Солнечная энергия как альтернативный источник энергии: виды гелиосистем

Введение

Вся современная мировая экономика зависит от богатств, накопленных еще во времена динозавров: нефти, газа, угля и прочих видов ископаемого топлива. Большинство действий в нашей жизни: от поездки в метро до подогревания чайника на кухне, в конечном итоге, требуют сжигания этого доисторического наследства. Основная проблема в том, что эти легкодоступные энергетические ресурсы не возобновляются. Рано или поздно человечество выкачает из земных недр всю нефть, сожжет весь газ и выкопает весь уголь. На чем тогда будем греть чайники?

Не стоит также забывать и об отрицательном экологическом воздействии сжигания топлива. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере приводит к увеличению средней температуры на всей планете. Продукты сгорания топлива загрязняют воздух. Жители крупных городов особенно хорошо на себе это чувствуют.

Все мы задумываемся о будущем, пусть даже это будущее наступит не при нас. Мировое сообщество уже давно осознало ограниченность запасов ископаемого топлива. И отрицательное воздействие их использования на экологию. Ведущие государства уже сейчас внедряют программы постепенного перехода на экологически чистые и возобновляемые источники энергии.

По всему миру человечество ищет и постепенно внедряет замену ископаемому топливу. Уже давно во всем мире работают солнечные, ветряные, приливные, геотермальные и гидроэлектростанции. Казалось бы, что мешает прямо сейчас обеспечить с их помощью все потребности человечества?

На самом деле у альтернативной энергетики много проблем. Например, проблема географического распределения энергетических ресурсов. Ветряные электростанции строятся только в районах, где часто дуют сильные ветра, солнечные – где минимальное количество пасмурных дней, гидроэлектростанции – на крупных реках. Нефть, конечно, тоже есть не везде, но ее доставить проще.

Вторая проблема альтернативной энергетики – нестабильность. На ветряных электростанциях выработка зависит от ветра, который постоянно меняет скорость или вообще затихает. Солнечные электростанции плохо работают в пасмурную погоду и вообще не работают ночью.

Ни ветер, ни Солнце не учитывают нужды потребителей энергии. В тоже время выработка энергии тепло- или атомной электростанции постоянна и легко регулируется. Решить данную проблему может только строительство огромных хранилищ энергии, для создания резерва на случай низкой выработки. Однако это очень сильно удорожает всю систему.

Из-за этих и многих других сложностей замедляется развитие альтернативной энергетики в мире. Сжигать ископаемое топливо по-прежнему проще и дешевле.

Однако если в масштабах мировой экономики альтернативные источники энергии и не дают большой выгоды, то в рамках отдельного дома они могут быть весьма привлекательны. Уже сейчас многие ощущают на себе постоянное увеличение тарифов на электроэнергию, тепло и газ. С каждым годом энергетические компании все глубже залазят в карман обычных людей.

Эксперты международного венчурного фонда I2BF представили первый обзор рынка возобновляемой энергетики. По их прогнозам, через 5–10 лет технологии альтернативной энергетики станут конкурентоспособнее и получат массовое распространение. Уже в настоящее время разрыв в стоимости альтернативной и традиционной энергии быстро сокращается (www.active-house.ru).

Под стоимостью энергии подразумевается цена, которую хочет получить производитель альтернативной энергии, чтобы за время жизни проекта компенсировать свои капитальные расходы и обеспечить доходность в 10% на вложенный капитал. В эту цену также будет включена стоимость долгового финансирования, так как большинствовлечением серьезного рычага заемных средств.

Приведенный график иллюстрирует оценку различных видов альтернативной и традиционной энергетики во II квартале 2011 г. (рис. 1).


Рис. 1.	Оценка различных видов альтернативной и традиционной энергетики

По приведенным цифрам самой низкой стоимостью из всех видов альтернативной энергетики обладает геотермальная энергия, а также энергия, образующаяся при сжигании мусора и свалочного газа. По сути, они уже могут напрямую конкурировать с традиционной энергетикой, но лимитирующим фактором для них служит ограниченное количество мест, где можно реализовать эти проекты.

