Русская политология russian political science

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.

До недавнего времени основными источниками энергии являлись: нефть, уголь, вода и . Однако природные ресурсы стремительно истощаются, цены на них растут, к тому же выбросы от их переработки оказывают негативное влияние на окружающую среду. По этим причинам многие страны склоняются к внедрению и развитию в области энергетики, которые позволят заменить традиционные виды топлива. В данной статье мы рассмотрим, что такое альтернативные источники энергии, их виды, эффективность и перспективы применения.

Читайте в статье

Альтернативные источники энергии – что это такое

Альтернативный источник энергии (АИЭ) представляют собой экологически чистый возобновляемый ресурс, который при преобразовании позволяет получать тепло или электричество, используемые для повседневных нужд человека. К таким ресурсам следует отнести все существующие виды природных водоёмов, солнце, ветер, тепло из недр земли, а также переработанное вторсырьё. Альтернативные источники энергии, в отличие от традиционных видов, могут возобновляться неограниченное количество раз, они более эффективны, дешевле и экологически безопасны.

Виды альтернативных источников энергии

В зависимости от возобновляемого ресурса современные источники энергии разделяются на несколько видов, которые определяют способы её преобразования и типы установок, предназначенных для этого. Рассмотрим кратко альтернативные источники энергии и их характеристики.

Использование альтернативных источников энергии – солнце и ветер

Преобразование энергии солнца при помощи специальных устройств позволяет получать тепло и электричество для дальнейшего использования. Электрическая энергия генерируется благодаря физическим процессам, которые происходят в кремниевых полупроводниках солнечных панелей под воздействием солнечных лучей, а тепловая – свойствам газов и жидкостей.

Использование ветра в качестве альтернативного источника энергии основано на преобразовании силы воздушных потоков в электричество при помощи специальных генераторных установок. Ветрогенераторы имеют различную конструкцию и габариты, а также отличаются и по месту расположения. Ветер приводит в движение лопасти, которые, в свою очередь, вращают генератор, вырабатывающий электроэнергию.

Вода и тепло Земли на службе человека

Силу воды для получения электроэнергии человек научился использовать уже давно. Раньше для этого строились гидроэлектростанции, которые перекрывали реки, это были как небольшие, так и грандиозные сооружения. С развитием технологий конструкции гидроэлектростанций изменились, и теперь появилась возможность получать электричество не только за счёт силы речного потока, но и благодаря приливам морей и океанов (приливные станции). Вода падает на лопасти турбин, вращающих генератор, который вырабатывает электроэнергию, поступающую к потребителю.

В недрах нашей Земли скрыты огромные запасы тепла, которые позволяют заменить более дорогостоящие и «грязные» источники энергии. Это направление называется геотермальной энергетикой, в которой используют четыре основных вида теплоресурсов:

поверхностное тепло земли;
энергия пара и горячей воды, находящиеся у поверхности земли;
тепло, сконцентрированное глубоко в недрах планеты;
энергия магмы и тепла, скапливаемого под вулканами.

Внутреннее тело земли используется для отопления домов и производства электричества. Его запасы в 35 млрд раз превышают годовую потребность в энергии во всём мире. Первая геотермальная электростанция мощностью в 7,5 МВт была введена в Италии в 1916 году. На данный момент себестоимость электроэнергии, вырабатываемой ТеоТЭС, практически равна той, что производится угольными ТЭС.

Геотермальная электростанция Хеллишейди в Исландии – хороший проект альтернативного источника электроэнергии

Биотопливо – альтернатива бензину

Биотопливо является альтернативным источником энергии, которая получается вследствие переработки органического сырья или отходов. Этот вид топлива может быть в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. В качестве твёрдого биотоплива используется дерево, брикеты и пеллеты из её отходов древесины или сельхозпродукции (лузга подсолнечника и гречихи, ореховая скорлупа и т.д.). Данное топливо используют для выработки тепловой и электрической энергии на ТЭС.

Жидкое биотопливо получают путём переработки растительной массы определённых сельскохозяйственных культур и их отходов (солома) и используют в основном в качестве горючего для автомобилей. К этому виду экотоплива можно отнести:

биоэтанол;
биометанол;
биобутанол;
биодизель;
диметиловый эфир.

Газообразное экотопливо бывает трёх видов: биогаз, биоводород и метан. Его получают посредством брожения биологической массы. Сырьё подвергается воздействию особых бактерий, которые разлагают биомассу, и вследствие этого вырабатывается газ.

