Альтернативные источники энергии и возможности их применения в россии. Альтернативная энергетика в мире Альтернативные источники энергии все виды

В связи с развитием производственных технологий и значительным ухудшением экологической ситуации во многих регионах земного шара, человечество столкнулось с проблемой поиска новых источников энергии. С одной стороны, количество добываемой энергии должно быть достаточным для развития производства, науки и коммунально-бытовой сферы, с другой стороны, добыча энергии не должна отрицательно сказываться на окружающей среде.

Данная постановка вопроса привела к поиску так называемых альтернативных источников энергии — источников, соответствующих вышеуказанным требованиям. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, на данный момент большинство из них уже используется более или менее широко. Предлагаем вашему вниманию их краткий обзор:

Солнечная энергия

Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах, они преобразуют солнечную энергию в электрическую. Существуют разные способы такого преобразования и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространены станции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные батареи. Большинство крупнейших фотоэлектрических установок мира находятся в США.

Энергия ветра

Ветроэнергетические установки (ветряные электростанции) широко используются в США, Китае, Индии, а также в некоторых западноевропейских странах (например в Дании, где 25% всей электроэнергии добывают именно таким способом). Ветроэнергетика является весьма перспективным источником альтернативной энергии, в настоящее время многие страны значительно расширяют использование электростанций данного типа.

Биотопливо

Главными преимуществами данного источника энергии перед другими видами топлива являются его экологичность и возобновляемость. К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (торф, отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Энергия приливов и волн

В отличие от традиционной гидроэнергетики, использующей энергию водного потока, альтернативная гидроэнергетика пока не получила широкого распространения. К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, их за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии. Основные плюсы — высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

Тепловая энергия Земли

Для разработки этого источника энергии используются геотермальные электростанции, использующие энергию высокотемпературных грунтовых вод, а также вулканов. На данный момент более распространенной является гидротермальная энергетика, использующая энергию горячих подземных источников. Петротермальная энергетика, основанная на использовании «сухого» тепла земных недр, на данный момент развита слабо; основной проблемой считается низкая рентабельность данного способа получения энергии.

Атмосферное электричество

(Вспышки молний на поверхности Земли происходят практически одновременно в самых разных местах планеты )

Грозовая энергетика, основывающаяся на захвате и накоплении энергии молний, пока находится в стадии становления. Главными проблемами грозовой энергетики являются подвижность грозовых фронтов, а также быстрота атмосферных электрических разрядов (молний), затрудняющая накопление их энергии.

Альтернативные источники энергии – это возобновляемые источники энергии, к которым относятся: энергия солнца, ветер, приливы и отливы, морские волны, тепло планеты. От традиционных исчерпаемых тепловых источников энергии в скором будущем придется отказаться. Набольшую долю атомной энергии придется оставить.

Для существования и развития человечества необходимо производство энергии. В нашу жизнь настолько вошли тепло- и электроэнергия, что человек не может отказаться от их потребления. С другой стороны, на первый план выходит экономический аспект энергетики и создание экологически чистого производство. Здесь возникает необходимость в решении ряда вопросов, связанных с перераспределением средств на покрытие потребностей человека, а также поиске и разработки совершенно новых альтернативных технологий для производства электроэнергии и тепла.

На сегодняшнее время перед человечеством стоит глобальная проблема – загрязнение окружающей среды продуктами горения органического топлива. Темпы производства быстро растут, а это может привести к тому, что через несколько десятилетий крупные индустриальные города увязнут в смоге. Вторая сторона этой проблемы выражается в том, что мы используем исчерпаемые ресурсы. При таких быстрых темпах потребления угля, нефти, газа через столетие наступит энергетический кризис.

Существуют несколько причин, указывающих на необходимость скорейшего перехода на производство альтернативных источников энергии. Всем известно, что традиционные энергодобывающие технологии ведут к глобальному изменению климата. направлены на разрешение глобально – экологических проблем.

Вторая причина – политическая, заключается в том, что страна, первая освоившая альтернативные источники энергии, займет мировое первенство и станет диктовать цены на топливо.

Стоимость альтернативных источников энергии значительно ниже стоимости традиционных источников, причем строительство альтернативных станций окупается быстрее. Альтернативные источники энергии позволят сэкономить топливные ресурсы страны для использования их в других промышленностях, поэтому здесь решается экономическая причина.

