Альтернативная энергия для дома: обзор нестандартных источников энергии

Введение

Вся современная мировая экономика зависит от богатств, накопленных еще во времена динозавров: нефти, газа, угля и прочих видов ископаемого топлива. Большинство действий в нашей жизни: от поездки в метро до подогревания чайника на кухне, в конечном итоге, требуют сжигания этого доисторического наследства. Основная проблема в том, что эти легкодоступные энергетические ресурсы не возобновляются. Рано или поздно человечество выкачает из земных недр всю нефть, сожжет весь газ и выкопает весь уголь. На чем тогда будем греть чайники?

Не стоит также забывать и об отрицательном экологическом воздействии сжигания топлива. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере приводит к увеличению средней температуры на всей планете. Продукты сгорания топлива загрязняют воздух. Жители крупных городов особенно хорошо на себе это чувствуют.

Все мы задумываемся о будущем, пусть даже это будущее наступит не при нас. Мировое сообщество уже давно осознало ограниченность запасов ископаемого топлива. И отрицательное воздействие их использования на экологию. Ведущие государства уже сейчас внедряют программы постепенного перехода на экологически чистые и возобновляемые источники энергии.

По всему миру человечество ищет и постепенно внедряет замену ископаемому топливу. Уже давно во всем мире работают солнечные, ветряные, приливные, геотермальные и гидроэлектростанции. Казалось бы, что мешает прямо сейчас обеспечить с их помощью все потребности человечества?

На самом деле у альтернативной энергетики много проблем. Например, проблема географического распределения энергетических ресурсов. Ветряные электростанции строятся только в районах, где часто дуют сильные ветра, солнечные – где минимальное количество пасмурных дней, гидроэлектростанции – на крупных реках. Нефть, конечно, тоже есть не везде, но ее доставить проще.

Вторая проблема альтернативной энергетики – нестабильность. На ветряных электростанциях выработка зависит от ветра, который постоянно меняет скорость или вообще затихает. Солнечные электростанции плохо работают в пасмурную погоду и вообще не работают ночью.

Ни ветер, ни Солнце не учитывают нужды потребителей энергии. В тоже время выработка энергии тепло- или атомной электростанции постоянна и легко регулируется. Решить данную проблему может только строительство огромных хранилищ энергии, для создания резерва на случай низкой выработки. Однако это очень сильно удорожает всю систему.

Из-за этих и многих других сложностей замедляется развитие альтернативной энергетики в мире. Сжигать ископаемое топливо по-прежнему проще и дешевле.

Однако если в масштабах мировой экономики альтернативные источники энергии и не дают большой выгоды, то в рамках отдельного дома они могут быть весьма привлекательны. Уже сейчас многие ощущают на себе постоянное увеличение тарифов на электроэнергию, тепло и газ. С каждым годом энергетические компании все глубже залазят в карман обычных людей.

Эксперты международного венчурного фонда I2BF представили первый обзор рынка возобновляемой энергетики. По их прогнозам, через 5–10 лет технологии альтернативной энергетики станут конкурентоспособнее и получат массовое распространение. Уже в настоящее время разрыв в стоимости альтернативной и традиционной энергии быстро сокращается (www.active-house.ru).

Под стоимостью энергии подразумевается цена, которую хочет получить производитель альтернативной энергии, чтобы за время жизни проекта компенсировать свои капитальные расходы и обеспечить доходность в 10% на вложенный капитал. В эту цену также будет включена стоимость долгового финансирования, так как большинствовлечением серьезного рычага заемных средств.

Приведенный график иллюстрирует оценку различных видов альтернативной и традиционной энергетики во II квартале 2011 г. (рис. 1).

По приведенным цифрам самой низкой стоимостью из всех видов альтернативной энергетики обладает геотермальная энергия, а также энергия, образующаяся при сжигании мусора и свалочного газа. По сути, они уже могут напрямую конкурировать с традиционной энергетикой, но лимитирующим фактором для них служит ограниченное количество мест, где можно реализовать эти проекты.

Для тех, кто хочет получить независимость от капризов энергетиков, кто хочет внести свой вклад в развитие альтернативной энергетики, кто просто хочет немного сэкономить на энергии, и написана эта книга.

Из книги В. Германович, А. Турилин «Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы».

Продолжение читайте здесь

Энергия из ветра

Наши предки давно научились применять энергию ветра для своих нужд. В принципе, с тех пор конструкция почти не изменилась. Только жернова сменил привод генератора, преобразующий энергию вращающихся лопастей в электричество.

