可再生能源速览

可再生能源 - 简介

可再生能源是指从自然环境中获得，并能够自然补充的能源形式。这些包括太阳能、风能、地热能、水力和生物质能。

可再生能源这个术语不应与替代能源混淆，替代能源指的是汽油等常规能源之外的能源，这些能源被认为更环保或危害较小。

可再生能源的优势

使用可再生能源的优势在于：

维护成本低，因为大多数能源几乎没有或没有活动部件，因此机械损坏较少。
它们经济实惠，可以降低化石燃料的支出。
它们几乎不产生或不产生环境污染。
可再生能源不会枯竭。因此，它们对未来具有更好的前景。

太阳能来源

本教程解释了五种主要的可再生能源。虽然后续章节将详细讨论每种能源，但此处将对其进行简要回顾。

太阳能- 来自太阳的能量被称为太阳能。太阳能可作为主动式太阳能或被动式太阳能使用。主动式太阳能直接用于晾晒衣物和加热空气等活动。技术为利用这种丰富的资源提供了多种方法。
地热能- 指的是数百万年来通过地球形成储存在地下的热能。它利用了地壳下丰富的未利用热能。
水力发电- 这是当今世界用于发电的主要可再生能源。
风能- 古代，风能用于通过冲击帆来推动船只。
生物质能- 在能源生产中，它指的是用于通过燃烧产生能量的废弃植物。

太阳能 - 简介

太阳能是通过捕捉太阳的热量和光线获得的能量。来自太阳的能量被称为太阳能。技术为利用这种丰富的资源提供了多种方法。它被认为是一种绿色技术，因为它不会排放温室气体。太阳能资源丰富，长期以来一直被用作电力和热源。

太阳能技术大致可分为：

主动式太阳能- 主动式太阳能技术包括使用光伏系统、集中式太阳能和太阳能热水器来利用能量。主动式太阳能直接用于晾晒衣物和加热空气等活动。
被动式太阳能- 被动式太阳能技术包括将建筑物朝向太阳，选择具有良好热质量或光散射特性的材料，以及设计自然循环空气的空间。

太阳能转换

太阳能是通过捕捉太阳的热量和光线获得的能量。从阳光中获得电力的方法称为光伏法。这是使用半导体材料实现的。

另一种获得太阳能的方法是通过热技术，它提供了两种能量采集方法。

第一种是太阳能集中，它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器和空调的加热和冷却系统。

将太阳能转换成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。
光伏转换，在太阳能电池内部。
组合来自多个电池的电流。此步骤是必要的，因为单个电池的电压小于0.5V。
将得到的直流电转换为交流电。

在下一章中，我们将学习将太阳能转换为电能的光伏方法。

太阳能 - 光伏效应

在我们学习光伏效应的概念之前，掌握PN结的一些基本知识是必要的。

PN结

PN结是由美国贝尔实验室的罗素发明的。它指的是两种半导体，即P型和N型之间的连接。罗素发现这两种半导体在连接处具有有趣的行为，只会导致单向导电。

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

在上图中，在连接处：

多余的电荷扩散到相反的连接处，使得p侧的正电荷获得负电荷并使其中和。
同样，N侧的负电荷获得正电荷并使其中和。
这在两侧形成一个边缘 (m)，其中多余的电荷被耗尽以使该区域中性并处于平衡状态。该区域被称为耗尽层，并且任一侧的电荷都不会穿过。
耗尽层提供了一个势垒，因此需要外加电压来克服它。这个过程称为偏置。
为了导电，在正向偏置中，外加电压应将电子（负）从n结泵送到结的p侧。电流的持续流动保证了电子不断流动以填充空穴，因此在耗尽层中导电。
反转外加电压，在一个称为反向偏置的过程中，会导致空穴和电子漂移开来，增加耗尽层。
外部负载连接到太阳能电池，正极连接到N侧晶片，负极连接到P侧晶片。光伏效应会产生电势差。

光子位移电子获得的电流不足以产生明显的电势差。因此，电流被限制以引起进一步的碰撞并释放更多电子。

光伏效应

太阳能电池利用p-n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，电子必须越过能隙从价带到导带。这些电子需要一些能量才能脱离并越过价带隙。在太阳能电池中，太阳发出的光子提供了克服能隙所需的能量。

