Технологии за оползотворяване на слънчевата енергия
Мащабното ползване на слънчевата енергия за електричество означава оборудването на големи площи със съоръжения за “улавяне” на слънчевите лъчи в регионите, където излъчването е най-силно и където блестящите синкави панели биха пречили най-малко на населението. Получената по този начин електрическа енергия би могла да служи за разделяне на водата на водород и кислород, като полученият водород бъде транспортиран с кораби или магистрални тръбопроводи до потребителите. Това са прогнозите до 2050 г.
Слънчеви концентратори
Една от най-перспективните алтернативи за намаляване на цената и увеличаване ефективността на системите за използване на слънчевата енергия е използването на концентрирана слънчева енергия. По този начин площта (и цената) на скъпите фотопреобразувателни елементи се намалява много. Поради факта, че са с малка площ, могат да се използват и по-скъпи, но и по-ефективни фотоелементи. Възможно е също така да се нагрее течност или пара до много висока температура и по този начин да се осигури ефективно производство на електроенергия. Веднъж концентрирана, слънчевата енергия може да се пренесе до съответното място за директно осветление или отопление.
Параболичните концентратори са най- ефективни, но те са тежки и скъпи. Много е трудно да се произвеждат серийно различни по големина огледала. Въпреки това компанията Solar Energy System инсталира промишлено произведени концентриращи системи с параболични огледала.
Общо взето, всички конкурентни системи много трудно се предпазват от лоши метеорологични условия, замърсяване, дъжд и сняг и т.н.
Вече са разработени на базата на нанотехнологиите соларни клетки Наноматериалът е под формата на кристали, известни още като нанокристали. Те съдържат между 100 и 100 000 атома. Около 75 000 пъти по-малки от диаметъра на човешкия косъм.. Те се произвеждат от по-евтини материали, а тяхната гъвкавост и лека конструкция са ключов фактор за отварянето на нови пазари за слънчевата енергия.
Технологията “Tandem Cell”
За захранване на перспективните “Водородни клетки”са нужни промишлени количества водорд.
Досега единствения начин за неговото получаване беше традиционната електролиза. Необходими са две отделни системи скъпи фотоволтаични панели и отделно апарат за електролизата (скъп заради използваните катализатори платина и паладий).
Но Британската компания “Hydrogen Solar” патентова „фотоелектрохимически” метод който е много по изгоден.
Технологията се нарича “Tandem Cell”. При нея за изработка на водорода се използва пакет „тип сандвич” от специални слънчеви панели .
Първия слой е полупрозрачен (нанокристален слой от метален оксид). Той поглъща ултравиолетовите и сините лъчи.
Следва тънък слой вода .
Втория слой поглъща останалата част от спектъра ( зелен,червен и инфрачервени лъчи)
Те заедно генерират електрически потенциал способен да разложи водата между тях на съставящите я водород и кислород. Двата панела са съединени с проводници по специална схема .
Авторите оценяват КПД на процесса на 8%.
Опитната установка работеща в Hydrogen Solar, изработва няколко килограма водород в денонощие !!
Когато КПД на процеса се подобри до 10 % и се покрие с такива панели покрива на гаража ,то годишния добив на водород ще бъде достатъчен за годишен пробег на автомобил с “Водородни горивни клетки” за 17000 км.!!
Предстоят изследвания и технически подобрения на технологичта.
Топлина от Земното ядро
Технологии за оползотворяване на геотермалната енергия
Геотермална енергия е топлината съдържаща се в разтопеното земно ядро. Извличането и на повърхността на Земята може да стане чрез термални води, чрез вулкани или чрез принудително вкарване и загряване на вода в нагорещени скални маси.
Ресурсите се класифицирани според своята температура и област на приложение:
- Ниско потенциални източници на геотермална вода - ( с температура от 20°С до 100°С )-използват се за отопление, оранжерийно производство, индустриални процеси и за бално-лечебни процедури.
- геотермална вода със "средна температура" - към този клас се причисляват находищата на подпочвени води под налягане с температура между 90°С - 180°С. Могат да се използват за производството на електрическа енергия, чрез пряко освобождаване на пара, която да задвижи турбина или ако температурата е под 140°С се използва тъй наречената бивалентна схема с вторичен флуид.
