Альтернативні види енергії
Сучасні технології дозволяють використовувати наявні альтернативні енергетичні ресурси, як в масштабі цілої планети, так і в межах енергомережі квартири або приватного будинку.
Буйна розвиток життя на протязі декількох мільярдів років наочно доводить забезпеченість Землі джерелами енергії. Сонячне світло, тепло надр і хімічний потенціал дозволяють живим організмам здійснювати множинні енергетичні обміни, існуючи в середовищі, створеної фізичними факторами - температурою, тиском, вологістю, хімічним складом.
Кругообіг речовин і енергії в природі
Економічні критерії альтернативних джерел енергії
Людина здавна використовував енергію вітру як рушій для кораблів, що дозволяло розвиватися торгівлі. Поновлюване паливо з відмерлих рослин і відходів життєдіяльності було джерелом тепла для приготування їжі і отримання перших металів. Енергія перепаду води приводила в дію млинові жорна. Протягом тисячоліть це були основні види енергії, які ми тепер називаємо альтернативними джерелами.
З розвитком геології і технологій видобутку надр стало економічно вигідніше видобувати вуглеводні і спалювати їх для отримання енергії в міру необхідності, ніж чекати біля моря погоди в буквальному сенсі, сподіваючись на вдалий збіг течій, напрямку вітру, хмарності.
Нестабільність і мінливість погодних умов, а також відносна дешевизна двигунів, що працюють на викопному паливі, змусили прогрес розвиватися по шляху використання енергії надр землі.
Діаграма, що демонструє співвідношення споживання викопних і поновлюваних джерел енергії
Засвоєний і перероблений живими організмами вуглекислий газ, що покоївся в надрах мільйони років, знову повертається в атмосферу при спалюванні викопних вуглеводнів, що є джерелом парникового ефекту і глобального потепління. Благополуччя майбутніх поколінь і крихку рівновагу екосистеми змушують людство переглянути економічні показники і використовувати альтернативні види енергії. адже здоров'я дорожче за все.
Свідоме використання поновлюваних природою альтернативних джерел енергії стає популярним, але, як і раніше, переважають економічні пріоритети. Але в умовах заміського будинку або на дачі використання джерел альтернативного електрики і тепла може виявитися єдиним економічно вигідним варіантом отримання енергії, якщо проведення, підключення і установка ліній енергопостачання виявиться занадто дорогою витівкою.
Забезпечення віддаленого від цивілізації вдома мінімально необхідним обсягом електроенергії за допомогою сонячних панелей і вітрогенератора
Можливості використання альтернативних видів енергії
Поки вчені досліджують нові напрямки і розробляють технології холодного термоядерного синтезу, домашні майстри можуть використовувати такі альтернативні джерела енергії для будинку:
- Сонячне світло;
- Енергія вітру;
- Біологічний газ;
- Різниця температур;
За даними альтернативних видів відновлюваної енергії існують готові рішення, успішно впроваджені в масове виробництво. Наприклад - сонячні батареї, вітрогенератори, біогазові установки і теплові насоси різної потужності можна придбати разом з доставкою та установкою, щоб мати свої альтернативні джерела електрики і теплової енергії для приватного будинку.
Промислово випускається сонячна панель, встановлена на даху приватного будинку
Сонячні батареї і вітрогенератори повинні заряджати акумулятори, зважаючи на мінливості освітлення і сили енергії вітру. Зі збільшенням потужності альтернативних джерел електрики і обсягу акумуляторів зростає енергетична незалежність автономного енергопостачання. Якщо потрібно підключити до альтернативного джерела електрики електроприлади, які працюють від 220 В. то застосовують перетворювачі напруги.