入射到表面的光子可能会被吸收、反射或透射。如果它被反射或透射，它将无助于使电子脱离，因此会被浪费。因此，必须吸收光子才能提供使电子脱离并越过价带隙所需的能量。

如果E_ph是光子的能量，EG是越过能隙的阈值能量，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，光子达不到阈值，只会穿过。
E_ph = E_G- 光子具有使电子脱离并产生电子空穴对的精确阈值。
E_ph > E_G- 光子能量超过阈值。这会产生电子空穴对，尽管这是浪费，因为电子会向下移动回到能隙。

太阳辐射的吸收

在大多数情况下，半导体的吸收系数用于确定从太阳吸收能量的效率。系数低意味着吸收差。因此，光子传播多远是吸收系数 (α) 和辐射波长 (λ) 的一个因素。

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

其中，k是消光系数。

太阳能 - 研制太阳能电池板

要制造太阳能电池板，需要使用前面讨论过的掺杂硅制成的多个太阳能电池。这些电池串联连接以增加产生的电流。这产生了称为组件的成簇电池条。单个组件可以构成太阳能电池板，或者在需要大型电池板的情况下与其他组件组合。

太阳能电池板由几层夹层光伏电池组成。这些层用于保护易碎的电池。

下面是各层的示意图：

各层由以下部分组成：

盖玻璃- 这是顶盖，是透明的，允许光线进入。它防止电池受到机械损坏。它由硬玻璃制成，以防止刮伤。
非反射层- 硅可以反射大部分阳光。因此，使用此层来抵消这种情况并确保最大程度地吸收光子。换句话说，它有助于最大限度地提高吸收率。
接触栅格- 在这一层中，连接电池顶部到底部的所有触点都连接在一起。触点延伸到电池板的外部部件，如充电控制器、组合箱和电池存储或电网系统。
P型和N型硅板- 此层实际上是两层的组合：N型掺杂硅层和P型掺杂硅层。此层赋予太阳能电池板其颜色。
背板- 这是用于支撑晶体光伏电池板的硬层。有时，薄膜型电池板可以使用柔性合成纤维。

铝框用于框架电池板并使其防风雨。好处是：

框架提供了一种将电池板安装在屋顶等表面上的方法。
框架足够紧密，可以保护电池板免受风暴等极端天气条件的影响。

太阳能电池板也应始终处于维护状态，以防止灰尘颗粒落在其上。在安装过程中，应将电池板固定在一个角度以接收最大光线。在没有直接使用的情况下，应安装一个比例电池，以避免浪费。

太阳能 - 电池效率

效率是指输入功率与输出功率的比率。在光伏的情况下，效率是电路中电力输出功率与入射到电池上的太阳能的比率。

现在，输出功率，p_m = 电压 (v) * 电流 (I) 在电路中（最大值）。

并且，输入功率 P_i = 入射能量 G (Wm^-2) * 电池表面积，A (m²)。

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。它是通过使用开路电压 (V_oc) 和短路电流 (I_sc) 和填充因子 (FF) 获得的。

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

这些测量必须在标准条件下进行测量，即 25°C，空气质量为 1.5gm^-3，入射能量 G 为 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
填充因子
材料的反射率

因此，为了最大限度地提高功率，电池的结构应具有更大的填充率，即利用更大的表面积。太阳能电池的位置也决定了它的输出，原因有两个。首先，角度决定了电池的反射程度；其次，位置决定了从上午9点到下午3点捕获的阳光量。为了获得最大效率，避免电池任何阴影非常重要。

太阳能——光伏类型

光伏技术利用两种技术：晶体形式和非晶硅。非晶硅仍处于探索阶段，可能需要更长时间才能达到最佳性能。

晶体电池

晶体硅技术产生两种类型的光伏电池：

单晶电池——单晶太阳能电池由单晶圆柱体切片制成，用于生产阵列中的所有晶片。晶片呈圆形，有时为了晶体利用的目的，它们也可能被切割成其他形状。其特征是均匀的蓝色。其他特性包括：
- 在当今所有光伏技术中，效率相对较高。
- 由于它完全由相同的晶体制成，因此是最昂贵的电池。
- 电池坚硬，必须很好地定位并安装在坚硬的背板上。
多晶电池——这些也被称为多晶电池，是通过将硅浇铸到方形模具中制成的。所得铸件然后被切割成多个方形晶片。方形块由多个晶体组成，由蓝色变化的阵列组成。这是当今市场上一些太阳能电池板闪闪发光、宝石般表面的技术原理。多晶电池具有独特的特性，包括：
- 与单晶电池相比，效率略低。
- 比单晶电池便宜。
- 材料（纯化硅）浪费较少。
- 对于相同规格的太阳能电池板，多晶电池板略宽于单晶电池板。

