Klasyfikacja systemów solarnych
Systemy kolektorowe- cieczowe- powietrzne Systemy fotowoltaiczne Systemy pasywne Systemy zwierciadlane - kotłowe- bezpośrednie
Dla obszaru Polski, dla powierzchni nachylonej pod kątem 45o, od maja do sierpnia dziennie pada 5 kWh/m2 energii słonecznej (~0,2 kW)
W okresie od maja do sierpnia 1 m2 powierzchni kolektora wystarcza do ogrzania 50 l wody od temp 15 Co do 45 Co (energia ~ 2 kWh, spr. konwersji 0,5). Są to potrzeby na cwu 1os/dobę.
Dla obszaru Polski dla powierzchni nachylonej pod kątem 45o, od listopada do lutego dziennie pada 1 kWh/m2 energii słonecznej (~0,04 kW)
Na świecie istnieje około 1,4 mld km3 wody.
Jest ona niezbędna do życia, które zresztą zaczęło się właśnie w niej. Człowiek potrzebuje jej na każdym kroku: w gospodarstwie domowym, w rolnictwie, w przemyśle, do celów sanitarnych, do transportu, do rekreacji.
Światowe zasoby wody to wielki magazyn energii, z którego współcześnie pochodzi około 20% globalnej energii elektrycznej
Turbina wodna (turbina hydrauliczna) to silnik wodny przetwarzający energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika z łopatkami.
Podstawą rozwoju turbin były prace teoretyczne
* D. Bernoulliego (1730 r.)
* L. Eulera, który po raz pierwszy zastosował aparat kierowniczy
* młynek Segnera (1750 r.)
* prof. Bourdina (1824 r.), który tym silnikom nadał nazwę turbina.
Twórcy pierwszych turbin wodnych zastosowanych w przemyśle: turbina B. Foumeyrona (1827 r.) z promieniowym przepływem wody; turbina Girarda (1828 / 1853) to typowa turbina o przepływie osiowym; turbina Jonuala opracowana przez Henschela w 1841 r., ze stożkową rurą ssawną, zwaną początkowo osiowym dyfuzorem;
Turbiny wodne dzielimy na:
* AKCYJNE np. turbina Peltona, w której wirnik z wklęsłymi
łopatkami zasilany jest stycznie strumieniem wody z dyszy
stosowana przy dużych spadkach
* REAKCYJNE: *turbina Francisa - dla średnich spadków
*turbina Kaplana, turbina śmigłowa - dla małych spadków (MEW) *turbina Tesli, turbina talerzowa, - szczególny przypadek turbiny hydraulicznej
Wykorzystanie zasobów wodnych uzależnione jest od dwóch czynników: średniego przepływu i spadu.
W związku z tym moc teoretyczna rozpatrywanego cieku wodnego wyrażana jest wzorem:
Pśrteor=9,81xQśrxHśr[kW] Zał. 100% konwersja
gdzie:Qśr - wieloletni przepływ średni [m3/s] Hśr - spad analizowanego odcinka rzeki [m]
Eśr = 8760 x Pśr [kWh] - teoretyczna energia uzyskana dla rozpatrywanego odcinaka rzeki rocznie
E=mgH, m=Qt*ρ, E= QtρgH=Qt*1*9,81*H
P=E/t=9,81QH
W Polsce najsłuszniejszy jest podział na elektrownie: * o niskim spadzie do 15 m* o średnim spadzie od 15 ÷ 50 m* o wysokim spadzie powyżej 50 m
Oznaczenia: 1.Ujęcie rurowe – dopływ wody, 2.Fundamenty zapory, 3.Cokół zapory, 4.Wirnik turbiny, 5 – Mechanizm regulacji skoku łopatek turbiny, 6 - Wał turbiny, 7.Wylot wody spod turbiny, 8.Przepust wody / przelew górny, 9.Generator i wypro –wadzenie energii elektrycznej z elektrowni, 10.Stacja transformatorowa i przyłącze do sieci energetycznej,
1. Elektrownie z naturalnym dopływem wody:
* elektrownie regulacyjne – inaczej zbiornikowe, tzn. że prze elektrownią znajduje się zbiornik wodny, który wyrównuje sezonowe różnice w ilości płynącej wody.
* elektrownie przepływowe, które nie posiadają zbiornika, więc ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie.
2. Elektrownie szczytowo – pompowe, które znajdują się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi – górnym i dolnym. Te elektrownie umożliwiają kumulację energii w okresie małego zapotrzebowania (ceny) na nią przez pompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego. Natomiast w okresie większego zapotrzebowania energia wyzwalana jest przez spuszczanie wody ze zbiornika górnego do dolnego za pomocą turbin wodnych.
