Время не стоит на месте. В глубокой древности люди использовали как источник энергии только собственные силы, или, по возможности, силы домашних животных. Потом первым внешним источником энергии, который научились использовать люди, был огонь. Все, что вначале умели получить от огня, это приготовление еды и обогрев своего жилища. Сегодня на службе у человечества находятся источники энергии, которые превышают человеческую силу в миллионы раз. Сейчас мы готовим еду не только с помощью огня, специальной техникой поднимаем тонны грузов, используя ракеты, покоряем космос, заглядываем в глубины Земли и строим миллионы городов. Тем не менее, в мире все чаще возникают локальные энергетические кризисы, связанные с недостатком энергетических ресурсов.
Закон энергии
Энергия никогда не исчезает, она может менять форму и накапливаться. Например, растения нуждаются в солнечном свете, они превращают солнечную энергию и накапливают ее. Вместе с тем, они отдают ее нам в виде съедобных продуктов, люди и животные потребляют эти растения и превращают эту энергию, которая в них накапливается, например, в мышечную работу. С другой стороны, при сжигании дров на костре также освобождается энергия, происходящая от Солнца. Кроме того, все ископаемые ресурсы планеты, прежде всего уголь, природный газ, нефть являются накопителями солнечной энергии. Все эти топливно-энергетические ресурсы образовались из останков животных и растений, которые существовали миллионы лет назад, под действием давления и чрезвычайно высокой температуры в земной коре.
Средневековому человеку показалось бы волшебством, если бы перед его глазами кто-нибудь добыл свет из угля или привел бы в движение машину с помощью нефти. Но это волшебство заключается только в том, чтобы сделать возможным накопление энергии и переход ее из одной формы в другую. В наше время этот процесс стал для всех настолько обычным, что мало кто задумывается об энергетической проблеме и о тех ресурсах, которые мы для этого берем. С того времени, когда человечество начало разгадывать секреты энергии, оно старается добыть энергию с наименьшими затратами. Идеальным вариантом было бы изобрести машину времени, так называемую «перпертум мобиле», которая производила бы энергию сама, получая ее из ничего. Но, к сожалению, такой вечный двигатель, который бы решил все проблемы энергетических ресурсов, создать невозможно. Общее количество энергии всегда остается неизменным, ее нельзя создать, можно лишь освободить накопившуюся энергию и превратить в другую: световую, электрическую, тепловую, физическую, химическую и т. д.
Вода как источник энергии
Человек может использовать мощную силу воды, на некоторых этапах вмешиваться в природный кругооборот воды, чтобы таким образом добывать энергию. Сегодня на гидроэлектростанциях производится электроэнергия, которую можно накапливать или же сразу потреблять по назначению.
Невероятной силы морские волны ежесекундно разбиваются о многочисленные побережья, мощная энергия их выполняет свою работу. Но человечество до сих пор не в силах использовать силу морских волн для производства энергии, хотя существует бессчетное количество теоретических моделей и идей их реализации для решения энергетической проблемы. С недавнего времени, а именно после аварии на Чернобыльской АЭС правительства многих морских государств всерьез заинтересовались этим безопасным источником энергии, до этого проводились испытания в основном в области атомной энергетики.
Уголь
Все виды угля - это результат процесса, длившегося миллионы лет, во время которого останки разнообразной растительности разложились и превратились под действием высокого давления в торф, затем - в уголь. Эти залежи на протяжении миллионов лет все глубже и глубже проникали в земную кору, покрываясь сверху новыми пластами. Например, слой торфа в 50 метров уплотнялся до пласта угля в 3 метра. Первыми, еще в I столетии нашей эры, с помощью угля отапливали свои жилища римляне. Исследователи считают, что торф использовался для отопления еще в доисторический период. И только в XVI веке уголь стали использовать в Европе как топливо.
Уголь и нефть по своему происхождению и химическому составу принадлежат к одной группе. На самом деле из угля так же, как из нефти, можно получить бензин. Этот способ был разработан в Германии во время Второй мировой войны, когда нефти для производства бензина не хватало. Этот метод заключается в том, что в процессе сжигания уголь размельчается и проходит определенные химические процессы, в результате чего получается отличное топливо.
Нефть
Как и другие виды ископаемого топлива, которое человечество сжигает для получения тепла и электроэнергии, нефть имеет чрезвычайно почтенный возраст. Самые старые месторождения нефти были образованы 600 млн лет назад. Нефть заполняла все пустоты и щели земной коры, создавая громадные месторождения. В наше время они активно отыскиваются, бурятся скважины и добываются огромные запасы этих залежей.
Из нефти производят все больше и больше веществ, потребляемых человечеством. Бензин и дизельное топливо - не единственные продукты, потребляемые человеком. Нефть является сырьем для производства лекарств, искусственных тканей, ядов, минеральных удобрений, косметики, пластмассы. Мы даже не подозреваем, насколько человечество зависимо от этих топливно-энергетических ресурсов. Не зря самые богатые страны в мире - это страны-добытчики и производители нефти. В наше время везде господствует нефть. Ни одна другая форма по мощности пока не может заменить нефть как источник энергии.
Природный газ
Газ, используемый для отопления, приготовления еды или производства электроэнергии, - это в большинстве случаев пропан, бутан или природный газ. Он был обнаружен во время бурения первых нефтяных скважин почти случайно. Сегодня природный газ обеспечивает пятую часть мировой потребности в энергии.
Природный газ, который сгорает во время приготовления еды, выделяет энергии в два раза больше, чем электрический ток, производимый тепловыми электростанциями. Природный газ, так же как и уголь, является ископаемым топливом, но по своему происхождению ближе к нефти. Именно поэтому он добывается вместе с нефтью или в виде самостоятельных газовых образований. Проще всего добывать природный газ из месторождений, которые находятся под землей, как на Ближнем Востоке или в Сибири. Безопасность при его выработке обеспечивается системой соединительных труб и вентилей, с помощью которых регулируют давление, так как газовые месторождения постоянно находятся под огромным давлением.
