Energia Sustentável

A energia para as nossas casas é provida atualmente por combustíveis poluentes explorados por grandes corporações que requisitam nossa herança comum, para nos vendê-la em troca de mais dinheiro que nós ganhamos com o nosso trabalho. Trocando por fontes de energia imediata e sustentável preservaremos o planeta para as nossas crianças e ajudaremos a vitória de nossa liberdade da escravidão corporativa.

Necessidades de Energia para uma Casa

Nós medimos energia em joules. É a mesma unidade usada para a energia do calor, como para a energia elétrica, como para a energia mecânica, como para todos os tipos de energia. Um joule é um watt-segundo. Há 3.600 watt-segundos num watt-hora, e 3.600.000 watt-segundos (3,6 megajoules) num kilowatt-hora.

Meu agregado familiar consome energia nas duas formas:
eh = energia térmica para aquecer salas e a água
ee = energia elétrica para luz e dispositivos elétricos

Minha primeira tarefa neste projeto pessoal é medir as quantidades precisas de energias térmica e elétrica que o meu agregado familiar consome na nossa casa; em outras palavras, é descobrir nossas necessidades de energia.

Nossa energia caseira é provida, atualmente, pelas redes públicas nacionais da rua. Minha procura é descobrir como esta energia pode ser provida diretamente e de modo sustentável da natureza, independentemente dos serviços públicos.

Fontes Sustentáveis

Sistemas como flutuações ancoradas em extrair energia das ondas do oceano não são fáceis de usar numa escala pequena. Nem todos vivem perto do oceano. Força da água - uma roda de água ou uma turbina num córrego de fluxo rápido, empurrando um gerador elétrico - não é também muito usado pela maioria das pessoas, que não têm um córrego de montanha fluindo por seus jardins. Métodos eletrolíticos - fazendo solo úmido comportar-se como uma pilha elétrica - provê só uma quantidade pequena de eletricidade e apenas onde o solo é úmido e de grande acidez. Energia geotermal - calor natural de baixo da terra - é disponível universalmente, mas envolve um custo, praticidade e questões legais para furar um buraco muito fundo na terra. Células de combustível fuel cells numa pequena escala são desenvolvidas, mas atualmente são até excessivamente dispendiosas para usar na casa e deveriam ser desenvolvidas para usar combustíveis sustentáveis.

Apesar da força do vento ser simples e fácil, muitas pessoas acham as hélices para vento irritantes e feias. Conseqüentemente, autorização de planejamento é difícil obter para um gerador de vento de tamanho capaz de prover de eletricidade suficiente para uma casa. Porém, um gerador por vento capaz de prover um máximo de 250 watts pode ser erigido sem autorização na maior parte das localidades. Isto pode ser muito útil como um suplemento para outras fontes de energia para uma casa, tal como um leque de células solares em meados do inverno. Há, não obstante, um outro modo que dá muito menos na vista, para capturar a energia do vento.

Isto deixa apenas as seguintes fontes sustantáveis de energia que são ambas universais e úteis para usar na casa:

Há, naturalmente, outras fontes de energia que, atualmente, ainda estão no estágio de especulação científica. Estas estão baseadas nos fenômenos exóticos tais como fusão frio (cold fusion) e a energia de ponto zero (zero-point energy) que se pensa ser um tecido dentro do tecido universal do espaço-tempo.

Sistemas Úteis

Sistemas que convertem essas fontes de energia em eletricidade que usualmente produzem calor também como um derivado. Mas, como precisamos de calor também, é bom usar este calor para aquecer a casa ou para prover de água quente. O processo de fazer uso do calor que seja de outra maneira inútil na geração de eletricidade chama-se co-geração. Até agora, eu considerei somente os seguintes sistemas de co-geração:

Eu provi também um programa de JavaScript interativo para calcular o tamanho das pilhas de reserva necessárias para compensar as flutuações na procura e na oferta de eletricidade para a casa.

Minha tentativa de integrar estas fontes dentro de um sistema unificado útil de co-geração é mostrado abaixo. O pequeno gerador por vento é um pensamento melhor que, espero, tenderá a compensar a produção reduzida do leque FV nos dias enublados e no inverno.

O leque FV é enfriado por água no inverno por um sistema de temperatura-baixa para aquecer a casa, que é mudado dentro de um lago para refrigeração no verão. Mantendo-se fresco faz o leque FV mais eficiente e co-gera calor para manter a casa aquecida no inverno. Um sistema de temperatura-baixa para aquecer a casa provê uma redução de calor mais eficiente para a máquina Sterling e o leque FV. Um sistema de temperatura-baixa para aquecer a casa tem radiadores muito grandes que operam somente a 40 por 45°C. Esses radiadores são usualmente construídos na parte das unidades da parede. Num país tropical, esses radiatores operam de modo contrário a 15 por 20°C, para aquecer a casa, circulando a água por um lago pequeno.

