Alternativní druhy energie. Přehled elektrických zdrojů
Omezené zásoby fosilních paliv a globální znečištění životního prostředí nutily lidstvo hledat obnovitelné alternativní zdroje takové energie tak, aby škody z jejího zpracování byly minimální s přijatelnými ukazateli nákladů na výrobu, zpracování a přepravu energetických zdrojů.
Moderní technologie umožňují využívat dostupné alternativní zdroje energie, a to jak v měřítku celé planety, tak v rámci energetické sítě bytu či soukromého domu.
Prudký vývoj života během několika miliard let jasně dokazuje zásobování Země zdroji energie. Sluneční záření, teplo podloží a chemický potenciál umožňují živým organismům provádět mnohočetné energetické výměny, existující v prostředí vytvářeném fyzikálními faktory - teplotou, tlakem, vlhkostí, chemickým složením.
Koloběh látek a energie v přírodě
Ekonomická kritéria pro alternativní zdroje energie
Od pradávna využíval člověk větrnou energii jako pohon lodí, což umožnilo rozvoj obchodu. Obnovitelná paliva z odumřelých rostlin a odpadní produkty byly zdrojem tepla pro vaření a získávání prvních kovů. Energie vodní kapky uvedla mlýnské kameny do pohybu. Po tisíciletí to byly hlavní druhy energie, které dnes nazýváme alternativními zdroji.
S rozvojem geologie a těžebních technologií se stalo ekonomicky výhodnější těžit uhlovodíky a spalovat je na energii podle potřeby, než čekat na počasí u moře v doslovném slova smyslu a doufat v úspěšnou shodu proudů, směru větru. a oblačnost.
Nestabilita a proměnlivost povětrnostních podmínek, stejně jako relativní levnost motorů poháněných fosilními palivy, si vynutily pokrok směrem k využívání energie z útrob Země.
Diagram ukazující poměr spotřeby fosilní a obnovitelné energie
Oxid uhličitý asimilovaný a zpracovaný živými organismy, který po miliony let odpočíval v hlubinách, se při spalování fosilních uhlovodíků vrací do atmosféry, což je zdrojem skleníkového efektu a globálního oteplování. Blaho budoucích generací a křehká rovnováha ekosystému nutí lidstvo revidovat ekonomické ukazatele a využívat alternativní energie, protože zdraví je to nejcennější.
Vědomé využívání přírodních obnovitelných alternativních zdrojů energie se stává populární, ale stejně jako dříve převažují ekonomické priority. Ale ve venkovském domě nebo na chatě může být použití zdrojů alternativní elektřiny a tepla jedinou ekonomicky životaschopnou možností získávání energie, pokud se vedení, připojení a instalace napájecích vedení ukáže jako příliš nákladný podnik.
Poskytování domova vzdáleného od civilizace s minimálním požadovaným množstvím elektřiny pomocí solárních panelů a větrného generátoru
Možnosti využití alternativních druhů energií
Zatímco vědci zkoumají nové směry a vyvíjejí technologie studené fúze, kutilové mohou pro domácnost využívat následující alternativní zdroje energie:
- sluneční světlo;
- Větrná energie;
- biologický plyn;
- Teplotní rozdíl;
Pro tyto alternativní typy obnovitelné energie existují hotová řešení, která byla úspěšně implementována do hromadné výroby. Společně s dodávkou a montáží lze zakoupit například solární panely, větrné generátory, bioplynové stanice a tepelná čerpadla různých výkonů, abyste měli vlastní alternativní zdroje elektřiny a tepelné energie pro soukromý dům.
Komerční střešní solární panel
V každém případě by měl existovat vlastní plán poskytování domácích elektrických spotřebičů zdroji alternativní elektrické energie podle potřeb a možností. Můžete například použít 12V zdroj a přenosné adaptéry pro napájení notebooku, tabletu a nabíjení telefonu. Toto napětí při dostatečné akumulaci energie bude stačit pro osvětlení s.
Solární panely a větrné turbíny musí dobíjet baterie kvůli nekonzistentnímu osvětlení a větrné energii. S nárůstem kapacity alternativních zdrojů elektřiny a objemu baterií se zvyšuje energetická nezávislost autonomního napájení. Pokud chcete připojit elektrospotřebiče pracující od 220 V k alternativnímu zdroji elektrické energie, pak použijte měniče napětí.
Schéma znázorňující napájení domácích elektrických spotřebičů z baterií nabíjených větrným generátorem a solárními panely
Alternativní energie slunečního záření
Vytvořit fotovoltaické články doma je téměř nemožné, proto konstruktéři alternativních zdrojů energie používají hotové komponenty, sestavují generující struktury a dosahují požadovaného výkonu. Zapojením fotočlánků do série se zvýší výstupní napětí výsledného zdroje elektřiny, zatímco paralelní zapojení sestavených stringů dává vyšší celkový montážní proud.
