НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Активное использование нетрадиционных источников питания, таких как ветряные генераторы, солнечные батареи и тепловые насосы, стало обыденных делом для стран западной Европы. В последнее время возобновляемые и экологически чистые источники энергии стали появляться и в Украине. Рассмотрим принцип работы популярных систем, способных получать электрическую энергию от солнца, ветра и земли:

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Каждый день поверхность Земли получает колоссальную массу солнечного света. Переводя этот факт в энергетическую плоскость, можно отметить интересный момент – солнечная радиация, достигшая поверхности нашей планеты в течении одного часа, превышает потребность в электричестве человечества на целый год. Естественно, солнечную энергию следует эффективно преобразовывать. В начале 80-х годов прошлого века, совокупность мощностей солнечной энергетики составляла около 0,02 ГВт. Сейчас этот показатель достиг отметки в 300 ГВт.

Попытка человечества обуздать энергию Солнца началась с создания солнечных коллекторов, от которых, в виду своей неэффективности, отказались. Упор был сделан на солнечные батареи, где цепь фотоэлементов преобразует солнечную энергию в электрический ток. В начале 20 века солнечные батареи имели крайне малый КПД. Все изменилось с появлением фотоэлементов на основе кремния. При мощности солнечного потока в 1000 Вт, 1 м² такой панели будет вырабатывать около 200 Вт (КПД – 20%). Приведенные данные идеализированы, и, если говорить о территории Украины, жарким летом, он может достигать отметки лишь в 50 Вт/м².

Принцип работы: на полярные стороны фотоэлемента (а в большинстве случаев это кристаллы кремния), наносят бор (сторона, направленная на свет) и фосфор («темная» сторона). После того как на солнечную панель поступает свет, со стороны пластины покрытой бором электроны пытаются попасть на сторону, находящуюся в темноте – фосфор. Кремний, находящейся между ними, выступает в качестве барьера, и не позволяет свободным электронам с p-области, попасть в n-область. Полученная мощность разности потенциалов на концах p-n-перехода приближается к отметке в 0,4-0,7 Вт с одного кристалла.

ВЕТРОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В отличии от солнца, ветер способен «работать» до 24 часа в сутки. В таких странах как Голландия и Дания, ветровые генераторы используют повсеместно, и процент ветроэлектрических генераторов постоянно растет. Использовать «ветряки» экономически выгодно в местностях с среднегодовой скоростью ветра превышающей отметки в 5 м/с и более. На данный момент есть два вида ветрогенераторов – с вертикальным и горизонтальным ротором.

Горизонтальный ветряной генератор – повышенный уровень шума «перекрывается» высоким КПД (до 50%). Ветряки с вертикальным ротором имеют простую и надежную конструкцию, низкую шумность, но малый КПД (15-18%).

Перед установкой ветрового генератора следует оценить потенциал воздушной массы. Эти данные берутся в местной метеостанции. Используя формулу мощности воздушной массы, рассчитываем экономическую эффективность:

 

где:  r – плотность воздуха, V – скорость воздуха, S – площадь ветрового потока.

Полученный результат отображает стопроцентную энергию ветра, которую, в полной мере, ветряной генератор использовать не сможет. В зависимости от эффективности лопастей, результат умножают на коэффициент 0,2.

Принцип работы: Лопасти, обтекаемые ветром, вращают ротор и генератор вырабатывает ток. Полученный ток поступает в инвертор, который преобразует его в однофазное напряжение в 220В.

 

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Вкратце поговорим о энергии земли, и о агрегатах, которые ее вырабатывают – тепловых насосах. Использовать тепло энергии Земли люди научились сравнительно недавно. На глубине 1,5 метра и выше, температура земляного покрова, в течении всего года, держится на отметке в +7…8 градусов. Но, используя простые физические процессы, такие как испарение, сжатие, расширение и конденсацию, даже из такой, сравнительно небольшой температуры, можно получить тепловой носитель с температурой в +30…40 С°.

Принцип работы: Система состоит из геотермального теплообменника и теплового насоса. По контуру теплообменника, который расположен на глубине 1,5 метра под землей, циркулирует антифриз. Приобретя температуру земли, среда попадает в теплообменник и отдает свое тепло хладагенту насоса (фреону). Уже охлажденный антифриз вновь запускается под землю, и цикл повторяется. Теплый фреон испаряется, и в виде газа поступает в компрессор. Отдавая свою энергию для системы отопления дома, фреон охлаждается и возвращается в испаритель. В среднем, из 1 кВт энергии потраченной на работу теплового насоса, можно получить 4-5 кВт «бесплатной» энергии.