Энергия всегда являлась важнейшим фактором существования и прогресса человеческой цивилизации. Без нее немыслима какая-либо деятельность людей, от нее решающим образом зависит экономика стран и в конечном счете – людское благосостояние. Рядовой человек настолько привык и приспособился к различным ее проявлениям, что просто не замечает проблемы, бездумно потребляя кажущиеся бесконечными ресурсы.
Однако пределы и возможности традиционных источников энергии не являются неисчерпаемыми. Об этом красноречиво свидетельствует энергетическая политика большинства крупнейших экономически развитых стран планеты, ООН и других ведущих мировых организаций. Все заинтересованные стороны уже более полувека ведут активные поиски и разработку иных, альтернативных способов получения электроэнергии и тепла.
Развитие альтернативной энергетики тесно связано с масштабными проблемами экологии. Глобальное загрязнение среды обитания, мирового океана, ужасающие цифры статистики по выбросам в атмосферу вредных соединений – все это недвусмысленно указывает на то, что в XXI веке альтернативная энергетика и экология будут неразрывно связаны между собой.
Разработка и поиск нетрадиционных источников энергии – одна из важнейших задач, стоящих перед мировым научным сообществом. От ее решения зависит экология планеты, ситуация с надвигающимся тотальным энергетическим кризисом, дальнейшее экономическое развитие стран и, как следствие, уровень жизни их населения.
Человечество давно осознало необходимость получения энергии и научилось ее использовать, приобретая осязаемые преимущества.
Использование ветровой энергии привело к появлению паруса, боевых и торговых кораблей. Возникли военные флоты, начала развиваться морская торговля.
Изобретение мельниц для производства хлеба было основано на использовании энергии воды, добываемой посредством движения водяного колеса. Их появление положительно повлияло на демографическую ситуацию стран древнего мира, резко увеличилась продолжительность жизни людей.
Использование как топлива бытовых отходов и останков вымерших растений испокон веков помогало готовить еду, послужило основой для возникновения ранней металлургии.
Затем пришли на помощь человечеству важные геологические открытия. Научно-технологический прогресс и промышленная революция привели к тому, что уже в конце XIX века основным источником для получения энергии стало углеводородное сырье. Парус, весла, мускульная сила лошадей и других животных были заменены дешевыми двигателями, сжигающими ископаемое топливо.
Экономики подавляющего большинства государств перестроились на углеводородные носители, попутно развивалась гидроэнергетика, а с середины XX века «на сцену» вышла энергетика атомная.
Такое поступательное развитие могло продолжаться и дальше, если бы уже к 60–70-м годам XX века цивилизация не столкнулась с проблемой глобального загрязнения Земли, тесно связанным с ней антропогенным изменением климата.
Современная энергетика уверенно держит пальму первенства в химическом, радиоактивном, аэрозольном и других видах загрязнения окружающей среды. Решение ее соответствующих проблем прямо скажется на положительной возможности устранения проблем экологических.
Основная сложность проблемы современной энергетики заключена в том, что эта производственная отрасль расширяется очень быстро. Для сравнения – если численность населения Земли удваивается в среднем за полвека, то удвоение потребления энергии человечеством происходит каждые 15 лет.
Таким образом, наложение темпов увеличения населения и роста энергетической сферы приводит к лавинному эффекту: потребности и требования по части энергии в пересчете на душу населения постоянно растут.
На данный момент нет никаких признаков уменьшения ее потребления. Для того чтобы эти требования постоянно удовлетворять в ближайшем будущем, человечество должно скорейшим образом ответить для себя на несколько важных вопросов:
- какое реальное воздействие оказывают на ноосферу (сферу человеческой деятельности) ключевые виды энергетики, как изменится их вклад в энергетический баланс в ближайшем и отдаленном будущем;
- как нивелировать негативный эффект от применения традиционных способов получения энергии, ее эксплуатации;
- какие существуют возможности, имеются ли доступные технологии получения альтернативной энергии, какие для этого можно использовать ресурсы, есть ли будущее у альтернативных источников энергии.
Альтернативная энергия, как безальтернативное будущее человечества
Что такое альтернативная энергетика? Под этим понятием скрывается совершенно новая отрасль, объединяющая всевозможные перспективные разработки, направленные на поиск и использование альтернативных источников энергии.
Быстрейший переход к альтернативным источникам энергии необходим в силу следующих факторов:
Государства, использующие альтернативные виды энергии, получат бесценный бонус – фактически неисчерпаемый, безлимитный ее запас, так как львиная доля этих источников возобновляема.
Основные виды альтернативных источников энергии
За последнее время практически перепробовано немало нетрадиционных вариантов получения энергии. Статистика утверждает, что речь пока идет о тысячных долях процента от потенциально возможного использования.
