Niekonwencjonalne źródła energii

Komentarze

Transkrypt

Niekonwencjonalne źródła energii
Uniwersytet Mikołaja Kopernika
Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej
Justyna Jarzyna
KorzyĞci i zagroĪenia wynikające z uĪycia niekonwencjonalnych
Ĩródeł energii
Praca licencjacka wykonana w Zakładzie
Dydaktyki Fizyki
opiekun: dr Grzegorz OsiĔski
ToruĔ 2007
Spis treĞci
1.WstĊp……………………………………………………………………………...………3
2. Konwencjonalne Ĩródła energii i efekt cieplarniany……………………..……….…...5
3. Niekonwencjonalne Ĩródła energii –wprowadzenie………………………………….10
4. Energia wiatru………………………………………………………………………….11
4.1. Budowa urządzeĔ wykorzystujących energiĊ wiatru...……………………………..12
4.2. Warunki wiatrowe w Polsce i ich wykorzystanie………...……………………...….14
4.3. ZaleĪnoĞci opisujące energiĊ wiatru……...…………………………………………16
4.4.Zalety i wady urządzeĔ……………………………………………… ……......…….18
5. Energia ziemi…………………………………………………………………...……….20
6. Energia biomasy……………………………………..……………………………….…22
6.1. Rodzaje i sposoby pozyskiwania biomasy………………………………………….23
7. Energia wody………………………………………………...……………………...…..25
7.1. Zasoby wodne Polski i rodzaje urządzeĔ wykorzystujących energiĊ wody………..26
8. Energia słoĔca………………………………………………………...………….……..28
8.1. Nasłonecznienie Polski………………...…………………………….……………..29
8.2. Urządzenia wykorzystujące energiĊ słoneczną-kolektory słoneczne.........………...31
8.3. Rodzaje kolektorów………………………………………………………….… ....33
8.4. Porównanie kolektorów…………...……………………………………………..….36
8.5. Rodzaje instalacji solarnych………...…………………………………………....…37
8.6. MontaĪ kolektorów………………...…………………………………………..……42
8.7. Sposoby zabezpieczenia przed wyładowaniami atmosferycznymi…...…………….44
8.8. Podstawy teoretyczne kolektorów słonecznych………………………………..…...45
8.9. Bakteria legionelli………………………………………………….………….…….48
8.10. Baterie słoneczne……………...…………………………………….…………..…50
8.11. Zjawisko fotoelektryczne…...…………………………………….………………..52
8.12. Mechanika efektu fotowoltaicznego...………………………………….……….…57
1
8.13. Rodzaje ogniw i ich zastosowanie…………………………………………..……..59
8.14. Ogniwa wodorowe……………………………………………….…...……………62
9. Podsumowanie……………...………………...…………………………………..……..64
9.1. Załącznik
Projekt instalacji wraz z kolektorami słonecznymi znajdującymi siĊ
w Toruniu na Skarpie
10. Literatura……………………………………………………………………..……….69
2
1. WstĊp
Rys.1. Rodzaje energii
Zapotrzebowanie na energiĊ w społeczeĔstwie jest olbrzymie. Trudno w dzisiejszych
czasach wyobraziü sobie Īycie bez uĪytkowania energii elektrycznej. Energia pod róĪnego
rodzaju postacią (Rys.1) była i jest niezbĊdna do rozwoju i Īycia człowieka. Miara rozwoju
poszczególnych PaĔstw jest iloĞü zuĪywanej energii w przeliczeniu na mieszkaĔca [2].
ZuĪycie energii wciąĪ wzrasta a przyczyną tego jest :
-przyrost ludnoĞci,
-rozwój techniki
-zmiany w strukturze gospodarczej (rozwój cywilizacji) [7].