Для изготовления генератора понадобятся следующие детали:

• генератор. Некоторые используют мотор от стиральной машинки, слегка преобразовав ротор;
• мультипликатор;
• аккумулятор и контроллер его заряда;
• преобразователь напряжения.

Ветрогенератор Существует множество схем самодельных ветрогенераторов. Все они комплектуются по одному принципу.

1. Собирается рама.
2. Устанавливается поворотный узел. За ним монтируются лопасти и генератор.
3. Монтируют боковую лопату с пружинной стяжкой.
4. Генератор с пропеллером крепится на станину, затем её устанавливают на раму.
5. Подсоединяют и соединяют с поворотным узлом.
6. Устанавливают токосъёмник. Соединяют его с генератором. Провода подводят к батарее.

Совет. От диаметра пропеллера будет зависеть число лопастей, а также количество генерируемого электричества.

Отопление для частного дома: альтернативные источники энергии

Среди наиболее распространенных способов получения электроэнергии является движущая сила ветра. Достаточно поставить около загородного дома высокую мачту с движущимися лопастями, соединенными с генератором, чтобы получать электрический ток и заряжать аккумуляторы.

Для получения тепла, можно использовать тепловые насосы, при их использовании, можно брать тепло практически из любого места:

• Воздуха;
• Воды;
• Земли.

Принцип их работы, как в холодильнике, только при прокачивании через насос воздуха или воды, получается тепло. Самодельные конструкции, ничуть не уступают промышленным. В домашних условиях можно самостоятельно изготовить подобные конструкции достаточно найти чертежи и изготовить ветряк, чтобы получить дешевое электричество буквально из воздуха. Есть и другие виды и возможности получить электроэнергию и отопление для частного дома.

То же самое касается и тепловых конвекторов, которые предназначены для нагрева воды. Несколько проще для получения тепла использование котла на биотопливе, в качестве материала для топки используются прессованные опилки, гранулы, в том числе и из соломы и торфа. Но такие котлы на биотопливе стоят несколько дороже, чем работающие на газе.

Виды альтернативных источников энергии

В настоящее время исследовано и на практике применяется несколько способов получения электрической энергии без применения традиционных видов топлива. При этом согласно статистике, человек в современном мире применяет только 0,001% имеющихся в природе альтернативных источников энергии, что является ничтожно малой частью громадного потенциала природы.

Также проблемой, которая ставит использование альтернативных источников энергии в разряд развивающихся направлений, является полное отсутствие проработки данного вопроса на законодательном уровне, поскольку в настоящее время все природные ресурсы страны относятся к достоянию государства. Теоретически, даже применение солнца или ветра может облагаться налогом.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие виды получения энергии при помощи использования природных неиссякаемых источников.

1. Ветер. Применять силу ветра люди научились задолго до того, как стали задумываться о конечности природных ископаемых. Первым примером можно назвать мореплавание, где благодаря ветру корабль совершал движение. Современные технологии сделали возможным применение ветра, который является альтернативным источником получения энергии. Выработка электричества при помощи ветра происходит посредством применения специальной установки, именуемой ветряк, которую можно сравнить с мельницей. Имеется винт, на котором установлены лопасти, вращающиеся под воздействием потока ветра. Винт соединяется с генератором, который вырабатывает ток. Соединение может осуществляться напрямую или при помощи ротора;
2. Солнце. Солнечная энергия — вид электроэнергии, получаемой при помощи использования светового потока, попадающего на землю в виде солнечных лучей. В настоящее время получение энергии посредством солнечного света является наиболее перспективным направлением альтернативной энергетики, поскольку в течение одного только года на поверхность Земли попадает солнечного света в 30 000 раз больше, чем все население планеты использует за этот год. Процесс получения энергии заключается в аккумулировании попадающего на поверхность специальной фотопластины солнечного излучения, которое в дальнейшем при помощи гелиоустановки превращается в привычный электрический ток. Небольшая гелиоустановка способна обеспечить домашнее хозяйство требуемым количеством энергии для обогрева и получения горячей воды;
3. Тепло земли. Еще одна альтернатива электроэнергии является получение энергии при помощи тепла, которое отдает сама земля. Принцип получения данного вида тепла состоит в том, что благодаря применению специального насоса, одна часть которого погружена под землю и способна улавливать низкотемпературный потенциал, происходить превращение полученного из-под земли тепла в чистую энергию. По действию работу подобного насоса можно сравнить с работой компрессора холодильника, только в данном случае на выходе человек получает не холод, а тепло. Единственным большим минусом подобной системы является ее несовершенство. Современные установки могут выдавать всего лишь 40 градусов на выходе, что явно не достаточно для полноценного отопления и может быть использовано только для системы теплого пола.