Типичными сложностями, с которыми неизбежно сталкивается на своем пути развитие альтернативных источников энергии, являются полные пробелы в законах большинства стран, касающихся эксплуатации природных ресурсов, как достояния государства. С отсутствием юридической проработки тесно связана проблема неизбежного налогообложения альтернативной энергетики.
Рассмотрим получившие наибольшее распространение 10 альтернативных источников энергии.
Ветер
Энергия ветра использовалась человеком всегда. Уровень развития современных технологий позволяет сделать ее практически бесперебойной.
Электричество при этом вырабатывается с помощью ветряков, похожих на мельницы, специальных устройств. Винт ветряка посредством вращающихся лопастей сообщает кинетическую энергию ветра генератору, производящему ток.
Подобные ветряные станции особенно распространены в Китае, Индии, США, странах Западной Европы. Несомненным лидером этой области считается Дания, являющаяся, кстати, пионером ветроэнергетики: первые установки появились здесь еще в конце XIX века. Дания закрывает этим способом до 25% всей потребности в электроэнергии.
Китай только при помощи ветрогенераторов сумел в конце XX века обеспечить электричеством горные и пустынные районы.
Использование энергии ветра является, пожалуй, наиболее передовым способом энергодобычи. Это идеальный вариант синтеза, в котором соединяются альтернативная энергетика и экология. Многие развитые страны мира постоянно увеличивают долю электроэнергии, полученной этим способом, в своем общем энергобалансе.
Солнце
Попытки использования солнечного излучения для получения энергии также давно предпринимались, на данный момент – это один из самых перспективных путей развития альтернативной энергетики. Сам факт того, что солнце во многих широтах планеты светит круглогодично, передавая на Землю в десятки тысяч раз больше энергии, чем потребляется всем человечеством за год, вдохновляет на активное использование солнечных станций.
Большинство самых крупных станций находятся в США, всего же гелиоэнергетика распространена почти в сотне стран. За основу взяты фотоэлементы (преобразователи солнечного излучения), которые объединяются в масштабные солнечные батареи.
Тепло Земли
Тепло земных глубин преобразуется в энергию и применяется для человеческих нужд во многих странах мира. Тепловая энергетика очень эффективна в районах вулканической активности, местах, где много гейзеров.
Лидерами этой области являются Исландия (столица страны Рейкьявик полностью обеспечивается геотермальной энергией), Филиппины (доля в общем балансе – 20%), Мексика (4%), США (1%).
Ограничение по использованию этого вида источника связано с невозможностью транспортировки геотермальной энергии на расстояния (типичный локальный источник энергии).
В России пока действует одна подобная станция (мощность – 11 МВт) на Камчатке. Ведется строительство новой станции там же (мощность – 200 МВт).
В число десяти наиболее перспективных источников энергии в недалеком будущем входят:
- солнечные станции с базированием в космосе (основной недостаток проекта – гигантские финансовые затраты);
- мускульная сила человека (востребованность, прежде всего – микроэлектроникой);
- энергетический потенциал приливов и отливов (недостаток – высокая стоимость строительства, гигантские колебания мощности за сутки);
- топливные (водородные) контейнеры (необходимость строительства новых заправок, дороговизна машин, которые будут ими заправляться);
- быстрые ядерные реакторы (топливные стержни погружены в жидкий Na) – технология крайне перспективна (возможность повторного использования отработанных отходов);
- биотопливо – уже широко используется развивающимися странами (Индия, Китай), преимущества – возобновляемость, экологичность, недостаток – использование ресурсов, земли, предназначенной для производства сельскохозяйственных культур, выгула скота (удорожание, дефицит еды);
- атмосферное электричество (аккумулирование энергопотенциала молний), основной недостаток – мобильность атмосферных фронтов, скорость разрядов (сложность накопления).
Зачем каждый месяц платить энергокомпаниям за электричество, если можно самостоятельно обеспечивать себя энергией? Все больше людей в мире понимает эту истину. И потому сегодня мы расскажем про 8 необычных источников альтернативной энергии для дома, офиса и отдыха
.
Солнечные панели в окнах
В наше время самым распространенным в быту альтернативным источником энергии являются солнечные панели. Традиционно их устанавливают на крышах частных домов или во дворах. Но с недавних пор стало возможным размещать эти элементы прямо в окнах, что позволяет использовать такие батареи даже владельцам обычных квартир в многоэтажных домах.
При этом уже появились решения, позволяющие создавать солнечные панели с высоким уровнем прозрачности. Именно такие энергетические элементы и следует устанавливать в окнах жилых помещений.
К примеру, прозрачные солнечные панели разработали специалисты из Мичиганского Государственного Университета. Эти элементы пропускают 99 процентов проходящего через них света, но имеют при этом коэффициент полезного действия в 7%.
Компания Uprise создала необычную ветряную турбину высокой мощности, которую можно использовать как в быту, так и в промышленных масштабах. Этот ветряк располагается в прицепе, который может передвигать за собой внедорожник или дом на колесах.