W dobie tak daleko posuniĊtego rozwoju techniki, gdzie wszystkie urządzenia napĊdzane są
przy pomocy energii elektrycznej, a sama energia elektryczna stanowi główną gałąĨ
gospodarki kaĪdego kraju - musimy odszukaü nowych jej Ĩródeł. Aby nie dopuĞciü do
sytuacji w której by nam jej zabrakło, gdyĪ spowodowałoby to tragiczne skutki dla nas
i dla naszego otoczenia. Z powodu braku surowców, które umoĪliwiają wyprodukowanie
energii
w
konwencjonalny
sposób
i
ze
wzglĊdu
na
niedostateczny
rozwój
niekonwencjonalnych metod jej pozyskiwania nastąpiłoby załamanie w dziedzinie
produkcji-handlu – co spowodowałoby
kryzys w gospodarce, który miałby tragiczne
skutki, szczególnie dla paĔstw które są wysoko uprzemysłowione.
EnergiĊ, którą my wykorzystujemy pozyskujemy głównie ze spalania konwencjonalnych
i nieodnawialnych Ĩródeł energii. W ten sposób wzrastają koszty wytwarzania energii, które
powodują wzrost jej ceny [2].
Zaletami tego rodzaju Ĩródeł energii jest duĪa gĊstoĞü mocy skumulowanej w jednostce
masy lub objĊtoĞci, opanowana technologia. Jednak stosowanie Ĩródeł konwencjonalnych
do produkcji energii niesie za sobą o wiele wiĊcej negatywnych
skutków takich jak:
-skaĪenie powietrza produktami spalin,
3
-groĨba globalnego skaĪenia Ğrodowiska w przypadku gdy nastąpi awaria
-problem z utylizacja produktów stanowiących odpady (radioaktywne)
-dewastacja terenów przez odwierty, kopalnie, magazynowanie
-wyczerpanie konwencjonalnych Ĩródeł energii [8].
4
2. Konwencjonalne Ĩródła energii i efekt cieplarniany
Dotychczasowe konwencjonalne Ĩródła energii, które stosowane są najczĊĞciej są to Ĩródła,
które wystarczą na ok. 300lat, dlatego warto juĪ teraz wykorzystaü Ĩródła energii, z których
bĊdziemy mogli korzystaü, przez co najmniej milion lat. Do tych konwencjonalnych Ĩródeł,
z których otrzymujemy energiĊ elektryczną naleĪą:
- wĊgiel kamienny – skała osadowa pochodzenia organicznego, powstała z drzewiastych
paprotników, wydobywany w Europie od XVII wieku, choü jako Ĩródło ciepła znany był
juĪ w czasach prehistorycznych,
- wĊgiel brunatny – powstał w ten sam sposób jak wĊgiel kamienny, ale zabrakło czasu do
zakoĔczenia karbonizacji – stąd słaba wartoĞü energetyczna ( zawiera duĪo wody), jest
uĪywany bezpoĞrednio w kompleksach wydobywczo-energetycznych, natomiast jego
transport jest nieopłacalny,
- ropa naftowa – wystĊpuje w tzw. pułapkach naftowych, które powstały w wyniku
fałdowaĔ alpejskich,
- gaz ziemny – „czapa” gazowa ropy naftowej, równieĪ moĪe wystĊpowaü samodzielnie,
Rys. 2. Procesy zachodzące w szklarni
5
Spalenie tych konwencjonalnych Ĩródeł dla uzyskania energii cieplnej, elektrycznej,
mechanicznej, niesie za sobą powstawaniem dwutlenku wĊgla jest to zagroĪeniem, które
przyczyną ocieplenie klimatu Ziemi [1]. Ocieplenie to jest prawdopodobnie spowodowane
rozwojem przemysłu i motoryzacji. PodwyĪszenie temperatury jest prawie nieodczuwalne
przez człowieka, ale wpływ ocieplenia na planetĊ moĪe spowodowaü katastroficzne skutki,
takie jak susze, katastrofalne powodzie, huraganowe wiatry i poĪary. ZauwaĪalne zmiany
mogą dotyczyü równieĪ Ğwiata roĞlin i zwierząt. Przyczyną wzrostu temperatury Ziemi jest
nadmierne nagromadzenie w atmosferze pary wodnej, dwutlenku wĊgla, tlenku azotu,
dwutlenku siarki i metanu. WiĊksza iloĞci tych gazów dostają siĊ do atmosfery równieĪ
w wyniku procesów naturalnych. Jednak głównie człowiek odpowiada za wzrost
koncentracji tych związków w atmosferze. Nagromadzone w atmosferze gazy i ich
oddziaływanie
na bilans cieplny Ziemi moĪna porównaü do procesów zachodzących w
szklarni (rys.2).