Развитие альтернативных источников энергии

По данным Минэнерго РФ, доля использования альтернативных источников энергии в России составляет всего лишь 1%. Планируется увеличить данный показатель к 2020 году до 4,5%, за счёт привлечения не только средств правительства Российской Федерации, но и частных предпринимателей. Развитие альтернативной энергетики имеет большой потенциал:

ввиду малой заселённости морских и океанских побережий Камчатки, Чукотки, Сахалина и других территорий возможно развитие ветровой и приливной энергетики;
актуально развитие солнечной энергетики, особенно в Ставропольском и Краснодарском крае, на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и пр.

К сожалению, альтернативная энергетика не является приоритетным направлением российской промышленности. Основной проблемой является финансирование подобных проектов. Иногда добыча угля и нефти обходится дешевле, чем строительство ветрогенераторных и солнечных электростанций.

Альтернативные источники энергии для частного дома

Владельцы частных домов, благодаря использованию альтернативных источников энергии, могут существенно снизить расходы по или полностью отказаться от услуг поставщиков газа, электричества и тепла. Также имеется возможность не только сделать своё хозяйство энергонезависимым, но и реализовывать излишки. Государство всячески поощряет развитие и использование установок альтернативных источников энергии рядовыми гражданами. Для получения тепла и электричества при помощи нетрадиционных источников энергии можно использовать заводское оборудование или сделать его своими руками. Итак, альтернативная энергетика позволяет:

преобразовывать солнечную энергию в электричество или тепло для горячего водоснабжения и низкотемпературного отопления;
с помощью специальных генераторов получать электроэнергию, используя силу ветра;
с помощью специальных насосов забирать из земли, воды и воздуха тепло и отапливать дома и вырабатывать электроэнергию посредством теплогенераторов;
получение газа из отходов сельхозпродукции, биологических материалов и продуктов жизнедеятельности домашних животных и птиц.

Наибольшая эффективность достигается путём использования нескольких видов источника альтернативной энергии.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Использование энергии солнца позволяет получать при помощи солнечных полупроводниковых панелей и коллекторов электричество и горячую воду для отопления и ГВС. Под воздействием света на кремниевые элементы возникает направленное движение электронов (электрический ток). Соединив достаточное количество панелей, можно получить электричество, которое хватит для обеспечения нужд одного дома. Так, например, солнечная батарея площадью 1,4 м2 при хорошей освещённости выдаёт 24 В при мощности порядка 270 Вт. Поскольку солнце светит не всё время и с разной силой, то невозможно подключить бытовые приборы напрямую к преобразующим панелям. Для того чтобы пользоваться электричеством от солнечных батарей, нужна целая система, включающая в себя:

аккумулятор (АКБ) для накопления излишков электроэнергии (задействуется в тёмное время суток и ненастную погоду);
контроллер (необязателен, но рекомендован) предназначен для мониторинга уровня заряда АКБ, чтобы не допустить полной разрядки или перезаряда, а также для оптимизации работы солнечных панелей;
инвертор , преобразующий постоянный ток в переменный и позволяющий получить напряжение в 220−230 В.

Для того чтобы сделать дом или дачу полностью независимым от централизованного электроснабжения, необходимо установить большое количество батарей и несколько аккумуляторов. Это, конечно, недёшево, но в итоге полностью окупается за сравнительно короткий срок. Набор панелей для выработки 1500 Вт в сутки, чего хватит для обеспечения дачи или некоторых электроприборов в доме, стоит порядка 1 000 $, для производства 4 кВт – около 2 200 $, а 9 кВт – 6 200 $. Можно купить небольшую установку и впоследствии дополнить её новыми солнечными батареями, добившись требуемой мощности.

Альтернативные источники электроэнергии для частного дома – солнечные панели

Итак, мы уже рассмотрели, что солнечная энергия может использоваться для получения электроэнергии (полупроводниковые панели) и тепла для отопления и горячего водоснабжения (коллекторы). Разберём, что представляют собой солнечные батареи. состоит из определённого количества кремниевых фотоэлементов (бытовые модели). Такие панели имеют КПД в 20−24% и сравнительно невысокую стоимость. Фотоэлементы соединяются между собой, и их контакты выводятся на клеммы, находящиеся на закрытом корпусе каждой батареи. Корпус изготавливают из анодированного алюминия, а лицевую панель − из прочного стекла высокого качества и покрытого антибликовым составом.

Статья по теме:

Что такое, принципы работы и виды солнечных батарей для частного дома, стоимость комплекта, отзывы, технические характеристики, рекомендации специалистов — читайте в публикации.