В сложенном состоянии с турбиной Uprise можно ездить по дорогам общего пользования. Но в развернутом состоянии она превращается в полноценный ветряк высотой пятнадцать метров и мощностью 50 кВт.
Uprise можно использовать во время путешествий в доме на колесах, для обеспечения энергией отдаленных объектов или обычных частных жилых домов. Установив эту турбину у себя во дворе, ее владелец может даже продавать излишки электричества соседям.
Makani Power – это проект одноименной компании, перешедшей недавно в подчинение полусекретной лаборатории инноваций . Идея данной технологии одновременно проста и гениальна. Речь идет о небольшом воздушном змее, который может летать на высоте до одного километра и вырабатывать электричество.
Летательный аппарат Makani Power оснащен встроенными ветряными турбинами, которые будут активно работать на высоте, где скорость ветра значительно больше, чем на уровне земли. Полученная энергия в данном случае передается по шнуру, соединяющем воздушного змея с базовой станцией.
Энергия будет также вырабатываться от движений самого летательного аппарата Makani Power. Дергая под силой ветра трос, этот воздушный змей заставит крутиться динамо-машину, встроенную в базовую станцию.
При помощи Makani Power можно обеспечить энергией как частные дома, так и отдаленные объекты, куда нецелесообразно проводить традиционную линию электропередач.
Современные солнечные батареи все еще имеют весьма низкий коэффициент полезного действия. А потому для получения от них высоких производственных показателей приходится застилать панелями достаточно большие пространства. Но технология с названием Betaray позволяет увеличить КПД примерно в три раза.
Betaray – это небольшая по размерам установка, которую можно расположить во дворе частного дома или на крыше многоэтажки. В ее основе лежит прозрачная стеклянная сфера диаметром чуть меньше одного метра. Она аккумулирует солнечный свет и фокусирует его на достаточно небольшую фотоэлектрическую панель. Максимальный КПД данной технологии имеет потрясающе высокий показать в 35 процентов.
При этом сама установка Betaray является динамической. Она автоматически подстраивается под положение Солнца на небе, чтобы в любой момент работать на максимуме возможностей. И даже ночью эта батарея вырабатывает электричество, преобразуя свет от Луны, звезды и уличного освещения.
Датско-исландский художник Олафур Элиассон дал старт необычному проекту с названием Little Sun, который объединяет в себе творческое начало, технологии и социальные обязательства успешных людей перед обездоленными. Речь идет о небольшом устройстве в виде цветка подсолнуха, которые в течение дня наполняется энергией от солнечного света, чтобы вечерами нести освещение в самые темные уголки планеты.
Каждый желающий может пожертвовать деньги на то, чтобы солнечный светильник Little Sun появился в жизни какой-нибудь семьи из Страны Третьего Мира. Лампы Little Sun позволяют детям из трущоб и отдаленных деревень отдавать вечера под учебу или чтение, без которых невозможен успех в современном обществе.
Светильники Little Sun можно также приобрести и для себя, сделав их частью собственной жизни. Эти устройства можно использовать при выезде на природу или для создания потрясающей вечерней атмосферы на открытых площадках.
Многие скептики посмеиваются над спортсменами, утверждая, что затрачиваемые ими во время выполнения упражнений силы вполне можно использовать для выработки электричества. Создатели пошли на поводу у такого мнения и создали первый в мире набор уличных тренажеров, каждый из которых является маленькой электростанцией.
Первая спортивная площадка Green Heart появилась в ноябре 2014 года в Лондоне. Электричество, которое вырабатывают на ней любители физических упражнений, можно использовать для зарядки мобильных устройств: смартфонов или планшетных компьютеров.
Излишки энергии площадка Green Heart отправляет в локальные электросети.
Парадоксально, но заставить вырабатывать «зеленую» энергию можно даже детей. Ведь они никогда не прочь что-нибудь вытворить, как-нибудь поиграть и развлечь себя. А потому голландские инженеры создали необычные качели с названием Giraffe Street Lamp, которые используют детскую непоседливость в процессе производства электричества.
Качели Giraffe Street Lamp вырабатывают энергию в то время, когда ими пользуются по прямому назначению. Раскачиваясь в сиденье, дети или взрослые стимулируют работу динамо-машины, встроенной в данную конструкцию.
Конечно, полученного электричества не хватит для полноценного функционирования частного жилого дома. Зато накопленной за день игр энергии вполне достаточно для работы не очень мощного уличного фонаря в течение пары часов после наступления сумерек.
Мобильный оператор Vodafone осознает, что его прибыли становятся больше, когда телефоны клиентов работают круглосуточно, а сами их владельцы не беспокоятся о том, где найти розетку для зарядки аккумуляторов своего гаджета. А потому эта компания спонсировала разработку необычной технологии с названием Power Pocket.
Устройства на основе технологии Power Pocket должны находиться как можно ближее к телу человека, чтобы использовать его тепло для производства электроэнергии для бытовых нужд.
