พลังงานทดแทน - คู่มือฉบับย่อ

Renewable energyเป็นคำที่ใช้เพื่ออ้างถึงรูปแบบของพลังงานที่ได้รับตามธรรมชาติจากสิ่งแวดล้อมและจากแหล่งที่สามารถเติมเต็มได้ตามธรรมชาติ ซึ่งรวมถึงพลังงานแสงอาทิตย์พลังงานลมพลังงานความร้อนใต้พิภพพลังงานน้ำและชีวมวล

คำว่าพลังงานหมุนเวียนไม่ควรสับสนกับพลังงานทางเลือกซึ่งอธิบายถึงแหล่งที่มาของพลังงานนอกรูปแบบปกติเช่นน้ำมันเบนซินที่ถือว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าหรือเป็นอันตรายน้อยกว่า

ข้อดีของพลังงานทดแทน

ข้อดีของการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนคือ -

  • ค่าบำรุงรักษาน้อยลงเนื่องจากแหล่งที่มาส่วนใหญ่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยหรือไม่มีเลยดังนั้นความเสียหายทางกลจึงน้อยลง

  • ประหยัดและสามารถลดค่าใช้จ่ายในการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล

  • พวกมันปล่อยของเสียออกสู่สิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย

  • แหล่งพลังงานหมุนเวียนไม่ทำให้หมดไป ดังนั้นสิ่งเหล่านี้จึงมีโอกาสที่ดีกว่าสำหรับอนาคต

แหล่งที่มาของพลังงานแสงอาทิตย์

บทช่วยสอนนี้อธิบายถึงแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่สำคัญ 5 แหล่ง แหล่งข้อมูลแต่ละรายการจะได้รับการตรวจสอบโดยย่อแม้ว่าจะมีการอภิปรายรายละเอียดในบทต่อ ๆ ไป

  • Solar energy- พลังงานจากดวงอาทิตย์เรียกว่าพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานแสงอาทิตย์สามารถใช้เป็นพลังงานแสงอาทิตย์แบบแอคทีฟหรือพลังงานแสงอาทิตย์แบบพาสซีฟ พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้งานจะถูกใช้โดยตรงในกิจกรรมต่างๆเช่นการอบผ้าและทำให้อากาศร้อนขึ้น เทคโนโลยีได้ให้หลายวิธีในการใช้ทรัพยากรที่มีอยู่มากมายนี้

  • Geothermal energy- หมายถึงพลังงานความร้อนที่เก็บไว้ใต้พื้นดินเป็นเวลาหลายล้านปีผ่านการก่อตัวของโลก มันใช้แหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์มากมายซึ่งมีอยู่ภายใต้เปลือกโลก

  • Hydro-power - นี่คือแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่สำคัญที่ใช้กันทั่วโลกในปัจจุบันเพื่อผลิตไฟฟ้า

  • Wind energy - ในสมัยโบราณใช้พลังงานลมในการเคลื่อนเรือโดยกระทบกับใบเรือ

  • Biomass energy - ในการสร้างพลังงานหมายถึงพืชเสียที่นำมาใช้เพื่อสร้างพลังงานโดยการเผาไหม้

พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่ได้จากการจับความร้อนและแสงจากดวงอาทิตย์ พลังงานจากดวงอาทิตย์เรียกว่าพลังงานแสงอาทิตย์ เทคโนโลยีได้ให้หลายวิธีในการใช้ทรัพยากรที่มีอยู่มากมายนี้ ถือเป็นเทคโนโลยีสีเขียวเพราะไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก พลังงานแสงอาทิตย์มีอยู่มากมายและถูกนำมาใช้ประโยชน์มานานแล้วทั้งในรูปแบบไฟฟ้าและเป็นแหล่งความร้อน

เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์สามารถแบ่งได้กว้าง ๆ ว่า -

  • Active Solar- เทคนิคพลังงานแสงอาทิตย์แบบแอคทีฟ ได้แก่ การใช้ระบบเซลล์แสงอาทิตย์พลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้นและการทำน้ำร้อนจากแสงอาทิตย์เพื่อควบคุมพลังงาน พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้งานจะถูกใช้โดยตรงในกิจกรรมต่างๆเช่นการอบผ้าและทำให้อากาศร้อนขึ้น

  • Passive Solar - เทคนิคแสงอาทิตย์แบบพาสซีฟ ได้แก่ การวางแนวอาคารให้ตรงกับดวงอาทิตย์การเลือกวัสดุที่มีมวลความร้อนที่ดีหรือคุณสมบัติการกระจายแสงและการออกแบบช่องว่างที่หมุนเวียนอากาศตามธรรมชาติ

การแปลงพลังงานแสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่ได้จากการจับความร้อนและแสงจากดวงอาทิตย์ วิธีการรับไฟฟ้าจากแสงแดดเรียกว่าวิธีโฟโตโวลเทอิก ทำได้โดยใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์

อีกรูปแบบหนึ่งของการได้รับพลังงานแสงอาทิตย์คือการใช้เทคโนโลยีความร้อนซึ่งให้วิธีการแตะพลังงานสองรูปแบบ

  • ประการแรกคือความเข้มข้นของแสงอาทิตย์ซึ่งมุ่งเน้นพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อขับเคลื่อนกังหันความร้อน

  • วิธีที่สองคือระบบทำความร้อนและทำความเย็นที่ใช้ในการทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์และเครื่องปรับอากาศตามลำดับ

ขั้นตอนการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าเพื่อใช้พลังงานในกิจกรรมประจำวันมีดังต่อไปนี้ -

  • การดูดซับพลังงานที่มีอนุภาคในรังสีของดวงอาทิตย์เรียกว่าโฟตอน

  • การแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ภายในเซลล์แสงอาทิตย์

  • การรวมกันของกระแสจากหลายเซลล์ ขั้นตอนนี้จำเป็นเนื่องจากเซลล์เดียวมีแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 0.5 V

  • การแปลง DC ผลลัพธ์เป็น AC

ในบทต่อไปเราจะเรียนรู้วิธีการไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า

จำเป็นอย่างยิ่งที่เราต้องมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับ PN Junctions ก่อนที่จะไปเรียนรู้แนวคิดของ Photovoltaic Effect

ทางแยก PN

PN Junction ถูกคิดค้นโดยห้องทดลองของ Russell of Bell ในสหรัฐอเมริกา หมายถึงจุดเชื่อมต่อระหว่างเซมิคอนดักเตอร์สองตัวนั่นคือ P-Type และ N-type รัสเซลค้นพบว่าสารกึ่งตัวนำทั้งสองมีพฤติกรรมที่น่าสนใจที่จุดเชื่อมต่อที่ทำให้เกิดการนำไฟฟ้าในทิศทางเดียวเท่านั้น

สารกึ่งตัวนำชนิด P มีรู (ไม่มีอิเล็กตรอน) เป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่ สารกึ่งตัวนำ Ntype มีอิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่

ในแผนภาพด้านบนที่ทางแยก -

  • ประจุไฟฟ้าพิเศษจะกระจายไปยังทางแยกที่อยู่ตรงข้ามกันทำให้ประจุบวกของฝั่ง p ได้รับประจุลบและทำให้เป็นกลาง

  • ในทำนองเดียวกันเชิงลบที่ด้าน N จะได้รับประจุบวกและทำให้เป็นกลาง

  • สิ่งนี้ก่อให้เกิดระยะขอบ (m) ที่ด้านใดด้านหนึ่งซึ่งประจุไฟฟ้าพิเศษจะหมดลงเพื่อทำให้พื้นที่นี้เป็นกลางและอยู่ในสภาวะสมดุล ภูมิภาคนี้เรียกว่าไฟล์depletion layer และไม่มีการเรียกเก็บเงินจากด้านใดด้านหนึ่ง

  • ชั้นพร่องมีอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นและต้องใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกเพื่อเอาชนะมัน กระบวนการนี้เรียกว่าbiasing.

  • เพื่อดำเนินการใน forward biasingแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ควรปั๊มอิเล็กตรอน (ลบ) จากทางแยก n ไปทางด้าน p ของทางแยก การไหลอย่างต่อเนื่องของกระแสไฟฟ้าจะรับประกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่องเพื่อเติมเต็มรูดังนั้นการนำไปสู่ชั้นการพร่อง

  • การกลับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในกระบวนการที่เรียกว่า reverse biasingทำให้รูและอิเล็กตรอนลอยออกจากกันทำให้ชั้นพร่องเพิ่มขึ้น

  • โหลดภายนอกเชื่อมต่อกับเซลล์แสงอาทิตย์โดยมีขั้วบวกเชื่อมต่อกับเวเฟอร์ด้าน N และขั้วลบกับเวเฟอร์ด้าน P ความต่างศักย์ถูกสร้างขึ้นโดยphotovoltaic ผลกระทบ

กระแสไฟฟ้าที่ได้รับจากอิเล็กตรอนแทนที่ด้วยโฟตอนไม่เพียงพอที่จะให้ความต่างศักย์อย่างมีนัยสำคัญ กระแสจึงถูกกักไว้เพื่อทำให้เกิดการชนกันต่อไปและปล่อยอิเล็กตรอนออกมามากขึ้น

เอฟเฟกต์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

เซลล์แสงอาทิตย์ใช้แนวคิดของทางแยก pn ในการจับพลังงานแสงอาทิตย์ รูปต่อไปนี้แสดงระดับเฟอร์มิของเซมิคอนดักเตอร์

เพื่อให้เซมิคอนดักเตอร์เป็นตัวนำอิเล็กตรอนจะต้องข้ามช่องว่างพลังงานจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนเหล่านี้ต้องการพลังงานบางส่วนเพื่อขับไล่และเคลื่อนที่ข้ามช่องว่างความจุ ในเซลล์แสงอาทิตย์โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์จะให้พลังงานที่จำเป็นในการเอาชนะช่องว่าง