SłoĔce jest bardzo gorące i duĪe. Wysoka temperatura słoĔca powoduje, Īe emitowana
przez nie energia posiada bardzo małą długoĞü fali (wiĊkszoĞü znajduje siĊ w zakresie
pasma widzialnego), w wyniku czego posiada bardzo wysoką czĊstotliwoĞü, gdyĪ
emitowane jest przez ciało doskonale czarne (słoĔce) w temperaturze ok. 6000°K.
Ta czĊstotliwoĞü umoĪliwia energii słonecznej łatwe przenikanie do wnĊtrza "globalnej
szklarni". CzĊĞü tej energii zostaje odbita od powierzchni Ziemi w niezmienionym stanieenergia przenikająca szybĊ na zewnątrz.
Jest to tylko czĊĞü całkowitej energii
wprowadzonej do wewnątrz. PochłoniĊte przez glebĊ ciepło, ogrzewa jej powierzchniĊ, co
prowadzi do wtórnej emisji energii przez glebĊ. Powierzchnia Ziemi emituje nabytą energiĊ
w postaci fal o wiĊkszej długoĞci czyli w postaci promieniowania podczerwonego. Jak
nietrudno siĊ domyĞliü, powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza od słoĔca, toteĪ jej
promieniowanie ma znacznie mniejszą czĊstotliwoĞü i zdolnoĞü przenikania. Dlatego teĪ
znakomita wiĊkszoĞü tego promieniowania zostaje odbita od szyby, a tylko bardzo
niewielkiej czĊĞci udaje siĊ przez nią przedostaü [22].
Stosunek iloĞci promieniowania odbitego do iloĞci promieniowania padającego na daną
powierzchniĊ okreĞla siĊ mianem albedo. WartoĞü albedo zaleĪy od charakteru powierzchni
- szczególnie duĪym albedo charakteryzuje siĊ pokrywa i górna powierzchnia chmur.
Dlatego im mniejsze stają siĊ obszary pokryte wiecznym Ğniegiem, tym mniejsza czĊĞü
promieniowania ulega odbiciu i tym szybciej roĞnie temperatura na Ziemi
6
Jednym z najwaĪniejszych gazów wystĊpujących w atmosferze i odpowiedzialnym za
ocieplenie klimatu jest CO2.
Dwutlenek wĊgla jest naturalnym składnikiem atmosfery powstającym w procesach
oddychania, gnicia i spalania. Gaz ten wchłaniają roĞliny w procesie asymilacji, w którym
z wody i dwutlenku wĊgla pod wpływem Ğwiatła słonecznego powstaje materia organiczna.
Uzupełnieniem tego procesu jest oddychanie, w którym z materii organicznej i tlenu
powstaje energia, woda i dwutlenek wĊgla wydalony do atmosfery. W ten sposób roĞliny
biorą udział w regulowaniu iloĞci CO2 w atmosferze. Wahania iloĞci dwutlenku wĊgla
w warstwie przyziemnej są czĊsto związane z metabolizmem roĞlin. W dzieĔ jest go mniej
niĪ w nocy w związku z intensywną asymilacją, wiĊcej w pochmurny dzieĔ i zimą, kiedy
do Ziemi dociera mniej Ğwiatła, a procesy asymilacyjne ulegają spowolnieniu. Dwutlenek
wĊgla magazynowany jest przez wody mórz i oceanów. MiĊdzy atmosferą i oceanami
zachodzi wymiana CO2, dziĊki czemu stosunek iloĞci tego gazu w powietrzu i wodzie jest
stały. Rola mórz i oceanów polega równieĪ na tym, Īe są one Ğrodowiskiem Īycia
fitoplanktonu. Posiada on zdolnoĞü do asymilacji dwutlenku wĊgla, jak roĞliny lądowe.