Кроме перечисленных, наиболее распространенных видов источников получения альтернативной энергии, существуют более экзотические способы, в числе которых:

• биотопливо, в качестве которого выступает различная биомасса и отходы;
• мускульная сила человека;
• использование силы грозы, принципом чего является попытки уловить разряд молний и перенаправление его в электросеть;
• реакция подконтрольного термоядерного синтеза;
• получения энергии посредством использования фотоэлектрических элементов, расположенных на земной орбите;
• применение энергии приливов и отливов.

Развитие энергетики и постоянное совершенствования технологии значительно ускоряют процесс использования источников получения альтернативной энергии, за которой будущее.

Мировое использование различных видов альтернативных источников энергии

В наше время гидроэнергетика имеет наибольшую мощность из всех видов энергетики на возобновляемых ресурсах. Некоторые страны из-за особенностей природных условий сместили вектор развития на солнечные и ветровые энергоустановки. Мировые лидеры по доле энергии ветра в общем энергобалансе страны:

• Дания – 42%;
• Португалия – 27%;
• Никарагуа – 21%;
• Испания – 20%.

В 2014 году в Дании ветроустановки производили 39% от всего электричества, в 2015 году – уже 42%, и доля ветровой энергии продолжает расти.

Рост альтернативной энергетики в Европе достигается за счет ветровых, солнечных и биотопливных энегоустановок. Опережают среднемировые показатели по переходу на «зеленую» энергию США, Китай, Австралия, Германия и страны из предыдущего списка.

В 2010 году 4,9% всей мировой электроэнергии составляла энергия альтернативных источников. В 2018 году доля «зеленой» энергии достигла 8,4%. При подсчете не учитывались крупные ГЭС. По прогнозам, к 2030 году доля альтернативной энергетики составит 35% всего мирового энергопотребления.

Электрическая мощность

Электрические батареи превращают химическую энергию в электрическую.

Электричество — это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.

Пример статического электричества — когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.

Электрический ток — это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.

В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт — это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.

Виды альтернативной энергетики

В зависимости от источника энергии, который в результате преобразования позволяет получать человеку электрическую и тепловую энергии, используемые в повседневной жизни, альтернативная энергетика классифицируется на несколько видов, определяющих способы ее генерации и типы установок служащих для этого.

Энергия солнца

Солнечная энергетика основана на преобразовании энергии солнца, в результате которого получается электрическая и тепловая энергии.

Получение электрической энергии основано на физических процессах, происходящих в полупроводниках под воздействием солнечных лучей, получение тепловой – на свойствах жидкостей и газов.

Для генерации электрической энергии комплектуются солнечные электростанции, основой которой служат солнечные батареи (панели), изготавливаемые на основе кристаллов кремния.

Основой тепловых установок — служат солнечные коллекторы, в которых энергия солнца преобразуется в тепловую энергию теплоносителя.

Мощность подобных установок зависит от количества и мощности отдельных устройств, входящих в состав тепловых и солнечных станций.

Энергия ветра

Ветровая энергетика основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию, используемую потребителями.

Основой ветровых установок служит ветровой генератор.Ветровые генераторы различаются по техническим параметрам, габаритным размерам и конструкции: с горизонтальной и вертикальной осью вращения, различным типом и количеством лопастей, а также по месту их расположения (наземное, морское и т.д.).

Сила воды

Гидроэнергетика основана на преобразовании кинетической энергии водных масс в электрическую энергию, которая также используемую человеком в своих целях.

К объектам данного вида относятся гидроэлектростанции различной мощности, устанавливаемых на реках и иных водных объектах. В таких установках, под воздействием естественного течения воды, или путем создания плотины, вода воздействует на лопасти турбины вырабатывающей электрический ток. Гидротурбина, является основой гидроэлектростанций.

Еще один способ получения электрической энергии путем преобразования энергии воды – это использование энергии приливов, посредством строительства приливных станций. Работа таких установок основана на использовании кинетической энергии морской воды в период приливов и отливов, происходящих в морях и океанах под воздействием объектов солнечной системы.

Тепло земли

Геотермальная энергетика, основана на преобразовании тепла, излучаемого поверхностью земли, как в местах выброса геотермальных вод (сейсмически опасные территории), так и в иных регионах нашей планеты.

Для использования геотермальных вод используются специальные установки, посредством которых внутреннее тепло земли преобразуется в тепловую и электрическую энергии.

Использования теплового насоса позволяет получать тепло из поверхности земли, вне зависимости от места его расположения. Его работа основана на свойствах жидкостей и газов, а также законах термодинамики.

