odnawialne źródła energiizalety energii – światło, ciepło, zabezpieczenie przez zwierzętami...
TRANSCRIPT
Odnawialne źródła energii
Dr inz. Agnieszka Ciżman
pok. 353 A-1
PLAN - wykład
- odnawialne i nieodnawialne źródła energii, klasyfikacja źródeł, sposoby
przetwarzania i magazynowania energii odnawialnej
- wybrane zagadnienia z Fizyki jądra atomowego: budowa jądra, energia wiązania
nukleonów, defekt masy, prawo rozpadów promieniotwórczych, reakcje jądrowe.
Reaktory atomowe, energia geotermalna, synteza termojądrowa
- procesy przekazywania ciepła: konwekcja, przewodność cieplna, promieniowanie,
energia słoneczna. Metody badania właściwości termicznych materiałów.
- wybrane zagadnienia z termodynamiki chłodziarki i pompy ciepła
- zjawiska termoelektryczne i ich zastosowanie do przetwarzania energii i
chłodzenia
- wybrane zagadnienia z hydrodynamiki, przepływ cieczy idealnej i rzeczywiste,
opory przepływu.
Ćwiczenia Laboratoryjne
I – Energia wiatru
•Zależność pracy turbiny wiatrowej od prędkości wiatru: z określeniem liczby obrotów wirnika, mocy turbiny
wiatrowej
oraz ustalenie zależności pomiędzy liczbą obrotów wirnika a mocą turbiny wiatrowej
•Zmiany wytwarzanego napięcia przy podłączeniu odbiornika prądu
•Zależność turbiny wiatrowej od kierunku wiatru
•Charakterystyka turbiny wiatrowej
•Badanie prędkości wiatru przed i za wirnikiem
•Zależność mocy turbiny wiatrowej od ilości łopatek wirnika: ◦przy stałej prędkości wiatru
przy różnych prędkościach wiatru
•Wpływ rodzaju profilu łopatki na moc turbiny wiatrowej: ◦z trzema łopatkami w zależności od ilości łopatek
wirnika
•Zależność mocy turbiny wiatrowej od kąta ustawienia łopatek wirnika: ◦przy stałej prędkości wiatru przy różnych
prędkościach wiatru; wyznaczanie optymalnego kąta ustawienia łopatek wirnika w zależności od prędkości
wiatru
•Wyznaczanie efektywności turbiny wiatrowej: ◦w zależności od ilości łopatek wirnika w zależności od kąta
ustawienia łopatek wirnika
Analiza różnych typów wirnika (turbina rotorowa Savoniusa i turbina płatowa) i ich efektywności.
II ogniwo paliwowe
Charakterystyka IU (prądowo-napięciowa) dla zacienionego i oświetlonego
modułu solarnego
Natężenie prądu w funkcji odległości i kąta padania promieni świetlnych
Charakterystyka elektrolizera
Prawa Faradaya
Wydajność Faradaya i wydajność energetyczna elektrolizera
Charakterystyki ogniw paliwowych połączonych równolegle i szeregowo
Wydajność Faradaya i wydajność energetyczna ogniwa paliwowego
1 Prawo Faradaya dla ogniwa paliwowego
Woda = 2 cząsteczki wodoru + 1 cząsteczka tlenu
III – Solarno-termiczna przemiana energii
• Absorpcja promieniowania cieplnego
• Przekazywanie / transport energii poprzez konwekcję
• Zasada funkcjonowania kolektora słonecznego
• Kolektor słoneczny z obiegiem termo-syfonowym
• Kolektor słoneczny z wymiennikiem ciepła oraz z obiegiem pompowym
IV- Wyznaczanie współczynnika
przewodzenia ciepła wybranych
materiałów
V – Pompa ciepła Peltiera
Wyznaczenie efektywności pompy ciepła
Peltiera.
BHP
BHP
Nieprawidłowa obsługa zestawu lub nadużycie może stanowić
niebezpieczeństwo
dla:
zdrowia obsługującego
urządzenia i innych przedmiotów będących w pobliżu.