Главные европейские месторождения газа находятся в Италии, Франции и Голландии, а также в Северном море, возле побережья Великобритании и Норвегии. Кроме этого, Россия поставляет сибирский газ разветвленной системой газопроводов в страны Центральной Европы. Россия - главный поставщик газа, из Сибири поступает третья часть всех используемых в мире запасов газа.
Энергия из атомов
Атомную энергию человечество научилось получать на электростанциях путем расщепления ядра атома урана. Именно этот элемент имеет нестабильное ядро и легче всего расщепляется под действием нейтронов. В результате распада ядра освобождаются новые нейтроны, которые, в свою очередь, расщепляют другие ядра атомов. Этот процесс превращается в цепную реакцию и освобождает огромное количество энергии, которая используется для превращения воды в пар, приводящий в движение турбину и электрогенератор. К сожалению, этот способ решения энергетической проблемы небезопасный, вместе с энергией атомных ядер происходит радиоактивное излучение, опасное для всех живых организмов. Поэтому защита с помощью специальных кожухов на таких электростанциях должна быть максимальной.
Мягкие энергии
По мнению ученых, решение энергетической проблемы в будущем за мягкими альтернативными видами энергии. Существуют такие формы, как энергия ветра, биоэнергия и солнечная энергия. Они не тратят полезные ископаемые и не вредят окружающей среде. Еще их называют возобновляемыми источниками энергии. До тех пор, пока существует жизнь на Земле, сила ветра, биоэнергия и солнечная энергия неисчерпаемы, а ископаемые источники в виде угля, газа и нефти когда-нибудь исчезнут.
Биоэнергия
Биоэнергия - энергия, которая вырабатывается из растений. Для животных и людей растения являются самым важным источником энергии и пищевым продуктом. Растения получают запас энергии непосредственно от Солнца, древесина - носитель возобновляемой биоэнергии. Но потребности нашего индустриального общества настолько велики, что вся древесина на планете сможет удовлетворить только небольшую ее часть, не решая проблемы энергетической. Во многих странах древесина выступает основным источником энергии. Неконтролируемая вырубка ведет к уменьшению количества деревьев, поскольку часто для их насаждений не хватает денег. В таком случае этот источник постепенно становится невозобновляемым, что станет одной из причин энергетической проблемы.
Альтернативным и перспективным методом получения энергии считается производство биогаза. Он формируется из разрушенных веществ животного и растительного мира при отсутствии контакта с воздухом. Сельские хозяйства, где собирается в виде отходов много биомассы, могут использовать для производства метана специальные установки биогаза. Работа таких установок не вредит окружающей среде, а их использование не требует никаких затрат. Решение энергетической и сырьевой проблемы именно в таких альтернативных источниках. Но, конечно, сначала они должны быть построены, а первые опыты всегда связаны с большими расходами. Интересный способ расходовать меньше бензин, например, нашли в Бразилии. Они производят биоспирт - жидкость, получаемую из брожения сахарного тростника и кукурузы. Этот алкоголь добавляется к обычному бензину. Таким образом, страна становится менее зависимой от импорта бензина.
Еще один пример использования биоэнергии представляют собой калифорнийские побережья. На морских фермах выращивается одна из разновидностей морских водорослей, которые ежедневно вырастают на полметра. Их также перерабатывают для получения бензина, а другие виды водорослей используют как сырье на тепловых электростанциях, уменьшая энергетическую и сырьевую проблему.
Энергия ветра
Ветер - один из традиционных источников энергии. Еще в VII веке до н. э. в Персии использовали ветряки, а в 1920 году в США впервые ветряк использовали для производства электроэнергии. Еще спустя 10 лет в Австрии и Баварии были построены ветряные установки, которые обеспечивали собственным электричеством целые местности.
Современные силовые установки производят электроэнергию. С помощью силы ветра движутся электрогенераторы, которые питают электросеть или же накапливают энергию в аккумуляторных батареях. По мнению специалистов, использование силы ветра имеет большое будущее, если человечество отдаст предпочтение развитию технологии альтернативной энергетики, а не атомной энергетике и использованию нефти как источника энергии.
Солнечная энергия
С точки зрения производства энергии, мы можем рассматривать Солнце как разновидность атомного реактора чрезвычайной мощности. Только миниатюрная частичка достигает Земли, но даже она дает возможность жизни. Можно ли превращать солнечную энергию непосредственно в электрическую? Да, это вполне возможно с помощью солнечных батарей. Уже сегодня везде, где ярко светит Солнце и потребности в электроэнергии небольшие, получают энергию непосредственно от Солнца. Солнечные батареи - это пластины, которые имеют два чрезвычайно тонких слоя. Один слой состоит из кремния, второй - из кремния и бора. Вместе с солнечным светом, который попадает на солнечную батарею, на ее внешний слой проникают фотоны - мельчайшие частички света, излучаемые Солнцем. Они приводят в движение электроны, перенося их во второй слой и, таким образом, вызывают электрическое напряжение. Перемещаемые электроны попадают в накопитель тока, затем - в электрические проводники. Таким образом, например, станции на солнечных батареях уже решают энергетическую проблему Дальнего Востока.
Солнечные батареи постоянно совершенствуются. Пока они еще очень дорогие, но надеемся, что в недалеком будущем они станут достаточно эффективными и дешевыми и смогут решить глобальную энергетическую проблему, удовлетворить значительную часть потребностей человечества в электроэнергии. Такие солнечные фермы сейчас находятся в нежилых краях из-за чрезвычайной жары. Перспективы использования солнечной энергии огромные, по мнению специалистов, если техника для производства водорода будет дальше развиваться, то накопленную в пустынных районах солнечную энергию можно будет доставлять в виде водорода к странам-потребителям.
