Năng lượng tái tạo - Hướng dẫn nhanh
Renewable energylà một thuật ngữ dùng để chỉ các dạng năng lượng thu được tự nhiên từ môi trường và từ các nguồn có thể được bổ sung một cách tự nhiên. Chúng bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, thủy điện và sinh khối.
Không nên nhầm lẫn thuật ngữ năng lượng tái tạo với năng lượng thay thế, nó mô tả các nguồn năng lượng bên ngoài các dạng thông thường như xăng được coi là thân thiện với môi trường hơn hoặc ít gây hại hơn.
Ưu điểm của Năng lượng tái tạo
Ưu điểm của việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là -
Chi phí bảo trì ít hơn vì hầu hết các nguồn có ít hoặc không có bộ phận chuyển động, do đó, ít hư hỏng cơ học hơn.
Chúng tiết kiệm và có thể cắt giảm chi phí sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Chúng thải ít hoặc không thải ra môi trường.
Nguồn năng lượng tái tạo không cạn kiệt. Do đó, chúng có triển vọng tốt hơn cho tương lai.
Nguồn năng lượng mặt trời
Hướng dẫn này giải thích năm nguồn năng lượng tái tạo chính. Mỗi nguồn sẽ được xem xét ngắn gọn, mặc dù thảo luận chi tiết sẽ được cung cấp trong các chương tiếp theo.
Solar energy- Năng lượng từ Mặt trời được gọi là quang năng. Năng lượng mặt trời có thể được sử dụng như mặt trời chủ động hoặc mặt trời thụ động. Năng lượng mặt trời hoạt động được tiêu thụ trực tiếp trong các hoạt động như làm khô quần áo và làm ấm không khí. Công nghệ đã cung cấp một số cách để sử dụng nguồn tài nguyên dồi dào này.
Geothermal energy- Điều này đề cập đến năng lượng nhiệt được lưu trữ dưới mặt đất hàng triệu năm thông qua quá trình hình thành trái đất. Nó sử dụng một kho dự trữ phong phú về năng lượng nhiệt chưa sử dụng tồn tại dưới lớp vỏ trái đất.
Hydro-power - Đây là nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu được sử dụng trên toàn thế giới hiện nay để sản xuất điện.
Wind energy - Thời cổ đại, năng lượng gió được sử dụng để di chuyển tàu bè bằng cách tác động vào các cánh buồm.
Biomass energy - Trong sản xuất năng lượng, nó đề cập đến các nhà máy chất thải được sử dụng để tạo ra năng lượng bằng cách đốt cháy.
Năng lượng mặt trời là năng lượng thu được bằng cách thu nhiệt và ánh sáng từ Mặt trời. Năng lượng từ Mặt trời được gọi là năng lượng mặt trời. Công nghệ đã cung cấp một số cách để sử dụng nguồn tài nguyên dồi dào này. Nó được coi là công nghệ xanh vì không thải ra khí nhà kính. Năng lượng mặt trời có sẵn rất nhiều và đã được sử dụng từ lâu như điện năng và nguồn nhiệt.
Công nghệ năng lượng mặt trời có thể được phân loại rộng rãi là -
Active Solar- Kỹ thuật năng lượng mặt trời tích cực bao gồm việc sử dụng các hệ thống quang điện, năng lượng mặt trời tập trung và đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời để khai thác năng lượng. Năng lượng mặt trời hoạt động được tiêu thụ trực tiếp trong các hoạt động như làm khô quần áo và làm ấm không khí.
Passive Solar - Các kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm định hướng tòa nhà theo Mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt hoặc đặc tính phân tán ánh sáng thuận lợi và thiết kế không gian lưu thông không khí một cách tự nhiên.
Chuyển đổi năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng thu được bằng cách thu nhiệt và ánh sáng từ Mặt trời. Phương pháp thu nhận điện năng từ ánh sáng mặt trời được gọi là phương pháp quang điện. Điều này đạt được bằng cách sử dụng vật liệu bán dẫn.
Hình thức khác để thu được năng lượng mặt trời là thông qua công nghệ nhiệt, đưa ra hai hình thức phương pháp khai thác năng lượng.
Đầu tiên là tập trung năng lượng mặt trời, tập trung năng lượng mặt trời để điều khiển các tuabin nhiệt.
Phương pháp thứ hai là hệ thống sưởi ấm và làm mát được sử dụng trong hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời và điều hòa không khí tương ứng.
Quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng để sử dụng năng lượng của nó trong các hoạt động hàng ngày được đưa ra dưới đây:
Sự hấp thụ năng lượng của các hạt mang năng lượng trong tia Mặt trời gọi là photon.
Chuyển đổi quang điện, bên trong pin mặt trời.
Sự kết hợp của dòng điện từ một số ô. Bước này là cần thiết vì một tế bào duy nhất có điện áp nhỏ hơn 0,5 V.
Chuyển đổi kết quả DC thành AC.
Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp Quang điện biến quang năng thành điện năng.
Điều cần thiết là chúng ta phải có một số kiến thức cơ bản về Tiếp điểm PN trước khi chuyển sang tìm hiểu khái niệm Hiệu ứng quang điện.
Giao lộ PN
PN Junction được phát minh bởi phòng thí nghiệm Russell of Bell ở Hoa Kỳ. Nó đề cập đến một điểm nối giữa hai chất bán dẫn, đó là loại P và loại N. Russell đã phát hiện ra rằng hai chất bán dẫn có một hành vi thú vị tại điểm nối gây ra sự dẫn truyền chỉ theo một hướng.
Chất bán dẫn loại P có các lỗ trống (không có electron) là hạt mang điện tích đa số. Một chất bán dẫn Ntype có các electron là hạt mang điện tích đa số.
Trong sơ đồ được đưa ra ở trên, tại đường giao nhau -
Các điện tích phụ khuếch tán qua các chỗ nối ngược chiều sao cho cực dương ở phía p thu được điện tích âm và trung hòa chúng.
Tương tự, các âm ở phía N thu được các điện tích dương và trung hòa chúng.
Điều này tạo thành một biên (m) ở hai bên khi điện tích phụ bị cạn kiệt để làm cho vùng này trung tính và ở trạng thái cân bằng. Vùng này được gọi làdepletion layer và không tính phí từ hai bên giao nhau.
Lớp suy giảm cung cấp một rào cản tiềm năng và do đó yêu cầu điện áp bên ngoài để vượt qua nó. Quá trình này được gọi làbiasing.
Để tiến hành, trong forward biasing, điện áp đặt vào sẽ bơm các electron (âm) từ tiếp giáp n về phía p của tiếp giáp. Dòng điện liên tục đảm bảo chuyển động liên tục của các electron để lấp đầy các lỗ trống, do đó dẫn truyền qua lớp suy giảm.
Đảo ngược điện áp đặt vào, trong một quá trình được gọi là reverse biasing, làm cho các lỗ trống và các electron bị lệch nhau, làm tăng lớp suy giảm.
Một tải bên ngoài được kết nối với một pin mặt trời có đầu cực dương được kết nối với các tấm wafer phía N và cực âm với các tấm wafer phía P. Sự khác biệt tiềm ẩn được tạo ra bởiphotovoltaic hiệu ứng.
Dòng điện thu được bởi các electron bị dịch chuyển bởi các photon không đủ để tạo ra sự khác biệt đáng kể về điện thế. Do đó, dòng điện được chứa để gây ra va chạm thêm và giải phóng nhiều điện tử hơn.
Hiệu ứng quang điện
Pin mặt trời sử dụng khái niệm điểm tiếp giáp pn để thu năng lượng mặt trời. Hình sau đây cho thấy mức fermi của một chất bán dẫn.
Để một chất bán dẫn dẫn điện, các điện tử phải vượt qua khe hở năng lượng từ vùng hóa trị đến vùng dẫn. Các điện tử này cần một số năng lượng để bật ra và di chuyển qua khoảng trống hóa trị. Trong pin mặt trời, các photon phát ra từ Mặt trời cung cấp năng lượng cần thiết để vượt qua khoảng trống.
Một sự cố photon trên bề mặt có thể bị hấp thụ, phản xạ hoặc truyền đi. Nếu nó bị phản xạ hoặc truyền đi, nó không giúp đánh bật electron và do đó bị lãng phí. Do đó, một photon phải được hấp thụ để cung cấp năng lượng cần thiết để đánh bật và di chuyển các electron qua khoảng trống hóa trị.
