Energia odnawialna - krótki przewodnik
Renewable energyto termin odnoszący się do form energii, które są naturalnie pozyskiwane ze środowiska i ze źródeł, które można naturalnie uzupełniać. Należą do nich energia słoneczna, energia wiatrowa, energia geotermalna, energia wodna i biomasa.
Termin energia odnawialna nie powinien być mylony z energią alternatywną, która opisuje źródła energii spoza zwykłych form, takich jak benzyna, które są uważane za bardziej przyjazne dla środowiska lub mniej szkodliwe.
Zalety energii odnawialnej
Zalety wykorzystania odnawialnych źródeł energii to -
Mniejsze koszty konserwacji, ponieważ większość źródeł wiąże się z niewielką liczbą ruchomych części lub ich brakiem, a tym samym mniejszą liczbą uszkodzeń mechanicznych.
Są ekonomiczne i mogą obniżyć koszty wydawane na paliwa kopalne.
Emitują niewiele lub nie emitują żadnych odpadów do środowiska.
Odnawialne źródła energii nie wyczerpują się. Dlatego mają lepszą perspektywę na przyszłość.
Źródła energii słonecznej
Ten poradnik wyjaśnia pięć głównych źródeł energii odnawialnej. Każde źródło zostanie krótko omówione, chociaż szczegółowa dyskusja zostanie przedstawiona w kolejnych rozdziałach.
Solar energy- Energia słoneczna nazywana jest energią słoneczną. Energia słoneczna może być wykorzystywana jako aktywna lub pasywna energia słoneczna. Aktywna energia słoneczna jest bezpośrednio zużywana podczas czynności, takich jak suszenie odzieży i ogrzewanie powietrza. Technologia zapewniła wiele sposobów wykorzystania tego obfitego zasobu.
Geothermal energy- Odnosi się to do energii cieplnej przechowywanej pod ziemią przez miliony lat podczas formowania się ziemi. Wykorzystuje bogate zasoby niewykorzystanej energii cieplnej, która istnieje pod skorupą ziemską.
Hydro-power - Jest to główne odnawialne źródło energii wykorzystywane obecnie na całym świecie do produkcji energii elektrycznej.
Wind energy - W starożytności energia wiatru była wykorzystywana do poruszania statków poprzez uderzanie w żagle.
Biomass energy - W produkcji energii odnosi się do obiektów odpadowych, które są wykorzystywane do wytwarzania energii w drodze spalania.
Energia słoneczna to energia uzyskiwana przez wychwytywanie ciepła i światła słonecznego. Energia słoneczna nazywana jest energią słoneczną. Technologia zapewniła wiele sposobów wykorzystania tego obfitego zasobu. Uważana jest za technologię ekologiczną, ponieważ nie emituje gazów cieplarnianych. Energia słoneczna jest szeroko dostępna i od dawna jest wykorzystywana zarówno jako energia elektryczna, jak i jako źródło ciepła.
Technologię słoneczną można ogólnie podzielić na -
Active Solar- Aktywne techniki słoneczne obejmują wykorzystanie systemów fotowoltaicznych, skoncentrowanej energii słonecznej i słonecznego podgrzewania wody w celu wykorzystania energii. Aktywna energia słoneczna jest bezpośrednio zużywana podczas czynności, takich jak suszenie odzieży i ogrzewanie powietrza.
Passive Solar - Techniki pasywne wykorzystujące energię słoneczną obejmują zorientowanie budynku na Słońce, dobór materiałów o korzystnej masie termicznej lub właściwościach rozpraszania światła oraz projektowanie przestrzeni, które w naturalny sposób krążą w powietrzu.
Konwersja energii słonecznej
Energia słoneczna to energia uzyskiwana przez wychwytywanie ciepła i światła słonecznego. Metoda pozyskiwania energii elektrycznej ze światła słonecznego nazywana jest metodą fotowoltaiczną. Osiąga się to za pomocą materiału półprzewodnikowego.
Inną formą pozyskiwania energii słonecznej są technologie termiczne, które dają dwie formy wykorzystania energii.
Pierwszym jest koncentracja energii słonecznej, która skupia energię słoneczną do napędzania turbin termicznych.
Druga metoda to systemy ogrzewania i chłodzenia stosowane odpowiednio w słonecznym podgrzewaniu wody i klimatyzacji.
Proces przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną w celu wykorzystania jej energii w codziennych czynnościach przedstawiono poniżej -
Absorpcja cząstek przenoszących energię w promieniach słonecznych zwanych fotonami.
Konwersja fotowoltaiczna wewnątrz ogniw słonecznych.
Kombinacja prądu z kilku ogniw. Ten krok jest konieczny, ponieważ pojedyncze ogniwo ma napięcie mniejsze niż 0,5 V.
Konwersja powstałego prądu stałego na prąd przemienny.
W następnym rozdziale poznamy fotowoltaiczną metodę przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną.
Ważne jest, abyśmy mieli podstawową wiedzę na temat połączeń PN, zanim przejdziemy do poznania koncepcji efektu fotowoltaicznego.
Węzeł PN
Złącze PN zostało wynalezione przez laboratoria Russell of Bell w USA. Odnosi się do złącza między dwoma półprzewodnikami, to znaczy typu P i typu N. Russell odkrył, że dwa półprzewodniki mają interesujące zachowanie na złączu, które powoduje przewodzenie tylko w jednym kierunku.
Półprzewodnik typu P ma dziury (brak elektronu) jako większość nośników ładunku. Półprzewodnik typu N ma elektrony jako większość nośników ładunku.
Na powyższym schemacie na skrzyżowaniu -
Dodatkowe ładunki dyfundują na przeciwległe złącza tak, że dodatnie po stronie p zyskują ładunki ujemne i neutralizują je.
Podobnie negatywy po stronie N zyskują ładunki dodatnie i neutralizują je.
Tworzy to margines (m) po obu stronach, gdzie dodatkowy ładunek jest zmniejszany, aby uczynić ten region neutralnym i w stanie równowagi. Ten region jest określany jakodepletion layer i nie ma opłat z obu stron krzyże.
Warstwa zubożona stanowi barierę potencjału i dlatego do jej pokonania wymaga zewnętrznego napięcia. Ten proces nazywa siębiasing.
Prowadzić, w forward biasing, przyłożone napięcie powinno pompować elektrony (ujemne) ze złącza n w kierunku strony p złącza. Ciągły przepływ prądu gwarantuje stały ruch elektronów w celu wypełnienia dziur, a tym samym przewodzenie przez warstwę zubożenia.
Odwrócenie przyłożonego napięcia w procesie zwanym reverse biasing, powoduje rozchodzenie się dziur i elektronów, zwiększając warstwę zubożenia.
Obciążenie zewnętrzne jest podłączone do ogniwa słonecznego z zaciskiem dodatnim podłączonym do płytek po stronie N i zaciskiem ujemnym do płytek po stronie P. Potencjalna różnica jest tworzona przezphotovoltaic efekt.
Prąd uzyskiwany przez elektrony przemieszczone przez fotony nie jest wystarczający do uzyskania znaczącej różnicy potencjałów. Prąd jest zatem powstrzymywany, aby spowodować dalsze zderzenia i uwolnić więcej elektronów.
Efekt fotowoltaiczny
Ogniwo słoneczne wykorzystuje koncepcję złącza pn do przechwytywania energii słonecznej. Poniższy rysunek przedstawia poziom Fermiego półprzewodnika.
Aby półprzewodnik mógł przewodzić, elektrony muszą pokonać lukę energetyczną od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Te elektrony wymagają pewnej energii, aby się wyprzeć i przejść przez lukę walencyjną. W ogniwach słonecznych fotony emitowane przez Słońce dostarczają energii wymaganej do pokonania luki.