非晶电池

薄膜光伏电池——使用非晶硅制造光伏电池是一种新技术，专家们仍在研究如何克服晶体形式的挑战。这项技术的特点包括：

它们比两种晶体形式都便宜得多。
它们很灵活。因此，它们应该有一个可移动的安装方式以最好地利用这一特性。但是，为了安全起见，表面的形状应该适应电池板。
由于电池脱落而导致的功率损失较少。此外，它们在光线昏暗的环境中更有力。
耐用性较差。它们的发电量会逐渐下降，尤其是在第一个月获得稳定性之前。
发电效率最低，因此占地面积较大。
这项新技术使得电池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所示：

获得的电流，I_ph = 电池面积 * 光强度，H * 响应系数，ξ。

已知，导体电阻引起的损耗 = R_p

非理想导体引起的损耗 = 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：

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

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（玻尔兹曼常数），e = 1.602e^-19。

获得最大 I 和 U，我们可以获得最大功率。

当 V = 0（即短路）时获得 I_max，当 I = 0（即开路）时获得 V_max。

注意——并联电池增加电流，串联电池增加电压。

地热能 - 简介

地热能是指数百万年来通过地球形成储存在地下的热能。它利用了地壳下存在的大量未利用的热能。

地热能具有地点特异性，但特别是在用于直接供热时，成本非常低廉。由于地热能在地下极高的温度下产生，因此很难估计其发电量。

地壳储存了数百万年来积累的巨大热（热）能。地壳和地表之间存在巨大的温差。温差被称为地热梯度。这种能量足以熔化岩石。熔化的岩石，称为岩浆，有时会通过地表裂缝以火山的形式喷发。地热能被转化为电力。

以热地热流体的形式存在地热沉积物是良好场地的标志。场地应具有浅层含水层，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储层，因此不需要燃烧燃料。这种可再生能源可以解决化石燃料枯竭的风险。
它没有排放，产生的二氧化碳为 10%，与植物消耗的量相比非常少。
与其他可再生能源（太阳能、风能和水能）不同，它不受天气影响，全年都可用。
地热能相对便宜，尤其是在直接使用时，例如作为温室的热源。

地热能的唯一缺点是释放硫化氢，其特征是具有臭鸡蛋的气味。

增强型地热系统 (EGS)

在一些地热资源中，水被注入含有地热矿床的井中。在这些矿床内，水被过热，因此变成蒸汽。水在非常高的压力下被泵入地下以扩大岩石裂缝。

一些较低温度的地热能直接用作热能。温室可以使用这种能量作为温度调节器。这种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。热蒸汽或热水加热流体，流体进而膨胀，从而转动涡轮机发电。

共有三种形式被利用，如下所示：

干蒸汽电站

基本上，干蒸汽电站利用从地热矿床流出的蒸汽来加热二次流体，该流体转动涡轮机发电。蒸汽以高达 150 度的温度出现，足够热以膨胀地热厂中的流体。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。

闪蒸电站

井下高压水被抽到低压区域。这种压力变化使水汽化，以高温释放蒸汽。这种蒸汽与水分离，并用于加热转动发电机中涡轮机的流体。在此压力下，气体温度非常高。

二元循环电站

利用沸点差异（由密度决定）是最近使用的方法。系统中使用了一种沸点远低于水的流体。这种方法使用温度为 58 度的水来加热沸点较低的二次流体。水加热流体并使其汽化，由于沸点较低，从而转动涡轮机发电。

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。它研究磁场和引力场、地球内部特性、水循环、矿床形成以及太阳-地球关系。

地球物理学专门寻找地壳下的资源并确定潜在的威胁，例如地震。它还包括定性分析，以确定采矿、石油钻探和地热矿床的最佳地点。

地球物理学分支

地球物理学的各个分支包括：

固体地球研究——固体地球特性范围从构造研究到地震分析以研究地震。该分支研究石油和矿床。对土壤样本进行分析以查找任何异常沉积物或纹理。
水文研究——这是对地下水以及地表水的研究。水文地质学家分析水循环和地下水位来进行水文研究。海洋学，对海洋和海底的研究，也属于此类。
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止飓风等极端情况。
生命与地球物理学——生物体与地球的相互作用是一个重要因素。需要注意的是，石油沉积物主要来自腐烂物质。研究地下情况以评估它们对生物体存在的影响。

含水层

一些岩石，称为含水层，为水自然流动提供了良好的环境。这些岩石是多孔的，并过滤流经的水。含水层是钻井以提供恒定水流的最佳地点。构成良好含水层的岩石包括沙子、花岗岩、砾岩、砂岩和裂隙石灰岩。