Meu leque FV não gera suficiente eletricidade em meados do inverno, mas gera muito mais que o necessário durante o verão. Mas o excesso no verão não pode ser posto em estoque para usar no inverno. Uma pilha de tamanho suficiente poderia ficar distante além da possibilidade para uma casa. Todavia, o grande excesso de eletricidade do verão pode ser posto para bom uso no corte da madeira para o inverno. Há, também, uma abundância de eletricidade para a maquinaria da fazenda, para a época em que é necessário ser mais usado.

Requisitos de Energia

Nós medimos energia em joules. É a mesma unidade para energia de calor, como para energia elétrica, como para energia mecânica, como para todos os tipos de energia. Um joule é um watt-segundo. Há 3.600 watt-segundos num watt-hora e 3.600.000 watt-segundos (3,6 megajoules) num kilowatt-hora.

Meu agregado familiar consome energia nas duas formas:
eh = energia termal para aquecer salas e àgua
ee = energia elétrica para luz e dispositivos elétricos

A seguinte tabulação mostra o consumo de energia anual da minha casa pequena de subúrbio. Por favor, digite suas quantidades na coluna para kilowatt-horas por ano e então clique numa das outras colunas. Minha função de JavaScript calculará e mostrará as quantidades em megajoules e watts por ano para cálculos futuros nesta e em outras páginas.

Energia
por Ano
Energia
por Ano
Força
Média
Aquecimento: eh kWh Mj watts
Eletricidade: ee kWh Mj watts
kWh = kilowatt-horas, Mj = megajoules

Nós cozinhamos utilizando eletricidade. A energia do calor aquece a casa e provê de água quente. A quantidade mostrada inclui, também, a quantidade que se perde no exterior da casa via produtos da combustão - em outras palavras o que vai 'para cima na chaminé', que, no meu caso, é um cano para gas balanceado. Eu espero que uma lareira moderna que queima madeira seja de eficiência semelhante à eficiência do meu aquecedor a gás. Nós devemos considerar, também, o benefício psicológico das chamas dançantes de um fogo de toras numa lareira aberta, para as noites escuras do inverno.

Esta quantidade de energia termal provê-nos com uma temperatura tolerável, mas não realmente confortável. Com melhor desenho e materiais mais apropriados, uma casa do mesmo tamanho poderá ser feita para prover um meio ambiente muito confortável com o mesmo consumo de energia.

Variação Sazonal

Quantidades anuais são boas para fontes de energia que reservam quantidades grandes de energia nas formas compactas, como por exemplo: a madeira e oléo de semente de "rape" (olha ao direito). Mas a disponibilidade de energia do sol e do vento varia de acordo com a época do ano. Por essa razão, é muito útil saber como a sua oferta e procura de calor e de eletricidade variam a cada mês durante todo o ano.

A seguinte tabulação mostra o consumo de energia da minha casa pequena de subúrbio em cada mês Por favor, digite suas quantidades na coluna para kilowatt-horas por mês, então clique numa das outras colunas. Minha função de JavaScript calculará e mostrará as quantidades em megajoules e watts por ano para cálculos futuros nesta e em outras páginas.

Aquecimento Eletricidade
kWh Mj watts kWh Mj watts
janeiro31
fevereiro28
março31
abril30
maio31
junho30
julho31
agosto31
setembro30
outubro31
novembro30
dezembro31
Totais Anuais

As quantidades anteriormente escritas nas tabulações são postadas automaticamente para outras tabulações neste 'HTML armação-grupo' para calcular as dimensões dos vários sistemas de conversão de energia.

Energia do Sol

Células fotovoltaicas transformam a luz do sol diretamente em eletricidade. Elas usam luz (não calor) na extensão do comprimentos da onda de 0.6 por 0.3 µm. Isto corresponde à oitava parte do espectro eletromagnético como o usado pelo olho humano. Então, se o dia está luminoso, você saberá que o leque fotovoltaico está poduzindo muita eletricidade.

Dados sobre a quantidade do fluxo solar na sua localidade está disponível de uma fonte de dados provido pela organização americana Sandia. O mesmo website provê também dados em escala de um sistema fotovoltaico proporcional ao tamanho da sua casa.

Células fotovoltaicas não são muito eficientes. A quantidade que falta na primeira coluna do quadro abaixo é a porcentagem da energia solar que uma célula fotovoltaica típica transforma em energia elétrica. A quantidade falta na columa abaixo é a porcentagem típico da energia solar que é capaz de ser recobrado de um leque fotovoltaic via uma sistema refrescante água-bombeado funcionando os um co-gerador de calor.

Eficiência de converção elétrico de células FV, ej: %
Eficiência ternal de leque FV sistema refrescante, hj: %

A quantidade de energia elétrica de um leque de células fotovoltaicas corresponde a sua área ativa. Células fotovoltaicas individuais são freqüentemente circulares. Círculos não capazes de formar mosaicos. Quando você põe círculos em contato uns com outros numa superfície plana, haverá espaço inútil no meio. A área total do seu leque é sempre, em conseqüência, mais que sua área ativa, quanto mais depende do padrão em que você arranja as células circulares. Se as células são organizadas num padrão quadrado, a área total do leque é 1.273239544735 da sua área ativa. Se as células são organizadas num padrão hexagonal, sua área total é só 1.102657790844 da sua área ativa. O padrão hexagonal tem um fio em ziguezague em cada borda, mas é o melhor modo de empacotar células círculares numa superficie plana.

