Alternativní zdroje energie: jaké technologie lze použít, jejich výhody a nevýhody

I školáci vědí, že zásoby ropy, plynu a uhlí nejsou nekonečné. Ceny energií neustále rostou, což nutí plátce těžce vzdychat a přemýšlet o zvýšení vlastních příjmů. Navzdory výdobytkům civilizace existuje mnoho míst mimo města, kde není plyn, a na některých místech není ani elektřina. Tam, kde taková možnost existuje, náklady na instalaci systému někdy vůbec neodpovídají úrovni příjmů obyvatelstva. Není divu, že alternativní energie vlastníma rukama je dnes zajímavá jak pro majitele velkých i malých venkovských domů, tak pro obyvatele měst.

Celý svět kolem nás je plný energie, která se nachází nejen v hlubinách Země. Už ve škole, v hodinách zeměpisu, jsme se učili, že je možné využívat energii větru, slunce, přílivu a odlivu, padající vody, zemského jádra a dalších podobných zdrojů energie s vysokou účinností v měřítku celých zemí a kontinentů. Alternativní zdroje energie však lze využít i k vytápění jednoho domu.

Druhy alternativních zdrojů energie

Mezi možnostmi přirozených zdrojů soukromého zásobování energií je třeba poznamenat:

• solární panely;
• sluneční kolektory;
• tepelná čerpadla;
• větrné generátory;
• zařízení pro absorpci vodní energie;
• bioplynové stanice.

Pokud máte dostatek peněz, můžete si koupit hotový model jednoho z těchto zařízení a objednat si jeho instalaci. Výrobci, kteří reagují na přání spotřebitelů, již dlouho zvládli výrobu solárních panelů, tepelných čerpadel atd. Jejich cena však zůstává trvale vysoká. Taková zařízení lze vyrobit svépomocí, což ušetří peníze, ale vynaloží více času a úsilí.

Video: Jakou přírodní energii lze využít

Princip fungování a použití solárních panelů v soukromém domě

Fyzikální jev, na kterém je založen princip fungování tohoto zdroje energie, je fotoelektrický jev. Sluneční světlo dopadající na jeho povrch uvolňuje elektrony, což vytváří uvnitř panelu nadměrný náboj. Pokud k němu připojíte baterii, pak se v důsledku blesku v počtu nábojů v obvodu objeví proud.

Princip fungování solární baterie je založen na fotoelektrickém jevu.

Návrhy, které dokáží zachytit a transformovat sluneční energii, jsou četné, rozmanité a neustále se vylepšují. Pro mnoho lidových řemeslníků se vylepšování těchto užitečných návrhů stalo vynikajícím koníčkem. Na tematických výstavách tito nadšenci ochotně předvádějí mnoho užitečných nápadů.

Pro výrobu solárních panelů je třeba zakoupit monokrystalické nebo polykrystalické fotočlánky a umístit je do průhledného rámu, který je upevněn odolným pouzdrem.

Základem solární baterie jsou speciální krystaly, které zachycují energii. Takové prvky není možné vyrobit doma, budete si je muset koupit. Krystaly jsou velmi křehké, je třeba s nimi zacházet opatrně. K výrobě solární baterie potřebujete:

1. Vyrobte rám pro solární panely z průhledného materiálu, například z plexiskla.
2. Vyrobte si pouzdro z kovového rohu, překližky atd.
3. Krystalové prvky opatrně zapájejte do obvodu.
4. Umístěte fotobuňky do rámu.
5. Dokončete instalaci pouzdra.

Obecně existují dva typy fotočlánků: monokrystalické a polykrystalické. První jsou odolnější a mají účinnost okolo 13 %, zatímco druhé selhávají rychleji, jejich účinnost je o něco nižší – méně než 9 %. Monokrystalické fotočlánky však fungují dobře pouze při stabilním přítoku sluneční energie; za zataženého dne se jejich účinnost výrazně snižuje. Polykrystalické prvky však mnohem lépe snášejí rozmary počasí.