含水层位于地下水位之下，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。井钻入被非多孔岩石包围的含水层中。这些岩石产生有助于抽水的压力。这些类型的井被称为自流井。

水文地质测试

水文地质学在含水层中使用几种测试来捕捉其特征。这些测试在称为控制井的可控环境中进行。

三大测试包括：

抽水试验——以恒定间隔提取水并将其泵回井中。记录邻近井由于变化而产生的行为。该测试有助于确定井周围含水层的渗透性。
瞬变抽水试验——瞬变是指水位的迅速变化。在这个测试中，测量对邻近井的影响以及恢复其原始水平所需的时间。这可以通过从湖中抽水或将水泵入井中来大幅改变水位来实现。
恒定水头试验——这是使用称为控制井的实验井进行的。在控制井中，可以将热抽降保持在一定水平。记录邻近井的影响。定期从井中取水可能会降低地下水位。这可能会导致凹陷并导致异常流动。

水力发电 - 简介

水力发电（HEP）是当今世界广泛使用的主要可再生能源，用于发电。它利用基本的物理定律。高压下的落水具有高动能。在水电站中，落水推动涡轮机旋转。通过电磁感应，发电机将涡轮机的机械能转化为电能。

水力发电站

水力发电站的技术是利用水坝中从高处落下的水来驱动发电机的涡轮机。机械能被转换成电能，并输送到国家电网系统。下图显示了水力发电站的示意图。

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。液压系统也用于在较慢和缓慢流动的水流中利用这一概念。

水电的一个优点是发电后水还可以用于其他用途。水流速度和水头较高的河流是更好的水电资源。

流量是指每秒通过河流特定点的水的速度。水头是指从斜坡顶部到电站的垂直距离。

建造一个落差大的水坝是为了提高水的势能。进水口设在底部，那里压力最高。然后，水通过压力管道依靠重力流动。在这个水平面上，动能足以驱动涡轮机旋转。

功率估算

水坝的功率可以通过两个因素来估算——水的流量和水头。

流量是指在给定时间内通过河流给定截面的体积。流量单位为m³/s。
水头是指水垂直落下的距离。

理论上，功率与上述因素成正比，即：

P = Q*H*c

其中：

P − 预期功率
Q − 流量，单位为m³/s
H − 水头，单位为m
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

需要能量来驱动发电机的涡轮机，从而产生电磁感应。

抽水蓄能是一种在水通过涡轮机后循环利用水的方法。特别是，抽水蓄能提高了水坝的整体效率。

水力发电站有三个主要组成部分。它们是−

首先是水坝，它创造了水头。水从水坝底部以高速落下，并提供动能来驱动涡轮机旋转。
第二个组成部分是水库。水库是水坝后面储存水的地方。水库中的水位于高于水坝其余结构的位置。水库中水的深度决定了水拥有的势能多少。水位越高，势能越大。
第三个组成部分是发电厂，在那里发电并连接到电网。

小型装置的资源评估

在安装小型水电站之前，重要的是要确定附近可以利用的资源。具有相当恒定流量（m³/s）的良好溪流是值得开发的资源。

水流充足的河流可以利用水的速度来驱动水轮。山坡或山丘最适合水力发电。如前所述，有必要同时考虑河流的水头和流量来确定近似的输出功率。

已知参数后，近似功率的确定方法如下：

英尺单位的水头 * 每米加仑单位的流量 / 10 = 瓦特单位的功率

对于均匀的河流，水头也可以用压力作为单位。

软管法

这种技术用于确定低流量水流中沉没式涡轮机的有效水头。

软管法所需材料包括柔性管道（首选花园软管）、漏斗和测量工具。溪流应该足够浅，以便人们可以涉水通过（在开始之前检查河流深度）。以下是软管法安装步骤的说明。

首先，将软管从溪流开始倾斜的地方拉伸。其次，提起软管末端直到水停止流动。测量垂直距离，对其他部分重复相同的操作，直到到达首选位置。下图说明了各部分的不同水头。

水头测定

流量测定

家用小型水力发电的正常溪流流量可以通过以下两种方法确定：

浮标法 − 在这种技术中，将一个已知重量的浮标释放到溪流的平缓部分，记录其覆盖已知距离所需的时间。将米单位的距离除以秒单位的时间即可得到速度。值得注意的是，浮标不应接触地面。如果浮标太重而接触到河床，可以选择较小的浮标。
桶法 − 通过在溪流中筑坝并将水引到桶中来实现。然后记录其注满所需的时间。这以每秒加仑为单位进行测量。使用具有标准刻度的桶可以提高精度。