- Геотермална вода с "висока температура" - в този случай се използват находища на суха или наситена пара с температура между 200°С до 350°С за производство на електрическа енергия
Термопомпени инсталации
Земносвързаните термопомпени инсталации не произвеждат топлина. Благодарение на обратния хладилен процес термопомпата, задвижвана от електродвигател, отнема подпочвена топлина (или топлината на подпочвената вода или на тази във водоем) с по-ниско температурно ниво и я пренася в друг обем, като я отделя при значително по-високо температурно ниво. Това е противоестествено на природните закони и не може да стане напълно даром. Цената е разходът на електроенергия за задвижване на помпа, която да “премести” подземната (водната) топлина. Средно разходът на електроенергия за помпите, спрямо получаваната полезна топлина, е 1 към 4.8, което означава, че ако консумираната мощност е 1 киловат, то отоплителната мощност е 4.8 киловата.
Ако температурата на подпочвената вода е 120 С и след преминаване през термопомпената уредба се инжектира обратно в почвата с температура 20 С , то всеки преминал кубичен метър вода през системата ще отдаде полезна енергия около 12 kWh. Ако помпа с дебит 10 литра в секунда работи само десет минути, то тя ще изпомпа в системата 6 m3 вода, което означава, че ще се пренесат около 46 kWh топлинна енергия, което е равностойно на топлиннен генератор (примерно електрически бойлер) с мощност около 270 kW, при което електрическата мощност, необходима за работа на инсталацията ще бъде под 60 kW. В този пример за един час ще разходват до 60 kWh електричество, а ще се получи около 270 kWh топлинна енергия.
Описаният технологичен процес в примера използва, така наречената, термопомпена система "вода-вода". Тя е една от най-икономичните системи за отопление (съответно за охлаждане през лятото). такава система е още по-ефективна, когато електричеството, необходимо за помпите, се добива за сметка на слънцето, чрез фотоволтаици или чрез вятърни генератори.
Вечният кръговрат на водата в природата
Технологии за оползотворяване на водната енергия
При водонапорните централи(ВЕЦ) се използва кинетичната енергия на водата, за сметка на изкуствено създадения воден пад. Това е една високо екстензивна хидротехнология, която не включва пълноценно ползването на всички природни свойства на водата.
Хидрокинетичните централи(ХКЦ) превръщат кинетичната енергия, съдържаща се в течащата вода, в електрическа енергия чрез използване на хидравлични турбини и електрически генератори. Енергийния потенциал на потока е функция на количеството вода и височината на пада.
При съвременните имплозивни технологии ефективността на хидрокинетичните електроцентрали (ХКЦ) може да стане по-висока от тази на ВЕЦ. Ползването на водната енергия е познато от древността. Например, чрез частично потопени водни колела на повърхостта на водно течение, било речно, било на приливите и отливите или друго. Тези, и подобни на тях, технологии са изоставени, защото не са ефективни. При водните колела само част (потопената) от ротора върши полезна работа, макар и съпроводена с немалки загуби от съпротивление.
Хидроенергийният потенциал на едно речно течение не зависи от броя и завиряването на язовирите по него, а от дебита и денивелацията на реката. Само движеща се вода може да върти турбините във ВЕЦ. Заприщването и спирането на водата и последващото й пускане към турбините по изкуствени деривации, тръби и други съоръжения може да се избегне. Това става чрез преобразуватели на кинетичната енергия на свободното водно течение (например напълно потопени турбини), които се монтират направо в реките. А това има поне два положителни ефекти: първо е значително по-евтино и второ - напълно природо-съобразно.
Съществена принципна разлика между ВЕЦ и хидрокинетичните елекцентрали е, че турбините във ВЕЦ използват ЕДНОКРАТНО постъпващата вода с висока енергийна плътност, в резултат на изкуствено създадения воден напор, а предлаганите технологии за ХКЦ използват МНОГОКРАТНО безнапорно течащата вода с естествено ниска енергийна плътност.