Zdarzenie fotonu na powierzchni może zostać pochłonięte, odbite lub przesłane. Jeśli zostanie odbity lub przesłany, nie pomoże usunąć elektronu, a tym samym jest marnowany. Dlatego foton musi zostać zaabsorbowany, aby zapewnić energię potrzebną do wyparcia i przemieszczenia elektronów przez szczelinę walencyjną.
Jeśli E ph jest energią fotonu, a EG jest energią progową do przekroczenia przerwy energetycznej, to możliwe wyniki, gdy foton uderza w powierzchnię półprzewodnika, są -
Eph < EG - W tym przypadku foton nie osiągnie progu i po prostu przejdzie.
Eph = EG - Foton ma dokładny próg do wyparcia elektronu i utworzenia pary elektronów dziurawych.
Eph > EG- Energia fotonów przekracza próg. Tworzy to parę elektron-dziura, chociaż jest to strata, ponieważ elektron przemieszcza się z powrotem w dół szczeliny energetycznej.
Absorpcja promieniowania słonecznego
W większości przypadków współczynnik pochłaniania półprzewodnika służy do określenia efektywności pochłaniania energii słonecznej. Niski współczynnik oznacza słabą absorpcję. Dlatego to, jak daleko posuwa się foton, jest czynnikiem zarówno współczynnika pochłaniania ( α ), jak i długości fali promieniowania ( λ ).
$$\alpha\:=\:\frac{4\pi k}{\lambda}$$
Gdzie k jest współczynnikiem ekstynkcji.
Aby zbudować panel słoneczny, potrzeba kilku ogniw słonecznych wykonanych z domieszkowanego krzemu, jak omówiono wcześniej. Ogniwa te są połączone szeregowo, aby zsumować wynikowy prąd. Daje to paski skupionych komórek zwane modułem. Pojedynczy moduł może być wbudowany w panel słoneczny lub połączony z innymi w przypadkach, gdy wymagany jest duży panel.
Panel słoneczny składa się z kilku warstw, które łączą ogniwa fotowoltaiczne. Warstwy te służą do ochrony delikatnych komórek.
Poniżej przedstawiono ilustrację warstw -
Warstwy składają się z następujących części -
Cover Glass- To jest górna pokrywa i jest przezroczysta, aby wpuszczać światło. Zapobiega mechanicznym uszkodzeniom komórek. Wykonany jest z twardego szkła, aby zapobiec zarysowaniom.
Non-reflective layer- Krzem może odbijać większość światła słonecznego. Dlatego warstwa ta służy do przeciwdziałania temu i zapewnienia maksymalnej absorpcji fotonów. Innymi słowy, pomaga zmaksymalizować wchłanianie.
Contact grid- Na tej warstwie wszystkie kontakty łączące górę i dół komórek są ze sobą połączone. Styk rozciąga się na zewnętrzne części panelu, takie jak kontroler ładowania, skrzynka łącząca i magazyn baterii lub system siatki.
P and N Silicon plates- W rzeczywistości ta warstwa jest połączeniem dwóch warstw - warstwy krzemu domieszkowanego Nd i warstwy krzemu domieszkowanego P. Ta warstwa nadaje kolor panelowi słonecznemu.
Back plate- Jest to twarda warstwa do podtrzymywania krystalicznych paneli fotowoltaicznych. Czasami elastyczne włókna syntetyczne mogą być używane do paneli typu cienkowarstwowego.
Rama aluminiowa służy do obramowania panelu i zabezpieczenia go przed warunkami atmosferycznymi. Korzyści są -
Rama umożliwia montaż panelu na powierzchniach takich jak dachy.
Rama jest wystarczająco szczelna, aby chronić panel przed ekstremalnymi warunkami atmosferycznymi, takimi jak burze.
Panel słoneczny powinien być również pod stałą opieką, aby zapobiec osadzaniu się na nim cząstek kurzu. Podczas montażu panele należy mocować pod kątem, aby uzyskać maksymalne światło. W przypadku braku bezpośredniego użycia należy założyć baterię proporcjonalną, aby uniknąć strat.
Sprawność odnosi się do stosunku mocy wejściowej do mocy wyjściowej. W przypadku fotowoltaiki sprawność to stosunek mocy wyjściowej wyrażonej w energii elektrycznej do energii słonecznej padającej na ogniwo.
Teraz moc wyjściowa, p m = napięcie (v) * prąd (I) w obwodzie (wartość maksymalna).
A moc wejściowa P i = energia padająca G (Wm -2 ) * Pole powierzchni ogniwa, A (m 2 ).
Zatem wydajność jest obliczana jako -
$$\eta\:=\:\frac{P_{m}}{G\: \times\:A_{c}}$$
Gdzie P m musi być maksymalną mocą obwodu. Uzyskuje się to za pomocą napięcia w obwodzie otwartym (V oc ) i prądu w zwarciu (I sc ) oraz współczynnika wypełnienia (FF).
$$P_{max}\:=\:V_{OC}I_{SC}FF$$
Pomiary te należy wykonywać w warunkach standardowych, tj. 25 ° C, masa powietrza 1,5 gm- 3 i energia padająca, G 1000 Wm -2 .
Czynniki wpływające na wydajność ogniwa fotowoltaicznego obejmują:
- Długość fali padającego światła
- Rekombinacja elektronów i dziur
- Opór elektryczny
- Temperature
- Współczynnik wypełnienia
- Współczynnik odbicia materiału
Dlatego, aby zmaksymalizować moc, ogniwo powinno być tak skonstruowane, aby miało większe wypełnienie, tj. Wykorzystaną powierzchnię. Umiejscowienie ogniwa słonecznego również determinuje jego wydajność z dwóch powodów. Po pierwsze, kąt określa poziom odbicia na ogniwie, a po drugie ustawienie określa ilość światła słonecznego przechwytywanego w godzinach od 9:00 do 15:00. Aby uzyskać maksymalną wydajność, ważne jest, aby unikać cieniowania na ogniwach.
Technologia fotowoltaiczna wykorzystuje dwie technologie; postać krystaliczna i amorficzny krzem. Metoda bezpostaciowa jest wciąż nową eksploracją i osiągnięcie optymalnej wydajności może zająć więcej czasu.
Krystaliczne komórki
Technologia krzemu krystalicznego daje dwa rodzaje ogniw fotowoltaicznych -
Mono-crystalline cells- Monokrystaliczne ogniwo słoneczne jest zbudowane z pojedynczego kryształowego cylindra odciętego w celu wytworzenia wszystkich płytek w układzie. Wafle mają kształt okrągły, chociaż czasami można je pociąć na inne odmiany kształtu dla celów użyteczności kryształu. Charakteryzuje się jednolitym niebieskim kolorem. Inne funkcje obejmują -
Stosunkowo wysoka wydajność spośród wszystkich dostępnych obecnie technologii PV.
Najdroższe ogniwa, ponieważ powstają z tego samego kryształu.
Ogniwa są sztywne i muszą być dobrze ustawione i zamontowane na sztywnym podłożu.
Poly-crystalline cells- Są one również znane jako komórki krystaliczne słodowe i są wytwarzane przez odlewanie krzemu do kwadratowej formy. Powstały odlew jest następnie cięty na kilka kwadratowych wafli. Kwadratowy blok składa się z kilku kryształów złożonych z szeregów niebieskich odmian. Jest to technologia stojąca za błyszczącą, podobną do kamieni szlachetnych powierzchnią niektórych paneli słonecznych dostępnych obecnie na rynku. Komórki polikrystaliczne mają różne cechy, w tym -
Nieco mniej wydajne w porównaniu do ogniw monokrystalicznych.
Tańsze niż monokrystaliczne.
Mniejsze straty materiału (oczyszczony silikon).
