Альтернативная энергия из водосточной трубы
В популярной технической литературе часто можно встретить довольно неожиданные проекты, связанные с решением той или иной технической задачи с помощью оригинального, нешаблонного подхода. Многие из этих проектов связаны с получением электрической энергии из нестандартных источников. Об одном из них рассказывается в этой статье.
Безусловно, всем, хотя бы в общих чертах, известно, что такое потенциальная энергия. Такой энергией может обладать, в частности, некая физическая масса, поднятая на некоторый уровень от земли. Обладает ею и вода, выпадающая на землю в виде дождя. Можно ли использовать такую энергию? Попробуем сделать несложный расчет.
Объем выпадающей в виде осадков в единицу времени на определенной площади воды можно произвести по формулам:
где V - объем выпавших осадков, q20- интенсивность осадков, выпавших на одном гектаре согласно СНиП 2.04.03-85 (л/сек), s - площадь участка (м. кв.), Т - время, для которого производится расчет (сек), k - коэффициент преобразования (необходимый для пересчета), Q- интенсивность осадков (mm / мин).
Воспользуемся первой из них: для европейской части территории России примем среднюю интенсивность осадков равной 80 литрам в секунду, площадь, на которой выпадает дождь, и энергию которого мы хотим использовать, равной 50 кв.м. и промежуток времени одну секунду. Подставив эти значения в формулу, мы получим:
Таким образом, количество воды, выпадающей на площади 50 кв.м. в течение 1 сек равно четыремстам граммам. Казалось бы - немного. Но так ли это?
Предположим, что площадь, для которой был сделан расчет - это часть двускатной крыши одноэтажного дома с высотой карниза над уровнем земли 3,5 м. Тогда потенциальная энергия скапливающейся в течение 1 сек на этом участке крыши воды, будет:
То есть, потенциально эта вода имеет запас энергии около 14 Джоулей. Уже неплохо! Преобразовав эту энергию из потенциальной в кинетическую энергию падающей воды, а ее, в свою очередь, в электрическую энергию (именно так работают генераторы гидроэлектростанций), можно было бы такую энергию использовать.
Для преобразования используем генератор, выпускаемый в качестве велосипедного электрооборудования в виде колесной втулки (рис. 1).
Такие генераторы хороши тем, что уже при очень низких скоростях вращения (1,5…2 об/сек) на их выходе можно получить значительное электрическое напряжение.
На основе этой динамо-втулки необходимо изготовить турбинку. Для этого следует удалить верхнюю деку, а к корпусу втулки при помощи точечной электросварки аккуратно приварить 6-8 лопаток с углом атаки около 30…35 градусов.
При наличии крыльчатки подходящего размера, например, от вытяжного вентилятора, можно использовать и ее.
Учитывая диаметр самой втулки, минимальный диаметр водосточной трубы должен быть не менее 100 мм, в остальных случаях размеры лопаток следует выбирать таким образом, чтобы диаметр турбинки оказался на 1..2 мм меньше внутреннего диаметра трубы.
Итак, если опустившись до уровня земли в течение секунды объем воды 0,4 литра совершит работу по приведении во вращение миниэлектрогенератора и учесть, что 1 Вт механической мощности эквивалентен 1 Вт электрической, можно было бы получить источник мощностью 13,72 Вт.
Изготавливаемые промышленностью гидроэлектрогенераторы имеют К. П. Д. около 90…96%.
В нашем случае мы обходимся без точных гидродинамических расчетов лопастей турбины, поэтому этот показатель необходимо снизить до 45… 48%.
Следовательно
Полученное нами значение в 2 раза превосходит выходную мощность, на которую рассчитана эта динамо-втулка при установке на велосипед - двойной запас по мощности!
Разумеется, этого явно не хватит для освещения дома, но следует помнить, что, например, современная велосипедная фара потребляет всего около 3 Вт, а для зарядки мобильника хватит и десятой части этой мощности, а значит в аварийной ситуации можно не рисковать остаться совсем без энергии. Кроме того, подключив к подобному генератору аккумуляторный блок с зарядным устройством, можно накапливать таким образом электрическую энергию и использовать ее для автономного питания устройств с небольшим потребляемым током.
Стоимость изготовления такой миниэлектростанции на 90% зависит от стоимости динамо-втулки, которая находится в пределах 500-800 рублей и является вполне приемлемой при необходимости обеспечить бесперебойное автономное питание таких устройств, как, например, охранные сигнализации.
Продолжение.
В предыдущем материале была показана принципиальная возможность постройки генератора, использующего для получения электроэнергии дождевую воду. При этом целесообразно было бы накапливать получаемую во время дождя энергию, чтобы равномерно использовать ее при его отсутствии. Для этой цели отлично подходят наиболее распространенные так называемые "пальчиковые" и "мизинчиковые" аккумуляторы типоразмеров AA и AAA - никель-кадмиевые и никель-металлгидридные (NiCd и NiMH) или литиевые (Li-ion) батареи.