Солнечные коллекторы – достойная замена традиционным водонагревателям

Солнечные теплоколлекторы позволяют накапливать 600−800 Вт/ч с одного квадратного метра и обеспечить дом достаточным количеством энергии для отопления и ГВС. Конструкционно коллекторы разделяются на следующие основные группы:

вакуумные . Плоские или многотрубные конструкции с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя в системе. В основном это стационарные коллекторы, предназначенные для сезонного использования;
воздушные солнечные системы , которые являются наиболее лёгкими и простыми. Тепло с нагретой поверхности коллектора снимается потоком воздуха;
в третьем варианте тепло от солнечных коллекторов может использоваться для трансформации его в электроэнергию.

Последний вариант не пользуется особой популярностью среди рядовых потребителей из-за сложности обслуживания и высокой стоимости оборудования.

Тепловые насосы для отопительных систем частных домов

В настоящее время для и обеспечения их горячим водоснабжением в основном применяют различные виды котлов – , дизельные, и . Сравнительно недавно появился ещё один способ нагрева жидкости при помощи , но пока он ещё не получил достаточно широкого применения. , двигаясь по путепроводу, проложенному в грунте на определённой глубине, нагревается на несколько градусов и поступает в испаритель. Далее нагретая жидкость отдаёт тепло хладагенту, который при низких температурах превращается в пар и поступает в компрессор. В компрессоре он сжимается, что приводит к увеличению давления и, соответственно, повышению температуры.

Сжатый нагретый хладагент перемещается в конденсатор, где отдаёт тепло другому теплоносителю (воздух, вода или ). В результате этого процесса происходит охлаждение хладагента и возврат его в жидкое состояние. После этого жидкость поступает в испаритель, и весь цикл повторяется.

Принцип работы теплонасоса

Статья по теме:

Что такое, принципы работы, основные виды тепловых насосов, обзор производителей, дополнительные возможности тепловых насосов и как сделать тепловой насос своими руками, рекомендации специалистов — читайте в публикации.

Энергия ветра как альтернативный источник энергии

Использование силы ветра для получения электричества особенно актуально в тех регионах планеты, где нет возможности использовать другие источники энергии. Стационарные ветрогенераторы (в зависимости от количества установок) позволяют обеспечить электроэнергией дом, производство и даже городские районы. Устройства для преобразования энергии ветра в электричество делятся на две группы:

Вертикальные . Преимущество такой конструкции заключается в том, что нет необходимости устанавливать её, ориентируясь на преобладающие ветра. В силу недостаточной эффективности используются для частных домовладений. Именно этот тип ветрогенератора умельцы предпочитают изготавливать для удовлетворения своих потребностей в электроэнергии. Такие конструкции просты, обладают достаточной устойчивостью к нагрузкам и могут быть легко усовершенствованы для увеличения мощности.
Горизонтальные. Обладают большей эффективностью, чем вертикальные ветрогенераторы, но нуждаются в корректировки положения в соответствии с направлением ветра. Используются в основном для выработки электроэнергии в промышленных масштабах.

Установка для производства биогаза

Биогаз – один из экологически чистых альтернативных источников энергии, способ получения которого не оказывает большого влияния на окружающую среду. Тем более что для его получения используются отходы жизнедеятельности человека, животных и сельского хозяйства, нуждающиеся в утилизации. Эта технология постоянно усовершенствуется, но среди нетрадиционных источников электроэнергии она не пользуется такой популярностью, как солнечные батареи, ветрогенераторы или термальные станции.

Этот вид биотоплива получают путём брожения сырья в специальном реакторе. Отходы загружают в установку и подвергают их воздействию специальных бактерий в течение определённого времени, которое зависит от объёмов сырья. В результате подобной переработки вырабатывается горючая смесь (60% метана, 35% углекислоты и 5% прочих видов газов), а также сероводород, который является потенциально опасным для человека. Полученный продукт проходит очистку и по трубам поступает к приборам-потребителям (отопительным котлам, газовым печам и т.д.) или при излишках в накопитель (газгольдер).

Отходы, оставшиеся после получения биогаза, требуется регулярно удалять из реактора. Сырьё после брожения широко используется в сельском хозяйстве в качестве высококачественного удобрения. Установка для получения этого вида топлива выгодна владельцам животноводческих ферм или сельскохозяйственных предприятий, а также тем, кто имеет доступ к необходимому сырью. Биореактор можно приобрести в специализированных компаниях, заказать или сделать своими руками.

