Erneuerbare Energie - Kurzanleitung

Renewable energyist ein Begriff, der verwendet wird, um Energieformen zu bezeichnen, die auf natürliche Weise aus der Umwelt und aus Quellen gewonnen werden, die auf natürliche Weise wieder aufgefüllt werden können. Dazu gehören Solarenergie, Windenergie, Geothermie, Wasserkraft und Biomasse.

Der Begriff erneuerbare Energie sollte nicht mit alternativer Energie verwechselt werden, die Energiequellen außerhalb der regulären Formen wie Benzin beschreibt, die als umweltfreundlicher oder weniger schädlich gelten.

Vorteile erneuerbarer Energien

Vorteile der Nutzung erneuerbarer Energiequellen sind -

  • Geringere Wartungskosten, da die meisten Quellen nur wenige oder keine beweglichen Teile verursachen und daher weniger mechanische Schäden verursachen.

  • Sie sind wirtschaftlich und können die Kosten für fossile Brennstoffe senken.

  • Sie geben wenig oder keinen Abfall an die Umwelt ab.

  • Erneuerbare Energiequellen gehen nicht zur Neige. Daher haben diese eine bessere Perspektive für die Zukunft.

Solarenergiequellen

In diesem Tutorial werden fünf Hauptquellen für erneuerbare Energien erläutert. Jede Quelle wird kurz besprochen, obwohl in den folgenden Kapiteln ausführliche Erläuterungen gegeben werden.

  • Solar energy- Energie von der Sonne wird als Sonnenenergie bezeichnet. Solarenergie kann entweder als aktive oder passive Solarenergie genutzt werden. Aktive Sonnenenergie wird direkt bei Aktivitäten wie dem Trocknen von Kleidung und dem Erwärmen von Luft verbraucht. Die Technologie hat eine Reihe von Möglichkeiten bereitgestellt, um diese reichlich vorhandene Ressource zu nutzen.

  • Geothermal energy- Dies bezieht sich auf Wärmeenergie, die Millionen von Jahren unter der Erde durch die Erdformation gespeichert wird. Es nutzt eine reichhaltige Speicherung nicht genutzter Wärmeenergie, die unter der Erdkruste vorhanden ist.

  • Hydro-power - Dies ist eine wichtige erneuerbare Energiequelle, die heute weltweit zur Stromerzeugung genutzt wird.

  • Wind energy - In der Antike wurde Windenergie verwendet, um Schiffe durch Aufprall auf die Segel zu bewegen.

  • Biomass energy - Bei der Energieerzeugung handelt es sich um Abfallanlagen, die zur Energieerzeugung durch Verbrennung genutzt werden.

Solarenergie ist die Energie, die durch die Aufnahme von Wärme und Licht von der Sonne gewonnen wird. Energie von der Sonne wird als Sonnenenergie bezeichnet. Die Technologie hat eine Reihe von Möglichkeiten bereitgestellt, um diese reichlich vorhandene Ressource zu nutzen. Es wird als umweltfreundliche Technologie angesehen, da es keine Treibhausgase emittiert. Solarenergie ist reichlich verfügbar und wird seit langem sowohl als Strom als auch als Wärmequelle genutzt.

Solartechnologie kann allgemein klassifiziert werden als -

  • Active Solar- Aktive Solartechniken umfassen den Einsatz von Photovoltaikanlagen, konzentrierter Solarenergie und solarer Warmwasserbereitung zur Nutzung der Energie. Aktive Sonnenenergie wird direkt bei Aktivitäten wie dem Trocknen von Kleidung und dem Erwärmen von Luft verbraucht.

  • Passive Solar - Passive Solartechniken umfassen die Ausrichtung eines Gebäudes an der Sonne, die Auswahl von Materialien mit günstiger thermischer Masse oder lichtstreuenden Eigenschaften sowie die Gestaltung von Räumen, in denen die Luft auf natürliche Weise zirkuliert.

Umwandlung von Sonnenenergie

Die Sonnenenergie ist die Energie, die durch die Aufnahme von Wärme und Licht von der Sonne gewonnen wird. Die Methode zur Gewinnung von Strom aus Sonnenlicht wird als Photovoltaik-Methode bezeichnet. Dies wird unter Verwendung eines Halbleitermaterials erreicht.

Die andere Form der Gewinnung von Sonnenenergie sind thermische Technologien, die zwei Formen von Energiegewinnungsmethoden bieten.

  • Die erste ist die Sonnenkonzentration, bei der die Sonnenenergie auf den Antrieb von thermischen Turbinen konzentriert wird.

  • Die zweite Methode sind Heiz- und Kühlsysteme, die in der solaren Warmwasserbereitung bzw. Klimaanlage eingesetzt werden.

Der Prozess der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität, um ihre Energie für die täglichen Aktivitäten zu nutzen, ist nachstehend aufgeführt:

  • Absorption von energietragenden Teilchen in Sonnenstrahlen, sogenannten Photonen.

  • Photovoltaik-Umwandlung innerhalb der Solarzellen.

  • Stromkombination aus mehreren Zellen. Dieser Schritt ist notwendig, da eine einzelne Zelle eine Spannung von weniger als 0,5 V hat.

  • Umwandlung des resultierenden Gleichstroms in Wechselstrom.

Im nächsten Kapitel lernen wir die Photovoltaik-Methode zur Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität kennen.

Es ist wichtig, dass wir einige Grundkenntnisse über PN Junctions haben, bevor wir das Konzept des Photovoltaik-Effekts erlernen.

Die PN-Kreuzung

Die PN Junction wurde von Russell of Bell Laboratories in den USA erfunden. Es bezieht sich auf einen Übergang zwischen zwei Halbleitern, dh P-Typ und N-Typ. Russell entdeckte, dass die beiden Halbleiter an der Verbindungsstelle ein interessantes Verhalten aufweisen, das eine Leitung nur in eine Richtung verursacht.

Ein Halbleiter vom P-Typ hat Löcher (Abwesenheit von Elektronen) als Mehrheitsladungsträger. Ein Halbleiter vom N-Typ hat Elektronen als Mehrheitsladungsträger.

In dem oben angegebenen Diagramm an der Kreuzung -

  • Zusätzliche Ladungen diffundieren zu den gegenüberliegenden Übergängen, so dass die positiven auf der p-Seite negative Ladungen erhalten und diese neutralisieren.

  • Ebenso erhalten die Negative auf der N-Seite positive Ladungen und neutralisieren sie.

  • Dies bildet einen Rand (m) auf beiden Seiten, wo die zusätzliche Ladung aufgebraucht wird, um diesen Bereich neutral und in einem Gleichgewichtszustand zu machen. Diese Region wird als bezeichnetdepletion layer und keine Ladung von beiden Seiten kreuzt.

  • Die Verarmungsschicht bietet eine Potentialbarriere und benötigt daher eine externe Spannung, um diese zu überwinden. Dieser Vorgang wird aufgerufenbiasing.

  • Zu dirigieren, in forward biasingsollte die angelegte Spannung Elektronen (negativ) vom n-Übergang zur p-Seite des Übergangs pumpen. Ein kontinuierlicher Stromfluss garantiert eine konstante Bewegung der Elektronen, um Löcher zu füllen, und leitet somit über die Verarmungsschicht.

  • Umkehren der angelegten Spannung in einem Prozess namens reverse biasingbewirkt, dass Löcher und Elektronen auseinander driften, wodurch die Verarmungsschicht erhöht wird.

  • Eine externe Last wird an eine Solarzelle angeschlossen, deren positiver Anschluss mit den N-seitigen Wafern und dessen negativer Anschluss mit den P-seitigen Wafern verbunden ist. Eine Potentialdifferenz entsteht durchphotovoltaic bewirken.

Der Strom, der von durch Photonen verdrängten Elektronen erhalten wird, reicht nicht aus, um eine signifikante Potentialdifferenz zu ergeben. Der Strom ist daher enthalten, um weitere Kollisionen zu verursachen und mehr Elektronen freizusetzen.

Photovoltaik-Effekt

Eine Solarzelle nutzt das Konzept eines pn-Übergangs zur Erfassung der Sonnenenergie. Die folgende Abbildung zeigt den Fermi-Pegel eines Halbleiters.

Damit ein Halbleiter leiten kann, müssen Elektronen die Energielücke vom Valenzband zum Leitungsband durchqueren. Diese Elektronen benötigen etwas Energie, um sich zu verschieben und über die Valenzlücke zu bewegen. In Solarzellen liefern von der Sonne emittierte Photonen die erforderliche Energie, um die Lücke zu überwinden.

