Алтернативна енергия за дома: преглед на алтернативните енергийни източници

Въведение

Съвременната световна икономика зависи от богатствата от времето на динозаврите: петрол, газ, въглища и други изкопаеми горива. Повечето дейности в живота ни - от пътуването с метрото до подгряването на чайника в кухнята - в крайна сметка изискват изгарянето на това праисторическо наследство. Основният проблем е, че тези леснодостъпни енергийни ресурси не са възобновяеми. Рано или късно човечеството ще изпомпа целия нефт от вътрешностите на Земята, ще изгори целия газ и ще изкопае всички въглища. С какво ще отопляваме чайниците си тогава?

Не бива да забравяме и отрицателното въздействие на изгарянето на горива върху околната среда. Увеличаването на парниковите газове в атмосферата води до повишаване на средната температура на цялата планета. Продуктите от изгарянето на горивата замърсяват въздуха. Особено засегнати са жителите на големите градове.

Всички мислим за бъдещето, дори то да не е в рамките на нашия живот. Светът отдавна е наясно с ограниченията на изкопаемите горива. И отрицателното въздействие на употребата им върху околната среда. Водещите държави вече въвеждат програми за постепенен преход към чисти и възобновяеми енергийни източници.

В цял свят човечеството търси и постепенно въвежда заместители на изкопаемите горива. Слънчеви, вятърни, приливни, геотермални и водноелектрически електроцентрали отдавна работят в цял свят. Изглежда, какво ни пречи да задоволим всички нужди на човечеството с тяхна помощ още сега?

Всъщност алтернативната енергия има много проблеми. Например проблемът с географското разпределение на енергийните ресурси. Вятърните електроцентрали се изграждат само в региони, където често духат силни ветрове, слънчевите електроцентрали се изграждат само в региони с минимален брой облачни дни, а водноелектрическите централи се изграждат на големи реки. Нефтът, разбира се, също не е достъпен навсякъде, но е по-лесно да се набави.

Вторият проблем с алтернативната енергия е нестабилността. Във вятърните паркове производството на електроенергия зависи от вятъра, който постоянно променя скоростта си или напълно спира. Слънчевите електроцентрали не работят добре при облачно време и изобщо не работят през нощта.

Нито вятърната, нито слънчевата енергия отчитат нуждите на потребителите на енергия. В същото време енергийната мощност на термична или ядрена електроцентрала е постоянна и лесно се регулира. Единственият начин за решаване на този проблем е да се изградят огромни съоръжения за съхранение на енергия, за да се създадат резерви в случай на ниско производство. Това обаче оскъпява цялата система.

Поради тези и много други трудности развитието на алтернативната енергия в света се забавя. Все още е по-лесно и по-евтино да се изгарят изкопаеми горива.

Въпреки че алтернативните източници на енергия не са много изгодни в световен мащаб, те могат да бъдат много привлекателни в рамките на отделния дом. Много хора вече са засегнати от постоянно повишаващите се тарифи за електроенергия, отопление и газ. С всяка изминала година енергийните компании бъркат все по-дълбоко в джобовете на обикновените хора.

Експерти от международния фонд за рисков капитал I2BF представиха първия преглед на пазара на възобновяема енергия. Според техните прогнози след 5-10 години алтернативните енергийни технологии ще станат по-конкурентни и ще получат широко разпространение. Още сега разликата в разходите за алтернативна и конвенционална енергия бързо намалява.

Цената на енергията се отнася до цената, която производителят на алтернативна енергия иска да получи, за да възстанови капиталовите си разходи през целия период на проекта и да осигури възвръщаемост от 10 % на инвестирания капитал. Тази цена ще включва и разходите за дългово финансиране, тъй като по-голямата част от проекта е със силен ливъридж.

Горната графика илюстрира оценката на различните видове алтернативна и конвенционална енергия през второто тримесечие на 2011 г. (снимка 1).