Рис.1 Типоразмеры аккумуляторных элементов: 1 - AAA; 2 - AA Особой разницы в том, какой тип использовать, нет. Следует только иметь в виду, что NiMH-аккумуляторы имеют больший ресурс и в два раза слабее "эффект памяти", чем NiCd источники, но и стоят дороже. Li-ion-элементы, в свою очередь, на 20-30% дороже предыдущих, зато освобождены от их недостатков, и, что особенно важно, имеют на порядок меньшую величину саморазряда.
При выходном напряжении генератора 6 V следует последовательно соединить 4 элемента, подключив их к генератору через диод для предотвращения обратного разряда батареи (GB1).
Рис. 2 Подключение генераторов к системе питания
(G (Solar)-солнечная батарея, G - гидрогенератор;
ST-стабилизатор напряжения) Для увеличения емкости можно параллельно включить одну или несколько подобных батарей (GB1 и GB2). В режиме непрерывного подзаряда оптимальное значение зарядного тока выбирается равным 0,1 от номинала и при емкости 2000 mAh к генератору мощностью 6 Вт одновременно можно подключить до пяти батарей:
При отсутствии нагрузки и в отсутствие подзаряда (например, при сухой погоде), такие батареи в течение месяца способны сохранить до 90 % энергии, полученной ими при первоначальном заряде.
Как уже говорилось ранее, работать с таким генератором могут устройства, потребляющие относительно небольшую мощность. К нему можно подключить аварийное освещение или автоматическую осветительную лампу с датчиком движения. Такие лампы на 6-ти светодиодах дают достаточно яркий свет и потребляют всего 120 mA или 0,7 Вт мощности, т.е. имеется возможность подключения до 8 ламп. Другим видом нагрузки могут служить зарядные устройства мобильных и GPS устройств. Также, можно автономно подключить камеры инфракрасного наблюдения охранных систем типа Germikom или AVIR, потребляемая мощность которых находится в пределах 1,2…2,5 Вт. Сами же охранные системы имеют еще меньшую мощность - например, радиоволновые охранные извещатели для охраны периметра объектов с выдачей тревожного извещения по радиоканалу "Луч-М" и "Луч-МИ" потребляют 0,48 Вт. Такие извещатели имеют широкий диапазон напряжений питания (6…35 V) и вполне могут быть подключены к используемому генератору.
При использовании пяти батарей, состоящих из 4-х источников Li-ion емкостью 2000 mA каждая, суммарная емкость окажется равной 10 Ah, и при полном заряде ее хватит на 125 часов беспрерывной работы таких охранных систем (более 5 суток):
Наконец, имея в наличии преобразователь на напряжение 220 В, можно в течение 2…3 часов пользоваться ноутбуком.
Разумеется, необходимо регулярно возобновлять израсходованный запас энергии, т. е. обеспечить периодическую подзарядку аккумуляторов. Однако, особенно в летнее время, существуют периоды, когда дожди редки и непостоянны. Выходом из этой ситуации может послужить использование еще одного источника энергии - солнечных батарей.
Солнечные элементы - дополнительная энергия
В настоящее время современные технологии позволяют получать энергию солнца не только в солнечный, но даже в сильно пасмурный день. Включив солнечную батарею в систему энергопитания, которые будут питать нагрузку и одновременно подзаряжать аккумуляторную батарею, можно значительно повысить резервы мощности всей системы в целом при временном бездействии водяного электрогенератора. Наиболее приемлемыми для рассматриваемых условий являются гибкие солнечные фотоэлементы (SunCharger) и жесткие солнечные батареи, имеющие кристаллическую структуру (AcmePower).
Рис.3 1 - кристаллическая солнечная батарея; 2 - батарея на гибких фотоэлементах
Сравнительные характеристики вырабатываемой ими электрической энергии при различных условиях работы приведены ниже.
Как следует из таблицы, даже в тени такие батареи дают достаточно мощности для упомянутых охранных извещателей "Луч". На солнце же получаемая от них энергия примерно равна энергии, вырабатываемой гидрогенератором, а при правильной ориентации может быть даже выше. Подсоединяется солнечная батарея (см. рис. 2) аналогично генератору - через диод во избежание разряда аккумуляторов через нее ночью при отсутствии солнца.
Следует иметь в виду, что используемые здесь солнечные батареи выходной мощностью 6-8 Вт, являясь значительным резервом энергии в системе автономного питания, стоят достаточно дорого - 3100 рублей для кристаллических батарей (более дешевых, но хрупких) и порядка 6000 рублей для гибких фотоэлементов.