Nếu E ph là năng lượng của một photon và EG là năng lượng ngưỡng để vượt qua khoảng trống năng lượng, thì các kết quả có thể xảy ra, khi photon chạm vào bề mặt của chất bán dẫn là:
Eph < EG - Trong trường hợp này, photon không đạt được ngưỡng và sẽ chỉ đi qua.
Eph = EG - Photon có ngưỡng chính xác để đánh bật một electron và tạo ra một cặp electron lỗ trống.
Eph > EG- Năng lượng photon vượt ngưỡng. Điều này tạo ra một cặp electron-lỗ trống, mặc dù nó là một sự lãng phí, vì electron di chuyển trở lại khoảng trống năng lượng.
Hấp thụ bức xạ mặt trời
Trong hầu hết các trường hợp, hệ số hấp thụ của chất bán dẫn được sử dụng để xác định hiệu suất hấp thụ năng lượng từ Mặt trời. Hệ số thấp có nghĩa là khả năng hấp thụ kém. Do đó, một photon đi được bao xa là hệ số của cả hệ số hấp thụ ( α ) và bước sóng của bức xạ ( λ ).
$$\alpha\:=\:\frac{4\pi k}{\lambda}$$
Trong đó, k là hệ số tắt.
Để xây dựng một bảng điều khiển năng lượng mặt trời, người ta yêu cầu một số pin mặt trời làm bằng silicon pha tạp chất như đã được thảo luận trước đây. Các ô này được kết nối theo chuỗi để cộng thêm dòng điện kết quả. Điều này tạo ra các dải ô được nhóm lại được gọi là mô-đun. Một mô-đun duy nhất có thể được xây dựng thành một bảng điều khiển năng lượng mặt trời hoặc kết hợp với các mô-đun khác trong trường hợp cần một bảng điều khiển lớn.
Một bảng điều khiển năng lượng mặt trời bao gồm một số lớp kẹp các tế bào quang điện. Các lớp này được sử dụng để bảo vệ các tế bào mỏng manh.
Hình minh họa các lớp được đưa ra bên dưới -
Các lớp bao gồm các phần sau:
Cover Glass- Đây là nắp trên và trong suốt để ánh sáng lọt vào. Nó ngăn chặn các tế bào khỏi bị hư hại cơ học. Nó được làm bằng kính cứng chống trầy xước.
Non-reflective layer- Silicon có thể phản xạ hầu hết ánh sáng mặt trời. Do đó, lớp này được sử dụng để chống lại điều này và đảm bảo sự hấp thụ tối đa của các photon. Nói cách khác, nó giúp hấp thụ tối đa.
Contact grid- Tại lớp này, tất cả các địa chỉ liên hệ từ trên xuống dưới của các ô được kết nối với nhau. Tiếp xúc mở rộng đến các bộ phận bên ngoài của bảng điều khiển như bộ điều khiển sạc, hộp kết hợp và bộ lưu trữ pin hoặc hệ thống lưới điện.
P and N Silicon plates- Lớp này thực chất là sự kết hợp của hai lớp - lớp silicon Ndoped và lớp silicon pha tạp chất P. Lớp này tạo cho tấm pin mặt trời có màu sắc.
Back plate- Đây là lớp cứng để đỡ các tấm quang điện tinh thể. Đôi khi, sợi tổng hợp mềm dẻo có thể được sử dụng cho các tấm loại màng mỏng.
Khung nhôm được sử dụng để làm khung bảng điều khiển và giúp nó chịu được thời tiết. Những lợi ích là -
Khung cung cấp một phương tiện để gắn bảng điều khiển trên các bề mặt như mái nhà.
Khung đủ chặt để bảo vệ bảng chống lại các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như bão.
Tấm pin năng lượng mặt trời cũng phải được chăm sóc liên tục để ngăn chặn các hạt bụi bám trên đó. Trong quá trình lắp đặt, các tấm nên được cố định ở một góc để nhận được ánh sáng tối đa. Nên đặt pin đúng tỷ lệ trong trường hợp không sử dụng trực tiếp, để tránh lãng phí.
Hiệu quả là tỷ lệ giữa công suất đầu vào và công suất đầu ra. Trong trường hợp quang điện, hiệu suất là tỉ số giữa công suất về điện năng và năng lượng mặt trời tới tế bào.
Bây giờ, Công suất đầu ra, p m = Điện áp (v) * dòng điện (I) trong mạch (giá trị lớn nhất).
Và, Công suất đầu vào P i = Năng lượng sự cố G (Wm -2 ) * Diện tích bề mặt của ô, A (m 2 ).
Do đó, Hiệu quả được tính là -
$$\eta\:=\:\frac{P_{m}}{G\: \times\:A_{c}}$$
Trong đó, P m phải là công suất cực đại của mạch. Nó thu được bằng cách sử dụng điện áp trên mạch hở (V oc ) và dòng điện qua mạch ngắn (I sc ) và hệ số lấp đầy (FF).
$$P_{max}\:=\:V_{OC}I_{SC}FF$$
Các phép đo này phải được đo trong các điều kiện tiêu chuẩn tức là 25 ° C, khối lượng không khí là 1,5gm -3 , và năng lượng tới, G là 1000Wm -2 .
Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng của tế bào quang điện bao gồm:
- Bước sóng của ánh sáng tới
- Sự kết hợp của các electron và lỗ trống
- Điện trở
- Temperature
- Hệ số lấp đầy
- Hệ số phản ánh của vật liệu
Do đó, để tối đa hóa công suất, ô phải được xây dựng để có độ lấp đầy lớn hơn tức là diện tích bề mặt được sử dụng. Vị trí của pin mặt trời cũng xác định sản lượng của nó vì hai lý do. Đầu tiên, góc xác định mức độ phản chiếu trên ô và thứ hai là định vị xác định lượng ánh nắng mặt trời thu được từ 9 giờ sáng đến 3 giờ chiều. Để có hiệu quả tối đa, điều quan trọng là tránh bất kỳ bóng nào trên tế bào.
Công nghệ quang điện sử dụng hai công nghệ; dạng tinh thể và silicon vô định hình. Chất vô định hình vẫn còn là một khám phá mới và có thể mất nhiều thời gian hơn để đạt được hiệu suất tối ưu.
Tế bào kết tinh
Công nghệ silicon tinh thể tạo ra hai loại tế bào quang điện -
Mono-crystalline cells- Pin mặt trời đơn tinh thể được xây dựng từ một hình trụ đơn tinh thể được cắt ra để tạo ra tất cả các tấm wafer trong mảng. Các tấm wafer có hình dạng tròn, mặc dù đôi khi chúng có thể được cắt thành các biến thể hình dạng khác cho các mục đích sử dụng tinh thể. Nó được đặc trưng bởi một màu xanh đồng nhất. Các tính năng khác bao gồm -
Hiệu quả tương đối cao, trong số tất cả các công nghệ PV hiện có.
Hầu hết các tế bào đắt tiền vì nó được phát triển từ tinh thể hoàn toàn giống nhau.
Các ô cứng và phải được định vị tốt và được gắn trên một giá đỡ cứng.
Poly-crystalline cells- Chúng còn được gọi là các tế bào kết tinh malty và được tạo ra bằng cách đúc silicon thành một khuôn hình vuông. Kết quả đúc sau đó được cắt thành một số tấm hình vuông. Khối vuông được tạo thành từ một số tinh thể bao gồm các mảng màu xanh lam. Đây là công nghệ đằng sau bề mặt lấp lánh, giống như đá quý của một số tấm pin mặt trời trên thị trường hiện nay. Các tế bào đa tinh thể có các đặc điểm riêng biệt bao gồm:
Hiệu quả kém hơn một chút so với các tế bào đơn tinh thể.
Rẻ hơn đơn tinh thể.
Ít lãng phí vật liệu (silicon tinh khiết).
Với các tấm pin mặt trời có cùng thông số kỹ thuật, tấm pin đa tinh thể rộng hơn một chút so với tấm pin đơn tinh thể.