Для тех, кто хочет получить независимость от капризов энергетиков, кто хочет внести свой вклад в развитие альтернативной энергетики, кто просто хочет немного сэкономить на энергии, и написана эта книга.

Из книги В. Германович, А. Турилин «Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы».

Продолжение читайте здесь

Условия для работы и повышения эффективности

Расчет и монтаж гелиосистемы лучше доверить профессионалам. Соблюдение техники установки обеспечит работоспособность и получение заявленной производительности. Для улучшения эффективности и периода службы надо учесть некоторые нюансы.

Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент редко устанавливается, так как за регулировку температуры отвечает теплогенератор. Однако при обустройстве гелиосистемы о защитном клапане забывать нельзя.

Нагрев бака до максимальной допустимой температуры повышает производительность коллектора и позволяет задействовать солнечное тепло даже при пасмурной погоде

Оптимальное размещение клапана – 60 см от нагревателя. При близком расположении «термостат» нагревается и блокирует подачу горячей воды.

Размещение бака-аккумулятора. Буферная емкость ГВС должна устанавливаться в доступном месте

При размещении в компактном помещении особое внимание уделяется высоте потолков

Минимальное свободное пространство над баком – 60 см. Этот зазор необходим для обслуживания аккумулятора и замены магниевого анода

Установка расширительного бака. Элемент компенсирует температурное расширение в период стагнации. Установка бака выше насосного оборудования спровоцирует перегрев мембраны и ее преждевременный износ.

Оптимальное место для расширительного бачка – под насосной группой. Температурное воздействие при таком монтаже значительно сокращается, и мембрана дольше сохраняет эластичность

Подсоединение гелиоконтура. При подключении труб рекомендуется организовать петлю. «Термопетля» сокращает теплопотери, препятствуя выходу разогретой жидкости.

Технически правильный вариант реализации «петли» гелиоконтура. Пренебрежение требованием становится причиной понижения температуры в баке-аккумуляторе на 1-2°С за ночь

Обратный клапан. Предупреждает «опрокидывание» циркуляции теплоносителя. При недостатке солнечной активности обратный клапан не дает рассеиваться теплу, накопленному днем.

Устройство и принцип работы

Разберем гелиосистему с коллектором. Внешнее данный агрегат похож на железный ящик, который с лицевой стороны герметично закрывается высокопрочным стеклом. В этом коробе размещается основной элемент – змеевик с абсорбером.

Теплогенерирующий элемент нагревает теплоноситель с помощью солнечней энергии, в последующем он отдает тепло трубам и радиаторам отопления или ГВС.

Гелиоколлектор должен функционировать совместно с аккумулирующим баком, так как теплоноситель в нем сильно нагревается (до 90-130°С). Соответственно его нельзя сразу направлять в ГВС или радиаторы отопления. В накопительную емкость часто дополнительно устанавливают электрический водонагреватель.

Схема работы:

Солнечные лучи нагревает коллектор.
Полученное тепло поглощает абсорбер, который заполнен теплоносителем.
Циркулирующий по змеевику теплоноситель разогревается.
Насосы, блок управления и система контроля позволяют отводить теплоноситель к змеевику накопительного резервуара.
Тепло передается от теплоносителя холодной воде с помощью бойлера.
Остывший теплоноситель направляется назад в коллектор, после чего он опять нагревается и начинается следующий цикл теплообмена.

Нагретая за счет гелиосистемы вода направляется в ГВС или отопление.

Тепловая электроэнергетика

Самая распространенная отрасль энергетики в России. Тепловые электростанции в стране производят более 1000 МВт, используя в качестве перерабатываемого сырья уголь, газ, нефтепродукты, сланцевые залежи и торф. Вырабатываемая первичная энергия в дальнейшем преобразуется в электричество. Технологически у таких станций масса преимуществ, которые и обуславливают их популярность. К ним можно отнести нетребовательность к условиям эксплуатации и легкость технической организации рабочего процесса.

