可再生能源 - 快速指南

可再生能源 - 简介

可再生能源是一个术语，指从环境和可自然补充的来源中自然获得的能源形式。其中包括太阳能、风能、地热能、水力发电和生物质能。

可再生能源一词不应与替代能源混淆，替代能源描述的是汽油等常规形式之外的能源，被认为更环保或危害更小。

可再生能源的优势

使用可再生能源的优点是 -

维护成本较低，因为大多数来源只需要很少或不需要移动部件，因此机械损坏较少。
它们很经济，可以降低化石燃料的成本。
它们在环境中排放很少或根本不排放废物。
可再生能源不会耗尽。因此，这些都有着更好的未来前景。

太阳能的来源

本教程解释了可再生能源的五种主要来源。将简要回顾每个来源，但将在后续章节中提供详细讨论。

太阳能- 来自太阳的能量称为太阳能。太阳能可以用作主动式太阳能或被动式太阳能。主动太阳能直接消耗在烘干衣服和加热空气等活动中。技术提供了多种利用这一丰富资源的方法。
地热能- 指通过地球地层储存在地下数百万年的热能。它利用地壳下存在的丰富的未利用热能储存。
水力发电——这是当今世界各地用于发电的主要可再生能源。
风能- 在古代，风能通过撞击船帆来移动船只。
生物质能源- 在能源生产中，它是指通过燃烧产生能量的废弃植物。

太阳能 - 简介

太阳能是通过捕获太阳的热和光而获得的能量。来自太阳的能量被称为太阳能。技术提供了多种利用这一丰富资源的方法。它被认为是一种绿色技术，因为它不排放温室气体。太阳能资源丰富，长期以来一直被用作电力和热源。

太阳能技术可大致分为：

主动式太阳能- 主动式太阳能技术包括使用光伏系统、聚光太阳能和太阳能热水来利用能源。主动太阳能直接消耗在烘干衣服和加热空气等活动中。
被动式太阳能-被动式太阳能技术包括将建筑物定向到太阳、选择具有有利热质量或光分散特性的材料以及设计自然循环空气的空间。

太阳能转换

太阳能是通过捕获太阳的热和光而获得的能量。从太阳光中获取电能的方法称为光伏法。这是通过使用半导体材料来实现的。

获取太阳能的另一种形式是通过热技术，它提供两种形式的能源利用方法。

第一个是太阳能聚光，集中太阳能来驱动热力涡轮机。
第二种方法是分别用于太阳能热水和空调的供暖和制冷系统。

将太阳能转化为电能以便在日常活动中利用其能量的过程如下 -

吸收太阳光线中携带能量的粒子（称为光子）。
太阳能电池内部的光伏转换。
来自多个电池的电流组合。此步骤是必要的，因为单个电池的电压小于 0.5 V。
将所得直流电转换为交流电。

在下一章中，我们将学习将太阳能转化为电能的光伏方法。

太阳能-光伏效应

在继续学习光伏效应的概念之前，我们必须了解 PN 结的一些基本知识。

PN结

PN结是由美国贝尔实验室的Russell发明的。它指的是两种半导体之间的结，即P型和N型。拉塞尔发现这两种半导体在连接处有一种有趣的Behave，仅导致一个方向的传导。

P 型半导体以空穴（无电子）作为多数载流子。N型半导体以电子作为多数载流子。

在上面给出的图中，在交界处 -

额外的电荷扩散到相对的结点，使得 p 侧的正电荷获得负电荷并将其中和。
同样，N 侧的负电荷会获得正电荷并将其中和。
这在两侧形成了余量（m），多余的电荷被耗尽，使该区域呈中性并处于平衡状态。该区域被称为耗尽层，两侧都没有电荷穿过。
耗尽层提供了势垒，因此需要外部电压来克服它。这个过程称为偏置。
为了在正向偏置中导通，所施加的电压应将电子（负）从 n 结泵送到结的 p 侧。电流的连续流动保证了电子不断移动以填充空穴，从而实现跨耗尽层的传导。
在称为反向偏置的过程中反转施加的电压会导致空穴和电子漂移分开，从而增加耗尽层。
外部负载连接到太阳能电池，正极端子连接到N侧晶圆，负极端子连接到P侧晶圆。光伏效应产生电势差。