เหตุการณ์โฟตอนบนพื้นผิวอาจถูกดูดซึมสะท้อนหรือส่งผ่าน หากสะท้อนหรือถ่ายทอดออกไปก็ไม่ได้ช่วยขับอิเล็กตรอนออกไปและจะสูญเปล่า ดังนั้นโฟตอนจะต้องถูกดูดซับเพื่อให้พลังงานที่จำเป็นในการขับไล่และเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนข้ามช่องว่างความจุ

ถ้า E phคือพลังงานของโฟตอนและ EG เป็นพลังงานเกณฑ์ที่จะข้ามช่องว่างพลังงานผลลัพธ์ที่เป็นไปได้เมื่อโฟตอนกระทบพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำคือ -

  • Eph < EG - ในกรณีนี้โฟตอนไม่ถึงเกณฑ์และจะผ่านไป

  • Eph = EG - โฟตอนมีเกณฑ์ที่แน่นอนในการขับไล่อิเล็กตรอนและสร้างคู่อิเล็กตรอนแบบรู

  • Eph > EG- พลังงานโฟตอนเกินเกณฑ์ สิ่งนี้จะสร้างคู่อิเล็กตรอน - รูแม้ว่าจะเป็นของเสียเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่กลับลงมาตามช่องว่างของพลังงาน

การดูดซับรังสีดวงอาทิตย์

ในกรณีส่วนใหญ่ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมของเซมิคอนดักเตอร์จะใช้เพื่อกำหนดประสิทธิภาพในการดูดซับพลังงานจากดวงอาทิตย์ ค่าสัมประสิทธิ์ต่ำหมายถึงการดูดซึมที่ไม่ดี ดังนั้นโฟตอนจะไปได้ไกลแค่ไหนจึงเป็นปัจจัยของทั้งค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืน ( α ) และความยาวคลื่นของรังสี ( λ )

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

โดยที่kคือสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์

ในการสร้างแผงโซลาร์เซลล์เราต้องใช้เซลล์แสงอาทิตย์หลายเซลล์ที่ทำจากซิลิกอนเจือตามที่ได้กล่าวไปแล้ว เซลล์เหล่านี้เชื่อมต่อเป็นอนุกรมเพื่อเพิ่มกระแสที่เป็นผลลัพธ์ สิ่งนี้ทำให้แถบของเซลล์คลัสเตอร์เรียกว่าโมดูล โมดูลเดียวสามารถสร้างเป็นแผงโซลาร์เซลล์หรือรวมกับโมดูลอื่น ๆ ในกรณีที่ต้องใช้แผงขนาดใหญ่

แผงโซลาร์เซลล์ประกอบด้วยหลายชั้นที่ประกบเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ชั้นเหล่านี้ใช้เพื่อปกป้องเซลล์ที่เปราะบาง

ภาพประกอบของเลเยอร์ได้รับด้านล่าง -

เลเยอร์ประกอบด้วยส่วนต่างๆดังต่อไปนี้ -

  • Cover Glass- นี่คือฝาด้านบนและโปร่งใสเพื่อให้แสงเข้า ช่วยป้องกันเซลล์จากความเสียหายทางกล ทำจากแก้วเนื้อแข็งเพื่อป้องกันรอยขีดข่วน

  • Non-reflective layer- ซิลิคอนสามารถสะท้อนแสงอาทิตย์ได้เกือบทั้งหมด ดังนั้นชั้นนี้จึงใช้เพื่อต่อต้านสิ่งนี้และให้แน่ใจว่ามีการดูดซึมโฟตอนสูงสุด กล่าวอีกนัยหนึ่งคือช่วยเพิ่มการดูดซึมสูงสุด

  • Contact grid- ในเลเยอร์นี้ผู้ติดต่อทั้งหมดที่เชื่อมต่อจากบนลงล่างของเซลล์จะเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน หน้าสัมผัสขยายไปยังส่วนภายนอกของแผงควบคุมเช่นตัวควบคุมประจุกล่องรวมและที่เก็บแบตเตอรี่หรือระบบกริด

  • P and N Silicon plates- ชั้นนี้เป็นการรวมกันของสองชั้น - ชั้น Ndoped ซิลิคอนและชั้นซิลิคอนเจือ P ชั้นนี้ทำให้แผงโซลาร์เซลล์มีสี

  • Back plate- เป็นชั้นแข็งสำหรับรองรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึก ในบางครั้งอาจใช้ใยสังเคราะห์ชนิดยืดหยุ่นสำหรับแผงชนิดฟิล์มบาง

กรอบอลูมิเนียมใช้ในการทำกรอบแผงและเพื่อให้ทนต่อสภาพอากาศได้ ประโยชน์คือ -

  • กรอบเป็นวิธีการติดตั้งแผงบนพื้นผิวเช่นหลังคา

  • เฟรมแน่นพอที่จะป้องกันแผงจากสภาพอากาศที่รุนแรงเช่นพายุ

แผงโซลาร์เซลล์ควรได้รับการดูแลอย่างสม่ำเสมอเพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคฝุ่นเกาะอยู่ ในระหว่างขั้นตอนการติดตั้งแผงควรได้รับการแก้ไขที่มุมเพื่อรับแสงสูงสุด ควรตั้งแบตเตอรี่ตามสัดส่วนในกรณีที่ไม่มีการใช้งานโดยตรงเพื่อหลีกเลี่ยงการสิ้นเปลือง

ประสิทธิภาพหมายถึงอัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าเข้าต่อกำลังขับ ในกรณีของเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพคืออัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกในแง่ของกระแสไฟฟ้าต่อเหตุการณ์พลังงานแสงอาทิตย์บนเซลล์

ตอนนี้กำลังขับ p m = แรงดันไฟฟ้า (v) * กระแส (I) ในวงจร (ค่าสูงสุด)

และกำลังไฟฟ้าเข้า P i = พลังงานเหตุการณ์ G (Wm -2 ) * พื้นที่ผิวของเซลล์ A (m 2 )

ดังนั้นประสิทธิภาพจะคำนวณเป็น -

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

โดยที่ P mต้องเป็นกำลังสูงสุดของวงจร ได้มาจากการใช้แรงดันไฟฟ้าข้ามวงจรเปิด (V oc ) และกระแสไฟฟ้าในวงจรลัด (I sc ) และปัจจัยเติม (FF)

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

วัดเหล่านี้ต้องวัดภายใต้เงื่อนไขมาตรฐานเช่น 25 ° C มวลอากาศ 1.5gm -3และพลังงานเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นของ G 1000Wm -2

ปัจจัยที่ส่งผลต่อผลลัพธ์ของเซลล์โฟโตโวลเทอิก ได้แก่ -

  • ความยาวคลื่นของแสงตกกระทบ
  • การรวมกันใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮล
  • ความต้านทานไฟฟ้า
  • Temperature
  • เติมปัจจัย
  • ปัจจัยการสะท้อนของวัสดุ

ดังนั้นเพื่อให้ได้พลังงานสูงสุดควรสร้างเซลล์ให้มีพื้นที่ผิวมากขึ้นเช่นใช้ การวางตำแหน่งของเซลล์แสงอาทิตย์ยังกำหนดผลลัพธ์ด้วยเหตุผลสองประการ ขั้นแรกมุมจะกำหนดระดับการสะท้อนของเซลล์และประการที่สองการวางตำแหน่งจะกำหนดปริมาณแสงแดดที่ถ่ายได้ตั้งแต่ 9.00 น. ถึง 15.00 น. เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดสิ่งสำคัญคือต้องหลีกเลี่ยงการเกิดเงาบนเซลล์

เทคโนโลยีโฟโตโวลเทอิกใช้สองเทคโนโลยี รูปแบบผลึกและซิลิกอนอสัณฐาน อสัณฐานยังคงเป็นการสำรวจใหม่และอาจใช้เวลานานขึ้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด

เซลล์ผลึก

เทคโนโลยีผลึกซิลิกอนให้เซลล์โฟโตโวลตาอิกสองประเภท -

  • Mono-crystalline cells- เซลล์แสงอาทิตย์แบบโมโนคริสตัลไลน์ถูกสร้างขึ้นจากกระบอกคริสตัลชิ้นเดียวที่หั่นบาง ๆ ออกเพื่อผลิตเวเฟอร์ทั้งหมดในอาร์เรย์ เวเฟอร์มีรูปร่างเป็นวงกลมแม้ว่าในบางครั้งอาจถูกตัดเป็นรูปทรงอื่น ๆ เพื่อประโยชน์ในการใช้งานคริสตัล มีลักษณะเป็นสีน้ำเงินสม่ำเสมอ คุณสมบัติอื่น ๆ ได้แก่ -

    • ประสิทธิภาพค่อนข้างสูงในบรรดาเทคโนโลยี PV ทั้งหมดที่มีอยู่ในปัจจุบัน

    • เซลล์ที่มีราคาแพงที่สุดเนื่องจากได้รับการพัฒนาจากคริสตัลชนิดเดียวกันทั้งหมด

    • เซลล์มีความแข็งและต้องอยู่ในตำแหน่งที่ดีและติดตั้งบนแผ่นรองที่แข็ง

  • Poly-crystalline cells- สิ่งเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าเซลล์มอลตี - ผลึกและทำโดยการหล่อซิลิกอนเป็นแม่พิมพ์สี่เหลี่ยม จากนั้นหล่อที่ได้จะถูกตัดเป็นเวเฟอร์สี่เหลี่ยมจำนวนหนึ่ง บล็อกสี่เหลี่ยมประกอบด้วยคริสตัลหลายอันประกอบด้วยอาร์เรย์ของรูปแบบสีน้ำเงิน นี่คือเทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังพื้นผิวแวววาวเหมือนพลอยของแผงโซลาร์เซลล์บางรุ่นในตลาดปัจจุบัน เซลล์โพลีคริสตัลลีนมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ได้แก่ -

    • มีประสิทธิภาพน้อยกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเซลล์ผลึกเดี่ยว

    • ราคาถูกกว่า mono-crystalline

    • เสียวัสดุน้อยลง (ซิลิกอนบริสุทธิ์)