Зачем беречь энергетические запасы?
Залежи нефти, угля и природного газа, образованные нашей планетой на протяжении миллионов лет, человечество тратит за несколько лет. Когда мы бездумно тратим эти запасы с увеличением добычи энергоносителей, мы обворовываем своих потомков.
Этим мы нарушаем баланс энергии на Земле, ведь соотношение полученной энергии и отдаваемой обратно в космос должно быть уравновешенным. Если же человечество уничтожает и сжигает энергетические запасы, то образуются газы, которые препятствуют возвращению в космос излишка солнечной энергии. Как результат, возникает глобальная энергетическая проблема - наша планета становится теплее, возникает явление, называемое парниковым эффектом. Парниковый эффект может настолько изменить мировой климат, что произойдет расширение пустынь, образуются опустошающие смерчи, растает лед на полюсах, значительно поднимется уровень моря, множество побережий будут залиты водой.
Кроме того, время истощения энергетических ресурсов уже пришло. Ученые бьют тревогу, доказывая, что энергетических ископаемых запасов хватит на несколько десятков лет, затем потребление энергии снизится и благосостояние человечества тоже. Решение проблемы в быстром переходе общества к разумному потреблению энергетических запасов и разработке новых альтернативных и безопасных методов добычи энергии.
Для владельцев частных домов есть возможность значительно уменьшить счета за коммунальные услуги или вообще не пользоваться услугами поставщиков тепла, электроэнергии и газа. Можно даже обеспечить немалое хозяйство, а при желании и продавать излишки. Это реально и некоторыми уже проделано. Для этого используют альтернативные источники энергии.
Откуда можно получать энергию и в каком виде
На самом деле энергия, в том или ином виде, в природе есть практически везде — солнце, ветер, вода, земля — везде есть энергия. Основная задача — извлечь ее оттуда. Этим человечество занимается уже не одну сотню лет и достигло неплохих результатов. На сегодняшний момент альтернативные источники энергии могут обеспечить дом теплом, электроэнергией, газом, теплой водой. Причем альтернативная энергетика не требует каких-то сверх навыков или сверх знаний. Все можно сделать для своего дома своими руками. Итак, что можно сделать:
Все альтернативные источники энергии способны полностью обеспечить потребности человека, но для этого требуются слишком большие капиталовложения или/и слишком большие площади. Потому разумнее делать комбинированную систему: получать энергию от альтернативных источников, а при недостатке «добирать» из централизованных сетей.
Использование солнечной энергии
Один из самых мощных альтернативных источников энергии для дома — солнечное излучение. Для преобразования солнечной энергии есть два типа установок:
Не стоит думать что работают установки только не юге и только летом. Хорошо они работают и зимой. В ясную погоду при выпавшем снеге выработка энергии только немного ниже летней. Если в вашем регионе большое количество ясных дней, использовать подобную технологию можно.
Солнечные батареи
Солнечные батареи собирают из фотоэлектрических преобразователей, которые изготавливают на базе минералов, которые под действием солнечного света испускают электроны — вырабатывают электрический ток. Для частного применения используются кремниевые фотопреобразователи. По своей структуре они бывают монокристаллическими (сделаны из одного кристалла) и поликристаллическими (много кристаллов). Монокристаллические имеют более высокий КПД (13-25% в зависимости от качества) и более продолжительный срок службы, но стоят дороже. Поликристаллические вырабатывают меньше электроэнергии (9-15%) и быстрее выходят из строя, но имеют более низкую цену.
Это поликристаллический фотопреобразователь. Обращаться с ними надо аккуратно — они очень хрупкие (монокристаллические тоже, но не в такой степени)
Сборка солнечной батареи своими руками несложна. Сначала надо приобрести некоторое количество кремниевых фотоэлементов (количество зависит от требуемой мощности). Чаще всего их покупают на китайских торговых площадках типа АлиЭкспресс. Затем порядок действий прост:
Несколько слов о том, почему подложку для солнечной панели (батареи) надо красить в белый цвет. Рабочий диапазон температур кремниевых пластин от — 40°C до +50°C. Работа при более высоких или низких температурах приводит к быстрому выходу элементов из строя. На крыше, летом, в закрытом объеме, температура может быть намного выше +50°C. Потому и необходим белый цвет — чтобы не перегреть кремний.
Солнечные коллекторы
При помощи солнечных коллекторов можно нагревать воду или воздух. Куда направлять нагретую солнцем воду — в краны для горячего водоснабжения или в систему отопления — выбираете вы сами. Только отопление будет низкотемпературным — для теплого пола, то что требуется. Но для того, чтобы температура в доме не зависела от погоды, систему требуется сделать резервируемой, чтобы при необходимости подключался другой источник тепла или котел переходил на другой источник энергии.
Солнечные коллекторы есть трех видов: плоские, трубчатые и воздушные. Наиболее распространенные — трубчатые, но и другие тоже имеют право на существование.
Плоские пластиковые
Две панели — черная и прозрачная — соединены в один корпус. Между ними расположен медный трубопровод в виде змейки. От солнца нижняя темная панель нагревается. от нее греется медь, а от нее — проходящая по лабиринту вода. Такой способ использования альтернативных источников энергии не самый эффективный, но привлекателен тем, что он очень прост в исполнении. Таким образом можно нагревать воду в . Надо будет только зациклить ее подачу (при помощи циркуляционного насоса). Точно также можно подогревать воду в емкости для или использовать ее для бытовых нужд. Недостаток подобных установок — низкая эффективность и производительность. Чтобы нагреть большой объем воды, нужно или много времени, или большое количество плоских коллекторов.
