как пища, вода и энергия [6].

Хотя автономия и самодостаточность применяются к разным ситуациям в разных областях обучения и предметах, на самом деле они являются перекрывающимися понятиями, которые довольно трудно различить. В социологии самодостаточность используется для описания образа жизни людей, живущих на обочине общества [7].В области политики социального обеспечения программы самообеспечения призваны помочь малообеспеченным семьям достичь экономической независимости [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 сфере охраны окружающей среды автономия в последнее время стала ключевым принципом в технологиях «зеленой» энергетики и использования водных ресурсов [11–14]. В Нидерландах самодостаточность представляет собой концептуальную основу, включающую как технологическую, так и экологическую политику [15]. Использование экологически чистой энергии и бытовой техники являются необходимыми условиями комфортной жизни [16]. Тем не менее, проживание в автономном доме не означает, что жильцы должны вести жизнь кочевников или маргиналов общества.Вместо этого автономный дом использует альтернативную энергию и другие соответствующие технологии в соответствии с принципом автономии и тем самым снижает зависимость от ископаемого топлива и уменьшает выбросы углекислого газа, чтобы смягчить глобальное потепление, при этом обеспечивая высококачественную среду обитания.

Много противоречий все еще окружает стремление к автономии энергии и ресурсов. Согласно книге 2004 года « Why Globalization Works » экономиста Вольфа [17], сторонника рыночной экономики, атомизация глобальной экономики на самодостаточные регионы или отдельные лица приведет к обращению вспять и краху глобализации. это происходит с 1960-х годов, что приведет к атрофии цивилизации.Недавнее принятие Китаем защитной политики продовольственной самообеспеченности, направленной на обеспечение продовольственной безопасности, нанесло сильный удар по рыночной экономике. Тем не менее целенаправленное продвижение рыночной экономики также является крайне подозрительной стратегией. В это время международной нехватки продовольствия Япония, которая изначально обеспечивала себя рисом, фактически использовала рис для производства автомобильного топлива и разработала «автомобиль из рисового спирта». Но хотя это расширило применение и повысило ценность продовольственных культур, скептически настроенные японские исследователи считают, что это повысит цены на продовольствие и приведет к трудноразрешимой нехватке сырья [18]. Король Таиланда Пхумипон выступает за экономическую самодостаточность, подчеркивая региональное или индивидуальное стремление к автономии в области энергии и ресурсов. Помимо преимуществ самодостаточности и независимого управления, 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 экологии на экономические системы.Мир природы в конечном счете поддерживает экономические системы человека. Эксплуатация человеком природной среды за последние сорок-пятьдесят лет привела к большим разрушениям и, скорее всего, будет иметь необратимые последствия [20]. Такие вопросы, как автономия, следует ли стремиться к локализации или глобализации и следует ли отдавать предпочтение экономической самодостаточности или рыночной экономике, остаются весьма спорными. Наконец, очень сложной проблемой является то, как использовать архитектурный дизайн для сохранения автономии в отношении энергии и ресурсов.

Термин «автономный дом» впервые был предложен Александром Пайком, целью исследования которого была разработка системы обслуживания дома, которая могла бы снизить потребление местных ресурсов [21]. Вейл в 1975 году определил автономный дом как дом, который может функционировать независимо и не требует участия близлежащих объектов общественного обслуживания. Этот тип дома не нужно было подключать к таким услугам, как газ, вода, электричество или канализация; он использовал альтернативную энергию, такую ​​как солнечная энергия или энергия ветра, и мог очищать свои собственные сточные воды и сточные воды.Поэтому он не производил загрязнения и не тратил энергию впустую. Первый автономный дом в соответствии 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 нужд города. Конечно, в естественных экологических системах уже давно существует множество построенных структур, соответствующих принципу автономии. Например, в термитниках используются некоторые ключевые принципы пассивного проектирования.представлены четыре структуры, воплощающие принципы автономного проектирования, и обсуждаются их функция/размер, расположение, ключевые технологии, принципы проектирования и исследовательская значимость.

Таблица 1.

Анализ зданий на принципах автономности.

Pault Объем Область
70024 7,5 м 3 3 M 2
Bio-водородная палата 22,4 млн 3 20 м 2
0,33 м 3 0,5 м 2
Бак для хранения водорода 1. 68 м 3 1,5 млн
7,5 м 3 3 м 2
9 Hockerton House Project [24]