    • ด้วยแผงโซลาร์เซลล์ที่มีคุณสมบัติเดียวกันแผงโพลีคริสตัลลีนจะกว้างกว่าแผงโซลาร์เซลล์แบบผลึกเดี่ยวเล็กน้อย

เซลล์อสัณฐาน

Thin-Film PVs- การใช้ซิลิกอนในรูปแบบอสัณฐานเพื่อสร้างเซลล์โฟโตโวลเทอิกเป็นเทคนิคใหม่ที่ผู้เชี่ยวชาญยังคงค้นคว้าเพื่อลดความท้าทายของรูปแบบผลึก คุณสมบัติของเทคโนโลยีนี้ ได้แก่ -

  • มีราคาถูกกว่าทั้งแบบผลึก

  • พวกเขามีความยืดหยุ่น ดังนั้นควรมีการติดตั้งที่เคลื่อนย้ายได้เพื่อให้ใช้คุณสมบัตินี้ได้ดีที่สุด อย่างไรก็ตามรูปร่างของพื้นผิวควรรองรับแผงเพื่อความปลอดภัย

  • ไวต่อการสูญเสียพลังงานน้อยลงเนื่องจากการผลัดเซลล์ นอกจากนี้ยังมีพลังมากกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีแสงสลัว

  • ทนทานน้อยกว่า พวกเขาค่อยๆลดลงในแง่ของการผลิตไฟฟ้าโดยเฉพาะในเดือนแรกก่อนที่จะมีเสถียรภาพ

  • มีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าน้อยที่สุดจึงครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่

  • เทคโนโลยีใหม่นี้ทำให้สามารถติดตั้งแผงบนขอบหน้าต่างและพื้นผิวโค้งได้

คุณสมบัติของวงจรไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

วงจรเทียบเท่าของเซลล์โฟโตโวลเทอิกแสดงไว้ด้านล่าง -

กระแสที่ได้รับ I ph = พื้นที่ของเซลล์ * ความเข้มของแสงปัจจัยการตอบสนอง H * ξ

ระบุการสูญเสียเนื่องจากความต้านทานโดยตัวนำ = R p

การสูญเสียเนื่องจากตัวนำที่ไม่เหมาะ = R s

หากเซลล์สร้างกระแส I ที่แรงดันไฟฟ้า V ความสัมพันธ์ระหว่าง I และ U ของเซลล์เดียวจะแสดงเป็น -

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

โดยที่แรงดันความร้อนได้รับ $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$

อุณหภูมิอยู่ในเคลวินและ K = 1.38 -23 (const โบว์แมน), E = 1.602e -19

ได้รับสูงสุด I และ U เราจะได้รับพลังสูงสุด

ฉันสูงสุดจะได้รับเมื่อ V = 0 คือไฟฟ้าลัดวงจรขณะที่วีสูงสุดจะได้รับเมื่อ i = 0 คือวงจรเปิด

Note - เซลล์แบบขนานเพิ่มกระแสในขณะที่เซลล์ในอนุกรมเพิ่มแรงดันไฟฟ้า

พลังงานความร้อนใต้พิภพหมายถึงพลังงานความร้อนที่เก็บไว้ใต้พื้นดินเป็นเวลาหลายล้านปีผ่านการก่อตัวของโลก มันใช้แหล่งกักเก็บพลังงานความร้อนที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์มากมายซึ่งมีอยู่ภายใต้เปลือกโลก

Geothermal energyเป็นไซต์เฉพาะ แต่อาจมีราคาถูกมากโดยเฉพาะเมื่อใช้เพื่อทำความร้อนโดยตรง เป็นความท้าทายในการประมาณพลังงานจากแหล่งนี้เนื่องจากเกิดขึ้นใต้ดินที่อุณหภูมิสูงมาก

เปลือกโลกมีพลังงานความร้อน (ความร้อน) มหาศาลเก็บไว้เป็นเวลาหลายล้านปี มีความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างมากระหว่างเปลือกโลกและพื้นผิว ความแตกต่างของอุณหภูมิเรียกว่าgeothermal gradient. พลังงานนี้เพียงพอที่จะละลายหิน หินหลอมเหลวที่เรียกว่าแมกมาบางครั้งปะทุผ่านรอยแตกบนพื้นผิวโลกขณะที่ภูเขาไฟ พลังงานความร้อนใต้พิภพจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า

การปรากฏตัวของเงินฝากใต้พิภพในรูปแบบของของไหลความร้อนใต้พิภพเป็นสัญญาณของไซต์ที่ดี บริเวณนี้ควรมีชั้นน้ำแข็งตื้นเพื่อให้สามารถฉีดน้ำได้ ผลิตภัณฑ์ความร้อนใต้พิภพโดยธรรมชาติควรมีค่าประมาณ 300o F

ข้อดีของพลังงานความร้อนใต้พิภพ

ข้อดีที่สำคัญ ได้แก่ -

  • ไม่มีเชื้อเพลิงถูกเผาเนื่องจากความร้อนได้มาจากแหล่งกักเก็บใต้ดินที่อุดมสมบูรณ์ แหล่งพลังงานหมุนเวียนสามารถแก้ปัญหาความเสี่ยงที่เชื้อเพลิงฟอสซิลจะหมด

  • ไม่มีการปล่อยก๊าซและผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ 10% ซึ่งน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาณที่พืชบริโภค

  • ซึ่งแตกต่างจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่น ๆ (แสงอาทิตย์ลมและน้ำ) ไม่ได้รับผลกระทบจากว่าจะมีให้ใช้ตลอดทั้งปีหรือไม่

  • พลังงานความร้อนใต้พิภพมีราคาไม่แพงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้โดยตรงเช่นเป็นแหล่งความร้อนในเรือนกระจก

ข้อเสียเพียงประการเดียวของพลังงานความร้อนใต้พิภพคือการปล่อยก๊าซไข่เน่าที่ระบุโดยกลิ่นไข่เน่าอันเป็นเอกลักษณ์

แหล่งที่มาของความร้อนใต้พิภพขั้นสูง (EGS)

ในแหล่งความร้อนใต้พิภพบางแห่งน้ำจะถูกฉีดเข้าไปในบ่อที่มีการสะสมของความร้อนใต้พิภพ ภายในแหล่งสะสมเหล่านี้น้ำจะถูกทำให้ร้อนจัดและเปลี่ยนเป็นไอน้ำ น้ำจะถูกสูบลงภายใต้แรงดันสูงมากเพื่อใช้ในรอยแยกของหิน

พลังงานความร้อนใต้พิภพที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าบางส่วนถูกนำไปใช้เป็นความร้อนโดยตรง บ้านสีเขียวอาจได้รับพลังงานนี้เป็นตัวควบคุมอุณหภูมิ เทคนิคนี้ยังใช้ในการประมงและการกู้แร่

หลักการคือการใช้พลังงานความร้อนโดยการให้ความร้อนจากน้ำเป็นไอน้ำ พลังงานความร้อนใต้พิภพใช้อุณหภูมิสูงต่ำกว่าเปลือกโลก ไอน้ำร้อนหรือน้ำจะทำให้ของเหลวร้อนขึ้นซึ่งจะขยายตัวเพื่อหมุนกังหันที่ผลิตกระแสไฟฟ้า

มีสามรูปแบบที่ใช้ มีดังนี้ -

สถานีพลังงานไอน้ำแห้ง

โดยทั่วไปสถานีไอน้ำแห้งจะใช้ไอน้ำที่ไหลออกมาจากแหล่งสะสมทางภูมิศาสตร์เพื่อให้ความร้อนกับของเหลวทุติยภูมิที่เปลี่ยนกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ไอน้ำเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงถึง 150 องศาร้อนพอที่จะขยายของไหลในโรงงานใต้พิภพ นี่เป็นหนึ่งในเทคนิคที่เก่าแก่ที่สุดของการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนใต้พิภพ การขยายตัวของของเหลวทุติยภูมิทำให้เกิดพลังงานกลที่จำเป็นสำหรับการหมุนกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

สถานีพลังงานไอน้ำแฟลช

น้ำในบ่อภายใต้ความดันสูงจะถูกดึงไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่า การเปลี่ยนแปลงความดันนี้ทำให้ไอน้ำที่ปล่อยออกมาเป็นไอที่อุณหภูมิสูง ไอน้ำนี้ถูกแยกออกจากน้ำและใช้เพื่อให้ความร้อนกับของเหลวที่หมุนกังหันในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ที่ความดันนี้ก๊าซจะมีอุณหภูมิสูงมาก

สถานีพลังงานวงจรไบนารี

การหาประโยชน์จากความแตกต่างของจุดเดือดซึ่งพิจารณาจากความหนาแน่นเป็นวิธีล่าสุดที่ใช้ ของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำกว่าน้ำที่ใช้ในระบบมาก วิธีนี้ใช้น้ำที่อุณหภูมิ 58 องศาเพื่อให้ความร้อนกับของเหลวทุติยภูมิที่มีจุดเดือดต่ำกว่า น้ำจะทำให้ของเหลวร้อนขึ้นและทำให้ของเหลวกลายเป็นไอเนื่องจากจุดเดือดต่ำลงและเปลี่ยนกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

ธรณีฟิสิกส์เป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของโลกและสภาพแวดล้อม เป็นการศึกษาสนามแม่เหล็กและความโน้มถ่วงคุณสมบัติภายในของโลกวัฏจักรของน้ำการสะสมตัวของแร่และความสัมพันธ์ของพื้นดินแสงอาทิตย์

นักธรณีฟิสิกส์เชี่ยวชาญในการค้นหาทรัพยากรภายใต้เปลือกโลกและกำหนดภัยคุกคามที่อาจเกิดขึ้นเช่นแผ่นดินไหว นอกจากนี้ยังมีการวิเคราะห์เชิงคุณภาพเพื่อระบุไซต์ที่ดีที่สุดสำหรับการขุดการขุดเจาะน้ำมันและการสะสมใต้พิภพ