Przyczyną wzrostu stĊĪenia dwutlenku wĊgla jest człowiek. W wielkich miastach
przemysłowych iloĞü dwutlenku wĊgla osiąga nawet do 0,05-0,07%
(Ğrednie zanieczyszczenie CO2 w atmosferze wynosi 0,03%), głównie gdy jest pochmurno.
Dwutlenek wĊgla jest ubocznym produktem spalania drewna i paliw kopalnych.
UzaleĪnienie naszej
cywilizacji
od
tych
paliw jako
głównego
Ĩródła energii
w połączeniu z eksplozją demograficzną spowodowały, Īe wzrosła iloĞü dwutlenku wĊgla
emitowanego do atmosfery. Ogromne iloĞci tego gazu powstaje na skutek wypalania lasów.
Efektem spalania paliw kopalnianych jest równieĪ emisja dwutlenku siarki. Obecne silniki
samochodowe wytwarzają tlenek azotu. Metan (CH4) powstaje w procesie beztlenowej
fermentacji celulozy pod wpływem bakterii metanowych. Bakterie Īyją na podmokłych
glebach, zamulonych dnach zbiorników wodnych, bagnach, Ğciekach komunalnych
i w przewodach pokarmowych przeĪuwaczy oraz termitów. CzĊĞü metanu uwiĊziona jest
w regionach polarnych w wiecznej zmarzlinie (stale zamarzniĊta warstwa gruntu). W miarĊ
ocieplenia klimatu metan jest uwalniany do atmosfery. Istotnym Ĩródłem metanu
w atmosferze są równieĪ procesy zachodzące w przewodach pokarmowych zwierząt
domowych. Szacuje siĊ, Īe w ciągu ostatnich stu lat iloĞü metanu w atmosferze podwoiła
siĊ.
7
Freony to gazy stosowane jako noĞne w opakowaniach aerozolowych oraz w chłodziarkach.
Po zuĪyciu opakowaĔ, te bardzo trwałe gazy przedostają siĊ do atmosfery i gromadzą
w stratosferze na wysokoĞci 20-25km. Tu powodują rozbijanie zbudowanych z trzech
atomów tlenu cząsteczek ozonu. W ten sposób niszczona warstwa ozonowa przepuszcza do
powierzchni Ziemi wiĊcej promieniowania ultrafioletowego, co teĪ przyczynia siĊ
do globalnego ocieplenia klimatu [23].
Zamieszczony poniĪej wykres (rys.3) ukazuj iloĞü powstałych gazów takich jak:
•
dwutlenek wĊgla,
•
tlenki azotu,
•
metan,
•
freony,
Rys. 3. IloĞü powstałych gazów
Jednak i tak stosujemy te konwencjonalne Ĩródła energii, które powodują znaczne zmiany
naszego klimatu a takĪe zagroĪenie wyczerpaniem tych nieodnawialnych zasobów
surowców energetycznych. PoniĪszy wykres (Rys. 4.) przedstawia Ĩródła energii
konwencjonalnej i niekonwencjonalnej oraz ich wykorzystanie
8
Rys. 4. ħródła energii konwencjonalnej i niekonwencjonalnej
Na wykresie widoczne jest Īe ludzie chĊtniej korzystają z konwencjonalnych Ĩródeł energii
a przecieĪ te Ĩródła nie bĊdą wieczne.
9
3. Niekonwencjonalne Ĩródła energii -wprowadzenie
W przeciwieĔstwie do konwencjonalnych Ĩródeł energii takich jak wĊgiel ropa gaz ziemny,
których zasoby
cały czas ulegają zmniejszeniu, niekonwencjonalne Ĩródła energii
utrzymują siĊ na stałym poziomie tak długo jak długo bĊdzie trwał Układ Słoneczny wraz
z Ziemią ich stan nie ulegnie wyczerpaniu.