Трубчатые коллекторы
Это стеклянные трубки — вакуумные или коаксиальные — по которым протекает вода. Специальная система позволяет по максимуму концентрировать в трубках тепло, которое передается протекающей через них воде.
В системе обязательно есть накопительная емкость, в которой вода и греется. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом. Такие системы самостоятельно не сделать — стеклянные трубки сделать своими руками проблематично и это — главный недостаток. Вместе с высокой ценой он сдерживает широкое внедрение этого источника энергии для дома. А сама система очень эффективна, на «ура» справляется с нагревом воды для ГВС и вносит приличный вклад в отопление.
Схема организации отопления и ГВС за счет альтернативных источников энергии — с использованием солнечных коллекторов
Воздушные коллекторы
В нашей стране они встречаются очень редко и зря. Они просты, их легко можно сделать своими руками. Единственный минус — требуется большая площадь: могут занимать всю южную (восточную, юго-восточную) стену. Система очень похожа на плоские коллекторы — черная нижняя панель, прозрачная верхняя, но греют они напрямую воздух, который принудительно (вентилятором) или естественным путем направляется в помещение. Несмотря на кажущуюся несерьезность, таким способом можно на протяжении светового дня греть небольшие помещения, в том числе и технические или подсобные: , дачи, сараи для живности.
Такой альтернативный источник энергии как солнце, дарит нам свое тепло, но большая его часть уходит «в никуда». Словить небольшую ее долю и использовать для личных нужд — вот задача, которую решают все эти приспособления.
Ветрогенераторы
Альтернативные источники энергии хороши тем, что они по большей части относятся к возобновляемым ресурсам. Самый вечный, наверное, ветер. Пока есть атмосфера и солнце, ветер тоже есть. Может какой-то непродолжительный период воздух и будет неподвижным, но очень недолго. Наши предки использовали энергию ветра в мельницах, а современный человек преобразует ее в электричество. Все что для этого требуется:
- вышка, установленная в ветреном месте;
- генератор с приделанными к нему лопастями;
- накопительной батареи и системы распределения электрического тока.
Вышка строится любая, из любого материала. Накопительная батарея — аккумулятор, тут ничего не придумаешь, а куда подавать электричество — ваш выбор. Остается только сделать генератор. Его тоже можно купить уже готовым, но вполне можно сделать из двигателя от бытовой техники — стиральной машины, шуруповерта и т.п. Нужны будут неодимовые магниты и эпоксидная смола, токарный станок.
На роторе мотора размечаем места под установку магнитов. Они должны находится на равном расстоянии друг от друга. Ротор выбранного мотора обтачиваем, формируя «посадочные места». Дно выемки должно иметь небольшой наклон, чтобы поверхность магнита была наклонена. В выточенные места на жидкие гвозди приклеиваются магниты, заливаются эпоксидной смолой. Поверхность затем наждачной бумагой доводится до гладкости. Далее надо приделать щетки, которые будут снимать ток. И все, можно собирать и запускать ветрогенератор.
Такие установки довольно эффективны, но их мощность зависит от многих факторов: интенсивности ветра, того, насколько правильно сделан генератор, насколько эффективно снимается разность потенциала щетками, от надежности электрических соединений и т.п.
Тепловые насосы для отопления дома
Тепловые насосы используют все имеющиеся в наличии альтернативные источники энергии. Они отбирают тепло у воды, воздуха, грунта. В небольших количествах это тепло есть там даже зимой, вот его и собирает тепловой насос и перенаправляет на обогрев дома.
Тепловые насосы также используют альтернативные источники энергии — тепло земли, воды и воздуха
Принцип работы
Чем же так привлекательны тепловые насосы? Тем, что затратив 1 кВт энергии на ее перекачку, в самом плохом варианте вы получите 1,5 кВт тепла, а самые удачные реализации могут дать до 4-6 кВт. И это никак не противоречит закону сохранения энергии, ведь расходуется энергия не на получение тепла, а не его перекачивание. Так что никаких нестыковок.
У тепловых насосов есть три рабочих контура: два наружных и они внутренний, а также испаритель, компрессор и конденсатор. Работает схема так:
- В первом контуре циркулирует теплоноситель, который отбирает тепло у низкопотенциальных источников. Он может быть опущен в воду, закопан в землю, а может отбирать тепло у воздуха. Самая высокая температура, которая достигается в этом контуре — около 6°C.
- Во внутреннем контуре циркулирует теплоноситель с очень низкой температурой кипения (обычно 0°C). Нагревшись, хладагент испаряется, пар попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется тепло, пары хладагента разогреваются до температуры в среднем от +35°C до +65°C.
- В конденсаторе тепло передается теплоносителю из третьего — отопительного — контура. Остывающие пары конденсируются, затем дальше попадают в испаритель. И далее цикл повторяется.
Отопительный контур лучше всего делать в виде теплого пола. Температуры для этого самые подходящие. Для радиаторной системы потребуется слишком большое число секций, что некрасиво и невыгодно.
Альтернативные источники тепловой энергии: откуда и как брать тепло
Но самые большие сложности вызывает устройство первого внешнего контура, который собирает тепло. Так как источники низкопотенциальные (тепла у низ мало), то для сбора его в достаточном количестве требуются большие площади. Есть четыре вида контуров:
- Кольцами уложенные в воде трубы с теплоносителем. Водоем может быть любым — река, пруд, озеро. Главное условие — он не должен промерзать насквозь даже в самые сильные морозы. Более эффективно работают насосы, выкачивающие тепло из речки, в стоячей воде тепла передается намного меньше. Такой источник тепла реализуется проще всего — закинуть трубы, привязать груз. Только велика вероятность случайного повреждения.
- Термальные поля с закопанными ниже глубины промерзания трубами. В этом случае недостаток один — большие объемы земляных работ. Приходится снимать грунт на большой площади, да еще на солидную глубину.