Не следует забывать о социальной причине, так как плотность населения постоянно растет, а мест для строительства АЭС и ГРЭС немного. В районах, где расположены крупные АЭС и ГРЕС увеличилось число онкологических заболеваний. Альтернативные источники энергии помогут сохранить здоровье и жизнь многим людям.

Эволюционно-историческая причина связана с ограниченностью и невозобновляемостью топливных ресурсов планеты. Использование традиционных источников энергии может привести человечество в тупик.

Для того чтобы выяснить эффективность применения альтернативных источников энергии необходимо подробно рассмотреть каждый из них.

Солнце – это ведущий источник энергии. Лишь небольшая часть солнечной энергии используется в настоящее время, так как солнечные батареи обладают небольшим коэффициентом полезного действия и не дешевые в производстве. Но отказываться от экологически чистой неисчерпаемой энергии солнца не следует. Данные специалистов показывают, что гелиоэнергетика способна обеспечить все нужды человечества на тысячи лет вперед. КПД гелиоустановок можно увеличить за счет из размещения на крышах домов. Таким образом, будет удовлетворяться потребность человека в тепле, подогреве воды, работе электроприборов. Для промышленных нужд можно размещать гелиоустановки, используя территорию пустынь и пустырей. Но трудности связанные со строительством и эксплуатации гелиоэнергоустановок, делают общий удельный вес гелиоэнергетики достаточно скромным.

Альтернативные источники энергии заключаются не только в использовании энергии солнца. По данным Всемирной метеорологической организации потенциал энергии ветра составляет 170 триллиона кВт·ч в год. Производство энергии ветра имеет свои недостатки. Поскольку энергия ветра сильно рассеяна в пространстве, то нужны такие ветроэнергоустановки, которые смогут беспрерывно работать с высоким КПД. Ветер отличается своей непредсказуемостью. Он постоянно меняет направление, может затухать или достигать огромной силы. Ветроэнергостанции мешают полетам птиц, отражают радиоволны, шумят. Однако эти недостатки можно уменьшить.

На сегодняшний момент существуют ветроэнергоустановки, которые могут работать при слабом ветре. Лопасти винта работают таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось использование ветра.

Свое применение нашли циклонные электростанции, мощность которых достигает 100 тысяч киловатт. Принцип действия циклонных электростанций заключается в том, что когда теплый воздух поднимается, он смешивается с циркулирующим воздушным потоком, образовавшийся «циклон» начинает вращать турбину. Такие установки эффективнее солнечных батарей. Сооружаются «ветряные фермы», которые компенсируют изменчивость ветра. Они возводятся на обширной территории, потому что ветряки нельзя размещать близко друг к другу. Такие альтернативные источники энергии существуют в США, в Англии, во Франции. В Дании ветроэнергоустановка расположилась на прибрежном мелководье Северного моря. Там она никому не мешает и ветер устойчивее. На протяжении 90-х годов в Нидерландах и Швеции велось строительство 54 тысяч энергоустановок. Германия, используя альтернативные источники энергии, получает 10% электроэнергии, за счет энергии ветра. Западная Европа получает 2500 МВ электроэнергии путем использования энергии ветра.

Топливом будущего считается водород. Во время окисления водорода, как побочный продукт образуется вода, а из нее можно так же добывать водород. Поскольку 73% земной поверхности покрыто водой, то можно сказать, что водород является неисчерпаемым топливом.

Альтернативные источники энергии связывают со строительством гидроэлектростанций. В начале прошлого века крупные реки, перегороженные плотинами, давали дешевую энергию. Однако такое вмешательство в природу привело к ущербу для сельского хозяйства, потому что земли расположенные выше плотин затоплялись, ниже – падал уровень грунтовых вод. Все это приводило к потере пространства земли, загниванию воды в водохранилищах, прерыванию естественного течения рек. Отрицательное воздействие на окружающую среду крупных ГЭС зародило идею о создании «мини-ГЭС». Такие сооружения могут располагаться на небольших реках и ручьях, а их электрогенераторы смогут работать при небольших перепадах воды или от силы течения.