Ein auf die Oberfläche einfallendes Photon könnte absorbiert, reflektiert oder durchgelassen werden. Wenn es reflektiert oder übertragen wird, hilft es nicht, ein Elektron zu entfernen, und wird somit verschwendet. Daher muss ein Photon absorbiert werden, um die Energie bereitzustellen, die erforderlich ist, um Elektronen über den Valenzspalt zu entfernen und zu bewegen.

Wenn E ph die Energie eines Photons ist und EG die Schwellenenergie zum Überqueren der Energielücke ist, sind die möglichen Ergebnisse, wenn das Photon auf die Oberfläche eines Halbleiters trifft, -

  • Eph < EG - In diesem Fall erreicht das Photon nicht die Schwelle und passiert nur.

  • Eph = EG - Das Photon hat die genaue Schwelle, um ein Elektron zu entfernen und ein Lochelektronenpaar zu erzeugen.

  • Eph > EG- Die Photonenenergie überschreitet die Schwelle. Dies erzeugt ein Elektron-Loch-Paar, obwohl es eine Verschwendung ist, da sich das Elektron die Energielücke hinunterbewegt.

Absorption von Sonnenstrahlung

In den meisten Fällen wird der Absorptionskoeffizient des Halbleiters verwendet, um die Effizienz der Absorption von Energie von der Sonne zu bestimmen. Ein niedriger Koeffizient bedeutet eine schlechte Absorption. Wie weit ein Photon geht, hängt daher sowohl vom Absorptionskoeffizienten ( α ) als auch von der Wellenlänge der Strahlung ( λ ) ab.

$$\alpha\:=\:\frac{4\pi k}{\lambda}$$

Wobei k der Extinktionskoeffizient ist.

Um ein Solarpanel zu konstruieren, benötigt man mehrere Solarzellen aus dotiertem Silizium, wie zuvor diskutiert wurde. Diese Zellen sind in Reihe geschaltet, um den resultierenden Strom zu addieren. Dies ergibt Streifen von Clusterzellen, die als Modul bezeichnet werden. Ein einzelnes Modul kann zu einem Solarpanel zusammengebaut oder in Fällen, in denen ein großes Panel erforderlich ist, mit anderen kombiniert werden.

Ein Solarpanel besteht aus mehreren Schichten, die die Photovoltaikzellen einschließen. Diese Schichten dienen zum Schutz der zerbrechlichen Zellen.

Eine Illustration der Schichten ist unten angegeben -

Die Schichten bestehen aus folgenden Teilen -

  • Cover Glass- Dies ist die obere Abdeckung und transparent, damit Licht eindringen kann. Es verhindert, dass die Zellen mechanisch beschädigt werden. Es besteht aus hartem Glas, um Kratzer zu vermeiden.

  • Non-reflective layer- Silizium kann den größten Teil des Sonnenlichts reflektieren. Daher wird diese Schicht verwendet, um dem entgegenzuwirken und eine maximale Absorption von Photonen sicherzustellen. Mit anderen Worten, es hilft, die Absorption zu maximieren.

  • Contact grid- Auf dieser Ebene sind alle Kontakte, die die Zellen von oben nach unten verbinden, miteinander verbunden. Der Kontakt erstreckt sich auf die äußeren Teile des Panels wie Laderegler, Kombinationsbox und Batteriespeicher oder Netzsystem.

  • P and N Silicon plates- Diese Schicht ist eigentlich eine Kombination aus zwei Schichten - der N-dotierten Siliziumschicht und der P-dotierten Siliziumschicht. Diese Schicht verleiht dem Solarpanel seine Farbe.

  • Back plate- Dies ist eine harte Schicht zur Unterstützung der kristallinen Photovoltaik-Module. Manchmal können flexible synthetische Fasern für Dünnschichtplatten verwendet werden.

Der Aluminiumrahmen wird verwendet, um das Paneel einzurahmen und wetterfest zu machen. Die Vorteile sind -

  • Der Rahmen bietet die Möglichkeit, die Platte auf Oberflächen wie Dächern zu montieren.

  • Der Rahmen ist fest genug, um das Panel vor extremen Wetterbedingungen wie Stürmen zu schützen.

Das Solarpanel sollte auch ständig gepflegt werden, um zu verhindern, dass Staubpartikel darauf ruhen. Während des Installationsvorgangs sollten die Paneele in einem Winkel befestigt werden, um maximales Licht zu erhalten. Eine Proportionalbatterie sollte eingesetzt werden, wenn keine direkte Verwendung erfolgt, um Abfall zu vermeiden.

Der Wirkungsgrad bezieht sich auf das Verhältnis von Leistungsaufnahme zu Leistungsabgabe. Bei einer Photovoltaik ist der Wirkungsgrad das Verhältnis der Stromleistung zur auf die Zelle einfallenden Sonnenenergie.

Nun, Ausgangsleistung, p m = Spannung (v) * Strom (I) in der Schaltung (Maximalwert).

Und Eingangsleistung P i = Einfallsenergie G (Wm -2 ) * Oberfläche der Zelle A (m 2 ).

Somit wird die Effizienz berechnet als -

$$\eta\:=\:\frac{P_{m}}{G\: \times\:A_{c}}$$

Wobei P m die maximale Leistung der Schaltung sein muss. Sie wird erhalten, indem die Spannung über dem offenen Stromkreis (V oc ) und der Strom über dem Kurzschluss (I sc ) und der Füllfaktor (FF) verwendet werden.

$$P_{max}\:=\:V_{OC}I_{SC}FF$$

Diese Messungen müssen unter Standardbedingungen gemessen werden, dh 25 ° C, Luftmasse von 1,5 g -3 und einfallende Energie G von 1000Wm -2 .

Zu den Faktoren, die die Leistung einer Photovoltaikzelle beeinflussen, gehören:

  • Die Wellenlänge des einfallenden Lichts
  • Rekombination von Elektronen und Löchern
  • Elektrischer Wiederstand
  • Temperature
  • Füllfaktor
  • Reflexionsfaktor des Materials

Um die Leistung zu maximieren, sollte die Zelle so konstruiert sein, dass eine größere Füllung, dh eine größere Oberfläche, verwendet wird. Die Positionierung einer Solarzelle bestimmt auch ihre Leistung aus zwei Gründen. Erstens bestimmt der Winkel den Reflexionsgrad auf der Zelle, und zweitens bestimmt die Positionierung die Menge an Sonnenschein, die von 9 bis 15 Uhr erfasst wird. Für maximale Effizienz ist es wichtig, Schatten auf den Zellen zu vermeiden.

Die Photovoltaik-Technologie verwendet zwei Technologien; kristalline Form und das amorphe Silizium. Das amorphe ist noch eine neue Exploration und kann länger dauern, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Kristalline Zellen

Die kristalline Siliziumtechnologie bietet zwei Arten von Photovoltaikzellen -

  • Mono-crystalline cells- Die monokristalline Solarzelle besteht aus einem abgeschnittenen Einkristallzylinder, um alle Wafer in der Anordnung zu erzeugen. Die Wafer haben eine kreisförmige Form, obwohl sie manchmal zu Zwecken der Kristallverwendung in andere Formvariationen geschnitten werden können. Es zeichnet sich durch eine einheitliche blaue Farbe aus. Weitere Funktionen sind -

    • Unter allen heute verfügbaren PV-Technologien ist ein relativ hoher Wirkungsgrad.

    • Die teuersten Zellen, weil sie aus rein demselben Kristall entwickelt werden.

    • Die Zellen sind starr und müssen gut positioniert und auf einem starren Träger montiert sein.

  • Poly-crystalline cells- Diese Zellen werden auch als malzkristalline Zellen bezeichnet und durch Gießen des Siliziums in eine quadratische Form hergestellt. Der resultierende Guss wird dann in eine Anzahl quadratischer Wafer geschnitten. Der quadratische Block besteht aus mehreren Kristallen, die aus Anordnungen blauer Variationen bestehen. Dies ist die Technologie hinter der glitzernden, edelsteinartigen Oberfläche einiger Solarmodule, die heute auf dem Markt sind. Polykristalline Zellen weisen unterschiedliche Merkmale auf, einschließlich -

    • Etwas weniger effizient im Vergleich zu monokristallinen Zellen.

    • Billiger als monokristallin.

    • Weniger Materialverschwendung (gereinigtes Silizium).

    • Bei Solarmodulen gleicher Spezifikation ist das polykristalline Modul etwas breiter als das monokristalline Gegenstück.

Amorphe Zellen

Thin-Film PVs- Die Verwendung der amorphen Form von Silizium zur Herstellung von Photovoltaikzellen ist eine neue Technik, die die Experten noch erforschen, um die Herausforderungen der kristallinen Formen einzudämmen. Die Eigenschaften dieser Technologie umfassen -

  • Sie sind viel billiger als beide kristallinen Formen.

