Energetyka w Środowisku Naturalnym

Transkrypt

1 Energetyka w Środowisku Naturalny Energia w Środowisku -technika ograniczenia i koszty Wykład 8-4.XI.015 Zygunt Szefliński Środowiskowe Laboratoriu Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

2 Wykład 8 Energia wiatrowa, energia słoneczna 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 /1

3 Energia wiatrowa Fary wiatrowe i pojedyncze wiatraki. Ile energii ożey wygenerować z jednostki powierzchni? 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 3/1

4 Fizyka energii wiatrowej Obręcz o powierzchni S wystawiona na wiatr o prędkości v. S To sao po chwili (1 s później) S 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 4/1

5 Fizyka energii wiatrowej S Masa przeieszczonego powietrza: vt V Svt Energia kinetyczna przeieszczonego wycinka powietrza: E 1 v 1 Svtv 1 Stv 3 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 5/1

6 Fizyka energii wiatrowej Gęstość powietrza: Typowa (duża) prędkość wiatru: kg 1,5 v 6 s 3 1 kg 3 Moc z obręczy o powierzchni S: P E t 1 t Stv 3 1 Sv 3 Moc z 1 Powierzchni: PS 1 v Moc z 1 powierzchni 1 kg W P 1, Dla prędkości wiatru 6/s : S 3 s 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 6/1 3 3

7 Moc wiatraka Jeśli prędkość wiatru wychodzącego z wirnika spada do 1/3 prędkości wiatru wchodzącego to wiatrak oże osiągnąć sprawność 50% (50% ocy wychwytuje wirnik) Przyjijy średnicę wiatraka =5 i wysokość koluny3 (10 pięter). Moc takiego wiatraka to: W P 50% PS 50% kw Aby, oszacować ile energii ożey uzyskać należy określić: ile wiatraków, jaka średnica pojedynczego wiatraka jak gęsto ają być rozieszczone 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 7/1

8 Rozieszczenie wiatraków Jak gęsto da sie rozieścić wiatraki? Jeśli staną zbyt gęsto, to wiatraki na nawietrznej pozbawią wiatru wiatraki na zawietrznej. Eksperci twierdzą, że wiatraki powinna dzielić co najniej pięciokrotność ich średnicy. Moc generowana przez wiatraki na jednostkę powierzchni gruntu na której zbudowano farę: Moc wiatraka Powierzchnia na wiatrak 34kW 34kW W XI.015 EwŚ - Wykład 8 8/1

9 Ile ożey wygenerować ocy? W Polsce na 1 osobę przypada 8000, co daje na oc całkowitą rzędu 16 kw na osobę. W/ 8000 /osobę= 16kW/osobę 16kW/osobę 4h400kWh/osobę dziennie Ale, czy ożey pokryć 100% kraju wiatrakai (oże 10%). Wtedy ay tylko 40 kwh/d???. Co z dniai bezwietrznyi? Gdzie tereny dla iast etc.? Całkowita oc z 10% powierzchni Polski to: W/ 31, GW co daje na oc potrzebną w kraju, ale to nierealne. 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 9/1

10 Fara Karcino k/ Kołobrzegu Fara posiada 17 turbin Vestas typu V90-3 o średnicy wirników 90, zaontowanych na wieżach o wysokości 105. W ty iejscu o bardzo dobrych warunkach wiatrowych i na tak dużej wysokości średnia prędkość wiatru wynosi 7 /s. Łączna oc szczytowa wynosi 51 MW i przypada na powierzchnię 6 k, czyli oc aksyalna fary wynosi 8,5 W/. Uruchoiona w 010 roku fara a wytwarzać 10 GWh rocznie, co oznacza średnią produkcję ocy na jednostkę powierzchni równą,3 W/. Trochę więcej niż w obliczeniach, jest to jednak przykład elektrowni położonej w szczególnie sprzyjający iejscu i wyposażonej w bardzo wysokie wiatraki. 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 10/1

11 Ile ożey wygenerować ocy? Fara Karcino a turbiny o średnicy wirników 90. Jaka jest oc takich wiatraków z jednostki powierzchni? W P 50% PS 50% Moc generowana przez wiatraki =90 na jednostkę powierzchni: Moc wiatraka Powierzchnia na wiatrak 440kW 440kW, W kw Moc generowana przez wiatraki =5 na jednostkę powierzchni: Moc wiatraka Powierzchnia na wiatrak 34kW 34kW 5 15 Możey nieco zyskać na większej prędkosci wiatru! 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 11/1 W

12 Strefy prędkości wiatrów 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 1/1

13 Moc z 1 Powierzchni wirnika turbiny: Fizyka energii wiatrowej P S 6 s 1 v 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 13/ ,5 kg 3 6 s 3 W 140 Moc z 1 powierzchni fary: W P 50% PS 50% Moc zależy od v 3, więc: W Strefa Prędkość wiatru [/s] Moc [W/ ] I 5,0-6,0 1,15 -,0 II 4,5-5,0 0,84-1,15 III 4,0 4,5 0,58-0,84 IV 3,5 4,0 0,4-0,58 V < 3,5 < 0,4