Альтернативные источники энергии виде отливов и приливов могут дать человечеству около 70 миллиардов кВт·ч в год. Для сравнения: максимальное использование только приливов может обеспечить процветание 30 тысячам современных «Америк». Приливные электростанции накапливают воду в водохранилищах по время приливов и тратят ее на производство электроэнергии в тех случаях, когда происходит “пик потребления” в энергосистемах, ослабляя нагрузку на другие электростанции. Приливные электростанции имеют все предпосылки, чтобы стать одной из основных составляющих мировой энергетики, например как природный газ.

Во Франции в 1966 году была пущена первая приливная электростанция, расположенная на реке Ранс. Стоимость этого сооружения в 2,5 раза превышала стоимость речной ГРЭС такой же мощности. Первый опыт эксплуатации приливной электростанции доказал экономическую оправданность ее строительства.

Учеными уже доказано, что альтернативные источники энергии могут находится на дне моря или озера. Для этого разработаны и экспериментально опробованы волновые электростанции. В лаборатории энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне был создан проект первой океанской электростанции. Она будет возведена во Флоринском проливе, где берет свое начало океанское течение - Гольфстрим. Мощность водяного потока при выходе из Мексиканского залива превышает в двадцать раз суммарный расход воды во всех реках планеты. Специалисты подсчитали, что проект окупится в течение пяти лет.

Источником экологически чистой энергии является подземное тепло планеты. Первая Российская геоТЭС была построена на Камчатке в 1966 году. ГеоТЭС также построены и действуют в США, Исландии, Новой Зеландии, Японии и Мексике. Столица Исландии получает тепло только за счет подземных источников. Но данным ученых, геотермальная мощность значительно выше.

Помимо геотермальной энергии, можно использовать тепло воды. Вода способна нагреваться, поэтому можно использовать эту часть тепла. Для этого требуется установка, работающая по принципу «холодильник наоборот». Обычный холодильник «выкачивает» из своей камеры тепло и «выкидывает» его наружу. Можно отобрать тепло из холодильных установок, если через него пропустить воду. Пар, образованный в результате теплообмена конденсируется. Его температура достигает 110С°. Затем он пропускается на турбины электростанций или в батареи центрального отопления.

Эти установки наиболее эффективны при больших перепадах температур. Например на глубине моря вода холодная - 4С°, а поверхность прогревается до 25 С°. Разница составляет 20 градусов. Подобные установки уже экспериментально опробованы в Лаккадивском архипелаге около юго-западного побережья Индии.

За последние двести лет в атмосфере повысилась концентрация ртутных паров в три раза. Это произошло в результате горения городских отходов и ртутьсодержащих сортов угля.
Придет время и человечеству придется отказаться от использования традиционных источников энергии. На смену им придут экологически чистые, возобновляемые альтернативные источники энергии.

Правильный подбор и грамотная эксплуатация альтернативных источников энергии в современных условиях позволит на 70-90% отказаться от закупки газа, тепловой энергии, возможно, и электричества. Существует достаточно много вариантов использования энергии окружающей среды, но работать с ней не так просто, как может показаться на первый взгляд. Потребуется выполнить максимально точный расчет параметров альтернативного энергоснабжения, учесть климатический пояс, месторасположение дома, плотность застройки и, главное, объем финансовых средств, которые можно было бы вложить в проект.

Виды альтернативной энергетики

Сразу нужно сделать оговорку: возможность полностью перейти на альтернативные источники энергии для частного дома вполне реализуема, но только в том случае, если энергообеспечение коттеджа или квартиры опирается на два-три различных способа получения «зеленых» тепла и электричества.

Исключением могут быть частные домовладения, расположенные в северных районах, где отапливаемый сезон длится не менее восьми месяцев. В этом случае за счет альтернативных источников можно всего лишь снизить потребление энергии на 40-50%. В южных районах на альтернативные источники электроэнергии и тепла можно перевести даже квартиры в многоэтажных домах.