Biorąc pod uwagę panele słoneczne o tej samej specyfikacji, panel polikrystaliczny jest nieco szerszy niż jego odpowiednik monokrystaliczny.
Amorficzne komórki
Thin-Film PVs- Wykorzystanie bezpostaciowej formy krzemu do produkcji ogniw fotowoltaicznych to nowa technika, którą eksperci wciąż prowadzą, aby ograniczyć wyzwania związane z formami krystalicznymi. Cechy tej technologii to:
Są znacznie tańsze niż obie formy krystaliczne.
Są elastyczne. Dlatego powinny mieć ruchome mocowanie, aby najlepiej wykorzystać tę cechę. Jednak kształt powierzchni powinien być dostosowany do panelu ze względów bezpieczeństwa.
Mniejsza podatność na utratę mocy z powodu wypadania ogniw. Ponadto są mocniejsze w słabo oświetlonym otoczeniu.
Mniej trwały. Stopniowo degenerują się pod względem produkcji energii, zwłaszcza przez pierwszy miesiąc przed uzyskaniem stabilności.
Najmniej wydajna w produkcji energii i dlatego zajmuje większą przestrzeń
Nowa technologia umożliwia montaż panelu na szybach okiennych i zakrzywionych powierzchniach.
Właściwości obwodu fotowoltaicznego
Równoważny obwód ogniwa fotowoltaicznego podano poniżej -
Uzyskany prąd, I ph = powierzchnia ogniwa * natężenie światła, współczynnik odpowiedzi H *, ξ.
Biorąc pod uwagę, Strata wynikająca z rezystancji przez przewodnik = R p
Strata spowodowana nieidealnymi przewodami = R s
Jeśli ogniwo wytwarza prąd I przy napięciu V, wówczas zależność między I i U pojedynczego ogniwa jest wyrażona jako -
Obecny, $I\:=\:I_{ph}-I_{o}[\exp\lgroup\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s}\rgroup}{U_{t}}-1\rgroup]-\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s} \rgroup}{R_{p}}$
Gdzie napięcie termiczne jest podane przez $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$
Temperatura jest w kelwinach i K = 1,38 -23 (stała Bowmana), e = 1,602e -19 .
Uzyskując maksymalne I i U, możemy uzyskać maksymalną moc.
I max jest uzyskiwane, gdy V = 0, tj. Zwarcie, natomiast V max jest uzyskiwane, gdy I = 0, czyli obwód otwarty.
Note - Ogniwa równolegle dodają prąd, podczas gdy ogniwa połączone szeregowo zwiększają napięcie.
Energia geotermalna odnosi się do energii cieplnej przechowywanej pod ziemią przez miliony lat podczas formowania się ziemi. Wykorzystuje bogate zasoby niewykorzystanej energii cieplnej, która istnieje pod skorupą ziemską.
Geothermal energyjest specyficzny dla miejsca, ale może być bardzo tani, zwłaszcza gdy jest używany do bezpośredniego ogrzewania. Oszacowanie mocy z tego źródła jest wyzwaniem, ponieważ występuje ono pod ziemią w ekstremalnie wysokich temperaturach.
Skorupa ziemska ma ogromną energię cieplną (termiczną) zmagazynowaną przez miliony lat. Istnieje ogromna różnica temperatur między skorupą ziemską a powierzchnią. Różnica temperatur jest znana jakogeothermal gradient. Ta energia jest wystarczająca do stopienia skały. Stopiona skała, zwana magmą, czasami wybucha przez pęknięcia na powierzchni ziemi jako wulkany. Energia geotermalna jest przekształcana w energię elektryczną.
Obecność złóż geotermalnych w postaci gorącego płynu geotermalnego jest oznaką dobrego miejsca. Teren powinien mieć płytką warstwę wodonośną, aby umożliwić wtryskiwanie wody. Naturalny produkt geotermalny powinien mieć około 300o F.
Zalety energii geotermalnej
Główne zalety to -
Żadne paliwo nie jest spalane, ponieważ ciepło pochodzi z dużego podziemnego zbiornika. Odnawialne źródło energii mogłoby wyeliminować ryzyko wyczerpania się paliw kopalnych.
Nie powoduje żadnych emisji i wytwarza 10% dwutlenku węgla, czyli bardzo mało w porównaniu z ilością zużywaną przez rośliny.
W przeciwieństwie do innych źródeł energii odnawialnej (słonecznej, wiatrowej i wodnej) nie ma na nią wpływu i zawsze będzie ona dostępna przez cały rok.
Energia geotermalna jest stosunkowo tańsza, zwłaszcza gdy jest wykorzystywana bezpośrednio, na przykład jako źródło ciepła w szklarniach.
Jedyną wadą energii geotermalnej jest uwalnianie siarkowodoru, którego można rozpoznać po charakterystycznym zapachu zgniłych jaj.
Udoskonalone źródła geotermalne (EGS)
W niektórych źródłach geotermalnych woda jest wtryskiwana do studni zawierających złoża geotermalne. Wewnątrz tych osadów woda ulega przegrzaniu, a tym samym zamienia się w parę. Woda jest wypompowywana pod bardzo wysokim ciśnieniem w celu usunięcia szczelin skalnych.
Część energii geotermalnej o niższej temperaturze jest wykorzystywana bezpośrednio jako ciepło. Szklarnie mogą być zasilane tą energią jako regulator temperatury. Technika ta jest również stosowana w rybołówstwie i odzyskiwaniu minerałów.
Zasada polega na wykorzystaniu energii cieplnej poprzez podgrzanie wody do pary. Energia geotermalna wykorzystuje wysokie temperatury poniżej skorupy ziemskiej. Gorąca para lub woda podgrzewa płyn, który z kolei rozszerza się, obracając turbiny wytwarzające energię elektryczną.
Używane są trzy formy. Są następujące -
Elektrownie na suchą parę
Zasadniczo stacje suchej pary wykorzystują parę, która wypływa ze złóż geologicznych, do ogrzewania wtórnego płynu, który obraca turbiny w celu wytwarzania energii elektrycznej. Para pojawia się w temperaturze do 150 stopni, wystarczająco gorącej, aby rozprężyć płyn w elektrowni geotermalnej. To jedna z najstarszych technik geotermalnej energii elektrycznej. Rozszerzanie się płynu wtórnego wytwarza energię mechaniczną potrzebną do obracania turbin w celu wytwarzania energii elektrycznej.
Elektrownie parowe Flash
Woda w studniach pod wysokim ciśnieniem jest zassana do obszaru o niższym ciśnieniu. To przesunięcie ciśnienia powoduje odparowanie pary wodnej o wysokiej temperaturze. Ta para jest oddzielana od wody i używana do podgrzewania płynu, który napędza turbiny w generatorze. Przy tym ciśnieniu gaz ma bardzo wysoką temperaturę.
Elektrownie z cyklem binarnym
Wykorzystanie różnicy temperatur wrzenia, określonych na podstawie gęstości, jest najnowszą stosowaną metodą. W układzie stosowany jest płyn o znacznie niższej temperaturze wrzenia niż woda. Ta metoda wykorzystuje wodę o temperaturze 58 stopni do ogrzania wtórnego płynu o niższej temperaturze wrzenia. Woda podgrzewa płyn i powoduje jego parowanie ze względu na niższą temperaturę wrzenia i powoduje, że turbiny wytwarzają energię elektryczną.
Geofizyka to dziedzina nauki zajmująca się właściwościami ziemi i jej środowisk. Zajmuje się badaniem pól magnetycznych i grawitacyjnych, wewnętrznych właściwości ziemi, obiegów wodnych, tworzenia się złóż mineralnych i relacji słonecznej Ziemi.
Geofizyka specjalizuje się w wyszukiwaniu zasobów pod skorupą ziemską i określaniu potencjalnych zagrożeń, takich jak trzęsienia ziemi. Obejmuje również analizę jakościową w celu określenia najlepszych lokalizacji dla górnictwa, wierceń naftowych i złóż geotermalnych.