由光子移位的电子获得的电流不足以产生显着的电势差。因此，电流被限制以引起进一步的碰撞并释放更多的电子。

光伏效应

太阳能电池利用 pn 结的概念来捕获太阳能。下图显示了半导体的费米能级。

为了使半导体导电，电子必须穿过从价带到导带的能隙。这些电子需要一些能量来移动并穿过价带间隙。在太阳能电池中，从太阳发出的光子提供了克服间隙所需的能量。

入射到表面的光子可以被吸收、反射或透射。如果它被反射或透射，它无助于驱逐电子并因此被浪费。因此，必须吸收光子以提供将电子移过价带并移动所需的能量。

如果 E _ph是光子的能量，EG 是跨越能隙的阈值能量，那么当光子撞击半导体表面时，可能的结果是 -

E _ph < E _G - 在这种情况下，光子没有达到阈值，只会通过。
E _ph = E _G − 光子具有驱逐电子并产生空穴电子对的精确阈值。
E _ph > E _G - 光子能量超过阈值。这会产生电子-空穴对，尽管这是一种浪费，因为电子沿着能隙向下移动。

吸收太阳辐射

在大多数情况下，半导体的吸收系数用于确定吸收太阳能量的效率。系数低意味着吸收能力差。因此，光子走多远是吸收系数 ( α ) 和辐射波长 ( λ ) 的因素。

$$\alpha\:=\:\frac{4\pi k}{\lambda}$$

其中，k为消光系数。

太阳能 - 开发太阳能电池板

为了构建太阳能电池板，需要多个由掺杂硅制成的太阳能电池，正如之前所讨论的。这些电池串联连接以累加产生的电流。这给出了称为模块的簇状细胞带。单个模块可以构建成太阳能电池板，或者在需要大型电池板的情况下与其他模块组合。

太阳能电池板由夹着光伏电池的多层组成。这些层用于保护脆弱的细胞。

下面给出了各层的说明 -

这些层由以下部分组成 -

盖玻璃- 这是顶盖，是透明的，允许光线进入。它可以防止细胞受到机械损伤。它由硬玻璃制成，可防止刮擦。
非反射层- 硅可以反射大部分阳光。因此，该层用于解决这个问题并确保光子的最大吸收。换句话说，它有助于最大限度地吸收。
接触网格- 在这一层，连接单元顶部到底部的所有接触点都连接在一起。触点延伸到面板的外部部分，如充电控制器、汇流箱和电池存储或电网系统。
P 和 N 硅板- 该层实际上是两层的组合 - N 掺杂硅层和 P 掺杂硅层。该层赋予太阳能电池板颜色。
背板- 这是用于支撑晶体光伏电池板的硬层。有时，柔性合成纤维可用于薄膜型面板。

铝框架用于框架面板并使其防风雨。好处是 -

该框架提供了一种将面板安装在屋顶等表面上的方法。
框架足够紧密，可以保护面板免受暴风雨等极端天气条件的影响。

太阳能电池板还应经常保养，以防止灰尘颗粒停留在其上。在安装过程中，面板应以一定角度固定，以接收最大的光线。不直接使用的情况下应设置比例电池，避免浪费。

太阳能 - 电池效率

效率是指输入功率与输出功率之比。就光伏发电而言，效率是指以电表示的功率输出与入射到电池上的太阳能的比率。

现在，输出功率 p _m = 电路中的电压 (v) * 电流 (I)（最大值）。

并且，输入功率P _i = 入射能量G (Wm ^-2 ) * 电池表面积A (m ² )。

因此，效率计算如下：

$$\eta\:=\:\frac{P_{m}}{G\: \times\:A_{c}}$$

其中，P _m必须是电路的最大功率。它是通过开路电压 (V _oc ) 和短路电流 (I _sc ) 以及填充因子 (FF) 获得的。

$$P_{max}\:=\:V_{OC}I_{SC}FF$$

这些测量必须在标准条件下测量，即25°C、空气质量1.5gm ^-3和入射能量G 1000Wm ^-2。

影响光伏电池输出的因素包括 -

入射光的波长
电子和空穴的复合
电阻
温度
填充系数
材料的反射系数

因此，为了最大化功率，电池应被构造为具有更大的填充，即利用的表面积。太阳能电池的位置也决定其输出，原因有两个。首先，角度决定了电池上的反射水平，其次，定位决定了从上午 9 点到下午 3 点捕获的阳光量。为了获得最大效率，重要的是避免电池上出现任何阴影。

太阳能 - 光伏发电的类型

光伏技术利用两种技术；晶体形式和非晶硅。非晶仍然是一个新的探索，可能需要更长的时间才能达到最佳性能。

晶体细胞

晶体硅技术提供两种类型的光伏电池 -

单晶电池- 单晶太阳能电池由切下的单晶圆柱体构成，以生产阵列中的所有晶圆。晶片呈圆形，但有时出于晶体用途的目的，它们可能会被切割成其他形状。它的特点是均匀的蓝色。其他功能包括 -
- 在目前可用的所有光伏技术中，效率相对较高。
- 最昂贵的电池，因为它是由纯粹相同的晶体开发而成。
- 电池是刚性的，必须正确定位并安装在刚性背衬上。
多晶电池- 也称为麦芽晶电池，通过将硅铸造到方形模具中制成。然后将所得铸件切割成许多方形晶片。方形块由多个蓝色变化阵列组成的晶体组成。这是当今市场上一些太阳能电池板闪闪发光、宝石般的表面背后的技术。多晶电池具有独特的特征，包括 -
- 与单晶电池相比，效率稍低。
- 比单晶硅便宜。
- 减少材料浪费（纯化硅）。
- 对于相同规格的太阳能电池板，多晶电池板比单晶电池板稍宽。