Энергия солнца и кремниевые панели

Большинство проектов по освоению альтернативных источников связано с солнечной энергией. Компании-производители солнечных батарей активно рекламируют преобразователи и панели, как наиболее выгодные, экологичные и бесшумные. Но не все так просто. Прежде чем покупать и устанавливать солнечные панели в качестве главного источника тепла, стоит помнить о некоторых недостатках подобного способа получения альтернативной энергии:

• Высокая стоимость солнечной электроэнергии, на сегодня разница составляет 2,5 раза в сравнении с тарифом электросетевых компаний;
• Небольшая мощность источника энергии. С одного квадратного метра панели в солнечный день можно получить не более 150 Вт альтернативной электроэнергии, при том, что стоимость самой панели составляет около сотни долларов;
• Сложность ремонта и ограниченный срок службы солнечных кремниевых панелей.

Перечисленные недостатки альтернативного солнечного источника энергии, которыми любят пугать чиновники электросетевых компаний, прежде всего, связаны с высокой стоимостью солнечного элемента. По оценкам специалистов, снижение розничной цены на кремневые батареи всего на 60% приведет к взрывному спросу на альтернативные источники солнечной электроэнергии.

Важно! Для установки солнечной батареи на крыше частного дома не нужны согласования и разрешения местных властей, если система не будет сопряжена с вводным контуром проводки электросетевой компании.

Альтернативный проект по использованию солнечной энергии

Использование солнечной энергии не ограничивается кремниевыми батареями. Существует еще одна схема источника альтернативной энергии на основе солнечной тепловой энергии. В отличие от полупроводниковых панелей с прямым преобразованием света в электричество, в основе альтернативной системы используется тепло, получаемое в нескольких тепловых солнечных коллекторах.

Разогретая до 120 о С вода или этиленгликоль поступает в бойлер-теплообменник, расположенный в подвале дома. Часть тепла отдается легкокипящей жидкости – бутану или фреону, которая направляется на небольшой электрогенератор с вихревой турбиной, а часть накапливается в массивном теплоаккумуляторе, заполненном расплавленным парафином.

Стоимость одной такой альтернативной установки примерно на 60-70% больше, чем для системы с кремниевыми панелями. По отзывам производителей, даже при более высокой цене спрос на альтернативный источник энергии значительно выше, чем на кремниевые панели:

• Ресурс конструкции при условии ежегодного обслуживания составляет более 50 лет;
• КПД альтернативной установки на солнечной энергии в 2,5 раза выше, чем у современной бытовой солнечной батареи.

Вместо дорогостоящих литий-ионных батарей в системе используется дешевый теплоаккумулятор, способный запасать энергию до 150 кВт/ч в электрическом эквиваленте. Это означает, что даже в зимнее время, в условиях непогоды и самого пасмурного неба, альтернативный источник энергии способен отапливать помещение площадью в 40-50 м 2 в течение 24-30 ч. Единственным существенным недостатком тепломеханического источника энергии является необходимость прибегать к услугам сертифицированных специалистов для монтажа и регулярного обслуживания системы.

Энергия ветра

Использование воздушных потоков в качестве ветровой нагрузки позволяет добиваться очень высоких мощностей, в пределах от 1-15 кВт на одну вышку. Классическая система получения альтернативной энергии с использованием ветра состоит из трех составляющих:

• Металлическая или бетонная мачта с поворотной платформой;
• Воздушный винт, соединенный механической трансмиссией с электрогенератором;
• Аккумуляторная батарея с системой преобразования тока.

Стоимость ветровой электроэнергии зависит от размеров конструкции, чем больше высота, на которую поднят винт, тем выше эффективность источника альтернативной энергии. Для альтернативной установки мощностью 50 кВт/ч, поднятой на мачту в 50 м, цена производимой «воздушной» электроэнергии сопоставима с тарифом тепловой электростанции.

Для частного дома возможности использования ветра в качестве альтернативного источника значительно скромнее. Например, простейшая ветровая установка с высотой мачты в 4,5 м и диаметром четырехлопастного винта в 2 м, при ветре в 12 м/с выдает не менее 800-900 Вт/ч. Четыре ветроустановки способны заменить дорогостоящий источник энергии на солнечных кремниевых панелях площадью 20 м 2 . При этом стоимость альтернативной энергии будет вдвое выше сетевого тарифа.

Простейшая установка получения альтернативной энергии с винтом диаметром всего 70 см, установленная на балконе пятого этажа, позволяет получить 200 Вт/ч даже в условиях несильного ветра. Изготовить альтернативные источники энергии для дома своими руками не составит особого труда, необходимо только спроектировать винт специальной конфигурации, чтобы максимально снизить уровень шума.