Działy Geofizyki
Różne gałęzie geofizyki to -
Study of solid earth- Właściwości stałej ziemi obejmują badania tektoniczne i analizy sejsmiczne pod kątem trzęsień ziemi. Ta gałąź prowadzi badania nad złożami ropy i minerałów. Próbki gleby są analizowane pod kątem wszelkich nietypowych osadów lub tekstur.
Study of water- To badanie wody słodkiej, jak i wody pod powierzchnią ziemi. Badania wody są wykonywane przez hydrologów, którzy analizują obiegi wody i poziom wód gruntowych. Oceanografia, czyli badanie oceanów i gruntów pod dnem, również należy do tej kategorii.
Study of air- Powietrze jest głównym składnikiem ziemi. Badanie powietrza pomaga przewidywać warunki pogodowe i chronić przed ekstremalnymi warunkami, takimi jak huragany.
Life and geophysics- Ważnym czynnikiem jest interakcja organizmów i ziemi. Należy zauważyć, że złoża ropy naftowej powstają głównie w wyniku rozkładu materii. Badane są warunki podziemne, aby ocenić ich wpływ na istnienie organizmów.
Warstwy wodonośne
Niektóre skały, zwane warstwami wodonośnymi, zapewniają dobre środowisko dla naturalnego przepływu wody. Te skały są porowate i przepływa przez nie filtrowana woda. Warstwy wodonośne to najlepsze miejsca, w których wierci się studnie, aby zapewnić stały przepływ wody. Skały, które tworzą dobre warstwy wodonośne, to piasek, granit, konglomerat, piaskowiec i spękane wapno.
Warstwy wodonośne leżą poniżej zwierciadła wody, tak że opady natychmiastowo uzupełniają wodę pompowaną ze studni. Warstwy wodonośne są bardzo ważne w podtrzymywaniu cyklu wodnego Ziemi. Studnie wierci się w warstwach wodonośnych otoczonych nieporowatą skałą. Skały te wytwarzają ciśnienie, które pomaga w pompowaniu wody. Tego typu studnie nazywane są studniami artezyjskimi.
Testy hydrogeologiczne
Hydrogeologia wykorzystuje kilka testów w warstwach wodonośnych, aby uchwycić ich właściwości. Testy te są przeprowadzane w kontrolowanych środowiskach zwanych studniami kontrolnymi.
Trzy główne testy to -
Pumping test- Woda jest wydobywana i pompowana z powrotem do studni w stałych odstępach czasu. W wyniku zmian rejestrowane jest zachowanie sąsiednich studni. Ten test pomaga w określeniu przepuszczalności warstw wodonośnych otaczających studnię.
Slug test- Ślimak oznacza szybką zmianę poziomu wody. W tym teście mierzy się wpływ na sąsiednie studnie i czas potrzebny do odzyskania pierwotnego poziomu. Można to osiągnąć, czerpiąc z jeziora lub pompując wodę do studni, aby drastycznie zmienić poziom.
Constant-head test- Odbywa się to za pomocą eksperymentalnej studni zwanej studnią kontrolną. W studni kontrolnej spadek temperatury można utrzymać na pewnym poziomie. Efekt jest rejestrowany dla sąsiednich studni. Regularne czerpanie ze studni może spowodować uszkodzenie lustra wody. Może to spowodować podciśnienie i spowodować nieprawidłowy przepływ.
Energia wodna hydroelektryczna (HEP) jest głównym odnawialnym źródłem energii używanym obecnie na całym świecie do produkcji energii elektrycznej. Wykorzystuje podstawowe prawa fizyki. Spadająca woda pod wysokim ciśnieniem ma dużą energię kinetyczną. W stacji HEP spadająca woda obraca turbiny. Generator przekształca energię mechaniczną turbin w energię elektryczną za pomocą indukcji magnetycznej.
Elektrownia wodna
Jest to technika wykorzystania wody zaporowej spadającej z wysokości do napędzania turbin generatora. Energia mechaniczna jest przekształcana w postać elektryczną i wprowadzana do krajowej sieci energetycznej. Poniższy schemat przedstawia zarys elektrowni wodnej.
Lokalizacja elektrowni wodnej musi zostać przeanalizowana przez eksperta w celu określenia efektywnej wysokości podnoszenia dla maksymalnej wydajności. Systemy hydrauliczne są również wykorzystywane do wykorzystania tej koncepcji w przypadku wolniejszych i wolno poruszających się strumieni wody.
Jedną z zalet energii wodnej jest to, że po wytworzeniu woda jest dostępna do innych celów. Rzeka o dużym przepływie i spływie wody jest lepszym źródłem energii wodnej.
Natężenie przepływu oznacza prędkość, z jaką woda przepływa przez określony punkt w rzece na sekundę. Głowica odnosi się do pionowej odległości od szczytu zbocza do elektrowni.
W celu podniesienia potencjalnej energii wody buduje się zaporę z dużym spadkiem. Wlot jest umieszczony na dnie, gdzie ciśnienie jest najwyższe. Następnie woda przepływa grawitacyjnie przez zastawkę. Na tym poziomie energia kinetyczna jest wystarczająca do obrócenia turbin.
Szacowanie mocy
Moc w zaporze można oszacować dwoma czynnikami - przepływem wody i głową.
Flowoznacza objętość przepływającą przez dany odcinek rzeki w danym czasie. Przepływ jest wyrażony wm 3 / s.
Head jest pionową odległością, przez którą przepływa woda.
Teoretycznie moc jest wprost proporcjonalna do wyżej wymienionych czynników, tj
P = Q*H*c
Gdzie,
P - oczekiwana moc
Q- przepływ wm 3 / s
H - Głowa w m
c - stała (gęstość * grawitacja)
Dlatego przyjmując gęstość wody jako 1000gm -3 i grawitację 1,9 -
P = 1000*1.9*Q*H
Energia jest potrzebna, aby obrócić turbiny generatora, aby wywołać indukcję elektromagnetyczną.
Magazynowanie szczytowo-pompowe to technika wykorzystywana do recyklingu wody po przejściu przez turbiny. W szczególności magazyn szczytowo-pompowy poprawia ogólną wydajność tamy.
Elektrownia wodna składa się z trzech głównych elementów. Oni są -
Pierwszą jest tama, która tworzy spiętrzenie wody. Woda spada z podstawy tamy z dużą prędkością i dostarcza energię kinetyczną do obracania turbin.
Drugim elementem jest zbiornik. Zbiornik wodny to miejsce za zaporą, w którym gromadzona jest woda. Woda w zbiorniku znajduje się wyżej niż reszta konstrukcji zapory. Wysokość wody w zbiorniku decyduje o tym, ile energii potencjalnej posiada woda. Im wyższa wysokość wody, tym więcej jej energii potencjalnej.
Trzeci element to elektrownia, w której wytwarzana jest energia elektryczna i podłączana do sieci.
Ocena zasobów dla małej instalacji
Przed zainstalowaniem mini-elektrowni wodnej ważne jest, aby zidentyfikować pobliskie zasoby, które można wykorzystać. Dobrym strumienia z dość stałym przepływie (m 3 / s), to wartość zasobów wykorzystania.
Rzeka o dobrym przepływie może wykorzystać prędkość wody do obracania koła wodnego. Zbocza górskie lub wzniesienia najlepiej nadają się do wytwarzania energii wodnej. Jak wspomniano wcześniej, aby określić przybliżoną moc wyjściową, należy wziąć pod uwagę zarówno wysokość, jak i przepływ rzeki.
Znając parametry, przybliżoną moc określa się w następujący sposób -
Head in feet * flow in gallons per meter / 10 = power in Watts
Głowa może mieć również jednostki ciśnienia dla równej rzeki.