Есть ли будущее у альтернативных источников энергии

Альтернативные источники возобновляемой энергии используются и развиваются в различных странах неравномерно. Но там, где этим направлениям оказывают широкую государственную поддержку, результаты впечатляют. Использование АИЭ позволяет значительно улучшить экологию и получить значительную экономию.

Альтернативная энергетика позволит спасти человечество от энергетического кризиса, а планету от истощения и загрязнения окружающей среды. Несмотря на упорное сопротивление компаний-монополистов, предлагающих в качестве основных источников энергии уголь, нефть и газ, развитые страны стремятся перевести практически все виды производства на АЭИ. Так что у развития нетрадиционных источников энергии огромные перспективы.

Несколько слов в заключение

Полностью перейдя на использование альтернативных источников энергии, можно не только получить практически бесплатное тепло, электричество и экотопливо, но и очистить окружающую среду от вредных для здоровья человека выбросов и парниковых газов. Установки для АИЭ можно сделать своими руками и обогревать дом теплом и электроэнергией, а продавая излишки государству, даже получать прибыль. Надеемся, наша статья была для вас полезной, а если остались вопросы, то задавайте их в комментариях, и наши эксперты с радостью на них ответят.

За последние годы альтернативная энергетика стала предметом пристального интереса и ожесточенных дискуссий. Под угрозой изменения климата и того факта, что средние мировые температуры продолжают расти с каждым годом, стремление найти формы энергии, которые позволят сократить зависимость от ископаемого топлива, угля и других загрязняющих окружающую среду процессов, естественным образом выросло.

В то время как большинство концепций не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря усовершенствованию технологий и производства, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла. Что же такое альтернативная энергетика, если говорить простыми и понятными словами, и какова вероятность того, что она станет основной?

Очевидно, остаются некоторые споры касательно того, что означает «альтернативная энергия» и к чему эту фразу можно применить. С одной стороны, этот термин можно отнести к формам энергии, которые не приводят к увеличению углеродного следа человечества. Поэтому он может включать ядерные объекты, гидроэлектростанции и даже природный газ и «чистый уголь».

С другой стороны, этот термин также используется для обозначения того, что в настоящее время считается нетрадиционными методами энергетики - энергии солнца, ветра, геотермальной энергии, биомассы и других недавних дополнений. Такого рода классификация исключает такие методы добычи энергии, как гидроэлектростанции, которые существуют больше сотни лет и представляют собой довольно распространенное явление в некоторых регионах мира.

Другой фактор в том, что альтернативные источники энергии должны быть «чистыми», не производить вредных загрязняющих веществ. Как уже отмечалось, это подразумевает чаще всего двуокись углерода, однако может относиться и к другим выбросам - моноксиду углерода, двуокиси серы, окиси азота и другим. По этим параметрам ядерная энергия не считается альтернативным источником энергии, поскольку производит радиоактивные отходы, которые высоко токсичны и должны храниться соответствующим образом.

Во всех случаях, однако, этот термин используется для обозначения видов энергии, которые придут на смену ископаемому топливу и углю в качестве преобладающей формы производства энергии в ближайшее десятилетие.

Виды альтернативных источников энергии
Строго говоря, существует много видов альтернативной энергии. Опять же, здесь определения заходят в тупик, потому что в прошлом «альтернативной энергетикой» называли методы, использование которых не считали основным или разумным. Но если взять определение в широком смысле, в него войдут некоторые или все эти пункты:

Гидроэлектроэнергия. Это энергия, вырабатываемая гидроэлектрическими плотинами, когда падающая и текущая вода (в реках, каналах, водопадах) проходит через устройство, вращающее турбины и вырабатывающее электричество.

Ядерная энергия. Энергия, которая производится в процессе реакций замедленного деления. Урановые стержни или другие радиоактивные элементы нагревают воду, превращая ее в пар, а пар крутит турбины, вырабатывая электричество.

Энергия, которая получается напрямую от Солнца; (обычно состоящие из кремниевой подложки, выстроенные в крупные массивы) преобразуют лучи солнца напрямую в электрическую энергию. В некоторых случаях и тепло, производимое солнечным светом, используется для производства электричества, это известно как солнечная тепловая энергия.

Энергия ветра. Энергия, вырабатываемая потоком воздуха; гигантские ветряные турбины вертятся под действием ветра и вырабатывают электричество.

Геотермальная энергия. Эту энергию вырабатывает тепло и пар, производимые геологической активностью в земной коре. В большинстве случаев в грунт над геологически активными зонами помещаются трубы, пропускающие пар через турбины, таким образом вырабатывая электричество.

