Альтернативная энергия

Чтобы получать энергию, не обязательно загрязнять атмосферу, повышать радиационный фон или затапливать огромные территории. Кроме ТЭС, АЭС и ГЭС для производства электроэнергии все активнее используются альтернативные электростанции. Применение возобновляемых энергоресурсов – выбор осознанных людей, компаний и государств, которым не безразличны состояние экологии, изменение климата и проблема истощения природных ресурсов.

Альтернативные источники энергии

Альтернативными или нетрадиционными называют источники энергии, которые не имеют прямого отношения к углеводородам, не используют ископаемые виды топлива, а являются бесплатными природными явлениями. Они вырабатываются естественным образом, не исчерпываются и способны возобновляться. К возобновляемым энергоресурсам относится энергия солнца, ветра, волн, приливов и отливов, геотермальных источников, биомассы, вулканов.

Солнечная энергия

Солнце – гигантский источник «зеленой» энергии. На Землю ежегодно приходится 173 миллиона ГВт его энергии. Это, как минимум, в 10 000 раз выше, чем потребности всей планеты. Если бы удалось собрать всю солнечную энергию, попадающую на Землю за 1 день, ее хватило бы для удовлетворения общемировых потребностей в течение года. И хотя такие глобальные цели труднодостижимы, автономные солнечные энергосистемы все активнее применяются в масштабах загородных домов и подобных объектов. Они обеспечивают бесперебойную работу системы освещения, бытовой техники и остальных видов электрооборудования.

Для преобразования энергии данного вида в электричество используют солнечные панели – фотоэлектрические модули, устанавливаемые на крышах домов и других открытых территориях. После попадания на фотоэлементы лучи отдают свою энергию, и она через контроллер направляется в аккумуляторную батарею. Для последующего использования аккумулированной энергии ее пропускают через инвертор – устройство, преобразующее постоянный ток в переменный.

Солнце светит повсюду и дает массу энергии, но наиболее актуален этот способ для теплых стран, морских и космических просторов, фермерских участков, отдаленных обитаемых островов, мест с высокими тарифами на электроэнергию. С помощью солнечных панелей, установленных на крыше дома, автомобиля или поезда, можно покрывать основные потребности в электроэнергии.

Наибольшая электростанция такого типа расположена в китайской пустыне и называется Солнечным парком Тэнгэр. Ее мощность – 1547 МВт – выше, чем у стандартного ядерного реактора. Популярна солнечная энергетика и в других странах. Так, в Израиле нагрев воды на 80% осуществляется с применением энергии Солнца. В России солнечные электростанции есть в Ставропольском крае, Астраханской, Оренбургской, Самарской области и на Алтае.

Виды солнечных модулей

Фотоэлементы для солнечных энергосистем бывают 2 типов:

1. Монокристаллические – высокоэффективные модули с увеличенным КПД и долгим сроком службы. Для активного преобразования энергии им необходимо ясное небо и стабильный поток солнечных лучей.
2. Поликристаллические – по КПД и ресурсу немного уступают монокристаллическим модулям, зато способны работать в облачную погоду.

Фотоэлементы покрыты прозрачным материалом, обрамлены металлическим профилем и устанавливаются на поворотной подставке. Это позволяет менять угол наклона солнечных модулей в зависимости от времени года и лучше улавливать солнечные лучи. Получаемая электроэнергия собирается и хранится в аккумуляторных батареях. Для дальнейшего преобразования и использования энергии из АКБ используется инверторная система.

Солнечные коллекторы

Это оборудование работает по принципу летнего душа, когда вода в металлической бочке нагревается солнечными лучами. Только коллекторы используют не бочку, а систему труб в форме змеевика. Благодаря этому увеличивается площадь нагрева. А чтобы избежать применения насосов, вода естественно циркулирует по трубам и змеевику бака в верхней части комплекса. Чаще всего в большом змеевике солнечных коллекторов циркулирует фреон, чтобы система могла эффективно работать круглый год.

Ветроэнергетика

Этот вид альтернативной энергии активно используется в последние десятилетия. Для установки ветрогенераторов не требуются большие территории и вполне подходят труднодоступные места. Главное условие для эффективной работы такого оборудования – наличие и достаточная скорость ветра – от 3–4 м/с.

Ветрогенератор преобразует кинетическую энергию воздушных масс в механическую энергию ротора: попадая на массивные лопасти, поток ветра обеспечивает их вращение, приводит в действие турбину, и генератор вырабатывает ток. Так, в зависимости от конкретных задач, происходит преобразование в электрическую, тепловую или другой вид энергии. Генерируемый ток поступает на контроллер и в АКБ, а затем через инвертор подается потребителям.

Крупнейшая ветроэлектростанция мощностью около 20 000 МВт расположена на окраине пустыни Гоби, на территории Китая. Крупнейшая в нашей стране – Кочубеевская ВЭС в Ставропольском крае – имеет мощность 210 МВт. Длина лопастей больших ветрогенераторов может превышать 50 м. В условиях частных домов применяются более компактные ветроустановки. Они все чаще используются в прибрежных районах, степной и гористой местности.

Мощность ветряка зависит от его технических характеристик и силы ветра. Например, установка с 4 лопастями длиной 1 м и мачтой высотой 5 м при скорости ветра 12–15 м/с генерирует мощность около 1 кВт. Теоретически для удовлетворения потребностей частного дома достаточно 4 таких ветрогенератора. Но из-за непредсказуемости ветра такие установки желательно использовать в сочетании с другими видами альтернативной энергии, например, параллельно с солнечными панелями.

Энергия воды

Для получения электроэнергии водные потоки основательно используют с конца 19 века. Мини ГЭС достаточно компактна и способна обеспечить электроэнергией частный дом или другой объект. Для этого не придется строить плотину или другие грандиозные сооружения. Достаточно иметь поблизости реку, водовод или канал со скоростью водного потока более 0,7 м/с.