В Китае малогабаритные установки с винтом 50 см широко используются в качестве альтернативного источника электроэнергии для питания фонарей уличного освещения и ретрансляторов беспроводного интернета, систем сигнализации и камер наблюдения на парковках и автомагистралях. Стоит такая «кроха» в 10 раз дешевле кремниевой панельки аналогичной мощности, а работает практически в любую погоду, даже без аккумуляторов.

При удачном выборе места под размещение мачты ветряная электростанция в качестве альтернативного источника электроэнергии окупается в течение 2-3 лет. Высота мачты должна составлять не менее 10-12 м, а диаметр лопастей – 2,5-3 м. Две вышки способны производить до 5 кВт/ч при среднем ветре.

Ветроустановки отлично работают в степной и гористой местности, в условиях плотной городской и пригородной застройки их эффективность снижается на 30-40%. Единственным недостатком ветроустановки остается высокий уровень зашумленности. Системы мощностью около 1 кВт способны генерировать шум, сопоставимый с децибелами работающего дизельного автомобиля.

Сила воды

Если рядом с домом протекает ручей или речушка, водный поток можно с успехом использовать в качестве источника энергии. Вода значительно слабее ветра по запасу энергии, поэтому для получения альтернативного источника с желаемыми 2-3 кВт/ч электроэнергии необходимо обеспечить следующие характеристики движения потока:

• Перепад высоты или напор — не меньше 150 см, скорость течения не менее 70 см/с;
• Расход воды – не менее 1,5-2 м 3 /с;
• Диаметр рабочего колеса не менее 60 см.

Кроме изготовления самой конструкции альтернативного водяного привода, дополнительно придется построить запруду и обводной ливневый канал, что потребует значительных расходов.

В качестве самостоятельного источника энергии возможностей ручейка для обеспечения потребности дома будет явно недостаточно, а для использования полноразмерного пятикиловаттного привода потребуется как минимум оформить разрешение на использование водных ресурсов.

Тепло земли

Тепловые насосы можно смело причислять к одной из наиболее удачных схем альтернативного обеспечения тепловой энергией. В теории тепловой насос может поставлять на 60% больше тепловой энергии, чем потребляет.

Чтобы получить тепло с температурой потока не менее 70 о С, в грунт, на глубину на 6-7 м ниже уровня промерзания, укладываются трубы, объединенные в один контур-теплообменник. С помощью прокачиваемого теплоносителя отбирается внутреннее тепло грунтовых пластов и используется в тепловом насосе для дальнейшего обогрева помещения.

Биотопливо

Большинство альтернативных источников энергии обладают одним и тем же недостатком – сделать запас тепла или электроэнергии практически невозможно, если не считать сверхбольших теплоаккумуляторов и маломощных литиевых батарей к солнечным панелям.

Большинство владельцев частных домов предпочли бы использовать альтернативный вариант безопасного и простого в использовании биотоплива, которое можно было бы запасти на весь отопительный сезон.

На сегодня используются два варианта альтернативного топлива:

• Биогаз, получаемый непосредственно на территории усадьбы или домовладения;
• Пеллеты, гранулированные продукты переработки угля, торфа, древесины, отходов лесопиления.

Источником сырья для производства пеллет могут быть любые отходы древесины. Небольшой ротационный пресс, который можно легко установить в домашних условиях, превращает мешок измельченной стружки в несколько килограммов пеллет. В результате владелец получает источник альтернативного недорогого топлива, которое можно запасать и сжигать в специальных котлах с автоматической подачей пеллетной массы.

Биогаз представляет собой продукт переработки определенными культурами бактерий органических отходов, смешанных с коровьим и свиным навозом. Сырье загружают в металлическую емкость со свободно плавающей крышей и затирают порошком с бактериями.

На вторые-третьи сутки из бака начинает поступать биогаз, который можно использовать в качестве альтернативного газового топлива вместо метана. Достаточно лишь отрегулировать работу автоматики на газ с меньшей калорийностью.

Удобный, но не самый безопасный источник альтернативной энергии, так как биогаз не имеет запаха и в случае утечки может легко привести к возникновению пожара.