Объекты тепловой энергетики в виде конденсационных сооружений и теплоэлектроцентралей могут возводиться прямо в районах добычи расходного ресурса или местах нахождения потребителя. Сезонные колебания никак не влияют на стабильность функционирования станций, что делает такие источники энергии надежными. Но есть и недостатки у ТЭС, к которым можно отнести применение исчерпаемых топливных ресурсов, загрязнение окружающей среды, необходимость подключения больших объемов трудовых ресурсов и др.

Конструкция своими руками

Конструкция солнечных установок не настолько сложна, чтобы люди, обладающие некоторой подготовкой, были не в состоянии самостоятельно изготовить и запустить их в своих домах. Гелиосистема для отопления дома 100 кв м своими руками — это вполне воплотимый замысел, который поможет существенно сэкономить на приобретении и ремонтных работах. Рассмотрим возможные варианты.

Термосифонная гелиосистема

Термосифонные гелиосистемы — это трубчатые коллекторы, которые были рассмотрены выше. Существуют безнапорные и напорные конструкции, различающиеся способом циркуляции теплоносителя. Безнапорные работают на естественном перемещении жидкости и не нуждаются в электроэнергии, состав комплекса намного проще и дешевле. Напорные способны обеспечить заданный режим циркуляции и позволяют получить максимальную эффективность. Наиболее активная работа таких систем — период с апреля по октябрь, чем севернее регион, тем короче срок наибольшей активности установок.

Воздушная гелиосистема

Воздушные коллекторы — это установки, использующие в качестве теплоносителя воздух. Они обогревают дом вентиляционным методом, что позволяет серьезно экономить на создании отопительных контуров и пользоваться системой круглый год.

Коллектор представляет собой полый черный ящик, в котором от солнечного тепла нагревается воздух. Теплый воздух направляют в помещение, а остывший — в коллектор на подогрев. Для снижения теплопотерь ящик устанавливается в прозрачную герметичную емкость, защищающую от внешних воздействий — ветра, низкой температуры и т. п. Вход и выход размещают в разных помещениях для увеличения разницы давления и организации самостоятельно циркуляции потоков.

Что такое ветрогенераторы и как их использовать

Ветрогенератор – это оборудование, которое преобразует энергию ветра в электрическую. Плюс заключается в том, что источник электроэнергии есть всегда, и бесплатный. Но есть в этом случае и ограничение – по месту установки. Монтировать генераторы целесообразно в регионах, где среднегодовая скорость ветра достигает высоких отметок. Это равнинные и прибрежные районы.

Если вы решили купить ветрогенератор для дома, должны знать, что сам по себе он не даст никакого толку. Чтобы система работала полноценно, в нее должны входить следующие элементы:

инвертор;
контроллеры;
аккумулятор;
кабели;
соединители и крепежи.

Сразу обозначим, что в эксплуатации ветрогенераторов может возникать ряд проблем, о которых следует знать, чтобы избежать впоследствии разочарования. Вот основные моменты:

высокая стоимость оборудования;
если среднегодовая скорость ветра в регионе маленькая, установка не окупится;
оборудование работает шумно, поэтому устанавливать его нужно подальше от дома. Обычно ветряные электростанции устанавливают в полях, используют в промышленных целях. Это оптимальное решение для их применения.

Виды ветряных генераторов

По типу крепления ротора существуют модификации:

Горизонтальные – отличаются минимальным количеством материалов для изготовления и большим КПД. Минусы прибора заключаются в высокой монтажной мачте и сложности механической части.
Вертикальные – работают в большом диапазоне ветровой скорости. Специфика генератора – необходимость дополнительной фиксации мотора.

По количеству лопастей существуют одно- или многолопастные модели. По материалу лопасти классифицируются на парусные и жесткие. Винтовой шаг установки бывает изменяемым (можно выставить рабочую скорость) и фиксируемым.

Конструкция ветрогенератора

Готовый ветряной генератор состоит из таких частей:

вышка – ставится в ветреной зоне;
лопастный генератор;
контроллер лопастей – преобразует переменный ток в постоянный;
инвертор – трансформирует постоянный ток в переменный;
накопительный аккумулятор;
резервуар для воды.