无定形电池

薄膜光伏- 使用非晶态硅制造光伏电池是一项新技术，专家们仍在研究该技术，以遏制晶态硅的挑战。该技术的特点包括 -

它们比这两种结晶形式便宜得多。
他们很灵活。因此，它们应该有一个可移动的安装座，以最好地利用这一功能。然而，出于安全目的，表面的形状应适应面板。
不易因细胞脱落而造成电力损失。此外，它们在光线昏暗的环境下更强大。
不太耐用。它们的发电量逐渐下降，尤其是在获得稳定之前的第一个月。
发电效率最低，因此占地面积更大
新技术使得面板可以安装在窗玻璃和曲面上。

光伏电路特性

光伏电池的等效电路如下 -

获得的电流，I _ph = 电池面积 * 光强度，H * 响应因子，Σ。

给定，导体电阻引起的损耗 = R _p

非理想导体造成的损耗 = R _s

如果电池在电压 V 下产生电流 I，则单个电池的 I 和 U 之间的关系表示为 -

当前，$I\:=\:I_{ph}-I_{o}[\exp\lgroup\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s}\rgroup}{U_{t}} -1\rgroup]-\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s} \rgroup}{R_{p}}$

其中热电压由 $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$ 给出

温度以开尔文为单位，K = 1.38 ^-23（鲍曼常数），e = 1.602e ^-19。

获得最大的I和U，我们可以获得最大的功率。

I _max是在V = 0（即短路）时获得的，而V _max是在I = 0（即开路）时获得的。

注- 并联电池会增加电流，而串联电池会增加电压。

地热能 - 简介

地热能是指通过地球地层储存在地下数百万年的热能。它利用地壳下存在的丰富的未利用热能储存。

地热能是特定地点的，但非常便宜，尤其是用于直接加热时。由于该来源发生在地下且温度极高，因此估算该来源的功率是一项挑战。

地壳储存了数百万年的巨大热能。地壳与地表之间存在着巨大的温差。这种温差称为地温梯度。这种能量足以融化岩石。称为岩浆的熔融岩石有时会像火山一样从地球表面的裂缝中喷发。地热能被转化为电力。

以热地热流体形式存在的地热矿床是一个好地点的标志。该地点应有浅层含水层以允许注水。固有的地热产物应约为 300o F。

地热能的优点

主要优点包括 -

由于热量来自丰富的地下水库，因此不燃烧任何燃料。可再生能源可以解决化石燃料耗尽的风险。
它没有排放，产生10%的二氧化碳，与植物消耗的量相比是非常少的。
与其他可再生能源（太阳能、风能和水力）不同，它不受是否可用的影响，并将始终全年可用。
地热能相对便宜，尤其是直接使用时，例如作为温室的热源。

地热能的唯一缺点是会释放硫化氢，其特征是臭鸡蛋味。

增强型地热源 (EGS)

在一些地热源中，水被注入含有地热矿藏的井中。在这些沉积物内部，水变得过热，从而变成蒸汽。水在非常高的压力下被抽下以扩大岩石裂缝。

一些温度较低的地热能直接作为热能利用。可以向温室供应这种能量作为温度调节器。该技术也用于渔业和矿物回收。

地热能 - 能量提取

其原理是利用热能，将水加热成蒸汽。地热能利用地壳以下的高温。热蒸汽或水加热流体，进而膨胀以转动涡轮机发电。

使用三种形式。它们如下 -

干蒸汽发电站

基本上，干蒸汽站利用从地质沉积物中流出的蒸汽来加热二次流体，使涡轮机发电。蒸汽的温度高达 150 度，足以使地热发电厂中的流体膨胀。这是最古老的地热发电技术之一。二次流体的膨胀产生转动涡轮机发电所需的机械能。

闪蒸蒸汽发电站

井中的水在高压下被抽到低压区域。这种压力变化使水在高温下蒸发并释放出蒸汽。这些蒸汽从水中分离出来，用于加热驱动发电机中涡轮机的流体。在这个压力下，气体处于非常高的温度。

双循环发电站

利用由密度确定的沸点差异是最新使用的方法。系统中使用沸点比水低得多的流体。该方法使用 58 度的水来加热沸点较低的辅助流体。由于沸点较低，水会加热流体并使其蒸发，然后转动涡轮机发电。

