Аккредитованной в Инновационном центре ФИАН компанией разработан интеллектуальный энергоэффективный многотопливный автономный источник электроэнергии, позволяющий решить вопросы энергообеспечения отдельно стоящих зданий при высокой экономичности и экологичности установки.
Проблема обеспечения электроэнергией в нужном объеме при минимальных затратах всегда оставалась очень острой и актуальной. Если говорить о нуждах отдельно взятого человека, то особенно остро эта проблема встает перед владельцами домов, удаленных от основных энергетических магистралей. И проблема стоит не только в обеспечении электроэнергией своего дома, но и в том, чтобы это обеспечение не превратилось в дорогое удовольствие. Причем не только для владельца дома, но и для энергокомпании.
При подключении отдельно стоящего дома к общей линии передач к нему ведется ответвление, обладающее определенными мощностными характеристиками. Причем, эти показатели рассчитаны на максимальную мощность энергопотребления пользователем. А, как известно, потребление электрической энергии населением имеет ярко выраженный «пиковый» характер: в утренние и вечерние часы оно может на порядок превышать среднюю величину энергопотребления. В результате получается, что энергетическая компания должна обеспечить подачу электроэнергии на дом, скажем, 10 кВт для того, чтобы потребитель два раза за день – утром и вечером – смог воспользоваться поставляемой энергией в полном объеме. А все остальное время мощности электрогенерирующих и электросетевых компаний, фактически, используются на 10 %, т.к. в течение дня средний потребитель расходует электроэнергию на уровне 1-2 кВт, а то и меньше. А ведь эффективность работы электрогенерирующего и электротрансформирующего оборудования в таком режиме существенно понижается.
Можно, конечно, решить вопрос иначе – поставить автономный электрогенератор. Но… он, опять-таки, рассчитан на определенную выходную мощность вне зависимости от того, хотите вы зарядить сотовый телефон или же включить всю бытовую технику разом. В результате в накладе остается владелец такой чудо-установки. Это если не считать шум и другие сопровождающие электрогенератор побочные эффекты.
Не лучше обстоит дело и с так называемыми «зелеными технологиями» – ветрогенераторами и солнечными батареями, которые в настоящее время достаточно активно рекламируются. Приобретя такую систему, «счастливый владелец» очень быстро обнаруживает достаточно существенные минусы этих установок. Во-первых, они очень сильно зависят от климатических особенностей региона. Например, ветрогенератор будет наиболее эффективен где-нибудь в горах или возле моря, где постоянно дуют ветра, а солнечные батареи – в южных районах. А вот в средней полосе России ни ветрогенератор, ни солнечная батарея большого эффекта не дадут. Нельзя забывать и о побочных эффектах, которыми страдают обе установки. Например, ветрогенераторы сильно грешат наведением «паразитических» электромагнитных полей и большой шумностью, на уровне инфразвука, что создаст проблемы не только эксплуатации техники, но и прямого вреда здоровью. А солнечные батареи обладают малым КПД. К тому же фотоэлектрическая поверхность батарей весьма чувствительна к… обычной пыли. И чтобы обеспечить дом энергией в полном объеме, необходимо обзавестись дополнительным полем из солнечных батарей, которое придется постоянно мыть и протирать.
В результате сам собой напрашивается вывод, что неплохо было бы иметь такую энергоустановку, которая могла бы использовать различные источники энергии, беря от каждого из них плюсы и сводя на нет минусы. Именно о завершении такой разработки рассказывает специалист по коммерциализации ФИАН Андрей Владимирович Червяков:
«У нас возникла идея создания такой установки, которая позволила бы обеспечить удаленные объекты электроэнергией, не подвергая владельцев экстремальному существованию рядом с этой установкой. При этом мы старались решить и вопрос эффективного использования ресурсов: необходимо, чтобы система выдавала ровно столько энергии, сколько требуется потребителю в данный момент, чтобы не пришлось заряжать, скажем, сотовый телефон, потратив на это мощность, необходимую для работы холодильника, микроволновки и стиральной машины в совокупности.»
Результатом научно-исследовательских работ стала интеллектуальная автономная гибридная энергосистема МИП-СК, разработанная при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. МИП-СК устроена по блочно-модульному принципу и состоит из оригинального многотопливного электрогенератора, аккумуляторной батареи, сильноточного многофункционального преобразователя напряжения и уникальной системы управления.
Источником электрообеспечения удаленного объекта является аккумуляторная батарея. За счет промежуточного – между системой и пользователем – аккумулирования энергии разработчикам удалось разорвать прямую связь между мощностью двигателя и потребительской мощностью. Это позволяет, без потери объемов потребительской мощности, использовать для работы системы менее мощные двигатели, что, в свою очередь дает высокие экономические показатели эффективности за счет экономии топлива. На некоторых режимах работы МИП-СК показала экономию топлива порядка 80 … 90 % относительно обычных автономных электрогенераторов.