สาขาธรณีฟิสิกส์

สาขาต่างๆของธรณีฟิสิกส์ ได้แก่ -

  • Study of solid earth- คุณสมบัติของดินแข็งมีตั้งแต่การศึกษาเปลือกโลกไปจนถึงการวิเคราะห์แผ่นดินไหวสำหรับแผ่นดินไหว สาขานี้ศึกษาเกี่ยวกับการสะสมของน้ำมันและแร่ธาตุ ตัวอย่างดินได้รับการวิเคราะห์เพื่อหาคราบหรือพื้นผิวที่ผิดปกติ

  • Study of water- นี่คือการศึกษาน้ำจืดและน้ำใต้ผิวโลก การศึกษาน้ำทำได้โดยนักอุทกวิทยาที่ทำการวิเคราะห์วัฏจักรของน้ำและตารางน้ำ สมุทรศาสตร์การศึกษามหาสมุทรและพื้นดินด้านล่างก็อยู่ในหมวดนี้เช่นกัน

  • Study of air- อากาศเป็นส่วนประกอบหลักของโลก การศึกษาอากาศช่วยในการทำนายสภาพอากาศและป้องกันสภาวะที่รุนแรงเช่นพายุเฮอริเคน

  • Life and geophysics- ปฏิสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิตและโลกเป็นปัจจัยสำคัญ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าคราบน้ำมันส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการสลายตัว มีการศึกษาสภาพใต้พื้นดินเพื่อประเมินผลกระทบต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิต

Aquifers

หินบางชนิดเรียกว่าชั้นหินอุ้มน้ำจัดสภาพแวดล้อมที่ดีให้น้ำไหลผ่านตามธรรมชาติ หินเหล่านี้มีรูพรุนและกรองน้ำไหลผ่าน Aquifers เป็นสถานที่ที่ดีที่สุดในการเจาะบ่อน้ำเพื่อให้น้ำไหลสม่ำเสมอ หินที่สร้างชั้นหินอุ้มน้ำได้ดี ได้แก่ ทรายหินแกรนิตกลุ่มก้อนหินทรายและปูนขาว

ผู้เพาะเลี้ยงสัตว์น้ำนอนอยู่ใต้โต๊ะน้ำเพื่อที่การตกตะกอนจะเติมน้ำที่สูบจากบ่อทันที สัตว์น้ำมีความสำคัญมากในการดำรงวัฏจักรน้ำของโลก บ่อน้ำถูกเจาะลงในชั้นหินอุ้มน้ำที่ล้อมรอบด้วยหินที่ไม่มีรูพรุน หินเหล่านี้สร้างแรงดันที่ช่วยในการสูบน้ำ บ่อประเภทนี้เรียกว่าบ่อบาดาล

การทดสอบอุทกธรณีวิทยา

อุทกธรณีวิทยาใช้การทดสอบหลายอย่างใน aquifers เพื่อจับลักษณะของพวกมัน การทดสอบเหล่านี้ดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมที่เรียกว่าหลุมควบคุม

การทดสอบที่สำคัญสามครั้ง ได้แก่ -

  • Pumping test- น้ำถูกสกัดและสูบกลับเข้าสู่บ่อในช่วงเวลาคงที่ พฤติกรรมของหลุมใกล้เคียงจะถูกบันทึกเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลง การทดสอบนี้ช่วยในการพิจารณาการซึมผ่านของชั้นหินอุ้มน้ำที่อยู่รอบ ๆ บ่อน้ำ

  • Slug test- กระสุนหมายถึงระดับน้ำที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ในการทดสอบนี้จะวัดผลกระทบต่อหลุมใกล้เคียงและระยะเวลาที่ใช้ในการกู้คืนระดับเดิม สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการวาดจากทะเลสาบหรือน้ำอาจถูกสูบเข้าไปในบ่อน้ำเพื่อเปลี่ยนระดับอย่างมาก

  • Constant-head test- ทำได้โดยใช้หลุมทดลองที่เรียกว่าหลุมควบคุม ในบ่อควบคุมสามารถรักษาระดับการระบายความร้อนได้ ผลกระทบจะถูกบันทึกไว้สำหรับหลุมใกล้เคียง การวาดจากบ่อน้ำเป็นประจำอาจทำให้โต๊ะน้ำบุบได้ ซึ่งอาจทำให้เกิดภาวะซึมเศร้าและทำให้การไหลผิดปกติ

Hydro Electric power (HEP) เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่สำคัญที่ใช้กันทั่วโลกในปัจจุบันเพื่อผลิตไฟฟ้า ใช้กฎพื้นฐานของฟิสิกส์ การตกน้ำภายใต้แรงดันสูงจะมีพลังงานจลน์สูง ในสถานี HEP น้ำที่ตกลงมาจะเปลี่ยนกังหัน ด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปลงพลังงานกลของกังหันเป็นกระแสไฟฟ้า

สถานีไฟฟ้าพลังน้ำ

เป็นเทคนิคการใช้น้ำในเขื่อนที่ตกลงมาจากที่สูงเพื่อหมุนกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พลังงานกลจะถูกแปลงเป็นรูปไฟฟ้าและป้อนเข้าสู่ระบบกริดแห่งชาติ แผนภาพต่อไปนี้แสดงโครงร่างของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำ

ตำแหน่งของสถานีไฟฟ้าพลังน้ำต้องได้รับการวิเคราะห์โดยผู้เชี่ยวชาญเพื่อกำหนดหัวที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด ระบบไฮดรอลิกยังใช้เพื่อใช้แนวคิดเกี่ยวกับสายน้ำที่ไหลช้าและช้า

ข้อดีอย่างหนึ่งของไฟฟ้าพลังน้ำคือมีน้ำไว้ใช้อย่างอื่น แม่น้ำที่มีน้ำไหลสูงและหัวเป็นแหล่งไฟฟ้าพลังน้ำที่ดีกว่า

อัตราการไหลหมายถึงความเร็วที่น้ำผ่านจุดใดจุดหนึ่งในแม่น้ำต่อวินาที หัวหมายถึงระยะทางแนวตั้งจากด้านบนของความลาดชันไปยังสถานีไฟฟ้า

เขื่อนที่มีหยดน้ำขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นเพื่อเพิ่มพลังงานที่มีศักยภาพของน้ำ ไอดีถูกวางไว้ที่ด้านล่างซึ่งความดันสูงที่สุด จากนั้นน้ำจะไหลโดยแรงโน้มถ่วงผ่านเพนสต็อค ในระดับนี้พลังงานจลน์เพียงพอที่จะหมุนกังหัน

การประมาณค่ากำลัง

พลังในเขื่อนสามารถประเมินได้จากสองปัจจัยคือการไหลของน้ำและการไหลของหัว

  • Flowหมายถึงปริมาณที่ไหลผ่านส่วนที่กำหนดของแม่น้ำในช่วงเวลาที่กำหนด การไหลกำหนดโดย m 3 / s

  • Head คือระยะแนวตั้งที่น้ำไหลผ่าน

ในทางทฤษฎีกำลังเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปัจจัยที่กล่าวถึงข้างต้นกล่าวคือ

P = Q*H*c

ที่ไหน

  • P - กำลังไฟที่คาดหวัง

  • Q- การไหลใน m 3 / s

  • H - มุ่งหน้าม

  • c - ค่าคงที่ (ความหนาแน่น * แรงโน้มถ่วง)

ดังนั้นการรับความหนาแน่นของน้ำเป็น 1000gm -3และแรงโน้มถ่วง 1.9 -

P = 1000*1.9*Q*H

ต้องใช้พลังงานในการหมุนกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อทำให้เกิดการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

การกักเก็บแบบสูบเป็นเทคนิคที่ใช้ในการรีไซเคิลน้ำหลังจากผ่านกังหัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกักเก็บแบบสูบช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเขื่อนโดยรวม

สถานีไฟฟ้าพลังน้ำมีส่วนประกอบหลักสามส่วน พวกเขาคือ -

  • ประการแรกคือเขื่อนที่สร้างหัวน้ำ น้ำจะตกลงมาจากฐานของเขื่อนด้วยความเร็วสูงและให้พลังงานจลน์เพื่อหมุนกังหัน

  • องค์ประกอบที่สองคืออ่างเก็บน้ำ อ่างเก็บน้ำเป็นสถานที่หลังเขื่อนที่กักเก็บน้ำ น้ำในอ่างเก็บน้ำจะอยู่สูงกว่าส่วนที่เหลือของโครงสร้างเขื่อน ความสูงของน้ำในอ่างเก็บน้ำเป็นตัวกำหนดว่าน้ำมีพลังงานศักย์เท่าใด ยิ่งน้ำสูงเท่าไรพลังงานศักย์ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

  • ส่วนประกอบที่สามคือโรงไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้าและเชื่อมต่อกับกริด

การประเมินทรัพยากรสำหรับการติดตั้งขนาดเล็ก

ก่อนที่จะติดตั้งโรงงานพลังน้ำขนาดเล็กสิ่งสำคัญคือต้องระบุทรัพยากรใกล้เคียงที่สามารถควบคุมได้ กระแสที่ดีที่มีการไหลค่อนข้างคงที่ (m 3 / s) เป็นทรัพยากรที่ควรค่าแก่การใช้ประโยชน์

แม่น้ำที่มีการไหลดีสามารถใช้ความเร็วของน้ำเพื่อหมุนวงล้อน้ำ เนินเขาหรือเนินเขาเหมาะที่สุดสำหรับการสร้างพลังน้ำ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้จำเป็นต้องพิจารณาทั้งหัวและการไหลของแม่น้ำเพื่อกำหนดกำลังไฟฟ้าโดยประมาณ

เมื่อทราบพารามิเตอร์กำลังโดยประมาณจะถูกกำหนดดังนี้ -

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

หัวหน้ายังสามารถมีหน่วยแรงดันสำหรับแม่น้ำคู่

วิธีท่อท่อ

เทคนิคนี้ใช้ในการกำหนดหัวในกระแสต่ำสำหรับกังหันใต้น้ำ

ข้อกำหนดสำหรับวิธีการต่อท่อรวมถึงท่อแบบยืดหยุ่น (ม้าสวนที่ต้องการ) ช่องทางและวัสดุวัด สายน้ำควรตื้นพอที่จะลุยได้ (ตรวจสอบความลึกของแม่น้ำก่อนเริ่ม) ขั้นตอนในการติดตั้งท่อท่อวิธีอธิบายไว้ด้านล่าง