Tế bào vô định hình
Thin-Film PVs- Việc sử dụng silicon dạng vô định hình để chế tạo tế bào quang điện là một kỹ thuật mới mà các chuyên gia vẫn đang nghiên cứu để hạn chế những thách thức của dạng tinh thể. Các đặc điểm của công nghệ này bao gồm:
Chúng rẻ hơn nhiều so với cả hai dạng tinh thể.
Chúng linh hoạt. Do đó, chúng nên có một giá đỡ di động để sử dụng tốt nhất tính năng này. Tuy nhiên, hình dạng của bề mặt phải phù hợp với bảng điều khiển vì mục đích an toàn.
Ít bị hao tổn điện do tế bào bị rụng. Ngoài ra, chúng hoạt động mạnh hơn ở môi trường thiếu ánh sáng.
Kém bền. Họ dần suy thoái về sản lượng điện, đặc biệt là trong tháng đầu tiên trước khi đạt được sự ổn định.
Hiệu quả thấp nhất trong sản xuất điện và do đó bao phủ không gian lớn hơn
Công nghệ mới giúp bảng điều khiển có thể được gắn trên ô cửa sổ và các bề mặt cong.
Thuộc tính mạch quang điện
Một mạch tương đương của tế bào quang điện được cho dưới đây:
Dòng điện thu được, I ph = Diện tích ô * Cường độ ánh sáng, hệ số đáp ứng H *, ξ.
Cho trước, Tổn thất do điện trở của vật dẫn = R p
Suy hao do vật dẫn không lý tưởng = R s
Nếu ô tạo ra dòng điện I ở điện áp V, thì mối quan hệ giữa I và U của một ô đơn lẻ được biểu thị là:
Hiện hành, $I\:=\:I_{ph}-I_{o}[\exp\lgroup\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s}\rgroup}{U_{t}}-1\rgroup]-\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s} \rgroup}{R_{p}}$
Trong đó điện áp nhiệt được cung cấp bởi $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$
Nhiệt độ tính bằng Kelvin và K = 1,38 -23 (hằng số Bowman), e = 1,602e -19 .
Nhận được I và U tối đa, chúng ta có thể đạt được công suất tối đa.
I max đạt được khi V = 0 tức là ngắn mạch trong khi V max đạt được khi I = 0 tức là hở mạch.
Note - Các ô song song thêm dòng điện trong khi các ô nối tiếp cộng thêm điện áp.
Năng lượng địa nhiệt đề cập đến năng lượng nhiệt được lưu trữ dưới mặt đất hàng triệu năm thông qua quá trình hình thành trái đất. Nó sử dụng một kho dự trữ phong phú về năng lượng nhiệt chưa sử dụng tồn tại dưới lớp vỏ trái đất.
Geothermal energylà trang web cụ thể nhưng có thể rất rẻ, đặc biệt là khi được sử dụng để sưởi ấm trực tiếp. Việc ước tính nguồn điện từ nguồn này là một thách thức vì nó xảy ra dưới lòng đất ở nhiệt độ cực cao.
Vỏ trái đất có năng lượng nhiệt (nhiệt) khổng lồ được lưu trữ qua hàng triệu năm. Tồn tại một sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn giữa vỏ trái đất và bề mặt. Sự chênh lệch nhiệt độ được gọi làgeothermal gradient. Năng lượng này đủ để làm tan chảy đá. Đá nóng chảy, được gọi là magma, đôi khi phun trào qua các vết nứt trên bề mặt trái đất như núi lửa. Năng lượng địa nhiệt được chuyển đổi để sản xuất thành điện năng.
Sự hiện diện của các mỏ địa nhiệt dưới dạng chất lỏng địa nhiệt nóng là dấu hiệu của một địa điểm tốt. Địa điểm phải có tầng chứa nước nông để có thể phun nước vào. Sản phẩm địa nhiệt vốn có nên ở khoảng 300o F.
Ưu điểm của năng lượng địa nhiệt
Những lợi thế chính bao gồm -
Không có nhiên liệu bị đốt cháy vì nhiệt có nguồn gốc từ một hồ chứa dồi dào dưới lòng đất. Nguồn năng lượng tái tạo có thể giải quyết nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch.
Nó không có khí thải và tạo ra 10% carbon dioxide, rất ít so với lượng tiêu thụ của thực vật.
Không giống như các nguồn năng lượng tái tạo khác (năng lượng mặt trời, gió và nước), nó không bị ảnh hưởng bởi và sẽ luôn sẵn sàng trong suốt cả năm.
Năng lượng địa nhiệt tương đối ít tốn kém hơn, đặc biệt là khi được sử dụng trực tiếp, chẳng hạn như nguồn nhiệt trong nhà kính.
Bất lợi duy nhất của năng lượng địa nhiệt là giải phóng hydro sulfua được xác định bằng mùi trứng thối đặc trưng.
Nguồn địa nhiệt nâng cao (EGS)
Trong một số nguồn địa nhiệt, nước được bơm vào các giếng có chứa các mỏ địa nhiệt. Bên trong những cặn bẩn này, nước bị quá nhiệt và do đó chuyển thành hơi nước. Nước được bơm xuống dưới áp suất rất cao để làm giãn các khe nứt của đá.
Một số năng lượng địa nhiệt có nhiệt độ thấp hơn được sử dụng trực tiếp dưới dạng nhiệt. Những ngôi nhà xanh có thể được cung cấp năng lượng này như một bộ điều chỉnh nhiệt độ. Kỹ thuật này cũng được sử dụng trong nghề cá và thu hồi khoáng sản.
Nguyên lý là sử dụng nhiệt năng thông qua việc đun nóng nước thành hơi nước. Năng lượng địa nhiệt tận dụng nhiệt độ cao bên dưới vỏ trái đất. Hơi nước nóng hoặc nước làm nóng một chất lỏng đến lượt nó nở ra để làm quay các tuabin tạo ra điện.
Có ba hình thức được sử dụng. Chúng như sau:
Trạm điện hơi khô
Về cơ bản, các trạm hơi khô sử dụng hơi nước chảy ra từ các trầm tích địa chất để làm nóng chất lỏng thứ cấp làm quay tuabin để tạo ra điện. Hơi nước bốc lên ở nhiệt độ lên tới 150 độ, đủ nóng để làm giãn nở chất lỏng trong nhà máy địa nhiệt. Đây là một trong những kỹ thuật lâu đời nhất của điện địa nhiệt. Sự giãn nở của chất lỏng thứ cấp tạo ra năng lượng cơ học cần thiết cho việc quay các tuabin để tạo ra điện.
Trạm năng lượng hơi nước flash
Nước trong giếng dưới áp suất cao được hút đến vùng có áp suất thấp hơn. Sự dịch chuyển áp suất này làm hóa hơi nước tỏa ra hơi nước ở nhiệt độ cao. Hơi nước này được tách ra khỏi nước và được sử dụng để làm nóng chất lỏng làm quay các tuabin trong máy phát điện. Ở áp suất này, khí ở nhiệt độ rất cao.
Trạm điện chu kỳ nhị phân
Khai thác sự khác biệt về điểm sôi, được xác định bằng tỷ trọng, là phương pháp gần đây nhất được sử dụng. Chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều so với nước được sử dụng trong hệ thống. Phương pháp này sử dụng nước ở nhiệt độ 58 độ để làm nóng chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp hơn. Nước làm nóng chất lỏng và làm cho chất lỏng bốc hơi do nhiệt độ sôi thấp hơn và làm quay các tuabin để tạo ra điện.
Địa vật lý là một lĩnh vực khoa học liên quan đến các thuộc tính của trái đất và môi trường của nó. Nó là nghiên cứu về từ trường và hấp dẫn, các tính chất bên trong của trái đất, chu kỳ nước, sự hình thành mỏ khoáng sản và các mối quan hệ trên mặt đất của mặt trời.
Địa vật lý chuyên tìm kiếm các nguồn tài nguyên dưới vỏ trái đất và xác định các mối đe dọa tiềm tàng như động đất. Nó cũng yêu cầu phân tích định tính để xác định các vị trí tốt nhất cho khai thác, khoan dầu và các mỏ địa nhiệt.