水力发电 - 涡轮机类型

涡轮机主要分为两大类：冲击式涡轮机和反击式涡轮机。涡轮机的选择取决于水头和流量。其他需要考虑的因素包括深度、成本和所需的效率。

冲击式涡轮机

在冲击式涡轮机中，水的速度冲击涡轮叶轮的叶片，产生机械能。水在转动叶轮后从涡轮底部流出。

冲击式涡轮机的类型

冲击式涡轮机有两种类型：

佩尔顿水轮机 − 此类型的水轮机具有将水导向充气空间的喷嘴。水落在转轮的叶片上并产生旋转力矩。这种水轮机不需要尾水管。一种改进型被称为Turgo轮，其外观类似于边缘封闭的风扇叶片。水只需穿过风扇即可引起旋转。它设计用于高水头和低流量。
贯流式 − 水轮机具有桶状结构，具有细长的喷嘴，形状为矩形。导向叶片将水引导至转轮。水在进出时会两次穿过叶片。

反击式涡轮机

在反击式涡轮机中，由于转轮位于水流中心，因此功率是由水的压力和冲击共同产生的。这些水轮机主要适用于较高流量和较低水头的情况。水会冲击所有叶片，而不是一次冲击单个叶片。

反击式涡轮机有三种类型：

螺旋桨式涡轮机具有三到六个叶片的转轮。水不断地以恒定压力冲击所有叶片以平衡转轮。螺旋桨式涡轮机有几种变型，即灯泡式、卡普兰式、管式和直流式。
弗朗西斯式涡轮机使用具有九个或更多固定叶片的转轮。允许水在涡轮机上方流动以产生恒定的旋转运动。
自由落体式涡轮机利用水中的动能，而不是大多数涡轮机使用的势能。这就是为什么它们通常被称为动能涡轮机。它们在溪流和河流的自然环境下运行。它们也可以利用海洋潮汐运行。

水力发电 - 水力系统

当水流恒定时，水力发电可用于家庭消费。在大多数情况下，流量和落差不足以驱动传统的涡轮机。为了解决这个问题，目前市场上已经出现了一种称为微水电系统的小型系统。这些系统由安装在河流或溪流中的小型发电机组成，并由冲击式涡轮机驱动。事实上，大多数都使用佩尔顿水轮机。

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：

进水口 − 发电机的位置必须靠近进水口。这可以通过筑坝蓄水来建立必要的水头和压力。
压力管道 − 这是从进水口开始的重力落差区域。对于微水电项目，管道用于将进水口连接到涡轮机的转轮。
涡轮机 − 要使用的涡轮机类型取决于溪流的大小和所需的输出功率。对于大多数小型水电站，佩尔顿水轮机效率很高。在低水头的情况下，可以使用潜水式反击式涡轮机，在这种情况下，水压会驱动叶片旋转。
控制系统 − 控制系统可以防止电池过充。它们通过将多余的电力转移到泄荷来进行调节。
泄荷 − 这只是一个备用的高阻抗去向，用于电池充满电时。它们可能包括热水器甚至空调系统。
电池 − 微水电系统不像传统的交流系统那样产生大量的电力。为了满足多种电力需求，需要积累能量。电池提供了一种将电力存储到所需数量的方法。它们还在系统供电中断期间提供能量。
计量装置 − 这对于监测电力使用量与电力供应之间的关系非常重要。这可能有助于了解重要的系统特性以及识别故障。
断路器 − 在任何电气布线系统中，都应该有防止电力供应过量的保护措施。应在电源线上安装断路器装置，以防止连接到水力电源的任何设备损坏。

水力发电 - 水压冲压泵

水压冲压泵根据基本的物理定律工作，可以克服重力将水提升到高于水源的高度。这种泵不需要任何外部能量供应，例如燃料燃烧。唯一的能量是被泵送水的动能。水头越大，泵送的距离越高。

工作原理？

要了解冲压泵的工作原理，必须了解水锤原理。

水锤 − 当流体（在这种情况下为水）被强行停止或其方向突然改变时，就会发生水锤效应。会产生压力冲击，并且波会传回流体的源头。这可能是一种危险的现象，会导致轮胎和管道爆裂或坍塌。

水通过进水口（5）流入泵内，具有一定的动能来自水头，并关闭阀门（6）。
当6关闭且3最初关闭时，水会产生水锤，从而在管道中积聚压力并打开阀门（3），将一些水送入出口（1）。
由于水流向上，水流缓慢，很快就会回落，从而关闭3。
水锤积聚并通过管道反向传播，产生吸力，打开泄水阀6。

