2.7. Водородная энергия

     Водородную  энергию предлагается использовать вместо бензина для автомобильных двигателей в виде жидкого водорода. Водород можно получать, разлагая воду электролитическим методом (кроме водорода получается еще и кислород). При сжигании водорода в двигателе он соединяется с кислородом атмосферного воздуха, и вновь образуется вода. Нигде не происходит никакого загрязнения среды, кроме узлов производства электроэнергии и ее передачи и преобразования.

     Более подробное рассмотрение показывает, что при сжигании водорода в воздухе  все же возникают токсичные окиси  азота. Чтобы избежать загрязнения  ими среды, вероятно, более правильным было бы заправлять автомобили также  и кислородом. Тогда при сгорании в камерах, не доступных атмосферному воздуху, действительно возникла бы чистая вода. Конечно, автомобиль с двумя баками, в одном из которых водород, а в другом - кислород, является взрывоопасным. Особые свойства водорода (наилегчайший, имеющий наибольшую теплоту сгорания и др.) открывают заманчивые перспективы его применения для экологически чистого получения энергии. И только трудности его получения, хранения, эксплуатации сдерживают развитие водородной энергетики. Тем не менее "водородная проблема" привлекает сейчас большое внимание специалистов во всем мире по многим причинам: первая - водорода на Земле много, вторая - он как топливо эффективен и экологически безупречен, третья - водород позволяет аккумулировать большие запасы энергии, четвертая,- перекачка водорода к месту сжигания и получения энергии в 10-15 раз дешевле, чем транспортировка электричества.

     Для торжества "водородной идеи" нужно  большое количество водорода. Один из возможных путей получения такого количества водорода -электролиз за счет энергии ветра, морских волн и Солнца. Этот способ поможет избежать перегрева Земли, поскольку при сжигании водорода выделится энергия, которая все равно поступила бы на Землю, но была израсходована на получение водорода. Легкодоступные большие количества дешевого водорода и кислорода способствовали бы поискам и внедрению новых эффективных технологических процессов, в том числе и в деятельности, направленной на восстановление и улучшение окружающей среды. Например, можно было бы локально и в нужное время регулировать содержание кислорода в воздухе и водоемах.

2.8 Тепловой насос

     Тепловой  насос - альтернатива газовому отоплению. Одним из вариантов замены газа при отоплении домов является использование тепла, которое имеется на нашей планете. Солнце - самый мощный источник энергии на Земле. Оно нагревает воздух, воду, земную поверхность и глубины. И до 60% отопительной энергии можно получить бесплатно от природы. Учеными был создан тепловой насос, который и извлекает эту накопленную солнечную энергию. Используя тепло, рассеянное в окружающей среде (в земле, воде, воздухе), тепловой насос обладает поразительной эффективностью: затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4, а часто и до 5-6 кВт тепловой энергии, срок службы до капремонта теплонасоса - 15-20 лет.

     Что же такое теплонасосы? Тепловые насосы - это экологически чистые компактные соле/водяные установки, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования тепла низкопотенциального источника (тепло грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунтовое тепло, тепло земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

     Теплонасосы оснащены циркуляционными насосами - как для контура рабочей жидкости, так и для водяного контура системы отопления. Для обеспечения оптимальной выработки тепла теплонасосы укомплектованы автоматизированной системой управления - при помощи датчиков температура в отопительной системе подстраивается под изменения наружной температуры.

     Рассмотрим, как же работает тепловой насос:

• Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.
• Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.
• Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается.
• Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.
• При прохождении хладагента через редукционный клапан - давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова [2].

Тепловые  насосы используются в холодное время  года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему. В данном случае принцип работы теплового насоса практически полностью совпадает с принципом работы холодильника. В общем, тепловой насос - это просто другое название холодильника, который представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его во внутрь дома, то можно таким нехитрым способом обогревать помещение.  

     Тепловой  насос совместим с практически любой циркуляционной теплопроводной отопительной системой. Для отапливания помещения, размером 100 кв.м., необходимо приобрести оборудование на сумму, примерно, 4-5 тыс. евро. Установка такого котла рассчитывается индивидуально, в зависимости от источника получения тепла. Принцип действия теплового насоса представлен на рисунке 3.   