Накопительная АКБ сглаживает разницу в сезон ветров и период штиля.

Изготовление тихоходного ветрогенератора из генератора машины

Создание ветрогенератора из автомобильного генератора

Поскольку комплект для сборки ветрогенератора стоит от 250 до 300 тыс. руб, конструкцию целесообразно сделать собственноручно. Понадобится генератор автомобиля и аккумуляторная батарея.

Лопасти обеспечивают работу других устройств ветряка. Самостоятельно их можно изготовить из ткани, металла или пластиковой трубы следующим образом:

Выбрать материал с хорошей ветроустойчивостью – толщиной от 4 см.
Рассчитать длину лопасти так, что диаметр трубы равнялся 1/5.
Обрезать трубу и применять ее в качестве шаблонов.
Пройтись по краям всех элементов наждачкой для удаления неровностей.
Зафиксировать пластиковые лопасти на диске из алюминия.
Произвести балансировку колеса посредством фиксирования в горизонтальном положении.
Обточить края ветрового колеса при вращении.

Мачта должна быть надежной, прочной и не раскачиваться

Проект изготовления мачты нужно начать с выбора материала. Понадобится стальная труба длиной 7 м и диаметром 150-200 м. При наличии препятствий колесо поднимается выше их на 1 м.

Для дополнительной устойчивости конструкции изготавливаются колышки под растяжку из стального или оцинкованного троса 6-8 мм в толщину. Мачту и колышки нужно забетонировать.

Процесс переделки автогенератора заключается в перемотке старторного узла и создании ротора на основе неодимовых магнитов. В приборе просверливаются отверстия под них. Магниты нужно ставить, чередуя полюса и заполнять пустоты эпоксидкой.

Ротор оборачивается бумагой для перемотки катушки в одном направлении по трехфазной схеме. На последнем этапе генератор тестируется – при 300 оборотах должно показывать 30 В.

Альтернативные ветровые источники тепла и электрической энергии собираются после изготовления поворотной оси. Понадобится труба с двумя подшипниками и хвостовая часть из оцинкованного листа 1,2 мм в толщину.

Генератор крепится к мачте посредством рамы их профтрубы. Расстояние от балки до лопастей должно быть больше 25 см. После сборки базовой конструкции монтируются контроллер заряда, инвертор и АКБ.

Тепловые насосы для отопления

Тепловые насосы – это емкость, заполненная фреоном. Весь режим работы альтернативного устройства основан на цикле Карно, когда тепло забирается из окружающей среды.

Принцип работы теплового насоса

В состав насоса входят:

Внешний контур, который заполняется теплоносителем природного происхождения.
Внутренний контур, который заполняют проточной водой.
Испаритель.
Компрессор.
Конденсатор.

Принцип работы заключается в том, что наружный контур помещается в любой тип теплоносителя, например, в водоем. При перепадах температуры (между дневными и ночными показателями) происходит выделение тепла водой. Этот выделенный излишек забирается внутренним контуром и преобразуется в энергию.

Сборка теплового насоса из подручных материалов

Для того, чтобы в домашних условиях изготовить альтернативный тепловой насос необходим в первую очередь компрессор мощностью не менее 7 кВт. Вторым элементом является конденсатор, который должен быть выполнен из нержавеющего металла. Внутрь бака помещается медный змеевик

Важно – там, где змеевик выходит из бака необходимо продумать элементы крепления, которые позволят подсоединить шланг. Суть змеевика заключается в том, что в нем будет находиться фреон

Пластиковый испаритель должен иметь приблизительно такой же объем бака, как и накопитель. В нем устанавливают продолжение змеевика, по которому в дальнейшем будет циркулировать фреон.

Вход в бак снабжается канализационной трубой. Бак будет наполняться водой из природного резервуара.

Советуем почитать: Бонитировка и качественная оценка почв

Схема работы и последовательность шагов:

Испаритель устанавливается в водоеме. Он заполняется водой.
Хладагент испаряется.
Он поднимается по трубам и переходит в емкость испарителя.
Из-за перепада температуры он конденсируется и выделяет тепло.

Все ли так гладко?