На данный момент, на основе технологии Power Pocket создано два практичных товара: шорты и спальный мешок. Впервые они были опробованы во время музыкального фестиваля Isle of Wight Festival в 2013 году. Опыт оказался удачным, одной ночи человека в таком спальном мешке оказалось достаточно, чтобы зарядить аккумулятор смартфона примерно на 50 процентов.
В данном обзоре мы рассказали лишь про те альтернативные источники энергии, которые можно использовать в бытовых нуждах: дома, в офисе или во время отдыха. Но есть еще немало неординарных современных «зеленых» технологий, разработанных для использования в промышленных масштабах. Про них можно прочитать в обзоре .
Люди используют различные виды энергии для всего, от собственных движений до отправки космонавтов в космос.
Существует два типа энергии:
- способность совершить (потенциальная)
- собственно работа (кинетическая)
Поставляется в различных формах:
- тепла (тепловая)
- свет (лучистая)
- движение (кинетическая)
- электрическая
- химическая
- ядерная энергия
- гравитационная
Например пища, которую человек ест содержит химическую и тело человека хранит её пока он или она израсходует как кинетическую во время работы или жизни.
Классификация видов энергии
Люди используют ресурсы разных видов: электричество в своих домах, добываемое путем сжигания угля, ядерной реакции или ГЭС на реке. Таким образом, уголь, ядерная и гидро называются источником. Когда люди заполняют топливный бак бензином источником может быть нефть или даже выращивание и переработка зерна.
Источники энергии делятся на две группы :
- Возобновляемые
- Невозобновляемые
Возобновляемые и невозобновляемые источники можно использовать в качестве первичных для получения пользы, такого как тепло или использовать для производства вторичных энергетических источников, таких, как электричество.
Когда люди используют электричество в своих домах, электроэнергия вероятно создается сжиганием угля или природного газа, ядерной реакции или ГЭС на реке, или из нескольких источников. Люди используют для топлива своих автомобилей сырую нефть (невозобновляемая), но могут и биотопливо (возобновляемая) как этанол, который производится из переработанной кукурузы
Возобновляемые
Есть пять основных возобновляемых источников энергии:
- Солнечная
- Геотермальное тепло внутри Земли
- Энергия ветра
- Биомасса из растений
- Гидроэнергетика из проточной воды
Биомасса, которая включает древесину, биотопливо и отходы биомассы, является крупнейшим источником возобновляемой энергии, на которую приходится около половины всех возобновляемых и около 5% от общего объема потребления.
Невозобновляемые
Большая часть ресурсов, потребляемых в настоящее время из невозобновляемых источников:
- Нефтепродукты
- Углеводородный сжиженный газ
- Природный газ
- Уголь
- Ядерная энергия
На невозобновляемые виды энергии приходится около 90% всех используемых ресурсов.
Изменяется ли потребление топлива с течением времени
Источники потребляемой энергии с течением времени меняются, но изменения происходят медленно. Например, уголь когда-то широко использовался в качестве топлива для отопления домов и коммерческих зданий, однако конкретное использование угля для этих целей сократилось за последние полвека.
Хотя доля возобновляемого топлива от общего потребления первичной энергии еще относительно невелика, его использование растет во всех отраслях. Кроме того, использование природного газа в электроэнергетике возросло в последние годы из-за низких цен на природный газ, в то время как использование угля в этой системе сократилось.
Альтернативные источники энергии — это ветер, солнце, приливы и отливы, биомасса, геотермальная энергия Земли.
Ветряные мельницы давно используются человеком в качестве источника энергии. Однако они эффективны и пригодны только для мелкого пользователя. К сожалению, ветер пока еще не в состоянии давать электроэнергию в достаточных количествах. Солнечная и ветровая энергетика имеет серьезный недостаток — временную нестабильность именно в тот момент, когда она особенно нужна. В связи с этим необходимы системы хранения энергии, чтобы потребление ее могло быть возможно в любое время, но экономически зрелой технологии создания таких систем пока нет.
Первые ветряные электрогенераторы были разработаны еще в 90-х гг. XIX в. в Дании, а уже к 1910 г. в этой стране было построено несколько сот мелких установок. Еще через несколько лет датская промышленность получала от ветряных генераторов четверть необходимой ей электроэнергии. Их общая мощность составила 150-200 МВт.
В 1982 г. на китайском рынке было продано 1280 ветряных турбин, а в 1986 г. — 11 000, что позволило обеспечить электричеством те районы Китая, в которых раньше его никогда не было.
В начале XX в. в России насчитывалось 250 тыс. крестьянских ветряных мельниц мощностью до 1 млн кВт. Они перемалывали 2,5 млрд пудов зерна на месте, без дальних перевозок. К сожалению, в результате бездумного отношения к природным ресурсам в 40-х гг. прошлого века на территории бывшего СССР была разрушена основная часть ветряных и водяных двигателей, а к 50-м гг. они почти совсем исчезли как «отсталая техника».