Ngành Địa vật lý
Các ngành khác nhau của Địa vật lý là -
Study of solid earth- Các đặc tính của đất rắn bao gồm từ nghiên cứu kiến tạo đến phân tích địa chấn cho động đất. Chi nhánh này nghiên cứu các mỏ dầu và khoáng sản. Các mẫu đất được phân tích để tìm bất kỳ kết cấu hoặc trầm tích bất thường nào.
Study of water- Đây là nghiên cứu về nước ngọt cũng như nước dưới bề mặt trái đất. Nghiên cứu về nước được thực hiện bởi các nhà thủy văn học, những người phân tích các chu trình nước và mực nước ngầm. Hải dương học, nghiên cứu về đại dương và lòng đất bên dưới, cũng thuộc thể loại này.
Study of air- Không khí là thành phần chính của trái đất. Nghiên cứu về không khí giúp dự đoán các điều kiện thời tiết và đề phòng các điều kiện khắc nghiệt như bão.
Life and geophysics- Sự tương tác của sinh vật và trái đất là một yếu tố quan trọng. Điều quan trọng cần lưu ý là cặn dầu chủ yếu là do vật chất phân hủy. Các điều kiện bên dưới mặt đất được nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của chúng đối với sự tồn tại của sinh vật.
Tầng chứa nước
Một số đá, được gọi là tầng chứa nước, cung cấp một môi trường tốt cho nước chảy qua tự nhiên. Những tảng đá này xốp và lọc nước chảy qua. Các tầng chứa nước là vị trí tốt nhất nơi các giếng được khoan để cung cấp dòng nước liên tục. Các loại đá tạo nên tầng chứa nước tốt là cát, đá granit, đá cuội kết, đá sa thạch và vôi nứt nẻ.
Các tầng chứa nước nằm bên dưới mực nước ngầm để lượng mưa ngay lập tức bổ sung nước được bơm từ giếng. Các tầng chứa nước rất quan trọng trong việc duy trì chu trình nước của trái đất. Giếng được khoan thành tầng chứa nước bao quanh bởi đá không xốp. Những tảng đá này tạo ra áp suất giúp bơm nước. Những loại giếng này được gọi là giếng artesian.
Kiểm tra địa chất thủy văn
Địa chất thủy văn sử dụng một số thử nghiệm trong các tầng chứa nước để nắm bắt các đặc điểm của chúng. Các thử nghiệm này được tiến hành trong môi trường được kiểm soát được gọi là giếng kiểm soát.
Ba bài kiểm tra chính là -
Pumping test- Nước được chiết xuất và bơm trở lại giếng với khoảng thời gian không đổi. Hành vi của các giếng lân cận được ghi lại do kết quả của những thay đổi. Thử nghiệm này giúp xác định độ thấm của các tầng chứa nước xung quanh giếng.
Slug test- Sên có nghĩa là mực nước thay đổi nhanh chóng. Trong thử nghiệm này, tác động lên các giếng lân cận và thời gian cần thiết để khôi phục lại mức ban đầu của nó được đo. Điều này có thể đạt được bằng cách lấy từ hồ hoặc nước có thể được bơm vào giếng để thay đổi mức độ nghiêm trọng.
Constant-head test- Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng giếng thí nghiệm gọi là giếng đối chứng. Trong một giếng kiểm soát, mức giảm nhiệt có thể được duy trì ở một mức độ. Hiệu ứng được ghi lại đối với các giếng lân cận. Rút giếng thường xuyên có thể làm móp mực nước ngầm. Điều này có thể gây ra trầm cảm và gây ra dòng chảy bất thường.
Năng lượng thủy điện (HEP) là một nguồn năng lượng tái tạo chính được sử dụng trên toàn thế giới ngày nay để sản xuất điện. Nó sử dụng các định luật cơ bản của Vật lý. Nước rơi xuống dưới áp suất cao có động năng lớn. Trong một trạm HEP, nước rơi xuống làm quay các tuabin. Thông qua cảm ứng từ, máy phát điện chuyển đổi cơ năng của tuabin thành điện năng.
Nhà máy thủy điện
Đó là kỹ thuật dùng nước đập từ trên cao rơi xuống để làm quay các tuabin của máy phát điện. Cơ năng được chuyển thành dạng điện năng và đưa vào hệ thống lưới điện quốc gia. Sơ đồ sau đây cho thấy một sơ đồ của một nhà máy thủy điện.
Vị trí đặt nhà máy thủy điện phải được chuyên gia phân tích để xác định đầu hiệu để đạt hiệu quả tối đa. Hệ thống thủy lực cũng được sử dụng để sử dụng khái niệm trên các dòng nước chuyển động chậm và chậm hơn.
Một lợi thế của thủy điện là nước có sẵn để sử dụng cho mục đích khác sau khi phát điện. Một con sông có lưu lượng nước lớn và đầu nguồn là nguồn thủy điện tốt hơn.
Tốc độ dòng chảy có nghĩa là tốc độ nước đi qua một điểm cụ thể trên sông trong một giây. Đầu đề cập đến khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh dốc đến trạm phát điện.
Một con đập với độ sụt lớn được xây dựng để nâng cao năng lượng tiềm năng của nước. Cửa nạp được đặt ở phía dưới, nơi có áp suất cao nhất. Sau đó, nước chảy theo trọng lực qua bút chì. Ở mức này, động năng đủ để làm quay các tuabin.
Ước tính công suất
Sức mạnh của một con đập có thể được ước tính bởi hai yếu tố - dòng chảy của nước và đầu đập.
Flowcó nghĩa là khối lượng đi qua một đoạn sông nhất định tại một thời điểm nhất định. Lưu lượng được cho bởi m 3 / s.
Head là khoảng cách thẳng đứng mà nước rơi qua.
Về mặt lý thuyết, Công suất tỷ lệ thuận với các yếu tố nêu trên, tức là
P = Q*H*c
Ở đâu,
P - công suất dự kiến
Q- lưu lượng tính bằng m 3 / s
H - Đi vào m
c - hằng số (mật độ * trọng lực)
Do đó, lấy tỷ trọng của nước là 1000gm -3 và trọng lực 1,9 -
P = 1000*1.9*Q*H
Năng lượng cần thiết để làm quay các tuabin của máy phát điện để gây ra cảm ứng điện từ.
Lưu trữ có bơm là một kỹ thuật được sử dụng để tái chế nước sau khi nó đã đi qua các tuabin. Đặc biệt, tích trữ được bơm nâng cao hiệu quả chung của đập.
Một nhà máy thủy điện có ba thành phần chính. Họ là -
Đầu tiên là đập tạo đầu nước. Nước rơi từ chân đập xuống với vận tốc lớn và cung cấp động năng làm quay các tuabin.
Thành phần thứ hai là bể chứa. Hồ chứa nước là nơi chứa nước phía sau đập. Nước trong hồ nằm cao hơn phần còn lại của cấu trúc đập. Chiều cao của nước trong hồ chứa quyết định bao nhiêu năng lượng tiềm năng mà nước sở hữu. Nước càng lên cao thì thế năng của nó càng nhiều.
Thành phần thứ ba là nhà máy điện nơi sản xuất điện và kết nối với lưới điện.
Đánh giá tài nguyên cho cài đặt nhỏ
Trước khi lắp đặt một nhà máy thủy điện mini, điều quan trọng là phải xác định nguồn tài nguyên gần đó có thể khai thác. Một dòng chảy tốt với lưu lượng khá ổn định (m 3 / s) là một nguồn tài nguyên đáng để khai thác.
Một con sông có dòng chảy tốt có thể tận dụng vận tốc của nước để quay bánh xe nước. Sườn núi hoặc đồi là thích hợp nhất cho quá trình tạo thủy điện. Như đã đề cập trước đây, cần phải xem xét cả đầu và lưu lượng của sông để xác định sản lượng điện gần đúng.
Biết các thông số, công suất gần đúng được xác định như sau:
Head in feet * flow in gallons per meter / 10 = power in Watts
Người đứng đầu cũng có thể có đơn vị Áp suất cho một con sông chẵn.
Phương pháp ống ống
Kỹ thuật này được sử dụng để xác định phần đầu trong dòng chảy thấp cho tuabin chìm.
Các yêu cầu đối với phương pháp ống mềm bao gồm một đường ống mềm (loại ngựa thả vườn được ưu tiên), một cái phễu và vật liệu đo. Dòng suối phải đủ nông để một người có thể lội qua (kiểm tra độ sâu của sông trước khi bắt đầu). Quy trình lắp đặt phương pháp ống mềm được mô tả dưới đây.