Энергия приливов. Приливное течение у береговых линий тоже может использоваться для выработки электричества. Ежедневное изменение приливов и отливов заставляет воду протекать через турбины назад и вперед. Вырабатывается электроэнергия, которая передается на береговые электростанции.

Биомасса. Это относится к топливу, которое получают из растений и биологических источников - этанола, глюкозы, водорослей, грибов, бактерий. Они могли бы заменить бензин в качестве источника топлива.

Водород. Энергия, получаемая из процессов, включающих газообразный водород. Сюда входят каталитические преобразователи, при которых молекулы воды разбиваются на части и воссоединяются в процессе электролиза; водородные топливные элементы, в которых газ используется для питания двигателя внутреннего сгорания или для вращения турбины с подогревом; или ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются в контролируемых условиях, высвобождая невероятное количество энергии.

Альтернативные и возобновляемые источники энергии
Во многих случаях альтернативные источники энергии также являются возобновляемыми. Тем не менее эти термины не полностью взаимозаменяемы, поскольку многие формы альтернативных источников энергии полагаются на ограниченный ресурс. К примеру, ядерная энергетика опирается на уран или другие тяжелые элементы, которые необходимо сперва добыть.

В то же время ветер, солнечная, приливная, геотермальная и гидроэлектроэнергия полагаются на источники, которые полностью возобновляемые. Лучи солнца - самый изобильный источник энергии из всех и, хоть и ограниченный погодой и временем суток, является неисчерпаемым с промышленной точки зрения. Ветер тоже никуда не девается, благодаря изменениям давления в нашей атмосфере и вращению Земли.

Развитие
В настоящее время альтернативная энергетика все еще переживает свою юность. Но эта картина быстро меняется под влиянием процессов политического давления, всемирных экологических катастроф (засух, голода, наводнений) и улучшений в технологиях возобновляемых энергий.

Например, по состоянию на 2015 год, энергетические потребности мира по-прежнему преимущественно обеспечивались углем (41,3%) и природным газом (21,7%). Гидроэлектростанции и атомная энергетика составили 16,3% и 10,6% соответственно, в то время как «возобновляемые источники энергии» (энергии солнца, ветра, биомассы и пр.) - всего 5,7%.

Это сильно изменилось с 2013 года, когда мировое потребление нефти, угля и природного газа составило 31,1%, 28,9% и 21,4% соответственно. Ядерная и гидроэлектроэнергия составляли 4,8% и 2,45%, а возобновляемые источники - всего 1,2%.

Кроме того, наблюдалось увеличение числа международных соглашений относительно обуздания использования ископаемого топлива и развития альтернативных источников энергии. Например, Директиву о возобновляемой энергии, подписанную Евросоюзом в 2009 году, которая установила цели по использованию возобновляемой энергии для всех стран-участниц к 2020 году.

По своей сути, из этого соглашения следует, что ЕС будет удовлетворять не менее 20% общего объема своих потребностей в энергии возобновляемой энергией к 2020 году и по меньшей мере 10% транспортного топлива. В ноябре 2016 года Европейская комиссия пересмотрела эти цели и установила уже 27% минимального потребления возобновляемой энергии к 2030 году.

Некоторые страны стали лидерами в области развития альтернативной энергетики. Например, в Дании энергия ветра обеспечивает до 140% потребностей страны в электроэнергии; излишки поставляются в соседние страны, Германию и Швецию.

Исландия, благодаря своему расположению в Северной Атлантике и ее активным вулканам, достигла 100% зависимости от возобновляемых источников энергии уже в 2012 году за счет сочетания гидроэнергетики и геотермальной энергии. В 2016 году Германия приняла политику поэтапного отказа от зависимости от нефти и ядерной энергетики.

Долгосрочные перспективы альтернативной энергетики являются чрезвычайно позитивными. Согласно отчету 2014 году Международного энергетического агентства (МЭА), на фотовольтаическую солнечную энергию и солнечную тепловую энергию будет приходиться 27% мирового спроса к 2050 году, что сделает ее крупнейшим источником энергии. Возможно, благодаря достижениям в области синтеза, ископаемые источники топлива будут безнадежно устаревшими уже к 2050 году.

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
Sunways/ ФСМ-100П	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.
DELTA/ HRL 12-90	16100	Аккумуляторная кислотно-свинцовая батарея. Ёмкость − 90 А*ч, Срок службы – 12 лет. Создана в необслуживаемом исполнении.