Wszystkie osoby, które mają do czynienia z przygotowywaniem, obsługą i
konserwacją
urządzenia zobowiązane są:
przeczytać instrukcję obsługi i dokładnie jej przestrzegać
być przeszkolonym odnośnie wymaganych czynności.
BHP
Nie można używać zestawu do ćwiczeń do:
1. Wytwarzania energii użytkowej, na przykład do zasilania urządzeń
elektrycznych,
2. Wytwarzania wodoru do celów innych niż opisane w instrukcji
eksperymentów,
3. Składowania wodoru w ilościach większych niż minimalne (więcej niż ok. 20
ml) na zewnątrz zbiorników gazu elektrolizera.
Samowolne przebudowy lub zmiany w komponentach zestawu są
zabronione z powodów bezpieczeństwa. Należy przestrzegać warunków
pracy i konserwacji opisanych w niniejszej instrukcji obsługi.
Profesjonalny Zestaw hydro-Genius jest eksperymentalnym i
demonstracyjnym kompletem dla technologii wodorowej. Należy go
używać wyłącznie do eksperymentów i pokazów oraz użytkować. zgodnie z
instrukcją. obsługi.
BHP
Elektrolizer Dla celu przechowywania gazu (rys. a), napełnij zbiorniki do poziomu 0 ml. W
ten sposób podczas elektrolizy ze strony tlenowej do wodorowej
transportowana jest niewielka ilość wody (około 2 ml/h, przy prądzie elektrolizy
1 A). Dla dłuższego użytkowania zestawu (tryb pracy ciągłej), oba zbiorniki
powinny być napełnione do różnych poziomów (rys. b).
Uwaga: prąd elektrolizera nie może przekroczyć 4 A a napięcie 2 V DC.
W przeciwnym razie elektrolizer może ulec zniszczeniu.
Środki bezpieczeństwa podczas użytkowania zestawu
1. Nauczyciel zobowiązany jest zatroszczyć się o to, aby uczniowie lub inne
osoby obsługiwały zestaw tylko pod kontrolą i zgodnie z instrukcją.
2. Eksperymenty z Profesjonalnym Zestawem hydro-Genius™ można
przeprowadzać tylko z użyciem dołączonych instrukcji do eksperymentów.
3. Jeżeli użyte źródło światła doprowadzi do zbyt dużego rozgrzania modułu
solarnego, można go dotknąć dopiero wtedy, kiedy wystarczająco ostygnie on
po odstawieniu źródła światła.
4. W razie potrzeby należy przestrzegać wskazówek bezpieczeństwa
podanych w instrukcji obsługi źródła światła. W szczególności należy
zachować minimalny odstęp od lampy.
Niewłaściwe sposoby użytkowania
1. Źródło światła nie może nagrzewać modułu solarnego do powyżej 60 0C.
2. Nie należy oświetlać modułu solarnego światłem zogniskowanym.
3. Nie należy zginać modułu solarnego – grozi to jego pęknięciem.
4. Nie należy ściskać węży gazowych – grozi to nadmiernym wzrostem
ciśnienia, wyrwaniem przewodów i niebezpieczeństwem zranienia.
Co to jest energia
Energia [gr. enérgeia ‘działanie’]
podstawowa wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu, energia jest
wielkością skalarną, addytywną i zachowywaną. Energia jest przekazywana
w oddziaływaniach fizycznych, ale nie znika i nie może powstawać ex nihilo.
Występuje w różnych postaciach w opisie zjawisk fizycznych
energia:
mechaniczna,
kinetyczna,
potencjalna,
cieplna,
chemiczna,
elektryczna,
promieniowania,
jądrowa,
spoczynkowa i inne
Formy energii
◦energia mechaniczna – związana z ruchem; jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej
◦energia cieplna – związana z chaotycznym ruchem atomów – jej miarą jest temperatura,
◦energia elektryczna – związana z układem ładunków elektrycznych;
elektrodynamiczna – jeśli ładunki się poruszają,
elektrostatyczna – jeśli pozostają w spoczynku.