Система солнечного электроснабжения

Главная статья расходов альтернативного электроснабжения на солнечных батареях включает цену панелей, это примерно 160 руб. за 1 Вт или 80-85 долл. за метр квадратный поверхности. Для альтернативного энергоснабжения дома потребуется не менее 25 м 2 панелек из поликристаллического кремния.

На аккумуляторах можно сэкономить. Вместо дорогостоящего лития можно установить щелочную батарею, которая прослужит 15 лет при минимальном уходе за источником энергии. На комплект щелочных батарей уйдет еще 200-300 долл.

Можно приобрести готовые панели в чехлах с наклеенной подложкой и пропаянной проводкой за 500-700 долл. или купить и наклеить одиночные плитки на текстолитовую основу своими руками. Вместо дорогущей монокристаллической плиты используем поликристаллические соты за вдвое меньшую цену. Правда, коэффициент полезного действия поликремния на несколько процентов меньше, но потерю можно легко компенсировать дополнительной площадью элементов.

Устройство солнечной панели

Если планировать альтернативный источник энергии на длительную перспективу, то лучше всего отказаться от использования какого-либо биотоплива и водяных генераторов. Уже через десяток лет нормы выброса СО будут жестко контролироваться государством. Тогда как за установку альтернативного источника электропитания из поликремния можно будет получать субсидии, как это происходит в сегодня в Европе и Канаде.

Солнечная батарея представляет тончайший слой кремния с напыленными на торцы «бутерброда» медными или никелевыми электродами. Плоскость, обращенная к солнцу, обязательно защищается от пыли и влаги тонким кварцевым, ситалловым или поликарбонатным стеклом. Отдельные «бутерброды» спаяны в ряды и целые панели, способные выдавать по 80-100 Вт электрической мощности.

Панели соединяют последовательно и подключают к аккумулятору и преобразователю. Последний превращает постоянный ток панели в переменный 220 В, что позволяет подключать к альтернативному источнику обычную бытовую технику, освещение и системы жизнеобеспечения.

Кроме классической кремниевой панели, для альтернативного электроснабжения также используют так называемые титановые солнечные батареи. По сути, это два тонких стекла с напыленным, практически невидимым тонким слоем оксида титана, между которыми находится раствор электролита. Выглядит титановая панель, как обычное оконное стекло с едва заметным затемнением, но это не мешает альтернативному источнику выдавать энергию с КПД до 7%.

Панели вставляют в окна, используют для остекления веранд и целых этажей, применяют в качестве самостоятельного источника резервного электроснабжения и в паре с кремниевыми панелями.

Правила установки солнечной панели

В классическом исполнении солнечную панель необходимо устанавливать под углом в 55-60 о к линии горизонта. Для обычных двухскатных крыш это слишком большой угол наклона, поэтому приходится либо приподнимать батареи относительно ската крыши, либо мириться с небольшим снижением эффективности альтернативного источника электроснабжения и укладывать секции просто на солнечной стороне кровли.

В альтернативном варианте панели располагают на участке на специальных поворотных подставках, такой способ используют в загородных домах и дачах, где мощности альтернативного источника всегда не хватает, а свободной площади всегда в избытке.

Ветрогенератор в частном доме

Стоимость ветроустановки мощностью 1 квт/ч составляет не менее 600 долл. Для монтажа установки альтернативного электропитания, прежде всего, потребуется грамотно выбрать свободное место для мачты генератора. Вокруг вышки должно быть свободное пространство площадью не менее 20 м 2 .

Можно собрать самодельную конструкцию резервного источника энергии из следующих деталей:

• Автомобильный генератор;
• Воздушный винт 2,5м из фанеры и пластика;
• Стальная двухдюймовая труба;
• Тросовые расчалки.

Цена набора деталей едва превышает 150 долл., поэтому стоимость киловатта энергии, выдаваемой альтернативной системой питания, получится дешевле 3,5 руб. Резервный источник энергии окупится в три месяца.

Тепловые насосы для отопления

Эффективность альтернативного источника тепла зависит от структуры пород, наличия геотермальных вод, высокого содержания газов и залежей органического топлива, торфа и угля. Наилучший выход тепла можно получить на влажных болотистых почвах, самыми сложными для организации альтернативного теплоснабжения считаются тяжелые скальные породы.