Данните показват, че геотермалната енергия, както и отпадъците и сметищният газ, са с най-ниски разходи от всички алтернативни енергии. Всъщност те вече могат да се конкурират директно с конвенционалната енергия, но ограничаващ фактор за тях е ограниченият брой места, където тези проекти могат да бъдат реализирани.

Тази книга е написана за тези, които искат да бъдат независими от капризите на енергийната индустрия, които искат да допринесат за развитието на алтернативната енергия и които просто искат да спестят малко пари за енергия.

От книгата В. Германович, А. Турилин "Алтернативни източници на енергия. Практически конструкции за вятърна, слънчева, водна, земна енергия и енергия от биомаса.

Продължете да четете тук

Нетрадиционни източници на енергия

Неконвенционалните енергийни източници включват:

• слънчева енергия;
• вятърна енергия;
• геотермална енергия;
• енергия на приливите и вълните;
• биомаса;
• Екологична енергия с нисък потенциал.

Повсеместното разпространение на повечето видове прави възможно тяхното разработване, като може да се отбележи и тяхната екологичност и липсата на експлоатационни разходи за горивния компонент.

Съществуват обаче някои недостатъци, които възпрепятстват използването им в производствени мащаби. Това са ниската плътност на потока, която налага използването на големи по площ инсталации за "прихващане", както и променливостта във времето.

Всичко това води до факта, че тези устройства са много материалоемки и следователно увеличават капиталовите инвестиции. Е, процесът на производство на енергия, поради известен елемент на случайност, свързан с метеорологичните условия, създава много проблеми.

Другият най-важен проблем остава "съхраняването" на тази енергийна суровина, тъй като настоящата технология за съхранение на електроенергия не позволява това да се прави в големи количества. Въпреки това алтернативните източници на енергия за дома стават все по-популярни в дома, затова нека разгледаме основните енергийни инсталации, които могат да бъдат инсталирани в частен дом.

Всичко ли е толкова гладко?

Изглежда, че тази технология за електроснабдяване на частните домове отдавна би трябвало да е изместила традиционните централизирани методи за доставка на енергия от пазара. Защо това не се случва? Съществуват няколко аргумента срещу алтернативната енергия. Тяхното значение обаче се определя индивидуално - за някои собственици на вили някои недостатъци са от значение, а други не представляват никакъв интерес.

За големите селски къщи ниската ефективност на алтернативните енергийни инсталации може да се окаже проблем. Естествено, местните слънчеви системи, термопомпи или геотермални инсталации не могат да се сравняват с ефективността дори на най-старите водноелектрически централи, топлоелектрически централи и още повече - на атомните електроцентрали. Този недостатък обаче често се свежда до минимум чрез инсталиране на две или дори три системи, като се използва техният по-голям капацитет. Последицата от това може да бъде друг проблем - за монтирането им ще е необходима по-голяма площ, която не е налична във всички проекти на къщи.

За непрекъснатото захранване на обичайния брой уреди и отоплителни системи в една съвременна къща е необходима голяма мощност. Ето защо проектът трябва да включва източници, които ще могат да произвеждат тази енергия. А това изисква значителни инвестиции - колкото по-мощно е оборудването, толкова по-скъпо е то.

Освен това в някои случаи (напр. при използване на вятърна енергия) източникът може да не гарантира постоянно производство на енергия. Поради това е необходимо цялата комуникация да се оборудва с устройства за съхранение. За тази цел обикновено се инсталират батерии и колектори, което води до същите допълнителни разходи и необходимост от повече квадратни метри в къщата.

Енергия от вятъра

Нашите предци отдавна са се научили да използват силата на вятъра за своите нужди. По принцип дизайнът почти не се е променил оттогава. Единствено мелничните камъни са заменени с генераторно задвижване, което преобразува енергията на въртящите се лопатки в електричество.