Metoda węża
Technika ta jest używana do określania wysokości podnoszenia w niskim strumieniu dla turbiny zanurzonej.
Wymagania dotyczące metody z wężem obejmują elastyczny przewód rurowy (preferowany koń ogrodowy), lejek i materiał pomiarowy. Nurt powinien być na tyle płytki, aby można było przez niego brodzić (przed rozpoczęciem sprawdź głębokość rzeki). Procedura instalacji metody węża z rurką jest opisana poniżej.
Najpierw rozciągnij wąż od miejsca, w którym strumień zaczyna opadać. Po drugie, podnieś koniec węża, aż woda przestanie płynąć. Weź odległość w pionie i powtórz to samo dla innych sekcji, aż osiągniesz preferowaną stronę. Poniższy rysunek ilustruje różne głowice w każdej sekcji.
Determining head
Określanie przepływu
Przepływ normalnego strumienia dla domowej elektrowni wodnej można określić dwoma metodami:
Float method- w tej technice w równej części strumienia wypuszczany jest pływak odmierzonej masy i rejestrowany jest czas potrzebny na pokonanie zmierzonej odległości. Odległość w metrach jest dzielona przez czas potrzebny do uzyskania prędkości w sekundach. Warto zaznaczyć, że pływak nie powinien dotykać podłoża. W przypadku, gdy jest zbyt ciężki i dotyka dna strumienia, można wybrać mniejszy pływak.
Bucket method- Osiąga się to poprzez spiętrzenie strumienia i przekierowanie go do wiadra. Następnie rejestrowany jest współczynnik wypełnienia. Odbywa się to w galonach na sekundę. Użyj łyżki ze standardową miarą, aby uzyskać większą dokładność.
Istnieją dwie szerokie klasyfikacje turbin, mianowicie turbiny impulsowe i turbiny reakcyjne. Wybór turbin zależy od wysokości podnoszenia i przepływu. Inne czynniki do rozważenia to głębokość, koszt i wymagana wydajność.
Turbiny impulsowe
W turbinach impulsowych prędkość wody uderza w kubły wirnika turbiny, aby wytworzyć energię mechaniczną. Po obróceniu koła woda spływa z dna turbiny.
W turbinach impulsowych prędkość wody uderza w kubły wirnika turbiny, aby wytworzyć energię mechaniczną. Po obróceniu koła woda spływa z dna turbiny.
Rodzaje turbin impulsowych
Turbiny impulsowe są dwojakiego rodzaju -
Pelton wheel- Ten typ koła ma dysze, które kierują wodę do napowietrzonej przestrzeni. Woda spada na wiadra biegacza i powoduje moment obrotowy. To koło nie wymaga rur wyciągowych. Opracowano odmianę zwaną turgo-wheel, która wygląda jak łopatki wentylatora zamknięte w krawędziach. Woda po prostu przepływa przez wentylatory i powoduje rotację. Jest przeznaczony do dużych wysokości podnoszenia i niskiego przepływu.
Cross-flow- koło ma przekrój bębnowy z wydłużoną dyszą i kształtem prostokąta. Otwierane kierownice kierują wodę na prowadnicę. Woda przepływa przez łopatki dwukrotnie, gdy wpływa i wypływa.
Turbiny reakcyjne
W turbinach reakcyjnych moc powstaje zarówno z ciśnienia, jak i wpływu poruszającej się wody, ponieważ kanał ściekowy znajduje się w środku strumienia. Są one głównie odpowiednie dla wyższego przepływu i niższej wysokości podnoszenia. Woda uderza we wszystkie ostrza, a nie pojedyncze ostrze naraz.
Turbiny reakcyjne są trzech typów -
Propeller turbinesmieć biegacza z trzema do sześciu ostrzy. Woda nieustannie uderza we wszystkie łopatki pod stałym ciśnieniem, aby zrównoważyć biegacz. Istnieją odmiany turbiny śmigła, to znaczy żarówka, Kaplan, rura i straflo.
Francis turbineużywa prowadnicy z dziewięcioma lub więcej stałymi wiadrami. Woda może przepływać tuż nad turbiną, aby wytworzyć stały ruch wirowy.
Free-fallturbiny wykorzystują energię kinetyczną wody, a nie energię potencjalną wykorzystywaną przez większość turbin. Dlatego są one powszechnie znane jakokineticturbiny. Działają w naturalnym otoczeniu strumieni i rzek. Mogą również działać przy pływach oceanicznych.
Energia wodna mogłaby być wykorzystywana do użytku domowego, gdy istnieje stały przepływ wody. W większości przypadków przepływ i spadek nie zapewniają wystarczającej mocy, aby obrócić konwencjonalne turbiny. Aby rozwiązać ten problem, na rynku są obecnie dostępne małe systemy określane jako mikro-hydro-systemy. Systemy składają się z małych generatorów zainstalowanych w rzekach lub potokach i działają na turbinach impulsowych. W rzeczywistości większość używa koła Peltona.
Elementy elektrowni wodnej
Poniżej przedstawiono główne elementy mikroelektrowni wodnej -
Intake- Generator musi znajdować się w pobliżu wlotu. Można to osiągnąć poprzez spiętrzenie wody w celu ustalenia wymaganej wysokości podnoszenia i wytworzenia ciśnienia.
Penstock- To obszar grawitacyjnego spadku z wlotu. W przypadku projektów mikro-hydroelektrycznych rury są używane od wlotu do kanału prowadzącego turbiny.
Turbines- Rodzaj używanej turbiny zależy od wielkości strumienia i żądanej mocy. W przypadku większości małych hydro wydajne jest koło peltonowe. W przypadku niskiego podnoszenia można zastosować zatapialne turbiny reakcyjne, w którym to przypadku ciśnienie wody obraca łopatki.
Controls- Elementy sterujące zapobiegają przeładowaniu akumulatora. Regulują to, rozdzielając nadmiar mocy na obciążenie zrzutowe.
Dump load- To po prostu alternatywne miejsca docelowe o wysokiej rezystancji używane, gdy bateria jest w pełni naładowana. Mogą obejmować podgrzewacze wody lub nawet system klimatyzacji.
Battery- Systemy mikro-hydro nie wytwarzają dużej mocy, jak konwencjonalne systemy prądu przemiennego. Aby wykorzystać go do różnych potrzeb energetycznych, konieczne jest gromadzenie energii. Baterie zapewniają środki do magazynowania energii do pożądanej ilości. Dostarczają również energię podczas przerw w dostawie energii do systemu.
Metering- Jest to ważne, aby monitorować zużycie energii w odniesieniu do zasilania. Może to pomóc w zrozumieniu ważnych cech systemu, a także w identyfikacji usterek.
Disconnect- W każdej instalacji elektrycznej należy zabezpieczyć przed nadmiernym zasilaniem. W sieci zasilającej należy zainstalować wyłącznik automatyczny, aby zabezpieczyć się przed uszkodzeniem dowolnego gadżetu podłączonego do sieci wodnej.
Hydrauliczna pompa tłokowa działa zgodnie z podstawowymi prawami fizyki, podnosząc wodę wbrew grawitacji na wysokość wyższą niż źródło. Ta pompa działa bez zewnętrznego źródła energii, takiego jak spalanie paliwa. Jedyną energią jest energia kinetyczna pompowanej wody. Im większa głowa, tym większa odległość pompowana.
Jak to działa?
Aby zrozumieć, jak działa pompa suwakowa, należy znać zasadę uderzenia hydraulicznego.
Fluid hammer- Efekt uderzenia hydraulicznego występuje, gdy płyn (w tym przypadku woda) jest gwałtownie zatrzymywany lub jego kierunek nagle się zmienia. Występuje szok ciśnieniowy, a fala jest kierowana z powrotem do źródła płynu. Może to być niebezpieczne zjawisko powodujące pękanie lub zapadanie się opon i rur.
