Альтернативные источники энергии для частного дома

Альтернативная энергия своими руками: обзор лучших возобновляемых источников электричества

О том, что запасы нефти, газа и угля не бесконечны, знают даже школьники. Цены на энергоносители постоянно повышаются, заставляя плательщиков тяжко вздыхать и задумываться об увеличении собственных доходов. Несмотря на достижения цивилизации, за пределами городов остается немало мест, в которые не подведен газ, а кое-где нет даже электричества. Там же, где такая возможность есть, стоимость работ по монтажу системы порой абсолютно не соответствует уровню доходов населения. Неудивительно, что альтернативная энергия своими руками вызывает сегодня интерес как у владельцев больших и малых загородных домов, так и у горожан.

Весь окружающий нас мир полон энергии, которая содержится не только в недрах земли. Еще в школе, на уроках географии, мы узнали, что можно с высокой эффективностью в использовать энергию ветра, солнца, приливов и отливов, падающей воды, земного ядра и прочих подобных энергоносителей в масштабах целых стран и континентов. Однако использовать альтернативные источники энергии можно и для отопления отдельного дома.

Среди вариантов природных источников частного энергоснабжения следует отметить:

• солнечные батареи;
• тепловые насосы;
• ветрогенераторы;
• биогазовые установки.

Располагая достаточным количеством средств, можно купить готовую модель одного из подобных устройств и заказать ее монтаж. Откликаясь на пожелания потребителей, промышленники давно освоили изготовление солнечных панелей, тепловых насосов и т. п. Однако их стоимость остается стабильно высокой. Такие устройства вполне можно сделать самостоятельно, сэкономив некоторое количество денег, но затратив больше времени и сил.

Вариант #1 — изготовление солнечных панелей

Конструкции, способные улавливать и преобразовывать энергию солнца, многочисленны, разнообразны и постоянно улучшаются. Для множества народных умельцев совершенствование этих полезных конструкций превратилось в отличное хобби. На тематических выставках такие энтузиасты охотно демонстрируют множество полезных идей.

Чтобы сделать солнечные батареи, необходимо приобрести монокристаллические или поликристаллические фотоэлементы, поместить их в прозрачный каркас, который фиксируют прочным корпусом

Основа солнечной батареи — специальные кристаллы, которые улавливают энергию. В домашних условиях такие элементы изготовить невозможно, их придется приобретать. Кристаллы очень хрупкие, обращаться с ними нужно осторожно. Чтобы сделать солнечную батарею, необходимо:

1. Изготовить каркас для солнечных батарей из прозрачного материала, например, оргстекла.
2. Сделать корпус из металлического уголка, фанеры и т. п.
3. Аккуратно спаять кристаллические элементы в схему.
4. Поместить фотоэлементы в каркас.
5. Выполнить монтаж корпуса.

Вообще существует два вида фотоэлементов: монокристаллические и поликристаллические. Первые более долговечны и имеют КПД около 13%, а вторые быстрее выходят из строя, их КПД несколько ниже — менее 9%. Однако монокристаллические фотоэлементы хорошо работают лишь при стабильном потоке солнечной энергии, в облачный день их эффективность становится значительно ниже. А вот поликристаллические элементы переносят капризы погоды гораздо лучше.

В этом видеоматериале отражены основные принципы самостоятельного изготовления солнечной батареи:

Готовые батареи размещают, разумеется, на самой солнечной стороне крыши. При этом следует предусмотреть возможность регулирования наклона панели. Например, во время снегопадов панели следует размещать практически вертикально, иначе слой снега может помешать работе батарей или даже повредить их.

Вариант #2 — насос, который качает тепло

Действие теплового насоса основано на обратном принципе Карно. Это довольно большое и достаточно сложное устройство, которое собирает низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды и преобразовывает ее в энергию с высоким потенциалом. Чаще всего тепловые насосы используют для обогрева помещений. Устройство состоит из:

• наружного контура с теплоносителем;
• внутреннего контура с теплоносителем;
• испарителя;
• компрессора;
• конденсатора.