4

4

40022

4 Hockerton, Англия (пригород)

Имя

Пункт
курган [23] Автономный дом [22]
самодостаточный небоскреб [25]
Дизайнер / год Termites / Unknown Brenda и Robert Vale / 1993 Breenda и Robert Vale / 1998 Matthew Sparks / Planned
Функция Подземный дом Частный дом Аренда Сообщество Office Tower
Местоположение Африка Ноттингемшир, Англия (Центр города) Эр-Ой-Рияд, Дубай и Бахрейн (Море)
ключевые технологии и принципы дизайна Termite Насыпи имеют пассивную конструкцию, которая регулирует поток воздуха и экономит энергию. Насыпи дают термитам автономию: помимо обеспечения комфортной среды обитания, насыпи также способствуют росту грибов (которые утилизируют отходы термитов). Энергия получается из солнца и ветра; дождевая вода собирается для использования в качестве питьевой воды. Дом построен с использованием переработанных и местных материалов в максимально возможной степени. Энергоснабжение и водоснабжение, а также очистка сточных вод обеспечиваются системой с нулевым выбросом углекислого газа; Еда выращивается по технологии пермакультуры.Поселок состоит из пяти модульных одноэтажных засыпных. Модульная конструкция упрощает строительство домов и снижает затраты. Цилиндрическая форма башни обеспечивает минимальную площадь поверхности для воздействия солнечных лучей и, таким образом, снижает потребность в энергии для кондиционирования воздуха. На крыше есть ветряная турбина, солнечные батареи и аккумуляторы для аварийного использования. Солнечные батареи на море обеспечивают энергию водородом, извлеченным из морской воды. Энергия хранится в водородных топливных элементах для использования в ночное время.
Значение для 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. Строительство домов, планирование сообщества и ограничения по договору аренды формируют это кооперативное автономное сообщество. Использует современные экологически чистые 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 случаев, с макроскопической точки зрения, проектирование автономного дома включает в себя три области: устойчивую окружающую среду, архитектурный дизайн и применение энергии. ().Обращаясь к микро-точке зрения, соображения устойчивости и энергетических приложений включают (1) экологически чистые энергетические технологии (возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергетика (включая разность потенциалов и энергию приливов) и термоядерный синтез), (2) видение и цели, (3) факторы выбора зеленой энергии и оценка осуществимости. Что касается применения энергии и архитектурного дизайна, элементы включают (1) цикл самообеспечения, (2) преобразование и форму энергии (включая преобразование и расчет энергии и работы, соответствие между входами и выходами и методами обработки), (3) поддержка здания система и (4) оценка осуществимости. Архитектурный дизайн и соображения устойчивости включают (1) автономную среду (расположение дома, планировка 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.

Микроэлементы в автономных домах.

4. Моделирование и эмпирические исследования

4.1. Видение и цели

Автономный дом на основе биоводородной энергии предполагает, что в течение десяти лет технология водородной энергии достигнет уровня зрелости, позволяющего использовать его во многих сферах повседневной жизни.Когда это время придет, каждая семья сможет установить «танк для брожения, вырабатывающий водород», похожий на септик, и водородные топливные элементы размером с кондиционеры, устанавливаемые на окнах. Если проектная цель по выработке водородной электроэнергии, удовлетворяющей среднюю потребность домохозяйства в 3 кВт, может быть достигнута, на каждые 200 000 домохозяйств потребуется на одну тепловую электростанцию ​​(т. е. выработка в среднем 600 МВт). Бытовые распределенные электрические системы могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций и тем самым достичь целей энергосбережения, сокращения выбросов углерода и энергетической автономии.

4.2. Технология «зеленой» энергии и биоводородная энергия

Принимая во внимание стремление к автономному производству и потреблению электроэнергии в домашних хозяйствах, какая форма альтернативной энергии наиболее подходит в качестве основного источника энергии для домашнего хозяйства? Этот вопрос давно волнует энергетиков и экономистов. Согласно рекомендации исследовательской группы по применению биоводородной энергии Университета Фэн Чиа, система с наибольшим коммерческим потенциалом представляет собой «биоводородную систему производства электроэнергии в режиме реального времени», состоящую из установки для производства водорода темной ферментации (анаэробный биореактор с непрерывным перемешиванием, CSABR) и топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC). Этот тип системы может генерировать возобновляемую энергию, а также перерабатывать городские отходы и сточные воды. Факторы оценки зеленой энергии включают в себя такие объективные условия, как наличие сырья, климатические факторы, ограничения по местонахождению, пороговые значения технологии производства и себестоимость единицы продукции. Для сравнения, хотя солнечную и ветровую энергию легко получить, они сильно зависят от климата и относительно ненадежны. На гидроэнергетику распространяются ограничения по местоположению, а ядерная энергетика имеет гораздо более высокий технологический порог, чем могут выдержать обычные домохозяйства.С точки зрения автономии бытовой энергии производство водорода из биомассы и выработка электроэнергии предлагает преимущества легкодоступного сырья, свободы от климатических воздействий, стабильной выходной мощности, отсутствия ограничений по месту и относительно низкого порога 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 домашним хозяйством. 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 ежегодно производит шесть миллионов тонн органических отходов, которые можно использовать в качестве сырья для производства энергии из биомассы.

4.3. Цикл самодостаточности

Чтобы соответствовать принципам самодостаточности энергии, автономный дом на основе биоводорода должен завершить цикл самодостаточности, включающий производство, хранение, распределение энергии, приложения нагрузки, переработку, утилизацию и повторное использование. .Под средой жизнеобеспечения понимается экосистема в биосфере Земли, способная удовлетворить физиологические потребности живых организмов. Экономические системы должны получать функции жизнеобеспечения от природной среды и иначе не могут выжить. Основная тема концепции устойчивого развития заключается в том, что последствия деятельности человека должны быть подчинены определенным ограничениям, чтобы не разрушить разнообразие, сложность и функции экологических систем жизнеобеспечения [26]. Как следствие, эффективно функционирующая автономная система, основанная на человеческом обществе, должна интегрировать экологические и экономические аспекты, если она хочет реализовать идеалы устойчивого развития.показывает, что мировые ресурсы и энергия будут быстро исчерпаны из-за действия энтропии в рыночной экономике, делающей упор только на процесс, охватывающий только сырье, производство и потребление продукции [27]. показывает, как устойчивое развитие должно объединять экологию и экономику, делает упор на переработку и повторное использование после потребления и опирается на цикл самодостаточности для снижения потребления энергии и замедления энтропии.