  • Sie sind flexibel. Daher sollten sie eine bewegliche Halterung haben, um diese Funktion optimal nutzen zu können. Die Form der Oberfläche sollte jedoch aus Sicherheitsgründen die Platte aufnehmen.

  • Weniger anfällig für Stromausfall durch Zellverlust. Darüber hinaus sind sie in einer schwach beleuchteten Umgebung leistungsstärker.

  • Weniger haltbar. Sie degenerieren allmählich in Bezug auf die Stromerzeugung, insbesondere im ersten Monat, bevor sie an Stabilität gewinnen.

  • Am wenigsten effizient bei der Stromerzeugung und deckt daher größeren Raum ab

  • Die neue Technologie ermöglicht die Montage des Paneels auf Fensterscheiben und gekrümmten Flächen.

Eigenschaften des Photovoltaikkreises

Ein Ersatzschaltbild einer Photovoltaikzelle ist unten angegeben -

Erhaltener Strom, I ph = Fläche der Zelle * Lichtintensität, H * Antwortfaktor, ξ.

Gegeben, Verlust durch Widerstand des Leiters = R p

Verlust durch nicht ideale Leiter = R s

Wenn die Zelle Strom I bei einer Spannung V erzeugt, wird die Beziehung zwischen I und U einer einzelnen Zelle ausgedrückt als -

Aktuell, $I\:=\:I_{ph}-I_{o}[\exp\lgroup\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s}\rgroup}{U_{t}}-1\rgroup]-\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s} \rgroup}{R_{p}}$

Wo thermische Spannung gegeben ist durch $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$

Die Temperatur ist in Kelvin und K = 1,38 -23 (Bowmans konst), e = 1.602e -19 .

Mit maximalem I und U können wir maximale Leistung erzielen.

I max wird erhalten, wenn V = 0, dh Kurzschluss, während V max erhalten wird, wenn I = 0, dh offener Stromkreis.

Note - Zellen parallel addieren Strom, während Zellen in Reihe Spannung addieren.

Geothermie bezieht sich auf Wärmeenergie, die Millionen von Jahren unter der Erde durch die Erdformation gespeichert wird. Es nutzt eine reichhaltige Speicherung nicht genutzter Wärmeenergie, die unter der Erdkruste vorhanden ist.

Geothermal energyist ortsspezifisch, kann aber besonders bei direkter Heizung sehr günstig sein. Es ist eine Herausforderung, die Leistung dieser Quelle abzuschätzen, da sie unter Tage bei extrem hohen Temperaturen auftritt.

In der Erdkruste wird über Millionen von Jahren immense Wärmeenergie (Wärmeenergie) gespeichert. Es gibt einen großen Temperaturunterschied zwischen der Erdkruste und der Oberfläche. Die Temperaturdifferenz ist bekannt alsgeothermal gradient. Diese Energie reicht aus, um Gestein zu schmelzen. Das geschmolzene Gestein, Magma genannt, bricht manchmal als Vulkane durch Risse auf der Erdoberfläche aus. Geothermie wird in Strom umgewandelt.

Das Vorhandensein von geothermischen Ablagerungen in Form von heißer geothermischer Flüssigkeit ist ein Zeichen für einen guten Standort. Der Standort sollte über einen flachen Grundwasserleiter verfügen, damit Wasser injiziert werden kann. Das inhärente geothermische Produkt sollte etwa 300 ° F betragen.

Vorteile der Geothermie

Die Hauptvorteile sind -

  • Es wird kein Brennstoff verbrannt, da Wärme aus einem reichlich vorhandenen unterirdischen Reservoir stammt. Die erneuerbare Energiequelle könnte das Risiko eines Auslaufens fossiler Brennstoffe verringern.

  • Es hat keine Emissionen und produziert 10% Kohlendioxid, was im Vergleich zu der Menge, die von Pflanzen verbraucht wird, sehr gering ist.

  • Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energiequellen (Sonne, Wind und Wasser) wird es nicht davon beeinflusst, ob und wird es das ganze Jahr über verfügbar sein.

  • Geothermie ist relativ kostengünstiger, insbesondere wenn sie direkt als Wärmequelle in Gewächshäusern verwendet wird.

Der einzige Nachteil der Geothermie ist die Freisetzung von Schwefelwasserstoff, die durch den typischen Geruch nach faulem Ei identifiziert wird.

Verbesserte geothermische Quellen (EGS)

In einigen geothermischen Quellen wird Wasser in die Brunnen mit geothermischen Ablagerungen injiziert. In diesen Ablagerungen wird Wasser überhitzt und verwandelt sich daher in Dampf. Wasser wird unter sehr hohem Druck abgepumpt, um Felsspalten zu verbrauchen.

Geothermie mit niedrigerer Temperatur wird direkt als Wärme genutzt. Gewächshäuser können mit dieser Energie als Temperaturregler versorgt werden. Diese Technik wird auch in der Fischerei und der Mineralgewinnung eingesetzt.

Das Prinzip besteht darin, Wärmeenergie durch Erhitzen von Wasser zu Dampf zu nutzen. Geothermie nutzt hohe Temperaturen unter der Erdkruste. Der heiße Dampf oder das heiße Wasser erwärmen eine Flüssigkeit, die sich wiederum ausdehnt, um Turbinen zu drehen, die Elektrizität erzeugen.

Es gibt drei Formen, die verwendet werden. Sie sind wie folgt -

Trockendampfkraftwerke

Grundsätzlich nutzen Trockendampfstationen den Dampf, der aus Geoablagerungen strömt, um ein Sekundärfluid zu erwärmen, das Turbinen zur Stromerzeugung dreht. Der Dampf tritt bei einer Temperatur von bis zu 150 Grad aus und ist heiß genug, um die Flüssigkeit in der geothermischen Anlage auszudehnen. Dies ist eine der ältesten Techniken der geothermischen Elektrizität. Die Expansion des Sekundärfluids erzeugt mechanische Energie, die zum Drehen der Turbinen zur Stromerzeugung benötigt wird.

Flash-Dampfkraftwerke

Wasser in Brunnen unter hohem Druck wird in einen Bereich mit niedrigerem Druck gezogen. Diese Druckverschiebung verdampft das Wasser, das bei hoher Temperatur Dampf emittiert. Dieser Dampf wird vom Wasser getrennt und zum Erhitzen der Flüssigkeit verwendet, die die Turbinen im Generator antreibt. Bei diesem Druck hat das Gas eine sehr hohe Temperatur.

Binärzykluskraftwerke

Die Nutzung der durch die Dichte bestimmten Siedepunktdifferenz ist die jüngste Methode. In dem System wird eine Flüssigkeit mit einem viel niedrigeren Siedepunkt als Wasser verwendet. Dieses Verfahren verwendet Wasser bei Temperaturen von 58 Grad, um eine Sekundärflüssigkeit mit einem niedrigeren Siedepunkt zu erhitzen. Wasser erwärmt die Flüssigkeit und lässt sie aufgrund des niedrigeren Siedepunkts verdampfen und dreht die Turbinen zur Stromerzeugung.

Die Geophysik ist ein Wissenschaftsgebiet, das sich mit den Eigenschaften der Erde und ihrer Umwelt befasst. Es ist die Untersuchung von Magnet- und Gravitationsfeldern, inneren Eigenschaften der Erde, Wasserkreisläufen, Bildung von Mineralablagerungen und den solaren terrestrischen Beziehungen.

Die Geophysik ist darauf spezialisiert, Ressourcen unter der Erdkruste zu finden und mögliche Bedrohungen wie Erdbeben zu ermitteln. Dazu gehört auch eine qualitative Analyse, um die besten Standorte für Bergbau, Ölbohrungen und geothermische Lagerstätten zu ermitteln.

Zweige der Geophysik

Verschiedene Zweige der Geophysik sind -

  • Study of solid earth- Die Eigenschaften der festen Erde reichen von tektonischen Untersuchungen bis zur seismischen Analyse von Erdbeben. Dieser Zweig untersucht die Öl- und Mineralvorkommen. Die Bodenproben werden auf ungewöhnliche Ablagerungen oder Texturen untersucht.

  • Study of water- Dies ist die Untersuchung von Süßwasser sowie Wasser unter der Erdoberfläche. Die Untersuchung des Wassers wird von Hydrologen durchgeführt, die Wasserkreisläufe und Grundwasserspiegel analysieren. Die Ozeanographie, das Studium der Ozeane und des Bodens darunter, fällt ebenfalls unter diese Kategorie.

