Odnawialne źródła energii

Dr inz. Agnieszka Ciżman

agnieszka.cizman@pwr.wroc.pl

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