Альтернативна енергетика цікавить все більшу кількість великих умів. Я не виняток. 🙂
Все почалося з простого питання: "А чи можна безколекторний двигун перетворити в генератор?"
-Можна, можливо. А навіщо?
-Зробити вітрогенератор.
Вітряк для вироблення електроенергії - не зовсім зручне рішення. Мінлива сила вітру, зарядні пристрої, акумулятори, інвертори, багато не копійчаного устаткування. У спрощеній схемі вітряк на «відмінно» справляється з підігрівом води. Бо навантаження - тен, а він абсолютно не вимогливий до параметрів подається на нього електроенергії. Можна позбутися від складної дорогої електроніки. Але розрахунки показали значні витрати на конструкцію, щоб розкрутити генератор 500 Ватт.
Потужність, яку несе в собі вітер, розраховується за формулою P = 0,6 * S * V 3. де:
P - потужність, Ватт
S - площа, м 2
V - швидкість вітру, м / с
Вітер, що дме на 1 м2 зі швидкістю 2 м / с «несе» в собі енергію 4,8 Ватт. Якщо швидкість вітру збільшиться до 10 м / с, то потужність зросте до 600 Ватт. У найкращих вітрогенераторів ККД 40-45%. З огляду на це для генератора потужністю 500 Ватт при вітрі, скажімо 5 м / с. Буде потрібно площа, ометаєма гвинтом вітрогенератора, близько 12 кв.м. Що відповідає гвинта діаметром майже 4 метри! Багато грошей - мало толку. Додати сюди необхідність отримання дозволу (обмеження по гучності). До речі, в деяких країнах установку вітряка потрібно узгоджувати навіть з орнітологами.
Але тут я згадали про Сонечку! Воно нам дарує дуже багато енергії. Про це я вперше задумався після польоту над замерзлим водосховищем. Коли побачив масу льоду товщиною більше метра і розмірами 15 на 50 кілометрів, я подумав: "Це ж скільки льоду! Скільки його треба гріти, щоб розплавити !? "І все це зробить Сонце за півтора десятка днів. У довідниках можна знайти щільність енергії, яка досягає поверхні землі. Цифра близько 1 кіловат на метр квадратний звучить заманливо. Але це на екваторі в ясний день. Наскільки реально утилізувати сонячну енергію для господарських потреб в наших широтах (центральна частина України), використовуючи доступні матеріали?
Яку реальну потужність, з урахуванням всіх втрат, можна отримати з оного квадратного метра?
Для з'ясування цього питання я зробив перший параболічний теплової концентратор з картону (фокус в чаші параболи). Викрійку з секторів обклеїв звичайної харчової фольгою. Зрозуміло, що якість поверхні, так і відображають здатності фольги, дуже далекі від ідеалу.
Але завдання стояло саме "колгоспними" методами нагріти певний обсяг води, щоб з'ясувати яку потужність можна отримати з урахуванням всіх втрат. Викрійку можна розрахувати за допомогою файлу Exel ParabAnt-v2.rar який я знайшов на просторах інтернету у любителів самостійно будувати параболічні антени.
Знаючи обсяг води, її теплоємність, початкову і кінцеву температуру можна розрахувати кількість тепла, витраченого на її нагрівання. А, знаючи час нагрівання, можна обчислити потужність. Знаючи габарити концентратора, можна визначити яку практичну потужність можна отримати з одного квадратного метра поверхні, на яку падає сонячне світло.
Як обсягу для води була взята половинка алюмінієвої банки, пофарбована зовні в чорний колір.
Ємність з водою поміщається в фокус параболічного сонячного концентратора. Сонячний концентратор орієнтується на Сонце.
експеримент №1
проводився близько 7 години ранку в кінці травня. Ранок - далеко не ідеальний час, але як раз вранці у вікно моєї "лабораторії" світить Сонце.
При діаметрі параболи 0.31 м розрахунки показали, що була отримана потужність порядку 13,3 Ватт. Тобто як мінімум 177 Ватт / м.кв. Тут слід зазначити, що кругла відкрита банку далеко не найкращий варіант для отримання хорошого результату. Частина енергії йде на нагрів самої банки, частина випромінюється в навколишнє середовище, в тому числі несеться потоками повітря. Загалом, навіть в таких далеких від ідеалу умовах можна хоч щось отримати.