Автономный цикл.

4.4. Система поддержки здания

В соответствии с циклом самообеспечения энергией здание можно рассматривать как средство преобразования массы в энергию, и оно должно иметь цикл, состоящий из производства, хранения, управления распределением, приложениями нагрузки, рециркуляцией, утилизацией и повторным использованием. .Здание также должно иметь систему обеспечения, включающую: (1) камеру производства биоводорода, (2) резервуар для хранения водорода, (3) установку 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 энергии, вырабатываемой зданием, может превышать его потребление и может быть предоставлено другим местным пользователям, то может быть добавлено подключение к сети общего электроснабжения ().Камера производства биологического водорода состоит из пяти основных компонентов: (а) резервуара для субстрата, (б) резервуара для питательной соли, (в) резервуара для производства водорода, (г) резервуара для разделения газа и жидкости и (д) устройства для очистки водорода. Система производства энергии в режиме реального времени на основе биоводорода включает в себя производство водорода, хранение водорода, подачу водорода и процессы использования водорода ().

Биоводородная система производства электроэнергии в режиме реального времени.

4.5. Технико-экономическая оценка

В этом разделе делается попытка вывести на основе проектной цели производства биоводородной энергии для удовлетворения средней потребности домохозяйства в 3 кВт, какое вспомогательное оборудование потребуется, объемы помещений, площади и планировку, а также план-схему. здания.Эта информация послужит ориентиром для проектирования односемейных автономных домов.

По данным Taiwan Power Co. [28], статистика за последние пять лет свидетельствует о том, что домохозяйству требуется 3–4 кВт установленной мощности. По словам Лина [29], 3,2-метровый 3 бродильный резервуар для производства водорода может удовлетворить потребности в электроэнергии обычной семьи. Однако если в качестве сырья выбрана биомасса, такие переменные, как методы обработки и конверсии, а также факторы окружающей среды (температура, влажность, давление и т.) повлияет на скорость производства водорода и плотность водорода. Установка резервуара для хранения водорода может решить проблемы, связанные с переменной производительностью. Избыток водорода можно хранить и использовать в то время, когда его количество недостаточно. Согласно системе производства электроэнергии в реальном времени на основе биоводорода, разработанной Университетом Фэн-Чиа, в течение 300 дней использования каждый литр резервуара для производства биоводорода 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 нулю.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). Таким образом, можно консервативно подсчитать, что бродильный резервуар для производства водорода объемом 3222 л (≈3,2 м 3 ) потребуется для размещения средней нагрузки домохозяйства в 3 кВт ((3000/0,87) ÷ (1,15–0,08) = 3,222 л ≈ 3,2 м 3 ). Это примерно размер обычного коммерческого септика (2–3 м 3 ). Взяв в качестве примера экспериментальную установку по производству биоводорода Университета Фэн Чиа (), пять основных компонентов камеры для производства биоводорода (резервуар для субстрата, резервуар для питательной соли, резервуар для брожения для производства водорода, резервуар для разделения газа и жидкости и устройство для очистки водорода) имеют объемные соотношения 2:2:1:1:1.Как следствие, камера для производства биоводорода будет иметь общий объем, в семь раз превышающий объем ферментационного резервуара для производства водорода, то есть 22,4 м 3 . Предполагая обычный дом с вертикальным просветом 2,5 м, потребуется примерно 15 м 2 площади оборудования (при условии, что резервуар имеет высоту 1,5 м). Если проходы и другое оборудование занимают одну четвертую часть помещения для производства биоводорода, то 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 достаточное количество водорода в течение трех дней. Поскольку среднее домашнее хозяйство на Тайване использует примерно 3 × 320 ÷ 30 = 32 кВтч каждые три дня, а для топливного элемента мощностью 3 кВт требуется 36 л водорода в минуту, следовательно, 36 л водорода могут генерировать 0,05 кВтч. Таким образом, на три дня потребуется примерно 32 ÷ 0,05 = 640 л водорода. Коммерческий резервуар для хранения водорода объемом примерно 1.Таким образом, в этом приложении можно использовать 68 м 3 (http://www.hbank.com.tw/fc_products_pr_05.htm). По фактическим данным Исследовательского центра энергетики и ресурсов FCU, при рабочем объеме 3 л и HRT 8 ч концентрация кормовой матрицы составит 20 г ХПК/л, а система будет вырабатывать 0,87 Вт электрической мощности. . Кроме того, поскольку 20 г ХПК/л = 17,8 г сахарозы/л (фактические данные), для образования 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/ч потребуется для производства 3 кВт (6,675 г сахарозы/ч x 3000/0,87 = 23 017 г сахарозы/ч). По данным Taiwan Power Corp., среднесуточное потребление электроэнергии домохозяйством составляет 10 кВтч, поэтому система должна работать в течение 3,3 ч ежедневно, чтобы обеспечить ежедневную электрическую нагрузку домохозяйства в 3 кВт (10 кВтч/3 кВт). Таким образом, на одно домашнее хозяйство потребуется 75 956 г сахарозы в день (23 017 г сахарозы/ч × 3,3 ч/день = 75 956 г сахарозы/день).

Экспериментальная установка по производству биоводорода (слева, внутри; справа, снаружи).