- Использование геотермальных температур. Бурят некоторое количество скважин большой глубины, в них опускают контура с теплоносителем. Чем хорош этот вариант — мало места требует, но не везде есть возможность бурить на большие глубины, да и услуги буровых стоят немало. Можно, правда, но работа все равно нелегкая.
- Извлечение тепла из воздуха. Так работают кондиционеры с возможностью обогрева — отбирают тепло у «забортного» воздуха. Даже при минусовой температуре такие агрегаты работают, правда при не очень «глубоком» минусе — до -15°C. Чтобы работа была интенсивнее, можно использовать тепло от вентиляционных шахт. Закинуть туда несколько переть с теплоносителем и качать оттуда тепло.
Основной недостаток тепловых насосов — высокая цена самого насоса, да и монтаж полей сбора тепла обходится недешево. На этом деле можно сэкономить, сделав насос самостоятельно и также своими руками уложив контура, но сумма все равно останется немалой. Плюс в том, что отопление будет недорогим а действовать система будет долго.
Отходы в доходы:
Все альтернативные источники энергии имеют природное происхождение, но получать двойную выгоду можно только от биогазовых установок. В них перерабатываются отходы жизнедеятельности домашних животных и птицы. В результате получается некоторый объем газа, который после очищения и осушения можно использовать по прямому назначению. Оставшиеся переработанные отходы можно продать или использовать на полях для повышения урожайности — получается очень эффективное и безопасное удобрение.
Коротко о технологии
Образование газа происходит при брожении, и участвуют в этом бактерии, живущие в навозе. Для выработки биогаза подходят отходы любого скота и птицы, но оптимален навоз КРС. Его даже добавляют к остальным отходам для «закваски» — в нем содержатся именно нужные для переработки бактерии.
Для создания оптимальных условий необходима анаэробная среда — брожение должно проходить без доступа кислорода. Потому эффективные биореакторы — закрытые емкости. Чтобы процесс шел активнее, необходимо регулярное перемешивание массы. В промышленных установках для этого устанавливаются мешалки с электроприводами, в самодельных биогазовых установках это обычно механические устройства — от простейшей палки до механических мешалок, которые «работают» от силы рук.
В процессе образования газа из навоза участвуют два типа бактерий: мезофильные и термофильные. Мезофильные активны при температуре от +30°C до +40°C, термофильные — при +42°C до +53°C. Более эффективно работают термофильные бактерии. При идеальных условиях выработка газа с 1 литра полезной площади может достигать 4-4,5 литров газа. Но поддерживать в установке температуру в 50°C очень непросто и затратно, хотя затраты себя оправдывают.
Немного о конструкциях
Самая простая биогазовая установка — это бочка с крышкой и мешалкой. В крышке сделан вывод для подключения шланга, по которому газ поступает в резервуар. От такого объема много газа не получите, но на одну-две газовые горелки его хватит.
Более серьезные объемы можно получить от подземного или надземного бункера. Если речь о подземном бункере, то его делают из железобетона. Стенки от грунта отделяют слоем теплоизоляции, саму емкость можно разделить на несколько отсеков, в которых будет происходить переработка со сдвигом во времени. Так как работают в таких условиях обычно мезофильные культуры, весь процесс занимает от 12 до 30 дней (термофильные перерабатывают за 3 дня), потому сдвиг по времени желателен.
Навоз поступает через бункер загрузки, с противоположной стороны делают люк выгрузки, откуда отбирают переработанное сырье. Заполняется бункер биосмесью не полностью — порядка 15-20% пространства остается свободным — тут скапливается газ. Для его отвода в крышку встраивается трубка, второй конец которой опускается в гидрозатвор — емкость частично заполненную водой. Таким образом газ осушается — в верхней части собирается уже очищенный, он отводится при помощи другой трубки и уже может подавиться к потребителю.
Использовать альтернативные источники энергии может каждый. Владельцам квартир осуществить это сложнее, а вот в частном доме можно хоть все идеи реализовать. Есть уже даже реальные примеры того. Люди обеспечивают полностью потребности свои и немалого хозяйства.
Где брать энергию? Не секрет, что люди рано или поздно исчерпают запасы нефти, газа, угля и даже урана, которые ещё остались на планете. Возникает вполне резонный вопрос: «Что же делать дальше? Где брать энергию?». Ведь вся наша жизнь базируется на использовании энергии. Получается, что после того как закончатся запасы углеводородов закончится и существование цивилизации?
Выход есть! Это так называемые альтернативные источники энергии. Кстати многие из них применяются, причем успешно, уже в настоящее время. Энергия ветра, приливов, солнца и геотермальные источники ─ успешно используется и преобразовывается людьми в электроэнергию. Но это так сказать .
В настоящее время, существуют сотни теорий и разработок по созданию и использованию необычных альтернативных источников энергии. Описанные в этой статье альтернативные источники энергии являются необычными только в том смысле, что они пока не стали популярными, массово не используются, непрактичны, убыточны и т.д.
Но это совсем не значит, что они не смогут эффективно применятся возможно уже в самом ближайшем будущем. Ведь та же нефть, как источник энергии была известна с древнейших времен, но только с конца времени промышленной революции, нефть смогли получить и обработать в пригодную для использования форму.
Неизвестно, что мы в будущем будем использовать для получения энергии, но традиционным источникам энергии наверняка есть альтернативы, и вполне возможно, хотя бы один из перечисленных ниже способов получения электрической энергии сможет стать распространенным и популярным.
Вот 5 необычных альтернативных источников энергии, которые вызывают реальную надежду на эффективное использование их в будущем:
Первая экспериментальная электростанция, получающая энергию из соленой воды создана компанией Statkraft в Норвегии. Электростанция для получения электроэнергии использует физический эффект - осмос. С помощью этого эффекта в результате смешивания солёной и пресной воды извлекается энергия из увеличивающейся энтропии жидкостей. затем эта энергия используется для вращения гидротурбины электрогенератора.
Разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт. Фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора. А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД.
Для получения электрической энергии используется термоэлектрический эффект. Это довольно старая технология, опять ставшая актуальной в наше время за счет массового использования энергосберегающих источников света и различных переносных электроприемников. Уже существуют и с успехом используются промышленные разработки, например отопительно-варочные печи, со встроенными термогенераторами, которые в процессе своей работы позволяют получать не только тепло, но и электроэнергию.
Созданы экспериментальные установки, которые позволяют получать электроэнергию за счет использования кинетической энергии - пешеходные дорожки, турникеты на железнодорожных вокзалах, специальный танцпол со встроенными в него пьезоэлектрическими генераторами. Есть идеи в ближайшем будущем создать специальные "зеленые тренажерные залы", в которых группа спортивных тренажерных велосипедов сможет, по словам производителей, генерировать до 3,6 мегаватт возобновляемой электроэнергии в год.
В данном источником энергии является специальный наногенератор, преобразующий в электрическую энергию микроколебания в человеческом теле. Устройству довольно малейших вибраций, чтобы вырабатывать электический ток, позволяющий поддерживать работоспособность мобильных устройств. Современные наногенераторы превращают любые движения и перемещения в источник энергии. Очень перспективны и интересны варианты совместного использования наногенераторов и солнечных батарей.
А что вы думаете по этому поводу? Может быть вам известны другие новые альтернативные источники электроэнергии. Поделитесь в комментариях!
До недавнего времени основными источниками энергии являлись: нефть, газ, уголь, вода и древесина. Однако природные ресурсы стремительно истощаются, цены на них растут, к тому же выбросы от их переработки оказывают негативное влияние на окружающую среду. По этим причинам многие страны склоняются к внедрению и развитию инновационных решений в области энергетики, которые позволят заменить традиционные виды топлива. В данной статье мы рассмотрим, что такое альтернативные источники энергии, их виды, эффективность и перспективы применения.
Читайте в статье
Альтернативные источники энергии – что это такое
Альтернативный источник энергии (АИЭ) представляют собой экологически чистый возобновляемый ресурс, который при преобразовании позволяет получать тепло или электричество, используемые для повседневных нужд человека. К таким ресурсам следует отнести все существующие виды природных водоёмов, солнце, ветер, тепло из недр земли, биологическое топливо, а также переработанное вторсырьё. Альтернативные источники энергии, в отличие от традиционных видов, могут возобновляться неограниченное количество раз, они более эффективны, дешевле и экологически безопасны.
Возьмите на заметку:
Виды альтернативных источников энергии
В зависимости от возобновляемого ресурса современные источники энергии разделяются на несколько видов, которые определяют способы её преобразования и типы установок, предназначенных для этого. Рассмотрим кратко альтернативные источники энергии и их характеристики.
Использование альтернативных источников энергии – солнце и ветер
Преобразование энергии солнца при помощи специальных устройств позволяет получать тепло и электричество для дальнейшего использования. Электрическая энергия генерируется благодаря физическим процессам, которые происходят в кремниевых полупроводниках солнечных панелей под воздействием солнечных лучей, а тепловая – свойствам газов и жидкостей.
Использование ветра в качестве альтернативного источника энергии основано на преобразовании силы воздушных потоков в электричество при помощи специальных генераторных установок. Ветрогенераторы имеют различную конструкцию и габариты, а также отличаются и по месту расположения. Ветер приводит в движение лопасти, которые, в свою очередь, вращают генератор, вырабатывающий электроэнергию.
Вода и тепло Земли на службе человека
Силу воды для получения электроэнергии человек научился использовать уже давно. Раньше для этого строились гидроэлектростанции, которые перекрывали реки, это были как небольшие, так и грандиозные сооружения. С развитием технологий конструкции гидроэлектростанций изменились, и теперь появилась возможность получать электричество не только за счёт силы речного потока, но и благодаря приливам морей и океанов (приливные станции). Вода падает на лопасти турбин, вращающих генератор, который вырабатывает электроэнергию, поступающую к потребителю.
В недрах нашей Земли скрыты огромные запасы тепла, которые позволяют заменить более дорогостоящие и «грязные» источники энергии. Это направление называется геотермальной энергетикой, в которой используют четыре основных вида теплоресурсов:
- поверхностное тепло земли;
- энергия пара и горячей воды, находящиеся у поверхности земли;
- тепло, сконцентрированное глубоко в недрах планеты;
- энергия магмы и тепла, скапливаемого под вулканами.
Внутреннее тело земли используется для отопления домов и производства электричества. Его запасы в 35 млрд раз превышают годовую потребность в энергии во всём мире. Первая геотермальная электростанция мощностью в 7,5 МВт была введена в Италии в 1916 году. На данный момент себестоимость электроэнергии, вырабатываемой ТеоТЭС, практически равна той, что производится угольными ТЭС.
Геотермальная электростанция Хеллишейди в Исландии – хороший проект альтернативного источника электроэнергии Биотопливо – альтернатива бензину
Биотопливо является альтернативным источником энергии, которая получается вследствие переработки органического сырья или отходов. Этот вид топлива может быть в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. В качестве твёрдого биотоплива используется дерево, брикеты и пеллеты из её отходов древесины или сельхозпродукции (лузга подсолнечника и гречихи, ореховая скорлупа и т.д.). Данное топливо используют для выработки тепловой и электрической энергии на ТЭС.
Жидкое биотопливо получают путём переработки растительной массы определённых сельскохозяйственных культур и их отходов (солома) и используют в основном в качестве горючего для автомобилей. К этому виду экотоплива можно отнести:
- биоэтанол;
- биометанол;
- биобутанол;
- биодизель;
- диметиловый эфир.