В 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.

Ограниченные запасы ископаемого топлива и глобальное загрязнение окружающей среды заставило человечество искать возобновляемые альтернативные источники такой энергии, чтобы вред от ее переработки был минимальным при приемлемых показателях себестоимости производства, переработки и транспортировки энергоресурсов.

Современные технологии позволяют использовать имеющиеся альтернативные энергетические ресурсы, как в масштабе целой планеты, так и в пределах энергосети квартиры или частного дома.

Буйное развитие жизни на протяжении нескольких миллиардов лет наглядно доказывает обеспеченность Земли источниками энергии. Солнечный свет, тепло недр и химический потенциал позволяют живым организмам осуществлять множественные энергетические обмены, существуя в среде, созданной физическими факторами – температурой, давлением, влажностью, химическим составом.

Круговорот веществ и энергии в природе

Экономические критерии альтернативных источников энергии

Человек издревле использовал энергию ветра как движитель для кораблей, что позволяло развиваться торговле. Возобновляемое топливо из отмерших растений и отходов жизнедеятельности было источником тепла для приготовления пищи и получения первых металлов. Энергия перепада воды приводила в действие мельничные жернова. На протяжении тысячелетий это были основные виды энергии, которые мы теперь называем альтернативными источниками.

С развитием геологии и технологий добычи недр стало экономически выгодней добывать углеводороды и сжигать их для получения энергии по мере необходимости, чем ждать у моря погоды в буквальном смысле, надеясь на удачное совпадение течений, направления ветра, облачности.

Нестабильность и изменчивость погодных условий, а также относительная дешевизна двигателей, работающих на ископаемом топливе, заставили прогресс развиваться по пути использования энергии недр земли.

Диаграмма, демонстрирующая соотношение потребления ископаемых и возобновляемых источников энергии

Усвоенный и переработанный живыми организмами углекислый газ, покоившийся в недрах миллионы лет, снова возвращается в атмосферу при сжигании ископаемых углеводородов, что является источником парникового эффекта и глобального потепления. Благополучие будущих поколений и хрупкое равновесие экосистемы заставляют человечество пересмотреть экономические показатели и использовать альтернативные виды энергии , ведь здоровье дороже всего.

Сознательное использование возобновляемых природой альтернативных источников энергии становится популярным, но, как и прежде, преобладают экономические приоритеты. Но в условиях загородного дома или на даче использование источников альтернативного электричества и тепла может оказаться единственным экономически выгодным вариантом получения энергии, если проведение, подключение и установка линий энергоснабжения окажется слишком дорогой затеей.

Обеспечение удаленного от цивилизации дома минимально необходимым объемом электроэнергии с помощью солнечных панелей и ветрогенератора

Возможности использования альтернативных видов энергии

Пока ученые исследуют новые направления и разрабатывают технологии холодного термоядерного синтеза, домашние мастера могут использовать следующие альтернативные источники энергии для дома:

Солнечный свет;
Энергия ветра;
Биологический газ;
Разница температур;

По данным альтернативным видам возобновляемой энергии существуют готовые решения, успешно внедренные в массовое производство. Например – солнечные батареи, ветрогенераторы, биогазовые установки и тепловые насосы различной мощности можно приобрести вместе с доставкой и установкой, чтобы иметь свои альтернативные источники электричества и тепловой энергии для частного дома.

Промышленно выпускаемая солнечная панель, установленная на крыше частного дома

В каждом отдельном случае должен быть свой собственный план обеспечения домашних электроприборов источниками альтернативной электрической энергии, согласно потребностей и возможностей. Например, для питания ноутбука, планшета, зарядки телефона можно использовать источник напряжением 12 В., и переносные адаптеры. Данного напряжения, при достаточном объеме аккумулятора энергии будет достаточно для освещения при помощи .

Солнечные батареи и ветрогенераторы должны заряжать аккумуляторы, ввиду непостоянства освещения и силы энергии ветра. С увеличением мощности альтернативных источников электричества и объема аккумуляторов возрастает энергетическая независимость автономного энергоснабжения. Если требуется подключить к альтернативному источнику электричества электроприборы, работающие от 220 В., то применяют преобразователи напряжения .

Схема, иллюстрирующая питание домашних электроприборов от аккумуляторов, заряжаемых ветрогенератором и солнечными панелями

Альтернативная энергия солнечного излучения

В домашних условиях практически невозможно создать фотоэлементы, поэтому конструкторы альтернативных источников энергии используют готовые комплектующие, собирая генерирующие конструкции, добиваясь необходимой мощности. Соединение фотоэлементов последовательно увеличивает выходное напряжение полученного источника электричества, а подключение собранных цепочек параллельно дает больший суммарный ток сборки.