В системе также используется фреон. Наружный контур теплового насоса может поглощать энергию из различной среды: земли, воды, воздуха. Затраты труда на его создание зависят от типа насоса и его конфигурации. Сложнее всего устроить насос типа «земля-вода», в котором наружный контур горизонтально располагается в толще грунта, поскольку это требует масштабных земляных работ. Если возле дома есть водоем, имеет смысл сделать тепловой насос типа «вода-вода». В этом случае наружный контур просто опускают в водоем.

Тепловой насос преобразует низкопотенциальную энергию земли, воды или воздуха в высокопотенциальную тепловую энергию, которая позволяет вполне эффективно обогреть здание

Эффективность работы теплового насоса зависит не столько от того, как высока температура среды, сколько от ее постоянства. Правильно спроектированный и установленный тепловой насос может обеспечить дом достаточным количеством тепла в зимнее время, даже при очень низкой температуре воды, земли или воздуха. В летнее время тепловые насосы могут выполнять роль кондиционера, охлаждая жилище.

Вариант #3 — использование энергии ветра

Если ветер способен гонять стаи туч, почему бы не использовать его энергию на другие полезные дела? Поиски ответа на этот вопрос привели инженеров к созданию ветрогенератора. Это устройство обычно состоит из:

• генератора;
• высокой башни;
• лопастей, которые вращаются, улавливая ветер;
• батареи;
• системы электронного управления.

Поскольку вопросы создания ветрогенераторов изучаются довольно давно, существуют проекты самых разнообразных конструкций этих устройств. Модели с горизонтальной осью вращения занимают довольно большое пространство, а вот ветрогенераторы с вертикальной осью вращения гораздо компактнее. Разумеется, для эффективной работы устройства требуется достаточно сильный ветер.

Ветрогенератор необходимо разместить как можно выше, чтобы его работа была эффективной. Модели, которые имеют вертикальную ось вращения, компактнее, чем при горизонтальном вращении

Вариант #4 — установка для получения биогаза

Во время анаэробной переработки органических отходов выделяется так называемый биогаз. В результате получается смесь газов, состоящая из метана, углекислоты и сероводорода. Генератор для получения биогаза состоит из:

• герметичного бака;
• шнека для перемешивания органических отходов;
• патрубка для выгрузки отработанной массы отходов;
• горловины для заливки отходов и воды;
• патрубка, по которому поступает полученный газ.

Нередко емкость для переработки отходов устраивают не на поверхности, а в толще грунта. Чтобы не допустить утечки полученного газа, ее делают полностью герметичной. При этом следует помнить о том, что в процессе выделения биогаза давление в емкости постоянно повышается, поэтому газ требуется из емкости регулярно отбирать. Помимо биогаза в результате переработки получается отличное органическое удобрение, полезное для выращивания растений.

К устройству и правилам эксплуатации такого газового генератора предъявляются повышенные требования безопасности, поскольку биогаз опасно вдыхать и он может взорваться. Впрочем, в ряде стран мира, например, в Китае, этот способ получения энергии распространен довольно широко.

Конструкция генератора для получения биогаза очень проста, однако при его эксплуатации следует соблюдать определенную осторожность, поскольку биогаз — опасное для здоровья горючее вещество

Состав и количество биогаза, получаемого из отходов, зависит от субстрата. Больше всего газа получают при использовании жира, зерна, технического глицерина, свежей травы, силоса и т. п. Обычно в бак загружают смесь из отходов животного и растительного происхождения, в которую добавляют некоторое количество воды. В летнее время рекомендуется увеличить влажность массы до 94-96%, а в зимнее время достаточно и 88-90% влаги. Воду, подаваемую в резервуар с отходами, следует подогревать до 35-40 градусов, иначе процессы разложения будут замедлены. Чтобы сохранить тепло, снаружи на бак монтируют слой теплоизоляционного материала.

Мне всегда казалось, что альтернативная энергия — слишком затратна, в плане вложений, но вы смогли меня переубедить. С одной стороны — сложно собрать необходимые приспособления вручную (лично не пробовал, не могу судить). С другой же стороны — если все удастся правильно сделать — альтернативный источник энергии себя в любом случае окупит. Сейчас электричество — стоит не малых денег. Но, думаю, что альтернативную энергию — можно ставить лишь в частном доме, т.к. в городе — службы надзора (не помню наименование) — не очень одобрительно на это посмотрят — возможно, даже, оштрафуют. Сам живу в городе и попробовать подобные штуки нет возможности.