дает размеры объемов и площадей помещения для хранения сырья биомассы, помещения для производства биоводорода, топливных элементов, резервуара для хранения водорода и диспетчерской, а также модель. показывает схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени в качестве эталона для проектирования автономных домов на одну семью.

Схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени.

Таблица 2.

Оценки функциональных зон и модель исследования.

9

9 Топливные клетки

2

9

2

4,6. Автономное управление

В соответствии с принципами энергетической автономии проект дома, ориентированный на потребности пользователей, должен, помимо соблюдения принципов пассивной планировки здания и проектирования, 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.

В этом проекте автономный дом будет использовать тепловую вентиляцию с использованием лестницы в качестве вентиляционной башни. Из-за эффекта тепловой плавучести горячий воздух обычно поступает в вентиляционную башню по лестнице и выходит из верхней части градирни под действием воздушного потока. Однако, когда внешнее давление больше, чем давление внутри помещения, в системе вентиляции с термическим 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 вентиляционная башня имеет отрицательное давление по сравнению с воздухом снаружи, можно включить вентиляционный вентилятор в верхней части башни или угол наклона воздуха Клапан расхода отрегулирован, чтобы обеспечить положительное давление внутри градирни по сравнению с наружным воздухом, и горячий воздух сможет легко выйти.Из-за этого в автономном доме будет использоваться активное устройство для обеспечения оптимальной производительности вентиляции пассивной тепловой плавучей вентиляционной башни () [30].

Проект поплавковой вентиляционной башни (чертеж Чен Ниен-Цзы).

5. Рекомендации и выводы

В исследовании представлен план возможного автономного дома на основе водородной энергии, который не будет загрязнять окружающую среду и не будет тратить энергию впустую. Предложения для будущих исследований следующие:

(1) Независимая модель производства и использования электроэнергии в жилых районах островного типа:

Это исследование было сосредоточено на развитии автономных городских жилых домов, подключенных к общественной системе электроснабжения, и мы надеемся, что домашние хозяйства Распределенные электрические системы на основе могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций.Тем не менее, дома, расположенные в отдаленных пригородах и местах, где общественное электричество недоступно, еще больше нуждаются в автономных энергетических системах. Тем не менее, дальнейшие исследования должны изучить, как поддерживать стабильность и производительность выработки энергии, прямого использования, хранения и подачи для использования. Исследования также могут быть сосредоточены на модификации бытовых генерирующих систем для обеспечения электроэнергией переменного тока и изучении моделей использования и распределения, а также бытовых приборов и оборудования, подходящих для электроснабжения 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, гидроэнергетика и геотермальная энергия и т. д.). .). Поэтому дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на стабильном использовании нескольких источников энергии и различных типов тока, которые они производят (переменного или постоянного тока). Потребуются более эффективные платформы управления энергопотреблением, чтобы избежать ненужных потерь при преобразовании энергии.

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

В соответствии с широким определением экосистемы города можно рассматривать как часть экосистемы. Дальнейшие исследования могут изучить метаболизм материи, преобразование энергии, круговорот воды и денежные потоки в городском производстве и потреблении, а также исследовать динамические механизмы, функциональные принципы и экономические и экологические выгоды, пространственные структуры и правила управления городских систем.

(4) Обработка сточных вод и химическая потребность в кислороде (ХПК) при использовании биомассы для производства водорода:

Поскольку генератор водорода на биомассе в Университете Фэн Чиа производит лишь небольшое количество сточных вод, эти сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами кампуса. и сбрасывается непосредственно в канализацию сточных вод кампуса; он направляется в пруд для очистки сточных вод университета, а затем сбрасывается в городскую канализационную систему. Однако необходимо будет создать очистные сооружения на уровне общины, когда в будущем станут обычными заводы по производству водорода из биомассы.Такие объекты должны снизить ХПК сточных вод от производства водорода настолько, чтобы соответствовать стандартам выбросов, прежде чем воду можно будет сбрасывать в городские системы сточных вод. Сотрудничество с инженерами по охране окружающей среды будет необходимо для интеграции соответствующих мер по борьбе с загрязнением.

Это исследование рассматривает автономный дом на основе биоводородной энергии как ключевую жилищную технологию следующего поколения. Это имеет два последствия: 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 осуществлять автономное управление окружающей средой. Что касается применения и повторного использования энергии и ресурсов, автономный дом такого типа может гармонизировать дизайн пассивного энергосбережения с энергетическими потребностями активных устройств, отвечающих потребности в комфортной среде.

Самодостаточный подход к энергетике на основе биоводорода

Abstract

В связи с парниковым эффектом и глобальным энергетическим кризисом 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) автономное управление энергией 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 темного брожения, топливные элементы с протонообменной мембраной, пассивная конструкция, активное оборудование, технология «зеленой» энергии

20-го века привели к изобретению многих видов энергоемкого активного оборудования и бытовой техники. Из-за растущего осознания уязвимости экологической среды Земли защитники окружающей среды с конца 20 века продвигают энергосберегающий пассивный дизайн.После парникового эффекта и глобального энергетического кризиса на заре 21 века мир столкнулся с противоречием между энергосберегающим устойчивым пассивным проектированием и энергоемким активным проектированием, отвечающим потребности в комфорте.