Đầu tiên, kéo căng vòi từ điểm mà suối bắt đầu dốc. Thứ hai, nhấc đầu vòi cho đến khi nước ngừng chảy qua. Lấy khoảng cách theo chiều dọc và lặp lại tương tự cho các phần khác cho đến khi đạt được vị trí ưa thích. Hình dưới đây minh họa các đầu khác nhau trong mỗi phần.
Determining head
Xác định dòng chảy
Lưu lượng của dòng chảy bình thường đối với thủy điện trong nước có thể được xác định bằng hai phương pháp sau:
Float method- trong kỹ thuật này, một phao có khối lượng đo được thả trong một phần chẵn của dòng và thời gian thực hiện để bao phủ khoảng cách đã đo được ghi lại. Khoảng cách tính bằng mét chia cho thời gian tính bằng giây để được vận tốc. Điều đáng lưu ý là phao không được chạm đất. Trong trường hợp quá nặng chạm vào lòng suối, có thể chọn phao nhỏ hơn.
Bucket method- Điều này đạt được bằng cách đắp đập dòng chảy và chuyển nó vào một cái thùng. Tỷ lệ cần để nó lấp đầy sau đó được ghi lại. Điều này được thực hiện bằng gallon mỗi giây. Dùng xô có thước đo tiêu chuẩn để chính xác hơn.
Có hai cách phân loại tuabin rộng rãi là tuabin Xung lực và tuabin Phản ứng. Việc lựa chọn tua bin phụ thuộc vào phần đầu và dòng chảy. Các yếu tố khác cần xem xét là chiều sâu, chi phí và hiệu quả cần thiết.
Tua bin xung lực
Trong tuabin xung lực, vận tốc của nước đập vào các xô của bánh tuabin để tạo ra cơ năng. Nước chảy ra khỏi đáy tuabin sau khi quay bánh xe.
Trong tuabin xung lực, vận tốc của nước đập vào các xô trong bánh tuabin để tạo ra cơ năng. Nước chảy ra khỏi đáy tuabin sau khi quay bánh xe.
Các loại tuabin xung lực
Tua bin xung có hai loại -
Pelton wheel- Loại bánh xe này có các tia phun hướng nước vào một không gian có sục khí. Nước rơi vào xô của người chạy và gây ra một khoảnh khắc lật. Bánh xe này không yêu cầu ống dự thảo. Một biến thể đã được phát triển được gọi là bánh xe xoay trông giống như những cánh quạt được bao bọc trong các cạnh. Nước chỉ đơn giản là chạy qua các quạt và gây ra chuyển động quay. Nó được thiết kế cho đầu cao và dòng chảy thấp.
Cross-flow- bánh xe có mặt cắt giống tang trống với vòi thuôn dài và hình chữ nhật. Các cánh dẫn hướng mở hướng nước vào người chạy. Nước chảy qua các cánh quạt hai lần khi nó đi vào và chảy ra.
Tua bin phản ứng
Trong tuabin phản ứng, sức mạnh được phát triển từ cả áp suất và tác động của nước chuyển động vì người chạy nằm ở trung tâm của dòng chảy. Chúng chủ yếu phù hợp với dòng chảy cao hơn và đầu thấp hơn. Nước đập vào tất cả các lưỡi dao thay vì từng lưỡi dao tại một thời điểm.
Tua bin phản ứng có ba loại -
Propeller turbinescó một người chạy với ba đến sáu lưỡi. Nước đập liên tục vào tất cả các cánh quạt ở áp suất không đổi để cân bằng người chạy. Có các biến thể của tuabin cánh quạt, đó là, bóng đèn, Kaplan, ống và ống dẫn.
Francis turbinesử dụng một người chạy với chín xô cố định trở lên. Nước được phép chảy ngay phía trên tuabin để tạo ra chuyển động quay liên tục.
Free-falltuabin sử dụng động năng trong nước chứ không phải thế năng được sử dụng bởi hầu hết các tuabin. Đó là lý do tại sao chúng thường được gọi làkinetictuabin. Chúng hoạt động dưới sự sắp đặt tự nhiên của sông suối. Chúng cũng có thể hoạt động theo thủy triều.
Thủy điện có thể được sử dụng cho sinh hoạt khi lưu lượng nước liên tục. Trong hầu hết các trường hợp, dòng chảy và sự sụt giảm không cung cấp đủ năng lượng để làm quay các tuabin thông thường. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay trên thị trường có các hệ thống nhỏ gọi là hệ thống thủy điện vi mô. Các hệ thống này được tạo thành từ các máy phát điện nhỏ được lắp đặt trên sông hoặc lạch và chạy trên các tuabin xung lực. Trên thực tế, hầu hết đều sử dụng bánh xe Pelton.
Các thành phần của nhà máy thủy điện
Sau đây là các bộ phận chính của nhà máy điện siêu nhỏ:
Intake- Vị trí của máy phát điện phải gần cửa nạp. Điều này có thể đạt được bằng cách đập nước để thiết lập cột nước cần thiết và tăng áp lực.
Penstock- Là vùng trọng trường rơi từ cửa hút. Đối với các dự án thủy điện vi mô, các đường ống được sử dụng từ cửa nạp đến bộ chạy của tuabin.
Turbines- Loại tuabin sử dụng phụ thuộc vào kích thước của dòng và sản lượng mong muốn. Đối với hầu hết các hydros nhỏ, một bánh xe pelton là hiệu quả. Trong trường hợp đầu thấp, tuabin phản ứng chìm có thể được sử dụng trong trường hợp áp lực nước làm quay các cánh quạt.
Controls- Điều khiển ngăn ngừa việc sạc pin quá mức. Họ điều chỉnh điều này bằng cách phân bổ công suất dư thừa cho tải trọng.
Dump load- Đây chỉ đơn giản là một điểm đến có điện trở cao thay thế được sử dụng khi pin đã được sạc đầy. Chúng có thể bao gồm máy nước nóng hoặc thậm chí hệ thống điều hòa không khí.
Battery- Hệ thống thủy điện siêu nhỏ không tạo ra công suất lớn như hệ thống điện xoay chiều thông thường. Để sử dụng nó cho một số nhu cầu điện năng, cần phải tích lũy năng lượng. Pin cung cấp một phương tiện để lưu trữ năng lượng ở mức mong muốn. Chúng cũng cung cấp năng lượng trong thời gian ngừng cung cấp hệ thống.
Metering- Điều này rất quan trọng để giám sát việc sử dụng điện so với nguồn điện. Điều này có thể giúp hiểu được các đặc điểm quan trọng của hệ thống cũng như xác định các lỗi.
Disconnect- Trong bất kỳ hệ thống dây dẫn điện nào, cần có một bộ phận bảo vệ chống lại nguồn điện cung cấp quá mức. Một thiết bị ngắt mạch nên được lắp đặt trên nguồn điện lưới để tránh hư hỏng trên bất kỳ thiết bị nào được kết nối với nguồn cung cấp thủy điện.
Một máy bơm thủy lực hoạt động theo các định luật vật lý cơ bản để nâng nước chống lại lực hấp dẫn lên độ cao cao hơn so với độ cao của nguồn. Máy bơm này hoạt động mà không cần cung cấp năng lượng bên ngoài như đốt nhiên liệu. Năng lượng duy nhất là động năng của nước được bơm. Đầu càng lớn khoảng cách bơm càng cao.
Làm thế nào nó hoạt động?
Để hiểu cách hoạt động của máy bơm ram, điều quan trọng là phải có kiến thức về nguyên lý búa nước.
Fluid hammer- Hiệu ứng búa chất lỏng xảy ra khi chất lỏng (trong trường hợp này là nước) bị dừng lại một cách cưỡng bức hoặc hướng của nó thay đổi đột ngột. Một cú sốc áp suất xảy ra và sóng được dẫn trở lại nguồn chất lỏng. Đây có thể là một hiện tượng nguy hiểm khiến lốp và ống dẫn bị nổ hoặc xẹp.
Nước chảy vào máy bơm qua đầu vào (5) với một số động năng từ đầu và đóng van (6).