14 Energia wiatrowa udział w rynku Poniższa tabela przedstawia udział energii wiatru w krajowy zużyciu energii elektrycznej w kolejnych latach [1] : Rok Produkcja energii (GWh) Roczny wzrost Udział w rynku energii ,3 0,10% ,3-4,9% 0,09% ,4 +187,1% 0,6% , +7,% 0,3% , +59,9% 0,51% ,% 0,69% ,3% 0,96% ,5% 1,98% 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 14/1

15 Moc wiatraka 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 15/1

16 Przeysłowe fary wiatrowe w Polsce Zawiera spis wszystkich istniejących far wiatrowych powyżej 5 MW oraz fary znajdujące się w fazie konstrukcyjnej. Zawiera listę 34 far wiatrowych. Obecna produkcja far wiatrowych to: ~ 0,5 kwh/osobę dziennie 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 16/1

17 Energia słoneczna Moc proieniowania słonecznego w południe bezchurnego dnia wynosi 1000 W/. Oznacza to 1000 W/ powierzchni skierowanej w stronę słońca, nie zaś powierzchni ziei. P P W R cos cos , 6 W Polsce 41% dni bezchurnych. Moc średnia do ocy w południe to ok. 3% P W P R 0,6 0,410,3 100W / 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 17/1

18 Średnia oc proieniowania słonecznego zienia się również wraz z porai roku. Energia słoneczna 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 18/1

19 Przekształcenie energii słonecznej w oc użytkową Solary Panele fotowoltaiczne: Bioasa: Pożywienie: 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 19/1

20 Przekształcenie energii słonecznej w oc użytkową 1. Panele fototericzne (tzw. solary): używając proieni słonecznych do bezpośredniego ogrzewania budynków lub wody.. Panele fotowoltaiczne: wytwarzając prąd elektryczny. 3. Bioasa: wykorzystując drzewa, bakterie, algi, kukurydzę, soję lub oleje roślinne do wytwarzania paliw, związków cheicznych lub jako ateriałów budowlanych. 4. Pożywienie: to sao co w przypadku bioasy, za wyjątkie tego, że rośliny są wykorzystywane jako jedzenie dla ludzi i zwierząt. 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 0/1

21 Ogniwo fotowoltaiczne Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii proieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w który pod wpływe fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przeieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przeieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod uieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adas i R. Day. 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 1/1

22 Panele fototericzne Przyjijy 10 na osobę. Panele fototericzne zaieniają oc proieniowania słonecznego w ciepłą wodę z efektywnoscią 50%. W P 50% h 1kWh 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 /1

23 Ceny pakietu solarnego (przykład) x pionowy, płaski kolektor słoneczny Logasol CKN.0s 1 x podgrzewacz biwalentny c.w.u. Logalux SM00/5 W o pojeności 00l 1 x dwupionowa stacja popowa Logasol KS x naścienny regulator solarny Logaax SC0 1 x naczynie wzbiorcze o pojeności 18d3 1 x płyn solarny Tyfocor L 45:55% o pojeności 0 litrów Dotacja z NFOŚiGW dla pakietu xsilver+ Koszty kwalifikowane [liczba płyt] x [powierzchnia apertury kolektora] x [jednostkowy koszt kwalifikowany] x 1,94 ² x 50 zł/² = zł Wysokość dotacji [koszty kwalifikowane] x 45% zł x 0,45 = 3 99 zł 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 3/1

24 Paraetry kolektorów x Zakładana tep. c.w.u. w zasobniku 50ºC Zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u. [kwh/rok] Całkowita energia uzyskana z pola kolektorów [kwh/rok] Energia z kolektorów do podgrzewu c.w.u.do zakładanej teperatury [kwh/rok] Energia uzupełniająca z dodatkowego źródła ciepła [kwh/rok] Stopień pokrycia zapotrzebowania na energię grzewczą przez kolektory % 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 4/1

25 Panele fotowoltaiczne Przyjijy też 10 na osobę. Panele fotovoltaiczne zaieniają oc proieniowania słonecznego w energię elektryczną z efektywnoscią 10% (bardziej kosztowne 0%). W P 0% h 5kWh Można sobie wyobrazić zarówno panele fototericzne jak i fotowoltaiczne korzystajace z tej saej powierzchni dachu. Koszt instalacji paneli fotowoltaicznych jest czterokrotnie wyższy niż fototericznych, przy niższej ( ~40% ) produkcji energii. Koszt instalacji dla produkcji jednostki energii: 1 C 40% C 0, 1C FT FW FW 4.XI.015 EwŚ - Wykład 8 4 5/1