Казалось бы, такая технология электроснабжения частного дома должна бы уже давно вытеснить с рынка традиционные централизованные методы обеспечения энергией. Почему же этого не происходит? Есть несколько аргументов, которые свидетельствуют не в пользу альтернативной энергетики. Но их значимость определяется в индивидуальном порядке — для части владельцев загородных домов актуальны одни недостатки и совсем не представляют интереса другие.

Для больших загородных коттеджей может стать проблемой не слишком высокий КПД альтернативных энергетических установок. Естественно, локальные гелиосистемы, тепловые насосы или геотермальные установки не могут сравниваться с продуктивностью даже самых старых ГЭС, ТЭЦ и тем более — атомных электростанций.Впрочем, этот недостаток часто минимизируется за счет установки двух или даже трех систем, использованием их больше мощности. Следствием этого может стать другая проблема — для их монтажа потребуется более обширная площадь, выделить которую получается не во всех проектах домов.

Для бесперебойного обеспечения привычного для современного дома числа бытовых приборов и отопительной системы требуется большая мощность. Поэтому в проекте должны предусматриваться такие источники, которые смогут продуцировать такую мощность. А это требует солидных капиталовложений — чем мощнее оборудование, тем оно дороже.

Кроме того, в некоторых случаях (например, при использовании энергии ветра) источник может не гарантировать постоянства выработки энергии. Поэтому необходимо оснастить всю коммуникацию накопительными устройствами. Обычно с этой целью устанавливаются аккумуляторы и коллекторы, что влечет все те же дополнительные расходы и необходимость в выделении большего количества квадратных метров в доме.

Общее устройство и принцип действия

Рассмотрим вариант гелиосистемы с коллектором в качестве основного рабочего элемента системы. Внешний вид агрегата напоминает металлический ящик, лицевая сторона которого изготовлена из закаленного стекла. Внутри короба размещен рабочий орган – змеевик с абсорбером.

Теплопоглощающий блок обеспечивает нагрев теплоносителя – циркулирующая жидкость, передает сгенерированное тепло в контур водоснабжения.

Гелиоколлектор обязательно работает в тандеме с аккумулирующим баком. Поскольку теплоноситель нагревается до температуры 90-130°С, его нельзя подавать непосредственно в краны горячего водоснабжения или отопительные радиаторы. Теплоноситель поступает в теплообменник бойлера. Накопительный бак часто дополняется электрическим нагревателем.

Схема работы:

Солнце нагревает поверхность коллектора.
Тепловое излучение передается поглощающему элементу (абсорберу), в котором содержится рабочая жидкость.
Циркулирующий по трубкам змеевика теплоноситель разогревается.
Насосное оборудование, блок управления и контроля обеспечивают отвод теплоносителя по трубопроводу к змеевику накопительного бака.
Осуществляется передача тепла воде в бойлере.
Охлажденный теплоноситель поступает обратно в коллектор и цикл повторяется.

Нагретая вода от водонагревателя подается в контур отопления или к водозаборным точкам.

При обустройстве отопительной системы или круглогодичного горячего водоснабжения, система комплектуется источником дополнительного подогрева (котел, электрический ТЭН). Это необходимое условие для поддержания заданной температуры

Солнечные батареи в обустройстве частных домов чаще всего используют в качестве резервного источника электроэнергии:

Как выбрать гелиоустановку для отопления и горячего водоснабжения жилого дома?

Выбор гелиосистемы является важным шагом, определяющим эффективность ее работы и вложения денег. Надо определить, какая нужна гелиосистема, цена и размер, тип солнечных коллекторов и прочие параметры комплекса.

Необходимо подобрать конструкцию и комплектацию системы, руководствуясь следующим критериями:

уровень солнечной активности в регионе;
количество тепловой энергии, необходимое для обогрева дома;
установить приоритет солнечной энергии в отоплении дома — либо гелиоустановка служит в качестве основной системы, либо как дополнение.

Определившись с главными факторами, можно приступать к выбору оптимального варианта конструкции и объема системы.

