Альтернативные виды энергии. Обзор источников электичесива

Ограниченные запасы ископаемого топлива и глобальное загрязнение окружающей среды заставило человечество искать возобновляемые альтернативные источники такой энергии, чтобы вред от ее переработки был минимальным при приемлемых показателях себестоимости производства, переработки и транспортировки энергоресурсов.

Современные технологии позволяют использовать имеющиеся альтернативные энергетические ресурсы, как в масштабе целой планеты, так и в пределах энергосети квартиры или частного дома.

Буйное развитие жизни на протяжении нескольких миллиардов лет наглядно доказывает обеспеченность Земли источниками энергии. Солнечный свет, тепло недр и химический потенциал позволяют живым организмам осуществлять множественные энергетические обмены, существуя в среде, созданной физическими факторами – температурой, давлением, влажностью, химическим составом.

Круговорот веществ и энергии в природе

Экономические критерии альтернативных источников энергии

Человек издревле использовал энергию ветра как движитель для кораблей, что позволяло развиваться торговле. Возобновляемое топливо из отмерших растений и отходов жизнедеятельности было источником тепла для приготовления пищи и получения первых металлов. Энергия перепада воды приводила в действие мельничные жернова. На протяжении тысячелетий это были основные виды энергии, которые мы теперь называем альтернативными источниками.

С развитием геологии и технологий добычи недр стало экономически выгодней добывать углеводороды и сжигать их для получения энергии по мере необходимости, чем ждать у моря погоды в буквальном смысле, надеясь на удачное совпадение течений, направления ветра, облачности.

Нестабильность и изменчивость погодных условий, а также относительная дешевизна двигателей, работающих на ископаемом топливе, заставили прогресс развиваться по пути использования энергии недр земли.

Диаграмма, демонстрирующая соотношение потребления ископаемых и возобновляемых источников энергии

Усвоенный и переработанный живыми организмами углекислый газ, покоившийся в недрах миллионы лет, снова возвращается в атмосферу при сжигании ископаемых углеводородов, что является источником парникового эффекта и глобального потепления. Благополучие будущих поколений и хрупкое равновесие экосистемы заставляют человечество пересмотреть экономические показатели и использовать альтернативные виды энергии , ведь здоровье дороже всего.

Сознательное использование возобновляемых природой альтернативных источников энергии становится популярным, но, как и прежде, преобладают экономические приоритеты. Но в условиях загородного дома или на даче использование источников альтернативного электричества и тепла может оказаться единственным экономически выгодным вариантом получения энергии, если проведение, подключение и установка линий энергоснабжения окажется слишком дорогой затеей.

Обеспечение удаленного от цивилизации дома минимально необходимым объемом электроэнергии с помощью солнечных панелей и ветрогенератора

Возможности использования альтернативных видов энергии

Пока ученые исследуют новые направления и разрабатывают технологии холодного термоядерного синтеза, домашние мастера могут использовать следующие альтернативные источники энергии для дома:

• Солнечный свет;
• Энергия ветра;
• Биологический газ;
• Разница температур;

По данным альтернативным видам возобновляемой энергии существуют готовые решения, успешно внедренные в массовое производство. Например – солнечные батареи, ветрогенераторы, биогазовые установки и тепловые насосы различной мощности можно приобрести вместе с доставкой и установкой, чтобы иметь свои альтернативные источники электричества и тепловой энергии для частного дома.

Промышленно выпускаемая солнечная панель, установленная на крыше частного дома

В каждом отдельном случае должен быть свой собственный план обеспечения домашних электроприборов источниками альтернативной электрической энергии, согласно потребностей и возможностей. Например, для питания ноутбука, планшета, зарядки телефона можно использовать источник напряжением 12 В., и переносные адаптеры. Данного напряжения, при достаточном объеме аккумулятора энергии будет достаточно для освещения при помощи .

Солнечные батареи и ветрогенераторы должны заряжать аккумуляторы, ввиду непостоянства освещения и силы энергии ветра. С увеличением мощности альтернативных источников электричества и объема аккумуляторов возрастает энергетическая независимость автономного энергоснабжения. Если требуется подключить к альтернативному источнику электричества электроприборы, работающие от 220 В., то применяют преобразователи напряжения .

Схема, иллюстрирующая питание домашних электроприборов от аккумуляторов, заряжаемых ветрогенератором и солнечными панелями

Альтернативная энергия солнечного излучения

В домашних условиях практически невозможно создать фотоэлементы, поэтому конструкторы альтернативных источников энергии используют готовые комплектующие, собирая генерирующие конструкции, добиваясь необходимой мощности. Соединение фотоэлементов последовательно увеличивает выходное напряжение полученного источника электричества, а подключение собранных цепочек параллельно дает больший суммарный ток сборки.