Газообразное экотопливо бывает трёх видов: биогаз, биоводород и метан. Его получают посредством брожения биологической массы. Сырьё подвергается воздействию особых бактерий, которые разлагают биомассу, и вследствие этого вырабатывается газ.
Развитие альтернативных источников энергии
По данным Минэнерго РФ, доля использования альтернативных источников энергии в России составляет всего лишь 1%. Планируется увеличить данный показатель к 2020 году до 4,5%, за счёт привлечения не только средств правительства Российской Федерации, но и частных предпринимателей. Развитие альтернативной энергетики имеет большой потенциал:
- ввиду малой заселённости морских и океанских побережий Камчатки, Чукотки, Сахалина и других территорий возможно развитие ветровой и приливной энергетики;
- актуально развитие солнечной энергетики, особенно в Ставропольском и Краснодарском крае, на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и пр.
К сожалению, альтернативная энергетика не является приоритетным направлением российской промышленности. Основной проблемой является финансирование подобных проектов. Иногда добыча угля и нефти обходится дешевле, чем строительство ветрогенераторных и солнечных электростанций.
Альтернативные источники энергии для частного дома
Владельцы частных домов, благодаря использованию альтернативных источников энергии, могут существенно снизить расходы по коммунальным счетам или полностью отказаться от услуг поставщиков газа, электричества и тепла. Также имеется возможность не только сделать своё хозяйство энергонезависимым, но и реализовывать излишки. Государство всячески поощряет развитие и использование установок альтернативных источников энергии рядовыми гражданами. Для получения тепла и электричества при помощи нетрадиционных источников энергии можно использовать заводское оборудование или сделать его своими руками. Итак, альтернативная энергетика позволяет:
- преобразовывать солнечную энергию в электричество или тепло для горячего водоснабжения и низкотемпературного отопления;
- с помощью специальных генераторов получать электроэнергию, используя силу ветра;
- с помощью специальных насосов забирать из земли, воды и воздуха тепло и отапливать дома и вырабатывать электроэнергию посредством теплогенераторов;
- получение газа из отходов сельхозпродукции, биологических материалов и продуктов жизнедеятельности домашних животных и птиц.
Наибольшая эффективность достигается путём использования нескольких видов источника альтернативной энергии.
Солнечная энергия как альтернативный источник энергии
Использование энергии солнца позволяет получать при помощи солнечных полупроводниковых панелей и коллекторов электричество и горячую воду для отопления и ГВС. Под воздействием света на кремниевые элементы возникает направленное движение электронов (электрический ток). Соединив достаточное количество панелей, можно получить электричество, которое хватит для обеспечения нужд одного дома. Так, например, солнечная батарея площадью 1,4 м2 при хорошей освещённости выдаёт 24 В при мощности порядка 270 Вт. Поскольку солнце светит не всё время и с разной силой, то невозможно подключить бытовые приборы напрямую к преобразующим панелям. Для того чтобы пользоваться электричеством от солнечных батарей, нужна целая система, включающая в себя:
- аккумулятор (АКБ) для накопления излишков электроэнергии (задействуется в тёмное время суток и ненастную погоду);
- контроллер (необязателен, но рекомендован) предназначен для мониторинга уровня заряда АКБ, чтобы не допустить полной разрядки или перезаряда, а также для оптимизации работы солнечных панелей;
- инвертор , преобразующий постоянный ток в переменный и позволяющий получить напряжение в 220−230 В.
Для того чтобы сделать дом или дачу полностью независимым от централизованного электроснабжения, необходимо установить большое количество батарей и несколько аккумуляторов. Это, конечно, недёшево, но в итоге полностью окупается за сравнительно короткий срок. Набор панелей для выработки 1500 Вт в сутки, чего хватит для обеспечения дачи или некоторых электроприборов в доме, стоит порядка 1 000 $, для производства 4 кВт – около 2 200 $, а 9 кВт – 6 200 $. Можно купить небольшую установку и впоследствии дополнить её новыми солнечными батареями, добившись требуемой мощности.
Альтернативные источники электроэнергии для частного дома – солнечные панели
Итак, мы уже рассмотрели, что солнечная энергия может использоваться для получения электроэнергии (полупроводниковые панели) и тепла для отопления и горячего водоснабжения (коллекторы). Разберём, что представляют собой солнечные батареи. Солнечная батарея состоит из определённого количества кремниевых фотоэлементов (бытовые модели). Такие панели имеют КПД в 20−24% и сравнительно невысокую стоимость. Фотоэлементы соединяются между собой, и их контакты выводятся на клеммы, находящиеся на закрытом корпусе каждой батареи. Корпус изготавливают из анодированного алюминия, а лицевую панель − из прочного стекла высокого качества и покрытого антибликовым составом.
Статья по теме:
Что такое, принципы работы и виды солнечных батарей для частного дома, стоимость комплекта, отзывы, технические характеристики, рекомендации специалистов — читайте в публикации.
Солнечные коллекторы – достойная замена традиционным водонагревателям
Солнечные теплоколлекторы позволяют накапливать 600−800 Вт/ч с одного квадратного метра и обеспечить дом достаточным количеством энергии для отопления и ГВС. Конструкционно коллекторы разделяются на следующие основные группы:
- вакуумные . Плоские или многотрубные конструкции с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя в системе. В основном это стационарные коллекторы, предназначенные для сезонного использования;
- воздушные солнечные системы , которые являются наиболее лёгкими и простыми. Тепло с нагретой поверхности коллектора снимается потоком воздуха;
- в третьем варианте тепло от солнечных коллекторов может использоваться для трансформации его в электроэнергию.
Последний вариант не пользуется особой популярностью среди рядовых потребителей из-за сложности обслуживания и высокой стоимости оборудования.