В настоящее время солнечную энергию используют в некоторых странах в основном для отопления, а для производства энергии — в очень незначительных масштабах. Между тем мощность солнечного излучения, достигающего Земли, составляет 2 х 10 17 Вт, что более чем в 30 тыс. раз превышает сегодняшний уровень энергопотребления человечества.
Различают два основных варианта использования энергии Солнца: физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. При биологическом варианте используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Этот вариант годится для стран с относительно большими запасами леса. Например, Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до трети необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота этого дерева около 4 м, диаметр стволика — более 6 см).
Проблема использования нетрадиционных источников энергии в последнее время особенно актуальна. Это, несомненно, выгодно, хотя подобные технологии требуют значительных затрат. В феврале 1983 г. американская фирма «Арка Солар» начала эксплуатировать первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 МВт. Возведение таких электростанций — дорогое удовольствие. Сооружение солнечной электростанции, способной обеспечить электроэнергией около 10 тыс. бытовых потребителей (мощность — около 10 мМВт), обойдется в 190 млн дол. Это в четыре раза больше, нежели расходы на сооружение ТЭС, работающей на твердом топливе, и соответственно в три раза больше, чем строительство гидроэлектростанции и АЭС. Тем не менее специалисты по изучению солнечной энергии уверены, что с развитием технологии использования энергии Солнца цены на нее значительно снизятся.
Вероятно, будущее энергетики — за ветряной и солнечной энергией. В 1995 г. в Индии приступили к реализации программы по выработке энергии с помощью ветра. В США мощность ветряных электростанций составляет 1654 МВт, в Европейском союзе — 2534 МВт, из них 1000 МВт вырабатывается в Германии. В настоящее время наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Англии, Голландии, Дании, США (только в Калифорнии 15 тыс. ветряков). Энергия, получаемая с помощью ветра, может постоянно возобновляться. Ветряные станции не загрязняют окружающую среду. С помощью ветряной энергии можно электрифицировать самые отдаленные уголки земного шара. К примеру, 1600 жителей острова Дезират в Гваделупе пользуются электричеством, которое вырабатывают 20 ветряных генераторов.
Из чего еще можно получать энергию, не загрязняя окружающую среду?
Для использования энергии приливов и отливов обычно строят приливные электростанции в устьях рек либо непосредственно на морском берегу. В обычном портовом волноломе оставляют отверстия, куда свободно поступает вода. Каждая волна повышает уровень воды, а следовательно, и давление остающегося в отверстиях воздуха. «Выдавливаемый» наружу через верхнее отверстие воздух приводит в движение турбину. С уходом волны возникает обратное движение воздуха, который стремится заполнить вакуум, и турбина получает новый импульс к вращению. Согласно оценкам специалистов, такие электростанции могут использовать до 45 % энергии приливов.
Волновая энергия представляется довольно многообещающей формой из новых энергоисточников. Например, на каждый метр волнового фронта, окружающего Британию со стороны Северной Атлантики, в среднем приходится 80 кВт энергии в год, или 120 000 ГВт. Существенные потери при переработке и передаче этой энергии неизбежны, и, по-видимому, лишь третья ее часть может поступать в сеть. Тем не менее оставшегося объема достаточно для того, чтобы обеспечить всю Британию электричеством на уровне существующей нормы потребления.
Привлекает ученых и использование биогаза, который представляет собой смесь горючего газа — метана (60-70 %) и негорючего углекислого газа. В нем обычно присутствуют примеси — сероводород, водород, кислород, азот. Образуется биогаз в результате анаэробного (бескислородного) разложения органики. Этот процесс в природе можно наблюдать на низинных болотах. Воздушные пузырьки, поднимающиеся со дна заболоченных участков, это и есть биогаз — метан и его производные.
Процесс получения биогаза можно разделить на два этапа. Вначале с помощью анаэробных бактерий из углеводов, белков и жиров образуется набор органических и неорганических веществ: кислоты (масляная, пропионовая, уксусная), водород, углекислота. На втором этапе (щелочном или метановом) подключаются метановые бактерии, которые разрушают органические кислоты с выделением метана, углекислого газа и небольшого количества водорода.
В зависимости от химического состава сырья при сбраживании выделяется от 5 до 15 кубометров газа на кубометр перерабатываемой органики.
Биогаз можно сжигать для отопления домов, сушки зерна, использовать в качестве горючего для автомобилей и тракторов. По своему составу биогаз мало отличается от природного газа. Кроме того, в процессе получения биогаза остаток брожения составляет примерно половину органических веществ. Его можно брикетировать и получать твердое топливо. Однако в хозяйственном отношении это не слишком рационально. Остаток брожения лучше использовать в качестве удобрения.