До 100 м2

Гелиосистема для отопления дома 100 кв. м. может служить основным источником тепловой энергии. Основной задачей станет правильный выбор конструкции солнечных коллекторов, чтобы имелась возможность получать максимальное количество тепла.

Необходимо произвести расчет с учетом этажности и конфигурации дома, количества солнечных дней в году, параметров теплоносителя в системе. Гелиосистема для отопления дома 100 кв. м., цена которой может составлять от 18 тыс. руб. до 180 тыс. руб. и выше, вполне способна обеспечить обогрев дома, если будут соблюдены все необходимые условия.

До 200 м2

Для дома площадью 200 м 2 гелиосистема может стать только дополнительным источником обогрева. Обычно пик использования таких установок приходится на осенний и весенний период, когда солнечного тепла достаточно, но потребность в обогреве дома существует.

Конструкционных отличий для таких систем практически не имеется, только накопительный бак является общим с основной отопительной линией дома. Специалисты утверждают, что использование гелиоустановок в весенний и осенний периоды позволяет снизить нагрузку на отопительные системы примерно на 30-40%.

Виды альтернативной энергетики

В зависимости от источника энергии, который в результате преобразования позволяет получать человеку электрическую и тепловую энергии, используемые в повседневной жизни, альтернативная энергетика классифицируется на несколько видов, определяющих способы ее генерации и типы установок служащих для этого.

Энергия солнца

Солнечная энергетика основана на преобразовании энергии солнца, в результате которого получается электрическая и тепловая энергии.

Получение электрической энергии основано на физических процессах, происходящих в полупроводниках под воздействием солнечных лучей, получение тепловой – на свойствах жидкостей и газов.

Для генерации электрической энергии комплектуются солнечные электростанции, основой которой служат солнечные батареи (панели), изготавливаемые на основе кристаллов кремния.

Основой тепловых установок — служат солнечные коллекторы, в которых энергия солнца преобразуется в тепловую энергию теплоносителя.

Мощность подобных установок зависит от количества и мощности отдельных устройств, входящих в состав тепловых и солнечных станций.

Энергия ветра

Ветровая энергетика основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию, используемую потребителями.

Основой ветровых установок служит ветровой генератор.Ветровые генераторы различаются по техническим параметрам, габаритным размерам и конструкции: с горизонтальной и вертикальной осью вращения, различным типом и количеством лопастей, а также по месту их расположения (наземное, морское и т.д.).

Сила воды

Гидроэнергетика основана на преобразовании кинетической энергии водных масс в электрическую энергию, которая также используемую человеком в своих целях.

К объектам данного вида относятся гидроэлектростанции различной мощности, устанавливаемых на реках и иных водных объектах. В таких установках, под воздействием естественного течения воды, или путем создания плотины, вода воздействует на лопасти турбины вырабатывающей электрический ток. Гидротурбина, является основой гидроэлектростанций.

Еще один способ получения электрической энергии путем преобразования энергии воды – это использование энергии приливов, посредством строительства приливных станций. Работа таких установок основана на использовании кинетической энергии морской воды в период приливов и отливов, происходящих в морях и океанах под воздействием объектов солнечной системы.

Тепло земли

Геотермальная энергетика, основана на преобразовании тепла, излучаемого поверхностью земли, как в местах выброса геотермальных вод (сейсмически опасные территории), так и в иных регионах нашей планеты.

Для использования геотермальных вод используются специальные установки, посредством которых внутреннее тепло земли преобразуется в тепловую и электрическую энергии.

Использования теплового насоса позволяет получать тепло из поверхности земли, вне зависимости от места его расположения. Его работа основана на свойствах жидкостей и газов, а также законах термодинамики.

Биотопливо

Виды биотоплива различаются по способам его получения, его агрегатному состоянию (жидкое, твердое, газообразное) и видам использования. Объединяющим все виды биотоплива показателем, служит то, что основой для их производства служат органические продукты, посредством переработки которых получается электрическая и тепловая энергии.

Твердые виды биотоплива — это дрова, топливные брикеты или пеллеты, газообразные – это биогаз и биоводород, а жидкие – биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир и биодизель.