该过程重复进行，每次压力都会累积。

标签2是一个装有空气的压力控制器。它在6号部件靠近并且水被推过3号部件时缓冲冲击。它有助于保护管道免受可能导致爆裂的冲击，并有助于抽水效果。活塞的效率为60%到80%。但这并不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，这是抽水效果对水锤效应能量的效率。

例题1

计算一台额定效率为85%的涡轮机的估计功率。河流流量为每秒80立方米，水流入口位于发电机组147米处。

解 −

功率由W = 效率 * 水头 * 流量 * 密度 * 重力给出

将水的比重换算成SI单位，得到1000kgm^-3

将数值代入公式 −

P = 0.85 * 1000 * 80 * 9.81 * 147

P = 97兆瓦

例题2

假设某天实际接收到的功率为1,440,000千瓦时；计算发电机的效率。假设重力为9.81 ms^-2。水的比重为1 gcm^-3。

解 −

已知：一天的供电量 = 288000千瓦时

功率 = 1440000/24

= 60兆瓦

效率 = 供电功率/预期功率 * 100

= 60/97 * 100

系统的效率为66.67%。

风能 - 简介

古代，人们利用风力推动船帆航行。本章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，也可以驱动发电机组并提供电力。就像水力发电系统一样，风能是通过将风动能转化为机械能来利用的。

风力涡轮机主要分为两种类型：水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机。如今，安装了大量风力涡轮机的风力发电场越来越多。

风力特性

风力有一些普遍的特性，另一些则更具体地取决于地点。一些特定地点的特性包括：

平均风速 − 这可以估计每年的风能产量，但不能给出分布情况。
风速分布 − 包括年度、昼夜和季节性特征三个方面。在选择地点时，了解风速变化和分布范围是必要的。
湍流 − 这是风以不可预测的模式发生的混乱运动。湍流是由风运动特性的不断变化造成的，它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。在安装风力涡轮机之前，应研究该地区的风通量是否恒定。
风向分布 − 这对于叶片的定位，特别是对于水平轴类型更为重要。
风切变 − 切变是指风向、风速或最大速度发生高度的变化。

风速模式

风力模式很重要，通常使用风谱进行分析。风谱的高值表示在给定的时间间隔内风速发生了很大的变化。如果在图表上表示，峰值则描绘了随时间发生的湍流。

风速分布

有三种分布：

昼夜 − 由白天和夜间温度差异引起。
低压 − 在沿海地区每隔四天出现一次。
年度 − 分布取决于纬度。

风能 - 基本理论

为了了解风能，我们遵循质量守恒定律和能量守恒定律。下面所示的管道被假定为表示流入和流出涡轮机叶片的风。

假设速度V_a是V₁和V₂的平均值。管口处的动能由下式给出：

KE = 1/2 mV²

动能变化 = 1/2 mV₁² - 1/2 mV₂²

1/2 m(V₁² - V₂²)

由于m = p.A.V_a，则动能变化，Pk = 1/2 p.A.V_a (V₁² - V₂²)

进一步简化后，估计的风能为：

KE，pk = 0.5925 * 1/2pAV₁³

叶元理论

叶元理论假设风力涡轮机叶片某一部分的流动不影响相邻部分。叶片上的这种细分称为环带。计算每个环带的动量。然后将所有结果值相加以表示叶片，进而表示整个螺旋桨。

在每个环带上，假设都感应到均匀分布的速度。

动态匹配

结合动态进流模型，通过叶元动量理论改进估计值。基本的动态进流理论概念有助于估计叶片湍流的影响。将掠过面积设定为动态状态，以帮助推导出估计平均速度。

BEM理论仅给出稳定风下的估计值，但显然会发生湍流。但是，这由基本的动态进流模型来解释，以提供更现实的估计值。

特别是水平轴类型的风能产生量，已知是叶尖速度、使用的叶片总数以及具有翼型的侧面的升阻比的乘积。动态进流法 (DIM)很好地解释了对新的稳态平衡的重新调整。

动态进流法

DIM也称为动态尾流理论，基于感应流，通常不是稳定的。它计算垂直于转子的进流，并考虑其对动态流的影响。

这只是考虑了尾流效应，或者简单地说，是由叶片旋转引起的与转子垂直排列的空气的速度。然而，它假设切向速度是稳定的。这被称为尾流效应，它的阻力降低了风力涡轮机的效率。