Если совмещать все виды альтернативного получения энергии, то, возможно, это существенно снизит расходы на электроэнергию и даже когда-нибудь окупить свою постройку. Судя по статье, собрать альтернативный источник энергии не так уж и сложно, однако некоторых навыков все-таки требует. Если рассмотреть постановку солнечных батарей на крышу, а к ним в дополнение ветровую установку, то можно получить почти универсальный источник энергии в любую погоду. А если добавить биогаз, то вообще красота будет. Однако все эти способы хороши только для теплого времени года (ну, или осени, когда есть сильный ветер), а вот зимой солнце бывает не часто, ветер тоже. Как быть в этом случае?

Альтернативная энергия для частного дома

Для владельцев частных домов есть возможность значительно уменьшить счета за коммунальные услуги или вообще не пользоваться услугами поставщиков тепла, электроэнергии и газа. Можно даже обеспечить немалое хозяйство, а при желании и продавать излишки. Это реально и некоторыми уже проделано. Для этого используют альтернативные источники энергии.

Альтернативные источники энергии могут обеспечить все потребности

Откуда можно получать энергию и в каком виде

На самом деле энергия, в том или ином виде, в природе есть практически везде — солнце, ветер, вода, земля — везде есть энергия. Основная задача — извлечь ее оттуда. Этим человечество занимается уже не одну сотню лет и достигло неплохих результатов. На сегодняшний момент альтернативные источники энергии могут обеспечить дом теплом, электроэнергией, газом, теплой водой. Причем альтернативная энергетика не требует каких-то сверх навыков или сверх знаний. Все можно сделать для своего дома своими руками. Итак, что можно сделать:

• Использовать солнечную энергию для получения электрической энергии или для подогрева воды — для ГВС или низкотемпературного отопления (солнечные батареи и коллекторы).
• Преобразовывать энергию ветра в электричество (ветрогенераторы).
• При помощи тепловых насосов отапливать дом, отбирая тепло у воздуха, земли, воды (тепловые насосы).
• Получать газ из отходов жизнедеятельности домашних животных и птицы (биогазовые установки).

Альтернативная энергетика — способ самостоятельно обеспечить собственные потребности

Все альтернативные источники энергии способны полностью обеспечить потребности человека, но для этого требуются слишком большие капиталовложения или/и слишком большие площади. Потому разумнее делать комбинированную систему: получать энергию от альтернативных источников, а при недостатке «добирать» из централизованных сетей.

Использование солнечной энергии

Один из самых мощных альтернативных источников энергии для дома — солнечное излучение. Для преобразования солнечной энергии есть два типа установок:

• солнечные батареи вырабатывают электрический ток;
• солнечные коллекторы греют воду.

От солнечной энергии можно греть воду или получать электрический ток

Не стоит думать что работают установки только не юге и только летом. Хорошо они работают и зимой. В ясную погоду при выпавшем снеге выработка энергии только немного ниже летней. Если в вашем регионе большое количество ясных дней, использовать подобную технологию можно.

Солнечные батареи

Солнечные батареи собирают из фотоэлектрических преобразователей, которые изготавливают на базе минералов, которые под действием солнечного света испускают электроны — вырабатывают электрический ток. Для частного применения используются кремниевые фотопреобразователи. По своей структуре они бывают монокристаллическими (сделаны из одного кристалла) и поликристаллическими (много кристаллов). Монокристаллические имеют более высокий КПД (13-25% в зависимости от качества) и более продолжительный срок службы, но стоят дороже. Поликристаллические вырабатывают меньше электроэнергии (9-15%) и быстрее выходят из строя, но имеют более низкую цену.