ขั้นแรกให้ยืดสายยางจากจุดที่กระแสน้ำเริ่มลาดลง ประการที่สองยกปลายท่อขึ้นจนน้ำหยุดไหลผ่าน ใช้ระยะทางแนวตั้งและทำซ้ำเช่นเดียวกันสำหรับส่วนอื่น ๆ จนกว่าจะถึงไซต์ที่ต้องการ รูปด้านล่างแสดงหัวต่างๆในแต่ละส่วน

Determining head

การกำหนดโฟลว์

การไหลของกระแสปกติสำหรับไฟฟ้าพลังน้ำในประเทศสามารถพิจารณาได้จากสองวิธีต่อไปนี้ -

  • Float method- ในเทคนิคนี้การลอยตัวของน้ำหนักที่วัดได้จะถูกปล่อยออกมาในส่วนที่เท่า ๆ กันของสตรีมและเวลาที่ใช้เพื่อให้ครอบคลุมระยะทางที่วัดได้จะถูกบันทึกไว้ ระยะทางเป็นเมตรหารด้วยเวลาที่ใช้เป็นวินาทีเพื่อให้ได้ความเร็ว ควรสังเกตว่าลูกลอยไม่ควรสัมผัสพื้น ในกรณีที่มีน้ำหนักมากเกินไปจนสัมผัสกับเตียงสตรีมอาจเลือกลูกลอยที่มีขนาดเล็กกว่า

  • Bucket method- ทำได้โดยการสร้างเขื่อนกั้นกระแสน้ำและเปลี่ยนเป็นถัง จากนั้นอัตราที่ใช้ในการเติมจะถูกบันทึกไว้ ซึ่งทำได้ในหน่วยแกลลอนต่อวินาที ใช้ถังที่มีหน่วยวัดมาตรฐานจะแม่นยำยิ่งขึ้น

กังหันมีการแบ่งประเภทกว้าง ๆ สองประเภท ได้แก่ กังหันอิมพัลส์และกังหันปฏิกิริยา การเลือกกังหันอาศัยส่วนหัวและการไหล ปัจจัยอื่น ๆ ที่ต้องพิจารณา ได้แก่ ความลึกต้นทุนและประสิทธิภาพที่ต้องการ

กังหันอิมพัลส์

ในกังหันอิมพัลส์ความเร็วของน้ำจะกระทบถังของล้อกังหันเพื่อสร้างพลังงานกล น้ำไหลออกจากด้านล่างของกังหันหลังจากหมุนล้อ

ในกังหันอิมพัลส์ความเร็วของน้ำจะกระทบถังในล้อกังหันเพื่อสร้างพลังงานกล น้ำไหลออกจากด้านล่างของกังหันหลังจากหมุนล้อ

ประเภทของ Impulse Turbines

กังหันอิมพัลส์มีสองประเภท -

  • Pelton wheel- ล้อประเภทนี้มีไอพ่นที่นำน้ำเข้าสู่ช่องเติมอากาศ น้ำตกลงบนถังของนักวิ่งและทำให้เกิดช่วงเวลาเลี้ยว วงล้อนี้ไม่ต้องใช้ท่อร่าง มีการพัฒนารูปแบบที่เรียกว่าล้อเทอร์โกซึ่งมีลักษณะเหมือนใบพัดลมที่อยู่ในขอบ น้ำไหลผ่านพัดลมและทำให้เกิดการหมุน ออกแบบมาสำหรับหัวที่สูงและการไหลต่ำ

  • Cross-flow- ล้อมีส่วนคล้ายกลองที่มีหัวฉีดยาวและมีรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า คู่มือการเปิดจะส่งน้ำไปยังนักวิ่งโดยตรง น้ำไหลผ่านใบพัดสองครั้งเมื่อเข้าและไหลออก

กังหันปฏิกิริยา

ในกังหันปฏิกิริยาพลังงานจะได้รับการพัฒนาจากทั้งแรงดันและผลกระทบของน้ำที่เคลื่อนที่เนื่องจากตัววิ่งตั้งอยู่ที่ศูนย์กลางของกระแสน้ำ ส่วนใหญ่เหมาะสำหรับการไหลที่สูงขึ้นและส่วนหัวที่ต่ำกว่า น้ำกระทบใบมีดทั้งหมดแทนที่จะเป็นใบมีดทีละใบ

กังหันปฏิกิริยามีสามประเภท -

  • Propeller turbinesมีนักวิ่งที่มีใบมีดสามถึงหกใบ น้ำกระทบใบมีดทั้งหมดอย่างต่อเนื่องด้วยแรงดันคงที่เพื่อให้นักวิ่งสมดุล กังหันใบพัดมีหลายรูปแบบนั่นคือกระเปาะ Kaplan หลอดและสตราฟโล

  • Francis turbineใช้นักวิ่งที่มีถังคงที่ตั้งแต่เก้าตัวขึ้นไป น้ำได้รับอนุญาตให้ไหลเหนือกังหันเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวที่หมุนอย่างสม่ำเสมอ

  • Free-fallกังหันใช้พลังงานจลน์ในน้ำไม่ใช่พลังงานศักย์ที่กังหันส่วนใหญ่ใช้ นั่นจึงเป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่าkineticกังหัน ดำเนินการภายใต้สภาพแวดล้อมของลำธารและแม่น้ำตามธรรมชาติ นอกจากนี้ยังอาจทำงานกับกระแสน้ำในมหาสมุทร

ไฟฟ้าพลังน้ำสามารถนำมาใช้เพื่อการบริโภคภายในประเทศเมื่อมีน้ำไหลสม่ำเสมอ ในกรณีส่วนใหญ่การไหลและการตกไม่ได้ให้พลังงานเพียงพอที่จะหมุนกังหันธรรมดา เพื่อแก้ปัญหานี้ระบบขนาดเล็กที่เรียกว่าระบบไมโครไฮโดรมีจำหน่ายในตลาดปัจจุบัน ระบบประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่ติดตั้งในแม่น้ำหรือลำห้วยและทำงานบนกังหันอิมพัลส์ ในความเป็นจริงส่วนใหญ่ใช้ล้อ Pelton

ส่วนประกอบของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

ต่อไปนี้เป็นส่วนประกอบหลักของโรงไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก -

  • Intake- ตำแหน่งของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องอยู่ใกล้กับไอดี สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการสร้างเขื่อนกั้นน้ำเพื่อสร้างหัวที่จำเป็นและสร้างแรงดัน

  • Penstock- เป็นบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงตกจากไอดี สำหรับโครงการไมโครไฮโดรท่อจะถูกใช้จากไอดีไปยังทางวิ่งของกังหัน

  • Turbines- ประเภทของกังหันที่จะใช้ขึ้นอยู่กับขนาดของกระแสและเอาต์พุตที่ต้องการ สำหรับไฮโดรสขนาดเล็กส่วนใหญ่ล้อ Pelton จะมีประสิทธิภาพ ในกรณีที่มีหัวต่ำอาจใช้กังหันปฏิกิริยาใต้น้ำซึ่งในกรณีนี้แรงดันน้ำจะเปลี่ยนใบพัด

  • Controls- การควบคุมป้องกันการชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไป พวกเขาควบคุมสิ่งนี้โดยการแยกพลังงานส่วนเกินไปยังโหลดดัมพ์

  • Dump load- นี่เป็นเพียงปลายทางความต้านทานสูงทางเลือกที่ใช้เมื่อชาร์จแบตเตอรี่จนเต็ม อาจรวมถึงเครื่องทำน้ำอุ่นหรือแม้แต่ระบบปรับอากาศ

  • Battery- ระบบไมโครไฮโดรไม่ผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่เหมือนระบบ AC ทั่วไป เพื่อที่จะใช้มันตามความต้องการพลังงานจำนวนหนึ่งจำเป็นต้องสะสมพลังงาน แบตเตอรี่เป็นวิธีการจัดเก็บพลังงานตามจำนวนที่ต้องการ นอกจากนี้ยังให้พลังงานในช่วงที่ระบบไฟดับ

  • Metering- นี่เป็นสิ่งสำคัญในการตรวจสอบการใช้พลังงานระหว่างแหล่งจ่ายไฟ ซึ่งอาจช่วยในการทำความเข้าใจลักษณะของระบบที่สำคัญตลอดจนการระบุข้อบกพร่อง

  • Disconnect- ในระบบเดินสายไฟฟ้าใด ๆ ควรมีการป้องกันแหล่งจ่ายไฟส่วนเกิน ควรติดตั้งอุปกรณ์ตัดวงจรไฟฟ้าบนสายไฟเพื่อป้องกันความเสียหายของอุปกรณ์ใด ๆ ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายน้ำ

ปั๊มไฮดรอลิกทำงานภายใต้กฎพื้นฐานของฟิสิกส์เพื่อยกน้ำจากแรงดึงดูดให้สูงกว่าของแหล่งกำเนิด ปั๊มนี้ทำงานโดยไม่มีแหล่งจ่ายพลังงานภายนอกเช่นการเผาไหม้เชื้อเพลิง พลังงานเดียวคือพลังงานจลน์ของน้ำที่สูบ ยิ่งหัวมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งสูบได้ไกลขึ้นเท่านั้น

มันทำงานอย่างไร?