Главной генерирующей силой является многотопливный двигатель внутреннего сгорания:
«Многотопливный двигатель внутреннего сгорания в МИП-СК – наша гордость. Если существующие на рынке многотопливные энергосистемы требуют на самом деле замены одного типа топливной системы двигателя на другой, в зависимости от имеющегося топлива, то наш двигатель всеядный. Он может работать как на бензине, так и на газе, магистральном или баллонном. При этом, как показали испытания, переход на баллонный газ происходит без потери мощности двигателя по сравнению с бензиновым режимом, а переход на магистральный газ дает падение мощности не более, чем на 20 %. Для сравнения – большинство стандартных двигателей дают в некоторых случаях падение мощности на 50 % и более» – рассказывает Андрей Владимирович.
Более того, испытания показали, что при работе на баллонном газе наблюдались более легкий запуск и лучшая приемистость двигателя. Переход от одного вида топлива в системе к другому происходит автоматически, без дополнительного привлечения владельца или же сервисных служб. Система автоматически выбирает для функционирования наиболее дешевый вид топлива, а при его отсутствии – уже более дорогой вариант:
«В генерирующей системе МИП-СК предусмотрена автоматизация питания топливом. Если, например, по каким-то причинам прекратилась подача магистрального газа, система автоматически переведет двигатель на баллонный газ. Если заканчивается газ в баллоне (или его нет), система автоматически переходит на бензин. И обратно – как только запасы баллонного газа пополнены или восстановлена подача магистрального газа, двигатель вернется к более экономически выгодному варианту топлива» – поясняет Андрей Владимирович.
Такая «всеядность» двигателя генератора к тому же позволяет повысить надежность обеспечения электроэнергией объектов в случае возникновения чрезвычайной ситуации.
За счет разработанной сотрудниками Инновационного центра системы контроля и управления, удалось решить и проблему эффективного использования электроэнергии и, соответственно, дополнительно снизить расходы топлива. Система автоматически отслеживает потребляемую мощность на выходе энергосистемы. Если нагрузка маленькая, система работает от аккумуляторной батареи. При росте нагрузки, когда мощности аккумуляторной батареи не хватает, запускается двигатель. Если заряд аккумуляторной батареи заканчивается, система автоматически запускает двигатель и заряжает батарею. Поэтому владелец такой энергосистемы никогда не окажется в темном обесточенном доме после долгого отсутствия.
Благодаря интеллектуально-накопительному принципу работы, за счет периодизации работы двигателя и ухода от необходимости его постоянного функционирования «растягивается» его ресурс и повышается экологическая безопасность при эксплуатации установки. К тому же благодаря этому принципу, МИП-СК может быть основой для использования различных дополнительных источников энергии, например, тех же ветрогенераторов или солнечных батарей. Но эти источники будут уже не основными, а дополнительными, расширяющими возможности энергосистемы, что позволит свести к минимуму отрицательные стороны этих экологических источников, воспользовавшись их несомненным плюсом – получение «бесплатной» энергии, в буквальном смысле, из воздуха.
 Выставочный образец МИП-СК
на выставке «Развитие инфраструктуры Юга России – 2012» |
Поскольку МИП-СК разрабатывалась для эксплуатации, прежде всего, в суровых условиях российского климата, многотопливная система питания двигателя может эксплуатироваться при температурах окружающего воздуха от минус 40 °С до плюс 45 °С. Максимальная нагрузка, которую может удовлетворить система, в 1,5-2 раза больше максимальной мощности генератора за счет того, что потребитель может одновременно получать энергию как от генератора, так и запасенную аккумулятором. Например, при мощности двигателя 10 кВт (стандартная комплектация) пиковая мощность, выдаваемая гибридной миниэнергосистемой при испытаниях, достигла ~15 кВт при параллельной работе генератора и аккумуляторной батареи. Кроме того, блочно-модульный принцип МИП-СК позволяет легко дополнить систему необходимыми элементами или же установить взамен стандартных другие, в соответствии с требованиями потребителя.
При таких замечательных характеристиках МИП-СК обладает довольно-таки скромными размерами 700 × 600 × 1200 мм при весе около 140-160 кг, т.е. это вполне транспортабельный модуль, который не требует специальных средств доставки.
В настоящее время проходят испытания действующего макета системы и планируется проведение натурных испытаний. Параллельно разработчики заканчивают разработку систем очистки отработанного топлива на соответствие стандартам Евро-4 и Евро-5, что позволит еще более повысить экологическую безопасность установки.
Автономная многотопливная гибридная миниэнергосистема (МИП-СК) была удостоена высокой оценки за актуальность на Международной промышленной выставке «Развитие инфраструктуры Юга России – IDES» 2012 года. Описанная инновация не претендует на эпохальное значение, новизна здесь – в частных инженерных решениях, которые и сами по себе полезны для тех, кто занимается малой энергетикой, и в совокупности позволяют получить оптимальное решение.
Е.Любченко, АНИ «ФИАН-информ»