Aby zapobiec negatywnym czynnikom poszukuje siĊ alternatywnych Ĩródeł energii
- atomowej,
- słonecznej,
- siły wiatru,
- wykorzystywania zjawisk geotermicznych,
- odpadów roĞlinnych, zwierzĊcych, przemysłowych
A takĪe poszukiwanie bardziej racjonalnego wykorzystywania tradycyjnych Ĩródeł
( ropa, gaz, wĊgiel), wprowadzania mniej energochłonnych sposobów produkcji [1].
Niekonwencjonalne Ĩródła energii są to Ĩródła proekologiczne , są związane nierozerwalnie
z naturalnymi procesami przyrodniczymi wywołanymi aktywnoĞcią
SłoĔca, KsiĊĪyca,
Ziemi [8].
Niekonwencjonalne Ĩródła energii elektrycznej moĪna rozdzieliü na Ĩródła odnawialne
i nieodnawialne. ħródłami odnawialnymi są: energia wiatru, energia słoneczna, energia
wód, energia cieplna oceanów, energia biomasy, natomiast do Ĩródeł nieodnawialnych
naleĪą: wodór, energia magneto-hydro- dynamiczna oraz ogniwa palne. EnergiĊ gejzerów,
czyli energiĊ geotermiczną moĪna zaliczyü do odnawialnych jak i do nieodnawialnych
Ĩródeł. Wykorzystanie prawie wszystkich tych niekonwencjonalnych Ĩródeł energii
elektrycznej jest związane z tym, Īe nie powodujemy negatywnego wpływu na Ğrodowisko
[7]. W kolejnych rozdziałach przedstawione są rodzaje tych niekonwencjonalnych Ĩródeł
energii, urządzenia które wykorzystują tą energiĊ .warto jest siĊ szczególnie zastanowiü nad
tymi Ĩródłami energii poniewaĪ uzyskana energia jest ,,ekologicznie czysta"
10
4. Energia wiatru
Rys. 5. Turbiny wiatrowe
Energia wiatru –siłownie wiatru, turbiny wiatrowe (Rys.5.), jest to energia ( siła wiatru),
która moĪe byü przetwarzana na energiĊ elektryczną w siłowniach, które przekazują prąd
do sieci elektroenergetycznej lub pracujących indywidualnie .Energia wiatru moĪe byü
wykorzystywana do pompowania wody konsumpcyjnej, oĞwietlania pomieszczeĔ,
nawadniania pól,(zraszacze upraw) w rekultywacji i natlenianiu zbiorników wodnych,
w telekomunikacji [7]. Wiatr jest przyczyną nierównomiernego nagrzania przez słoĔce
róĪnych powierzchni na ziemi. Powodem tego jest zmienna topografia terenu oraz
zabudowy jej powierzchni.
Powietrze znajdujące siĊ nad powierzchnią, która jest nagrzana przez słoĔce unosi siĊ do
góry, co jest przyczyną zasysania chłodnego powietrza np. z nad duĪej powierzchni
zbiornika wody (morze, jezioro, ocean,). Powstałe w ten sposób róĪnice temperatur
powodują przemieszczanie siĊ mas powietrza zgodnie z naturalnymi warunkami
ukształtowania powierzchni ziemi. Przy powierzchni ziemi wiatr jest hamowany przez
wystĊpujące nierównoĞci terenu [2].
EnergiĊ wiatru człowiek postanowił wykorzystaü od wielu lat, juĪ staroĪytni BabiloĔczycy
czy ChiĔczycy dostrzegli moĪliwoĞü wykorzystania energii wiatru do pracy. Pomysłem na
wykorzystanie tej energii było skonstruowanie wiatraka. Pierwsze wiatraki pojawiły siĊ
11
w Holandii juĪ w VIII wieku. Rozwój ich budowy nastĊpował w XVI i XVII wieku. Pod
koniec XX wieku wobec kurczących siĊ Ğwiatowych zasobów paliw energetycznych oraz
coraz wiĊkszej randze nadawanej problemom ochrony Ğrodowiska nastĊpuje renesans
wiatraków [2]. WaĪne jest to, Īe energia elektryczna uzyskiwana z wiatru jest ekologicznie
czysta gdyĪ jej wytwarzanie nie pociąga za sobą spalania Īadnych paliw. W niektórych
krajach budowane są elektrownie wiatrowe są to ustawione koło siebie turbiny wiatrowe
[9].
