Солнечная энергия широко используется там, где она дешевле обычной электроэнергии: на отдаленных жилых островах и фермах, на космических и океанских станциях. В жарких странах с высокими тарифами на электроэнергию она может удовлетворить потребности обычного домашнего хозяйства. В Израиле, например, 80 % воды нагревается с помощью солнечной энергии.
Альтернативные источники энергии для дома, их виды и описание
В России счета за электричество и отопление растут с каждым годом. Чтобы сократить расходы, неплохо использовать альтернативные источники энергии для домашнего хозяйства. Это особенно выгодно для жителей частного сектора. Известно несколько разновидностей таких источников энергии.
В настоящее время широко используются следующие три вида бытовых альтернативных источников энергии:
- солнечные батареи;
- ветроэнергетические установки;
- тепловые насосы.
Эти источники имеют определенные преимущества и недостатки. Они более эффективны при совместном использовании. Но даже при использовании по отдельности эти источники энергии могут обеспечить значительную экономию на счетах за электричество.
Применение энергии солнца
Солнечная энергия уже давно используется в качестве альтернативного источника энергии. Для выработки электроэнергии используются солнечные панели.
Они представляют собой панели, состоящие из четырех элементов:
- сама солнечная панель;
- аккумуляторы;
- контроллер;
- инвертор.
Солнечная панель — это устройство, состоящее из элементов, соединенных вместе. Панель преобразует свет от солнца в поток электронов. Мощность устройства зависит от батарей. Для нормальной работы солнечной панели часто требуется около десяти батарей.
Для обеспечения правильной зарядки батарей необходимо контрольное устройство. Задача этого устройства — следить за тем, чтобы батареи не перезаряжались. Инвертор используется для преобразования солнечной энергии в электричество. Когда батареи вырабатывают низковольтное электричество, инвертор преобразует его в выходное. Для дома на одну семью обычно требуется инвертор мощностью от 3 до 5 кВт.
Солнечные модули часто используются в области альтернативной энергетики. Однако они имеют некоторые особенности. К ним относятся:
- невозможность выработки тока высокого напряжения;
- дороговизна;
- невысокий коэффициент полезного действия;
- низкая мощность.
Солнечные батареи бывают в виде вакуумных трубок и плоских солнечных батарей. Первые состоят из колоночных трубок. Они имеют двойное стекло. Из трубок предварительно откачивается воздух. Снаружи трубка покрыта отражающей массой. Она позволяет поглощать солнечную энергию, но не выпускает ее наружу. Внутри трубки находится охлаждающая жидкость. Плоские солнечные батареи имеют поглощающую пластину. Она поглощает солнечную энергию и передает ее в специальный жидкий носитель.
Мы рекомендуем устанавливать эти альтернативные источники энергии на южной стороне дома. Они должны быть расположены под углом (30° к горизонту летом, 70° зимой). Солнечные коллекторы должны быть размещены на плоской поверхности и предпочтительно на крыше дома.
Ветроэнергетические установки
Другие альтернативные источники энергии
Эффективным является использование теплогенераторов. Такие установки работают от дровяных котлов и кухонных плит. Генератор способен вырабатывать более 140 кВт/ч электроэнергии. Рекомендуется устанавливать эти устройства в домах с газовыми котлами. Однако теплогенераторы очень дороги.
Современные источники энергии, такие как мини-гидроэлектростанции, могут вырабатывать альтернативную энергию для дома. Их можно спроектировать, если дом расположен вблизи крупной реки с большим расходом воды. Чтобы мини-ГЭС работала правильно, вода в резервуаре должна иметь высокую скорость потока.
Другой вариант — биогазовые установки. Такие установки производят газ из отходов животноводства. Его получают путем ферментации навоза.
Биогазовые установки дают двойную выгоду. Помимо снабжения дома биогазом, вы получаете удобрение, которое можно использовать в сельском хозяйстве. Биогазовые установки — это готовое решение для создания альтернативного источника энергии своими руками.
Что такое альтернативные источники энергии
Альтернативные источники энергии — это возобновляемые источники энергии, основанные на гидроэнергии, энергии ветра, солнца, геотермальной энергии, биомассе и энергии приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — нефти, газа, угля и урановой руды — эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми. Только в 2019 году в мире было установлено в общей сложности 200 ГВт систем возобновляемой энергии (ВИЭ).
Доля источников энергии в мировом потреблении (Фото: REN21)
Виды альтернативных источников энергии
1. Солнечная энергия
Солнце является основным источником энергии для Земли. Каждый год около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии достигает нашей планеты, что более чем в 10 000 раз превышает мировые потребности в энергии. Фотоэлектрические панели на крышах или на открытом воздухе преобразуют солнечный свет в электричество с помощью полупроводников, в основном кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и горячего водоснабжения, а также для кондиционирования воздуха.
Солнечные панели могут вырабатывать энергию даже в облачную погоду или во время снегопада. Для достижения наилучшей производительности они должны быть установлены под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол наклона модулей.