◦energia chemiczna – uwalniana podczas rozrywania
cząsteczek,
◦energia jądrowa – związana z różnicami w energii
wiązania poszczególnych jąder atomowych
Jednostki energii
Trochę historii…
http://postcarbon.pl
300 tyś – 100 tyś lat p.n.e - Czoukoutien (Chiny)
energia – wybuchy wulkanów, uderzenie pioruna
zalety energii – światło, ciepło, zabezpieczenie przez zwierzętami
1200 do 600 tyś lat p.n.e
energia – głównie słońce i drewno
zalety energii – j.w., przygotowanie posiłków
Umiejętność posługiwania się ogniem i jego rozniecania była najważniejszym wynalazkiem
epoki prehistorycznej.
Trochę historii…
Praca zwierząt
uprawa roli
transport
napędu maszyn do mielenia zboża
czy też pompowania wody
http://www.stajniatrot.pl
Trochę historii…
Energia wiatru
statki na Nilu (5 tyś. Lat p.n.e)
wiatraki do pompowania wody (Chiny)
wiatraki do mielenia ziarna (ok. 600 r n.e.Persowie )
Energia wiatrowa była najwcześniej, obok spalania drewna, eksploatowaną przez człowieka energią odnawialną.
Energia Słońca Cele wojskowe - w czasie II wojny punickiej (218-201 p.n.e.)
Uprawa roli
Energia wody
Turbiny wodne
napędzanie młynów, miechów kowalskich itp.
4000 tyś lat p.n.e.
www.flickr.com
Energia węglowa
3000 lat temu
węgiel -jedno z najważniejszych źródeł energii
dla ludzkości.
Marco Polo, który w XIII wieku zwiedzał Azję, odnotował w swoim
"Opisaniu świata" kilka uwag na temat palnych, czarnych kamieni stosowanych przez Chińczyków.
Węgiel energią wieków !!!
Człowiek i energia
uszlachetnienie węgla i zwiększenie jego temperatury spalania
XVII-XIX wiek
deficyt drewna
wynalezienie maszyny parowej (Thomasa Newcomena,1712 r)
ulepszenie maszyny parowej (James Watt,1765 r)
pierwsza lokomotywa parowa (1804)
budowa pierwszej baterii (Alessandro Volta,1799 r)
XVII-XIX wiek
XIX wiek
wiek maszyny parowej
I elektrownia z generatorem elektrycznym napędzanym
przez maszynę parową (Thomas Edison,1880 r)
ciepło i światło z ropy naftowej (1859 roku w Pensylwani w USA)
Człowiek i energia
XX wiek
wiek silnika spalinowego
Samochód spalinowy (Henry Ford, 1913 r)
Maszyna latająca (Wilbur i Orville Wright, 1903 r)
Teoria Einsteina
Odkrycie reakcji rozszczepienia atomu (Lise Meitner)
budowa bomby atomowej (1945 r)
http://surowce-mineralne.pgi.gov.pl
Zasoby węgla kamiennego na świecie powinny wystarczyć na 130 – 160 lat, natomiast zasoby ropy
naftowej w takim ujęciu wystarczą światu na 45 lat, zaś gazu ziemnego na 60 lat. Udokumentowane
zasoby bilansowe węgla kamiennego w Polsce wynoszą 43 mld 082 mln ton. 75 proc. tych zasobów
stanowią węgle energetyczne, zaś reszta to węgle koksujące. Natomiast udokumentowane zasoby
bilansowe węgla brunatnego stanowią 13 mld 629 mln ton, w tym 0,8 mln ton to węgiel bitumiczny, 513
mln ton węgiel brykietowy i 496 mln ton węgiel wytlewny.
Co to jest energia odnawialna
Zgodnie z Prawem energetycznym, OZE to źródło wykorzystujące w
procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego,
geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię
pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także biogazu powstałego
w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu
składowanych szczątek roślinnych i zwierzęcych. Tylko energia
wyprodukowana w jeden z powyższych sposobów pozwala na korzystanie z
mechanizmów wspierania określonych przez Prawo energetyczne i inne
odpowiednie rozporządzenia.