地热能 - 地球物理学

地球物理学是研究地球及其环境特性的科学领域。它研究磁场和重力场、地球内部特性、水循环、矿床形成以及日地关系。

地球物理学专门研究地壳下的资源并确定地震等潜在威胁。它还需要进行定性分析，以确定采矿、石油钻探和地热矿藏的最佳地点。

地球物理学分支

地球物理学的各个分支是 -

固体地球研究- 固体地球特性范围从构造研究到地震分析。该分支研究石油和矿藏。分析土壤样本中是否有任何异常的沉积物或质地。
水的研究- 这是对淡水以及地表下的水的研究。对水的研究是由分析水循环和地下水位的水文学家完成的。海洋学，即对海洋和海底的研究，也属于这一类。
空气研究- 空气是地球的主要组成部分。对空气的研究有助于预测天气状况并防范飓风等极端条件。
生命和地球物理学- 生物体与地球的相互作用是一个重要因素。值得注意的是，石油沉积物主要来自腐烂物质。研究地下条件以评估其对生物体存在的影响。

含水层

一些岩石，称为含水层，为水自然流过提供了良好的环境。这些岩石是多孔的，可以过滤流过的水。含水层是打井以提供恒定水流的最佳地点。构成良好含水层的岩石有沙子、花岗岩、砾岩、砂岩和碎石灰。

含水层位于地下水位以下，因此降水会立即补充从井中抽出的水。含水层对于维持地球水循环非常重要。井钻入被无孔岩石包围的含水层中。这些岩石产生的压力有助于抽水。这些类型的井被称为自流井。

水文地质测试

水文地质学利用含水层中的多项测试来捕获其特征。这些测试是在称为控制井的受控环境中进行的。

三个主要测试是 -

抽水测试- 以恒定的时间间隔将水抽出并抽回井中。由于变化而记录邻近井的Behave。该测试有助于确定井周围含水层的渗透性。
Slug测试- Slug意味着水位的快速变化。在该测试中，测量了对邻近井的影响以及恢复其原始水平所需的持续时间。这可以通过从湖中抽水来实现，或者可以将水泵入井中以大幅改变水位。
恒定水头测试- 这是使用称为控制井的实验井完成的。在控制井中，热压降可以保持在一定水平。记录邻近井的影响。定期从井中抽水可能会降低地下水位。这可能会导致抑郁并导致血流异常。

水力发电 - 简介

水力发电 (HEP) 是当今世界各地用于发电的主要可再生能源。它利用了物理学的基本定律。高压下落的水具有很高的动能。在 HEP 站中，落下的水带动涡轮机转动。通过磁感应，发电机将涡轮机的机械能转化为电能。

水力发电站

这是利用从高处落下的大坝水来转动发电机涡轮的技术。机械能转换为电能形式并馈入国家电网系统。下图显示了水力发电站的轮廓。

水力发电站的位置必须由专家进行分析，以确定最大效率的有效水头。液压系统也用于利用较慢和缓慢移动的水流的概念。

水力发电的优点之一是水在发电后可用于其他用途。水流量和水头高的河流是更好的水力来源。

流量是指水每秒通过河流中特定点的速度。坡头是指从坡顶到电站的垂直距离。

修建落差较大的水坝是为了提高水的势能。进气口位于压力最高的底部。然后水靠重力流过压力管道。在这个水平上，动能足以转动涡轮机。

功率估算

大坝的功率可以通过两个因素来估算——水流和水头。

流量是指在给定时间通过河流给定部分的流量。^{流量由m 3} /s给出。
水头是水落下的垂直距离。

理论上，Power与上述因素成正比，即

P = Q*H*c

在哪里，

P - 预期功率
Q − 流量（m ³ /s）
H – 扬程（米）
c − 常数（密度*重力）

因此，取水的密度为1000gm ^-3，重力为1.9 −

P=1000*1.9*Q*H

需要能量来转动发电机的涡轮以产生电磁感应。

抽水蓄能是一种用于在水通过涡轮机后进行回收的技术。特别是，抽水蓄能提高了大坝的整体效率。

水力发电站由三个主要部分组成。他们是 -

第一个是产生水头的大坝。水从大坝底部高速落下，提供转动涡轮机的动能。
第二个组成部分是水库。水库是大坝后面储存水的地方。水库中的水位高于大坝结构的其余部分。水库中水的高度决定了水拥有多少势能。水的高度越高，其势能就越大。
第三个组成部分是发电厂，用于生产电力并将其连接到电网。