Altere a quantidade que falta na área ativa do seu leque fotovoltaico na tabulação seguinte. O total aproximado da área do leque será colocado automaticamente pela caixa abaixo. Presume-se que as células são arranjadas mais eficientemente no padrão hexagonal.

Área ativa do leque fotovoltaic, pa:
Área total aproximada do leque fotovoltaic, A:

As quantidades de default de radiação solar si na tabulação seguinte são adaptadas de Mapas Mensais do Diário Médio de Radiação Solar dos Laboratórios Nacionais de Energia Renovável dos Estados Unidos de América. si é a energia solar em kilowatt-horas por metro quadrado por dia que é absorvido por um colecionador plano que é voltado para o equador e inclinado no ângulo da latitude + 15°. Este ângulo maximiza a produção no inverno. Estas quantidades são do extremo noroeste do estado de Washington. Isto é muito distante de onde eu moro, mas eu não pude achar nenhum dado para o Reino Unido.

As necessidades de electricidade e aquecimento ed e hd são dados referentes a minha própria casa. A quantidade hd inclui energia para aquecimento da água.

se = energia solar total que entra no leque FV em Mj por dia.
eo = elétricidade total que sai do leque fotovoltaico em Mj por dia.
ep = fração de ed que é provido pelo leque fotovoltaico.
ho = aquecimento caseiro fornecido pelo sistema de resfriamento do leque FV em Mj por dia.
hp = fração de hd que é provido pelo sistema de refriamento do leque FV.

Diário si se eo ed ep ho hd hp bateria
Energia kwh/m² Mj Mj Mj eo/ed Mj Mj ho/hd hours
jan31
fev28
mar31
abr30
mai31
jun30
jul31
ago31
set30
out31
nov30
dez31

A coluna 'bateria' mostra a quantidade de horas que sua bateria proverá. Se você alterou as quantidades na página deste projeto sobre Baterias, suas novas quantidades serão as quantidades usadas para calcular as quantidades na columa 'bateria' da tabulação acima.

Por favor, digite suas quantidades para a radiação solar diária para cada mês na coluna si, referente a localidade que você mora. Um programa em JavaScript preencherá depois o restante da tabulação si das quantidades que você digitou e dos dados que você digitou nas outras tabulações desta página e em outras seções deste projeto.

Você pode achar as quantidades de radiação solar para áreas particulares dos Estados Unidos no Solstice Web Site. Eles provêm também muitos links para 'web sites' sobre a tecnologia fotovoltaica e de aquecimento solar.

Gerador de Vento Moderado

O gerador de vento moderado faz uso de redemoinho induzido que ocorre quando um vento forte ou uma brisa do mar sopra por cima de uma colina ou de uma montanha de forma sigmática como mostrado abaixo.

Se uma turbina com lâminas lisas é colocada no redemoinho, ele girará. Nós não queremos que a turbina fique no lado externo onde seria perigosa e ruidosa. Ela pode ser posta dentro do monte como se segue, onde ela seja completamente protegida e quase inaudível.

O vento forte atrai o ar para fora da abertura superior. Este é reposto pelo ar que entra através de uma abertura inferior no lado do monte em sentido contrário do vento dominante. Essa abertura inferior é alimentada pelo lado sob o redemoinho. A boca da cada abertura é coberta por uma grelha.

Um par de alternador de carro padrão pode, então, ser atado, um a cada extremidade final do cabo da turbina. Uma turbina deste tipo deve prover mais que 700 watts de poder continuamente, enquanto o vento forte ou a brisa do mar soprar. O tamanho do monte, requerido para a implementação de um gerador desse tipo, é, provavelmente, muito menor do que você poderia pensar. Um monte artificial poderia ser formado como uma parte do telhado da casa.

Energia de Madeira

É a energia usada diretamente para aquecimento que não requerer conversão. Entretanto, se nós obtemos nossa energia elétrica de um combustível biológico como a madeira, dois processos de conversão são envolvidos.

Cada um desses processos dissipa alguma da energia que ele recebe, enviando só uma fração da energia desse processo em nova forma. Estas frações chamam-se 'eficiências de conversão' que eu deverei mostrar como se segue:

ke = eficiência do processo termo-mecânico (por exemplo, motores movidos a calor)
ka = eficiência do processo eletro-mecânico (por exemplo, geradores elétricos)

Duas mais eficiências de 'distribuição' devem ser consideradas:

kb = eficiência do processo da armazenagem da eletricidade (por exemplo na pilha)
we = eficiência do sistema de distribuição elétrica (por exemplo nos fios elétricos)

A energia termal total E necessária de combustível para aquecimento e eletricidade é portanto revelado por:
E = eh + ee * ke * ka * kb * we (megajoules por ano)
onde:
eh = energia termal para aquecer a casa e tornar quente a água
ee = energia elétrica para iluminação e dispositivos elétricos