Это привело к новой парадигме интеллектуального использования энергии. Сообщества и жилые дома должны использовать новые методы, такие как датчики, аккумуляторные батареи и преобразователи энергии, для улучшения домашней среды [1]. Это исследование выступает за разработку «автономного дома на основе биоводородной энергии», использующего альтернативную энергию в сочетании с датчиками окружающей среды, вычислительными технологиями и активными архитектурными элементами, чтобы улучшить некоторые недостатки производительности пассивных домов.

2. Ретроспектива литературы

«Автономный дом» определяется как дом, который может функционировать независимо от поддержки и услуг общественных объектов [2]. Однако движение за автономные дома не требует от пользователей вести уединенную, скупую жизнь. Ключевой характеристикой автономного дома является использование технологий зеленой энергии для снижения нагрузки на окружающую среду, а также создания устойчивой, качественной, комфортной среды обитания. В области архитектуры «автономия» имеет два значения: автономный контроль 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 человек может поддерживать самодостаточность в таких ресурсах, как пища, вода и энергия [6].

Хотя автономия и самодостаточность применяются к разным ситуациям в разных областях обучения и предметах, на самом деле они являются перекрывающимися понятиями, которые довольно трудно различить. В социологии самодостаточность используется для описания образа жизни людей, живущих на обочине общества [7].В области политики социального обеспечения программы самообеспечения призваны помочь малообеспеченным семьям достичь экономической независимости [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 сфере охраны окружающей среды автономия в последнее время стала ключевым принципом в технологиях «зеленой» энергетики и использования водных ресурсов [11–14]. В Нидерландах самодостаточность представляет собой концептуальную основу, включающую как технологическую, так и экологическую политику [15]. Использование экологически чистой энергии и бытовой техники являются необходимыми условиями комфортной жизни [16]. Тем не менее, проживание в автономном доме не означает, что жильцы должны вести жизнь кочевников или маргиналов общества.Вместо этого автономный дом использует альтернативную энергию и другие соответствующие технологии в соответствии с принципом автономии и тем самым снижает зависимость от ископаемого топлива и уменьшает выбросы углекислого газа, чтобы смягчить глобальное потепление, при этом обеспечивая высококачественную среду обитания.

Много противоречий все еще окружает стремление к автономии энергии и ресурсов. Согласно книге 2004 года « Why Globalization Works » экономиста Вольфа [17], сторонника рыночной экономики, атомизация глобальной экономики на самодостаточные регионы или отдельные лица приведет к обращению вспять и краху глобализации. это происходит с 1960-х годов, что приведет к атрофии цивилизации.Недавнее принятие Китаем защитной политики продовольственной самообеспеченности, направленной на обеспечение продовольственной безопасности, нанесло сильный удар по рыночной экономике. Тем не менее целенаправленное продвижение рыночной экономики также является крайне подозрительной стратегией. В это время международной нехватки продовольствия Япония, которая изначально обеспечивала себя рисом, фактически использовала рис для производства автомобильного топлива и разработала «автомобиль из рисового спирта». Но хотя это расширило применение и повысило ценность продовольственных культур, скептически настроенные японские исследователи считают, что это повысит цены на продовольствие и приведет к трудноразрешимой нехватке сырья [18]. Король Таиланда Пхумипон выступает за экономическую самодостаточность, подчеркивая региональное или индивидуальное стремление к автономии в области энергии и ресурсов. Помимо преимуществ самодостаточности и независимого управления, 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 экологии на экономические системы.Мир природы в конечном счете поддерживает экономические системы человека. Эксплуатация человеком природной среды за последние сорок-пятьдесят лет привела к большим разрушениям и, скорее всего, будет иметь необратимые последствия [20]. Такие вопросы, как автономия, следует ли стремиться к локализации или глобализации и следует ли отдавать предпочтение экономической самодостаточности или рыночной экономике, остаются весьма спорными. Наконец, очень сложной проблемой является то, как использовать архитектурный дизайн для сохранения автономии в отношении энергии и ресурсов.

Термин «автономный дом» впервые был предложен Александром Пайком, целью исследования которого была разработка системы обслуживания дома, которая могла бы снизить потребление местных ресурсов [21]. Вейл в 1975 году определил автономный дом как дом, который может функционировать независимо и не требует участия близлежащих объектов общественного обслуживания. Этот тип дома не нужно было подключать к таким услугам, как газ, вода, электричество или канализация; он использовал альтернативную энергию, такую ​​как солнечная энергия или энергия ветра, и мог очищать свои собственные сточные воды и сточные воды.Поэтому он не производил загрязнения и не тратил энергию впустую. Первый автономный дом в соответствии 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 нужд города. Конечно, в естественных экологических системах уже давно существует множество построенных структур, соответствующих принципу автономии. Например, в термитниках используются некоторые ключевые принципы пассивного проектирования.представлены четыре структуры, воплощающие принципы автономного проектирования, и обсуждаются их функция/размер, расположение, ключевые технологии, принципы проектирования и исследовательская значимость.

Таблица 1.

Анализ зданий на принципах автономности.