1 м 3 биогаза соответствует 1 л жидкого газа или 0,5 л высококачественного бензина. Получение биогаза даст технологическую выгоду — уничтожение отходов и энергетическую выгоду — дешевое горючее.
В Индии для получения биогаза используется около 1 млн дешевых и простых установок, а в Китае их свыше 7 млн. С точки зрения экологии биогаз имеет огромные преимущества, так как он может заменить дрова, а следовательно, сохранить лес и предотвратить опустынивание. В Европе ряд установок по очистке городских сточных вод удовлетворяет свои энергетические потребности за счет производимого ими биогаза.
Еще одним альтернативным источником энергии является сельскохозяйственное сырье: сахарный тростник, сахарная свекла, картофель, топинамбур и др. Из него методом ферментации в некоторых странах производят жидкое топливо, в частности этанол. Так, в Бразилии растительную массу преобразуют в этиловый спирт в таких количествах, что эта страна удовлетворяет большую часть своих потребностей в автомобильном топливе. Сырье, необходимое для организации массового производства этанола, — это в основном сахарный тростник. Сахарный тростник активно участвует в процессе фотосинтеза и производит на каждый гектар обрабатываемой площади больше энергии, чем другие культуры. В настоящее время его производство в Бразилии составляет 8,4 млн т, что соответствует 5,6 млн т бензина самого высокого качества. В США производится биохол — горючее для автомобилей, содержащее 10 % этанола, полученного из кукурузы.
Тепловую или электрическую энергию можно добывать за счет тепла земных глубин. Геотермальная энергетика экономически эффективна там, где горячие воды приближены к поверхности земной коры, — в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курильские острова, острова Японского архипелага). В отличие от других первичных источников энергии, носители геотермальной энергии невозможно транспортировать на расстояние, превышающее несколько километров. Поэтому земное тепло — типично локальный источник энергии, и работы, связанные с его эксплуатацией (разведка, подготовка буровых площадок, бурение, испытание скважин, забор жидкости, получение и передача энергии, подпитка, создание инфраструктур и т.д.), ведутся, как правило, на относительно небольшом участке с учетом местных условий.
Геотермальная энергия используется в широких масштабах в США, Мексике и на Филиппинах. Доля геотермальной энергии в энергетике Филиппин — 19 %, Мексики — 4 %, США (с учетом использования для отопления «напрямую», т.е. без переработки в электрическую энергию) — около 1 %. Суммарная мощность всех геоТЭС США превышает 2 млн кВт. Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии — Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробурены 32 скважины на глубине от 440 до 2400 м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130 °С. Девять из этих скважин действуют по сей день. В России, на Камчатке, действует геоТЭС мощностью 11 МВт и строится еще одна мощностью 200 МВт.
Что может быть заманчивее, чем бесплатные ресурсы? Проблема использования альтернативных источников энергии занимает умы учёных многие десятилетия. Интерес к этой теме растёт прямо пропорционально увеличению счетов на оплату коммунальных услуг.. Из этой статьи вы узнаете о том, что такое альтернативные источники энергии, какие существуют технические и инженерные решения, которые приблизят нас к разумной экономии, а также оценим перспективу отдельных направлений.
Читайте в статье:
Альтернативные источники энергии – что это такое, формулировка основных требований и определений
К такому устройству можно присоединить экономную светодиодную лампочку или аккумулятор. Накопитель пригодится для зарядки смартфона. Простота конструкции позволяет реализовать такой проект собственными силами. Кроме того, такое инженерное решение не потребует финансовых затрат. Единственное, что необходимо, – сноровка, пара часов свободного времени и некоторые простейшие охотничьи приспособления.
Решение «Робинзона Крузо» хоть и является в целом эффективным, при внимательном рассмотрении не лишено недостатков:
- белка не способна развивать высокую скорость (вращать крупный электромотор) для выработки значительной мощности;
- скорость бега постоянно меняется, поэтому сложно оптимизировать процесс генерации;
- грызуна надо кормить, причём расходы на орехи, скорее всего, превысят стоимость выработанной электроэнергии.
Шутливый пример хорошо подходит для нескольких серьёзных выводов:
- Отдельные нетрадиционные источники электроэнергии следует отвергнуть по причине отрицательного экономического эффекта.
- Чтобы сравнение вариантов было полезным, надо определить заранее минимальную приемлемую мощность генерации.
- Рассматривать каждое предложение необходимо с учётом первичных и эксплуатационных затрат в комплексе.
Поверхностное изучение вариантов использования альтернативных источников энергии не позволит сделать правильные выводы. В любом случае рекомендуется учитывать особенности места, где предполагается установка конструкции, сложность монтажа и регламентного обслуживания. В этой статье остановимся на тех идеях использования альтернативной энергетики для дома, которые можно воплотить самостоятельно.