  • Study of air- Luft ist ein Hauptbestandteil der Erde. Das Studium der Luft hilft bei der Vorhersage der Wetterbedingungen und schützt vor extremen Bedingungen wie Hurrikanen.

  • Life and geophysics- Das Zusammenspiel von Organismen und Erde ist ein wichtiger Faktor. Es ist wichtig zu beachten, dass Ölvorkommen hauptsächlich aus verrottendem Material resultieren. Die Bedingungen unter der Erde werden untersucht, um ihre Auswirkungen auf die Existenz von Organismen zu bewerten.

Grundwasserleiter

Einige Felsen, sogenannte Grundwasserleiter, bieten eine gute Umgebung für den natürlichen Wasserfluss. Diese Gesteine ​​sind porös und filtern Wasser durch. Grundwasserleiter sind die besten Standorte, an denen Brunnen gebohrt werden, um einen konstanten Wasserfluss zu gewährleisten. Gesteine, die gute Grundwasserleiter bilden, sind Sand, Granit, Konglomerat, Sandstein und gebrochener Kalk.

Grundwasserleiter liegen unter dem Grundwasserspiegel, so dass der Niederschlag das aus Brunnen gepumpte Wasser sofort wieder auffüllt. Grundwasserleiter sind sehr wichtig für die Aufrechterhaltung des Wasserkreislaufs der Erde. Brunnen werden in Grundwasserleiter gebohrt, die von nicht porösem Gestein umgeben sind. Diese Gesteine ​​erzeugen Druck, der beim Pumpen des Wassers hilft. Diese Arten von Brunnen sind als artesische Brunnen bekannt.

Hydrogeologische Tests

Die Hydrogeologie verwendet mehrere Tests in Grundwasserleitern, um ihre Eigenschaften zu erfassen. Diese Tests werden in kontrollierten Umgebungen durchgeführt, die als Kontrollvertiefungen bezeichnet werden.

Die drei Haupttests sind -

  • Pumping test- In konstanten Abständen wird Wasser entnommen und in den Brunnen zurückgepumpt. Das Verhalten benachbarter Brunnen wird als Ergebnis der Änderungen aufgezeichnet. Dieser Test hilft bei der Bestimmung der Durchlässigkeit der den Brunnen umgebenden Grundwasserleiter.

  • Slug test- Schnecke bedeutet eine schnelle Änderung des Wasserstandes. In diesem Test wird die Auswirkung auf die benachbarten Bohrlöcher und die Dauer gemessen, die erforderlich ist, um das ursprüngliche Niveau wiederherzustellen. Dies könnte durch Ziehen aus dem See erreicht werden oder Wasser könnte in den Brunnen gepumpt werden, um das Niveau drastisch zu ändern.

  • Constant-head test- Dies erfolgt unter Verwendung einer experimentellen Vertiefung, die als Kontrollvertiefung bezeichnet wird. In einem Kontrollschacht kann die thermische Absenkung auf einem Niveau gehalten werden. Der Effekt wird für die benachbarten Brunnen aufgezeichnet. Regelmäßiges Ziehen aus dem Brunnen kann den Grundwasserspiegel beschädigen. Dies kann zu Depressionen und abnormalem Fluss führen.

Wasserkraft (HEP) ist eine wichtige erneuerbare Energiequelle, die heute weltweit zur Stromerzeugung genutzt wird. Es nutzt die Grundgesetze der Physik. Fallendes Wasser unter hohem Druck hat eine hohe kinetische Energie. In einer HEP-Station dreht das fallende Wasser die Turbinen. Durch magnetische Induktion wandelt der Generator die mechanische Energie der Turbinen in Elektrizität um.

Hydroelektrisches Kraftwerk

Es ist die Technik, aus einer Höhe fallendes Dammwasser zu verwenden, um die Turbinen eines Generators zu drehen. Die mechanische Energie wird in elektrische Form umgewandelt und in das nationale Netz eingespeist. Das folgende Diagramm zeigt einen Umriss eines Wasserkraftwerks.

Der Standort eines Wasserkraftwerks muss von einem Experten analysiert werden, um die effektive Förderhöhe für maximale Effizienz zu bestimmen. Hydrauliksysteme werden auch verwendet, um das Konzept bei langsameren und langsam fließenden Wasserströmen anzuwenden.

Ein Vorteil der Wasserkraft besteht darin, dass das Wasser nach der Erzeugung für eine andere Verwendung zur Verfügung steht. Ein Fluss mit hohem Wasserdurchfluss und hoher Förderhöhe ist eine bessere Wasserkraftquelle.

Durchfluss bedeutet die Geschwindigkeit, mit der Wasser pro Sekunde einen bestimmten Punkt im Fluss passiert. Der Kopf bezieht sich auf den vertikalen Abstand von der Spitze des Abhangs zum Kraftwerk.

Ein Damm mit einem großen Gefälle wird gebaut, um die potentielle Energie von Wasser zu erhöhen. Der Einlass befindet sich dort, wo der Druck am höchsten ist. Das Wasser fließt dann durch die Schwerkraft durch die Druckleitung. Auf diesem Niveau reicht kinetische Energie aus, um die Turbinen anzutreiben.

Leistungsschätzung

Die Leistung in einem Damm kann durch zwei Faktoren geschätzt werden - den Wasserfluss und den Kopf.

  • Flowbedeutet das Volumen, das zu einem bestimmten Zeitpunkt durch einen bestimmten Abschnitt eines Flusses fließt. Der Durchfluss ist in m 3 / s angegeben.

  • Head ist die vertikale Entfernung, durch die das Wasser fällt.

Theoretisch ist die Leistung direkt proportional zu den oben genannten Faktoren, d. H.

P = Q*H*c

Wo,

  • P - Leistung erwartet

  • Q- der Durchfluss in m 3 / s

  • H - Kopf in m

  • c - konstant (Dichte * Schwerkraft)

Nehmen wir daher die Wasserdichte als 1000 g -3 und die Schwerkraft als 1,9 -

P = 1000*1.9*Q*H

Energie wird benötigt, um die Turbinen eines Generators zu drehen und eine elektromagnetische Induktion zu verursachen.

Pumpspeicher ist eine Technik, mit der Wasser recycelt wird, nachdem es die Turbinen passiert hat. Insbesondere die Pumpspeicherung verbessert die Effizienz des gesamten Damms.

Ein Wasserkraftwerk besteht aus drei Hauptkomponenten. Sie sind -

  • Der erste ist der Damm, der den Wasserkopf erzeugt. Wasser fällt mit hoher Geschwindigkeit vom Boden des Damms und liefert kinetische Energie, um die Turbinen anzutreiben.

  • Die zweite Komponente ist das Reservoir. Der Wasserreservoir ist der Ort hinter dem Damm, an dem Wasser gespeichert wird. Das Wasser im Stausee befindet sich höher als der Rest der Dammstruktur. Die Höhe des Wassers im Reservoir entscheidet darüber, wie viel potentielle Energie das Wasser besitzt. Je höher die Höhe des Wassers ist, desto größer ist seine potentielle Energie.

  • Die dritte Komponente ist das Elektrizitätswerk, in dem Strom erzeugt und an das Stromnetz angeschlossen wird.

Ressourcenbewertung für kleine Installationen

Vor der Installation einer Mini-Wasserkraftanlage ist es wichtig, in der Nähe befindliche Ressourcen zu identifizieren, die genutzt werden können. Ein guter Strom mit einem ziemlich konstanten Fluss (m 3 / s) ist eine Ressource, die es wert ist, genutzt zu werden.

Ein Fluss mit guter Strömung kann die Geschwindigkeit des Wassers nutzen, um das Wasserrad zu drehen. Berg- oder Hügelhänge eignen sich am besten für die Wasserkrafterzeugung. Wie bereits erwähnt, müssen sowohl die Förderhöhe als auch die Strömung des Flusses berücksichtigt werden, um die ungefähre Leistungsabgabe zu bestimmen.

Bei Kenntnis der Parameter wird die ungefähre Leistung wie folgt bestimmt:

Head in feet * flow in gallons per meter / 10 = power in Watts

Der Kopf könnte auch die Druckeinheiten für einen gleichmäßigen Fluss haben.

Schlauchrohrmethode

Diese Technik wird verwendet, um die Förderhöhe in einem niedrigen Strom für eine untergetauchte Turbine zu bestimmen.

Die Anforderungen an ein Schlauchrohrverfahren umfassen eine flexible Rohrleitung (bevorzugtes Gartenpferd), einen Trichter und ein Messmaterial. Der Bach sollte flach genug sein, damit man hindurchwaten kann (überprüfen Sie die Flusstiefe, bevor Sie beginnen). Das Verfahren zum Installieren einer Schlauchrohrmethode wird nachstehend beschrieben.