Классификация тепловых насосов

В качестве альтернативных источников тепловой энергии используется несколько основных типов тепловых насосов:

• С отбором тепла из грунтовых масс. Наиболее распространенная схема для организации альтернативного отопления с использованием стабильного источника тепла;
• Нагрев теплообменника насоса из окружающего воздуха за пределами помещения. По данной схеме работает кондиционер в качестве теплового источника для легкого подогрева помещения в осенний период;
• Отбор тепла из внутреннего помещения для охлаждения воздуха в режиме кондиционирования.

В качестве альтернативного источника тепловой энергии используются первых два типа тепловых насосов. Тепловой насос может работать как источник тепловой энергии, так и в режиме охлаждения. Альтернативная система охлаждения насоса примерно на 40-45% эффективнее кондиционера. Тепловые насосы в ближайшей перспективе уверенно перейдут из статуса альтернативных источников энергии в разряд основного способа получения тепла.

Принцип работы теплового насоса

Устройство и схема работы теплового насоса в качестве источника тепловой энергии приведена на схеме.

Работа альтернативной системы отопления во многом напоминает цикл обычного компрессионного или пароэжекционного холодильника, с двумя дополнительно установленными теплообменными контурами.

Первый контур альтернативного источника энергии изготавливается из нескольких десятков металлических труб, уложенных в скважины, глубиной от 40-100 м. Количество скважин может достигать 80-90 единиц для одного источника энергии мощностью 16-18 кВт. Скважины играют роль подогревателя для прокачиваемого антифриза и первичного источника энергии для теплового насоса.

Второй контур представляет собой медный теплообменник, сочлененный с первым контуром. В нем, как в холодильнике, циркулирует фреон или изобутан. В процессе конденсации фреона выделяется огромное количество тепловой энергии, которое через третий контур направляется на отопление дома.

Существуют также безнасосные схемы альтернативных источников энергии, в которых нет компрессоров и насосов, соответственно, практически нет потребления электрической энергии. КПД такого альтернативного теплового насоса меньше, поэтому для поддержания необходимой тепловой мощности источника энергии приходится увеличивать количество скважин.

Тепловой насос с узлами от бытовой техники

Простейший альтернативный источник тепла можно изготовить из деталей от мощного холодильника или уличной морозильной камеры. В таких системах в качестве агента — переносчика энергии используют углекислый газ. Компрессор мощностью 1,5 кВт способен выдать на медном радиаторе холодильника до 2,5 кВт тепловой энергии. Необходимо лишь оборудовать радиатор обдувом воздуха, а морозилку заглубить во влажный грунт на глубину ниже уровня промерзания. Такой альтернативного источник тепловой энергии способен эффективно отапливать помещение до 25 м 2 .

Обустройство и подключение внешнего устройства

Конструктивно тепловой насос выглядит, как холодильник, от которого идут трубы на радиаторы отопления и массивный бойлер-аккумулятор энергии. В альтернативном варианте трубы могут укладываться прямо в основание теплого пола.

Существует также альтернативный вариант укладки труб первого контура. Если рядом с домом существует источник любой воды, то для более эффективного забора тепла трубы первого контура лучше всего уложить как можно ближе к водному потоку.

Плюсы и минусы использования

В теории тепловой насос идеально подходит на роль альтернативного источника тепла, но на практике при эксплуатации приходится сталкиваться с таким явлением, как вырождение теплоотдачи скважин. После 1800-2000 часов работы грунт вокруг первого контура альтернативного отопления приходится подвергать регенерации.

Расстояние между скважинами должно быть не менее 6 м, поэтому под альтернативный способ получения тепловой энергии приходится отдавать значительную площадь участка. Стоимость установки теплового насоса сегодня самая высокая среди всех альтернативных источников энергии, минимум 10 тыс. евро.

Заключение

По мнению специалистов, покупка и установка альтернативных источников энергии на сегодня остается лучшим объектом для инвестиций. Система окупается даже раньше расчетного времени, а для ветровых конструкций этот срок может быть уменьшен до нескольких месяцев. Кроме того, это отличный способ избавиться от зависимости от поставок электрической энергии сетевых компаний.