Основные виды альтернативных источников энергии
Энергия ветра и солнца
В наши дни прямой привод к исполнительным механизмам не используют, но принципы остались прежние. Ветер вращает крупные лопасти вентилятора, соединённого с электрическим генератором. Чтобы получить постоянство и достаточную силу воздушного потока, такие сооружения поднимают на большую высоту и устанавливают на морском береге.
На рисунке отмечены следующие типовые компоненты:
- Контроллер управляет работой генератора, выполняет регулировочные и защитные функции.
- Постоянное напряжение с одного из выходов этого блока поступает на батареи аккумуляторов, которые накапливают заряд энергии для компенсации ветровых параметров.
- С помощью инвертора создают стандартную синусоиду 220 V для подключения потребителей.
- Специальное устройство АВР используют для передачи излишков энергии в общественные сети за плату. Его же применяют в качестве аварийного (запасного) источника питания.
Без дополнительных механических преобразователей приборы получают электроэнергию с помощью солнечных батарей. В этом варианте используют ЭДС, которая образуется при облучении области неравновесного полупроводникового p-n перехода. Положительный эффект возникает при попадании фотонов на пластинку, сделанную из нескольких слоёв кремния разных типов.
В этом примере предусмотрено совместное использование нескольких альтернативных источников энергии. Чтобы компенсировать снижение производительности при слабом ветре и ночью – установлен накопительный аккумулятор. При необходимости используют запасной бензиновый или дизельный генератор.
Инфракрасное излучение ближайшей к нашей планете звезды можно использовать для повышения эффективности штатных систем (отопления и горячего водоснабжения) частного дома. Для этого на крыше устанавливают простую конструкцию из труб. Теплоноситель подают в контур бойлера косвенного нагрева. Оптимальный режим циркуляции поддерживают насосом и блоком управления с датчиками температуры.
Энергия тепла земли и воздуха
Даже в сильный мороз на достаточно большой глубине грунт сохраняет положительную температуру. Это тепло можно использовать по следующей схеме:
Рабочий цикл:
- на первом этапе (1) незамерзающий теплоноситель нагревается в глубине земли, поступает в теплообменник испарителя;
- внутренний блок работает, как аналогичная часть обычного холодильника (кондиционера). Перемещение хладагента по этому контуру обеспечивает специальный компрессор (2);
- нагретая жидкость (3) поступает в систему теплоснабжения. После охлаждения в радиаторах она возвращается обратно (4) для повышения температуры.
Такая методика позволит без ограничения пользоваться альтернативными ресурсами круглый год из незамерзающих водоёмов. КПД всех установок этого типа зависит от разницы температур на входе и выходе внешнего контура.
Возобновляемые альтернативные источники энергии: что это такое на примере использования биотоплива
В общем определении к ресурсам этой категории можно причислить нефть и уголь. Однако их возобновление происходит слишком медленно даже по отношению ко времени существования человеческой цивилизации. Для практической реализации частного проекта подойдут иные альтернативные источники энергии:
- Обычную древесину используют в твердотопливных котлах.
- Используют быстрорастущие породы с последующей сушкой, переработкой в горючую жидкость.
- Применяют разложение отходов бактериями для создания биогаза.
Из примера становится понятно, что некоторые альтернативные источники энергии сами по себе несут дополнительные бонусы. В последнем случае измельчённую биомассу используют в качестве удобрений. Для улучшения производительности и эффективности в данном проекте установлены две рабочих ёмкости. Образованный газ можно применять как топливо для генераторов электрической энергии и котлов отопления.
Сила воды
Необязательно переплачивать за ультрасовременную конструкцию. Вполне достаточно установить колесо с лопатками, подсоединить его к электромотору, дополнить защитной и управляющей автоматикой.
Развитие прочих видов альтернативных источников энергии
Такими источниками пользуются для выработки тепловой и электрической энергии. В этом случае минимальны процессы преобразования, поэтому можно получить хорошие экономические результаты.
На рисунке изображена принципиальная схема сварочного аппарата. Однако этот газ можно использовать для питания горелки в топке котла, привода в действие ДВС.
А вот следующая схема – вполне серьёзный и даже запатентованный образец (номер официального патента − RU 2245606). Внимательно изучите схему и пояснения, эта разработка ещё раз подтверждает, что всё гениальное – просто.
При желании можно пробовать воспроизвести подобные самоделки. Но следует отметить, чаще всего некоторые детали – не фабричные образцы, а самодельные изделия. Поэтому доверять такой «сборке» стоит с осторожностью.
Альтернативные источники энергии для частных домов: практические решения с комментариями специалистов
В интернете можно найти десятки идей, потенциально подходящих для реализации в том или ином виде. А сейчас мы переходим к обсуждению методик, уже применяющихся в России. Эффективность таких альтернативных источников энергии доказана практическими испытаниями.
Солнечная энергия как альтернативный источник энергии: компоненты и принципиальные схемы
Солнечные панели
В основу конструкции заложен накопительный принцип фотоэлементов солнечных батарей. Такая технология известна уже несколько десятков лет. Однако только в последние годы появились изделия, доступные по цене для рядового потребителя.