Với 6 lần đóng và 3 lúc đầu đóng, nước phát triển một chất tạo bọt nước tạo áp lực trong đường ống và mở van (3) đưa một lượng nước qua đầu ra (1).
Vì dòng chảy lên đồi nên nước chảy chậm và ít lâu sau lại đổ xuống đóng lại 3.
Búa nước tích tụ và tái tạo trở lại qua đường ống tạo ra lực hút làm mở van thải 6.
Quá trình này được lặp lại với áp lực tăng lên mỗi lần.
Nhãn 2 là bộ điều khiển áp suất có chứa không khí. Nó đệm xung kích bất cứ khi nào 6 gần hơn và nước được đẩy qua 3. Nó giúp bảo vệ đường ống khỏi va đập có thể dẫn đến vỡ cũng như hỗ trợ hiệu quả bơm. Ram có hiệu suất từ 60 đến 80 phần trăm. Điều này không phản ánh trực tiếp tỷ lệ nước được bơm vì nó phụ thuộc vào chiều cao thẳng đứng của nước được bơm. Nói cách khác, đây là hiệu suất của hiệu ứng bơm thành năng lượng từ hiệu ứng hummer của nước.
Ví dụ đã giải quyết 1
Tính công suất ước tính cho tuabin có hiệu suất 85 phần trăm. Lưu lượng của sông là 80 mét khối mỗi giây và cửa lấy nước của dòng nằm cách vị trí của các tuabin máy phát điện 147 mét.
Solution -
Công suất được cung cấp bởi W = Hiệu suất * đầu * lưu lượng * mật độ * trọng lực
Quy đổi khối lượng riêng của nước sang đơn vị SI, ta được 1000kgm -3
Thay thế các giá trị trong công thức -
P = 0,85 * 1000 * 80 * 9,81 * 147
P = 97 Mega Watts
Ví dụ đã giải quyết 2
Với công suất thực tế nhận được trong một ngày cụ thể là 1.440.000kWh; tính hiệu suất của máy phát điện. Giả sử trọng lực là 9,81 ms -2 . Khối lượng riêng của nước 1 gcm -3 .
Solution -
Cho trước: nguồn cung cấp 1 ngày = 288000 kWh
Công suất = 1440000/24
= 60 mW
Hiệu quả = Nguồn cung cấp / công suất dự kiến * 100
= 60/97 * 100
Hệ thống có hiệu suất 66,67%.
Trong thời cổ đại, gió được sử dụng để di chuyển cánh buồm của các con tàu. Trong chương này, chúng ta sẽ xem năng lượng gió được sử dụng như thế nào để tạo ra điện.
A turbinechuyển động năng của gió thành cơ năng hữu ích. Năng lượng này có thể được sử dụng ở dạng cơ học hoặc làm quay tua bin máy phát điện và cung cấp điện. Cũng giống như trong các hệ thống thủy điện, năng lượng gió được khai thác thông qua việc chuyển đổi động năng của gió thành cơ năng.
Các tuabin gió phần lớn được phân thành hai loại - Tua bin gió Trục ngang và Tua bin gió Trục dọc. Các khu vực rộng lớn được lắp đặt các tuabin gió, tức là ngày nay các trang trại gió đang ngày càng xuất hiện nhiều.
Đặc điểm gió
Có những đặc tính chung của gió trong khi những đặc điểm khác lại cụ thể hơn cho địa điểm. Một số đặc điểm cụ thể của trang web bao gồm:
Mean wind speed - Điều này ước tính sản lượng gió hàng năm mặc dù nó không cung cấp phân phối.
Wind speed distribution- Có ba khía cạnh là đặc điểm hàng năm, nhật ngày và theo mùa. Hiểu được các biến thể tốc độ gió và sự lan truyền là cần thiết khi chọn địa điểm.
Turbulance- Đây là chuyển động hỗn loạn của gió theo các kiểu không thể đoán trước. Sự hỗn loạn là kết quả của các đặc tính thay đổi liên tục của chuyển động gió tác động đến sản sinh năng lượng và gây mỏi cho các cánh quạt.
Long term fluctuation- Gió không thường xuyên gây ra nguồn cung cấp năng lượng không thể đoán trước. Trước khi đặt tuabin gió, khu vực này cần được nghiên cứu về thông lượng gió không đổi.
Distribution of wind direction - Điều này có ý nghĩa hơn trong việc định vị các cánh quạt, đặc biệt là đối với các loại trục ngang.
Wind shear - Lực cắt là sự thay đổi hướng gió, tốc độ hoặc độ cao mà tại đó vận tốc lớn nhất xảy ra.
Các mẫu tốc độ gió
Các kiểu gió rất quan trọng và thường được phân tích bằng cách sử dụng wind spectrum. Một giá trị cao của phổ gió thể hiện sự thay đổi lớn của tốc độ gió trong khoảng thời gian nhất định. Nếu được biểu diễn trên biểu đồ, các đỉnh mô tả sự nhiễu loạn xảy ra theo thời gian.
Phân bố tốc độ gió
Có ba bản phân phối -
Diurnal - Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm.
Depressions - Xảy ra với chu kỳ bốn ngày dọc theo vùng ven biển.
Annual - Phân bố phụ thuộc vĩ độ.
Để hiểu năng lượng gió, chúng tôi đăng ký lý thuyết bảo toàn khối lượng và bảo toàn năng lượng. Một ống dẫn dưới đây được giả định là đại diện cho gió chảy vào và ra khỏi các cánh của tuabin.
Vận tốc V a được giả thiết là trung bình của V 1 và V 2 . Động năng ở miệng ống cho bởi -
KE = 1/2 mV 2
KE năng lượng thay đổi = 1/2 mV 1 2 - 1/2 mV 2 2
1/2 m (V 1 2 - V 2 2 )
Vì m = pAV a nên KE thay đổi, Pk = 1/2 pAV a (V 1 2 - V 2 2 )
Khi đơn giản hóa hơn nữa, năng lượng gió ước tính được đưa ra là:
KE, pk = 0,5925 * 1 / 2pAV 1 3
Lý thuyết phần tử lưỡi
Lý thuyết phần tử cánh giả định rằng dòng chảy tại một phần nhất định của cánh tuabin gió không ảnh hưởng đến các bộ phận lân cận. Phần nhỏ này trên phiến được gọi là hình khuyên. Động lượng được tính cho mỗiannulus. Tất cả các giá trị kết quả sau đó được tổng hợp để đại diện cho lưỡi và do đó toàn bộ cánh quạt.
Trên mỗi vòng tròn, một vận tốc phân bố đều được cho là đã được tạo ra.
Đối sánh động
Mô hình dòng chảy năng động đã được kết hợp để cải thiện ước tính của Lý thuyết Blade Element và Momentum. Động lực cơ bản trong khái niệm lý thuyết dòng chảy giúp ước tính ảnh hưởng của nhiễu loạn phiến. Vùng quét được đưa ra một trạng thái động để giúp tính vận tốc trung bình ước tính.
Lý thuyết BEM chỉ đưa ra các ước tính ở mức gió ổn định nhưng rõ ràng là phải xảy ra sóng gió. Tuy nhiên, điều này được tính bằng mô hình dòng vốn động cơ bản để cung cấp một ước tính thực tế hơn.
Năng lượng gió được tạo ra, đặc biệt là ở kiểu trục ngang, được biết đến là sản phẩm của tốc độ mũi, tổng số cánh quạt được sử dụng và tỷ lệ lực nâng trên lực kéo của mặt bên với một cánh quạt. Việc điều chỉnh lại trạng thái cân bằng ổn định mới được giải thích rõ ràng bởiDynamic Inflow Method (DIM).
Phương pháp dòng vào động
DIM còn được gọi là lý thuyết đánh thức động và dựa trên dòng cảm ứng, thường không ổn định. Nó tính toán phương thẳng đứng của dòng vào rôto có tính đến ảnh hưởng của nó đối với dòng động lực.
Điều này chỉ đơn giản là xem xét hiệu ứng đánh thức hoặc đơn giản là vận tốc của không khí được căn chỉnh theo chiều dọc với các cánh quạt gây ra bởi sự quay của các cánh quạt. Tuy nhiên, nó giả định vận tốc tiếp tuyến là ổn định. Điều này được gọi làWake effect và lực cản của nó làm giảm hiệu suất của tuabin gió.