小型安装的资源评估

在安装小型水力发电厂之前，确定附近可利用的资源非常重要。具有相当恒定流量（m ³ /s）的优质水流是值得开发的资源。

流量好的河流可以利用水流的速度来转动水轮。山地或山坡最适合水力发电。如前所述，需要考虑河流的水头和流量来确定大致的功率输出。

知道参数后，近似功率确定如下 -

扬程（英尺）* 流量（加仑每米）/10 = 功率（瓦）

水头还可以有平坦河流的压力单位。

软管法

该技术用于确定水下涡轮机低流中的水头。

软管法的要求包括柔性管道（首选花园马）、漏斗和测量材料。溪流应足够浅，以便人们涉水通过（开始前检查河流深度）。下面介绍安装软管方法的步骤。

首先，从溪流开始倾斜的位置拉伸软管。其次，提起软管末端，直到水停止流过。测量垂直距离并对其他部分重复相同的操作，直到到达首选位置。下图说明了每个部分中的各个头。

确定头

确定流量

国内水力发电正常水流的流量可以通过以下两种方法确定 -

浮标法- 在该技术中，将测量重量的浮标释放到河流的均匀部分，并记录走完测量距离所需的时间。以米为单位的距离除以以秒为单位的时间即可得到速度。值得注意的是，浮子不要接触地面。如果它太重以至于接触到河床，可以选择较小的浮子。
桶法- 这是通过筑坝并将其转移到桶中来实现的。然后记录其填充所需的速率。这是以加仑/秒为单位完成的。使用带有标准尺寸的桶会更准确。

水力发电 - 涡轮机类型

涡轮机有两大类，即脉冲涡轮机和反应式涡轮机。涡轮机的选择取决于扬程和流量。其他需要考虑的因素包括深度、成本和所需的效率。

脉冲式涡轮机

在脉冲式涡轮机中，水的速度撞击涡轮机叶轮的叶片以产生机械能。转动轮子后，水从涡轮机底部流出。

在脉冲式涡轮机中，水的速度撞击涡轮机叶轮中的叶片以产生机械能。转动轮子后，水从涡轮机底部流出。

脉冲涡轮机的类型

脉冲式涡轮机有两种类型 -

水斗式水轮- 这种类型的水轮具有将水引导到充气空间的喷嘴。水落在跑步者的水桶上并产生转动力矩。该轮不需要尾水管。一种称为涡轮轮的变体被开发出来，它看起来像边缘封闭的风扇叶片。水只是流过风扇并引起旋转。它专为高扬程和低流量而设计。
横流- 轮子具有鼓状截面，带有细长喷嘴，形状为矩形。打开的导叶将水引导至转轮。水在流入和流出时两次流过叶片。

反动式涡轮机

在反应式涡轮机中，由于转轮位于水流的中心，因此动力是通过压力和流水的冲击产生的。这些主要适用于较高流量和较低扬程。水一次击中所有叶片而不是单个叶片。

反动式涡轮机分为三种类型 -

螺旋桨涡轮机的转轮带有三到六个叶片。水以恒定的压力不断地撞击所有叶片，以平衡转轮。螺旋桨式水轮机有多种变体，即灯泡式水轮机、轴流式水轮机、管式水轮机和斯特拉夫式水轮机。
混流式水轮机使用带有九个或更多固定轮叶的转轮。水可以在涡轮机上方流动，以产生持续的旋转运动。
自由落体涡轮机利用水中的动能，而不是大多数涡轮机使用的势能。这就是为什么这些涡轮机通常被称为动能涡轮机。他们在溪流和河流的自然环境下运作。他们也可能利用海洋潮汐进行操作。

水力发电 - 水力发电系统

当水流量恒定时，水力发电可用于家庭消费。在大多数情况下，水流和落差无法提供足够的动力来转动传统涡轮机。为了解决这个问题，当今市场上出现了被称为微水力系统的小型系统。该系统由安装在河流或小溪中的小型发电机组成，并通过脉冲涡轮机运行。事实上，大多数使用冲击式水轮。

水力发电厂的组成部分

以下是微型水力发电厂的主要组成部分 -

入口- 发电机的位置必须靠近入口。这可以通过在水上筑坝以建立必要的水头并增加压力来实现。
压力管道- 这是从入口处重力落下的区域。对于微型水电项目，管道用于从入口到涡轮机的转轮。
涡轮机- 使用的涡轮机类型取决于水流的大小和所需的输出。对于大多数小型水轮机来说，冲击式水轮是高效的。在低水头的情况下，可以使用潜水式反动式涡轮机，在这种情况下，水压转动叶片。
控制装置- 控制装置可防止电池过度充电。他们通过将多余的功率分流到卸载负载来调节这一点。
转储负载- 这只是电池完全充电时使用的替代高电阻目的地。它们可能包括热水器甚至空调系统。
电池- 微水力系统不会像传统交流系统那样产生大功率。为了利用它来满足多种电力需求，能量的积累是必要的。电池提供了一种将电量存储到所需电量的方法。它们还在系统供应中断期间提供能量。
计量- 这对于监控电源的用电量非常重要。这可能有助于理解重要的系统特性以及故障识别。
断开连接- 在任何电气布线系统中，都应该防止过量供电。应在主电源上安装断路器装置，以防止连接到水力供应的任何装置损坏。