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของปั๊มแรมสิ่งสำคัญคือต้องมีความรู้เกี่ยวกับหลักการค้อนน้ำ

Fluid hammer- เอฟเฟกต์ค้อนของไหลเกิดขึ้นเมื่อของเหลว (ในกรณีนี้คือน้ำ) หยุดแรงหรือเปลี่ยนทิศทางกะทันหัน มีประสบการณ์การกระแทกด้วยแรงดันและคลื่นจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งที่มาของของเหลว นี่อาจเป็นปรากฏการณ์อันตรายที่ทำให้ยางและท่อแตกหรือยุบตัว

  • น้ำไหลเข้าปั๊มผ่านทางเข้า (5) ด้วยพลังงานจลน์จากหัวและปิดวาล์ว (6)

  • ด้วยการปิด 6 ครั้งและปิดครั้งแรก 3 ครั้งน้ำจะพัฒนา hummer น้ำที่สร้างแรงดันในท่อและเปิดวาล์ว (3) ส่งน้ำผ่านเต้าเสียบ (1)

  • เนื่องจากการไหลขึ้นเขาน้ำจึงไหลช้าและไม่นานก็กลับมาปิดอีกครั้ง 3.

  • ค้อนน้ำสร้างขึ้นและจำลองกลับผ่านท่อทำให้เกิดแรงดูดที่เปิดวาล์วเสีย 6.

กระบวนการนี้ซ้ำแล้วซ้ำอีกพร้อมกับการสร้างแรงกดดันในแต่ละครั้ง

ฉลาก 2 คือเครื่องควบคุมความดันที่บรรจุอากาศ รองรับแรงกระแทกเมื่อใดก็ตามที่ 6 เข้าใกล้และน้ำถูกดันผ่าน 3 ช่วยป้องกันท่อจากแรงกระแทกที่อาจทำให้ระเบิดและช่วยผลการสูบน้ำ หน่วยความจำมีประสิทธิภาพ 60 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ สิ่งนี้ไม่ได้สะท้อนถึงอัตราส่วนของน้ำที่สูบโดยตรงเนื่องจากขึ้นอยู่กับความสูงในแนวตั้งของน้ำที่สูบ กล่าวอีกนัยหนึ่งนี่คือประสิทธิภาพของเอฟเฟกต์การสูบน้ำต่อพลังงานจากเอฟเฟกต์ hummer ของน้ำ

ตัวอย่างที่แก้ไข 1

คำนวณกำลังไฟฟ้าโดยประมาณสำหรับกังหันที่มีประสิทธิภาพ 85 เปอร์เซ็นต์ การไหลของแม่น้ำคือ 80 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาทีและปริมาณน้ำไหลอยู่ห่างจากตำแหน่งของกังหันกำเนิด 147 เมตร

Solution -

พลังงานถูกกำหนดโดย W = ประสิทธิภาพ * หัว * การไหล * ความหนาแน่น * แรงโน้มถ่วง

การแปลงความหนาแน่นเฉพาะของน้ำเป็นหน่วย SI เราจะได้รับ 1,000kgm -3

การแทนที่ค่าในสูตร -

P = 0.85 * 1000 * 80 * 9.81 * 147

P = 97 เมกะวัตต์

ตัวอย่างที่แก้ไข 2

เมื่อได้รับพลังงานจริงในวันหนึ่ง ๆ คือ 1,440,000kWh; คำนวณประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สมมติว่าแรงโน้มถ่วงจะเป็น 9.81 มิลลิวินาที-2 ความหนาแน่นเฉพาะของน้ำ 1 gcm -3 .

Solution -

ระบุ: อุปทาน 1 วัน = 288000 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง

กำลัง = 1440000/24

= 60 มิลลิวัตต์

ประสิทธิภาพ = แหล่งจ่ายไฟ / กำลังไฟที่คาดหวัง * 100

= 60/97 * 100

ระบบมีประสิทธิภาพ 66.67%

ในสมัยโบราณลมใช้ในการเคลื่อนย้ายใบเรือ ในบทนี้เราจะมาดูกันว่าพลังงานลมใช้ในการผลิตไฟฟ้าได้อย่างไร

turbineแปลงพลังงานจลน์ของลมเป็นพลังงานกลที่มีประโยชน์ พลังงานนี้สามารถใช้ในรูปแบบเชิงกลหรือหมุนกังหันเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและให้กระแสไฟฟ้า เช่นเดียวกับในระบบไฟฟ้าพลังน้ำพลังงานลมจะถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนพลังงานจลน์ของลมเป็นพลังงานกล

กังหันลมส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภทคือกังหันลมแกนนอนและกังหันลมแกนตั้ง พื้นที่ขนาดใหญ่ที่ติดตั้งกังหันลมกล่าวคือฟาร์มกังหันลมกำลังเกิดขึ้นมากขึ้นในปัจจุบัน

ลักษณะของลม

มีลักษณะทั่วไปของลมในขณะที่คนอื่น ๆ มีความเฉพาะเจาะจงมากกว่าสำหรับไซต์ ลักษณะเฉพาะบางประการของไซต์ ได้แก่ -

  • Mean wind speed - เป็นการประมาณผลผลิตลมประจำปีแม้ว่าจะไม่ได้ให้การกระจายก็ตาม

  • Wind speed distribution- มีสามลักษณะ ได้แก่ ลักษณะประจำปีรายวันและตามฤดูกาล การทำความเข้าใจเกี่ยวกับรูปแบบความเร็วลมและการแพร่กระจายเป็นสิ่งที่จำเป็นเมื่อเลือกไซต์

  • Turbulance- นี่คือการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของลมในรูปแบบที่คาดเดาไม่ได้ ความปั่นป่วนเป็นผลมาจากคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของการเคลื่อนที่ของลมซึ่งส่งผลต่อการผลิตพลังงานและความล้าบนใบมีด

  • Long term fluctuation- ลมที่ไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดการจ่ายพลังงานที่ไม่สามารถคาดเดาได้ ก่อนตั้งกังหันลมควรศึกษาพื้นที่เพื่อหาฟลักซ์ลมคงที่

  • Distribution of wind direction - สิ่งนี้สำคัญกว่าในการวางตำแหน่งของใบมีดโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับประเภทแกนแนวนอน

  • Wind shear - แรงเฉือนคือการเปลี่ยนแปลงทิศทางลมความเร็วหรือความสูงที่ความเร็วสูงสุดเกิดขึ้น

รูปแบบความเร็วลม

รูปแบบลมมีความสำคัญและมักวิเคราะห์โดยใช้ก wind spectrum. คลื่นลมที่มีค่าสูงแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงความเร็วลมอย่างมากในช่วงเวลาที่กำหนด หากแสดงบนกราฟยอดเขาจะแสดงถึงความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นตามเวลา

การกระจายความเร็วลม

มีสามการแจกแจง -

  • Diurnal - เกิดจากความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิในตอนกลางวันและตอนกลางคืน

  • Depressions - เกิดขึ้นกับช่วงเวลาสี่วันตามพื้นที่ชายฝั่ง

  • Annual - การกระจายขึ้นอยู่กับละติจูด

เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานลมเราสมัครตามทฤษฎีการอนุรักษ์มวลและการอนุรักษ์พลังงาน ท่อที่แสดงด้านล่างนี้ถือว่าเป็นตัวแทนของลมที่ไหลเข้าและออกจากใบพัดของกังหัน

ความเร็ว V จะถือว่าเป็นค่าเฉลี่ยของ V 1และ V 2 พลังงานจลน์ที่ปากหลอดได้รับจาก -

KE = 1/2 mV 2

KE ของพลังงานเปลี่ยนไป = 1/2 mV 1 2 - 1/2 mV 2 2

1/2 ม. (V 1 2 - V 2 2 )

ตั้งแต่ m = pAV aแล้ว KE เปลี่ยน Pk = 1/2 pAV a (V 1 2 - V 2 2 )

ในการทำให้เข้าใจง่ายขึ้นพลังงานลมโดยประมาณจะให้เป็น -

KE, pk = 0.5925 * 1 / 2pAV 1 3

ทฤษฎีองค์ประกอบใบมีด

ทฤษฎีองค์ประกอบของใบมีดสันนิษฐานว่าการไหลที่ส่วนหนึ่งของใบกังหันลมไม่ส่งผลกระทบต่อส่วนที่อยู่ติดกัน การแบ่งส่วนบนใบมีดนี้เรียกว่าวงแหวน โมเมนตัมถูกคำนวณสำหรับแต่ละโมเมนตัมannulus. จากนั้นค่าผลลัพธ์ทั้งหมดจะถูกสรุปเพื่อแสดงใบมีดและด้วยเหตุนี้ใบพัดทั้งหมด

ในแต่ละวงแหวนจะถือว่าความเร็วที่กระจายเท่า ๆ กันเกิดขึ้น

การจับคู่แบบไดนามิก

แบบจำลองการไหลเข้าแบบไดนามิกถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อปรับปรุงการประมาณค่าโดยทฤษฎี Blade Element และ Momentum แนวคิดทฤษฎีไดนามิกพื้นฐานในการไหลช่วยประมาณผลของความปั่นป่วนของใบมีด พื้นที่ที่กวาดจะได้รับสถานะไดนามิกเพื่อช่วยในการหาค่าความเร็วเฉลี่ยโดยประมาณ

ทฤษฎี BEM ให้การประมาณเฉพาะที่ลมนิ่ง แต่เห็นได้ชัดว่าต้องเกิดความปั่นป่วน อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ถูกคำนวณโดยโมเดลการไหลเข้าแบบไดนามิกพื้นฐานเพื่อให้ได้ค่าประมาณที่เป็นจริงมากขึ้น

พลังงานลมที่ผลิตโดยเฉพาะในประเภทแกนนอนเป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นผลคูณของความเร็วปลายจำนวนใบมีดทั้งหมดที่ใช้และอัตราส่วนการยกต่อลากของด้านข้างด้วย aerofoil การปรับตัวให้เข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่คงที่อธิบายได้ดีโดยDynamic Inflow Method (DIM).