За направата на генератор са необходими следните части:

• Генераторът. Някои използват двигател за перални машини, като леко преобразуват ротора;
• мултипликатор;
• батерия и контролер за зареждане на батерията;
• преобразувател на напрежение.

Вятърен генератор

Съществуват много схеми за самоделни вятърни турбини. Всички те са сглобени на един и същ принцип.

1. Рамката е сглобена.
2. Въртящото се устройство е монтирано. Греблата и генераторът са монтирани зад него.
3. Монтирана е страничната лопата с пружинен съединител.
4. Генераторът с витлото се закрепва към рамата, след което се монтира на рамата.
5. Свържете се и се свържете с въртящото се устройство.
6. Монтирайте приплъзващия пръстен. Свържете го към алтернатора. Окабеляването е свързано към акумулатора.

Съвет. Диаметърът на витлото определя броя на лопатките и количеството електроенергия, което може да се генерира.

Основни видове алтернативни енергийни източници

Напоследък се изпробват доста неконвенционални варианти за генериране на енергия. Според статистиката засега става дума за хилядни от процента от потенциалните употреби.

Типичните трудности, с които неизбежно се сблъсква разработването на алтернативни енергийни източници, са пълните празноти в законите на повечето страни, отнасящи се до експлоатацията на природните ресурси като държавен актив. Тясно свързан с тази липса на правна уредба е проблемът с неизбежното данъчно облагане на алтернативната енергия.

Нека разгледаме 10-те най-разпространени алтернативни източници на енергия.

Вятър

Вятърната енергия винаги е била използвана от човека. Равнището на развитие на съвременните технологии позволява да се извършва практически без прекъсване.

Електричеството се произвежда с помощта на вятърни турбини, които са подобни на вятърни мелници, специални устройства. Витлото на вятърната мелница предава кинетичната енергия на вятъра на генератора, който произвежда електричество, посредством въртящи се лопатки.

Такива вятърни електроцентрали са особено разпространени в Китай, Индия, САЩ и страните от Западна Европа. Безспорен лидер в тази област е Дания, която между другото е пионер в областта на вятърната енергия, като първите инсталации датират от края на XIX век. Дания покрива до 25% от нуждите си от електроенергия с този метод.

В края на 20-ти век Китай успява да снабдява с електроенергия планинските и пустинните райони само с помощта на вятърни турбини.

Използването на вятърна енергия е вероятно най-съвременният метод за производство на енергия. Това е идеален синтез, който съчетава алтернативната енергия с екологията. Много от развитите страни непрекъснато увеличават дела на електроенергията, произведена по този начин, в общия си енергиен микс.

Слънцето

От дълго време се правят опити за използване на слънчевата радиация за генериране на енергия и понастоящем това е един от най-обещаващите начини за развитие на алтернативната енергия. Самият факт, че слънцето грее целогодишно на много географски ширини и предава на Земята десетки хиляди пъти повече енергия, отколкото цялото човечество консумира за една година, е вдъхновение за активното използване на слънчеви електроцентрали.

Повечето от най-големите слънчеви електроцентрали се намират в САЩ, а слънчевата енергия се използва в около сто държави. Те се основават на фотоволтаични клетки (преобразуватели на слънчева енергия), които се комбинират в големи слънчеви клетки.

Земна топлина

Топлината от земните недра се превръща в енергия и се използва за човешки нужди в много страни по света. Топлинната енергия е много ефективна в районите с вулканична активност, където има много гейзери.

Лидери в тази област са Исландия (столицата Рейкявик е изцяло снабдена с геотермална енергия), Филипините (20% дял в общия баланс), Мексико (4%) и САЩ (1%).

Ограничението за използването на този вид източници е свързано с невъзможността за пренос на геотермална енергия на големи разстояния (типичен местен източник на енергия).

В Русия една такава централа (с капацитет 11 MW) все още работи в Камчатка. Там се изгражда и нова електроцентрала с капацитет 200 MW.