Dehnen Sie zuerst den Schlauch an der Stelle, an der der Strom zu neigen beginnt. Zweitens das Schlauchende anheben, bis kein Wasser mehr fließt. Nehmen Sie den vertikalen Abstand und wiederholen Sie diesen für andere Abschnitte, bis die bevorzugte Stelle erreicht ist. Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen Köpfe in jedem Abschnitt.

Determining head

Durchfluss bestimmen

Der Fluss eines normalen Stroms für eine inländische Wasserkraft könnte durch die folgenden zwei Methoden bestimmt werden:

  • Float method- Bei dieser Technik wird ein Schwimmer mit gemessenem Gewicht in einem gleichmäßigen Teil des Stroms freigesetzt und die Zeit, die zum Zurücklegen der gemessenen Entfernung benötigt wird, wird aufgezeichnet. Die Entfernung in Metern wird durch die Zeit in Sekunden geteilt, die benötigt wird, um die Geschwindigkeit zu erhalten. Es ist zu beachten, dass der Schwimmer den Boden nicht berühren darf. Falls es zu schwer ist, um das Bachbett zu berühren, kann ein kleinerer Schwimmer gewählt werden.

  • Bucket method- Dies wird erreicht, indem der Strom aufgestaut und in einen Eimer umgeleitet wird. Die Rate, die zum Füllen benötigt wird, wird dann aufgezeichnet. Dies erfolgt in Gallonen pro Sekunde. Verwenden Sie einen Eimer mit einem Standardmaß, um genauer zu sein.

Es gibt zwei breite Klassifikationen von Turbinen, nämlich Impulsturbinen und Reaktionsturbinen. Die Wahl der Turbinen hängt von der Förderhöhe und der Strömung ab. Weitere zu berücksichtigende Faktoren sind Tiefe, Kosten und die erforderliche Effizienz.

Impulsturbinen

In Impulsturbinen trifft die Geschwindigkeit des Wassers auf die Schaufeln des Turbinenrads, um mechanische Energie zu erzeugen. Nach dem Drehen des Rades läuft Wasser vom Boden der Turbine ab.

In Impulsturbinen trifft die Geschwindigkeit des Wassers auf die Schaufeln im Turbinenrad, um mechanische Energie zu erzeugen. Nach dem Drehen des Rades läuft Wasser vom Boden der Turbine ab.

Arten von Impulsturbinen

Es gibt zwei Arten von Impulsturbinen -

  • Pelton wheel- Dieser Radtyp verfügt über Düsen, die Wasser in einen belüfteten Raum leiten. Wasser fällt auf die Eimer des Läufers und verursacht ein Drehmoment. Dieses Rad benötigt keine Saugrohre. Es wurde eine Variante namens Turgo-Rad entwickelt, die wie in den Kanten eingeschlossene Lüfterblätter aussieht. Wasser läuft einfach durch die Lüfter und verursacht Rotation. Es ist für hohe Förderhöhe und geringen Durchfluss ausgelegt.

  • Cross-flow- Das Rad hat einen trommelartigen Querschnitt mit länglicher Düse und rechteckiger Form. Die Öffnungsführung leitet direktes Wasser zum Läufer. Wasser fließt zweimal durch die Schaufeln, wenn es ein- und ausströmt.

Reaktionsturbinen

In Reaktionsturbinen wird die Leistung sowohl aus dem Druck als auch aus dem Aufprall von fließendem Wasser entwickelt, da sich der Läufer in der Mitte des Stroms befindet. Diese sind meist für höheren Durchfluss und niedrigere Förderhöhe geeignet. Wasser trifft auf alle Klingen und nicht auf einzelne Klingen gleichzeitig.

Es gibt drei Arten von Reaktionsturbinen:

  • Propeller turbineshabe einen Läufer mit drei bis sechs Klingen. Wasser trifft ständig mit konstantem Druck auf alle Schaufeln, um den Läufer auszugleichen. Es gibt Variationen von Propellerturbinen, dh Glühbirne, Kaplan, Rohr und Straflo.

  • Francis turbineverwendet einen Läufer mit neun oder mehr festen Eimern. Wasser kann direkt über der Turbine fließen, um eine konstante Drehbewegung zu erzeugen.

  • Free-fallTurbinen nutzen die kinetische Energie im Wasser und nicht die potentielle Energie, die die meisten Turbinen verbrauchen. Deshalb sind diese allgemein bekannt alskineticTurbinen. Sie arbeiten unter natürlichen Bedingungen von Bächen und Flüssen. Sie können auch mit Gezeiten arbeiten.

Wasserkraft könnte für den Inlandsverbrauch genutzt werden, wenn ein konstanter Wasserfluss besteht. In den meisten Fällen liefern Strömung und Fall nicht genügend Leistung, um herkömmliche Turbinen anzutreiben. Um dieses Problem zu lösen, sind heute kleine Systeme auf dem Markt erhältlich, die als Mikro-Hydro-Systeme bezeichnet werden. Die Systeme bestehen aus kleinen Generatoren, die in Flüssen oder Bächen installiert sind und mit Impulsturbinen betrieben werden. In der Tat verwenden die meisten das Pelton-Rad.

Komponenten eines Wasserkraftwerks

Das Folgende sind die Hauptkomponenten eines Mikro-Wasserkraftwerks -

  • Intake- Die Position des Generators muss sich in der Nähe eines Einlasses befinden. Dies könnte erreicht werden, indem das Wasser aufgestaut wird, um die erforderliche Förderhöhe herzustellen und Druck aufzubauen.

  • Penstock- Es ist eine Region mit Gravitationsabfall von der Aufnahme. Bei Kleinstwasserkraftprojekten werden Rohre vom Einlass bis zum Läufer der Turbine verwendet.

  • Turbines- Der zu verwendende Turbinentyp hängt von der Größe des Stroms und der gewünschten Leistung ab. Für die meisten kleinen Hydros ist ein Peltonrad effizient. In Fällen mit niedriger Förderhöhe können Tauchreaktionsturbinen verwendet werden. In diesem Fall dreht der Wasserdruck die Schaufeln.

  • Controls- Bedienelemente verhindern ein Überladen des Akkus. Sie regulieren dies, indem sie überschüssige Leistung auf die Kipplast verteilen.

  • Dump load- Dies ist einfach ein alternatives hochohmiges Ziel, das verwendet wird, wenn der Akku vollständig aufgeladen ist. Sie können Warmwasserbereiter oder sogar Klimaanlagen enthalten.

  • Battery- Mikro-Hydro-Systeme erzeugen keinen großen Strom wie herkömmliche Wechselstromsysteme. Um es für eine Reihe von Strombedürfnissen nutzen zu können, ist eine Akkumulation von Energie erforderlich. Batterien bieten eine Möglichkeit, die Energie in der gewünschten Menge zu speichern. Sie liefern auch Energie bei Ausfällen in der Systemversorgung.

  • Metering- Dies ist wichtig, um den Stromverbrauch gegenüber der Stromversorgung zu überwachen. Dies kann zum Verständnis wichtiger Systemmerkmale sowie zur Identifizierung von Fehlern beitragen.

  • Disconnect- In jedem elektrischen Verkabelungssystem sollte ein Schutz gegen übermäßige Stromversorgung vorhanden sein. Am Netz sollte ein Leistungsschaltergerät installiert werden, um Schäden an allen an die Wasserversorgung angeschlossenen Geräten zu vermeiden.

Eine hydraulische Stößelpumpe arbeitet nach den Grundgesetzen der Physik, um Wasser gegen die Schwerkraft auf eine Höhe zu heben, die höher als die der Quelle ist. Diese Pumpe arbeitet ohne externe Energieversorgung wie Verbrennung von Kraftstoff. Die einzige Energie ist die kinetische Energie des gepumpten Wassers. Je größer der Kopf, desto größer der gepumpte Abstand.

Wie es funktioniert?

Um zu verstehen, wie die RAM-Pumpe funktioniert, ist es wichtig, das Prinzip des Wasserschlags zu kennen.

Fluid hammer- Der Fluidhammer-Effekt tritt auf, wenn eine Flüssigkeit (in diesem Fall Wasser) gewaltsam gestoppt wird oder sich ihre Richtung plötzlich ändert. Es tritt ein Druckschock auf und die Welle wird zurück zur Flüssigkeitsquelle geleitet. Dies kann ein gefährliches Phänomen sein, bei dem Reifen und Rohre platzen oder kollabieren.