วิธีการไหลเข้าแบบไดนามิก

DIM เรียกอีกอย่างว่าทฤษฎีการปลุกแบบไดนามิกและขึ้นอยู่กับการไหลที่เหนี่ยวนำซึ่งโดยปกติจะไม่คงที่ จะคำนวณแนวตั้งไหลเข้าของโรเตอร์โดยคำนึงถึงผลกระทบต่อการไหลแบบไดนามิก

สิ่งนี้คำนึงถึงเอฟเฟกต์การปลุกหรือความเร็วของอากาศในแนวตั้งตรงกับใบพัดที่เกิดจากการหมุนของใบพัด อย่างไรก็ตามมันถือว่าความเร็วสัมผัสคงที่ สิ่งนี้เรียกว่าWake effect และการลากของมันจะลดประสิทธิภาพของกังหันลม

การผลิตไฟฟ้า

พลังงานจลน์ในลมจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าโดยกังหันลม พวกเขาใช้แนวคิดโบราณที่ใช้ในกังหันลมแม้ว่าจะใช้เทคโนโลยีโดยธรรมชาติเช่นเซ็นเซอร์เพื่อตรวจจับทิศทางลม กังหันลมบางตัวมีระบบเบรกเพื่อหยุดการทำงานในกรณีที่มีลมแรงเพื่อป้องกันโรเตอร์และใบพัดไม่ให้เสียหาย

มีเฟืองที่เชื่อมต่อกับเพลาโรเตอร์เพื่อเร่งใบพัดให้มีความเร็วเหมาะสมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเกิดการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (วิธีพื้นฐานในการแปลงจากพลังงานกลเป็นไฟฟ้า) เพลาหมุนแม่เหล็กทรงกระบอกกับขดลวดไฟฟ้า

ไฟฟ้าทั้งหมดจากกังหันในสถานีพลังงานลมจะถูกหลอมรวมเป็นระบบกริดและแปลงเป็นไฟฟ้าแรงสูง นี่เป็นเทคนิคทั่วไปในการส่งกระแสไฟฟ้าในระบบกริด

จำเป็นต้องใช้ใบมีดปลายแหลมขนาดใหญ่แม้ว่าควรพิจารณาจากเสียงรบกวนที่เกิดจากใบมีดกว้าง ฟาร์มกังหันลมอาจมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ถึง 100 เครื่องซึ่งจะส่งผลให้เกิดเสียงดังขึ้น

กังหันลมมีสองประเภทกว้าง ๆ -

  • กังหันลมแนวนอน (HAWT)
  • กังหันลมแกนตั้ง (VAWT)

เรามาพูดถึงกังหันลมทั้งสองประเภทนี้โดยละเอียด

กังหันลมแนวนอน

เหล่านี้เป็นกังหันคล้ายกังหันลมที่ด้านบนของเพลาชี้ไปทางทิศทางลม เนื่องจากต้องชี้ไปทางลมกังหันขนาดเล็กจะถูกบังคับโดยกังหันลมที่ติดตั้งอยู่บนโครงสร้าง กังหันขนาดใหญ่ขึ้นมีเซ็นเซอร์ลมพร้อมเซอร์โวเพื่อหมุนกังหัน

นอกจากนี้ยังติดตั้งกล่องเกียร์เพื่อเร่งการหมุนช้าๆเพื่อให้มีความแข็งแรงเพียงพอสำหรับกังหันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ใบมีดมีความแข็งพอที่จะหลีกเลี่ยงการหักหรืองอเนื่องจากช่วงเวลาการหมุนของลม

ประเภทนี้ติดตั้งอยู่บนหอคอย ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงสัมผัสกับลมความเร็วสูง งอเล็กน้อยเพื่อลดพื้นที่กวาด พื้นที่กวาดด้านล่างช่วยลดแรงต้านซึ่งอาจทำให้เกิดความเหนื่อยล้าและล้มเหลว

กังหันลมแนวตั้ง

รากหลักติดตั้งอยู่บนเพลาแนวตั้ง สิ่งนี้ช่วยขจัดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับกังหันลมแนวนอน ประเภทย่อย ได้แก่ -

กังหันลม Darius

หรือที่เรียกว่ากังหันตีไข่และมีลักษณะคล้ายกับเครื่องตีไข่ขนาดใหญ่ มีประสิทธิภาพ แต่อาจมีเวลาลดลงมากกว่าและมีความน่าเชื่อถือน้อยกว่า เพื่อปรับปรุงความแข็งแรง (พื้นที่ใบมีดเหนือพื้นที่โรเตอร์) ควรใช้ใบมีดตั้งแต่สามใบขึ้นไป

กังหันลมที่โหดเหี้ยม

ประเภทเหล่านี้มีความน่าเชื่อถือมากกว่ากังหัน Darius ปัญหาคือไม่สามารถติดตั้งบนหอคอยได้ ดังนั้นจึงต้องเผชิญกับรูปแบบลมที่ปั่นป่วนและไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากเป็นกังหันแบบลากจึงมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเมื่อเทียบกับ HAWT ข้อดีคือสามารถทนต่อความปั่นป่วนได้มาก

VAWT ส่วนใหญ่ไม่สามารถสตาร์ทได้เองและต้องใช้พลังงานจากภายนอกเพื่อให้พวกมันสั่น เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดควรติดตั้ง VAWT บนหลังคา หลังคาช่องทางลมเข้าสู่ใบพัด

Biomassหมายถึงสิ่งมีชีวิตและผู้ที่เพิ่งเสียชีวิต ไม่รวมถึงสิ่งมีชีวิตที่เปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลแล้ว ในการสร้างพลังงานหมายถึงพืชเสียที่นำมาใช้เพื่อสร้างพลังงานโดยการเผาไหม้

วิธีการเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพมีมากมายและส่วนใหญ่จัดเป็น chemical, thermal และ biochemical. นี่คือแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่เก่าแก่ที่สุดและเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่แพร่หลายมากที่สุด มีวิธีการแปลงที่หลากหลาย

Direct combustionเป็นประเพณีปฏิบัติโดยใช้เชื้อเพลิงไม้ กระบวนการขั้นสูงเช่นpyrolysis(กระบวนการทำถ่าน) การหมักและการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะเปลี่ยนแหล่งที่มาเหล่านี้ให้อยู่ในรูปแบบที่หนาแน่นขึ้นและง่ายต่อการขนส่งเช่นน้ำมันและเอทานอล ถ่านหินเป็นผลิตภัณฑ์จากกระบวนการไพโรไลซิสซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งให้กับสสารโดยการเผาไหม้ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน

Bio-fuelเป็นคำที่หมายถึงเชื้อเพลิงที่ได้จากชีวมวล ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ชีวมวลคืออินทรียวัตถุใด ๆ ทั้งที่มีชีวิตและที่ตายแล้วมีตั้งแต่พืชไปจนถึงของเสียอินทรีย์ ในกรณีส่วนใหญ่ชีวมวลที่อุดมไปด้วยน้ำมันหรือน้ำตาลเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตพลังงาน

ระยะ bio-energyหมายถึงพลังงานที่ได้รับจากสิ่งมีชีวิตทั้งที่มีชีวิตหรือตาย นี่ยังไม่รวมเชื้อเพลิงฟอสซิล เราสามารถจำแนกเชื้อเพลิงชีวภาพตามแหล่งที่มาหรือตามรุ่น

การจำแนกเชื้อเพลิงชีวภาพตามแหล่งที่มา

  • Wood fuel- มาจากต้นไม้พุ่มไม้หรือพุ่มไม้ ตัวอย่างของเชื้อเพลิงไม้ ได้แก่ ถ่านไม้และไม้

  • Agro-fuels- ได้จากชีวมวลของผลิตภัณฑ์ในฟาร์มเช่นพืชที่ตายแล้วหรือจากส่วนของพืชอื่น ๆ เช่นธัญพืช เชื้อเพลิงเกษตรส่วนใหญ่มาจากน้ำตาลและพืชน้ำมัน

  • Municipal by-products- ได้มาจากขยะที่เก็บได้จากเมืองใหญ่ ๆ ขยะเทศบาลมีสองประเภท เชื้อเพลิงชีวภาพขยะมูลฝอยได้มาจากการเผาไหม้โดยตรงของขยะมูลฝอยจากอุตสาหกรรมหรือสถาบันการค้า เชื้อเพลิงชีวภาพของเสียที่เป็นของเหลว / ก๊าซได้มาจากการหมักของเสียที่รวบรวมได้

การจำแนกเชื้อเพลิงชีวภาพตามรุ่น

  • First generation- แปรรูปจากน้ำมันพืชน้ำตาลและไขมันสัตว์อัดเป็นน้ำมันสำหรับการเผาไหม้ในเครื่องยนต์หรือหมักและแปรรูปเป็นเอทานอลเพื่อวัตถุประสงค์เดียวกัน ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ได้แก่ น้ำมันไบโอดีเซลแอลกอฮอล์ซินกาเชื้อเพลิงชีวภาพที่เป็นของแข็งและก๊าซชีวภาพ

  • Second generation- มาจากเซลลูโลสและของเสีย (ไม่ใช่อาหาร) ของเสียนี้ได้มาจากก้านพืชและไม้ไบโอไฮโดรเจนไบโอแอลกอฮอล์ไดเมทิลฟอร์มาไมด์ DMF ดีเซลไม้แอลกอฮอล์ผสมและไบโอไดเมทิลอีเธอร์ DME

  • Third generation- พบในสาหร่ายซึ่งเชื่อกันว่าให้พลังงานสูงโดยมีต้นทุนต่ำ พลังงานจากสาหร่ายเรียกว่าน้ำมันเก

สารอินทรีย์ถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้ซึ่งเรียกว่าพลังงานชีวภาพ วัสดุที่ใช้ในกระบวนการผลิตพลังงานเรียกว่าวัตถุดิบ

เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับชีวมวลให้ดีขึ้นเราจะสำรวจแหล่งต่างๆก่อน

การผลิตชีวมวลหมายถึงการเพิ่มขึ้นของปริมาณอินทรียวัตถุ เป็นการเพิ่มอินทรียวัตถุในพื้นที่หรือประชากรที่กำหนด ชีวมวลถือเป็นพลังงานหมุนเวียนเนื่องจากได้รับการเติมเต็มเมื่อพืชและสัตว์เติบโต