Vyrobenou elektřinu lze použít k napájení domácích spotřebičů nebo k vytápění místnosti pomocí technologie podlahového vytápění. Solární energie se však nehodí jen k výrobě elektřiny. Solární energii lze využít k ohřevu vody. Tomu se budeme věnovat v další části článku. Výhody tohoto zdroje energie jsou tedy:

• nevyčerpatelnost;
• absence jakéhokoli odpadu nebo hluku v procesu výroby energie;
• autonomie;
• relativně levná údržba;
• progresivita;

Nevýhody této technologie jsou:

• vysoké náklady na samotné panely a seřizovací práce;
• nízké znečištění planety emisemi během výroby;
• drahé baterie;
• nízká účinnost panelů a v důsledku toho potřeba jejich velkého počtu.

Video: Výroba solární baterie vlastníma rukama

Hotové baterie se samozřejmě umisťují na nejslunnější stranu střechy. V tomto případě je nutné zajistit možnost nastavení sklonu panelů. Například během sněžení by měly být panely umístěny téměř svisle, jinak by vrstva sněhu mohla narušit provoz baterií nebo je dokonce poškodit.

Návrh a použití solárních kolektorů

Primitivní solární kolektor je černá kovová deska umístěná pod tenkou vrstvou průhledné kapaliny. Jak víme ze školního kurzu fyziky, tmavé objekty se zahřívají více než světlé. Tato kapalina se pohybuje pomocí čerpadla, ochlazuje desku a sama se zahřívá. Okruh s ohřátou kapalinou lze umístit do nádrže připojené ke zdroji studené vody. Ohřevem vody v nádrži se kapalina z kolektoru ochladí. A poté se vrátí zpět. Tento energetický systém tak umožňuje získat stálý zdroj teplé vody a v zimě i teplé topné baterie.

Existují tři typy kolektorů, které se liší svým designem

Dnes existují 3 typy takových zařízení:

Anténa

Sběrače vzduchu se skládají z tmavě zbarvených desek.

Vzduchové kolektory jsou černé desky pokryté sklem nebo průhledným plastem. Vzduch kolem těchto desek cirkuluje přirozeně nebo nuceně. Teplý vzduch se používá k vytápění místností v domě nebo k sušení prádla.

Výhodou je extrémní jednoduchost konstrukce a nízké náklady. Jedinou nevýhodou je použití nucené cirkulace vzduchu. Ale obejdete se i bez ní.

Tubulární

Výhodou takového kolektoru je jeho jednoduchost a spolehlivost.

Trubicové kolektory vypadají jako několik skleněných trubic seřazených v řadě, zevnitř potažených materiálem pohlcujícím světlo. Jsou spojeny do společného kolektoru a proudí jimi kapalina. Takové kolektory mají 2 způsoby přenosu přijímané energie: přímý a nepřímý. První metoda se používá v zimě. Druhá se používá celoročně. Existuje varianta s použitím vakuových trubic: jedna se vloží do druhé a mezi nimi se vytvoří vakuum.

Díky tomu jsou izolovány od okolního prostředí a lépe zachovávají přijaté teplo. Výhodami jsou jednoduchost a spolehlivost. Nevýhodami jsou vysoké náklady na instalaci.

Ploché

Aby kolektory fungovaly efektivněji, inženýři navrhli použití koncentrátorů.

Plochý kolektor je nejběžnějším typem. Sloužil jako příklad pro vysvětlení principu fungování těchto zařízení. Výhodou tohoto typu je jeho jednoduchost a nízké náklady ve srovnání s ostatními. Nevýhodou jsou značné tepelné ztráty, kterými ostatní podtypy netrpí.

Pro vylepšení stávajících solárních systémů navrhli inženýři použití něčeho jako zrcadla, nazývaných koncentrátory. Ty umožňují zvýšit teplotu vody ze standardních 120 na 200 °C. Tento typ kolektoru se nazývá koncentrační kolektor. Jedná se o jednu z nejdražších verzí, což je nepochybně nevýhodou.

Využití větrné energie

Pokud vítr dokáže hnát hejna mraků, proč nevyužít jeho energii k jiným užitečným věcem? Hledání odpovědi na tuto otázku vedlo inženýry k vytvoření větrného generátoru. Toto zařízení se obvykle skládá z:

• generátor;
• vysoká věž;
• lopatky, které se otáčejí, aby zachytily vítr;
• baterie;
• elektronické řídicí systémy.