  • Wasser fließt durch den Einlass (5) mit etwas kinetischer Energie vom Kopf in die Pumpe und schließt das Ventil (6).

  • Wenn 6 geschlossen und 3 anfänglich geschlossen sind, entwickelt das Wasser einen Wasserhummer, der Druck in der Leitung aufbaut und das Ventil (3) öffnet, das etwas Wasser durch den Auslass (1) leitet.

  • Da die Strömung bergauf geht, fließt das Wasser langsam und fällt kurz wieder zurück und schließt 3.

  • Der Wasserschlag baut sich auf und repliziert sich durch das Rohr zurück, wodurch eine Saugkraft erzeugt wird, die das Abfallventil 6 öffnet.

Der Vorgang wird jedes Mal mit Druckaufbau wiederholt.

Etikett 2 ist ein Druckregler, der Luft enthält. Es dämpft den Stoßdämpfer, wenn 6 näher kommen und Wasser durch 3 gedrückt wird. Es schützt die Rohrleitungen vor Stößen, die zum Platzen führen können, und unterstützt den Pumpeffekt. Der Stößel ist zu 60 bis 80 Prozent effizient. Dies spiegelt nicht direkt das Verhältnis des gepumpten Wassers wider, da es von der vertikalen Höhe des gepumpten Wassers abhängt. Mit anderen Worten, dies ist die Effizienz des Pumpeffekts gegenüber Energie aus dem Wasserhummereffekt.

Gelöstes Beispiel 1

Berechnen Sie die geschätzte Leistung für eine Turbine mit einem Wirkungsgrad von 85 Prozent. Die Strömung des Flusses beträgt 80 Kubikmeter pro Sekunde und der Stromeinlass befindet sich 147 Meter vom Standort der Generatorturbinen entfernt.

Solution - -

Die Leistung ergibt sich aus W = Wirkungsgrad * Förderhöhe * Durchfluss * Dichte * Schwerkraft

Wenn wir die spezifische Dichte von Wasser in SI-Einheiten umrechnen, erhalten wir 1000 kg -3

Ersetzen der Werte in der Formel -

P = 0,85 · 1000 · 80 · 9,81 · 147

P = 97 Megawatt

Gelöstes Beispiel 2

Angesichts der tatsächlichen Leistung an einem bestimmten Tag betrug 1.440.000 kWh; Berechnen Sie den Wirkungsgrad des Generators. Angenommen, die Schwerkraft beträgt 9,81 ms -2 . Spezifische Dichte von Wasser 1 gcm -3 .

Solution - -

Gegeben: 1 Tagesvorrat = 288000 kWh

Leistung = 1440000/24

= 60 mW

Wirkungsgrad = Stromversorgung / erwartete Leistung * 100

= 60/97 * 100

Das System ist zu 66,67% effizient.

In der Antike wurde Wind verwendet, um die Segel der Schiffe zu bewegen. In diesem Kapitel werden wir sehen, wie Windenergie zur Stromerzeugung genutzt wird.

EIN turbinewandelt die kinetische Energie des Windes in nützliche mechanische Energie um. Diese Energie könnte in mechanischer Form genutzt werden oder Generatorturbinen drehen und Strom liefern. Wie in den Wasserkraftsystemen wird die Windenergie durch Umwandlung der kinetischen Windenergie in mechanische Energie genutzt.

Die Windkraftanlagen werden weitgehend in zwei Typen eingeteilt: Windkraftanlagen mit horizontaler Achse und Windkraftanlagen mit vertikaler Achse. Große Flächen mit Windkraftanlagen, dh Windparks, entstehen heute zunehmend.

Windeigenschaften

Es gibt allgemeine Eigenschaften des Windes, während andere spezifischer für den Standort sind. Einige der ortsspezifischen Merkmale umfassen:

  • Mean wind speed - Dies schätzt den jährlichen Windertrag, gibt jedoch keine Verteilungen an.

  • Wind speed distribution- Es gibt drei Aspekte, nämlich jährliche, tägliche und saisonale Merkmale. Bei der Auswahl eines Standorts ist es erforderlich, die Windgeschwindigkeitsschwankungen und die Ausbreitung zu verstehen.

  • Turbulance- Dies ist die chaotische Bewegung des Windes in unvorhersehbaren Mustern. Turbulenzen resultieren aus sich ständig ändernden Eigenschaften der Windbewegung, die sich auf die Energieerzeugung und die Ermüdung der Blätter auswirken.

  • Long term fluctuation- Unregelmäßiger Wind verursacht eine unvorhersehbare Energieversorgung. Bevor eine Windkraftanlage eingestellt wird, sollte die Fläche auf einen konstanten Windfluss untersucht werden.

  • Distribution of wind direction - Dies ist insbesondere bei horizontalen Achsentypen bei der Positionierung der Schaufeln von größerer Bedeutung.

  • Wind shear - Scherung ist eine Änderung der Windrichtung, der Geschwindigkeit oder der Höhe, in der die maximale Geschwindigkeit auftritt.

Windgeschwindigkeitsmuster

Windmuster sind wichtig und werden oft mit a analysiert wind spectrum. Ein hoher Wert des Windspektrums bedeutet eine große Änderung der Windgeschwindigkeit in dem gegebenen Zeitintervall. Wenn in einem Diagramm dargestellt, zeigen die Peaks Turbulenzen, die mit der Zeit auftreten.

Windgeschwindigkeitsverteilung

Es gibt drei Verteilungen -

  • Diurnal - Verursacht durch den Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht.

  • Depressions - Treten in viertägigen Intervallen entlang der Küstenregion auf.

  • Annual - Die Verteilung ist vom Breitengrad abhängig.

Um die Windenergie zu verstehen, unterschreiben wir die Theorie der Massenerhaltung und der Energieerhaltung. Es wird angenommen, dass ein unten gezeigter Kanal Wind darstellt, der in die Schaufeln der Turbine hinein und aus diesen heraus fließt.

Es wird angenommen, dass die Geschwindigkeit V a der Durchschnitt von V 1 und V 2 ist . Kinetische Energie an der Röhrenmündung ist gegeben durch -

KE = 1/2 mV 2

KE der Energie geändert = 1/2 mV 1 2 - 1/2 mV 2 2

1/2 m (V 1 2 - V 2 2 )

Da sich m = pAV a und dann KE ändern, ist Pk = 1/2 pAV a (V 1 2 - V 2 2 )

Bei weiterer Vereinfachung wird die geschätzte Windenergie wie folgt angegeben:

KE, pk = 0,5925 · 1 / 2pAV 1 3

Klingenelementtheorie

Die Schaufelelementtheorie geht davon aus, dass die Strömung an einem bestimmten Teil eines Windturbinenblatts die benachbarten Teile nicht beeinflusst. Diese Unterteilung auf der Klinge wird als Ring bezeichnet. Der Impuls wird für jeden berechnetannulus. Alle resultierenden Werte werden dann summiert, um das Blatt und damit den gesamten Propeller darzustellen.

An jedem Ringraum wird angenommen, dass eine gleichmäßig verteilte Geschwindigkeit induziert wurde.

Dynamisches Matching

Das dynamische Zuflussmodell wurde integriert, um die Schätzungen durch die Blade-Element- und Momentum-Theorie zu verbessern. Das grundlegende Konzept der Strömungstheorie hilft bei der Abschätzung des Effekts von Schaufelturbulenzen. Der überstrichene Bereich erhält einen dynamischen Zustand, um die geschätzte mittlere Geschwindigkeit abzuleiten.

Die BEM-Theorie liefert Schätzungen nur bei konstantem Wind, aber es ist offensichtlich, dass Turbulenzen auftreten müssen. Dies wird jedoch durch das grundlegende dynamische Zuflussmodell berücksichtigt, um eine realistischere Schätzung zu erhalten.

Die erzeugte Windenergie, insbesondere beim Typ mit horizontaler Achse, ist bekanntermaßen das Produkt der Spitzengeschwindigkeit, der Gesamtzahl der verwendeten Blätter und des Auftriebs-Luftwiderstands-Verhältnisses der Seite mit einem Tragflügel. Die Neueinstellung auf einen neuen Gleichgewichtszustand ist durch dieDynamic Inflow Method (DIM).

Dynamische Zuflussmethode

DIM ist auch als dynamische Nachlauftheorie bekannt und basiert auf dem induzierten Fluss, der normalerweise nicht stabil ist. Es berechnet den vertikalen Zufluss zum Rotor unter Berücksichtigung seiner Auswirkung auf den dynamischen Fluss.