4.1. Budowa urządzeĔ wykorzystujących energiĊ wiatru
PoniĪszy rysunek(Rys.6.) ilustruje budowĊ siłowni wiatrowej :
Rys. 6. Siłownia wiatrowa
12
Kolejny rysunek (Rys. 7.) ukazuje budowĊ elektrowni wiatrowej:
Rys. 7. Elektrownia wiatrowa
1-kontroler,
2-siłownik mechanizmu przestawiania łopat,
3-główny wał ,
4-chłodnica oleju,
5-skrzynia przekładniowa,
6-wieloprocesorowy układ sterowania,
7-hamulec postojowy,
8-dĮwig dla obsługi,9- transformator,
10-piasta łopaty,
11- łoİysko łopaty, 12-łopata, 13- układ hamowania wirnika, 14-układ hydrauliczny,
13
15-tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika, 16- pierĞcieĔ układu kierunkowania,
17-fundament, 18-koła zĊbate układu kierunkowania, 19-generator, 20-chłodnica generatora
powłok przymocowanych do belki noĞnej [31].
Moc takiej elektrowni wiatrowej jest proporcjonalna do powierzchni Ğmigła omiatanej
przez wiatr oraz do szeĞcianu prĊdkoĞci wiatru. Podwojenie prĊdkoĞci wiatru to
oĞmiokrotny wzrost mocy wiatraka. Wiatrak Ğredniej wielkoĞci o wysokoĞci ok.60m
i rozpiĊtoĞci Ğmigła ok.44m pozwala na uzyskanie mocy ok.660kW. Taka moc pozwala na
zaopatrzenie w energiĊ duĪego zakładu przemysłowego lub 300-400 gospodarstw
domowych [9]. Elektrownie wiatrowe wymagają duĪej powierzchni terenu ze wzglĊdu na
wielkoĞü konstrukcji.
4.2. Warunki wiatrowe w Polsce i ich wykorzystanie
Zanim jednak przejdzie siĊ do rozwoju i budowy energetyki wiatrowej niezbĊdne jest
przeprowadzenie pewnych pomiarów. Podstawową informacją jest pomiar prĊdkoĞci
kierunku wiatru, pomiaru tego naleĪy dokonaü w miejscu gdzie ma powstaü elektrownia
wiatrowa. Pomiar ten wykonuje siĊ co najmniej na dwóch wysokoĞciach w ten sposób aby
wyeliminowaü niekorzystne zawirowania wiatru spowodowane obecnoĞcią budynków,
drzew. Takiego pomiaru dokonuje siĊ przez rok, po zebraniu danych wyniki poddaje siĊ
obróbce w programie, który wskaĪe zasoby wiatru na poddawanym badaniu terenie. Pomiar
ten rejestrowany jest co10 minut, pod uwagĊ bierze siĊ takĪe kierunek wiejącego wiatru [3].
UĪyteczna prĊdkoĞü dla potrzeb energetyki wiatrowej to prĊdkoĞü wiatru wynosząca co
najmniej 4 m/s. W Polsce wyróĪnione są rejony o wzmoĪonej prĊdkoĞci wiatru takie jak:
-PobrzeĪe SłowiĔskie i Kaszubskie
-Suwalszczyzna
-prawie cała nizinna czĊĞü Polski z udziałem prĊdkoĞci na Mazowszu i Ğrodkowej czĊĞci
Pojezierza Wielkopolskiego
-Beskid ĝląski i ĩywiecki
-dolina Sanu od granic po Sandomierz
W tych rejonach Ğrednia roczna prĊdkoĞü wiatru przekracza 4m/s a w rejonach wybrzeĪa
6m/s [3].