2. Энергия ветра
Использование ветра в качестве движущей силы имеет давние традиции. Ветряные мельницы использовались для помола муки, на лесопилках и в качестве насосных станций или водокачек. Современные ветряные мельницы вырабатывают электроэнергию из силы ветра. Сначала они преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электричество.
Энергия ветра является одной из наиболее быстро развивающихся технологий возобновляемой энергетики. Согласно последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности наземных и морских ветроустановок увеличились почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт в 2018 году.
3. Энергия воды
Уже в Древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для приведения в действие рабочих машин, включая мельницы. В средние века водяные мельницы использовались в Европе на лесопилках и целлюлозно-бумажных комбинатах. С конца 19 века энергия воды используется для выработки электроэнергии.
4. Геотермальная энергия
Геотермальная энергия использует тепло земли для выработки электроэнергии. Температура грунта позволяет нагревать верхние слои земли и подземные водоемы. Геотермальная энергия извлекается из земли путем неглубокого бурения — это не требует больших инвестиций. Она особенно эффективна в районах, где горячие источники расположены вблизи поверхности земной коры.
5. Биоэнергетика
Биоэнергетика отличается гибкостью. Тепло, электричество и топливо можно производить из твердой, жидкой и газообразной биомассы. Таким образом, растительные и животные отходы используются в качестве возобновляемого сырья.
6. Энергия приливов и отливов
Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который отвечает за выработку электроэнергии. Таким образом, волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, разницу давления и температуры океанских волн, для выработки электроэнергии. Исследования еще продолжаются, но эксперты подсчитали, что только европейские побережья могут вырабатывать более 280 ТВт/ч энергии в год, что составляет около половины энергетических потребностей Германии.
Ветроэнергетика
Запасы энергии ветра в 100 раз превышают запасы энергии всех рек на Земле. Ветряные турбины используются для преобразования ветра в электрическую, тепловую и механическую энергию. Наиболее важными установками являются ветряные турбины (для производства электроэнергии) и ветряные мельницы (для получения механической энергии).
Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит — особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. В начале 2016 года мощность всех ветряных турбин превысила общую установленную мощность атомной энергетики.
Недостатком является то, что ее невозможно контролировать (сила ветра колеблется). Кроме того, ветряки могут создавать радиопомехи и влиять на климат, забирая часть кинетической энергии ветра — хотя ученые пока не знают, хорошо это или плохо.
Гидроэнергия
Гидроэлектростанции с плотинами и водохранилищами необходимы для преобразования движения воды в электричество. Они строятся на реках с сильным течением, которые не пересыхают. Плотины строятся для достижения определенного уровня воды — это приводит в движение лопасти водяной турбины, и турбина приводит в движение электрогенераторы.
Гидроэлектростанции дороже и сложнее в строительстве, чем обычные электростанции, но цена электроэнергии (на российских ГЭС) в два раза ниже. Гидротурбины могут работать в разных режимах мощности и управлять выработкой электроэнергии.
Альтернативные источники энергии для частного дома. Это не только энергия солнца и солнечные батареи
В последнее время о «зеленой» энергии говорят все больше и больше. Западные страны предпринимают усилия, чтобы полностью перевести производство электроэнергии на возобновляемые (неисчерпаемые, с точки зрения человека) источники. Удастся ли это сделать и в какие сроки — другой вопрос. Но их отчаянная настойчивость в достижении этой цели часто не поддается логике и элементарным рассуждениям. Однако это их решение и их путь.
Когда речь заходит о «зеленой энергии» для частного дома, среднестатистический житель нашей страны сразу же думает о солнечных батареях, покрывающих всю поверхность крыши дома. Да, это самая распространенная и реальная возможность обеспечить (весь дом или его часть) электроэнергией из «бесплатного» и неисчерпаемого источника. Однако для преобразования солнечной энергии в электричество необходимо приобрести и установить довольно дорогостоящее оборудование. И мы не можем мечтать о том, что необходимое количество электроэнергии можно будет стабильно генерировать. Выработка электроэнергии зависит от географии (местности, где расположен дом), погоды, сезона, времени суток и так далее.
Но солнечная энергия — не единственный возобновляемый источник энергии, который можно использовать для частного дома!
Энергия ветра — не единственный источник энергии, который можно использовать для возобновляемой энергетики.
Все видели фотографии (а может, и не только фотографии) огромных полей с гигантскими ветряными турбинами с лопастями длиной более 50 метров. Ветер приводит в движение лопасти турбины, которые заставляют ее вращаться. Так вырабатывается электричество. Количество вырабатываемой электроэнергии зависит от скорости (силы) ветра, воздействующего на лопасти. Но это, так сказать, промышленные масштабы. А как насчет выработки электроэнергии с помощью ветряка (ветроколеса, ветряной турбины, ВЭС) для частного дома? Существуют мини-ветрогенераторы, которые можно успешно использовать для выработки электроэнергии в частном доме. Мини-ветрогенераторы хорошо работают в степях, горных районах и прибрежных зонах. При высоте мачты 5 метров, длине лопастей 1 метр (для турбин с 4 лопастями) и скорости ветра 12-15 метров в секунду ветряк может вырабатывать до 1 кВт электроэнергии. Ветряные турбины вырабатывают электроэнергию только при скорости ветра 3-4 метра в секунду. При такой «начальной» скорости ветра ветряная турбина, конечно, не способна генерировать номинальную мощность, указанную производителем. Поэтому годовая мощность ветровой турбины рассчитывается по среднегодовой скорости ветра в месте установки ветровой турбины. Установка четырех таких ветряков теоретически может полностью покрыть потребности в электроэнергии среднего частного дома. Однако очевидно, что возникновение ветра и его скорость непредсказуемы. Следовательно, обеспечить надежное и бесперебойное снабжение электроэнергией, вырабатываемой исключительно ветряными турбинами, для частного дома довольно проблематично, даже если во время работы ветряных турбин будет наблюдаться избыток электроэнергии.