Sản xuất điện
Động năng trong gió được các tuabin gió chuyển thành điện năng. Họ sử dụng khái niệm cổ xưa được sử dụng trong cối xay gió mặc dù với công nghệ vốn có, chẳng hạn như cảm biến, để phát hiện hướng gió. Một số tuabin gió có hệ thống phanh để dừng trong trường hợp gió mạnh để bảo vệ cánh quạt và cánh quạt khỏi bị hư hại.
Có bánh răng nối với trục rôto để tăng tốc các cánh quạt đến tốc độ phù hợp với máy phát điện. Bên trong máy phát điện xảy ra hiện tượng cảm ứng điện từ (phương thức cơ bản để biến đổi từ cơ năng thành điện năng). Trục quay một nam châm hình trụ chống lại một cuộn dây dẫn điện.
Tất cả điện từ các tuabin trong một trạm phong điện được hòa vào hệ thống lưới điện và chuyển thành điện áp cao. Đây thực chất là kỹ thuật truyền tải điện trong hệ thống lưới điện thông thường.
Các lưỡi cắt có bề mặt lớn là cần thiết mặc dù điều này phải được xác định bởi tiếng ồn phát ra từ các lưỡi dao rộng. Một trang trại gió có thể có tới 100 máy phát điện, điều này sẽ gây ra nhiều tiếng ồn hơn.
Có hai cách phân loại rộng rãi của tuabin gió -
- Tua bin gió trục ngang (HAWT)
- Tua bin gió trục dọc (VAWT)
Chúng ta hãy thảo luận chi tiết về hai loại tuabin gió này.
Tua bin gió trục ngang
Đây là những tuabin giống như cối xay gió với đầu trục hướng về hướng gió. Vì chúng phải được hướng về phía gió, các tuabin nhỏ hơn được hướng bởi các cánh gió gắn trên cấu trúc. Các tuabin lớn hơn có cảm biến gió với servo để quay các tuabin.
Chúng cũng được lắp các hộp giảm tốc để tăng tốc độ quay chậm nhằm đủ mạnh cho các tuabin máy phát. Các cánh quạt đủ cứng để tránh bị gãy hoặc uốn do mômen quay của gió.
Loại này được gắn trên tháp; do đó chúng gặp phải gió với vận tốc lớn. Chúng được uốn cong một chút để giảm diện tích quét. Khu vực quét thấp hơn làm giảm sức cản, có thể gây mệt mỏi và hỏng hóc.
Tua bin gió trục dọc
Rễ chính được lắp trên trục thẳng đứng. Điều này giúp loại bỏ những khó khăn liên quan đến tuabin gió nằm ngang. Các kiểu con bao gồm:
Tua bin gió Darius
Đây còn được gọi là tuabin máy đánh trứng và giống một chiếc máy đánh trứng khổng lồ. Nó hiệu quả nhưng có thể có nhiều lần ngừng hoạt động hơn và do đó kém tin cậy hơn. Để cải thiện độ rắn (diện tích lưỡi trên diện tích rôto) nên sử dụng ba hoặc nhiều lưỡi hơn.
Tua bin gió Savonious
Những loại này có độ tin cậy cao hơn tuabin Darius. Vấn đề là chúng không thể được gắn trên đỉnh tháp. Do đó, chúng tiếp xúc với các kiểu gió hỗn loạn và bất thường. Vì chúng là loại tua bin kéo nên kém hiệu quả hơn so với HAWT. Ưu điểm là chúng có khả năng chịu được sóng gió cực lớn.
Hầu hết VAWT không thể tự khởi động và cần có năng lượng bên ngoài để cung cấp cho chúng. Để có hiệu suất tối ưu, VAWT nên được gắn trên mái nhà. Mái nhà dẫn gió vào các cánh quạt.
Biomassnghĩa là sinh vật sống và những sinh vật đã chết gần đây. Nó không bao gồm những sinh vật đã được chuyển đổi sang nhiên liệu hóa thạch. Trong sản xuất năng lượng, nó đề cập đến các nhà máy chất thải được sử dụng để tạo ra năng lượng bằng cách đốt cháy.
Các phương pháp chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học rất nhiều và phần lớn được phân loại là chemical, thermal và biochemical. Đây là nguồn năng lượng tái tạo lâu đời nhất cũng như phổ biến rộng rãi nhất. Nó có nhiều phương pháp chuyển đổi.
Direct combustiontheo truyền thống sử dụng nhiên liệu gỗ. Các quy trình nâng cao nhưpyrolysis(quá trình sản xuất than củi), quá trình lên men và phân hủy kỵ khí chuyển đổi các nguồn này sang dạng đặc hơn và dễ vận chuyển như dầu và etanol. Than là sản phẩm của quá trình nhiệt phân, quá trình này tăng cường vật chất bằng cách đốt cháy nó trong điều kiện không có oxy.
Bio-fuellà một thuật ngữ chỉ nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối. Như đã đề cập trước đây, sinh khối là bất kỳ chất hữu cơ nào cả sống và chết và bao gồm từ thực vật đến chất thải hữu cơ. Trong hầu hết các trường hợp, sinh khối giàu dầu hoặc đường là lý tưởng để sản xuất năng lượng.
Thời hạn bio-energyđề cập đến năng lượng thu được từ các sinh vật sống hoặc chết. Điều này không bao gồm nhiên liệu hóa thạch. Chúng ta có thể phân loại nhiên liệu sinh học theo nguồn gốc hoặc theo thế hệ.
Phân loại nhiên liệu sinh học theo nguồn
Wood fuel- Có nguồn gốc từ cây cối, bụi rậm hoặc cây bụi. Ví dụ về nhiên liệu gỗ bao gồm than củi và gỗ.
Agro-fuels- Thu được từ sinh khối sản phẩm nông nghiệp như cây trồng chết hoặc từ các bộ phận thực vật khác như ngũ cốc. Nhiên liệu nông nghiệp chủ yếu có nguồn gốc từ đường và cây có dầu.
Municipal by-products- Có nguồn gốc từ chất thải được thu gom từ các thị trấn lớn. Có hai loại rác thải đô thị. Nhiên liệu sinh học chất thải rắn có nguồn gốc từ quá trình đốt trực tiếp chất thải rắn từ các ngành công nghiệp hoặc các tổ chức thương mại. Nhiên liệu sinh học chất thải lỏng / khí thu được từ quá trình lên men các chất thải được thu gom.
Phân loại nhiên liệu sinh học theo thế hệ
First generation- Chế biến từ dầu thực vật đường và mỡ động vật ép thành dầu đốt trong động cơ hoặc lên men và chế biến thành etanol với mục đích tương tự. Các sản phẩm cuối cùng là dầu, diesel sinh học, cồn, khí tổng hợp, nhiên liệu sinh học rắn và khí sinh học.
Second generation- Có nguồn gốc từ cellulose và chất thải (phi thực phẩm). Chất thải này có nguồn gốc từ thân cây và gỗ, hydro sinh học, cồn sinh học, dimethyl formamide DMF, dầu diesel từ gỗ, rượu hỗn hợp, và bio-dimethyl ether DME.
Third generation- Được tìm thấy trong tảo, được cho là tạo ra năng lượng cao với chi phí thấp. Năng lượng từ tảo được gọi là dầu-gae.
Vật chất hữu cơ được chuyển đổi thành dạng có thể sử dụng được gọi là năng lượng sinh học. Nguyên liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất năng lượng được gọi là nguyên liệu thô.
Để hiểu rõ hơn về sinh khối, trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu các nguồn khác nhau.
Sản xuất sinh khối đề cập đến sự gia tăng lượng chất hữu cơ. Nó là sự bổ sung chất hữu cơ trong một khu vực hoặc một quần thể nhất định. Sinh khối được coi là năng lượng tái tạo vì nó được bổ sung khi thực vật và động vật phát triển.
Có hai hình thức sản xuất -
Primary productionđề cập đến việc tạo ra năng lượng của thực vật thông qua quang hợp. Năng lượng dư thừa được tạo ra được lưu trữ và bổ sung vào tổng sinh khối trong hệ sinh thái. Sản lượng sơ cấp có thể được ước tính từ tổng độ che phủ của rừng trong một năm nhất định.