Schéma zapojení fotobuněk v sestavě
Zaměřit se můžete na intenzitu slunečního záření – ta je zhruba jeden kilowatt na metr čtvereční. Počítat je potřeba i s účinností solárních panelů – v tuto chvíli je to cca 14 %, ale probíhá intenzivní vývoj na zvýšení účinnosti solárních generátorů. Výstupní výkon závisí na intenzitě záření a úhlu dopadu paprsků.
Můžete začít v malém – koupit si jeden nebo více malých solárních panelů a mít v zemi zdroj alternativní elektřiny v množství potřebném k nabití smartphonu nebo notebooku, abyste měli přístup ke globálnímu internetu. Měřením proudu a napětí studují objemy spotřeby energie s ohledem na perspektivu dalšího rozšíření využití zdrojů alternativní elektřiny.
Instalace dalších solárních panelů na střechu domu
Je třeba mít na paměti, že sluneční světlo je také zdrojem tepelného (infračerveného) záření, které lze využít k ohřevu chladicí kapaliny bez další přeměny energie na elektřinu. Tento alternativní princip se uplatňuje v sluneční kolektory kde se infračervené záření koncentruje pomocí reflektorů a přenáší chladicí kapalinou do topného systému.
Solární kolektor v systému vytápění domu
Alternativní větrná energie
Nejjednodušší způsob, jak postavit větrný generátor svépomocí, je použít generátor do auta. Pro zvýšení rychlosti a napětí zdroje alternativní elektřiny (účinnosti výroby elektrické energie) by měla být použita převodovka nebo řemenový pohon. Vysvětlování všemožných technologických nuancí je nad rámec tohoto článku - musíte si prostudovat principy aerodynamiky, abyste pochopili proces přeměny průtoku vzdušných hmot na alternativní elektřinu.
V počáteční fázi studia vyhlídek na přeměnu obnovitelných zdrojů alternativní větrné energie na elektřinu si musíte vybrat design větrné turbíny. Nejběžnější konstrukce jsou vrtule s horizontální osou, Savoniův rotor a Darrieusova turbína. Třílistá vrtule jako alternativní zdroj energie je nejběžnější DIY variantou.
Odrůdy Darrieusových turbín
Při konstrukci listů vrtule má velký význam úhlová rychlost otáčení větrného mlýna. Existuje tzv. faktor účinnosti vrtule, který závisí na rychlosti proudění vzduchu, dále na délce, průřezu, počtu a úhlu náběhu listů.
Obecně lze tento koncept chápat následovně - při slabém větru nebude délka listu s nejúspěšnějším úhlem náběhu stačit k dosažení maximální účinnosti výroby energie, ale při mnohonásobném zvýšení průtoku a zvýšení při úhlové rychlosti budou hrany lopatek vystaveny nadměrnému odporu, což je může poškodit.
Komplexní profil lopatky větrné turbíny
Proto se délka listů vypočítává na základě průměrné rychlosti větru, plynule mění úhel náběhu vzhledem ke vzdálenosti od středu vrtule. Aby se při hurikánovém větru nezlomily lopatky, jsou přívody generátoru zkratovány, což zabraňuje otáčení vrtule. Pro přibližné výpočty si můžete vzít jeden kilowatt alternativní elektřiny z třílisté vrtule o průměru 3 metry při průměrné rychlosti větru 10 m/s.
K vytvoření optimálního profilu čepele bude zapotřebí počítačová simulace a CNC stroj. Doma řemeslníci používají improvizované materiály a nástroje a snaží se co nejpřesněji znovu vytvořit kresby alternativních zdrojů větrné energie. Jako materiály se používá dřevo, kov, plast atd.
Domácí vrtule větrné turbíny vyrobená ze dřeva a kovového plechu
K výrobě elektřiny nemusí výkon automobilového generátoru stačit, takže řemeslníci vyrábějí elektrické stroje vlastníma rukama nebo upravují elektromotory. Nejoblíbenějším provedením alternativního zdroje elektřiny je rotor se střídavě umístěnými neodymovými magnety a stator s vinutím.
Domácí generátorové rotory
Stator s vinutím pro domácí generátor
Alternativní energie bioplyn
Biologický plyn jako zdroj energie se získává především dvěma způsoby – tímto pyrolýza a anaerobní (bez kyslíku) rozklad organické hmoty. Pro pyrolýzu je potřeba omezený přísun kyslíku, který je nutný pro udržení reakční teploty, přičemž se uvolňují hořlavé plyny: metan, vodík, oxid uhelnatý a další sloučeniny: oxid uhličitý, kyselina octová, voda, zbytky popela. Nejlepším zdrojem pro pyrolýzu je palivo s vysokým obsahem pryskyřice. Video níže ukazuje názornou ukázku uvolňování hořlavých plynů ze dřeva při zahřívání.