Тепловые насосы для отопительных систем частных домов
В настоящее время для отопления домов и обеспечения их горячим водоснабжением в основном применяют различные виды котлов – твердотопливные, дизельные, газовые и электрические. Сравнительно недавно появился ещё один способ нагрева жидкости при помощи теплового насоса, но пока он ещё не получил достаточно широкого применения. Теплоноситель, двигаясь по путепроводу, проложенному в грунте на определённой глубине, нагревается на несколько градусов и поступает в испаритель. Далее нагретая жидкость отдаёт тепло хладагенту, который при низких температурах превращается в пар и поступает в компрессор. В компрессоре он сжимается, что приводит к увеличению давления и, соответственно, повышению температуры.
Сжатый нагретый хладагент перемещается в конденсатор, где отдаёт тепло другому теплоносителю (воздух, вода или антифриз). В результате этого процесса происходит охлаждение хладагента и возврат его в жидкое состояние. После этого жидкость поступает в испаритель, и весь цикл повторяется.
Принцип работы теплонасоса Статья
Альтернативная энергетика - совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии.
Альтернативный источник энергии - способ, устройство или сооружение, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле.
Виды альтернативной энергетики : солнечная энергетика, ветроэнергетика, биомассовая энергетика, волновая энергетика, градиент-температурная энергетика, эффект запоминания формы, приливная энергетика, геотермальная энергия.
Солнечная энергетика - преобразование солнечной энергии в электроэнергию фотоэлектрическим и термодинамическим методами. Для фотоэлектрического метода используются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с непосредственным преобразованием энергии световых квантов (фотонов) в электроэнергию.
Термодинамические установки, преобразующие энергию солнца вначале в тепло, а затем в механическую и далее в электрическую энергию, содержат "солнечный котел", турбину и генератор. Однако солнечное излучение, падающее на Землю, обладает рядом характерных особенностей : низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Поэтому изменения тепловых режимов могут вносить серьезные ограничения в работу системы. Подобная система должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии во времени. При проектировании солнечных энергетических станций необходимо правильно оценивать метеорологические факторы.
Геотермальная энергетика - способ получения электроэнергии путем преобразования внутреннего тепла Земли (энергии горячих пароводяных источников) в электрическую энергию.
Этот способ получения электроэнергии основан на факте, что температура пород с глубиной растет, и на уровне 2-3 км от поверхности Земли превышает 100°С. Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции.
Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы.
Стоимость "топлива" такой электростанции определяется затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом невелика, так как она не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы.
К недостаткам геотермальных электроустановок относится возможность локального оседания грунтов и пробуждения сейсмической активности. А выходящие из-под земли газы могут содержать отравляющие вещества. Кроме того, для постройки геотермальной электростанции необходимы определенные геологические условия.
Ветроэнергетика - это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра (кинетической энергии воздушных масс в атмосфере).
Ветряная электростанция - установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Состоит она из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания.
Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров; вертикальные роторы и др.
Производство ветряных электростанций очень дешево, но их мощность мала, и их работа зависит от погоды. К тому же они очень шумны, поэтому крупные ветряные электростанции даже приходится на ночь отключать. Помимо этого, ветряные электростанции создают помехи для воздушного сообщения, и даже для радиоволн. Применение ветряных электростанций вызывает локальное ослабление силы воздушных потоков, мешающее проветриванию промышленных районов и даже влияющее на климат. Наконец, для использования ветряных электростанций необходимы огромные площади, много больше, чем для других типов электрогенераторов.
Волновая энергетика - способ получения электрической энергии путем преобразования потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и оформлении пульсаций в однонаправленное усилие, вращающее вал электрогенератора.
По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью . Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. В механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха - до 85 процентов.
Приливная энергетика, как и прочие виды альтернативной энергетики, является возобновляемым источником энергии.
Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн - перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор.
Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.
Считается экономически целесообразным строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.
Недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым - условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.
Градиент-температурная энергетика . Этот способ добычи энергии основан на разности температур. Он не слишком широко распространен. С его помощью можно вырабатывать достаточно большое количество энергии при умеренной себестоимости производства электроэнергии.
Большинство градиент-температурных электростанций расположено на морском побережье и используют для работы морскую воду. Мировой океан поглощает почти 70% солнечной энергии, падающей на Землю. Перепад температур между холодными водами на глубине в несколько сотен метров и теплыми водами на поверхности океана представляет собой огромный источник энергии, оцениваемый в 20-40 тысяч ТВт, из которых практически может быть использовано лишь 4 ТВт.
Вместе с тем, морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.
Биомассовая энергетика . При гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии и пр.
Существуют предприятия (свинарники и коровники и др.), которые сами обеспечивают себя электроэнергией и теплом за счет того, что имеют несколько больших "чанов", куда сбрасывают большие массы навоза от животных. В этих герметичных баках навоз гниет, а выделившийся газ идет на нужды фермы.
Еще одним преимуществом этого вида энергетики является то, что в результате использования влажного навоза для получения энергии, от навоза остается сухой остаток являющийся прекрасным удобрением для полей.
Также в качестве биотоплива могут быть использованы быстрорастущие водоросли и некоторые виды органических отходов (стебли кукурузы, тростника и пр.).
Эффект запоминания формы - физическое явление, впервые обнаруженное советскими учеными Курдюмовым и Хондросом в 1949 году.
Эффект запоминания формы наблюдается в особых сплавах и заключается в том, что детали из них восстанавливают после деформации свою начальную форму при тепловом воздействии. При восстановлении первоначальной формы может совершаться работа, значительно превосходящая ту, которая была затрачена на деформацию в холодном состоянии. Таким образом, при восстановлении первоначальной формы сплавы вырабатывают значительно количество тепла (энергии).
Основным недостатком эффекта восстановления формы является низкий КПД - всего 5-6 процентов.
Материал подготовлен на основе информации открытых источников