Secondary productionlà sự hấp thụ chất hữu cơ như các mô cơ thể của sinh vật. Nó bao gồm việc ăn phải của động vật tức là cho ăn, cho dù trên động vật khác hay thực vật. Nó cũng liên quan đến sự phân hủy chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Sản lượng thứ cấp có thể được ước tính là tổng lượng thịt được sản xuất mỗi năm.
Mặc dù sinh khối có thể được đo bằng khối lượng sinh vật sống và chết trong một môi trường nhất định, sản lượng khó ước tính hơn. Nó chỉ có thể được ước tính khi khối lượng tăng lên mặc dù một phần của sinh khối bổ sung có thể đã được thay thế thông qua các quá trình tự nhiên.
Đốt trực tiếp cho nhiệt
Đốt trực tiếp để lấy nhiệt là phương pháp chuyển đổi sinh khối thành năng lượng lâu đời nhất kể từ những nền văn minh đầu tiên. Chuyển đổi nhiệt hóa (đốt cháy) có thể đạt được theo một số cách sử dụng các loại nguyên liệu thô khác nhau.
Đốt độc lập
Máy phát điện dựa trên sinh khối sử dụng dầu diesel chiết xuất từ dầu thực vật để làm nhiên liệu cho máy phát điện diesel. Các máy phát điện đốt cháy diesel hữu cơ để tạo ra năng lượng sản xuất điện.
Các nhà máy nhiệt và điện kết hợp được biết đến là phương pháp đồng phát điện và nhiệt năng hữu ích. Các ngành công nghiệp gốm sứ sử dụng nhiệt để làm khô các sản phẩm như ngói đất sét.
Một số nhà máy điện sử dụng sinh khối để làm nóng nước và sản xuất hơi nước để phát điện. Sinh khối được đốt cháy để tạo ra đủ nhiệt để đun sôi nước.
Các nhà máy chất thải rắn thành phố đốt chất thải rắn để tạo ra điện. Loại này dễ bị chỉ trích vì chất thải rắn chủ yếu chứa khí độc từ nhựa và sợi tổng hợp.
Đồng đốt sinh khối
Ngoài quá trình đốt độc lập, sinh khối có thể được pha trộn với các nhiên liệu hóa thạch khác và đốt để tạo ra năng lượng. Đây được gọi là đồng bắn.
Sinh khối có thể được đốt trực tiếp như than đá. Đây được gọi là đồng đốt trực tiếp.
Trong các trường hợp khác, đầu tiên sinh khối được xử lý thành khí và sau đó chuyển thành khí tổng hợp.
Trường hợp thứ ba là khi nhiên liệu hóa thạch được đốt trong một lò khác và năng lượng tạo ra sau đó được sử dụng để làm nóng nước trong nhà máy điện hơi nước.
Các loại đốt cháy
Các kiểu đốt khác nhau là -
Fixed bed combustion - Đây là phương pháp mà đầu tiên sinh khối rắn được cắt thành các miếng nhỏ và sau đó nung trên bề mặt phẳng cố định.
Moving bed combustion- Trong phương pháp này, một tấm lưới được đặt để di chuyển liên tục và đều để lại tro. Nhiên liệu cháy theo cấp độ cháy.
Fluid-bed combustion- Nhiên liệu được đun sôi dưới áp suất cao có lẫn cát. Cát giúp phân phối nhiệt đồng đều.
Burner combustion - Trong phương pháp này, bụi gỗ và bụi mịn được cho vào lò đốt tương tự như đốt nhiên liệu lỏng.
Rotary furnace combustion- Lò nung dùng để đốt các chất hữu cơ có độ ẩm cao. Các chất thải như bã thức ăn hoặc chất thải nông trại ẩm khác được đốt theo cách này.
Nhiệt phân
Pyrolysislà một dạng khác của quá trình xử lý nhiên liệu sinh học bằng cách đốt cháy ở nhiệt độ rất cao mà không có oxy, có thể gây cháy hoàn toàn. Điều này gây ra những thay đổi vật lý và hóa học không thể đảo ngược. Việc không có các quá trình oxy hóa hoặc halogen hóa dẫn đến một loại nhiên liệu sinh học rất đậm đặc có thể được sử dụng trong quá trình đốt cháy, đồng đốt hoặc chuyển đổi thành khí.
Slow pyrolysisxảy ra ở khoảng 400oC. Đó là quá trình làm than rắn.
Fast pyrolysisxảy ra trong khoảng từ 450oC đến 600oC và tạo ra khí hữu cơ, hơi nhiệt phân và than củi. Hơi được xử lý bằng cách ngưng tụ thành dạng lỏng như biooil. Điều này phải được thực hiện trong vòng 1 giây để ngăn chặn phản ứng tiếp theo. Chất lỏng thu được là chất lỏng màu nâu sẫm, đặc hơn sinh khối gỗ và có hàm lượng tương đương về mặt năng lượng.
Dầu sinh học có một số ưu điểm. Nó dễ dàng hơn để vận chuyển, đốt cháy và lưu trữ. Nhiều loại nguyên liệu có thể được chế biến thông qua nhiệt phân để sản xuất dầu sinh học.
Sơ đồ dưới đây giải thích quá trình chuyển đổi năng lượng sang dạng có thể sử dụng được từ nhiên liệu sinh học thông qua nhiệt phân.
Lên men có cồn
Lên men rượu là quá trình chuyển hóa đường thành xenlulo. Quá trình này tạo ra ethanol và carbon dioxide là các sản phẩm phụ. Quá trình này được coi là kỵ khí vì nó diễn ra trong điều kiện không có oxy. Ngoài việc nướng bánh mì và sản xuất đồ uống có cồn, quá trình này còn tạo ra nhiên liệu có cồn. Công thức hóa học cho quá trình lên men rượu được đưa ra bởi -
$C_{6}H_{12}O_{6}+yeast\longrightarrow\:2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$
Mía là nguyên liệu chính cho quá trình này, đặc biệt là trong môi trường khô hạn. Bắp hoặc đường bit được sử dụng ở các vùng ôn đới.
Ứng dụng của sản phẩm
Các sản phẩm có các ứng dụng sau:
Acetone là sản phẩm dùng để sản xuất phụ gia thực phẩm, keo hòa tan, pha loãng sơn, tẩy dầu mỡ và trong các sản phẩm mỹ phẩm.
Hydrogenđược sử dụng như một tác nhân làm mát trong công nghiệp điện. Nó cũng được sử dụng trong các tế bào hydro để sản xuất năng lượng.
Butanolcung cấp nhiên liệu tốt hơn ethanol. Nó cũng được sử dụng như một thành phần trong sơn, sản phẩm mỹ phẩm, nhựa, thuốc nhuộm, chiết xuất polyme và trong sản xuất sợi tổng hợp.
Ethanolđược sử dụng làm nhiên liệu, thành phần sơn, và một chất phụ gia trong chất khử trùng. Nó cũng được sử dụng trong đồ uống có cồn.
Phân hủy kỵ khí khí sinh học
Anaerobic digestionlà một quá trình sinh học mà chất hữu cơ được phân hủy để tạo ra khí sinh học trong điều kiện không có oxy. Các vi sinh vật như vi khuẩn Acidogenetic và acetogens chuyển hóa chất phân hủy sinh học thành khí sinh học. Ngoài việc là một nguồn năng lượng, nó còn là một phương pháp lắng đọng chất thải và kỹ thuật bảo tồn môi trường.
Phương trình chính cho sự chuyển đổi này tạo ra carbon dioxide và metan như sau:
$C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow\:3CO_{2}+3CH_{4}$
Quy trình từng bước được giải thích bên dưới:
Step 1- Phân hủy chất hữu cơ thành các phân tử lớn để chuyển hóa. Quá trình này được gọi là quá trình thủy phân.
Step 2- Acidogens hoạt động trên các chất bị phân hủy chuyển đổi chúng thành các axit béo dễ bay hơi (VFAs) cùng với amoniac, CO2 và hydro sulfua. Quá trình này được gọi là quá trình tạo axit.
Step 3 - Các VFA tiếp tục bị phân hủy thành axit axetic, carbon dioxide và hydro.
Step 4 - Giai đoạn cuối cùng là sự kết hợp của các khí thải trên để tạo ra metanol, cacbon đioxit, và nước.