As quantidades de energia na parte de cima da tabulação mostrada abaixo são postadas automaticamente da tabulação de energia anual na página Requisitos de Energia deste projeto. Ajuste as percentagens de eficiência nas caixas situadas no meio da tabulação abaixo para corresponder às suas próprias eficiências de conversão de energia. Um programa em JavaScript calcula automaticamente e mostra a energia total de combustível necessária na última parte a desta tabulação.

necessidade de aquecimento, eh: Mj/ano
necessidade de electricidade, ee: Mj/ano
>Eficiência de conversão de calor motor, ke: %
Eficiência de conversão de gerador elétrico, ka: %
Eficiência de armazenar/recobrar da pilha, kb: %
Eficiência dos fios elétricos com resistência, we: %
Energia total precisado do combustível, E = Mj/ano

Por favor, mande-me email se você tem acesso a percentagens obtidas de rigorosa pesquisa que divergem significativamente das minhas percentagens acima.

O Valor de Combustível de Madeira

Uma quantidade particular de um combustível, quando é queimado, libera uma quantidade de calor correspondente. A quantidade de combustível é exprimida nos termos de massa, que é medida em kilogramas. A quantidade correspondente de energia liberada é medida em megajoules. A quantidade de energia liberada quando 1 kilograma de combustível é queimado charma-se sua produção termal.

Portanto, permite
ew = produção termal de madeira secada no forno Mj/kg.

Infelizmente, não é econômico ou útil secar combustível-madeira antes de usá-la. Nós devemos permitir que a madeira seque naturalmente, deixando-a permanecer em pilhas subseqüente ao corte. Este processo deixa uma umidade residual na madeira. Quando nós queimamos a madeira, parte do calor que é produzido vai fornecer o calor latente de evaporação para esta umidade residual. Isto reduz o calor útil quando a madeira é queimada.

Portanto, devemos incluir um fator:
kw = produção comparativa de madeira secada naturalmente por empilhamento
Portanto, a energia produzida por queimada da madeira secada naturalmente:
em = kw * ew megajoules por kilograma
A quantidade de madeira W necessária para fornecer nossa necessidade familiar para energia em kilogramas por ano é em conseqüência:
W = E / em
W = E / (ew * kw)

Uma pilha de madeira secada naturalmente acaba usualmente com quase 24% da umidade por quilograma. Evaporizar essa água requer quase 20% da energia liberado pela combustão.

Os dados publicados pelas Nações Unidas, através da Organização de Alimento e Agricultura mostra que a liberação de energia termal 'ew' de madeira-dura perfeitamente seca é teoricamente 19.73 ± 0.98 Mj/kg. Não obstante, a energia que é liberada pela queima de um kilograma de madeira é uma função f(ew, %úmido) da liberação da energia de madeira secada em forno e da quantidade de umidade nela contida. Essa função é traçada no gráfico seguinte usando os dados do quadro de tabulação 5.1.2. nessa página no website da Organização de Alimento e Agricultura das Nações Unidas.

A pilha de madeira secada naturalmente acaba usualmente com quase 24% da umidade por quilograma. Evaporizar essa água requer quase 20% da energia liberada pela combustão. Portanto, a proporção útil do total de energia de combustão da madeira 'kw' é quase 0.8.

Para reduzir a umidade de pequena quantidade quanto 24% , devemos cortar um círculo na casca da árvore quando próximo o fim da primavera, tão logo tenha brotado todas as folhas, então, no outono, após caírem todas folhas as cortamos e as empilhamos em local próprio protegidas da chuva.

Plantação Necessária

Para produzir a madeira para as nossas necessidades de energia caseira, devemos estabelecer e sustentar uma plantação que produza um crescimento de W kilogramas de madeira por ano.

Se nós convencionarmos:
wy = razão de produção de massa madeira em kg/m² por ano;
daí a área da plantação necessária em m² é:
A = W / wy m²

A energia total E é transportada automaticamente do quadro acima para o campo retangular existente na parte superior do quadro abaixo, nesta página. Se você discorda das quantidades no campo central do quadro abaixo, altere-as para obter as suas quantidades preferidas. Um programa em JavaScript calcula automaticamente e mostra as quantidades que nos campos inferiores da parte de baixo deste quadro.

Energia total requerida da madeira combustível, E = Mj/ano
Combustível-valor de madeira secada no forno, ew: Mj/kg
Combustível-valor relativo a madeira secada naturalmente, kw: %
Crescimento novo anual da plantação gerenciada, wy: kg/m² †
espaçamento de árvores desejado, sp: metros
Combustível madeira para prover da energia necessária E, W = kg/ano
Área de plantação necessária, A =
Número de árvores necessária na plantação, N =
† 1 kg/m² = 10 toneladas por hectare

Por favor, manda-me um email se você conhece dados de pesquisas de precisão que que discordam significativamente das quantidades mostradas acima.

Uma parte da produção total de madeira deve ser obtida do corte do tronco na forma de toras para utilização numa lareia ou num fogão. O resto da àrvore deve ser convertido em pó inflamàvel para motor movido a calor. As toras podem ser cortadas do tronco da àrvore. O combustível do motor movido a calor deve ser feito de seus ramos, galhos finos, e do pó da serragem. Estas frações são calculadas automaticamente abaixo com base nos dados acima.