Woda wpływa do pompy przez wlot (5) wraz z energią kinetyczną z głowicy i zamyka zawór (6).
Przy 6 zamkniętych, a 3 początkowo zamkniętych, woda tworzy hummer wodny, który zwiększa ciśnienie w rurze i otwiera zawór (3), wysyłając wodę przez wylot (1).
Ponieważ przepływ jest pod górę, woda płynie powoli i wkrótce znów opada, zamykając 3.
Uderzenie wodne narasta i powtarza się z powrotem przez rurę, wytwarzając siłę ssącą, która otwiera zawór odpływowy 6.
Proces jest powtarzany za każdym razem z rosnącym ciśnieniem.
Etykieta 2 to regulator ciśnienia zawierający powietrze. Amortyzuje wstrząs, gdy 6 jest bliżej, a woda przepływa przez 3. Pomaga chronić rurociąg przed uderzeniami, które mogą prowadzić do pęknięcia, a także wspomaga efekt pompowania. Wydajność barana wynosi od 60 do 80 procent. Nie odzwierciedla to bezpośrednio stosunku pompowanej wody, ponieważ zależy od pionowej wysokości pompowanej wody. Innymi słowy, jest to efektywność efektu pompowania energii z efektu hummera wodnego.
Rozwiązany Przykład 1
Oblicz szacunkową moc dla turbiny o sprawności 85%. Przepływ rzeki wynosi 80 metrów sześciennych na sekundę, a ujęcie strumieni znajduje się 147 metrów od lokalizacji turbin generatora.
Solution -
Moc jest wyrażona jako W = sprawność * wysokość podnoszenia * przepływ * gęstość * grawitacja
Przeliczając gęstość właściwą wody na jednostki SI otrzymujemy 1000kgm -3
Zastępowanie wartości we wzorze -
P = 0,85 * 1000 * 80 * 9,81 * 147
P = 97 megawatów
Rozwiązany Przykład 2
Biorąc pod uwagę faktyczną moc otrzymaną w danym dniu, 1,440 000 kWh; obliczyć sprawność generatora. Załóżmy, że grawitacja wynosi 9,81 ms -2 . Gęstość właściwa wody 1 gcm -3 .
Solution -
Biorąc pod uwagę: 1 dzień dostawy = 288000 kWh
Moc = 1440000/24
= 60 mW
Wydajność = zasilanie / oczekiwana moc * 100
= 60/97 * 100
Wydajność systemu wynosi 66,67%.
W starożytności do poruszania żaglami statków używano wiatru. W tym rozdziale zobaczymy, jak energia wiatru jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej.
ZA turbineprzekształca energię kinetyczną wiatru w użyteczną energię mechaniczną. Energia ta może być wykorzystywana w postaci mechanicznej lub obracać turbiny generatora i dostarczać energii elektrycznej. Podobnie jak w przypadku elektrowni wodnych, energia wiatru jest wykorzystywana poprzez zamianę energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną.
Turbiny wiatrowe są w dużej mierze podzielone na dwa typy - turbiny wiatrowe z osią poziomą i turbiny wiatrowe z osią pionową. W dzisiejszych czasach coraz częściej pojawiają się duże obszary z turbinami wiatrowymi, czyli farmami wiatrowymi.
Charakterystyka wiatru
Istnieją ogólne cechy wiatru, podczas gdy inne są bardziej specyficzne dla tego miejsca. Niektóre cechy charakterystyczne witryny obejmują:
Mean wind speed - To szacuje roczną wydajność wiatru, chociaż nie podaje rozkładów.
Wind speed distribution- Istnieją trzy aspekty, a mianowicie charakterystyka roczna, dobowa i sezonowa. Zrozumienie zmian prędkości wiatru i rozprzestrzeniania się jest konieczne przy wyborze miejsca.
Turbulance- To chaotyczny ruch wiatru w nieprzewidywalnych wzorach. Turbulencja wynika ze stale zmieniających się właściwości ruchu wiatru, które mają wpływ na produkcję energii i zmęczenie łopat.
Long term fluctuation- Nieregularny wiatr powoduje nieprzewidywalne dostawy energii. Przed ustawieniem turbiny wiatrowej należy zbadać obszar pod kątem stałego strumienia wiatru.
Distribution of wind direction - Ma to większe znaczenie przy ustawianiu łopatek, zwłaszcza w przypadku osi poziomych.
Wind shear - Ścinanie to zmiana kierunku wiatru, prędkości lub wysokości, na której występuje maksymalna prędkość.
Wzorce prędkości wiatru
Wzorce wiatru są ważne i często są analizowane za pomocą pliku wind spectrum. Wysoka wartość widma wiatru oznacza dużą zmianę prędkości wiatru w danym przedziale czasu. Jeśli są reprezentowane na wykresie, piki przedstawiają turbulencje, które pojawiają się w czasie.
Rozkład prędkości wiatru
Istnieją trzy dystrybucje -
Diurnal - Spowodowane różnicą temperatur w dzień iw nocy.
Depressions - Występują w czterodniowych odstępach wzdłuż wybrzeża.
Annual - Dystrybucja zależy od szerokości geograficznej.
Aby zrozumieć energetykę wiatrową, podpisujemy się pod teorią zachowania masy i zachowania energii. Zakłada się, że kanał pokazany poniżej reprezentuje wiatr wpływający i wypływający z łopatek turbiny.
Zakłada się, że prędkość V a jest średnią z V 1 i V 2 . Energia kinetyczna na ujściu rury jest podawana przez -
KE = 1/2 mV 2
KE zmienionej energii = 1/2 mV 1 2 - 1/2 mV 2 2
1/2 m (V 1 2 - V 2 2 )
Ponieważ m = pAV a to zmiana KE, Pk = 1/2 pAV a (V 1 2 - V 2 2 )
Przy dalszym uproszczeniu szacunkowa energia wiatru jest podawana jako -
KE, pk = 0,5925 * 1 / 2pAV 1 3
Teoria elementu ostrza
Teoria elementu łopatkowego zakłada, że przepływ w danej części łopatki turbiny wiatrowej nie wpływa na sąsiednie części. Ten podział na ostrzu nazywa się pierścieniem. Pęd jest obliczany dla każdegoannulus. Wszystkie otrzymane wartości są następnie sumowane, aby przedstawić łopatę, a tym samym całe śmigło.
Zakłada się, że na każdym pierścieniu została indukowana równo rozłożona prędkość.
Dopasowanie dynamiczne
Zastosowano model dynamicznego napływu, aby ulepszyć oszacowania za pomocą teorii Blade Element i Momentum. Podstawowa koncepcja teorii dynamiki przepływu pomaga oszacować wpływ turbulencji łopatek. Przemiatanemu obszarowi nadaje się stan dynamiczny, aby pomóc w uzyskaniu oszacowania średniej prędkości.
Teoria BEM podaje szacunki tylko przy stałym wietrze, ale jest oczywiste, że turbulencje muszą wystąpić. Jest to jednak uwzględnione w podstawowym modelu dynamicznych wpływów, aby zapewnić bardziej realistyczne oszacowanie.
Wiadomo, że wytwarzana energia wiatru, zwłaszcza w przypadku osi poziomej, jest iloczynem prędkości końcówki, całkowitej liczby użytych łopatek i stosunku siły nośnej do oporu boku z płatem. Ponowne dostosowanie do nowego ustalonego stanu równowagi jest dobrze wyjaśnione przezDynamic Inflow Method (DIM).
Metoda dynamicznego przepływu
DIM jest również znany jako dynamiczna teoria budzenia i opiera się na przepływie indukowanym, który zwykle nie jest stały. Oblicza dopływ prostopadle do wirnika, biorąc pod uwagę jego wpływ na przepływ dynamiczny.