Тепловые насосы для отопления дома
Тепловые насосы используют все доступные альтернативные источники энергии. Они извлекают тепло из воды, воздуха и земли. Поскольку зимой это тепло также доступно в небольших количествах, тепловой насос собирает его и передает для обогрева дома.
Принцип работы
Почему тепловые насосы так привлекательны? Дело в том, что если вы используете 1 кВт энергии для насоса, то получаете в худшем случае 1,5 кВт тепла, в то время как наиболее удачные приложения могут выдавать до 4-6 кВт. И это не противоречит закону сохранения энергии, поскольку энергия используется не для производства тепла, а для его выкачивания. Поэтому здесь нет никакого противоречия.
Тепловые насосы имеют три рабочих контура: два внешних и один внутренний, а также испаритель, компрессор и конденсатор. Работа контура осуществляется следующим образом
- 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 эксплуатировать в качестве напольного отопления. Контур лучше всего подходит для этого. Радиаторная система потребовала бы слишком много компонентов, что некрасиво и нерентабельно.
Альтернативные источники тепловой энергии: откуда и как брать тепло
Однако самой большой проблемой является проектирование первого внешнего контура, который собирает тепло. Поскольку источники имеют низкий потенциал (малое количество тепла), для сбора достаточного количества тепла требуется большая площадь поверхности. Существует четыре типа 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, сделать буровую установку самостоятельно, 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.
Отходы в доходы: биогазовые установки
Все альтернативные источники энергии имеют природное происхождение, но только биогазовые установки обеспечивают двойную выгоду. Они перерабатывают отходы домашней птицы и скота. В результате получается определенное количество газа, который после очистки и сушки может быть использован по назначению. Оставшиеся переработанные отходы можно продать или использовать на полях для повышения урожайности — это очень эффективное и безопасное удобрение.
Коротко о технологии
Газ образуется в результате ферментации с участием бактерий, живущих в навозе. Для производства биогаза подходят все виды отходов животноводства и птицеводства, но оптимальным является навоз крупного рогатого скота. Его даже добавляют к другим отходам в качестве «закваски», поскольку он содержит нужные для ферментации бактерии.
Оптимальные условия требуют анаэробной среды — брожение должно происходить без доступа кислорода. По этой причине эффективные биореакторы представляют собой закрытые контейнеры. Чтобы процесс шел активнее, массу необходимо регулярно перемешивать. В промышленных установках для этой цели используются мешалки с электрическим приводом, но в биогазовых установках DIY обычно применяются механические устройства — от простых палок до механических мешалок, которые «работают» за счет силы рук.
В процессе образования газа из навозной жижи участвуют два типа бактерий: мезофильные и термофильные. Мезофильные бактерии активны при температуре от +30°C до +40°C, а термофильные бактерии — при температуре от +42°C до +53°C. Термофильные бактерии более эффективны. В идеальных условиях производство газа может достигать 4-4,5 литров газа с 1 литра полезной поверхности. Однако поддерживать температуру 50°C очень сложно и дорого, хотя затраты того стоят.
Немного о конструкциях
Простейшая биогазовая установка представляет собой бочку с крышкой и мешалкой. На крышке есть штуцер для шланга, через который газ подается в резервуар. Много газа из такого объема не получить, но для одной-двух газовых горелок этого достаточно.
Большие объемы можно извлекать из подземного или наземного бункера. В случае подземного бункера он выполнен из железобетона. Стены отделены от пола теплоизоляционным слоем, а сам контейнер может быть разделен на несколько отсеков, в которых обработка происходит со сдвигом по времени. Поскольку в таких условиях обычно работают мезофильные культуры, весь процесс занимает от 12 до 30 дней (термофильные культуры обрабатываются за 3 дня), поэтому желательно чередование.
Суспензия подается через загрузочный бункер, а на противоположной стороне имеется разгрузочная задвижка, из которой удаляется обработанное сырье. Бункер для биомассы заполняется не полностью, около 15-20 % пространства остается свободным, где скапливается газ. Для его удаления в крышку вставляется труба, другой конец которой открывается в ловушку — емкость, частично заполненную водой. Таким образом, газ осушается — наверху он собирается уже очищенным, отводится через другую трубку и уже может задохнуться в потребителе.
