Podział kolektorów ze względu na wartość współczynnika koncentracji C: a) Niskotemperaturowe płaskie i próżniowe t = 120 o C, C = 1

Transkrypt

1 HELIOTECHNIKA W chwili obecnej jest niekonkurencyjna w porównaniu ze źródłami konwencjonalnymi, ale jest to czysta energia dlatego wiąże się z nią wiele nadziei. W przestrzeni kosmicznej wokół ziemi na 1 m 2 przypada 1,3 kw energii promieniowania pod kątem prostym. W Polsce: a) 0,93 1,16 kw/ m 2 b) ok. 50% to promieniowanie rozproszone tzw. dyfuzyjne c) ok godzin słonecznych w roku Metoda pasywna wykorzystania promieniowania stosowana jest w gospodarce komunalno-bytowej i dotyczy systemów ogrzewania budynków. Do metod aktywnych zaliczamy kolektory cieplne (słoneczne) dostosowane do produkcji c.w.u. oraz kolektory świetlne (ogniwa fotowoltaniczne) dostosowane do produkcji energii elektrycznej. W przypadku oświetlania płytki stan równowagi, gdy promieniowane odbite równe jest absorbowanemu, wg prawa Stefana- Boltzmanna pozwala na wyznaczenie jej temperatury T 4 = a I gdzie: a absorpcyjność, - emisyjność, T temperatura [K], I natężenie promieniowania, = 5, W/m 2 K 4 stała Boltzmanna. Temperaturę tą można podwyższyć zwiększając a zwiększając I lub koncentrując strumień (w domyśle powierzchnie) na mniejszej powierzchni.

2 Współczynnik koncentracji C jest to stosunek przekroju poprzecznego kolektora do powierzchni przekroju ogniska Podział kolektorów ze względu na wartość współczynnika koncentracji C: a) Niskotemperaturowe płaskie i próżniowe t = 120 o C, C = 1

3 b) Średniotemperaturowe soczewkowe: - Paraboliczne t = 320 o C, C = 50 c) Wysokotemperaturowe z heliostatami t = o C, C = 500

4 d) Bardzo wysokotemperaturowe (również paraboliczne) t = o C, C = pamiętaj o sprawności Carno Stawy słoneczne: - Różne zasolenie powoduje stratyfikacje wody - Większe zasolenie to większa absorbcja ( w tropikach temperatura solanki może dojść do 100 o C, ale jako obliczeniową przyjmuje się 90 o C

5 Fotoogniwo zamienia energię promieniowania na energię elektryczną, zwane ogniwem fotowoltanicznym, Zjawisko [polega na powstawaniu napięcia elektrycznego na styku dwóch różnych materiałów, na które pada promieniowanie elektromagnetyczne. + - p n Warstwa przeciwodblaskowa promieniowanie Obecnie opracowani ogniwa krzemowe różnych typów: galenowo-arsenowe, których sprawność teoretyczna waha się w granicach 30-35%. Koszty wytwarzania energii elektrycznej jest około 10-krotnie większy niż konwencjonalnych. Mają zastosowanie w sytuacjach Wysokich kosztów przyłączy małych mocy.

6 Aktywne systemy słoneczne do domów jednorodzinnych: Zastosowanie: - Ogrzewanie domów, c.o. - Przygotowanie c.w.u. - Suszenie i podgrzewanie ziemi jako zasobnika - Rekreacja

7 BIOMASA - Wytworzona w sposób naturalny masa zawierająca węgiel pochodzący od roślin z fotosyntezy - Mówimy o konwersji energii słonecznej w procesie fotosyntezy h CO 2 + H 2 O związki organiczne + O 2 - Rośliny wykorzystują fale o długości nm, co stanowi 50% całkowitego promieniowania słonecznego. Bilans energii z biomasy na świecie wykorzystujemy około 7% dostępnej biomasy. Kierunki rozwoju: - Beztlenowa fermentacja materiałów organicznych (patrz rys.) - Piroliza biomasy - Spalanie i zgazowanie biomasy - Biokonwersja, produkcja wodoru - Biopaliwa (np. rzepak, etanol) - Gospodarka skojarzona wykorzystanie odpadów

8 NIEKONWENCJONALNE URZĄDZENIA ENERGETYCZNE a) Pompy ciepła b) Rury cieplne c) Ogniwa paliwowe d) Generator termoelektronowy e) Generator termoelekryczny f) Silnik Stirlinga g) Generator magnetohydrodynamiczny Pompa ciepła to urządzenie transformujące ciepło z niższego poziomu energetycznego (niższa temperatura) na poziom Wyższy (wyższa temperatura)kosztem wkładu pracy mechanicznej, ciepła lub energii elektrycznej. Pompa ciepła jest jedynym urządzeniem umożliwiającym wykorzystanie energii o niskiej temperaturze, a więc o małej egzergii (maksymalna zdolność materii do wykonania pracy technicznej w danym otoczeniu).

9

10 Termoelektryczna pompa ciepła zjawisko Peltier a (potocznie termoelement) Rury cieplne wynalezione przez Genglera w 1944 r.; służą do transportu ciepła poprzez przegrody, przez które przenikanie ciepła jest niemożliwe. Ze względu na siłę powodującą ruch czynnika dzielą się na: - grawitacyjne, ruch wywołany przyciąganiem ziemskim, - kapilarno-porowaty, ruch wywołany podciąganiem kapilarnym.