Polska wykorzystuje swoje zasoby energii wodnej jedynie w 12%, dla porównania Niemcy korzystają z nich w 80 %, Norwegia w 84 %, zaś Francja - niemal w 100%. Nasz kraj jest ostatnim w Europie jeśli chodzi o racjonalne gospodarowanie wodą deszczową (opadową).W 1954 r. Centralny Zarząd Elektryfikacji Rolnictwa zewidencjonował na terenie Polski ok. 6600 czynnych i 800 nieczynnych siłowni wodnych. Oczywiście tylko część z nich stanowiły elektrownie, ale wszystkie te obiekty wykorzystywały mniejsze lub większe konstrukcje piętrzące. W polskich warunkach klimatycznych zwiększenie możliwości retencji wody powinno być jednym z priorytetowych zadań polityki ekologicznej państwa. W przypadku zastosowania sztucznego piętrzenia wód rzecznych oprócz efektów energetycznych i przeciwpowodziowych można uzyskać szereg innych korzyści gospodarczych, takich jak: rozwój transportu wodnego, dodatkowe przejścia mostowe, wyższe plony roślin dzięki wzrostowi poziomu wód gruntowych, przyrost ryb w zbiornikach, rozwój turystyki i rekreacji. W Polsce przyjęło się stosować określenie małej elektrowni wodnej MEW dla obiektów o mocy zainstalowanej do 5 MW. Niekiedy spotyka się również określenie MEW dla obiektów o mocy zainstalowanej do 0,5 MW. Stosuje się jeszcze wewnętrzny podział MEW na :mikro elektrownie wodne ( do 100 kW ), mini elektrownie wodne ( od 100 – 500 kW ),małe elektrownie wodne ( od 500 – 5 000 kW ).
Zalety stosowania MEW:
wytwarzanie „czystej” energii elektrycznej - brak emisji jakichkolwiek gazów lub wytwarzania ścieków; zużywanie niewielkich ilości energii na potrzeby własne, ok. 0,5-1%, przy ok.10% w przypadku elektrowni tradycyjnych; charakteryzują się niewielką pracochłonnością - do ich obsługi wystarcza sporadyczny nadzór techniczny; energia z MEW może być wykorzystywana przez lokalnych odbiorców tak, że można mówić o minimalnych stratach przesyłu; mogą stanowić awaryjne źródło energii w przypadku uszkodzenia sieci przesyłowej; budowa budowli piętrzącej powoduje powstanie zbiornika wodnego, który stając się cennym elementem krajobrazu może decydować o rozwoju turystyki i rekreacji w danym regionie; pobudzają aktywność w środowisku wiejskim (nowe miejsca pracy, obiekty towarzyszące); budowla piętrząca może również w pewnym stopniu osłabić wielkość zatapiania okolic w przypadku występowania; regulują stosunki wodne w najbliższej okolicy, co może mieć wpływ na obszary rolnicze; Negatywne oddziaływanie elektrowni wodnych:
zmniejszenie naturalnego przepływu wody może wpłynąć niekorzystnie na istniejącą biocenozę rzeki (kumulacja glonów pobierających tlen może prowadzić do masowego śnięcia ryb, gromadzenia się osadów dennych itd.); w przypadku podniesienia poziomu wody może wystąpić erozja brzegów a także zatapianie nadbrzeżnych siedlisk lęgowych ptaków.
Powyżej wymienione wady mają istotne znaczenie przy budowie dużych przyzaporowych elektrowni wodnych, gdzie ich wielkość wpływa proporcjonalnie na kumulowanie negatywnego oddziaływania. Budowa MEW, zwłaszcza na istniejących jazach ma znikomy negatywny wpływ na otoczenie.
Teoretyczne zasoby hydroenergetyczne naszego kraju wynoszą ok. 25 tys. GWh rocznie. Zasoby techniczne szacuje się na ok. 13,7 tys. GWh/rok. Wielkość ta, to niemal 10% energii elektrycznej produkowanej w naszym kraju. W kraju działa aktualnie ponad 400 hydroelektrowni, w tym zaledwie kilkanaście o mocy większej, niż 5 MW. Z analiz przeprowadzonych przez "Energoprojekt" wynika, że po przeprowadzeniu prac remontowych przy wykorzystaniu istniejących budowli piętrzących istnieje możliwość uruchomienia ok. 650 MEW o łącznej mocy 80 MW.