Биотопливо

Виды биотоплива различаются по способам его получения, его агрегатному состоянию (жидкое, твердое, газообразное) и видам использования. Объединяющим все виды биотоплива показателем, служит то, что основой для их производства служат органические продукты, посредством переработки которых получается электрическая и тепловая энергии.

Твердые виды биотоплива — это дрова, топливные брикеты или пеллеты, газообразные – это биогаз и биоводород, а жидкие – биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир и биодизель.

Что можно использовать в частном доме

Выработка электричества при помощи АЭС нужна не только для фирм и государства, но для частного дома. Имеются разные конструкции, которые вырабатывают электроэнергию нетрадиционным методом.

АЭС позволит вам сэкономить на счетах электричества, а кроме того, вы никогда не останетесь без света при отключении электричества.

Солнечные панели

Этот тип получения электроэнергии поможет получить электричество для дома. Для приобретения этого устройства вам необходимо знать мощность и найти место для фиксирования. Эта покупка в скором времени окупиться и вы даже уйдете в плюс.

Солнечные коллекторы

Принцип действия этой конструкции следующий: она нагревается на солнце, затем направляет накопленное тепло к воде, и тем самым нагревает ее. В результате вы будете всегда иметь горячую воду, а также отопление в любое время.

Ветрогенераторы

Ветровые генераторы собирают энергию, которая будет впоследствии использоваться бытовыми изделиями. Как правило, устанавливают несколько сооружений, которые включаются по очереди в случае аварийного выключения другого.

Тепловые насосы

Прибор всегда нагревает дом до требуемой температуры

Многие оборудования оснащены кондиционером, что особенно важно в жаркую погоду. В роли источника электроэнергии могут применяться различные виды энергий

Производство биогаза

Изготовление биогаза в домашних условиях позволяет заменить использование традиционного топлива на недорогой аналог. Такую конструкцию можно изготовить своими руками или приобрести в магазине.

Мини гидроэлектростанция

Мини гидроэлектростанция — это маленькая станции, которая вырабатывает электричество для жилья.

Применяют это сооружения с целью главного или запасного источника электроэнергии. Переносные ГЭС хорошо подойдут для местностей, к которым трудно добраться.

Прочие возможности

Имеются и другие возможности для выработки электричества, но они обойдутся вам в значительную сумму. К примеру, водородные котлы, которые пришли на замену традиционному отоплению дома без выбросов вредных веществ. Тепло вырабатывается за счет прохождения хим. реакций между водородом и кислородом.

Лифт-бар на круизном лайнере Oasis of the Sea от компании Royal Caribbean

Единственный в мире лифт-бар на круизном лайнере Oasis of the Sea.

Только взгляните, как укомплектован бар в панорамном лифте Oasis of the Sea!. | Фото: no1destinations.wordpress.com.

Морской гигант Oasis of the Sea, флагман компании Royal Caribbean, в 5 раз превышающий размер «Титаника», прославился не столько своими габаритами, роскошными и комфортабельными каютами, зонами отдыха и нестандартными развлечениями, сколько лифтом.

«Приливная волна», так называется уникальный подъемник, является единственным в мире лифтом-баром. Он перевозит 35 пассажиров, персонал и полностью укомплектованный бар. Лифт степенно движется вверх и вниз по атриуму круизного лайнера. Передвижной бар работает в течение всего дня, обеспечивая путешествующих одним из незабываемых и приятных впечатлений на борту, ведь поездка занимает минут 8, а это значит, что каждый успеет попробовать хоть один из коктейлей.

Традиционная энергетика

К традиционной энергетике относят угольные и газовые тепловые электростанции, а также ТЭЦ, работающие на мазуте. С точки зрения экологии наибольшие нарекания вызывает сжигание угля и мазута. В результате этого в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа, окиси серы и золы. Увеличение содержания углекислоты в атмосфере, по мнению некоторых учёных, может привести к нежелательному изменению климата планеты. Окись серы вызывает кислотные дожди, зола может сильно загрязнять среду в регионе расположения электростанции. Сжигание газа загрязняет атмосферу во всех отношениях в меньшей степени и пока даёт самую дешёвую традиционную энергию, но разведанные запасы газа в отличие от угля весьма ограничены. При существующем уровне добычи известных запасов хватит на 50-60 лет. Сегодня традиционная энергетика является основным источником энергии для человечества.

Ядерная энергетика, которую иногда относят к традиционной, имеет существенные отличия. Во-первых, перспективы исчерпания запасов топлива, с учётом технологий наработки нового топлива в реакторах, гораздо более отдалённы. Во- вторых, она не загрязняет атмосферу ни углекислым газом, ни окисью серы. В-третьих, топливо ядерной энергетики не является ценным сырьём для других отраслей промышленности.