ENERGIA pierwotna
Energia pierwotna -suma energii zawartej w pierwotnych nośnikach energii
węgiel kamienny energetyczny (łącznie z węglem odzyskanym z hałd),
węgiel kamienny koksowy, węgiel brunatny,
ropa naftowa,
gaz ziemny wysokometanowy, gaz ziemny zaazotowany,
torf do celów opałowych,
drewno opałowe,
paliwa odpadowe stałe roślinne i zwierzęce,
odpady przemysłowe stałe i ciekłe,
odpady komunalne (metanol, etanol, dodatki uszlachetniające),
energia wody, energia wiatru oraz energia słoneczna
energia geotermalna
Energia finalna
Energia końcowa to energia dostarczana odbiorcy
Węgiel - najczęściej przetworzona forma energii pierwotnej.
Gaz ziemny jest jednocześnie pierwotnym i końcowym nośnikiem energii.
Najcenniejsza forma energii końcowej jest energia elektryczna, która sprawnie
i bez zanieczyszczenia środowisko przetwarza się w energię użytkową.
Źródła energii
Źródła odnawialne Źródła nieodnawialne
-węgiel kamienny
- węgiel brunatny
- torf
- ropa naftowa
- gaz ziemny
- uran
- woda
- słońce
- wiatr
- źródła geotermalne
- biomasa
- biogaz
Zasoby praktycznie niewyczerpywane
Brak spalin i zanieczyszczeń
Zasoby ulegają wyczerpaniu,
zanieczyszczanie środowiska: spaliny,
kopalnie, efekt cieplarniany
Bilans energii w atmosferze ziemskiej
i na powierzchni
Słońce: ciało czarne o temperaturze powierzchni TS = 5700 K
promień Słońca RS = 696260 km
masa Słońca MS = 2.1036 kg
odległość Ziemia-Słońce RZS = 150.106 km
promień Ziemi RZ = 6378 km
masa Ziemi MZ = 5.97.1024 kg
odległość Ziemia-Księżyc RZK = 384 000 km
masa Księżyca MK = 3.347.1022 kg = 0.0123 MZ
okres obiegu Księżyca TK = 27. 40 dni
Źródłem energii słonecznej są reakcje termojądrowe zachodzące we wnętrzu
Słońce
Nasze Słońce to olbrzymia kula gazowa składająca się głównie z wodoru i helu
Temperatura na powierzchni – 5800 C !!!!
We wnętrzu Słońca znajduje się jądro, które stanowi reaktor termojądrowy. Dzięki panującej
tam wysokiej temperaturze i ciśnieniu część wodoru zmienia się w hel, przez co w każdej
sekundzie miliony ton materii zmieniają się w energię, która dociera do nas jako światło i
ciepło.
Z 1g wodoru powstaje nie tylko hel, ale ponad 1012 J energii.
Wodór - 5 miliardów lat.
Energia emitowana przez Słońce w
jednostce czasu (moc)
ES = 4.π.(RS)2.σ.T4 = 3.82 .1026 W !!!
Moc Słońca jest to energia emitowana w ciągu jednej sekundy
E = m.c2 = 4.π.(RS)2.σ.T
Ubytek masy Słońca
m = 4.π.(RS)2.σ.T/c2 ≈ 4 .109
Człowiek odchudzając się z taką prędkością traciłby w ciągu 3 lat
0.00000000001 kg
http://www.bielu.com
W czasie każdej sekundy Słońce traci E= 3.85.1026 J energii
Energia padająca na powierzchnię
Ziemi (moc)
Energia płynąca do Ziemi od Słońca w jednostce czasu
EZ = ES.π.(RZ)
2/4.π.(RZS)2 ≈1.7.1017 W = 170 000 TW !!!