Fração de madeira necessária na forma de toras, L =  %
Fração de madeira necessária na forma de pó, D =  %

Se madeira inútil é reduzido a pó usando um método bacterial, a energia necessária para fazê-lo é mínima e obtida por si mesmo.

O passo seguinte é converter madeira-lixo e pó em eletricidade. Para fazê-lo precisamos de um motor movido a calor, de um gerador elétrico e de uma pilha elétrica de reserva.

Taxa de Crescimento numa Plantação de Madeira

Eu penso que para maximizar a produção de combustível de madeira, as árvores devem ser plantadas, deixando-as crescer, mas tão logo a razão de seu crescimento cair para 0.707 (a recíproca da raiz quadrada de 2), da razão máxima de crescimento, devem ser podadas. O problema é achar um método para medir as razões de crescimento que não requerem tanto tempo.

Os crescimetos na tabulação seguinte, em toneladas por hectare ao ano, foram reproduzidos na tabela publicada por Oak Ridge National Laboratory nos Estados Unidos da América para específicas plantações gerenciadas . Este laboratório lista também dados para algumas árvores tropicais.

EspéciesSuperioresMédiasLocalidade
choupo 43 9-20 Leste e Pacífico Norte-Oeste EUA
sagueiro 24 13-24 Norte-Leste EUA
sagueiro 14 8-14 Suécia
sagueiro 23 13-23 Suécia

Para isto, eu penso que a expectativa de média ajuízada para plantações, que são gerenciadas em latitudes temporadas, seria de quase 10 toneladas de madeiras secas por hectare ao ano.

A produção anual é obtida por colheita anual das árvores. Quantidade suficiente de árvores que alcançaram razão máxima de crescimento são selecionadas. Então, elas têm cortadas as cascas em forma circular na parte inferior do tronco, próximo ao solo, tão logo ficam cheias das folhas da primavera. Então, elas são deixadas para secagem até o outono, quando são abatidas, podadas e pilhadas. Então, as podas e a serragem são passadas por um processo bacteriano para reduzi-las a bio-massa ou a pó para uso como combustível em motores movidos a calor.

Espaço Entre Arvóres

A razão do crescimento produtivo não depende muito do espaço entre as árvores. Deve ser quase 1 por 4 metros, dependendo se você deseja bio-massa ou toras. O modo de plantar as árvores com compactação máxima deve se dar por meio de organização de modo a formar triângulos (linhas azuis no diagrama seguinte).

Cada árvore pode se considerar ter uma 'hinterland' hexagonal (área verde). Isto provê cada árvore com uma 'hinterland' muito próxima e na forma de um cículo, deste modo provendo espaço e luz igualmente em todo o arredor de cada árvore. As linhas perpendiculares que vão do meio-ponto de qualquer das seis laterais dessa 'hinterland' hexagonal para seu centro é o meio da distância entre as árvores.

Portanto, se
sp = espaço em metros
A área do 'hinterland' de cada árvore:
a = 0.8660254037844 * sp² metros quadrados
0.8660254037844 = o meio da raiz quadrada de três.

O número total das árvores necessárias na plantação é
N = A / a
N = A / (0.8660254037844 * sp²)

O crescimento total anual de madeira na plantação não é muito dependente do espaço entre as árvores. Deve ser quase 1 por 4 metros, dependendo se você deseja bio-massa ou toras. Para a proporção um pouco menos de 1.3 toras por bio-massa que carece para a produção de combustível e para aquecer o motor, eu poderia tentar um espaçamento de 3 metros com uma mistura de salgueiro, choupo e sicômoro, e então eu aprenderia com base nos resultados obtidos. A mistura dos tipos de árvores é, de alguma modo, um meio de ajudar na proteção biológica mútua dessas árvores.

A distância de 3 metros entre as árvores faz a área ocupado por cada árvore ser de 0.8660254037844 * 9 = 7.79422863406 m². Uma plantação de 1 hectare (10,000 m²), portanto, requer 10000 / 7.79422863406 = 1283 árvores.

Eu deveria, também, tentar dividir a plantação em áreas separadas. Talvez isto seja um pouco inconveniente do ponto de vista de manutenção, mas faz o todo menos vulnerável a fogo, a doenças e a insetos.

Motores a Calor

Há um grande número de tipos diferentes de dispositivos para converter calor em movimento mecânico. Muitos pesquisadores e entusiastas em todas as partes do mundo experimentam um número sempre crescente de protótipos e kits. Eu desejaria ter os meios e o tempo para satisfazer-me nesta atividade.

Como o tempo passa, diferentes tecnologias tem a sua vez. A do vapor foi a primeira, seguida a da gasolina e, então, a do diesel. Uma tecnologia que parece ter ganhado popularidade agora é a do motor Stirling. As reputadas eficiências com que esses tipos diferentes de motor convertem energia de combustível em energia mecânica para uma extensão de poder de aproximadamente 1 por 10 kW, são como se segue:
Vapor 5% Gasolina 12% Stirling 28%

Gasolina é difícil ou, mesmo, impossível de ser produzida diretamente em escala pequena de distribuição. Um motor a gasolina não deve ser feito para operar economicamente com qualquer combustível que possamos produzir em fazenda da zona rural.