Dla celów rolniczych i innych planuje się obecnie nowe spiętrzenia, które umożliwią uruchomienie kolejnych 400 MEW o łącznej mocy ok. 120 MW. Istnieje więc realna szansa odbudowy lub budowy od podstaw ok. 1000 MEW, które mogą wytworzyć rocznie ponad milion MWh energii elektrycznej. Oznacza to także oszczędność 650 tys. ton węgla w skali roku i związaną z tym redukcję emisji substancji szkodliwych. Każda MWh energii elektrycznej wytworzonej przez elektrownie wodne zmniejsza bowiem obciążenie środowiska o ok. 15 kg dwutlenku siarki, 7 kg tlenków azotu i 150 kg popiołów lotnych rocznie. Energia kinetyczna prądów morskich. Moc prądów morskich jest oceniana na 7 TW (to prawie dwa razy więcej niż moc możliwa do otrzymania ze spadku wód śródlądowych). Jednak jej wykorzystanie jest bliskie zeru z powodu problemów technicznych i obawy przed zaburzeniem naturalnej równowagi. Wielu badaczy uważa, że prądy morskie mają fundamentalne znaczenie dla klimatu i uszczuplenie ich energii, choćby niewielkie, mogłoby doprowadzić do nieobliczalnych zmian klimatycznych. Zalety ferm wiatraków podwodnych Dla wody płynącej z prędkością 2-3 m/s, dostarcza cztery razy więcej energii z 1 m2 powierzchni wirnika niż turbina wiatrowa zasilana wiatrem o tej samej prędkości 106 możliwych lokalizacji turbin na terenie Unii Europejskiej , Turbiny podwodne nie szpecą okolicy, Ramiona turbin obracają się wolno - ok. 6 obrotów na minutę i tym samym nie zagrażają rybom ani żadnym innym stworzeniom morskim, Badania dowodzą, że Francja mogłaby zaspokajać nawet do 5% zapotrzebowania energetycznego kraju właśnie za pomocą systemu podwodnych turbin.
Utrudnienia w instalacji i użytkowania podwodnej elektrowni Problemy z montażem i konserwacja urządzeń, Silnie agresywne środowisko (korozja w słonej wodzie a także działanie flory fauny morskiej)
Energia pływów Pływy są źródłem energii o mniejszym potencjale (szacuje się, że możliwe do wykorzystania jest 200 GW) niż prądy morskie, ale za to bezpieczniejszym i lepiej poznanym. Pierwsza wzmianka na temat ich wykorzystania pochodzi z 1086 r. z Dover, gdzie podobno pracował młyn napędzany energią pływów. Pierwszą elektrownię pływową zbudowali w roku 1967 Francuzi w Saint Malo. Elektrownia ta ma moc maksymalną 240 MW i pracuje od 4 do 8 godzin dziennie wytwarzając średnio 600 GWh energii elektrycznej rocznie. Obecnie takie elektrownie są również w Rosji i Wielkiej Brytanii, jednak żadna z nich obecnie (kwiecień 2003 r.) nie pracuje na skalę przemysłową z powodu problemów technicznych oraz niebezpieczeństwa sztormów i huraganów. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczeniu ich poprzez turbiny wodne podczas odpływu. Energia falowania. Moc fal ocenia się na 3 TW, jednak wykorzystanie tej energii sprawia pewne trudności pomimo, iż opracowano wiele teoretycznych metod konwersji energii falowania na energię elektryczną. Największym problemem jest zmienność wysokości fal i wytrzymałość elektrowni. Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu.
Można wyróżnić trzy możliwe propozycje dla inwestorów:
Pierwsze z nich to zbudowanie małej elektrowni wiatrowej. Są to tzw. elektrownie przydomowe. Zwykle są one budowane dla polepszenia bilansu energetycznego odbiorcy nie zaś dla komercyjnej produkcji energii. Lub też są to instalacje do zapewnienia energii dla małych obiektów poza siecią energetyczną. W takim wypadku są one zwykle skojarzone z innymi źródłami, np. panelami fotowoltaicznymi.
Drugie rozwiązanie to zastosowanie maszyn używanych. Głównym powodem takiego rozwiązania jest niska cena tych urządzeń. Cena ta wynika niekoniecznie ze stanu technicznego tych maszyn, lecz często z uwarunkowań oferenta. Starając się o pozwolenie na budowę nowych maszyn musi on w określonym terminie dokonać rozbiórki istniejącej elektrowni lub farmy.
Trzecim rozwiązaniem jest zakup nowych maszyn do komercyjnej produkcji energii. W tym przypadku mamy do czynienia zwykle z turbinami wiatrowymi o mocach od 1.5MW każda. Maszyny mniejszej mocy znikają z ofert producentów koncentrujących się na bardziej efektywnych maszynach wielomegawatowych.