експеримент №2
Для другого експерименту була зроблена парабола діаметром 0.6 м. В якості її дзеркала використовувався металізований скотч, куплений в будівельному магазині. Його відображають якості незначно краще алюмінієвої харчової фольги.
Парабола мала більшу фокусну відстань (фокус за межами чаші параболи).
експеримент №3
Зрозумівши, що гідний результат можна отримати, зробивши правильний теплоприемник, була виготовлена наступна конструкція: банку з жерсті всередині пофарбована в чорний колір має патрубки для підведення і відведення води. Герметично закрита прозорим подвійним склом. Термоізольованого.
Загальна схема така:
Нагрівання відбувається наступним чином: промені від сонячного концентратора (1) через скло проникають всередину банки теплоприемника (2), де, потрапляючи на чорну поверхню, нагрівають її. Вода, стикаючись з поверхнею банки, поглинає тепло. Скло погано пропускає інфрачервоне (теплове) випромінювання, тому втрати на випромінювання тепла мінімізовані. Оскільки з часом скло прогрівається теплою водою, і починає випромінювати тепло, було застосовано подвійне скління. Ідеальний варіант, якщо між стеклами буде вакуум, але це важкодоступна завдання в домашніх умовах. Зі зворотного боку банку теплоізольована пінопластом, що також обмежує випромінювання теплової енергії в навколишнє середовище.
Теплоприемник (2) за допомогою трубок (4,5) підключається до бачка (3) (в моєму випадку пластикова пляшка). Дно бачка знаходиться на 0.3м вище нагрівача. Така конструкція забезпечує конвекцію (самоциркуляцією) води в системі.
Тобто ефективність системи покращилася більш, ніж в 3 рази тільки за рахунок оптимізації конструкції теплоприемника!
При проведенні експериментів 1,2,3 націлювання параболи на сонці робилося вручну, «наглазок». Парабола і нагрівальні елементи утримувалися руками. Тобто нагрівач не завжди був у фокусі параболи, оскільки руки людини втомлюються і починають шукати більш зручне положення, яке не завжди правильне з технічної точки зору.
Як ви могли помітити, з мого боку було докладено зусиль для забезпечення огидних умов для проведення експерименту. Далеко не ідеальні умови, а саме:
- не ідеальна поверхня концентраторів
- неідеальні відображають властивості поверхонь концентраторів
- не ідеальна орієнтування на сонці
- не ідеальна положення нагрівача
- не ідеальна час для експерименту (ранок)
не змогли перешкодити отримати цілком прийнятний результат для установки з підручних матеріалів.
експеримент №4
Далі нагрівальний елемент був закріплений нерухомо щодо сонячного концентратора. Це дозволило підняти потужність до 118 Ватт. що відповідає приблизно 419 Ватт / м.кв. І це в ранкові години! З 7 до 8 ранку!
Існують і інші методи нагріву води, за допомогою Сонячних колекторів. Колектори з вакуумними трубками дороги, а плоскі мають великі температурні втрати в холодну пору року. Застосування сонячних концентраторів може вирішити ці проблеми, однак вимагає реалізації механізму орієнтування на Сонце. У кожному способі є як переваги, так і недоліки.
Одне з питань, яке необхідно вирішити на шляху практичного застосування сонячних концентраторів - це зниження його парусність. Тобто концентратор повинен протистояти вітрових навантажень. Для зниження парусності можна використовувати концентратори, зібрані з окремих сегментів. Такі дзеркальні концентратори можуть бути досить плоскими, в порівнянні з чашею параболи, а "дірчаста" структура знижує їх парусність.
P.S. Сонячна енергія - це ресурс, який ще довгий час буде залишатися безкоштовним для всіх жителів планети. І зараз кожен бажаючий може вільно отримувати її для своїх цілей. Без вжиття дорогих технологій, а використовуючи лише доступні будь-якій людині матеріали. Що і підтвердили вищеописані експерименти.