Princip činnosti větrného generátoru je poměrně jednoduchý. Lopatky, otáčející se silným větrem, otáčejí převodovými hřídeli (běžně známými jako převodovka). Jsou připojeny ke generátoru střídavého proudu. Převodovka a generátor jsou umístěny v kolébce, neboli gondole. Může mít rotační mechanismus. Generátor je připojen k řídicí automatizaci a k napěťovému krokovému transformátoru. Za transformátorem je napětí, které se zvýšilo, přivedeno do celkového napájecího systému.

Větrné turbíny jsou vhodné do oblastí, kde neustále fouká vítr.

Vzhledem k tomu, že otázky vytváření větrných generátorů jsou studovány již poměrně dlouhou dobu, existují projekty nejrůznějších provedení těchto zařízení. Modely s horizontální osou otáčení zabírají poměrně dost místa, ale větrné generátory se vertikální osou otáčení jsou mnohem kompaktnější. Pro efektivní fungování zařízení je samozřejmě nutný poměrně silný vítr.

• žádné emise;
• autonomie;
• využití jednoho z obnovitelných zdrojů;

• potřeba neustálého větru;
• vysoká vyvolávací cena;
• rotační hluk a elektromagnetické záření;
• zabírají velké plochy.

Větrný generátor musí být umístěn co nejvýše, aby byl zajištěn jeho efektivní provoz. Modely s vertikální osou otáčení jsou kompaktnější než ty s horizontální rotací.

Voda jako zdroj energie

Nejznámějším způsobem využití vody k výrobě elektřiny jsou samozřejmě vodní elektrárny. Není to ale jediný způsob. Existuje také energie přílivu a odlivu a energie proudů. A teď po řadě.

Vodní elektrárna je přehrada, která má několik stavidel pro řízené vypouštění vody. Tato stavidla jsou spojena s lopatkami turbíny generátoru. Voda proudící pod tlakem ji roztáčí a tím vyrábí elektřinu.

• zaplavení pobřežních oblastí;
• snížení počtu obyvatel řek;
• hluk.

Budují se speciální stanice na využití vodní energie

Síla proudů

Tato metoda získávání energie je podobná větrným turbínám, s jediným rozdílem, že generátor s obrovskými lopatkami je umístěn napříč velkým mořským proudem. Například Golfským proudem. Je to ale velmi drahé a technicky náročné. Proto všechny velké projekty zatím zůstávají na papíře. Nicméně existují i malé, ale aktivní projekty demonstrující možnosti tohoto typu energie.

Přílivová energie

Elektrárna, která přeměňuje tento druh energie na elektřinu, je obrovská přehrada umístěná v mořském zálivu. Má otvory, kterými voda proniká na druhou stranu. Jsou potrubím propojeny s elektrickými generátory.

Přílivová elektrárna funguje takto: během přílivu stoupá hladina vody a vytváří tlak schopný otáčet hřídelí generátoru. Na konci přílivu se vstupy uzavřou a během odlivu, který nastává o 6 hodin později, se výstupy otevřou a proces se opakuje v opačném směru.

Výhody této metody:

• levná služba;
• turistická návnada.

• značné stavební náklady;
• poškození mořské fauny;
• Chyby v návrhu by mohly způsobit zaplavení okolních měst.

Aplikace bioplynu

Během anaerobního rozkladu organického odpadu se uvolňuje tzv. bioplyn. Výsledkem je směs plynů sestávající z metanu, oxidu uhličitého a sirovodíku. Generátor bioplynu se skládá z:

• uzavřená nádrž;
• šnek pro míchání organického odpadu;
• odbočné potrubí pro vykládku odpadního materiálu;
• hrdla pro plnění odpadu a vody;
• potrubí, kterým je výsledný plyn dodáván.

Nádrž na zpracování odpadu se často neinstaluje na povrchu, ale v tloušťce půdy. Aby se zabránilo úniku výsledného plynu, je zcela hermeticky uzavřena. Je třeba si uvědomit, že během procesu uvolňování bioplynu se tlak v nádrži neustále zvyšuje, takže plyn musí být z nádrže pravidelně odstraňován. Kromě bioplynu se zpracováním získává vynikající organické hnojivo, které je užitečné pro pěstování rostlin.

Pravidla pro konstrukci a provoz takového plynového generátoru podléhají zvýšeným bezpečnostním požadavkům, protože bioplyn je nebezpečný při vdechování a může explodovat. V řadě zemí světa, například v Číně, je však tento způsob získávání energie poměrně rozšířený.