Pault Объем Область
70024 7,5 м 3 3 M 2
Bio-водородная палата 22,4 млн 3 20 м 2
0,33 м 3 0,5 м 2
Бак для хранения водорода 1. 68 м 3 1,5 млн
7,5 м 3 3 м 2
9 Hockerton House Project [24]

4

4

40022

4 Hockerton, Англия (пригород)

Имя

Пункт
курган [23] Автономный дом [22]
самодостаточный небоскреб [25]
Дизайнер / год Termites / Unknown Brenda и Robert Vale / 1993 Breenda и Robert Vale / 1998 Matthew Sparks / Planned
Функция Подземный дом Частный дом Аренда Сообщество Office Tower
Местоположение Африка Ноттингемшир, Англия (Центр города) Эр-Ой-Рияд, Дубай и Бахрейн (Море)
ключевые технологии и принципы дизайна Termite Насыпи имеют пассивную конструкцию, которая регулирует поток воздуха и экономит энергию. Насыпи дают термитам автономию: помимо обеспечения комфортной среды обитания, насыпи также способствуют росту грибов (которые утилизируют отходы термитов). Энергия получается из солнца и ветра; дождевая вода собирается для использования в качестве питьевой воды. Дом построен с использованием переработанных и местных материалов в максимально возможной степени. Энергоснабжение и водоснабжение, а также очистка сточных вод обеспечиваются системой с нулевым выбросом углекислого газа; Еда выращивается по технологии пермакультуры.Поселок состоит из пяти модульных одноэтажных засыпных. Модульная конструкция упрощает строительство домов и снижает затраты. Цилиндрическая форма башни обеспечивает минимальную площадь поверхности для воздействия солнечных лучей и, таким образом, снижает потребность в энергии для кондиционирования воздуха. На крыше есть ветряная турбина, солнечные батареи и аккумуляторы для аварийного использования. Солнечные батареи на море обеспечивают энергию водородом, извлеченным из морской воды. Энергия хранится в водородных топливных элементах для использования в ночное время.
Значение для 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. Строительство домов, планирование сообщества и ограничения по договору аренды формируют это кооперативное автономное сообщество. Использует современные экологически чистые 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 случаев, с макроскопической точки зрения, проектирование автономного дома включает в себя три области: устойчивую окружающую среду, архитектурный дизайн и применение энергии. ().Обращаясь к микро-точке зрения, соображения устойчивости и энергетических приложений включают (1) экологически чистые энергетические технологии (возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, гидроэнергетика (включая разность потенциалов и энергию приливов) и термоядерный синтез), (2) видение и цели, (3) факторы выбора зеленой энергии и оценка осуществимости. Что касается применения энергии и архитектурного дизайна, элементы включают (1) цикл самообеспечения, (2) преобразование и форму энергии (включая преобразование и расчет энергии и работы, соответствие между входами и выходами и методами обработки), (3) поддержка здания система и (4) оценка осуществимости. Архитектурный дизайн и соображения устойчивости включают (1) автономную среду (расположение дома, планировка 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.

Микроэлементы в автономных домах.

4. Моделирование и эмпирические исследования

4.1. Видение и цели

Автономный дом на основе биоводородной энергии предполагает, что в течение десяти лет технология водородной энергии достигнет уровня зрелости, позволяющего использовать его во многих сферах повседневной жизни.Когда это время придет, каждая семья сможет установить «танк для брожения, вырабатывающий водород», похожий на септик, и водородные топливные элементы размером с кондиционеры, устанавливаемые на окнах. Если проектная цель по выработке водородной электроэнергии, удовлетворяющей среднюю потребность домохозяйства в 3 кВт, может быть достигнута, на каждые 200 000 домохозяйств потребуется на одну тепловую электростанцию ​​(т. е. выработка в среднем 600 МВт). Бытовые распределенные электрические системы могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций и тем самым достичь целей энергосбережения, сокращения выбросов углерода и энергетической автономии.

4.2. Технология «зеленой» энергии и биоводородная энергия

Принимая во внимание стремление к автономному производству и потреблению электроэнергии в домашних хозяйствах, какая форма альтернативной энергии наиболее подходит в качестве основного источника энергии для домашнего хозяйства? Этот вопрос давно волнует энергетиков и экономистов. Согласно рекомендации исследовательской группы по применению биоводородной энергии Университета Фэн Чиа, система с наибольшим коммерческим потенциалом представляет собой «биоводородную систему производства электроэнергии в режиме реального времени», состоящую из установки для производства водорода темной ферментации (анаэробный биореактор с непрерывным перемешиванием, CSABR) и топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC). Этот тип системы может генерировать возобновляемую энергию, а также перерабатывать городские отходы и сточные воды. Факторы оценки зеленой энергии включают в себя такие объективные условия, как наличие сырья, климатические факторы, ограничения по местонахождению, пороговые значения технологии производства и себестоимость единицы продукции. Для сравнения, хотя солнечную и ветровую энергию легко получить, они сильно зависят от климата и относительно ненадежны. На гидроэнергетику распространяются ограничения по местоположению, а ядерная энергетика имеет гораздо более высокий технологический порог, чем могут выдержать обычные домохозяйства.С точки зрения автономии бытовой энергии производство водорода из биомассы и выработка электроэнергии предлагает преимущества легкодоступного сырья, свободы от климатических воздействий, стабильной выходной мощности, отсутствия ограничений по месту и относительно низкого порога 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 домашним хозяйством. 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 ежегодно производит шесть миллионов тонн органических отходов, которые можно использовать в качестве сырья для производства энергии из биомассы.