Схема, що ілюструє харчування домашніх електроприладів від акумуляторів, що заряджаються вітрогенератором і сонячними панелями
Альтернативна енергія сонячного випромінювання
У домашніх умовах практично неможливо створити фотоелементи, тому конструктори альтернативних джерел енергії використовують готові комплектуючі, збираючи генеруючі конструкції, домагаючись необхідної потужності. З'єднання фотоелементів послідовно збільшує вихідну напругу отриманого джерела електрики, а підключення зібраних ланцюжків паралельно дає більший сумарний струм збірки.
Схема підключення фотоелементів в збірці
Орієнтуватися можна на інтенсивність енергії сонячного випромінювання - це приблизно один кіловат на квадратний метр. Також потрібно враховувати коефіцієнт корисної дії сонячних батарей - на даний момент це приблизно 14%, але ведуться інтенсивні розробки для збільшення ККД сонячних генераторів. Вихідна потужність залежить від інтенсивності випромінювання і кута падіння променів.
Установка додаткових сонячних батарей на даху будинку
Потрібно пам'ятати, що сонячне світло також є джерелом теплового (інфрачервоного) випромінювання, яке може використовуватися для нагріву теплоносія без подальшого перетворення енергії в електрику. Даний альтернативний принцип застосовується в сонячних колекторах. де за допомогою відбивачів інфрачервоне випромінювання концентрується і передається теплоносієм в систему опалення.
Сонячний колектор в складі домашньої системи опалення
Альтернативна енергія вітру
Найпростіший шлях для самостійного створення вітрогенератора - це використовувати автомобільний генератор. Для збільшення оборотів і напруги джерела альтернативного електрики (ефективності генерації електричної енергії) слід застосувати редуктор або ремінну передачу. Пояснення всіляких технологічних нюансів виходить за рамки даної статті - потрібно вивчати принципи аеродинаміки, щоб зрозуміти процес перетворення швидкості потоку повітряних мас в альтернативне електрику.
На початковому етапі вивчення перспектив перетворення поновлюваних джерел альтернативної енергії вітру в електрику, потрібно вибрати конструкцію вітряка. Найбільш поширені конструкції - це гребний гвинт з горизонтальною віссю, ротор Савоніуса, і турбіна Дарині. Гребний гвинт з трьома лопатями в якості джерела альтернативної енергії - найбільш поширений варіант для саморобного виготовлення.
Різновиди турбін Дарині
При проектуванні лопатей гвинтів велике значення має кутова швидкість обертання вітряка. Існує так званий фактор ефективності гвинта, який залежить від швидкості повітряного потоку, а також довжини, перерізу, кількості і кута атаки лопатей.
Узагальнено дану концепцію можна зрозуміти так - при малому вітрі довжини лопаті з найвдалішим кутом атаки буде недостатньо для досягнення максимальної ефективності генерації енергії, але з багаторазовим посиленням потоку і збільшенням кутової швидкості кромки лопатей будуть відчувати надмірне опір, яке може їх пошкодити.
Складний профіль лопаті вітряка
Тому довжину лопатей розраховують виходячи із середньої швидкості вітру, плавно змінюючи кут атаки щодо видалення від центру гвинта. Для запобігання поломки лопатей при ураганному вітрі висновки генератора замикають накоротко, що перешкоджає обертанню гвинта. Для приблизних розрахунків можна приймати один кіловат альтернативної електроенергії від трехлопастного гвинта діаметром 3 метри при середній швидкості вітру 10м / с.
Для створення оптимального профілю лопаті буде потрібно комп'ютерне моделювання та ЧПУ верстат. У домашніх умовах майстри використовують підручні матеріали і інструменти, намагаючись максимально точно відтворити креслення альтернативних джерел вітрової енергії. Як матеріали використовується дерево, метал, пластик і т.д.
Саморобний гвинт вітрогенератора, зроблений з дерева і металевої пластини
Для генерації електрики потужності автомобільного генератора може виявитися недостатньо, тому майстри своїми руками виготовляють генеруючі електричні машини, або переробляють електродвигуни. Найбільш популярна конструкція джерела альтернативного електрики - ротор з поперемінно розміщеними неодимовими магнітами і статором з обмотками.