Технологии за извличане на енергията на морските вълни
Два са основните подхода при строителството на електроцентрали на морските вълни. Единият е чрез изграждане на брегови електростанции, оползотворяващи енергията на прибойните вълни и другият е офшорни електроцентрали изцяло или полупотопени в морето, най-често в близост до брега. Не може да се каже еднозначно кой подход е по-изгоден, защото много зависи от избора на конкретно място на брега или вътре в морето.
Всеки от разгледаните подходи се реализира чрез различни технически средства. Досега са използвани двадесетина технологии за двата подхода, както и комбинации между тях. Бреговите морски електроцентрали най-често използават водни камери, в което влизат морскете вълни и периодично повишават водния стълб в камерите. Разликата във височината на този стълб се оползотворява енергийно пряко чрез водни турбини, работещи на нисък пад, или чрез турбини, подобни на вятърните, когато водния стълб периодично компресира и разрежда въздуха на водата в затворена камера.
Освен турбините, в разгледаните две брегови технологии, се прилагат и хидравлични помпи, най-често възвратно постъпателни. Налягането, получено след помпите се отдава в хидромотори, което въртят електрогенераторите на централите. При това разликите в оборотите могат да се компенсират от хидроакумулатори, свързани след помпите
Хидропомпите се монтират, както на брегови, така и на офшорни вълнови електростанции. Те са типични за офшорните електроцентрали (закотвените за дъното и плаващите вълнови осцилиращи съоръжения). Такива елекропроизводствени агрегати се реализират по многообразни технологии, които се различават, както по принципа си на действие, така и по техническите и технологичните си крайни решения.
Експлоатацията на хидрокинетичните електроцентрали като естествено следствие на липсата на грижа за хидротехнически съоръжения, ще има неголеми текущи оперативни разноски общо, въпреки че поддържането на електромашинната част може да се окаже по-скъпо, в сравнение с ВЕЦ. Затова ежегодните експлоатационни разходи ще са сравнително ниски, а от там и производ-ствената цена на енергията. При това тук изобщо не се отчитат евентуалните по-малки инвестиции на единица мощност и средствата, които биха били разходвани за компенсиране (доколкото и ако е възможно) уврежданията на околната среда от ВЕЦ. Тук не се отчита известният факт, че ВЕЦ се използват у нас под 20% годишно и то при ниска ефективност в работните им периоди. А експлоатацията на хидрокинетични инсталации безпроблемно може да достигне 4-5 пъти по-голяма годишна натовареност, което води до значително намаление на себес-тойността на произведената енергия.
В сравнение с ВЕЦ, хидрокинетичните централи имат по-ниски натоварвания и при тях е невъзможно да има хидравлични удари и разгонване на турбините при рязко намаление на товара, което е неизбежна при напорните турбини в аварийните им режими. Последното принуждава конструкторите да ги оразмеряват по якост за тези неизбежни натоварвания, които са неколкокократно по-високи от номиналните, което ги оскъпява, а от там и по-високата стартова инвестиция за класическите ВЕЦ. А аварийните ситуации при ВЕЦ нямат аналог при хидрокинетичните инсталации, защото речният поток е с много по-малка енергийна плътност, от напорния поток. Като цяло, това прави хидрокинетичните централи по-малко рискови и значително по-надеждни.
Хидрокинетичните енергийни инсталации и централи се монтират непосредствено в реки и канали, включително и на закотвени в тях понтони. Те не променят речните русла и не понижават водните нива. Затова не осушават земеделските земи, не повлияват естествения воден отток и не вредят на речните и крайречните екосистеми. Такива съоръжения се монтират бързо, а управлението и диспечеризацията им може да става автоматично и/или дистанционно.
Предвидените технологии не изискват нито фундиране, нито перманантно закрепване към дъното на кинетични ВЕЦ, защото строителни работи не са природосъобразни.
Кинетичните електроцентрали, след потапянето и ориентирането им под водата, веднага започват да генерират проектната си мощност. Турбинните ротори се въртят с десетократно и стократно по-ниски обороти от тези на корабните винтове, кето ги прави безопасни за подводната флора и фауна.