Dies berücksichtigt einfach den Nachlaufeffekt oder einfach die Geschwindigkeit der Luft, die vertikal zu den Rotoren ausgerichtet ist und durch das Drehen der Schaufeln verursacht wird. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die Tangentialgeschwindigkeit konstant ist. Dies wird als bezeichnetWake effect und sein Luftwiderstand verringert den Wirkungsgrad einer Windkraftanlage.

Stromerzeugung

Die kinetische Energie im Wind wird von Windkraftanlagen in Elektrizität umgewandelt. Sie verwenden das alte Konzept, das in Windmühlen verwendet wird, jedoch mit inhärenter Technologie wie Sensoren, um die Windrichtung zu erfassen. Einige Windkraftanlagen verfügen über ein Bremssystem, das bei starkem Wind anhält, um den Rotor und die Blätter vor Beschädigungen zu schützen.

Mit der Rotorwelle sind Zahnräder verbunden, um die Schaufeln auf eine für den Generator geeignete Geschwindigkeit zu beschleunigen. Im Generator tritt eine elektromagnetische Induktion auf (die grundlegende Methode zur Umwandlung von mechanischer Energie in Elektrizität). Die Welle dreht einen zylindrischen Magneten gegen eine elektrische Drahtspule.

Der gesamte Strom aus den Turbinen einer Windkraftanlage wird in ein Netz eingespeist und in eine Hochspannung umgewandelt. Dies ist eigentlich die herkömmliche Technik zur Übertragung von Elektrizität im Netzsystem.

Es werden Klingen mit großer Oberfläche benötigt, obwohl dies durch das Geräusch bestimmt werden sollte, das von breiten Klingen herrührt. Ein Windpark kann bis zu 100 Generatoren haben, was zu mehr Lärm führt.

Es gibt zwei große Klassifikationen von Windkraftanlagen -

  • Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT)
  • Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWT)

Lassen Sie uns diese beiden Arten von Windkraftanlagen im Detail diskutieren.

Horizontalachsen-Windkraftanlagen

Dies sind windmühlenartige Turbinen, deren Oberseite der Welle in Windrichtung zeigt. Da sie auf den Wind gerichtet sein müssen, werden kleinere Turbinen von Windschaufeln geleitet, die an der Struktur montiert sind. Größere Turbinen haben Windsensoren mit Servo zum Drehen der Turbinen.

Sie sind auch mit Getrieben ausgestattet, um die langsame Drehung zu beschleunigen und sie für die Generatorturbinen stark genug zu machen. Die Blätter sind steif genug, um ein Brechen oder Biegen aufgrund des Drehmoments des Windes zu vermeiden.

Dieser Typ ist auf einem Turm montiert; Daher erfahren sie Winde mit hoher Geschwindigkeit. Sie sind leicht gebogen, um den Sweep-Bereich zu verkleinern. Ein niedrigerer Sweep-Bereich verringert den Widerstand, was zu Ermüdung und Versagen führen kann.

Vertikalachsen-Windkraftanlagen

Die Hauptwurzel ist auf der vertikalen Welle montiert. Dies beseitigt die Schwierigkeiten, die mit horizontalen Windkraftanlagen verbunden sind. Die Untertypen umfassen -

Darius Windkraftanlage

Dies ist auch als Schneebesen-Turbine bekannt und ähnelt einem riesigen Schneebesen. Es ist effizient, hat jedoch möglicherweise mehr Ausfallzeiten und ist daher weniger zuverlässig. Um die Festigkeit zu verbessern (Blattfläche über Rotorfläche), sollten drei oder mehr Blätter verwendet werden.

Savonious Windturbine

Diese Typen sind zuverlässiger als Darius-Turbinen. Das Problem ist, dass sie nicht auf Türmen montiert werden können. Daher sind sie turbulenten und unregelmäßigen Windmustern ausgesetzt. Da es sich um Turbinen vom Luftwiderstandstyp handelt, sind sie im Vergleich zum HAWT weniger effizient. Der Vorteil ist, dass sie extremen Turbulenzen standhalten können.

Die meisten VAWT können sich nicht selbst starten und benötigen externe Energie, um einen Ruck zu erzeugen. Für eine optimale Leistung sollten VAWTs auf Dächern montiert werden. Das Dach leitet den Wind in die Blätter.

Biomassbedeutet lebende Organismen und solche, die kürzlich gestorben sind. Davon ausgenommen sind Organismen, die bereits in fossile Brennstoffe umgewandelt wurden. Bei der Energieerzeugung handelt es sich um Abfallanlagen, die zur Energieerzeugung durch Verbrennung genutzt werden.

Die Methoden zur Umwandlung in Biokraftstoff sind zahlreich und werden weitgehend als klassifiziert chemical, thermal und biochemical. Dies ist die älteste und am weitesten verbreitete erneuerbare Energiequelle. Es gibt verschiedene Konvertierungsmethoden.

Direct combustionwurde traditionell mit Holzbrennstoff praktiziert. Fortgeschrittene Prozesse wiepyrolysis(der Prozess der Herstellung von Holzkohle), Fermentation und anaerobe Vergärung wandeln diese Quellen in dichtere und leicht zu transportierende Formen wie Öl und Ethanol um. Kohle ist ein Produkt des Pyrolyseprozesses, der die Materie stärkt, indem sie in Abwesenheit von Sauerstoff verbrannt wird.

Bio-fuelist ein Begriff, der sich auf Kraftstoff bezieht, der aus Biomasse gewonnen wird. Wie bereits erwähnt, ist Biomasse jede lebende und tote organische Substanz und reicht von Pflanzen bis zu organischen Abfällen. In den meisten Fällen ist öl- oder zuckerreiche Biomasse ideal für die Energieerzeugung.

Der Begriff bio-energybezieht sich auf Energie, die von lebenden oder toten Organismen gewonnen wird. Dies schließt fossile Brennstoffe nicht ein. Wir könnten Biokraftstoffe nach ihren Quellen oder nach Generation klassifizieren.

Klassifizierung von Biokraftstoffen nach Quelle

  • Wood fuel- Abgeleitet von Bäumen, Büschen oder Sträuchern. Beispiele für Holzbrennstoffe sind Holzkohle und Holz.

  • Agro-fuels- Wird aus Biomasse landwirtschaftlicher Produkte wie toten Pflanzen oder aus anderen Pflanzenteilen wie Getreide gewonnen. Agro-Kraftstoff wird hauptsächlich aus Zucker- und Ölpflanzen gewonnen.

  • Municipal by-products- Abgeleitet aus Abfällen aus Großstädten. Es gibt zwei Kategorien von Siedlungsabfällen. Biokraftstoff aus festen Abfällen stammt aus der direkten Verbrennung fester Abfälle aus Industrie oder gewerblichen Einrichtungen. Biokraftstoff aus flüssigen / gasförmigen Abfällen wird durch Fermentation der gesammelten Abfälle gewonnen.

Klassifizierung von Biokraftstoffen nach Erzeugung

  • First generation- Verarbeitet aus Zucker, pflanzlichem Öl und tierischen Fetten, die zur Verbrennung in Motoren zu Öl gepresst oder zu demselben Zweck fermentiert und zu Ethanol verarbeitet werden. Die Endprodukte sind Öle, Biodiesel, Alkohol, Synthesegas, fester Biokraftstoff und Biogas.

  • Second generation- Abgeleitet aus Zellulose und Abfall (Non-Food). Dieser Abfall stammt aus Stielen von Kulturpflanzen und Holz, Bio-Wasserstoff, Bio-Alkohol, Dimethylformamid-DMF, Holzdiesel, Mischalkohol und Bio-Dimethylether-DME.

  • Third generation- In Algen gefunden, von denen angenommen wird, dass sie bei niedrigen Kosten einen hohen Energieertrag produzieren. Die Energie aus Algen wird als Öl-Gae bezeichnet.

Das organische Material wird in eine nutzbare Form umgewandelt, die als Bioenergie bekannt ist. Die bei der Energieerzeugung verwendeten Materialien werden als Ausgangsmaterial bezeichnet.

Um die Biomasse besser zu verstehen, werden wir zuerst die verschiedenen Quellen untersuchen.

Die Biomasseproduktion bezieht sich auf die Zunahme der Menge an organischer Substanz. Es ist die Zugabe von organischer Substanz in einem bestimmten Gebiet oder einer bestimmten Population. Biomasse gilt als erneuerbare Energie, da sie beim Wachstum von Pflanzen und Tieren wieder aufgefüllt wird.

Es gibt zwei Produktionsformen -

  • Primary productionbezieht sich auf die Energieerzeugung durch Pflanzen durch Photosynthese. Die überschüssige Energie wird gespeichert und summiert sich zur gesamten Biomasse im Ökosystem. Die Primärproduktion könnte anhand der gesamten Waldfläche in einem bestimmten Jahr geschätzt werden.