水力发电 - 液压柱塞泵

液压柱塞泵根据基本物理定律工作，克服重力将水提升到高于水源的高度。该泵无需任何外部能源供应（例如燃烧燃料）即可工作。唯一的能量是被抽水的动能。扬程越大，泵送的距离就越高。

怎么运行的？

要了解水锤泵的工作原理，了解水锤原理非常重要。

流体锤- 当流体（在本例中为水）被强制停止或其方向突然改变时，就会发生流体锤效应。经历压力冲击并且波被传导回流体源。这可能是一种危险现象，导致轮胎和管道爆裂或倒塌。

水通过入口 (5) 流入泵，并带有来自泵头的一些动能，并关闭阀门 (6)。
当 6 个关闭且 3 个最初关闭时，水会产生水嗡嗡声，在管道中产生压力并打开阀门 (3)，通过出口 (1) 输送一些水。
由于水流是上山的，所以水流缓慢，很快又回落，关闭3。
水锤积聚并通过管道复制回来，产生吸力，打开废水阀 6。

重复该过程，每次压力都会增加。

标签2是含有空气的压力控制器。当 6 靠近并且水被推过 3 时，它可以缓冲冲击。它有助于保护管道免受可能导致爆裂的冲击，并有助于泵送效果。公羊的效率为 60% 至 80%。这并不能直接反映抽水的比例，因为它依赖于抽水的垂直高度。换句话说，这是水锤效应的泵送效应对能量的效率。

已解决示例 1

计算额定效率为 85% 的涡轮机的估计功率。河流的流量为每秒 80 立方米，河流入口距离发电机涡轮机位置 147 米。

解决方案-

功率由下式给出：W = 效率 * 扬程 * 流量 * 密度 * 重力

将水的比重转换为 SI 单位，我们得到 1000kgm ^-3

代入公式中的值 -

P=0.85*1000*80*9.81*147

P = 97 兆瓦

已解决示例 2

某日实际接收电量为1,440,000kWh；计算发电机的效率。假设重力为 9.81 ms ^-2。水的比重1 gcm ^-3。

解决方案-

已知： 1 天的供电量 = 288000 kWh

功率=1440000/24

= 60 毫瓦

效率=供电电源/预期功率*100

= 60/97 * 100

该系统的效率为 66.67%。

风能 - 简介

在古代，人们利用风来推动船只的风帆。在本章中，我们将了解如何利用风能发电。

涡轮机将风的动能转化为有用的机械能。这种能量可以以机械形式使用或转动发电机涡轮机并提供电力。就像水力发电系统一样，风能是通过将风动能转换为机械能来利用的。

风力发电机主要分为两种类型——水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。大面积安装风力发电机组，即风电场，如今日益兴起。

风特性

风有一般特征，而另一些则是针对特定地点的。一些站点的具体特征包括 -

平均风速- 尽管没有给出分布，但它估计了年风量。
风速分布- 有年、日、季节三个方面的特征。选择地点时需要了解风速变化和传播范围。
湍流- 这是风以不可预测的模式进行的混乱运动。湍流是由风运动特性的不断变化引起的，风运动特性会影响能量产生和叶片的疲劳。
长期波动- 不规则的风会导致不可预测的能源供应。在设置风力涡轮机之前，应研究该区域的恒定风通量。
风向分布- 这对于叶片的定位更为重要，特别是对于水平轴类型。
风切变- 切变是风向、风速或最大速度发生高度的变化。

风速模式

风型很重要，通常使用风谱进行分析。风谱的高值表示给定时间间隔内风速的较大变化。如果用图表表示，峰值表示随时间发生的湍流。

风速分布

有三种分布 -

昼间- 由白天和晚上的温差引起。
低压- 沿海地区每隔四天发生一次。
年度- 分布取决于纬度。

风能 - 基础理论

为了理解风能，我们遵循质量守恒定律和能量守恒定律。假设下面所示的管道代表流入和流出涡轮机叶片的风。

速度V _{a被假定为V}₁和V ₂的平均值。管口处的动能由下式给出 -

KE = 1/2 毫伏²

能量变化 KE = 1/2 mV ₁² - 1/2 mV ₂²

1/2米(V ₁² - V ₂² )

由于 m = pAV _a则 KE 发生变化，Pk = 1/2 pAV _a (V ₁² - V ₂² )