4.3. Цикл самодостаточности

Чтобы соответствовать принципам самодостаточности энергии, автономный дом на основе биоводорода должен завершить цикл самодостаточности, включающий производство, хранение, распределение энергии, приложения нагрузки, переработку, утилизацию и повторное использование. .Под средой жизнеобеспечения понимается экосистема в биосфере Земли, способная удовлетворить физиологические потребности живых организмов. Экономические системы должны получать функции жизнеобеспечения от природной среды и иначе не могут выжить. Основная тема концепции устойчивого развития заключается в том, что последствия деятельности человека должны быть подчинены определенным ограничениям, чтобы не разрушить разнообразие, сложность и функции экологических систем жизнеобеспечения [26]. Как следствие, эффективно функционирующая автономная система, основанная на человеческом обществе, должна интегрировать экологические и экономические аспекты, если она хочет реализовать идеалы устойчивого развития.показывает, что мировые ресурсы и энергия будут быстро исчерпаны из-за действия энтропии в рыночной экономике, делающей упор только на процесс, охватывающий только сырье, производство и потребление продукции [27]. показывает, как устойчивое развитие должно объединять экологию и экономику, делает упор на переработку и повторное использование после потребления и опирается на цикл самодостаточности для снижения потребления энергии и замедления энтропии.

Автономный цикл.

4.4. Система поддержки здания

В соответствии с циклом самообеспечения энергией здание можно рассматривать как средство преобразования массы в энергию, и оно должно иметь цикл, состоящий из производства, хранения, управления распределением, приложениями нагрузки, рециркуляцией, утилизацией и повторным использованием. .Здание также должно иметь систему обеспечения, включающую: (1) камеру производства биоводорода, (2) резервуар для хранения водорода, (3) установку 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 энергии, вырабатываемой зданием, может превышать его потребление и может быть предоставлено другим местным пользователям, то может быть добавлено подключение к сети общего электроснабжения ().Камера производства биологического водорода состоит из пяти основных компонентов: (а) резервуара для субстрата, (б) резервуара для питательной соли, (в) резервуара для производства водорода, (г) резервуара для разделения газа и жидкости и (д) устройства для очистки водорода. Система производства энергии в режиме реального времени на основе биоводорода включает в себя производство водорода, хранение водорода, подачу водорода и процессы использования водорода ().

Биоводородная система производства электроэнергии в режиме реального времени.

4.5. Технико-экономическая оценка

В этом разделе делается попытка вывести на основе проектной цели производства биоводородной энергии для удовлетворения средней потребности домохозяйства в 3 кВт, какое вспомогательное оборудование потребуется, объемы помещений, площади и планировку, а также план-схему. здания.Эта информация послужит ориентиром для проектирования односемейных автономных домов.

По данным Taiwan Power Co. [28], статистика за последние пять лет свидетельствует о том, что домохозяйству требуется 3–4 кВт установленной мощности. По словам Лина [29], 3,2-метровый 3 бродильный резервуар для производства водорода может удовлетворить потребности в электроэнергии обычной семьи. Однако если в качестве сырья выбрана биомасса, такие переменные, как методы обработки и конверсии, а также факторы окружающей среды (температура, влажность, давление и т.) повлияет на скорость производства водорода и плотность водорода. Установка резервуара для хранения водорода может решить проблемы, связанные с переменной производительностью. Избыток водорода можно хранить и использовать в то время, когда его количество недостаточно. Согласно системе производства электроэнергии в реальном времени на основе биоводорода, разработанной Университетом Фэн-Чиа, в течение 300 дней использования каждый литр резервуара для производства биоводорода 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 нулю.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). Таким образом, можно консервативно подсчитать, что бродильный резервуар для производства водорода объемом 3222 л (≈3,2 м 3 ) потребуется для размещения средней нагрузки домохозяйства в 3 кВт ((3000/0,87) ÷ (1,15–0,08) = 3,222 л ≈ 3,2 м 3 ). Это примерно размер обычного коммерческого септика (2–3 м 3 ). Взяв в качестве примера экспериментальную установку по производству биоводорода Университета Фэн Чиа (), пять основных компонентов камеры для производства биоводорода (резервуар для субстрата, резервуар для питательной соли, резервуар для брожения для производства водорода, резервуар для разделения газа и жидкости и устройство для очистки водорода) имеют объемные соотношения 2:2:1:1:1.Как следствие, камера для производства биоводорода будет иметь общий объем, в семь раз превышающий объем ферментационного резервуара для производства водорода, то есть 22,4 м 3 . Предполагая обычный дом с вертикальным просветом 2,5 м, потребуется примерно 15 м 2 площади оборудования (при условии, что резервуар имеет высоту 1,5 м). Если проходы и другое оборудование занимают одну четвертую часть помещения для производства биоводорода, то 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 достаточное количество водорода в течение трех дней. Поскольку среднее домашнее хозяйство на Тайване использует примерно 3 × 320 ÷ 30 = 32 кВтч каждые три дня, а для топливного элемента мощностью 3 кВт требуется 36 л водорода в минуту, следовательно, 36 л водорода могут генерировать 0,05 кВтч. Таким образом, на три дня потребуется примерно 32 ÷ 0,05 = 640 л водорода. Коммерческий резервуар для хранения водорода объемом примерно 1.Таким образом, в этом приложении можно использовать 68 м 3 (http://www.hbank.com.tw/fc_products_pr_05.htm). По фактическим данным Исследовательского центра энергетики и ресурсов FCU, при рабочем объеме 3 л и HRT 8 ч концентрация кормовой матрицы составит 20 г ХПК/л, а система будет вырабатывать 0,87 Вт электрической мощности. . Кроме того, поскольку 20 г ХПК/л = 17,8 г сахарозы/л (фактические данные), для образования 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/ч потребуется для производства 3 кВт (6,675 г сахарозы/ч x 3000/0,87 = 23 017 г сахарозы/ч). По данным Taiwan Power Corp., среднесуточное потребление электроэнергии домохозяйством составляет 10 кВтч, поэтому система должна работать в течение 3,3 ч ежедневно, чтобы обеспечить ежедневную электрическую нагрузку домохозяйства в 3 кВт (10 кВтч/3 кВт). Таким образом, на одно домашнее хозяйство потребуется 75 956 г сахарозы в день (23 017 г сахарозы/ч × 3,3 ч/день = 75 956 г сахарозы/день).