  • Secondary productionist die Absorption von organischer Substanz als Körpergewebe durch Organismen. Es umfasst die Aufnahme durch Tiere, dh die Fütterung, ob an anderen Tieren oder an Pflanzen. Es beinhaltet auch die Zersetzung organischer Stoffe durch Mikroorganismen. Die Sekundärproduktion könnte als das gesamte pro Jahr produzierte Fleisch geschätzt werden.

Obwohl Biomasse als Masse der in einer bestimmten Umgebung lebenden und toten Organismen gemessen werden könnte, ist die Produktion schwerer abzuschätzen. Es kann nur als Volumenzunahme geschätzt werden, obwohl ein Teil der zusätzlichen Biomasse möglicherweise durch natürliche Prozesse ersetzt wurde.

Direkte Verbrennung für Wärme

Die direkte Verbrennung von Wärme ist die älteste Methode zur Umwandlung von Biomasse in Energie seit den frühesten Zivilisationen. Die thermochemische Umwandlung (Verbrennung) konnte auf verschiedene Weise unter Verwendung verschiedener Ausgangsmaterialien erreicht werden.

Standalone-Verbrennung

Generatoren auf Biomassebasis verwenden Diesel aus Pflanzenölen, um Dieselgeneratoren zu betreiben. Die Generatoren verbrennen den organischen Diesel, um Energie zur Stromerzeugung zu erzeugen.

  • Es ist bekannt, dass Blockheizkraftwerke Strom und Nutzwärme erzeugen. Die Keramikindustrie nutzt die Wärme zum Trocknen von Produkten wie Tonfliesen.

  • Einige Kraftwerke nutzen Biomasse, um Wasser zu erwärmen und Dampf zur Stromerzeugung zu erzeugen. Die Biomasse wird verbrannt, um genügend Wärme zum Kochen von Wasser zu erzeugen.

  • Kommunale Abfallentsorgungsanlagen verbrennen feste Abfälle, um Strom zu erzeugen. Dieser Typ ist kritisch, da feste Abfälle meist giftige Gase aus Kunststoffen und Kunstfasern enthalten.

Mitverbrennung von Biomasse

Abgesehen von der eigenständigen Verbrennung könnte Biomasse mit anderen fossilen Brennstoffen gemischt und zur Energieerzeugung verbrannt werden. Dies wird als Co-Firing bezeichnet.

  • Biomasse könnte direkt als Kohle verbrannt werden. Dies wird als direkte Mitverbrennung bezeichnet.

  • In anderen Fällen wird die Biomasse zunächst zu Gas verarbeitet und dann in Synthesegas umgewandelt.

  • Der dritte Fall besteht darin, dass fossile Brennstoffe in einem anderen Ofen verbrannt werden und die erzeugte Energie dann zum Vorwärmen von Wasser in einem Dampfkraftwerk verwendet wird.

Arten der Verbrennung

Die verschiedenen Arten der Verbrennung sind -

  • Fixed bed combustion - Dies ist eine Methode, bei der feste Biomasse zuerst in kleine Stücke geschnitten und dann auf einer flachen festen Oberfläche verbrannt wird.

  • Moving bed combustion- Bei dieser Methode wird ein Rost so eingestellt, dass er sich ständig und gleichmäßig bewegt und Asche zurücklässt. Der Kraftstoff verbrennt bei Verbrennung.

  • Fluid-bed combustion- Der Kraftstoff wird unter hohem Druck mit Sand gemischt gekocht. Der Sand dient dazu, die Wärme gleichmäßig zu verteilen.

  • Burner combustion - Bei dieser Methode werden Holzstaub und Feinstaub in einen Brenner ähnlich dem von flüssigem Brennstoff gegeben.

  • Rotary furnace combustion- Mit einem Ofenofen werden organische Stoffe mit hohem Feuchtigkeitsgehalt verbrannt. Auf diese Weise werden Abfälle wie Speisereste oder andere feuchte landwirtschaftliche Abfälle verbrannt.

Pyrolyse

Pyrolysisist eine andere Form der Verarbeitung von Biokraftstoffen durch Verbrennen bei sehr hohen Temperaturen ohne Sauerstoff, was zu einer vollständigen Verbrennung führen kann. Dies führt zu irreversiblen physikalischen und chemischen Veränderungen. Das Fehlen von Oxidations- oder Halogenierungsprozessen führt zu einem sehr dichten Biokraftstoff, der bei der Verbrennung, Mitverbrennung oder Umwandlung in Gas verwendet werden kann.

  • Slow pyrolysistritt bei etwa 400 ° C auf. Es ist der Prozess der Herstellung von fester Holzkohle.

  • Fast pyrolysistritt zwischen 450 ° C und 600 ° C auf und führt zu organischem Gas, Pyrolysedampf und Holzkohle. Der Dampf wird durch Kondensation zu flüssiger Form als Bioöl verarbeitet. Dies muss innerhalb von 1 Sekunde erfolgen, um eine weitere Reaktion zu verhindern. Die resultierende Flüssigkeit ist eine dunkelbraune Flüssigkeit, die dichter als Holzbiomasse ist und einen gleichen Energiegehalt aufweist.

Bioöl hat eine Reihe von Vorteilen. Es ist einfacher zu transportieren, zu verbrennen und zu lagern. Viele Arten von Ausgangsmaterialien können durch Pyrolyse zu Bioöl verarbeitet werden.

Das folgende Diagramm erläutert den Prozess der Umwandlung von Energie in eine nutzbare Form aus Biokraftstoffen durch Pyrolyse.

Alkoholische Gärung

Alkoholische Fermentation ist der Prozess, bei dem Zucker in Cellulose umgewandelt werden. Der Prozess führt zu Ethanol und Kohlendioxid als Nebenprodukte. Dieser Prozess wird als anaerob angesehen, da er in Abwesenheit von Sauerstoff stattfindet. Neben dem Brotbacken und der Herstellung alkoholischer Getränke werden bei diesem Verfahren alkoholische Brennstoffe hergestellt. Die chemische Formel für die alkoholische Gärung lautet:

$C_{6}H_{12}O_{6}+yeast\longrightarrow\:2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$

Zuckerrohr ist das Hauptrohstoff für diesen Prozess, insbesondere in trockenen Umgebungen. Mais- oder Zuckerstückchen werden in gemäßigten Gebieten verwendet.

Anwendung von Produkten

Die Produkte haben folgende Anwendungen -

  • Acetone ist ein Produkt zur Herstellung von Lebensmittelzusatzstoffen, zum Auflösen von Leim, zum Ausdünnen von Farben, zu Fettentfernern und in kosmetischen Produkten.

  • Hydrogenwird als Kühlmittel in der Energiewirtschaft eingesetzt. Es wird auch in Wasserstoffzellen zur Energieerzeugung eingesetzt.

  • Butanolliefert besseren Kraftstoff als Ethanol. Es wird auch als Bestandteil in Farben, kosmetischen Produkten, Harzen, Farbstoffen, Polymerextraktionen und bei der Herstellung von synthetischen Fasern verwendet.

  • Ethanolwird als Kraftstoff, Farbkomponente und Additiv in Antiseptika verwendet. Es wird auch in alkoholischen Getränken verwendet.

Anaerobe Vergärung von Biogas

Anaerobic digestionist der biologische Prozess, bei dem organische Stoffe in Abwesenheit von Sauerstoff zu Biogas abgebaut werden. Mikroorganismen wie Acidogenetische Bakterien und Acetogene wandeln die biologisch abbaubare Substanz in Biogas um. Es ist nicht nur eine Energiequelle, sondern auch eine Abfallablagerungsmethode und eine Umweltschutztechnik.

Die Hauptgleichung für diese Umwandlung, die Kohlendioxid und Methan ergibt, lautet wie folgt:

$C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow\:3CO_{2}+3CH_{4}$

Der schrittweise Prozess wird unten erklärt -

  • Step 1- Abbau organischer Stoffe in große Moleküle zur Umwandlung. Dieser Vorgang ist als Hydrolyse bekannt.

  • Step 2- Acidogene wirken auf das zersetzte Material und wandeln es neben Ammoniak, CO2 und Schwefelwasserstoff in flüchtige Fettsäuren (VFA) um. Der Prozess wird als Acidogenese bezeichnet.

  • Step 3 - Die VFA werden weiter in Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff zerlegt.

  • Step 4 - Die letzte Stufe ist die Kombination der oben genannten Emissionen zur Erzeugung von Methanol, Kohlendioxid und Wasser.

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