Uwzględnia to po prostu efekt śladu lub po prostu prędkość powietrza ustawioną pionowo względem wirników, spowodowaną obracaniem się łopatek. Zakłada jednak, że prędkość styczna jest stała. Jest to określane jakoWake effect a jego opór obniża sprawność turbiny wiatrowej.
Generowanie elektryczności
Energia kinetyczna wiatru jest zamieniana na energię elektryczną przez turbiny wiatrowe. Wykorzystują starożytną koncepcję używaną w wiatrakach, chociaż z nieodłączną technologią, taką jak czujniki, do wykrywania kierunku wiatru. Niektóre turbiny wiatrowe mają układ hamulcowy zatrzymujący się w przypadku silnego wiatru, aby chronić wirnik i łopaty przed uszkodzeniem.
Do wału wirnika są podłączone koła zębate, które przyspieszają łopatki do prędkości odpowiedniej dla generatora. Wewnątrz generatora zachodzi indukcja elektromagnetyczna (podstawowa metoda konwersji energii mechanicznej na elektryczną). Wał obraca cylindryczny magnes względem cewki z drutu elektrycznego.
Cała energia elektryczna z turbin w elektrowni wiatrowej jest asymilowana w systemie sieciowym i przekształcana w wysokie napięcie. W rzeczywistości jest to konwencjonalna technika przesyłania energii elektrycznej w systemie sieciowym.
Potrzebne są łopatki o dużej powierzchni, chociaż powinno to być określone przez hałas, który wynika z szerokich ostrzy. Farma wiatrowa może mieć do 100 generatorów, co spowoduje większy hałas.
Istnieją dwie szerokie klasyfikacje turbin wiatrowych -
- Turbiny wiatrowe o osi poziomej (HAWT)
- Turbiny wiatrowe z osią pionową (VAWT)
Omówmy trochę szczegółowo te dwa typy turbin wiatrowych.
Turbiny wiatrowe z osią poziomą
Są to turbiny przypominające wiatraki z górną częścią wału skierowaną w kierunku wiatru. Ponieważ muszą być skierowane w kierunku wiatru, mniejsze turbiny są kierowane przez łopatki wiatrowe zamontowane na konstrukcji. Większe turbiny mają czujniki wiatru z serwomechanizmem do obracania turbin.
Są również wyposażone w skrzynie biegów, które przyspieszają powolne obroty, aby były wystarczająco mocne dla turbin generatora. Ostrza są wystarczająco sztywne, aby uniknąć złamania lub zgięcia z powodu obracającego się momentu wiatru.
Ten typ jest zamontowany na wieży; stąd doświadczają wiatrów o dużej prędkości. Są lekko wygięte, aby zmniejszyć obszar zamiatania. Niższy obszar zamiatania zmniejsza opór, co może powodować zmęczenie i awarię.
Turbiny wiatrowe z osią pionową
Główny korzeń jest zamontowany na pionowym wale. Eliminuje to trudności związane z poziomymi turbinami wiatrowymi. Podtypy obejmują -
Turbina wiatrowa Darius
Jest to również znane jako turbina ubijaka do jajek i przypomina ogromną trzepaczkę do jajek. Jest wydajny, ale może mieć więcej przestojów, a tym samym mniej niezawodny. Aby poprawić solidność (powierzchnia łopatek nad powierzchnią wirnika), należy użyć co najmniej trzech łopatek.
Savonious Wind Turbine
Te typy mają większą niezawodność niż turbiny Dariusa. Problem w tym, że nie da się ich zamontować na szczycie wież. Dlatego narażone są na burzliwe i nieregularne wiatry. Ponieważ są to turbiny typu przeciągania, są mniej wydajne w porównaniu do HAWT. Zaletą jest to, że są w stanie wytrzymać ekstremalne turbulencje.
Większość VAWT nie może sam się uruchomić i wymaga zewnętrznej energii, aby wywołać wstrząs. Aby uzyskać optymalną wydajność, VAWT należy montować na dachach. Dach kieruje wiatr do łopatek.
Biomassoznacza organizmy żywe i te, które niedawno zmarły. Nie obejmuje tych organizmów, które są już przekształcone w paliwo kopalne. W produkcji energii odnosi się do odpadów, które są wykorzystywane do wytwarzania energii w drodze spalania.
Metody konwersji na biopaliwa są liczne iw dużej mierze klasyfikowane jako chemical, thermal i biochemical. To najstarsze i najbardziej rozpowszechnione źródło energii odnawialnej. Posiada wiele metod konwersji.
Direct combustionbyła tradycyjnie praktykowana przy użyciu paliwa drzewnego. Zaawansowane procesy, takie jakpyrolysis(proces wytwarzania węgla drzewnego), fermentacja i rozkład beztlenowy przekształcają te źródła w gęstsze i łatwiejsze do transportu formy, takie jak olej i etanol. Węgiel jest produktem procesu pirolizy, który wzmacnia materię, spalając ją pod nieobecność tlenu.
Bio-fuelto termin odnoszący się do paliwa pochodzącego z biomasy. Jak wspomniano wcześniej, biomasa to każda materia organiczna, zarówno żywa, jak i martwa, od roślin po odpady organiczne. W większości przypadków biomasa bogata w olej lub cukier jest idealna do produkcji energii.
Termin bio-energyodnosi się do energii uzyskanej z organizmów żywych lub martwych. Nie dotyczy to paliw kopalnych. Biopaliwa moglibyśmy klasyfikować według ich źródeł lub według generacji.
Klasyfikacja biopaliw według źródła
Wood fuel- Pochodzi z drzew, krzewów lub krzewów. Przykłady paliwa drzewnego obejmują węgiel drzewny i drewno.
Agro-fuels- Otrzymywany z biomasy produktów rolnych, takich jak martwe plony lub z innych części roślin, takich jak zboża. Paliwo pochodzenia rolniczego pochodzi głównie z upraw cukrowych i oleistych.
Municipal by-products- Pochodzi z odpadów zebranych w większych miastach. Istnieją dwie kategorie odpadów komunalnych. Biopaliwo stałe pochodzi z bezpośredniego spalania odpadów stałych z przemysłu lub instytucji komercyjnych. Biopaliwo ciekłe / gazowe otrzymywane jest w wyniku fermentacji zebranych odpadów.
Klasyfikacja biopaliw według generacji
First generation- Przetwarzane z cukrowego oleju roślinnego i tłuszczów zwierzęcych wytłaczanych do oleju w celu spalania w silnikach lub fermentowane i przetwarzane na etanol w tym samym celu. Końcowymi produktami są oleje, biodiesel, alkohol, gaz syntezowy, biopaliwo stałe i biogaz.
Second generation- Pochodzi z celulozy i odpadów (niespożywczych). Odpady te pochodzą z łodyg upraw i drewna, biowodoru, bioalkoholu, dimetyloformamidu DMF, oleju napędowego z drewna, mieszanego alkoholu i bio-eteru dimetylowego DME.
Third generation- Występuje w algach, uważa się, że zapewnia wysoką wydajność energii przy niskich kosztach. Energia z alg znana jest jako olej-gae.
Materiał organiczny przekształca się w użyteczną formę zwaną bioenergią. Materiały używane w procesie produkcji energii nazywane są surowcem.
Aby lepiej zrozumieć biomasę, najpierw zbadamy różne źródła.
Produkcja biomasy odnosi się do wzrostu ilości materii organicznej. Jest to dodanie materii organicznej na danym obszarze lub populacji. Biomasa jest uważana za energię odnawialną, ponieważ jest uzupełniana w miarę wzrostu roślin i zwierząt.