11 Ogniwa paliwowe urządzenia, w których dochodzi do zamiany energii chemicznej paliwa (zwykle wodoru) na energię elektryczną, co zostało odkryte przez Grove a w połowie XIX wieku. Rys Schemat reakcji jest następujący: - anoda: H 2 + 2OH - -> 2 H 2 O + 2e - - katoda: 2e - + ½ O 2 + H 2 O -> 2 OH - Reakcja całkowita: H 2 + ½ O 2 -> H 2 O Jest więc to reakcja odwrotna do elektrolizy przyłożenie napięcia powoduje rozpad kwasu lub wody (produkcja wodoru)

12 Dotychczas opracowano wiele ogniw paliwowych, które dzielimy ze względu na: - Stosowane paliwo (wodór, gaz ziemny, gaz węglowy) - Elektrolit (KOH, polimer, H 2 PO 4 i inne) - Temperaturę pracy (od 80 do 1000 o C) - Materiał elektrod. Generator termoelektronowy - Wykorzystuje zjawisko termoemisji elektronów wykryte przez Edison a w 1883r. - Katoda ma temperaturę T h a anoda T c - W wysokiej temperaturze elektrony są uwalniane z powierzchni katody (im wyższa temperatura tym więcej elektronów) - Emisja elektronów jest inna więc indukuje się energia elektryczna.

13 Generator termoelektryczny - Obwód złożony z różnych metali o różnej temperaturze złącz (generuje się przepływ prądu miliampery, milivolty) - Efekt Seebeck a odkryty w 1821r. - W celu zwiększenia napięcia łączy się je w szeregu

14 Silni Styrling a - Jest najbardziej zbliżonym obiegiem do obiegu Carnot a (ma dwie przemiany izotermiczne) - Charakteryzuje się doskonałą regeneracja ciepła - Klasyczny silnik spalinowy był by silnikiem Stryrling a gdyby ciepło nie wywiązywało się w komorze spalania ale dopływało przez ścianki (stąd nazwa silnik zewnętrznego spalania)

15 Generator magnetohydrodynamiczny Doprowadzone do komory spalania paliwo ulega spaleniu w wyniku czego powstają gazy spalinowe o wysokiej temperaturze - ponad 2200 o C. W tej temperaturze atomy gazu w skutek intensywnych zderzeń ze sobą ulegają jonizacji - powstają jony i ujemne elektrony swobodne. Aby zintensyfikować ten proces do komory spalania dodaje się intensyfikatorów (np. sód lub potas) uzyskujemy plazmę. Pod wpływem wysokiego ciśnienia plazma wpływa do kanału generatora (o długości 50m) z prędkością około 1000 m/s. Plazma przepływając przez elektromagnes o indukcji 2 6 Tesli. Na cząstki naładowane działa pod kątem prostym siła Lorenz a rozdzielając jony i elektrony. Dostajemy więc ładunek dodatni i ujemny, czyli prąd stały. Istnieje instalacja o mocy 50 MW, a projektowana jest o mocy 250 MW.

16 Czyste technologie węglowe Najnowsze techniki spalania węgla obejmują: - Kotły z paleniskami fluidalnymi o złożach wrzących atmosferycznych - Kotły z paleniskami fluidalnymi pospiesznych z systemem cyrkulacyjnym - Kotły z paleniskami fluidalnymi ciśnieniowe - Zintegrowane systemy parowo-gazowe, w których gaz palny uzyskuje się w wyniku zgazowania węgla W nowoczesnych instalacjach sprawność termiczna osiąga 85%, a przereagowanie węgla 95%.

17 Technologie wodorowe: Roczna produkcja wodoru w 1990 wynosiła 350 mld m 3, przy czym podstawowym surowcami były ropa naftowa 50%, gaz ziemny 30% i węgiel 15%. Podstawowe technologie wytwarzania wodoru: - Piroliza olefinow (przeróbka ropy w temperaturze 700 o C - Reformowanie ropy naftowej (reforming) - Zgazowanie węgla - Rozkład wody Biotechnologie do wytwarzania wodoru: - Biokatalityczna produkcja wodoru za pomocą bakterii - Sztuczne membrany chlorofilowe - Biofotoliza z wykorzystaniem bakterii Magazynowanie wodoru: - Pod ciśnieniem 20 MPa w butlach i zbiornikach w fazie gazowej - W postaci ciekłej w cysternach i na statkach (temperatura wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym to: o C - W postaci wodorków metali różnego rodzaju.

18 Zalety i wady wodoru: a) Zalety - łatwo tworzy jednorodne mieszanki - brak toksycznych składników w spalinach z wyjątkiem NO x - potrzebna mała energia do zapłonu mieszanki - duża prędkość spalania - szerokie granice palności 0,14 9,5 b) Wady - mała liczba oktanowa (spalanie stukowe) - silne oddziaływanie na metale w wysokich temperaturach - zdolność wodoru do rozkładania olei smarnych - mała gęstość energetyczna (benzyna to 3,75 a wodór to 2,97 MJ/m 3 ) - trudne przechowywanie