Metanové nádrže různých konstrukcí slouží k syntéze bioplynu z odpadních produktů organismů. Má smysl instalovat metatank doma s vlastními rukama, pokud je v domácnosti kurník, prasečí chlívek a množství dobytka. Hlavním výstupním plynem je metan, ale velké množství nečistot sirovodíku a dalších organických sloučenin vyžaduje použití čisticích systémů k odstranění zápachu a zabránění ucpání hořáků v generátorech tepla nebo kontaminaci palivových cest motoru.
Potřebujete důkladné prostudování energie chemických procesů, technologií s postupným souborem zkušeností, procházející cestou pokusů a omylů, abyste na výstupu zdroje získali hořlavý biologický plyn přijatelné kvality.
Bez ohledu na původ je plynová směs po vyčištění přiváděna do generátoru tepla (kotel, sporák, hořák sporáku) nebo do karburátoru benzinového generátoru - tímto způsobem získáte plnohodnotnou alternativní energii vlastním rukama . Při dostatečném výkonu plynových generátorů je možné nejen zásobovat dům alternativní energií, ale také zajistit provoz malé výroby, jak ukazuje video:
Tepelné motory pro úsporu a získávání alternativní energie
Tepelná čerpadlaširoce používané v chladničkách a klimatizacích. Bylo zjištěno, že přenos tepla vyžaduje několikrát méně energie než jeho výroba. Studená voda ze studny má tedy vzhledem k mrazivému počasí tepelný potenciál. Snížením teploty tekoucí vody ze studny nebo z hlubin nezamrzajícího jezera tepelná čerpadla odebírají teplo a předávají ho do topného systému, čímž dosahují výrazné úspory elektrické energie.
Úspora energie s tepelným čerpadlem
Dalším typem tepelného motoru je Stirlingův motor, který je poháněn energií rozdílu teplot v uzavřené soustavě válců a pístů umístěných na klikové hřídeli pod úhlem 90°. Otáčení klikového hřídele lze využít k výrobě elektřiny. V síti je mnoho materiálů z důvěryhodných zdrojů, které podrobně vysvětlují princip fungování Stirlingova motoru, a dokonce jsou uvedeny příklady domácích návrhů, jako ve videu níže:
Domácí podmínky bohužel neumožňují vytvořit Stirlingův motor s energetickými výstupními parametry vyššími, než má legrační hračka nebo předváděcí stojan. Pro získání přijatelného výkonu a účinnosti je nutné, aby pracovní plyn (vodík nebo helium) byl pod vysokým tlakem (200 atmosfér a více). Takové tepelné motory se již používají v solárních a geotermálních elektrárnách a začínají se zavádět do soukromého sektoru.
Stirlingův motor v ohnisku parabolického zrcadla
Chcete-li získat nejstabilnější a nezávislou elektřinu v zemi nebo v soukromém domě, budete muset kombinovat několik alternativních zdrojů energie.
Inovativní nápady pro vytváření alternativních zdrojů energie
Ani jeden odborník nebude schopen plně a kompletně pokrýt celou škálu možností obnovitelné alternativní energie. Alternativní zdroje energie jsou dostupné doslova v každé živé buňce. Například řasa chlorella je již dlouho známá jako zdroj bílkovin v rybím krmivu.
Probíhají experimenty s pěstováním chlorelly v nulové gravitaci, pro budoucí využití jako potrava pro astronauty při dálkových vesmírných letech. Energetický potenciál řas a dalších jednoduchých organismů je studován pro syntézu spalitelných uhlovodíků.
Akumulace slunečního záření v živých buňkách chlorelly pěstované v průmyslových závodech
Je třeba si uvědomit, že konvertor a akumulátor sluneční energie nebyl dosud vynalezen lépe než fluoroplast živé buňky. Potenciální obnovitelné zdroje alternativní elektřiny jsou proto k dispozici v každém provedení zeleného listu fotosyntéza.
Hlavním problémem je shromažďovat organický materiál pomocí chemických a fyzikálních procesů k získání energie odtud a její přeměně na elektřinu. Již nyní jsou velké plochy zemědělské půdy vyhrazeny pro pěstování alternativních energetických plodin.
Sklizeň miscanthus - energetická agrotechnická kultura
Dalším kolosálním zdrojem alternativní energie je atmosférická elektřina. Energie blesku je obrovská a má destruktivní účinky a k ochraně před nimi se používají hromosvody.
alt Obtíže při využití energetického potenciálu blesku a atmosférické elektřiny spočívají ve vysokém napětí a proudu výboje ve velmi krátké době, což vyžaduje vytvoření vícestupňových systémů kondenzátorů pro akumulaci náboje a následné využití nahromaděné energie. Dobré vyhlídky jsou také pro statickou atmosférickou elektřinu.