Исчерпание полезных ископаемых и высокий уровень воздействия на окружающую среду традиционной энергетики вызвал во всем мире поиск и использование нетрадиционных альтернативных источников энергии.

К альтернативным источникам энергии относятся возобновляемые источники – энергия солнца, ветра, геотермальная, океаническая, энергия биомассы, термоядерная энергия и другие источники.

Энергия солнца. Это практически неисчерпаемый источник энергии. Использование лишь 1% солнечной энергии могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики. Главное – ее использовать так, чтобы ее стоимость была минимальной. По мере совершенствования технологий и удорожания традиционных энергоресурсов, эта энергия будет находить все большее применение.

Солнечную энергию можно использовать в двух направлениях:

· прямое использование для отопления, горячего водоснабжения;

· преобразование ее в электрическую.

Использование солнечного тепла наиболее простой и дешевый способ. Наиболее распространенный способ улавливания солнечной энергии с помощью различного типа коллекторов. Целенаправленное использование энергии солнца пока невелико, но все время интенсивно увеличивается.

Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется с помощью фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) или путем нагревания воды до кипения с получением пара, приводящего в действие турбогенераторы.

Основные трудности применения фото преобразователей связаны с высокой металлоемкостью, их дороговизной, а также необходимостью отведения для их размещения больших территорий. В настоящее время проводят исследования по замене металлических фотопреобразователей на эластичные синтетические с использованием крыш и стен домов для размещения батарей.

Солнечная энергия используется в автомобильном, морском, авиационном транспорте, на космических станциях и спутниках.

Использование энергии солнца имеет большое будущее, но пока оно должно развиваться, совершенствоваться и снижать себестоимость энергии. Предполагается, что к середине XXІ века доля солнечной энергии в общем объеме вырабатываемой энергии составит от 10 до 20%.

Энергия ветра. Использование ветровой энергии известно с древности, а в последнее время интерес к ней значительно возрос. Так, в США используется несколько десятков тысяч ветровых агрегатов. Существенными установленными мощностями располагают Великобритания, Германия, Дания, Нидерланды, Швеция и другие страны.

К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности. Более экономичными являются комплексы из небольших ветровых установок, объединенных в одну систему.

Основные факторы воздействия на окружающую среду – высокая металлоемкость ветроустановок, отчуждение больших земельных территорий, вибрационное и шумовое воздействие, гибель перелетных птиц под ударами лопастей. Особенно высокое шумовое воздействие возникает при эксплуатации мощных установок.

С учетом экологических факторов солнечные и ветровые электростанции уже сегодня более экономичны, чем тепловые и атомные.

Геотермальная энергия основана на использовании глубинного тепла Земли. Она может использоваться в виде тепловой энергии (столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников) и для получения электроэнергии.

Геотермальные станции устроены относительно просто, здесь не требуется топливо, золоуловители. Пар, откачиваемый из скважин, поступает в турбины и приводит в действие электрогенераторы.

Основные экологические проблемы геотермальных станций связаны с отработанными минерализованными водами. При отсутствии обратной закачки отработанных вод возникает опасность засоления водных объектов, почв; также происходит тепловое загрязнение окружающей среды, просадка земной поверхности над разрабатываемым геотермальным пластом.

В Украине перспективными зонами для использования геотермальной энергии являются Карпаты, Закарпатье, Крым, однако это направление развивается слабо.

Энергия морей и океанов. Энергетические ресурсы океана представляют большую ценность, как возобновляемые и практически неисчерпаемые ресурсы. К ним относится энергия приливов и отливов, волн, течений, разницы температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется незначительно из-за высокой стоимости. Однако, инженерные расчеты и проекты показывают, что это энергия будущего и возможно использование ее гораздо шире.

Энергия биомассы. Биомасса – древесина, отходы лесоперерабатывающей и бумажной промышленности, отходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности, бытовые отходы, навоз, осадки очистки канализационных стоков и др.

Около трети населения Земли до настоящего времени используют древесину в качестве топлива.

Более рациональной является переработка биомассы в биогаз, этиловый спирт. Путем анаэробного сбраживания (без доступа кислорода) органических отходов: получают биогаз и осадок, используемый как удобрение. Ведущее место по производству биогаза занимает Китай.

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).