Схема подключения фотоэлементов в сборке

Ориентироваться можно на интенсивность энергии солнечного излучения – это примерно один киловатт на квадратный метр. Также нужно учитывать коэффициент полезного действия солнечных батарей – на данный момент это приблизительно 14%, но ведутся интенсивные разработки для увеличения КПД солнечных генераторов. Выходная мощность зависит от интенсивности излучения и угла падения лучей.

Можно начать с малого – приобрести одну или несколько небольших солнечных батарей, и иметь источник альтернативного электричества на даче в объеме, необходимом для зарядки смартфона или ноутбука, чтобы иметь доступ к глобальной сети интернет. Замеряя ток и напряжение, изучают объемы потребления энергии, обдумывая перспективу дальнейшего расширения использования источников альтернативной электроэнергии.

Установка дополнительных солнечных батарей на крыше дома

Нужно помнить, что солнечный свет также является источником теплового (инфракрасного) излучения, которое может использоваться для нагрева теплоносителя без дальнейшего преобразования энергии в электричество. Данный альтернативный принцип применяется в солнечных коллекторах , где при помощи отражателей инфракрасное излучение концентрируется и передается теплоносителем в систему отопления.

Солнечный коллектор в составе домашней системы отопления

Альтернативная энергия ветра

Простейший путь для самостоятельного создания ветрогенератора – это использовать автомобильный генератор. Для увеличения оборотов и напряжения источника альтернативного электричества (эффективности генерации электрической энергии) следует применить редуктор или ременную передачу. Объяснение всевозможных технологических нюансов выходит за рамки данной статьи – нужно изучать принципы аэродинамики, чтобы понять процесс преобразования скорости потока воздушных масс в альтернативное электричество.

На начальном этапе изучения перспектив преобразования возобновляемых источников альтернативной энергии ветра в электричество, нужно выбрать конструкцию ветряка. Наиболее распространенные конструкции – это лопастной винт с горизонтальной осью, ротор Савониуса, и турбина Дарье. Лопастной винт с тремя лопастями в качестве источника альтернативной энергии – наиболее распространенный вариант для самодельного изготовления.

Разновидности турбин Дарье

При проектировании лопастей винтов большое значение имеет угловая скорость вращения ветряка. Существует так называемый фактор эффективности винта, который зависит от скорости воздушного потока, а также длины, сечения, количества и угла атаки лопастей.

Обобщенно данную концепцию можно понять так – при малом ветре длины лопасти с самым удачным углом атаки будет недостаточно для достижения максимальной эффективности генерации энергии, но с многократным усилением потока и увеличением угловой скорости кромки лопастей будут испытывать чрезмерное сопротивление, которое может их повредить.

Сложный профиль лопасти ветряка

Поэтому длину лопастей рассчитывают исходя из средней скорости ветра, плавно изменяя угол атаки относительно удаления от центра винта. Для предотвращения поломки лопастей при ураганном ветре выводы генератора замыкают накоротко, что препятствует вращению винта. Для приблизительных расчетов можно принимать один киловатт альтернативной электроэнергии от трехлопастного винта диаметром 3 метра при средней скорости ветра 10м/с.

Для создания оптимального профиля лопасти потребуется компьютерное моделирование и ЧПУ станок. В домашних условиях мастера используют подручные материалы и инструменты, стараясь максимально точно воссоздать чертежи альтернативных источников ветровой энергии. В качестве материалов используется дерево, метал, пластик и т.д.

Самодельный винт ветрогенератора, сделанный из дерева и металлической пластины

Для генерации электричества мощности автомобильного генератора может оказаться недостаточно, поэтому мастера своими руками изготавливают генерирующие электрические машины, или переделывают электродвигатели. Наиболее популярная конструкция источника альтернативного электричества – ротор с попеременно размещенными неодимовыми магнитами и статором с обмотками.

Роторы самодельного генератора

Статор с обмотками для самодельного генератора

Альтернативная энергия биогаза

Биологический газ в качестве источника энергии получают в основном двумя способами – это пиролиз и анаэробное (без доступа кислорода) разложение органических веществ. Для пиролиза требуется лимитированная подача кислорода, необходимая для поддержания температуры реакции, при этом выделяются горючие газы: метан, водород, угарный газ и другие соединения: углекислый газ, уксусная кислота, вода, зольные остатки. В качестве источника для пиролиза лучше всего подходит топливо с большим содержанием смол. На видео ниже показана наглядная демонстрация выделения горючих газов из древесины при нагреве.