Podobné zařízení pro získávání bioplynu může být drahé

Tento produkt pro recyklaci odpadu lze použít jako:

• suroviny pro tepelné elektrárny a kogenerační jednotky;
• náhrada zemního plynu v kamnech, hořácích a kotlích.

Silnou stránkou tohoto typu paliva je jeho obnovitelnost a dostupnost surovin ke zpracování, zejména v obcích. Tento typ paliva má také řadu nevýhod, jako například:

• emise ze spalování;
• nedokonalá výrobní technologie;
• Cena zařízení na výrobu bioplynu.

Konstrukce generátoru bioplynu je velmi jednoduchá, ale při jeho používání je třeba dbát určité opatrnosti, protože bioplyn je hořlavá látka, která je zdraví škodlivá.

Složení a množství bioplynu získaného z odpadu závisí na substrátu. Většina plynu se získává pomocí tuku, obilí, technického glycerinu, čerstvé trávy, siláže atd. Obvykle se do nádrže nakládá směs živočišného a rostlinného odpadu, ke které se přidává trochu vody. V létě se doporučuje zvýšit vlhkost hmoty na 94–96 % a v zimě stačí vlhkost 88–90 %. Voda přiváděná do nádrže na odpad by měla být ohřátá na 35–40 stupňů, jinak se procesy rozkladu zpomalí. Pro udržení tepla se na vnější stranu nádrže montuje vrstva tepelně izolačního materiálu.

Aplikace biopaliv (bioplynu)

Činnost tepelného čerpadla je založena na inverzním Carnotově principu. Jedná se o poměrně velké a poměrně složité zařízení, které shromažďuje nízkopotenciální tepelnou energii z okolí a přeměňuje ji na vysokopotenciální energii. Tepelná čerpadla se nejčastěji používají k vytápění místností. Zařízení se skládá z:

• vnější okruh s chladicí kapalinou;
• vnitřní okruh s chladicí kapalinou;
• výparník;
• kompresor;
• kondenzátor.

Systém také využívá freon. Vnější okruh tepelného čerpadla může absorbovat energii z různých médií: země, voda, vzduch. Náklady na jeho vytvoření závisí na typu čerpadla a jeho konfiguraci. Nejobtížněji uspořádatelné je čerpadlo typu „země-voda“, u kterého je vnější okruh vodorovně umístěn v tloušťce zeminy, protože to vyžaduje rozsáhlé výkopové práce. Pokud je v blízkosti domu rybník, má smysl vyrobit tepelné čerpadlo typu „voda-voda“. V tomto případě se vnější okruh jednoduše spustí do rybníka.

Tepelné čerpadlo přeměňuje nízkopotenciální energii ze země, vody nebo vzduchu na vysokopotenciální tepelnou energii, což umožňuje poměrně efektivně vytápět budovu.

Účinnost tepelného čerpadla nezávisí ani tak na tom, jak vysoká je okolní teplota, ale na její stálosti. Správně navržené a instalované tepelné čerpadlo dokáže v zimě zajistit dostatek tepla pro dům, a to i při velmi nízkých teplotách vody, země nebo vzduchu. V létě mohou tepelná čerpadla fungovat jako klimatizace a ochlazovat dům.

Pro použití takových čerpadel je nutné nejprve provést vrtné práce.

Mezi výhody těchto instalací patří:

• energetická účinnost;
• požární bezpečnost;
• multifunkčnost;
• dlouhodobý provoz až do první velké opravy.

Slabými stránkami takového systému jsou:

• vysoké počáteční náklady ve srovnání s jinými metodami vytápění budovy;
• požadavek na stav napájecí sítě;
• hlučnější než klasický plynový kotel;
• potřeba provádět vrtné operace.

Video: Jak fungují tepelná čerpadla

• Geotermální vytápění domu: klasifikace metod instalace
• Tepelné čerpadlo: typy provedení a nezávislé zařízení

Jak vidíte, k zajištění tepla a elektřiny ve vašem domě můžete využít solární energii, větrnou energii a vodu. Každá z metod má své výhody a nevýhody. Ze všech existujících možností však můžete použít metodu, která bude levná a efektivní.

Materiál aktualizován 30.01.2018