MISTRAL 1800/72(projekt techniczny 2003r)
Średnica wirnika- 72[m] Liczba łopat- 3 System regulacji- kątem natarcia łopat wirnika (dla utrzymania stałej prędkości dla zmniejszenia obciążeń mechanizmów- płaski odcinek krzywej mocy)
Prędkość obrotowa nominalna wirnika- 9-18 [obr/min] Moc generatora- 1 800[kW] Rodzaj generatora –synchroniczny Roboczy zakres prędkości wiatru- 4¸25[m/s] Wysokość osi wirnika nad poziomem gruntu- 80[m] Prędkość wiatru przetrwania konstrukcji- 60[m/s] Sterowanie- mikroprocesorowe
Zalety: INWESTOR bo 1MW elektrownia, to produkcja energii min. 2200MWh/rok. Zatem przy cenie zielonej energii ok. 300zł netto/MWh, daje to roczne przychody w wysokości min 660 000zł +VAT GMINA 2. bo 1MW, to inwestycja min.1mln € czyli ok.4mln zł z czego zwykle 1/3 to podstawa do 2% podatku lokalizacyjego. 3. ZAKŁADY ENERGETYCZNE bo produkcja 2200MWh/rok pozwala im łatwiej wypełnić obowiązek pozyskania określonej ilości energii odnawialnej (~4%) 4. EKOLODZY bo 2200MWh energii odnawialnej to zmniejszenie emisji CO2 o 2780 ton, SO2 o 17,6 tony, NOx o 13.2 tony, pyłów ok. 2 ton, żużli i popiołów o 154 tony 5.LOKALNI PODWYKONAWCY gdyż konieczne będzie wykonanie projektów, map, badań geologicznych, infrastruktury energetycznej, fundamentów, dróg dojazdowych, prac montażowych i transportowych
Wady: 1. EKOLODZY, ze względu na ptaki i hałas 2. URBANIŚCI, ze względu na skażenie krajobrazu 3. GÓRNICTWO, bo zmniejsza to zapotrzebowanie na węgiel energetyczny
Ocena zasobów energii wiatru w warunkach Polski dokonywana jest na wysokościach charakterystycznych dla siłowni wiatrowych o: małych (18 m n.p.t.), średnich (40 m n.p.t.) i dużych mocach (60 m n.p.t.).
Ocenę zasobów dla ww. wysokości przeprowadzać można na dwa sposoby:
1.Zasoby teoretyczne energii wiatru – przy założeniu 60% sprawności przetwarzania energii kinetycznej wiatru w energię elektryczną i stałą średnioroczną prędkość wiatru
2.Zasoby energii wiatru technicznie możliwe do pozyskania – na podstawie symulacji produkcji energii elektrycznej przez wybrane, oferowane obecnie na rynku, siłownie wiatrowe (małej 30 kW,wys. masztu 18m i średniej mocy 600 kW, wys. masztu 40, 60 m)
Metodyka szacowania potencjału energii wiatrowej :
Potencjał energii wiatrowej szacowany jest jako potencjał teoretyczny i techniczny (możliwy do pozyskania).
Potencjał teoretyczny określany jest przy założeniu maksymalnej (60%) sprawności przetworzenia energii kinetycznej wiatru w energię elektryczną i stałej prędkości wiatru:
gdzie:
E –energia wiatrowa [Wh];
- gęstość powietrza [kg/m3], 0,6 – współczynnik Betz’a dla turbin
A – powierzchnia, przez którą przepływa strumień powietrza [m2]. Zakłada się, że szacunki dotyczące potencjału energii wiatru odnoszone są do 1 m2 powierzchni np.wirnika
v – średnioroczna prędkość wiatru [m/s] na wys. 18, 40, 60 m. Prędkość wiatru jest kluczowym parametrem mającym wpływ na lokalny potencjał energii wiatrowej. Do obliczeń wykorzystuje się średnioroczne prędkości wiatru mierzone na danym terenie t- czas w którym dokonuje się szacowania potencjału i do którego odnosi się wartość prędkości średniej [h], np. 1 rok tzn.8760 h
Potencjał techniczny możliwy do wykorzystania określa się dokonując wyboru dostępnych na rynku urządzeń.
Np.mała siłownia o mocy 30 kW – wysokość masztu 18
lub o mocy 600 kW, maszt 40m:
Bazując na danych publikowanych przez IMiGW dokonuje się określenia statystycznego rozkładu prędkości wiatru f(w)(wg rozkładu Weibulla) np. w poszczególnych rejonach kraju, lub bezpośredniego pomiaru krzywej f(v) (np. w okresie 3 lat).
Potencjał techniczny energii wiatru możliwy do pozyskania określić można korzystając z zależności:
Etch – potencjał energii wiatrowej technicznie możliwej do pozyskania (kW·h)/(rok)]
P(v) – moc siłowni wiatrowej przy prędkości wiatru v, wg krzywej mocy [kW]
v1 – prędkość startowa [m/s] (zgodnie z krzywą mocy)
v2 – prędkość wyłączenia [m/s] (zgodnie z krzywą mocy)
...
anaa08