Для синтеза биогаза из отходов жизнедеятельности организмов применяются метантанки различных конструкций. Устанавливать метантанк дома своими руками имеет смысл при наличии в домашнем хозяйстве курятника, свинарника и поголовья крупного рогатого скота. Основной газ на выходе – метан, но большое количество примеси сероводорода и других органических соединений требует применения систем очищения для удаления запаха и предотвращения засорения горелок в тепловых генераторах или загрязнения топливных трактов двигателя.

Нужно основательное изучение энергии химических процессов, технологий с постепенным набором опыта, пройдя путь проб и ошибок, чтобы получить на выходе источника горючий биологический газ приемлемого качества.

Независимо от происхождения, после очистки смесь газов подается в теплогенератор (котел, печь, конфорка плиты) или в карбюратор бензинового генератора, — такими способами получается полноценная альтернативная энергия своими руками. При достаточной мощности газогенераторов возможно не только обеспечение дома альтернативной энергией, но и обеспечивается работа небольшого производства, как показано на видео:

Тепловые машины для экономии и получения альтернативной энергии

Тепловые насосы широко применяются в холодильниках и кондиционерах. Было замечено, для перемещения тепла требуется в несколько раз меньше энергии, чем для его генерации. Поэтому студеная вода из скважины имеет тепловой потенциал относительно морозной погоды. Понижая температуру проточной воды из скважины или из глубин незамерзающего озера, тепловые насосы отбирают тепло и передают его в систему отопления, при этом достигается значительная экономия электричества.

Экономия электроэнергии с помощью теплового насоса

Другой тип тепловой машины – двигатель Стирлинга, работающий от энергии разницы температур в замкнутой системе цилиндров и поршней, размещенных на коленчатом вале под углом 90º. Вращение коленвала может использоваться для генерации электричества. В сети имеется множество материалов из проверенных источников, подробно объясняющих принцип действия двигателя Стирлинга, и даже приводятся примеры самодельных конструкций, как на видео ниже:

К сожалению, домашние условия не позволяют создать двигатель Стирлинга с параметрами выхода энергии выше, чем у забавной игрушки или демонстрационного стенда. Для получения приемлемой мощности и экономичности требуется, чтобы рабочий газ (водород или гелий) был под большим давлением (200 атмосфер и больше). Подобные тепловые машины уже используются в солнечных и геотермальных электростанциях и начинают внедряться в частный сектор.

Двигатель Стирлинга в фокусе параболического зеркала

Чтобы получить максимально стабильное и независимое электричество на даче или в частном доме потребуется совмещения нескольких альтернативных источников энергии.

Новаторские идеи по созданию альтернативных источников энергии

Целиком и полностью охватить весь спектр возможностей возобновляемой альтернативной энергетики не сможет ни один знаток. Альтернативные источники энергии имеются буквально в каждой живой клетке. Например, водоросль хлореллы давно известна как источник белков в корме для рыб.

Ставятся опыты по выращиванию хлореллы в невесомости, для применения в качестве пищи космонавтов при дальних космических перелетах в будущем. Энергетический потенциал водорослей и других простых организмов изучается для синтеза горючих углеводородов.

Аккумулирование солнечного света в живых клетках хлореллы, выращиваемой в промышленных установках

Нужно иметь в виду, что преобразователя и аккумулятора энергии солнечного света лучшего, чем фторопласт живой клетки пока не придумано. Поэтому потенциальные возобновляемые источники альтернативного электричества имеются в каждом зеленом листе, осуществляющем фотосинтез .

Основная сложность состоит в том, чтобы собрать органический материал, при помощи химических и физических процессов достать оттуда энергию и преобразовать ее в электричество. Уже сейчас большие площади аграрных земель отводятся под выращивание альтернативных энергетических культур.

Уборка мискантуса — энергетической агротехнической культуры

Другим колоссальным источником альтернативной энергии может служить атмосферное электричество. Энергия молний огромная и обладает разрушительными воздействиями, и для защиты от них используются молниеотводы.

альтТрудности с обузданием энергетического потенциала молнии и атмосферного электричества состоят в большом напряжении и силе тока разряда за очень короткое время, что требует создания многоступенчатых систем из конденсаторов для накопления заряда с последующим использованием запасенной энергии. Также хорошие перспективы имеются у статического атмосферного электричества.