Экспериментальная установка по производству биоводорода (слева, внутри; справа, снаружи).

дает размеры объемов и площадей помещения для хранения сырья биомассы, помещения для производства биоводорода, топливных элементов, резервуара для хранения водорода и диспетчерской, а также модель. показывает схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени в качестве эталона для проектирования автономных домов на одну семью.

Схематический план биоводородной системы производства электроэнергии в режиме реального времени.

Таблица 2.

Оценки функциональных зон и модель исследования.

9

9 Топливные клетки

2

9

2

4,6. Автономное управление

В соответствии с принципами энергетической автономии проект дома, ориентированный на потребности пользователей, должен, помимо соблюдения принципов пассивной планировки здания и проектирования, 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.

В этом проекте автономный дом будет использовать тепловую вентиляцию с использованием лестницы в качестве вентиляционной башни. Из-за эффекта тепловой плавучести горячий воздух обычно поступает в вентиляционную башню по лестнице и выходит из верхней части градирни под действием воздушного потока. Однако, когда внешнее давление больше, чем давление внутри помещения, в системе вентиляции с термическим 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 вентиляционная башня имеет отрицательное давление по сравнению с воздухом снаружи, можно включить вентиляционный вентилятор в верхней части башни или угол наклона воздуха Клапан расхода отрегулирован, чтобы обеспечить положительное давление внутри градирни по сравнению с наружным воздухом, и горячий воздух сможет легко выйти.Из-за этого в автономном доме будет использоваться активное устройство для обеспечения оптимальной производительности вентиляции пассивной тепловой плавучей вентиляционной башни () [30].

Проект поплавковой вентиляционной башни (чертеж Чен Ниен-Цзы).

5. Рекомендации и выводы

В исследовании представлен план возможного автономного дома на основе водородной энергии, который не будет загрязнять окружающую среду и не будет тратить энергию впустую. Предложения для будущих исследований следующие:

(1) Независимая модель производства и использования электроэнергии в жилых районах островного типа:

Это исследование было сосредоточено на развитии автономных городских жилых домов, подключенных к общественной системе электроснабжения, и мы надеемся, что домашние хозяйства Распределенные электрические системы на основе могут снизить зависимость от крупных центральных электростанций.Тем не менее, дома, расположенные в отдаленных пригородах и местах, где общественное электричество недоступно, еще больше нуждаются в автономных энергетических системах. Тем не менее, дальнейшие исследования должны изучить, как поддерживать стабильность и производительность выработки энергии, прямого использования, хранения и подачи для использования. Исследования также могут быть сосредоточены на модификации бытовых генерирующих систем для обеспечения электроэнергией переменного тока и изучении моделей использования и распределения, а также бытовых приборов и оборудования, подходящих для электроснабжения 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, гидроэнергетика и геотермальная энергия и т. д.). .). Поэтому дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на стабильном использовании нескольких источников энергии и различных типов тока, которые они производят (переменного или постоянного тока). Потребуются более эффективные платформы управления энергопотреблением, чтобы избежать ненужных потерь при преобразовании энергии.

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

В соответствии с широким определением экосистемы города можно рассматривать как часть экосистемы. Дальнейшие исследования могут изучить метаболизм материи, преобразование энергии, круговорот воды и денежные потоки в городском производстве и потреблении, а также исследовать динамические механизмы, функциональные принципы и экономические и экологические выгоды, пространственные структуры и правила управления городских систем.

(4) Обработка сточных вод и химическая потребность в кислороде (ХПК) при использовании биомассы для производства водорода:

Поскольку генератор водорода на биомассе в Университете Фэн Чиа производит лишь небольшое количество сточных вод, эти сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами кампуса. и сбрасывается непосредственно в канализацию сточных вод кампуса; он направляется в пруд для очистки сточных вод университета, а затем сбрасывается в городскую канализационную систему. Однако необходимо будет создать очистные сооружения на уровне общины, когда в будущем станут обычными заводы по производству водорода из биомассы.Такие объекты должны снизить ХПК сточных вод от производства водорода настолько, чтобы соответствовать стандартам выбросов, прежде чем воду можно будет сбрасывать в городские системы сточных вод. Сотрудничество с инженерами по охране окружающей среды будет необходимо для интеграции соответствующих мер по борьбе с загрязнением.

Это исследование рассматривает автономный дом на основе биоводородной энергии как ключевую жилищную технологию следующего поколения.

Pault Объем Область
70024 7,5 м 3 3 M 2
Bio-водородная палата 22,4 млн 3 20 м 2
0,33 м 3 0,5 м 2
Бак для хранения водорода 1. 68 м 3 1,5 млн
7,5 м 3 3 м 2