Um pequeno motor a vapor pode ser feito para operar através da madeira ou da biomassa, mas a sua manutenção seria crítica em consideração à segurança, exigindo muito trabalho. Por exemplo, uma caldeira velha ou corroída ou uma válvula de segurança muito enferrujada ou emperrada seria extremamente perigosa.

Um candidato popular para a geração de eletricidade em pequena escala é o bio-diesel motor estático. Em lugar do óleo diesel de petróleo, ele usaria um combustível sintetizado de óleo de vegetal e etanol. Ambos podem ser feitos da colheita de sementes ricas em óleo e biomassa fermentada. Com super pressão injetores de distribuição em forma de tubo comum ou 'common rail', em inglês, provido de um spray vacilante de combustível mas controlado com precisão e acoplado a um motor de gerência controlado por computador, um motor bio-diesel pode ser silencioso, limpo e benévolo para o meio ambiente.

Minha preferência pessoal - ao menos no momento - é o motor alternador linear Stirling. Sua fonte de energia é originada de madeira queimada, com alguma outra biomassa disponível, em um funil-alimentado ou hopper-fed, em inglês, queimador auxiliado por um ventilador. Em climas quentes e ensolarados, sua fonte de energia pode ser focada no calor do sol. Seu absorvedor de calor pode ser mantido pela circulação das águas de um lago ou por um trocador de calor. O calor que emerge de sua chaminé horizontal ventilada pode ser capturado por um trocador de calor para aquecer a casa e a água. Num clima frio, seria benéfico conectar um motor Stirling a um fogão com madeira queimada, via bigorna grossa de cobre. Isto geraria eletricidade familiar por todo o inverno enquanto o fogão aqueceria a casa.

A eficiência geral com que a energia de combustível é convertida para eletricidade por um motor alternador linear Stirling produzido comercialmente, capacita-o a converter por unidade quase 2œkW, o que é reputado ser 22% da energia de calor transformada em eletricidade.

Alternadores

Com a exceção da célula foto-voltaica, todos os outros meios por enquanto discutidos para gerar eletricidade produzem o poder mecânico. Isto deve ser convertido no poder elétrico por meio de um alternador.

Para um biodiesel ou para qualquer outro tipo de dispositivo provido de poder mecânico via cabo rotativo, é necessário um alternador convencional. No caso de meu Stirling motor linear, um alternador linear é simplesmente instalado para o seu cabo recíproco. Em ambos os casos, a avaliação do alternador deve ser igual ao do poder provido pelo dispositivo que se move.

Um modo alternativo de mover um alternador é com a força do vento. Vários alternadores pequenos movidos pela força eólica estão disponíveis, provendo um máximo de aproximadamente 250 watts. Infelizmente, grandes geradores de vento ou mesmo os muitos pequenos, são considerados feios por muitas comunidades. Não obstante, um pequeno de 250 watt unidade pode fazer uma contribuição que vale a pena para as necessidades da casa, como um suplemento de eletricidade provido por outros meios. É, também, muito simples e daí é, também, muito seguro. Em razão da grande variabilidade do vento, um controlador muito sofisticado é necessário para otimizar a aquisição de poder sob uma vasta extensão de condições.

Um outro modo alternativo de mover um alternador é através de um riacho de montanha. É bonito se você pode tê-lo, mas não muitas pessoas têm um riacho nos suas jardins.

Elétrica de Reserva

Não é aconselhável confiar num gerador, num leque fotovoltaico ou numa outra fonte direta para prover um suprimento contínuo de eletricidade. Eles são sistemas complicados. Motores a calor podem ser avariados. Eles precisam estar parados para manutenção. O sol não brilha sempre em painéis solares. E às vezes o vento não sopra.

O suprimento de força para casa, por outro lado, deve ser contínuo. O modo de preencher essa lacuna é ter uma pilha de reserva, para sustentar o suprimento enquanto as fontes primárias não são produzidas.

O tamanho de pilha que seja necessário depende de sua necessidade média de força e da duração máxima pelo qual seus meios de geração sejam provavelmente incapaz de satisfazer completamente essa demanda. A tabulação interativa seguinte o permite calcular a quantidade de reserva de que você precisa com referência a uma pilha de carro. Ela então calcula o tamanho de uma só pilha grande. As quantidades faltosas são baseadas no que eu precisaria para prover o consumo atual da minha casa suburbana.

A quantidade de consumo médio de energia foi postada automaticamente da tabulação de requisitos anuais na parte deste projeto referente aos requisitos de energia. Você pode digitar suas quantidades próprias nas caixas, no meio da tabulação. Um programa em JavaScript calcula o tamanho apropriado da bateria e mostra os resultados na parte inferior da tabulação.