发电

风力涡轮机将风中的动能转化为电力。它们使用风车中使用的古老概念，但也具有固有的技术，例如传感器，以检测风向。一些风力涡轮机具有制动系统，可以在强风情况下停止运行，以保护转子和叶片免受损坏。

转子轴上连接有齿轮，用于将叶片的转速提高到适合发电机的速度。在发电机内部，发生电磁感应（从机械能到电能转换的基本方法）。轴旋转圆柱形磁铁与电线线圈相对。

风力发电站所有涡轮机的电力都汇集到电网系统中，并转换为高压电。这实际上是电网系统中输电的常规技术。

需要大型表面倾斜叶片，但这应取决于宽叶片产生的噪音。一个风力发电场可能有多达100台发电机，这将导致更大的噪音。

风能 - 风力涡轮机类型

风力涡轮机主要分为两大类：

水平轴风力涡轮机 (HAWT)
垂直轴风力涡轮机 (VAWT)

让我们详细讨论这两种类型的风力涡轮机。

水平轴风力涡轮机

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向，较小的涡轮机由安装在结构上的风向标控制。较大的涡轮机具有带有伺服装置的风传感器来旋转涡轮机。

它们还配备了齿轮箱，以加快缓慢的旋转速度，使其足以驱动发电机涡轮机。叶片足够坚固，可以避免因风的转矩而断裂或弯曲。

这种类型安装在塔上；因此它们会遇到高速风。它们略微弯曲以减少掠过面积。较低的掠过面积可降低阻力，这可能会导致疲劳和失效。

垂直轴风力涡轮机

主根安装在垂直轴上。这消除了与水平风力涡轮机相关的困难。子类型包括：

达里乌斯风力涡轮机

这也被称为打蛋器涡轮机，类似于一个巨大的打蛋器。它效率很高，但可能停机时间更多，因此可靠性较低。为了提高坚固性（叶片面积与转子面积之比），应使用三个或更多叶片。

萨伏尼乌斯风力涡轮机

这种类型的可靠性高于达里乌斯涡轮机。问题是它们不能安装在塔顶。因此，它们暴露于湍流和不规则的风力模式。由于它们是阻力型涡轮机，因此与HAWT相比效率较低。优点是它们能够承受极端湍流。

大多数VAWT无法自行启动，需要外部能量才能启动。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。它不包括已经转化为化石燃料的有机体。在能源生产中，它指的是用于通过燃烧产生能量的废弃植物。

转化为生物燃料的方法很多，主要分为化学的、热力的和生物化学的。这是最古老也是最广泛的再生能源。它有多种转换方法。

传统上，直接燃烧使用木柴作为燃料。先进的工艺，如热解（制炭过程）、发酵和厌氧消化，将这些资源转化为密度更高、易于运输的形式，如油和乙醇。煤炭是热解过程的产物，它通过在无氧条件下燃烧来增强物质。

生物燃料是指源自生物质的燃料。如前所述，生物质是指任何有机物，包括活的和死的，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理想的能源生产原料。

术语生物能源是指从生物体（活的或死的）获得的能量。这不包括化石燃料。我们可以根据其来源或产出方式对生物燃料进行分类。

按来源分类的生物燃料

木柴 − 源自树木、灌木或灌木。木柴的例子包括木炭和木材。
农业燃料 − 从农产品生物质（如死亡作物）或其他植物部分（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 - 源自主要城镇收集的废物。市政废物分为两类。固体废物生物燃料来源于工业或商业机构固体废物的直接燃烧。液体/气体废物生物燃料来源于收集废物的发酵。

按代别分类的生物燃料

第一代 - 由糖类、植物油和动物脂肪加工而成，压榨成油用于发动机燃烧，或发酵加工成乙醇用于相同目的。最终产品包括油类、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（非食用）。这些废物来源于农作物秸秆和木材，包括生物氢、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 - 发现于藻类中，被认为能够以低成本生产高产能的能源。藻类能源被称为藻油。

生物能源 - 生物质生产

有机物被转化为可用的形式，称为生物能源。用于能源生产过程的材料被称为原料。

为了更好地理解生物质，我们将首先探讨各种来源。

生物质生产是指有机物数量的增加。它指特定区域或种群中增加的有机物。生物质被认为是可再生能源，因为它随着动植物的生长而得到补充。

生产有两种形式：

初级生产 指的是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生物质总量。初级生产可以根据某一年森林覆盖总面积来估算。
次级生产 是指有机物被生物体吸收为机体组织的过程。它包括动物的摄食，即无论是以其他动物为食还是以植物为食。它还包括微生物对有机物的分解。次级生产可以估算为每年生产的肉类总量。