进一步简化后，估计的风能如下：

KE, pk = 0.5925 * 1/2pAV ₁³

叶片元件理论

叶片单元理论假设风力涡轮机叶片给定部分的流动不会影响相邻部分。叶片上的这种细分称为环面。计算每个环的动量。然后将所有结果值相加以代表叶片，从而代表整个螺旋桨。

在每个环面上，假定产生了均匀分布的速度。

动态匹配

引入动态流入模型以改进叶片单元和动量理论的估计。流动理论中的基本动力学概念有助于估计叶片湍流的影响。扫掠区域被赋予动态状态，以帮助推导估计平均速度。

BEM 理论仅在稳定风的情况下进行估计，但显然必须发生湍流。然而，这是由基本动态流入模型解释的，以提供更现实的估计。

所产生的风能，尤其是水平轴类型的风能，已知是叶尖速度、所使用的叶片总数以及翼型侧面的升阻比的乘积。动态流入法（DIM）可以很好地解释重新调整到新的稳态平衡。

动态流入法

DIM 也称为动态尾流理论，基于通常不稳定的诱导流。它计算垂直于转子的流入量，并考虑其对动态流动的影响。

这只是考虑了尾流效应或简单地考虑了由叶片转动引起的与转子垂直对齐的空气速度。然而，它假设切向速度是稳定的。这被称为尾流效应，其阻力会降低风力涡轮机的效率。

发电

风中的动能通过风力涡轮机转化为电能。他们使用风车中使用的古老概念，并利用传感器等固有技术来检测风向。一些风力涡轮机具有制动系统，可以在强风时停止，以保护转子和叶片免受损坏。

有齿轮连接到转子轴，以将叶片加速到适合发电机的速度。在发电机内部，会发生电磁感应（将机械能转换为电能的基本方法）。该轴使圆柱形磁铁相对于电线线圈旋转。

风力发电站涡轮机产生的所有电力都被吸收到电网系统并转换为高压。这实际上是电网系统中传输电力的传统技术。

需要大的表面尖端刀片，尽管这应由宽刀片产生的噪音决定。一个风电场可能有多达 100 台发电机，这会导致更多的噪音。

风能 - 风力涡轮机类型

风力涡轮机有两大类 -

水平轴风力发电机 (HAWT)
垂直轴风力发电机 (VAWT)

让我们详细讨论这两种类型的风力涡轮机。

水平轴风力发电机

这些是类似风车的涡轮机，轴的顶部指向风向。由于它们必须指向风，较小的涡轮机由安装在结构上的风向标引导。较大的涡轮机配有带有伺服装置的风传感器来转动涡轮机。

它们还配备了齿轮箱来加速缓慢的旋转，使其足够强大以供发电机涡轮使用。叶片足够坚硬，可以避免因风的转动力矩而断裂或弯曲。

该类型安装在塔上；因此他们会经历高速风。它们稍微弯曲以减少扫掠面积。较小的扫描面积会降低阻力，从而可能导致疲劳和故障。

垂直轴风力发电机

主根安装在立轴上。这消除了与水平风力涡轮机相关的困难。子类型包括 -

大流士风力发电机

这也被称为打蛋器涡轮，类似于一个巨大的打蛋器。它很有效，但可能会出现更多的停机时间，因此可靠性较差。为了提高坚固性（叶片面积超过转子面积），应使用三个或更多叶片。

萨沃尼厄斯风力发电机组

这些类型比 Darius 涡轮机具有更高的可靠性。问题是它们不能安装在塔顶。因此，它们面临着湍流和不规则的风型。由于它们是拖动式涡轮机，因此与轴风力机相比效率较低。优点是它们能够承受极端的湍流。

大多数 VAWT 无法自动启动，需要外部能量来震动。为了获得最佳性能，VAWT 应安装在屋顶上。屋顶将风引导到叶片中。

生物能源 - 简介

生物质是指活的有机体和最近死亡的有机体。它不包括那些已经转化为化石燃料的生物体。在能源生产中，它是指通过燃烧产生能量的废弃工厂。

转化为生物燃料的方法有很多种，主要分为化学法、热法和生物化学法。这是最古老也是最广泛使用的可再生能源。它有多种转换方法。

传统上使用木材燃料进行直接燃烧。热解（木炭制造过程）、发酵和厌氧消化等先进工艺将这些来源转化为更致密且易于运输的形式，例如石油和乙醇。煤是热解过程的产物，热解过程通过在缺氧的情况下燃烧来强化物质。