Это поликристаллический фотопреобразователь. Обращаться с ними надо аккуратно — они очень хрупкие (монокристаллические тоже, но не в такой степени)

Сборка солнечной батареи своими руками несложна. Сначала надо приобрести некоторое количество кремниевых фотоэлементов (количество зависит от требуемой мощности). Чаще всего их покупают на китайских торговых площадках типа АлиЭкспресс. Затем порядок действий прост:

• Сделать каркас (из деревянных планок или металлических уголков). Установить на него подложку. Прозрачную — стекло, оргстекло (монолитный поликарбонат) — если солнечная батарея будет висеть на окне, и непрозрачную (фанера, окрашенная в белый цвет), если устанавливать батарею будете не крыше.
• При помощи алюминиевых проводников соединить элементы в одну батарею (параллельно). Проводники могут быть сразу припаяны к пластинам (стоят чуть дороже) или придется покупать отдельно и затем паять самостоятельно.
• Готовую батарею надо загерметизировать. Заливают ее эпоксидной смолой или проклеивают специальной пленкой EVA. При герметизации необходимо следить чтобы не было пустот — воздушных пузырьков. Они очень сильно снижают производительность батареи, потому выгоняем их тщательно.

Это уже готовая солнечная батарея

Несколько слов о том, почему подложку для солнечной панели (батареи) надо красить в белый цвет. Рабочий диапазон температур кремниевых пластин от — 40°C до +50°C. Работа при более высоких или низких температурах приводит к быстрому выходу элементов из строя. На крыше, летом, в закрытом объеме, температура может быть намного выше +50°C. Потому и необходим белый цвет — чтобы не перегреть кремний.

Солнечные коллекторы

При помощи солнечных коллекторов можно нагревать воду или воздух. Куда направлять нагретую солнцем воду — в краны для горячего водоснабжения или в систему отопления — выбираете вы сами. Только отопление будет низкотемпературным — для теплого пола, то что требуется. Но для того, чтобы температура в доме не зависела от погоды, систему требуется сделать резервируемой, чтобы при необходимости подключался другой источник тепла или котел переходил на другой источник энергии.

Наиболее распространенные трубчатые солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы есть трех видов: плоские, трубчатые и воздушные. Наиболее распространенные — трубчатые, но и другие тоже имеют право на существование.

Плоские пластиковые

Две панели — черная и прозрачная — соединены в один корпус. Между ними расположен медный трубопровод в виде змейки. От солнца нижняя темная панель нагревается. от нее греется медь, а от нее — проходящая по лабиринту вода. Такой способ использования альтернативных источников энергии не самый эффективный, но привлекателен тем, что он очень прост в исполнении. Таким образом можно нагревать воду в бассейне. Надо будет только зациклить ее подачу (при помощи циркуляционного насоса). Точно также можно подогревать воду в емкости для летнего душа или использовать ее для бытовых нужд. Недостаток подобных установок — низкая эффективность и производительность. Чтобы нагреть большой объем воды, нужно или много времени, или большое количество плоских коллекторов.

Плоский солнечный коллектор

Трубчатые коллекторы

Это стеклянные трубки — вакуумные или коаксиальные — по которым протекает вода. Специальная система позволяет по максимуму концентрировать в трубках тепло, которое передается протекающей через них воде.

Трубчатые коллекторы могут быть вакуумными и перьевыми

В системе обязательно есть накопительная емкость, в которой вода и греется. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом. Такие системы самостоятельно не сделать — стеклянные трубки сделать своими руками проблематично и это — главный недостаток. Вместе с высокой ценой он сдерживает широкое внедрение этого источника энергии для дома. А сама система очень эффективна, на «ура» справляется с нагревом воды для ГВС и вносит приличный вклад в отопление.

Схема организации отопления и ГВС за счет альтернативных источников энергии — с использованием солнечных коллекторов

Воздушные коллекторы

В нашей стране они встречаются очень редко и зря. Они просты, их легко можно сделать своими руками. Единственный минус — требуется большая площадь: могут занимать всю южную (восточную, юго-восточную) стену. Система очень похожа на плоские коллекторы — черная нижняя панель, прозрачная верхняя, но греют они напрямую воздух, который принудительно (вентилятором) или естественным путем направляется в помещение. Несмотря на кажущуюся несерьезность, таким способом можно на протяжении светового дня греть небольшие помещения, в том числе и технические или подсобные: гаражи. дачи, сараи для живности.

Устройство возушного коллектора

Такой альтернативный источник энергии как солнце, дарит нам свое тепло, но большая его часть уходит «в никуда». Словить небольшую ее долю и использовать для личных нужд — вот задача, которую решают все эти приспособления.