В свободный поток воды погружается генератор мини ГЭС, который преобразует механическую энергию вращения турбины в электрическую. Мощность таких агрегатов обычно составляет от 300 Вт до 5 кВт. Как и в других системах альтернативной энергетики, вырабатываемая электроэнергия хранится в аккумуляторных батареях.

Волновая энергетика

Получать энергию с помощью водных ресурсов можно по-разному. Один из способов – использование силы морских и океанских волн. Для преобразования их энергии применяются сооружения, использующие движущую силу водных масс, например:

1. Проходя через массивную трубу, волна инициирует вращение турбины.
2. Проходя через пустую камеру, волна вытесняет из нее воздух, и он вращает соединенную с генератором турбину.
3. На суше создано бетонное сооружение – «искусственный атолл». Набегающие на него волны попадают внутрь сооружения: в накопительный бассейн, а затем – на лопасти турбины.
4. На поверхности воды есть ряд секций, а между ними – подвижные платформы с гидравлическими поршнями, которые соединены с гидравлическим мотором. Волны проходят через поршни, и двигатель передает их энергию на генератор для выработки электроэнергии.

Волновые электростанции есть в Португалии, Испании, Великобритании, Австралии. По силе волны мощнее ветра, но они так же непредсказуемы, зависят от погоды и климата.

Энергия приливов и отливов

Приливные электростанции также используют энергию мирового океана. Неподалеку от берега находится плотина, а в ее подводной части есть обратимый гидротурбогенератор. Его лопасти способны вращаться в обоих направлениях, вырабатывая электричество во время приливов и отливов. В результате гидродинамическая энергия – благодаря перепаду давления и разным температурам у морских волн – преобразуется в электроэнергию.

За сутки происходит 4 цикла приливов и отливов. Во время прилива вода проходит через гидротурбогенератор, вращает турбину и собирается в бассейне между плотиной и сушей. В период отлива процесс аналогичен, но поток движется обратно. Генерируемый ток аккумулируется и подается потребителям.

Такие станции есть во Франции, Великобритании, Китае, Индии, Канаде, США, Австралии и других странах. В нашей стране есть Кислогубская ПЭС на побережье Баренцева моря, а также станции в Белом и Охотском морях, на Кольском полуострове. ПЭС не зависят от погодных условий, но актуальны только для прибережных территорий.

Геотермальная энергетика

Тепло недр Земли – еще один неисчерпаемый ресурс, используемый для производства электроэнергии. Благодаря ему нагреваются верхние слои литосферы и подземные водоемы. Мелкие скважины позволяют извлечь геотермальную энергию без значительных вложений. Принцип их работы таков:

1. Через 1 скважину под давлением закачивается вода.
2. Нагреваясь под землей, она становится паром.
3. Пар выходит наружу через 2 скважину, обеспечивает движение генератора и производство электроэнергии.
4. Проходя через лопасти, пар конденсируется, и цикл повторяется.

Такие станции не зависят от погодных условий и времен года, но для их работы нужны большие объемы чистой воды. Этот метод актуален для регионов с доступными горячими источниками, например, для Сахалина и Камчатки, мест с тектоническими разломами в земной коре. Кроме выработки электроэнергии, геотермальная энергия используется для отопления домов.

В таком случае применяется тепловой насос с 2 контурами – системой отопления и подземным или подводным контуром, по которому циркулирует и нагревается от окружающей среды теплоноситель (вода). Новые технологии позволяют использовать этот способ отопления в любых регионах, а не только при наличии горячих сейсмических источников. Даже небольшая разница между температурой на поверхности и в недрах Земли обеспечивает тепловую энергию, достаточную для обогрева дома.

Биогаз

Для производства топлива можно использовать универсальный ресурс – отходы растительного и животного происхождения. При гниении бытовых отходов в прочных герметичных емкостях образуется биогаз – смесь метана, углекислоты, сероводорода и других газов. Процесс гниения происходит с участием анаэробных бактерий, которые не нуждаются в присутствии кислорода.

Для ускорения процесса применяется шнек, постоянно перемешивающий биомассу. Кроме растительно-животных отходов в емкость добавляют теплую воду (+40 °C), чтобы влажность биомассы составляла 90%. Вверху на резервуаре есть патрубок. Через него образующийся биогаз поступает в систему трубопроводов. Переработанная биомасса подходит для удобрения грунта.

Энергия вулканов

Спящие вулканы хранят в себе колоссальные запасы энергии, и люди постепенно учатся их использовать. Принцип работы вулканических электростанций таков:

1. Станция строится около спящего вулкана.
2. В слои грунта, близкие к лаве, по трубопроводам подводится соленая вода.
3. Происходит нагрев воды, ее переход в приграничное состояние (критически горячая вода под давлением) и подача на генератор для выработки электрического тока.

Фактически это технология работы ГЭС, но турбину генератора вращает нагретая соленая вода, которая сама поднимается из недр. Кроме выработки электроэнергии, этот метод используют для организации систем горячего водоснабжения в домах, теплицах и других объектах.

Выводы

Развитие научно-технического прогресса способствует эффективному использованию новых источников энергии. Конечно, приобретение и установка необходимого оборудования требуют определенных вложений, но в дальнейшем такие инвестиции окупаются и позволяют бесплатно использовать неисчерпаемые «зеленые» ресурсы. Придет время и альтернативная энергетика станет традиционной, но уже сегодня вместо нефти, газа и угля можно использовать восстанавливаемые ресурсы нашей планеты.

Читайте в предыдущей статье блога ShuraMaster о том, как правильно заряжать литиевые аккумуляторы.