มีสองรูปแบบของการผลิต -

  • Primary productionหมายถึงการสร้างพลังงานโดยพืชโดยการสังเคราะห์ด้วยแสง พลังงานส่วนเกินที่สร้างขึ้นจะถูกจัดเก็บและเพิ่มเป็นมวลชีวภาพทั้งหมดในระบบนิเวศ การผลิตขั้นต้นสามารถประมาณได้จากพื้นที่ป่าทั้งหมดในปีหนึ่ง ๆ

  • Secondary productionคือการดูดซึมสารอินทรีย์เป็นเนื้อเยื่อของร่างกายโดยสิ่งมีชีวิต รวมถึงการกินโดยสัตว์เช่นการกินอาหารไม่ว่าจะเป็นสัตว์อื่นหรือจากพืช นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการย่อยสลายสารอินทรีย์โดยจุลินทรีย์ การผลิตขั้นทุติยภูมิสามารถประมาณได้เป็นเนื้อสัตว์ทั้งหมดที่ผลิตได้ต่อปี

แม้ว่ามวลชีวภาพสามารถวัดได้เป็นมวลของสิ่งมีชีวิตที่มีชีวิตและตายในสภาพแวดล้อมที่กำหนด แต่การผลิตก็ยากที่จะประเมินได้ สามารถประมาณได้เฉพาะการเพิ่มขึ้นของปริมาณแม้ว่าส่วนหนึ่งของชีวมวลเพิ่มเติมอาจถูกแทนที่ด้วยกระบวนการทางธรรมชาติ

การเผาไหม้โดยตรงสำหรับความร้อน

การเผาไหม้โดยตรงเพื่อให้ความร้อนเป็นวิธีการที่เก่าแก่ที่สุดในการเปลี่ยนชีวมวลเป็นพลังงานตั้งแต่อารยธรรมแรกสุด การแปลงทางเคมี (การเผาไหม้) สามารถทำได้หลายวิธีโดยใช้วัตถุดิบที่หลากหลาย

การเผาไหม้แบบสแตนด์อโลน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้ชีวมวลใช้น้ำมันดีเซลที่ได้จากน้ำมันพืชเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล เครื่องปั่นไฟเผาน้ำมันดีเซลอินทรีย์เพื่อผลิตพลังงานในการผลิตไฟฟ้า

  • ความร้อนร่วมและโรงไฟฟ้าเป็นที่รู้จักกันในการผลิตไฟฟ้าและพลังงานความร้อนที่มีประโยชน์ อุตสาหกรรมเซรามิกใช้ความร้อนในการอบแห้งผลิตภัณฑ์เช่นกระเบื้องดินเผา

  • โรงไฟฟ้าบางแห่งใช้ชีวมวลในการทำน้ำร้อนและผลิตไอน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้า ชีวมวลถูกเผาเพื่อให้เกิดความร้อนเพียงพอที่จะต้มน้ำ

  • โรงขยะเทศบาลเผาขยะมูลฝอยเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ประเภทนี้มีแนวโน้มที่จะถูกวิพากษ์วิจารณ์เนื่องจากของเสียที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่มีก๊าซพิษจากพลาสติกและเส้นใยสังเคราะห์

การเผาไหม้ร่วมชีวมวล

นอกเหนือจากการเผาไหม้แบบแยกส่วนแล้วชีวมวลสามารถผสมกับเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่น ๆ และเผาเพื่อสร้างพลังงานได้ สิ่งนี้เรียกว่าการยิงร่วม

  • ชีวมวลอาจถูกเผาโดยตรงเป็นถ่านหิน สิ่งนี้เรียกว่าการเผาไหม้ร่วมโดยตรง

  • ในกรณีอื่น ๆ ชีวมวลจะถูกแปรรูปเป็นก๊าซก่อนแล้วจึงเปลี่ยนเป็นซินกัส

  • กรณีที่สามคือเชื้อเพลิงฟอสซิลถูกเผาในเตาเผาที่แตกต่างกันและพลังงานที่ผลิตได้จะถูกใช้เพื่ออุ่นน้ำในโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ

ประเภทของการเผาไหม้

การเผาไหม้ประเภทต่างๆ ได้แก่ -

  • Fixed bed combustion - เป็นวิธีการที่ชีวมวลที่เป็นของแข็งจะถูกตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ ก่อนแล้วจึงเผาบนพื้นผิวเรียบ

  • Moving bed combustion- ในวิธีนี้ตะแกรงจะถูกตั้งค่าให้เคลื่อนย้ายทิ้งเถ้าไว้ข้างหลังอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอ เชื้อเพลิงเผาไหม้ในระดับการเผาไหม้

  • Fluid-bed combustion- เชื้อเพลิงถูกต้มภายใต้แรงดันสูงผสมกับทราย ทรายทำหน้าที่กระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอ

  • Burner combustion - ในวิธีนี้ฝุ่นไม้และฝุ่นละเอียดจะถูกวางไว้ในหัวเผาคล้ายกับเชื้อเพลิงเหลว

  • Rotary furnace combustion- เตาเผาใช้ในการเผาอินทรียวัตถุที่มีความชื้นสูง ของเสียเช่นเศษอาหารหรือของเสียจากฟาร์มชื้นอื่น ๆ จะถูกเผาด้วยวิธีนี้

ไพโรไลซิส

Pyrolysisเป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการแปรรูปเชื้อเพลิงชีวภาพโดยการเผาภายใต้อุณหภูมิที่สูงมากโดยไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งอาจทำให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ สิ่งนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ การไม่มีกระบวนการออกซิเดชั่นหรือฮาโลเจนส่งผลให้เชื้อเพลิงชีวภาพมีความหนาแน่นสูงมากซึ่งสามารถใช้ในการเผาไหม้การเผาไหม้ร่วมหรือเปลี่ยนเป็นก๊าซ

  • Slow pyrolysisเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 400oC เป็นกระบวนการทำให้ถ่านแข็ง

  • Fast pyrolysisเกิดขึ้นระหว่าง 450oC ถึง 600oC และส่งผลให้เกิดก๊าซอินทรีย์ไอไพโรไลซิสและถ่าน ไอถูกประมวลผลโดยการควบแน่นให้อยู่ในรูปของเหลวเป็นไบโอออยล์ ต้องทำภายใน 1 วินาทีเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป ของเหลวที่ได้คือของเหลวสีน้ำตาลเข้มหนาแน่นกว่าชีวมวลจากไม้และมีปริมาณพลังงานเท่ากัน

ไบโอออยล์มีข้อดีหลายประการ ง่ายต่อการขนส่งเผาและจัดเก็บ วัตถุดิบหลายชนิดสามารถผ่านกระบวนการไพโรไลซิสเพื่อผลิตน้ำมันชีวภาพ

แผนภาพด้านล่างอธิบายถึงกระบวนการในการแปลงพลังงานให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้จากเชื้อเพลิงชีวภาพผ่านไพโรไลซิส

การหมักแอลกอฮอล์

การหมักแอลกอฮอล์เป็นกระบวนการที่เปลี่ยนน้ำตาลเป็นเซลลูโลส กระบวนการนี้ส่งผลให้เอทานอลและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลพลอยได้ กระบวนการนี้ถือเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจนเนื่องจากเกิดขึ้นในช่วงที่ไม่มีออกซิเจน นอกเหนือจากการอบขนมปังและการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์แล้วกระบวนการนี้ยังผลิตเชื้อเพลิงที่มีแอลกอฮอล์ สูตรทางเคมีสำหรับการหมักแอลกอฮอล์กำหนดโดย -

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

อ้อยเป็นวัตถุดิบหลักสำหรับกระบวนการนี้โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่แห้ง ข้าวโพดหรือน้ำตาลใช้ในพื้นที่เขตอบอุ่น

การใช้ผลิตภัณฑ์

ผลิตภัณฑ์มีการใช้งานดังต่อไปนี้ -

  • Acetone เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้ในการผลิตวัตถุเจือปนอาหารการละลายกาวการทำให้สีบางลงน้ำยาขจัดคราบไขมันและในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง

  • Hydrogenใช้เป็นสารทำความเย็นในอุตสาหกรรมไฟฟ้า นอกจากนี้ยังใช้ในเซลล์ไฮโดรเจนเพื่อการผลิตพลังงาน

  • Butanolให้เชื้อเพลิงที่ดีกว่าเอทานอล นอกจากนี้ยังใช้เป็นส่วนผสมในสีผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางเรซินสีย้อมสารสกัดโพลีเมอร์และในการผลิตใยสังเคราะห์

  • Ethanolใช้เป็นเชื้อเพลิงส่วนประกอบของสีและสารเติมแต่งในน้ำยาฆ่าเชื้อ นอกจากนี้ยังใช้ในเครื่องดื่มแอลกอฮอล์

การย่อยสลายก๊าซชีวภาพแบบไม่ใช้ออกซิเจน

Anaerobic digestionเป็นกระบวนการทางชีวภาพที่สารอินทรีย์ถูกย่อยสลายเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน จุลินทรีย์เช่นแบคทีเรียที่เป็นกรดและอะซิโตเจนจะเปลี่ยนสารที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพให้เป็นก๊าซชีวภาพ นอกเหนือจากการเป็นแหล่งพลังงานแล้วยังเป็นวิธีการสะสมของเสียและเทคนิคการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมอีกด้วย

สมการหลักสำหรับการแปลงนี้ที่ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และมีเธนมีดังนี้ -

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

กระบวนการทีละขั้นตอนมีคำอธิบายด้านล่าง -

  • Step 1- การแยกสารอินทรีย์เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่สำหรับการแปลง กระบวนการนี้เรียกว่าไฮโดรไลซิส

  • Step 2- Acidogens ทำหน้าที่ในการย่อยสลายโดยเปลี่ยนเป็นกรดไขมันระเหย (VFAs) ควบคู่ไปกับแอมโมเนีย CO2 และไฮโดรเจนซัลไฟด์ กระบวนการนี้เรียกว่า acidogenesis

  • Step 3 - VFAs ถูกแยกย่อยออกไปเป็นกรดอะซิติกคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน

  • Step 4 - ขั้นตอนสุดท้ายคือการรวมกันของการปล่อยข้างต้นเพื่อผลิตเมทานอลคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ

พิมพ์