生物燃料是指从生物质中提取的燃料。如前所述，生物质是任何活的和死的有机物质，范围从植物到有机废物。在大多数情况下，富含油或糖的生物质是能源生产的理想选择。

生物能源一词是指从活的或死的生物体获得的能量。这不包括化石燃料。我们可以根据来源或发电方式对生物燃料进行分类。

生物燃料按来源分类

木质燃料- 来自树木、灌木丛或灌木。木质燃料的例子包括木炭和木材。
农业燃料- 从农作物生物质（例如死去的农作物）或从其他植物部分（例如谷物）中获得。农业燃料主要来自糖类和油料作物。
市政副产品- 来自主要城镇收集的废物。城市垃圾有两类。固体废物生物燃料是由工业或商业机构产生的固体废物直接燃烧而得。液体/气体废物生物燃料是通过收集的废物发酵获得的。

生物燃料按代数分类

第一代-由糖植物油和动物脂肪加工而成，压制成油用于发动机燃烧，或出于相同目的发酵并加工成乙醇。最终产品是油、生物柴油、酒精、合成气、固体生物燃料和沼气。
第二代- 源自纤维素和废物（非食品）。这种废物来源于农作物和木材的秸秆、生物氢、生物醇、二甲基甲酰胺DMF、木柴油、混合醇和生物二甲醚DME。
第三代- 存在于藻类中，据信能够以低成本产生高产量的能源。来自藻类的能量被称为油藻。

生物能源 - 生物质生产

有机材料被转化为可用的形式，称为生物能源。能源生产过程中使用的材料称为原料。

为了更好地了解生物质，我们将首先探索各种来源。

生物质生产是指有机质数量的增加。它是在给定区域或人群中添加有机物。生物质被认为是可再生能源，因为它会随着植物和动物的生长而得到补充。

有两种生产形式 -

初级生产是指植物通过光合作用产生能量。产生的多余能量被储存起来，并增加到生态系统中的总生物量。初级生产可以根据给定年份的森林覆盖总量来估算。
二次生产是有机物作为机体组织被生物体吸收的过程。它包括动物的摄入，即喂食，无论是其他动物还是植物。它还涉及微生物对有机物的分解。二次产量可按每年生产的肉类总量来估算。

尽管生物量可以衡量为给定环境中存活和死亡的生物体的质量，但产量更难以估计。尽管部分额外的生物量可能已通过自然过程被替换，但只能估计为体积的增加。

直接燃烧供热

直接燃烧产生热量是自最早的文明以来将生物质转化为能源的最古老的方法。热化学转化（燃烧）可以使用不同的原料以多种方式实现。

独立燃烧

生物质发电机使用从植物油中提取的柴油来为柴油发电机提供燃料。发电机燃烧有机柴油产生能量来发电。

众所周知，热电联产厂可同时产生电力和有用的热能。陶瓷工业利用热量来干燥粘土砖等产品。
一些发电厂利用生物质来加热水并产生蒸汽来发电。生物质燃烧产生足够的热量来煮水。
城市固体废物处理厂燃烧固体废物来发电。这种类型很容易受到批评，因为固体废物主要含有来自塑料和合成纤维的有毒气体。

生物质混燃

除了单独燃烧外，生物质还可以与其他化石燃料混合燃烧来产生能源。这称为共烧。

生物质可以直接作为煤燃烧。这称为直接混合燃烧。
在其他情况下，生物质首先被加工成气体，然后转化为合成气。
第三种情况是化石燃料在不同的熔炉中燃烧，产生的能量然后用于预热蒸汽发电厂的水。

燃烧类型

各种类型的燃烧是 -

固定床燃烧- 这是一种首先将固体生物质切成小块，然后在平坦的固定表面上燃烧的方法。
移动床燃烧- 在这种方法中，炉排被设置为不断均匀地移动，留下灰烬。燃料在燃烧水平下燃烧。
流化床燃烧- 燃料与沙子混合在高压下沸腾。沙子的作用是均匀分布热量。
燃烧器燃烧- 在这种方法中，木屑和细粉尘被放置在类似于液体燃料的燃烧器中。
回转炉燃烧- 窑炉用于燃烧高水分含量的有机物。食物残渣或其他潮湿的农场废物等废物都以这种方式燃烧。

热解

热解是加工生物燃料的另一种形式，在无氧的高温下燃烧，这可能会导致完全燃烧。这会导致不可逆的物理和化学变化。不存在氧化或卤化过程会产生非常致密的生物燃料，可用于燃烧、共燃或转化为气体。

缓慢热解发生在 400oC 左右。这是制造固体木炭的过程。
快速热解发生在 450oC 至 600oC 之间，产生有机气体、热解蒸气和木炭。蒸气通过冷凝处理成液体形式作为生物油。此操作必须在 1 秒内完成，以防止进一步反应。所得液体是深棕色液体，其密度比木材生物质高，并且具有相同的能量含量。

生物油具有许多优点。它更容易运输、燃烧和储存。许多种原料可以通过热解加工生产生物油。

下图解释了通过热解将生物燃料的能量转化为可用形式的过程。