Consumo médio de eletricidade, ew: watts
A capacidade de energia de uma pilha de carro, bc: watt-horas
Volume total das células de uma pilha de carro, bv: litros
Número de células, nc:
Tempo de reserva exigido, bt: horas
Profundidade de descarga máxima decretado, dd: %
Número de pilhas de carro exigido, nb:
Volume da equivalente pilha grande, BV: litros
Volume por célula da pilha grande, CV: litros
Carga máxima da pilha grande, BC: Mj

Meu desenho para uma grande pilha doméstica tem 6 células cilíndricas feitas de vidro reforçado posto num círculo semelhante a compartimentos de um pistola, e afundada na terra num recheio de cascalho. Um cilindro central pode alojar invertedores inteligentes para prover vários tipos de suprimento elétrico.

O tamanho enorme de pilha requerida para prover até a reserva de um dia pode parecer atemorizante. Não obstante, ela não precisa ser transportável como uma pilha de carro. Ela pode ser fincada dentro da terra. A título de comparação de escala, a pequena sala de estudo na qual eu me encontro sentado agora é de 300cm por 288cm por 232cm de altura. Seu volume é, portanto, de 20044.8 litros. Uma pilha desse volume proveria 400 watts por quase duas semanas. É um investimento grande inicialmente, mas suas células grandes são fáceis de serem mantidas pelo usuário e podem ter uma expectativa de existência similar à de uma casa bem construída.

O uso de invertedores inteligentes e uma variedade de busses elétricos de suprimento, capacitarão aparelhos elétricos simples e mais eficientes a serem usados em casa. Por exemplo, lâmpadas de quartzo-halogen mais eficientes podem operar diretamente do suprimento de 12 volt da pilha. Os transformadores não são necessários, porém, não há dissipação ou o zumbido irritante do transformador. Os invertedores inteligentes podem prover também busses para 15-0-15 e 5-0-5 volt eletrônicos, que serão usados crescentemente, particularmente para computadores e sistemas de gerenciamento de aparelhos eletrônicos. Isto resulta menos demanda de eletricidade e, daí, menos demanda da capacidade da pilha.

Para dispositivos críticos de baixo consumo, é aconselhável ter pequenas pilhas de reserva dedicadas. Para isto, uma pilha de carro ou caminhão pode ser usada.

Distribuição de Energia

Sendo tão grande, a pilha de utilização em casa é usualmente instalada na parte externa no seu edifício próprio ou enterrada num grande buraco cilíndrico. A eletricidade deve, portanto, ser conduzida de qualquer maneira da pilha para os aparelhos elétricos da casa que a requerem. Isto é função do sistema de distribuição.

Suprimentos naturais de energia são intermitentes. O sol brilha só durante uma parte do tempo. O motor Stirling é operável só quando o fogão contém chamas. O vento não sopra a cada dia. A eletricidade deve ser armazenada enquanto está sendo gerada para uso e enquanto não está em uso. Isto requer uma pilha grande. Uma pilha que opera a 115 volts ou 240 volts CD (corrente direta) é tão mais perigosa e pouco prática. Uma pilha, portanto, é projetada usualmente para prover eletricidade a 12 volts e, ocasionalmente, a 24 volts.

Para alguns dispositivos, por exemplo, lâmpadas quartzo-halogen, o suprimento de 12 volts CD (corrente direta) cru é o ideal. Não obstante, para evitar efeitos eletrolíticos, tal como a corrosão de contatos, o fosso e a cratera dos interruptores, é aconselhável inverter a polarização do suprimento regulamente. Isto deve ser feito automaticamente às 02:00 horas de cada manhã em suprimentos tal como a iluminação, que não são afetados adversamente por alterações na polaridade. Contudo, outros tipos de dispositivos, especialmente os que contêm eletrônicos estados sólidos não toleram alteração na polaridade.

Para outros dispositivos elétricos, um suprimento de 12 volts CD (corrente direta) não é nem eficiente nem útil. Para esses, um suprimento de 12 volts CD (corrente direta) deve ser convertido em outras formas de suprimento.

Dispositivos que incluem motores elétricos maiores que 300 watts são muito mais eficientes e mais baratos para produzir quando projetados para operar para um suprimento de 115 ou 240 volts. Para suprir esses dispositivos, um invertedor é necessário para produzir um suprimento de 115 ou 240 volts suprido por uma quantidade de 12 volts DC (corrente direta) input. O processo por que o invertedor produz seus 115 ou 240 volts output causa o aparecimento da eletricidade na primeira voltagem mais elevada como CA (corrente alternativa) a 50 até 60 Hertz (ciclos por segundo). Desde que sejam essencialmente CD (corrente direta), motores podem guase sempre e facilmente operar usando CA, não havendo necessidade de retificá-lo dentro da CD (corrente direta) em voltagem mais alta.

Para dispositivos que envolvem controle de motor complexo, como por exemplo, uma máquina de lavar roupa automática, o controlador deve ser desenvolvido para operar diretamente de um suprimento original de 12 volts. Não obstante, eu prefiro que a funcionalidade de um controlador seja separado da máquina que ele controla. Isto permite que sub-unidades individuais sejam repostas independemente do resto do sistema assim que se desgastam ou se tornam obsoletas.