Ротори саморобного генератора
Статор з обмотками для саморобного генератора
Альтернативна енергія біогазу
Для синтезу біогазу з відходів життєдіяльності організмів застосовуються метантанк різних конструкцій. Встановлювати метантанк будинку своїми руками має сенс при наявності в домашньому господарстві курника, свинарника і поголів'я великої рогатої худоби. Основний газ на виході - метан, але велика кількість домішки сірководню та інших органічних сполук вимагає застосування систем очищення для видалення запаху і запобігання засмічення пальників в теплових генераторах або забруднення паливних трактів двигуна.
Потрібно дуже докладне вивчення енергії хімічних процесів, технологій з поступовим набором досвіду, пройшовши шлях проб і помилок, щоб отримати на виході джерела горючий біологічний газ прийнятної якості.
Теплові машини для економії і отримання альтернативної енергії
Теплові насоси широко застосовуються в холодильниках і кондиціонерах. Було відмічено, для переміщення тепла потрібно в кілька разів менше енергії, ніж для його генерації. Тому студена вода зі свердловини має тепловий потенціал щодо морозної погоди. Знижуючи температуру проточної води зі свердловини або з глибин незамерзаючої озера, теплові насоси відбирають тепло і передають його в систему опалення, при цьому досягається значна економія електрики.
Економія електроенергії за допомогою теплового насоса
На жаль, домашні умови не дозволяють створити двигун Стірлінга з параметрами виходу енергії вище, ніж у забавної іграшки або демонстраційного стенда. Для отримання прийнятною потужності і економічності потрібно, щоб робочий газ (водень або гелій) був під великим тиском (200 атмосфер і більше). Подібні теплові машини вже використовуються в сонячних і геотермальних електростанціях і починають впроваджуватися в приватний сектор.
Двигун Стірлінга в фокусі параболічного дзеркала
Щоб отримати максимально стабільне і незалежне електрику на дачі або в приватному будинку потрібно поєднання кількох альтернативних джерел енергії.
Новаторські ідеї по створенню альтернативних джерел енергії
Цілком і повністю охопити весь спектр можливостей відновлюваної альтернативної енергетики не зможе жоден знавець. Альтернативні джерела енергії є буквально в кожній живій клітині. Наприклад, водорість хлорели давно відома як джерело білків в кормі для риб.
Ставляться досліди з вирощування хлорели в невагомості, для застосування в якості їжі космонавтів при далеких космічних перельотів в майбутньому. Енергетичний потенціал водоростей і інших простих організмів вивчається для синтезу горючих вуглеводнів.
Акумулювання сонячного світла в живих клітинах хлорели, вирощуваної в промислових установках
Потрібно мати на увазі, що перетворювача і акумулятора енергії сонячного світла кращого, ніж фторопласт живої клітини поки не придумано. Тому потенційні поновлювані джерела альтернативного електрики є в кожному зеленому листі, що здійснює фотосинтез.
Основна складність полягає в тому, щоб зібрати органічний матеріал, за допомогою хімічних і фізичних процесів дістати звідти енергію і перетворити її в електрику. Вже зараз великі площі аграрних земель відводяться під вирощування альтернативних енергетичних культур.
Прибирання міскантусу - енергетичної агротехнічної культури
Іншим колосальним джерелом альтернативної енергії може служити атмосферну електрику. Енергія блискавок величезна і має руйнівними впливами, і для захисту від них використовуються громовідводи.
альтТрудності з приборканням енергетичного потенціалу блискавки і атмосферної електрики складаються у великому напруженні і силі струму розряду за дуже короткий час, що вимагає створення багатоступеневих систем з конденсаторів для накопичення заряду з подальшим використанням збереженої енергії. Також хороші перспективи є у статичного атмосферної електрики.
Біогазова установка власними силами