虽然生物质可以测量为特定环境中活的有机体和死有机体的总质量，但产量却难以估算。它只能估算为体积的增加，尽管部分新增生物质可能是通过自然过程替代的。

直接燃烧供热

直接燃烧供热是生物质转化为能量的最古老方法，自早期文明以来就一直存在。热化学转化（燃烧）可以通过多种方式使用不同的原料来实现。

独立燃烧

基于生物质的发电机使用源自植物油的柴油来驱动柴油发电机。发电机燃烧有机柴油产生能量来发电。

已知热电联产电厂可以同时发电和产生有用的热能。陶瓷工业利用热量来干燥粘土瓦等产品。
一些电厂使用生物质来加热水并产生蒸汽发电。燃烧生物质产生足够的热量来烧开水。
市政固体垃圾厂焚烧固体垃圾发电。这种类型容易受到批评，因为固体垃圾主要含有来自塑料和合成纤维的有毒气体。

生物质共燃

除了独立燃烧外，生物质还可以与其他化石燃料混合燃烧以产生能量。这称为共燃。

生物质可以直接作为煤燃烧。这被称为直接共燃。
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炉子里燃烧，然后产生的能量用于预热蒸汽电厂里的水。

燃烧类型

各种燃烧类型包括：

固定床燃烧 - 这是一种方法，其中固体生物质首先被切割成小块，然后在平坦的固定表面上燃烧。
移动床燃烧 - 在这种方法中，炉排被设置为持续均匀地移动，留下灰烬。燃料在燃烧层中燃烧。
流化床燃烧 - 燃料在高压下与沙子混合沸腾。沙子用于均匀地分配热量。
燃烧器燃烧 - 在这种方法中，木粉和细粉被放置在类似于液体燃料的燃烧器中。
旋转炉燃烧 - 使用窑炉燃烧水分含量高的有机物。例如食物残渣或其他潮湿的农业废物就是这样燃烧的。

热解

热解是另一种通过在非常高的温度下无氧燃烧来加工生物燃料的方法，这可能导致完全燃烧。这会导致不可逆的物理和化学变化。由于没有氧化或卤化过程，因此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。

慢速热解 在大约 400℃下进行。这是制造固体木炭的过程。
快速热解 在 450℃ 到 600℃ 之间进行，产生有机气体、热解蒸汽和木炭。蒸汽通过冷凝处理成液体形式的生物油。这必须在 1 秒内完成以防止进一步反应。所得液体是比木材生物质密度更高的深棕色液体，能量含量相同。

生物油有很多优点。它更容易运输、燃烧和储存。许多种类的原料都可以通过热解加工成生物油。

下图解释了通过热解将生物燃料中的能量转化为可用形式的过程。

酒精发酵

酒精发酵是将糖转化为纤维素的过程。该过程产生乙醇和二氧化碳作为副产品。由于该过程在无氧条件下进行，因此被认为是厌氧的。除了烘焙面包和制造酒精饮料外，此过程还会产生酒精燃料。酒精发酵的化学式如下：

$C_{6}H_{12}O_{6}+酵母\longrightarrow\:2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$

甘蔗是此过程的主要原料，尤其是在干旱地区。在温带地区使用玉米或糖渣。

产品应用

这些产品具有以下应用：

丙酮用于生产食品添加剂、溶解胶水、稀释油漆、脱脂剂和化妆品。
氢气用作电力行业的冷却剂。它也用于氢燃料电池发电。
丁醇比乙醇提供更好的燃料。它也用作油漆、化妆品、树脂、染料、聚合物提取和合成纤维制造中的成分。
乙醇用作燃料、油漆成分和防腐剂添加剂。它也用于酒精饮料。

沼气的厌氧消化

厌氧消化 是有机物在无氧条件下分解产生沼气的生物过程。产酸菌和产乙酸菌等微生物将可生物降解物质转化为沼气。除了作为能源外，它也是一种废物处理方法和环境保护技术。

产生二氧化碳和甲烷的这种转化的主要方程式如下：

$C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow\:3CO_{2}+3CH_{4}$

分步过程解释如下：

步骤 1 - 将有机物分解成适于转化的较小分子。此过程称为水解。
步骤 2 - 产酸菌作用于分解后的物质，将其转化为挥发性脂肪酸 (VFA)，以及氨、CO2 和硫化氢。此过程称为产酸。
步骤 3 - VFA 进一步分解成乙酸、二氧化碳和氢气。
步骤 4 - 最后阶段是将上述排放物结合起来产生甲醇、二氧化碳和水。

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