Схема подключения фотоэлементов в сборке

Ориентироваться можно на интенсивность энергии солнечного излучения – это примерно один киловатт на квадратный метр. Также нужно учитывать коэффициент полезного действия солнечных батарей – на данный момент это приблизительно 14%, но ведутся интенсивные разработки для увеличения КПД солнечных генераторов. Выходная мощность зависит от интенсивности излучения и угла падения лучей.

Можно начать с малого – приобрести одну или несколько небольших солнечных батарей, и иметь источник альтернативного электричества на даче в объеме, необходимом для зарядки смартфона или ноутбука, чтобы иметь доступ к глобальной сети интернет. Замеряя ток и напряжение, изучают объемы потребления энергии, обдумывая перспективу дальнейшего расширения использования источников альтернативной электроэнергии.

Установка дополнительных солнечных батарей на крыше дома

Нужно помнить, что солнечный свет также является источником теплового (инфракрасного) излучения, которое может использоваться для нагрева теплоносителя без дальнейшего преобразования энергии в электричество. Данный альтернативный принцип применяется в солнечных коллекторах , где при помощи отражателей инфракрасное излучение концентрируется и передается теплоносителем в систему отопления.

Солнечный коллектор в составе домашней системы отопления

Альтернативная энергия ветра

Простейший путь для самостоятельного создания ветрогенератора – это использовать автомобильный генератор. Для увеличения оборотов и напряжения источника альтернативного электричества (эффективности генерации электрической энергии) следует применить редуктор или ременную передачу. Объяснение всевозможных технологических нюансов выходит за рамки данной статьи – нужно изучать принципы аэродинамики, чтобы понять процесс преобразования скорости потока воздушных масс в альтернативное электричество.

На начальном этапе изучения перспектив преобразования возобновляемых источников альтернативной энергии ветра в электричество, нужно выбрать конструкцию ветряка. Наиболее распространенные конструкции – это лопастной винт с горизонтальной осью, ротор Савониуса, и турбина Дарье. Лопастной винт с тремя лопастями в качестве источника альтернативной энергии – наиболее распространенный вариант для самодельного изготовления.

Разновидности турбин Дарье

При проектировании лопастей винтов большое значение имеет угловая скорость вращения ветряка. Существует так называемый фактор эффективности винта, который зависит от скорости воздушного потока, а также длины, сечения, количества и угла атаки лопастей.

Обобщенно данную концепцию можно понять так – при малом ветре длины лопасти с самым удачным углом атаки будет недостаточно для достижения максимальной эффективности генерации энергии, но с многократным усилением потока и увеличением угловой скорости кромки лопастей будут испытывать чрезмерное сопротивление, которое может их повредить.

Сложный профиль лопасти ветряка

Поэтому длину лопастей рассчитывают исходя из средней скорости ветра, плавно изменяя угол атаки относительно удаления от центра винта. Для предотвращения поломки лопастей при ураганном ветре выводы генератора замыкают накоротко, что препятствует вращению винта. Для приблизительных расчетов можно принимать один киловатт альтернативной электроэнергии от трехлопастного винта диаметром 3 метра при средней скорости ветра 10м/с.

Для создания оптимального профиля лопасти потребуется компьютерное моделирование и ЧПУ станок. В домашних условиях мастера используют подручные материалы и инструменты, стараясь максимально точно воссоздать чертежи альтернативных источников ветровой энергии. В качестве материалов используется дерево, метал, пластик и т.д.

Самодельный винт ветрогенератора, сделанный из дерева и металлической пластины

Для генерации электричества мощности автомобильного генератора может оказаться недостаточно, поэтому мастера своими руками изготавливают генерирующие электрические машины, или переделывают электродвигатели. Наиболее популярная конструкция источника альтернативного электричества – ротор с попеременно размещенными неодимовыми магнитами и статором с обмотками.

Роторы самодельного генератора

Статор с обмотками для самодельного генератора

Альтернативная энергия биогаза

Биологический газ в качестве источника энергии получают в основном двумя способами – это пиролиз и анаэробное (без доступа кислорода) разложение органических веществ. Для пиролиза требуется лимитированная подача кислорода, необходимая для поддержания температуры реакции, при этом выделяются горючие газы: метан, водород, угарный газ и другие соединения: углекислый газ, уксусная кислота, вода, зольные остатки. В качестве источника для пиролиза лучше всего подходит топливо с большим содержанием смол. На видео ниже показана наглядная демонстрация выделения горючих газов из древесины при нагреве.