     Из  чего могут получать тепло тепловые насосы? Вариантов несколько:

• Земные недра являются бесплатным теплоисточником, поддерживающим одинаковую температуру круглый год. Использование тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией;

     Буровые работы проходят в течении одного дня. В зависимости от различных факторов скважина должна быть где-то в пределах 60-200 м. в глубину. Ее ширина 10-15 см. Установка может быть внедрена на участке земли малой площади. Объем восстановительных работ после бурения незначителен, влияние скважины- минимально. Установка не оказывает влияния на уровень грунтовых вод, так как грунтовые воды не задействованы в процессе. Благодаря теплу, которое содержится в земле, эффективность такого насоса получается довольно высокой. Примерные цифры таковы, что затрачивая 1кВт электрической энергии на перемещение жидкости в грунт и обратно, Вы получаете 4-6 кВт энергии на отопление. Уровень капиталовложений достаточно высок в установку на базе тепла земных недр, но взамен Вы получаете безопасную в эксплуатации, с максимально длительным сроком службы систему с достаточно высоким коэффициентом преобразования тепла. Принцип действия такого теплового насоса представлен на рисунке 4.

• Тепло грунта.

     Грунтовый источник - близрасположенное тепло. В поверхностном слое земли накапливается тепло в течение лета, эту энергию также имеет смысл использовать для отопления. Принцип действия указан на рис. 5. Сохраненное в почве тепло согреет Вас даже в холодную погоду. Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга, который укладывается по периметру участка на глубине 1 м. Желательно, чтобы почва была влажной. Но и сухой грунт не доставит больших проблем, придется увеличить длину контура. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами должно быть около 1 м.  
 
 
 

     Рисунок 3 – Принцип действия теплового насоса 
 
 
 
 

     Рисунок 4 – Принцип действия теплового насоса при использовании энергии земных недр 
 
 
 
 
 

     Рисунок 5 – Получение энергии при использовании тепла грунта

Экологически чистая, морозоустойчивая жидкость, циркулирующая в системе, переносит тепло к теплонасосу. Для получение 10кВт на отопление придется уложить 350-450 погонных метра трубопровода. Это примерно займет участок 20х20 метров. Длина коллектора/высота водного столба (для теплонасоса с источником тепла "земные недра") зависит от многих факторов:

• среднегодовой региональной температуры, степени покрытия теплонасосом общих энергорасходов, глубины залегания грунтовых вод и величины водного потока.
• Водные источники тепла. Использование тепла воды для обогрева помещений является идеальным вариантом.

     Шланг для передачи тепла укладывается на дне или в донном грунте, где  температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы  шланг снабжался отягощающим грузом для предотвращения всплытия на поверхность. Для этого на 1 погонный метр трубопровода укладывается около 5 кг груза. Вторым вариантом может быть укладка шланга в грунт на дне водоема.

     Для получения 10кВт на отопление придется уложить по дну 300 погонных метров трубопровода. Солнце нагревает воду в морях, озерах и других водных источниках. Солнечная энергия накапливается в воде и донных слоях. Температура редко снижается ниже +4 °C. Чем ближе у поверхности, тем больше годовые колебания температуры, но на глубине температура более стабильна.  

     Рисунок 6 – Получение энергии из грунтовых вод 
 
 
 

3. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА АЛЬТЕРНАТИВНОЙ  ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

     Преобразование  энергии в солнечных элементах (ФЭП) основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. На данной странице мы не ставим себе целью вдаваться в физику этого непростого явления, поэтому вкратце опишем практическую сторону дела.

     Использовать  энергию солнечных элементов можно также как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Но в отличии от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света. Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. Кроме того отклонения в технологических режимах влекут за собой разброс выходных параметров элементов одной партии. Следовательно, желание обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей приводит к необходимости сортировки элементов по выходному току. В качестве наглядного примера “вшивой овцы портящей все стадо” можно привести следующий: в разрыв водопроводной трубы большого диаметра врезать участок трубы с гораздо меньшим диаметром, в результате водоток резко сократится. Нечто аналогичное происходит и в цепочке из неоднородных по выходным параметрам солнечных элементов. Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ) [3]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 7 – Вольт-амперная характеристика кремневой солнечной батареи 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0.6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. По иному обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.

     Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит  элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший. Нагружая элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, получив нечто подобное изображенному на рис.7

     Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников. Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.