Десетте най-обещаващи енергийни източника в близко бъдеще включват:

• Космически слънчеви станции (основният недостатък на проекта е гигантската финансова стойност);
• човешката мускулна сила (търсене, преди всичко, в микроелектрониката);
• потенциал за използване на енергия от приливите и отливите (недостатък - високи разходи за изграждане, огромни колебания на мощността в денонощието);
• контейнери за гориво (водород) (необходимост от изграждане на нови бензиностанции, скъпи автомобили, които да се зареждат с тях);
• ядрени реактори на бързи неутрони (горивни пръти, потопени в течен Na) - технологията е изключително обещаваща (възможност за повторно използване на отработените отпадъци);
• Биогорива - вече широко използвани от развиващите се страни (Индия, Китай), предимства - възобновяемост, екологичност, недостатъци - използване на ресурси, земя, предназначена за производство на култури, паша на добитък (по-високи разходи, недостиг на храна);
• атмосферно електричество (натрупване на потенциална енергия на мълнията), недостатък - подвижност на атмосферните фронтове, скорост на разрядите (трудност на натрупването).

Използване на вятърна и слънчева енергия

Вятърни генератори в отоплителни системи

Кинетичната енергия от вятъра обикновено се използва за захранване на сгради, но мощни модели при почти идеални условия могат да осигурят и отопление, поне частично.

Като изключим първоначалните разходи, произведената електроенергия не струва нищо на потребителя.

Много важно е, че вятърните генератори не се нуждаят от никакви спомагателни ресурси за работата си; те работят автономно през цялото време. Тези системи могат успешно да се интегрират като спомагателни източници на енергия в системи, в които основните компоненти са други видове отоплителни устройства. Тези системи могат да бъдат интегрирани като спомагателни агрегати в системи, в които преобладават други видове нагреватели.

Тези системи могат успешно да се интегрират като спомагателни електроцентрали в системи, в които основните компоненти са други видове нагреватели.

Съществуват много видове конструкции на вятърни турбини, но обикновено те се разделят на две големи категории:

1. Хоризонтални вятърни турбини с лопатки от витлов тип. Тези съоръжения са по-продуктивни (използване на енергията на вятъра до 52%) и следователно по-подходящи за нуждите на отоплението, но имат редица ограничения в експлоатацията и потреблението.
2. Вятърни турбини с вертикална ос. Тези турбини са с относително ниска мощност (EFER по-малко от 40 %), но не изискват ориентация към вятъра, могат да използват не само ламинарни, но и турбулентни потоци, като започват да генерират ток дори при ниски скорости. Поддръжката им е по-лесна, тъй като генераторът е разположен близо до земята, а не на мачта в гондола.

Ето и някои недостатъци на използването на вятърни турбини за отопление:

• Високи капиталови разходи. Повече от 70 % от разходите се изразходват за спомагателни елементи: батерии, инвертор, автоматика за управление, инсталационни конструкции. Инвестицията се възвръща едва след няколко десетилетия.
• Ниска ефективност - ниска мощност. Освен това част от енергията се губи при преобразуването на електричеството в топлина.
• Теренът изисква постоянни ветрове с висока скорост. Енергията е нестабилна, силно зависи от времето и годишното време и изисква редовно наблюдение и натрупване.
• Оборудването заема много място.
• Вятърните турбини издават много шум по време на работа.

Слънчевите термални системи нагряват директно топлоносителя или преобразуват енергията с помощта на фотоволтаична технология. В първия случай слънчевите лъчи нагряват вода/антифриз (в някои модели - въздух), която се транспортира до стаите и чрез радиаторите отделя топлина. Във втория случай фотоните на светлината се превръщат в електрическа енергия, която захранва конвенционални отоплителни устройства, захранвани с електричество (котли, нагреватели, подово отопление).