Для синтеза биогаза из отходов жизнедеятельности организмов применяются метантанки различных конструкций. Устанавливать метантанк дома своими руками имеет смысл при наличии в домашнем хозяйстве курятника, свинарника и поголовья крупного рогатого скота. Основной газ на выходе – метан, но большое количество примеси сероводорода и других органических соединений требует применения систем очищения для удаления запаха и предотвращения засорения горелок в тепловых генераторах или загрязнения топливных трактов двигателя.

Нужно основательное изучение энергии химических процессов, технологий с постепенным набором опыта, пройдя путь проб и ошибок, чтобы получить на выходе источника горючий биологический газ приемлемого качества.

Независимо от происхождения, после очистки смесь газов подается в теплогенератор (котел, печь, конфорка плиты) или в карбюратор бензинового генератора, — такими способами получается полноценная альтернативная энергия своими руками. При достаточной мощности газогенераторов возможно не только обеспечение дома альтернативной энергией, но и обеспечивается работа небольшого производства, как показано на видео:

Тепловые машины для экономии и получения альтернативной энергии

Тепловые насосы широко применяются в холодильниках и кондиционерах. Было замечено, для перемещения тепла требуется в несколько раз меньше энергии, чем для его генерации. Поэтому студеная вода из скважины имеет тепловой потенциал относительно морозной погоды. Понижая температуру проточной воды из скважины или из глубин незамерзающего озера, тепловые насосы отбирают тепло и передают его в систему отопления, при этом достигается значительная экономия электричества.

Экономия электроэнергии с помощью теплового насоса

Другой тип тепловой машины – двигатель Стирлинга, работающий от энергии разницы температур в замкнутой системе цилиндров и поршней, размещенных на коленчатом вале под углом 90º. Вращение коленвала может использоваться для генерации электричества. В сети имеется множество материалов из проверенных источников, подробно объясняющих принцип действия двигателя Стирлинга, и даже приводятся примеры самодельных конструкций, как на видео ниже:

К сожалению, домашние условия не позволяют создать двигатель Стирлинга с параметрами выхода энергии выше, чем у забавной игрушки или демонстрационного стенда. Для получения приемлемой мощности и экономичности требуется, чтобы рабочий газ (водород или гелий) был под большим давлением (200 атмосфер и больше). Подобные тепловые машины уже используются в солнечных и геотермальных электростанциях и начинают внедряться в частный сектор.

Двигатель Стирлинга в фокусе параболического зеркала

Чтобы получить максимально стабильное и независимое электричество на даче или в частном доме потребуется совмещения нескольких альтернативных источников энергии.

Новаторские идеи по созданию альтернативных источников энергии

Целиком и полностью охватить весь спектр возможностей возобновляемой альтернативной энергетики не сможет ни один знаток. Альтернативные источники энергии имеются буквально в каждой живой клетке. Например, водоросль хлореллы давно известна как источник белков в корме для рыб.

Ставятся опыты по выращиванию хлореллы в невесомости, для применения в качестве пищи космонавтов при дальних космических перелетах в будущем. Энергетический потенциал водорослей и других простых организмов изучается для синтеза горючих углеводородов.

Аккумулирование солнечного света в живых клетках хлореллы, выращиваемой в промышленных установках

Нужно иметь в виду, что преобразователя и аккумулятора энергии солнечного света лучшего, чем фторопласт живой клетки пока не придумано. Поэтому потенциальные возобновляемые источники альтернативного электричества имеются в каждом зеленом листе, осуществляющем фотосинтез .

Основная сложность состоит в том, чтобы собрать органический материал, при помощи химических и физических процессов достать оттуда энергию и преобразовать ее в электричество. Уже сейчас большие площади аграрных земель отводятся под выращивание альтернативных энергетических культур.

Уборка мискантуса — энергетической агротехнической культуры

Другим колоссальным источником альтернативной энергии может служить атмосферное электричество. Энергия молний огромная и обладает разрушительными воздействиями, и для защиты от них используются молниеотводы.

альтТрудности с обузданием энергетического потенциала молнии и атмосферного электричества состоят в большом напряжении и силе тока разряда за очень короткое время, что требует создания многоступенчатых систем из конденсаторов для накопления заряда с последующим использованием запасенной энергии. Также хорошие перспективы имеются у статического атмосферного электричества.