14
PoniĪsza mapa (Rys. 8.) ukazuje warunki wiatrowe w Polsce:
Rys. 8. Warunki wiatrowe w Polsce
W Polsce pracuje ok. 29 elektrowni wiatrowych podłączonych do sieci i sprzedających
energiĊ zakładom energetycznym. PoniĪsza mapka (Rys. 9.) przedstawia duĪe elektrownie
wiatrowe wystĊpujące w Polsce:
Rys. 9. Elektrownie wiatrowe w Polsce
PotĊgą w Europie w dziedzinie produkcji i zastosowania wiatraków jest Dania.
15
W tym kraju zainstalowane jest ok.4000 wiatraków, co powoduje zaspokojenie ok.10%
potrzeb energetycznych tego paĔstwa [3].
Jednak energia wiatru nie jest tylko wykorzystywana do napĊdzania młynów i generowania
energii elektrycznej, ale energia ta wykorzystywana jest takĪe przez pompy wodne.
Od dawnych lat takie pompy słuĪyły do nawadniania lub osuszania pola pompując wodĊ.
Pompy te charakteryzują siĊ niskim kosztem eksploatacji i w miarĊ niskim kosztem
początkowym. Stosowane pompy o wieków mają równieĪ odpowiednie rozwiązania
konstrukcyjne oraz technologiczne. Bardzo atrakcyjne kosztowo jest zastosowanie tego
rodzaju pomp w rolnictwie gdzie dziĊki ich zastosowaniu moĪna dostarczyü taniej wody
uĪytkowej
z istniejących zbiorników otwartych dziĊki czemu oszczĊdzamy drogą wodĊ pitna.
ĝwiatowe zasoby wody nadającej siĊ do spoĪycia z resztą są bardzo skromne i ich
oszczĊdzanie jest wskazane pod kaĪdym wzglĊdem. Dlatego kraje bardzo rozwiniĊte
technologicznie stosują tego rodzaju pompy. Pompy wiatrowe wykorzystywane są równieĪ
do oczyszczania Ğcieków, oddalonych od terenów zabudowy (infrastruktury energetycznej),
co powoduje zmniejszenie kosztów dalszego doprowadzenia sieci energetycznej
o stosownych mocach [2-4].
4.3. ZaleĪnoĞci opisujące energiĊ wiatru
Energia wiatru jest wprost proporcjonalna do prĊdkoĞci wiatru w potĊdze trzeciej, przy
czym prĊdkoĞü wiatru ulega zmianie wraz z wysokoĞcią, a dodatkowo jest zaleĪna od
ukształtowania terenu .Przy powierzchni Ziemi prĊdkoĞü wiatru jest równa zero,
spowodowane jest to silami tarcia. Siły te powodują, Īe tylko ¼ energii kinetycznej wiatru
przypada na wiatry wiejące na wysokoĞci 100m, reszta czyli ¾ energii mają wiatry wiejące
powyĪej 100m [8]. Ze wzglĊdów technicznych i ekonomicznych budowanie tak wysokich
siłowni wiatrowych jest nieopłacalne. PrĊdkoĞü wiatru Vo ulega zmianie na skrzydłach
turbiny wiatrowej do prĊdkoĞci Vs, która z turbiną dalej siĊ zmniejsza do wartoĞci Vk, Vo
Z róĪnicy tej, a takĪe ze spadku ciĞnienia z ps' przed turbiną do ps" za turbiną wynika praca
uĪyteczna. Moment sił obwodowych działających na łopatki jest przenoszony przez wał
wirnika, przez przekładniĊ do generatora.: PrĊdkoĞü przepływu powietrza przez wirnik
jest Ğrednią arytmetyczną prĊdkoĞci wiatru przed i za wirnikiem [8]:
V
s
=Vo
+V k
[m/s]
2
16
(1)
Moc uĪyteczna pobierana od strumienia jest róĪnicą energii kinetycznej powietrza przed
i za wirnikiem, zgodnie z zaleĪnoĞcią [8]:
V02 − Vk2
Vo2 − Vk2
Vo2 + Vk2
Vo2 − Vk2
Pu = Q*ȡ 2 = As * Vs *p* 2 = As * 2 *p* 2
[W]
(2)
Maksimum mocy dla danej prĊdkoĞci wiatru Vo i okreĞlonych wymiarów wirnika As,
wynika z warunku [8] dPu /dVk=0
Pu =½* As* ȡ*(Vo³- Vo* Vk²+ Vo²* Vk - Vk³)
(3)
dPu
=½* As* ȡ*(-2 Vo* Vk+ Vo²-3*Vk³)=0
dVk
(4)
Vk =
Vo
3
(5)
Przy takim optymalnym zmniejszeniu prĊdkoĞci powietrza teoretycznie maksymalna moc
uĪyteczną okreĞla wzór [8]:
Pu max=
8
2π 2
As pV03 =
Ds *p* V03
27
27
[W]
(6)
Siła noĞna i oporu Ğmigla opisane są zaleĪnoĞciami:
FN/op=CN/op* p
V02
As
2
[N]
(7)
Gdzie: CN- współczynnik siły noĞnej,
Cop-wsółczynnik siły oporu,
Są one funkcją profilu Ğmigła. Stosunek tych współczynników jest nazywany
współczynnikiem doskonałoĞci profilu dla danej powierzchni Ğmigła- As [8].
Moc silnika wiatrowego opisuje nastĊpująca zaleĪnoĞü:
C op z
d s2
1− e 1
P=
[ (1 − 2 ) −
Cn 3
1+ e 2
Ds
d s2
d s2
1
−
Ds2
Ds2
]πDs2 pV03
−
2z
4
1−
[W]
(8)
Gdzie: e- współczynnik wykorzystania energii wiatru (e=0,3-0,4),
z-wyróĪnik szybkobieĪnoĞci,
SprawnoĞü przetwarzania energii wiatru na energiĊ eteryczną jest iloczynem sprawnoĞci
turbiny wiatrowej i połączonej z nią prądnicy [8]
Cechą charakteryzującą napĊd siłowni wiatrowej jest wyróĪnik szybkobieĪnoĞci z, który
jest stosunkiem prĊdkoĞci obwodowej koĔca wirnika U do prĊdkoĞci wiatru Vo:
17
Z=
U ωD s
=
V0
2V0
(9)
W zaleĪnoĞci od współczynnika szybkobieĪnoĞci silnika z, prĊdkoĞci wiatru za wirnikiem
Vk [8].
oraz jego sprawnoĞci mechanicznej Șs, róĪna jest jego sprawnoĞü przepływowa:
V
V
1
Șp= Șs (1 + k ) 2 (1 − k ) (10)
z
V0
V0
JeĞli znamy współczynnik momentu obrotowego ĭ moĪemy wyznaczyü moment
obrotowy na wale silnika wiatrowego:
Mo= ĭ
pV02
d
As
2
2
(11)
gdzie: d-Ğrednica wału,
WydajnoĞü turbiny wiatrowej okreĞla zaleĪnoĞü :
E=A*Kel*Ș
[kW*h/a]
(12)
gdzie:
A- powierzchnia Ğmigła(A=ʌ*2r²/4)[m²],
Kel- potencjał energetyczny wiatru,
kW*h/(m²*a)-zaleĪy od Ğredniej rocznej prĊdkoĞci wiatru, Ș- sprawnoĞü turbiny [8].
4.4 Zalety i wady urządzeĔ
Zalety siłowni wiatrowych:
-nie powodują zanieczyszczania Ğrodowiska naturalnego,
-energia wiatru jest bezpłatna,
-mogą byü budowane na nieuĪytkach ( gruntach nie nadających siĊ do zagospodarowania),
-zapewniają nowe miejsca pracy
Wady siłowni wiatrowych:
-wysokie koszty inwestycji
-wysokie koszty eksploatacji,
-mogą byü przyczyną destabilizacji systemu energetycznego kraju,
-wymagają stosowania akumulatorów energii,
-są zagroĪeniem dla ptaków,
-konstrukcje amatorskie pracują doĞü głoĞno [8].
18

Podobne dokumenty