Para motores de mais de 1000 watts, que devem prover velocidade constante a variável torque, um suprimento de 3-fases 440 volts CA é o melhor. Esses poderiam ser dispositivos em coisas grandes como uma máquina operatriz e maquinaria estática da fazenda. Isto requereria um tipo diferente de invertedor.

Dispositivos contendo eletrônicos estados sólidos (tais como computadores, aparelhamento de rádio, e vários tipos de aparelhamento para monitores e controles) requerem suprimentos filtrados a -15 0 +15 e -12 0 +12 e -5 0 +5 volts CD suprimento. Meu 'laptop' operar num suprimento de 19,5 V CD. Hoje, esses dispositivos incluem seus próprios invertedores internos ou unidades para fornecimento de eletricidade que convertem 115 ou 240 volts em 50 até 60 Herts CA para cada tipo de suprimento que cada dispositivo particular requer internamente. Porém, onde, como no nosso caso aqui, o suprimento é a 12 volts CD, é desperdiçador, antes de mais nada, converter de 12 volts CD para 115 ou 240 volts CA, e então de novo para -12 0 +12 e -5 0 +5 volts CD. Essas unidades de poder devem ser, portanto, repostas com invertedores que convertem diretamente de 12 volts CD para -12 0 +12 e -5 0 +5 volts CD. Cada unidade pode incluir uma pequena pilha-reserva de 12 volts, se o dispositivo pode sofrer uma perda repentina do suprimento maior.

Pequenas lâmpadas de pouca energia do tipo descarga-elétrica são muito eficientes. Elas podem ser fabricadas para operar a 12 volts. Portanto, elas requerem que a sua eletricidade seja fornecida como uma CA a uma alta-de freqüência. Eu não estou certo qual é a freqüência ótima, mas eu tenho uma idéia de que é em torno de 500 a 1000 Hertz. Se você sabe sobre isto, por favor, mande-me um email. Seu suprimento pode requerer até um outro invertedor e ser distribuído por cabo coaxial.

Onde um invertedor fornece um dispositivo único, ligando o invertedor efetivamente liga o dispositivo. Quando o dispositivo não está em uso, o invertedor é desligado. Contudo, onde um invertedor fornece para todos uma distribuição ao qual muitos dispositivos estão conectados ou podem ser plugados, o invertedor deve estar ligado sempre que qualquer um dos dispositivos que lhe supre está ativo. Para se evitar um invertedor nestas condições, um fio elétrico de sinalização comum (adicionado com os demais fios elétricos) deve conectar o invertedor com todos os dispositivos que ele fornece. Através desse fio elétrico de sinalização, o invertedor provê um suprimento de 12 volts de uma fonte de impedância muito alta. Sempre que um dos dispositivos que ele fornece é ligado, esse dispositivo faz curto-circuito no fio elétrico de sinalização. Isto diz para o invertedor ligar para fornecer energia para todos. Isto pode ser concluído usando um 3-fio cabo para suprir esses dispositivos. Um fio poderia fornecer o poder, um outro fio poderia prover o sinal do 'poder requerido' e o terceiro fio sendo o retorno comum para os dois outros fios. Por segurança, todos os três fios elétricos de suprimento para todos não poderiam ser referência para a terra. Há outros modos de fazê-lo sem um fio elétrico para sinalização, mas eu penso que usando-o é menos complicado, menos propenso a defeitos e muito mais fácil para localizar erros para corrigi-los.

Finalmente, a questão de prioridade deve ser indagado. É vital que dispositivos particulares devem permanencer ativos não importa o que aconteça. Outros dispositivos podem tolerar interrupções no seu suprimento. Dispositivos vitais devem ser, portanto, fornecidos com eletricidade que é chamada de um 'suprimento vital para todos'. Todos os outros dispositivos podem ser fornecidos de um 'suprimento não-essencial para todos'. Abaixo está um exemplo de lista de vários tipos de suprimento e de dispositivos que cada um fornece:

  1. muito menos poder vital - relógios, sensores, menos poder ou iluminação de emergência, aparelho receptor de reserva

  2. pouco poder vital - refrigeradores, congeladores, bombas de água, computadores, aparelhos de comunicação.

  3. iluminação normal - lâmpadas de quartzo-halogen e de descarga elétrica.

  4. poder normal - aparelhos elétricos usados em residências

  5. poder pesado - maquinaria industrial e agrícola.

Em razão das diferentes exigências de suprimentos de dispositivos de mesma prioridade, alguns dos itens acima devem requerer mais do que um suprimento físico para todos.

Calor ou refrescamento é distribuído por toda a casa via água bombeada e ar tubado. O sistema tendo a água como base para aquecer e resfriar opera através da circulação de água do leque FV ou a madeira queimada como aquecedor ou o lago via radiadores muito grandes a quase 40 a 45°C para aquecer e 15 a 20°C para resfriar. Esses radiadores são partes integrais dos módulos do muro da casa e são muitas vezes a área de radiadores convencionais. A operação de baixa temperatura permite ao sistema operar como um refrigerador eficiente para o leque FV, quando a casa está aquecendo.


© jan 2001: Robert John Morton traduzido por Dayse do Nascimento Silva