Szacunkowy pobór energii elektrycznej i grzewczej na świecie to ok. 15 TW
STAŁA SŁONECZNA – całkowita energia, którą przenosi w jednostce czasu
Promieniowanie słoneczne przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle
do promienia Ziemia-Słońce
S = EZ / π.(RZ)2 = 1360 W/m2
Albedo Ziemi
Albedo Ziemi - stosunek natężenia promieniowania odbitego do padającego
Średnie jednostkowe natężenie promieniowania docierające do atmosfery
Ziemi
e = EZ/4.π.(RZ)2 = ES/π.(RZ)
2 = s/4= 342 W/m2
ok 23% (107 W/m2) - odbite go chmur i od powierzchni Ziemi
ok 77% (235 W/m2) - adsorpcja na powierzchni Ziemi lub w atmosferze
Efekt cieplarniany
Moc konieczna do wypromieniowania aby utrzymać równowagę
(pomijamy ciepło dostarczone z wnętrza Ziemi)
σ (TZ)4 = 235 W/m2
W takich warunkach temperatura na powierzchni Ziemi zmieniałaby się od -80 oC do +100 oC
W wyniku efektu cieplarnianego średnia temperatura Ziemi wynosi ok. +15 oC
ec = CC.σ = CC
.(T/100)4 = 390 W/m2
Efekt cieplarniany
wymiana ciepła z powierzchnią
Promieniowanie
390 W/m2
konwekcja
(ruch ogrzanego powietrza)
24 W/m2
Parowanie
78 W/m2
559 – 235 =324 W/m2 Strumień, który nie może opuścić Ziemi, gdyż utraciłaby ona stan
równowagi, a jej temperatura zaczęłaby spadać
Efekt cieplarniany
Strumień ten nie może
również pozostać w
atmosferze , która też jest
zrównoważonym układem,
ulega więc reemisji i
powraca na powierzchnię
Ziemi
559 – 235 =324 W/m2
Trochę statystyki
Udział CO2 i H2O w efekcie cieplarnianym
Nazwa gazu Udział w efekcie cieplarnianym [%]
Para wodna (H2O)
Dwutlenek węgla (CO2)
Inne gazy
96
2.44
1.56
Wykorzystanie energii słonecznej
Wykorzystanie energii słonecznej
-kolektory słoneczne
-ogniwa fotowoltaiczne
-Kominy słoneczne
-Ogrzewanie i chłodnice pasywne
- minimalnie wykorzystana
- warunki do budowy – (klimat zwrotnikowy, podzwrotnikowy,
podrównikowy)
- koszty (ogniwa słoneczne, przesył)
Solar One – Mohave Pustynia
Solar One" w Kalifornii jest największą
na świecie słoneczną "siłownią" o
maksymalnej mocy 10 MW. Ponad
1800 zwierciadeł śledzi oddzielnie ruch
słońca i odbija jego ciepło do kolektora
znajdującego się w centrum
urządzenia.
Piec słoneczny w Pirenejach
Energia wiatru
- najbardziej popularnym sposobem w gospodarstwach rolnych
- obecna energia wiatrów byłaby w stanie zaspokoić potrzeby energetyczne całej naszej
planety
- kryzys w 1973 roku – wzrost elektrowni
- w Niemczech, 5850, następnym w kolejności krajem jest Dania, która posiada ich 4700.
- działanie jest silnie uzależnione od siły wiatru. Dlatego też najbardziej opłacalne jest
budowanie ich w miejscach gdzie wiatr, często i silnie wieje.
- energia, jaką w ten sposób otrzymujemy jest całkowicie czysta, jednak wydajność niska
- I zwykła elektrownia spalająca paliwa kopalne = 1000 wiatraków, o średnicy 50 metrów
Energia słońca
-najbezpieczniejszy i w najmniejszym stopniu prowadzący do zmian w
środowisku naturalnym
- duże koszty
-przestrzeń kosmiczna
-małe gospodarstwa
- niezawodność
Energia wody
- energię spadającej wody, ukierunkowanej na odpowiednie turbiny powoduje
ich obrót. Turbiny te są źródłem energii, z jakiej korzystają potężne
generatory do produkcji energii elektrycznej
- elektrownia wodna nie zużywa dużo energii elektrycznej.
zwykła elektrownia (zużycie to jest na poziomie 10% produkowanej energii),
elektrownia wodna ok 1%.
- wysokie koszty
- małe straty energii – przesył na małe odległości
- możliwość magazynowania - zapory
Aktualny stan i prognozy
Zasoby
Wzrost populacji
Możliwości