Istnieją dwie formy produkcji -
Primary productionodnosi się do wytwarzania energii przez rośliny poprzez fotosyntezę. Wytworzona nadwyżka energii jest magazynowana i dodaje się do całkowitej biomasy w ekosystemie. Produkcja podstawowa mogła być oszacowana na podstawie całkowitej lesistości w danym roku.
Secondary productionto wchłanianie przez organizmy materii organicznej jako tkanek ciała. Obejmuje to spożycie przez zwierzęta, tj. Karmienie innych zwierząt lub roślin. Obejmuje również rozkład materii organicznej przez mikroorganizmy. Produkcja wtórna może być oszacowana jako całkowita produkcja mięsa w ciągu roku.
Chociaż biomasę można zmierzyć jako masę organizmów żyjących i martwych w danym środowisku, trudniej jest oszacować produkcję. Można to oszacować jedynie jako wzrost objętości, chociaż część dodatkowej biomasy mogła zostać zastąpiona naturalnymi procesami.
Spalanie bezpośrednie na ciepło
Bezpośrednie spalanie na ciepło jest najstarszą metodą konwersji biomasy na energię od czasów najwcześniejszych cywilizacji. Konwersję termochemiczną (spalanie) można osiągnąć na wiele sposobów, stosując zróżnicowane surowce.
Samodzielne spalanie
Generatory na bazie biomasy wykorzystują olej napędowy pochodzący z olejów roślinnych do napędzania generatorów diesla. Generatory spalają organiczny olej napędowy, aby wytworzyć energię do produkcji energii elektrycznej.
Wiadomo, że elektrociepłownie w skojarzeniu wytwarzają energię elektryczną i użyteczną energię cieplną. Przemysł ceramiczny wykorzystuje ciepło do suszenia produktów, takich jak płytki ceramiczne.
Niektóre elektrownie wykorzystują biomasę do podgrzewania wody i wytwarzania pary do produkcji energii elektrycznej. Biomasa jest spalana, aby wytworzyć ciepło wystarczające do zagotowania wody.
Miejskie zakłady odpadów stałych spalają odpady stałe w celu wytwarzania energii elektrycznej. Ten typ jest podatny na krytykę, ponieważ odpady stałe zawierają głównie toksyczne gazy z tworzyw sztucznych i włókien syntetycznych.
Współspalanie biomasy
Oprócz samodzielnego spalania biomasa może być mieszana z innymi paliwami kopalnymi i spalana w celu wytworzenia energii. Nazywa się to współspalaniem.
Biomasa może być spalana bezpośrednio jako węgiel. Nazywa się to bezpośrednim współspalaniem.
W innych przypadkach biomasa jest najpierw przetwarzana na gaz, a następnie przekształcana w gaz syntezowy.
W trzecim przypadku paliwo kopalne jest spalane w innym piecu, a wytworzona energia jest następnie wykorzystywana do podgrzewania wody w elektrowni parowej.
Rodzaje spalania
Różne rodzaje spalania to -
Fixed bed combustion - Jest to metoda, w której biomasa stała jest najpierw cięta na małe kawałki, a następnie spalana na płaskiej, stałej powierzchni.
Moving bed combustion- W tej metodzie ruszt jest ustawiony na ciągły i równomierny ruch, pozostawiając popiół. Paliwo spala się na poziomach spalania.
Fluid-bed combustion- Paliwo gotuje się pod wysokim ciśnieniem zmieszane z piaskiem. Piasek służy do równomiernego rozprowadzania ciepła.
Burner combustion - W tej metodzie pył drzewny i drobny pył umieszcza się w palniku podobnym do paliwa płynnego.
Rotary furnace combustion- Piec piecowy służy do spalania materii organicznej o dużej wilgotności. W ten sposób spalane są takie odpady jak resztki jedzenia lub inne wilgotne odpady rolnicze.
Piroliza
Pyrolysisto kolejna forma przetwarzania biopaliw poprzez spalanie w bardzo wysokich temperaturach bez tlenu, co może spowodować całkowite spalenie. Powoduje to nieodwracalne zmiany fizyczne i chemiczne. Brak procesów utleniania lub halogenowania skutkuje powstaniem bardzo gęstego biopaliwa, które można wykorzystać do spalania, współspalania lub przekształcić w gaz.
Slow pyrolysiswystępuje przy około 400oC. Jest to proces wytwarzania węgla drzewnego.
Fast pyrolysiswystępuje w temperaturze od 450 ° C do 600 ° C i powoduje powstawanie gazu organicznego, oparów pirolizy i węgla drzewnego. Para jest przetwarzana przez kondensację do postaci płynnej jako bioolej. Należy to zrobić w ciągu 1 sekundy, aby zapobiec dalszej reakcji. Powstała ciecz jest ciemnobrązową cieczą, gęstszą niż biomasa drzewna i ma taką samą zawartość energetyczną.
Bio-olej ma wiele zalet. Łatwiej jest transportować, spalać i przechowywać. Przez pirolizę można przetwarzać wiele rodzajów surowców do produkcji biooleju.
Poniższy diagram wyjaśnia proces konwersji energii z biopaliw do postaci użytkowej poprzez pirolizę.
Fermentacja alkoholowa
Fermentacja alkoholowa to proces, który przekształca cukry w celulozę. Proces prowadzi do powstania etanolu i dwutlenku węgla jako produktów ubocznych. Ten proces jest uważany za beztlenowy, ponieważ odbywa się przy braku tlenu. Oprócz wypieku chleba i produkcji napojów alkoholowych w procesie tym powstaje paliwo alkoholowe. Wzór chemiczny fermentacji alkoholowej jest określony przez -
$C_{6}H_{12}O_{6}+yeast\longrightarrow\:2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$
Trzcina cukrowa jest głównym surowcem do tego procesu, szczególnie w suchym środowisku. Kawałki kukurydzy lub cukru są używane w obszarach o klimacie umiarkowanym.
Zastosowanie produktów
Produkty mają następujące zastosowania -
Acetone to produkt służący do produkcji dodatków do żywności, rozpuszczania klejów, rozcieńczania farb, odtłuszczaczy oraz w produktach kosmetycznych.
Hydrogenstosowany jest jako środek chłodzący w energetyce. Jest również stosowany w ogniwach wodorowych do produkcji energii.
Butanolzapewnia lepsze paliwo niż etanol. Jest również stosowany jako składnik farb, produktów kosmetycznych, żywic, barwników, ekstrakcji polimerów oraz do produkcji włókien syntetycznych.
Ethanoljest stosowany jako paliwo, składnik farb i dodatek w środkach antyseptycznych. Jest również stosowany w napojach alkoholowych.
Fermentacja beztlenowa biogazu
Anaerobic digestionto proces biologiczny, w którym materia organiczna jest rozkładana w celu wytworzenia biogazu przy braku tlenu. Mikroorganizmy, takie jak bakterie kwasogenne i acetogeny, przekształcają biodegradowalną materię w biogaz. Jest to nie tylko źródło energii, ale także metoda składowania odpadów i technika ochrony środowiska.
Główne równanie tej konwersji, która daje dwutlenek węgla i metan, jest następujące -
$C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow\:3CO_{2}+3CH_{4}$
Proces krok po kroku jest wyjaśniony poniżej -
Step 1- Rozkład materii organicznej na duże cząsteczki w celu konwersji. Ten proces jest znany jako hydroliza.
Step 2- Kwasogeny działają na rozłożoną materię, przekształcając je w lotne kwasy tłuszczowe (VFA) wraz z amoniakiem, CO2 i siarkowodorem. Proces ten nazywa się kwasogenezą.
Step 3 - VFA są dalej rozkładane na kwas octowy, dwutlenek węgla i wodór.
Step 4 - Ostatnim etapem jest połączenie powyższych emisji w celu wytworzenia metanolu, dwutlenku węgla i wody.