Ветрогенераторы

Альтернативные источники энергии хороши тем, что они по большей части относятся к возобновляемым ресурсам. Самый вечный, наверное, ветер. Пока есть атмосфера и солнце, ветер тоже есть. Может какой-то непродолжительный период воздух и будет неподвижным, но очень недолго. Наши предки использовали энергию ветра в мельницах, а современный человек преобразует ее в электричество. Все что для этого требуется:

• вышка, установленная в ветреном месте;
• генератор с приделанными к нему лопастями;
• накопительной батареи и системы распределения электрического тока.

Вышка строится любая, из любого материала. Накопительная батарея — аккумулятор, тут ничего не придумаешь, а куда подавать электричество — ваш выбор. Остается только сделать генератор. Его тоже можно купить уже готовым, но вполне можно сделать из двигателя от бытовой техники — стиральной машины, шуруповерта и т.п. Нужны будут неодимовые магниты и эпоксидная смола, токарный станок.

Схема обеспечения частного дома электричеством за счет альтернативных источников энергии (ветрогенератор и солнечные батареи)

На роторе мотора размечаем места под установку магнитов. Они должны находится на равном расстоянии друг от друга. Ротор выбранного мотора обтачиваем, формируя «посадочные места». Дно выемки должно иметь небольшой наклон, чтобы поверхность магнита была наклонена. В выточенные места на жидкие гвозди приклеиваются магниты, заливаются эпоксидной смолой. Поверхность затем наждачной бумагой доводится до гладкости. Далее надо приделать щетки, которые будут снимать ток. И все, можно собирать и запускать ветрогенератор.

Такие установки довольно эффективны, но их мощность зависит от многих факторов: интенсивности ветра, того, насколько правильно сделан генератор, насколько эффективно снимается разность потенциала щетками, от надежности электрических соединений и т.п.

Тепловые насосы для отопления дома

Тепловые насосы используют все имеющиеся в наличии альтернативные источники энергии. Они отбирают тепло у воды, воздуха, грунта. В небольших количествах это тепло есть там даже зимой, вот его и собирает тепловой насос и перенаправляет на обогрев дома.

Тепловые насосы также используют альтернативные источники энергии — тепло земли, воды и воздуха

Принцип работы

Чем же так привлекательны тепловые насосы? Тем, что затратив 1 кВт энергии на ее перекачку, в самом плохом варианте вы получите 1,5 кВт тепла, а самые удачные реализации могут дать до 4-6 кВт. И это никак не противоречит закону сохранения энергии, ведь расходуется энергия не на получение тепла, а не его перекачивание. Так что никаких нестыковок.

Схема теплового насоса для использования альтернативных источников энергии

У тепловых насосов есть три рабочих контура: два наружных и они внутренний, а также испаритель, компрессор и конденсатор. Работает схема так:

• В первом контуре циркулирует теплоноситель, который отбирает тепло у низкопотенциальных источников. Он может быть опущен в воду, закопан в землю, а может отбирать тепло у воздуха. Самая высокая температура, которая достигается в этом контуре — около 6°C.
• Во внутреннем контуре циркулирует теплоноситель с очень низкой температурой кипения (обычно 0°C). Нагревшись, хладагент испаряется, пар попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется тепло, пары хладагента разогреваются до температуры в среднем от +35°C до +65°C.
• В конденсаторе тепло передается теплоносителю из третьего — отопительного — контура. Остывающие пары конденсируются, затем дальше попадают в испаритель. И далее цикл повторяется.

Отопительный контур лучше всего делать в виде теплого пола. Температуры для этого самые подходящие. Для радиаторной системы потребуется слишком большое число секций, что некрасиво и невыгодно.

Альтернативные источники тепловой энергии: откуда и как брать тепло

Но самые большие сложности вызывает устройство первого внешнего контура, который собирает тепло. Так как источники низкопотенциальные (тепла у низ мало), то для сбора его в достаточном количестве требуются большие площади. Есть четыре вида контуров:

• Кольцами уложенные в воде трубы с теплоносителем. Водоем может быть любым — река, пруд, озеро. Главное условие — он не должен промерзать насквозь даже в самые сильные морозы. Более эффективно работают насосы, выкачивающие тепло из речки, в стоячей воде тепла передается намного меньше. Такой источник тепла реализуется проще всего — закинуть трубы, привязать груз. Только велика вероятность случайного повреждения.

В воде сделать термальное поле проще всего