Основными достоинствами традиционной и ядерной энергетики являются стабильность выработки энергии и относительная свобода размещения (не локальность). Транспортировка ядерного топлива не вызывает существенных издержек, по трубопроводам газ и нефть можно относительно дёшево перемещать на большие расстояния, рентабельность угольных станций от размещения зависит более существенно, но не драматично.

Традиционная энергетика

Это широкий пласт сформировавшихся отраслей тепло- и электроэнергетики, обеспечивающей порядка 95% мировых потребителей энергии. Генерация ресурса происходит на специальных станциях – это объекты ТЭС, ГЭС, АЭС и т. д. Они работают с готовой сырьевой базой, в процессе переработки которой происходит выработка целевой энергии. Выделяют следующие стадии производства энергии:

• Изготовление, подготовка и доставка исходного сырья на объект выработки того или иного вида энергии. Это могут быть процессы добычи и обогащения топлива, сжигание нефтепродуктов и т. д.
• Передача сырья к узлам и агрегатам, непосредственно преобразующим энергию.
• Процессы преобразования энергии из первичной во вторичную. Эти циклы присутствуют не на всех станциях, но, к примеру, для удобства доставки и последующего распределения энергии могут использоваться разные ее формы – в основном тепло и электричество.
• Обслуживание готовой преобразованной энергии, ее передача и распределение.

На завершающем этапе ресурс отправляется конечным потребителям, в качестве которых могут выступать и отрасли народного хозяйства, и рядовые домовладельцы.

Принцип действия и применение солнечных батарей в частном доме

Физическое явление, на котором основан принцип работы этого источника энергии – фотоэффект. Солнечный свет, попадая на её поверхность, высвобождает электроны, что создает избыточный заряд внутри панели. Если подключить к ней аккумулятор, то благодаря зарнице в количестве зарядов в цепи появится ток.

Принцип работы солнечной батареи заключается в фотоэффекте

Конструкции, способные улавливать и преобразовывать энергию солнца, многочисленны, разнообразны и постоянно улучшаются. Для множества народных умельцев совершенствование этих полезных конструкций превратилось в отличное хобби. На тематических выставках такие энтузиасты охотно демонстрируют множество полезных идей.

Чтобы сделать солнечные батареи, необходимо приобрести монокристаллические или поликристаллические фотоэлементы, поместить их в прозрачный каркас, который фиксируют прочным корпусом

Основа солнечной батареи — специальные кристаллы, которые улавливают энергию. В домашних условиях такие элементы изготовить невозможно, их придется приобретать

Кристаллы очень хрупкие, обращаться с ними нужно осторожно. Чтобы сделать солнечную батарею, необходимо:

1. Изготовить каркас для солнечных батарей из прозрачного материала, например, оргстекла.
2. Сделать корпус из металлического уголка, фанеры и т. п.
3. Аккуратно спаять кристаллические элементы в схему.
4. Поместить фотоэлементы в каркас.
5. Выполнить монтаж корпуса.

Вообще существует два вида фотоэлементов: монокристаллические и поликристаллические. Первые более долговечны и имеют КПД около 13%, а вторые быстрее выходят из строя, их КПД несколько ниже — менее 9%. Однако монокристаллические фотоэлементы хорошо работают лишь при стабильном потоке солнечной энергии, в облачный день их эффективность становится значительно ниже. А вот поликристаллические элементы переносят капризы погоды гораздо лучше.

Полученное электричество можно использовать для питания бытовой техники или же для обогрева помещения при помощи технологии теплого пола. Но энергия солнца пригодна не только для выработки электрической энергии. С помощью солнечной энергии можно нагревать воду. Об этом в следующем разделе статьи. Итак, преимущества этого источника энергии:

• неиссякаемость;
• отсутствие каких-либо отходов или шумов в процессе производства энергии;
• автономность;
• относительно дешевое техническое обслуживание;
• прогрессивность;

Недостатки этой технологии таковы:

• высокая стоимость самих панелей и наладочных работ;
• небольшое загрязнение планеты выбросами при производстве;
• дорогие аккумуляторные батареи;
• низкий КПД панелей, и, как следствие, необходимость их большого количества.

Видео: изготовление солнечной батареи своими руками

Готовые батареи размещают, разумеется, на самой солнечной стороне крыши. При этом следует предусмотреть возможность регулирования наклона панели. Например, во время снегопадов панели следует размещать практически вертикально, иначе слой снега может помешать работе батарей или даже повредить их.