Солнечные панели вырабатывают постоянный ток, который без дополнительного преобразования можно использовать для заряда аккумуляторных батарей, питания светодиодных ламп и других подходящих устройств. Телевизоры, стиральные машины и другую технику подключают через инвертор, который создаёт на выходе синусоиду в 220V. Контроллер управляет переключениями, обеспечивает оптимальный режим заряда аккумуляторных батарей.
| Бренд/ Модель | Примечания | |
| 4480 | Поликристаллическая панель. Напряжение − 12 V, Номинальная мощность − 100 Вт, Размер − 15,6×15,6 см. Допустима эксплуатация при температуре от -40 до + 85°С. |
| 8700 | Универсальный контроллер − 12/24 В. Максимальная мощность − 390 Вт (12 V). Допустимый ток при зарядке аккумулятора – до 40 А. С подключением внешнего термодатчика выполняется контроль температуры с защитой от перегрева. |
| 61000 | Инвертор. Номинальная мощность − 4,5 кВт. |
| 16100 | Аккумуляторная кислотно-свинцовая батарея. Ёмкость − 90 А*ч, Срок службы – 12 лет. Создана в необслуживаемом исполнении. |
Sunways/ ФСМ-100П
DELTA/ HRL 12-90В таблице представлены основные компоненты для создания индивидуального альтернативного источника энергии. Кроме перечисленных изделий, понадобятся соединительные провода, элементы крепления. Многое зависит от параметров инсоляции – количества и продолжительности солнечных дней. В простейшем варианте создают автономную систему с дежурным дизельным/бензиновым генератором. Также применяют различные комбинации со стандартными сетями электропитания.
Солнечные коллекторы
| Бренд/ Модель | Средняя цена (по состоянию на апрель 2018 г.), руб. | Примечания |
| 33900 и 45900 (серии 2.0 и 3.0) | Солнечные коллекторы. Толщина стекла − 3,2 мм, Проницаемость света – до 85%. |
| 175200 | Специализированный бойлер. Оснащён регулирующей аппаратурой. Магниевая защита от коррозии. Объём − 1000 литров. |
| 39200 | Титановое покрытие. Допустимо применение горизонтальной и вертикальной монтажной схемы с объединением до 10 изделий в одном рабочем блоке. |
| 179300 | Комплект нагревательного оборудования с бойлером и насосной группой. |
Все альтернативные источники энергии, созданные известными брендами, на картинках выглядят привлекательно. Но в данном случае особое значение имеют практические параметры, а не эстетика. В процессе изучения гелиоустановок следует обратить внимание на следующие нюансы:
- совместимость с другими компонентами общей системы теплоснабжения объекта;
- штатные регулировки и защитные устройства;
- долговечность.
Чтобы предотвратить перегрев, применяют разные инженерные решения. В коллекторах Viessmann, например, устанавливают специальный слой, который изменяет свою структуру при температуре +75°C и более. Тем самым уменьшается эффективность установки, предотвращается образование пара в трубопроводе.
Тепловые насосы для отопления дома
| Бренд/ Модель | Средняя цена (по состоянию на апрель 2018 г.), руб. | Примечания |
| 48100 | Специализированный воздушный тепловой насос для поддержания комфортной температуры воды в бассейне. |
| 1 368000 | Мощность обогрева – до 3,52 кВт. Совместимость с домашними системами ГВС и отопления. |
| 492340 | Внутренний блок. Источник тепла – воздух. Обеспечивает нагрев воды до +80°C. Уровень шума – 26дБ. |
| 348800 | Геотермальный тепловой насос. Мощность обогрева/охлаждения −7,8/7,57 кВт. Допустимо использование воды и грунта в качестве источника тепла. |
Энергия ветра как альтернативный источник энергии –особенности современных генераторов
| Бренд/ Модель | Средняя цена (по состоянию на апрель 2018 г.), руб. | Примечания |
| 73900 | Ветрогенератор вырабатывает до 1 кВт электроэнергии при скорости ветра в 10 м/с. |
| 340000 | Эта техника вырабатывает номинальную мощность (3кВт) при скорости ветра − 7−7,5 м/с. Уровень шума – до 35 дБ. |
| 284000 | Мощность – 5 кВт. Стартовая/ номинальная скорость ветра − 2/9 м/с. |
Установка для получения биогаза
Чтобы получить альтернативное электричество для частного дома своими руками, можно воспользоваться этим проектом. Основные функциональные части можно создать из стандартных изделий и подручных средств. Дополнительно надо продумать способ удобной загрузки биомассы. С добавлением подходящего котла получится решить задачу отопления и подготовки горячей воды.
К сведению! Профильные производители предлагают изготовление наборов для получения биогаза по индивидуальному заказу с предварительным расчётом стоимости.