Съответно има два вида устройства:

• Слънчеви колектори. Системата се състои от контур за циркулация на отоплителната среда, резервоар за съхранение и самия колектор. В зависимост от конструкцията съществуват плоски колектори, вакуумни колектори и въздушни колектори (като топлоносител се използва въздух).
• Слънчеви панели. Инсталацията се състои от панели с фотоволтаични клетки, контролери и инвертор. Батерията произвежда постоянен ток с напрежение 24 или 12 V, който се събира в батерията и след преобразуване от инвертора се подава в променлив ток (220 V) към контакта.

Слънчевите инсталации имат няколко недостатъка. На първо място, зависимостта от метеорологичните фактори и цикличността (сезонна и ежедневна). Батериите имат ниска ефективност, за да осигурят голямо количество стабилна енергия, те трябва да заемат голяма площ и са оборудвани със скъпи батерии, които трябва да се подменят доста често. Недостатък на колекторите е зависимостта им от електроенергия (за работата на помпата или вентилатора) или рискът от замръзване на топлоносителя, например.

Алтернативна енергия в световен мащаб

Статистическите данни за използването на възобновяеми енергийни източници по света изглежда дават основание за оптимизъм. През 2017 г. количеството електроенергия от възобновяеми енергийни източници в ЕС надхвърли това от въглищните електроцентрали. През 2018 г. делът им в другите мръсни ресурси се е увеличил от 30% на 32,3%.

През 2018 г. за първи път от 40 години насам глобалният капацитет на слънчевите и вятърните електроцентрали достигна 1 терават (1 000 GW), според доклад от юли. 90 % от капацитета се е появил едва през последните 10 години.

Възобновяемите енергийни източници имат три основни проблема:

1. Политиците насърчават използването им, а крайният потребител плаща за зелена енергия от собствения си джоб. Косвените данъци върху въвеждането на ВЕИ представляват осезаема част от тарифата. Критиците неведнъж са заявявали, че субсидиите за насърчителни тарифи са твърде високи и разходите рано или късно ще предизвикат отрицателна реакция от страна на потребителите.

1. Тези ресурси са безопасни само в сравнение с традиционните източници за производство на електроенергия. Оказва се, че вятърните турбини са способни да унищожават насекоми. Производството на почти всички такива инсталации е вредно за околната среда. Особено "мръсни" са соларните панели поради емисиите, които се отделят при производството на соларен силиций.

1. Въпреки че делът на възобновяемите енергийни източници в световния енергиен микс нараства, те все още не могат да се конкурират с конвенционалните източници. Експлоатацията им е нерентабилна, оборудването е капиталоемко, а възвръщаемостта е несравнимо ниска, така че когато държавната подкрепа бъде намалена, търсенето на ядрена енергия веднага спада. Дори авторитетното германско издание Die Welt признава, че "бизнесът с вятърна енергия е в състояние на дълбок хаос".

Заключения и полезно видео по темата

Видеоклип за комбиниране на алтернативни източници за получаване на електроенергия в малка селска къща:

Видеоклипът за изработване на вятърна турбина със собствените си ръце ви помага да разберете принципите лесно:

Кратък видеоклип за използването на термопомпа:

Видеоклип за производството на биогаз:

Отказът от традиционните източници на отопление е съвсем реалистичен. За да направите това, е необходимо внимателно да изберете алтернатива или да комбинирате няколко, въз основа на характеристиките на района, площта на вашата вила и територията на къщата.

Слънчевата енергия, земята, вятърната енергия, рециклирането на растителни и животински отпадъци могат да бъдат добър заместител на газта, въглищата, дървата за огрев и платеното електричество.

Използвате ли някой от тези алтернативни източници на енергия за битови нужди? Знаете ли колко ви е струвало да я съберете и колко бързо се е изплатила?

А може би някой ваш познат е построил къщата си на село с възобновяеми енергийни източници? Използване на система от слънчеви панели или термопомпа като независим източник на топлина, гореща вода и електричество?