Направи дарение на училище!

(Второ място в конкурса на БГ Наука за статия 2023 г.)

Автор:  Красимира Русинова-Илиева

Екологично чистите технологии за производство и съхранение на енергия заемат все по-голяма част в обществото ни. „Зелената енергия“ използва енергия от възобновяеми източници, като вятърна енергия, биомаса, малки водноелектрически централи, слънчева енергия, все по-иновативни източници на енергия, дори и човешкото тяло.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Основното преимущество на „зелената енергия“ е, че за разлика от централите, работещи с ограничените изкопаеми горива, възобновяемите източници на енергия не отделят парникови газове в атмосферата.
Един от най-големите източници на промишлено замърсяване на въздуха е традиционното производство на електроенергия. Възобновяемите източници на чиста електроенергия са отлично средство за опазване на околната среда и създаване на ползи за бъдещите поколения.

В тази статия ще разгледаме няколко примера за това как с помощта на възобновяеми източници на електроенергия може да бъде подобрено качеството на живот на човека и същевременно опазване на околната среда.

Проект на гравитационния ускорител на слънчевата мрежа ADDA

 Първоначално проектиран за въздушно ускорение без каквито и да било движещи се части или двигатели с приложение към аеродинамиката и аероакустиката на инфратурбулентността, проектът е бил допълнително разширен за приложения за зелена енергия.

Проект на гравитационния ускорител на слънчевата мрежа ADDA

На фигурата, показана по-долу, е начертана схематична диаграма на кула с типична тяга. Свежият въздух при възходящото си движение нагоре по кулата, поради гравитационната тяга, първо се абсорбира от неподвижната атмосфера (w0 = 0) през симетрично разположената въздухозаборници. След това влиза в слънчевия нагревател или слънчевия приемник на станция „1“. Поради затопляне и дилатация в приемника чрез поглъщане на топлинния поток той се ускорява допълнително до скорост w2 на изхода на приемника „2“, откъдето след преноса на топлина се насочва с почти постоянна скорост до горния изход на кула „3“.

Идеалното поведение на газа под въздействието на гравитационно поле с интензитет g, изтичащо нагоре с локална скорост w във вертикален канал с напречна площ A и подложен на нагряване на страничната стена от топлинен поток се описва напълно от 3-D законите за запазване на масата, импулса, енергията, от уравнението на състоянието и от физическите свойства на газа, в частност на въздуха.

Изчислителното решение на потока зависи допълнително от началните и граничните условия, които трябва да отговарят на физическия процес на термична тяга. След това се анализира потока със загуби от триене, оценява се стойността му и се добавя отчитане на свиваемостта на входа.
Динамичното равновесие се установява, когато след серия от трансформации наляганията на застой отвътре и отвън станат равни. 

1.

Динамика на гравитационната тяга

Ускорението на въздуха се извършва на входа на кулата между 0-1, както се управлява от уравнението за компресиране на енергия с постоянна плътност. Въздухът се затопля в топлообменника/соларен приемник между секции 1-2 с топлина q на kg с разширяване и ускоряване на въздушния поток. При горния изход газът се разрежда и спира в неподвижна атмосфера.

Стойностите на наляганията и скоростите в главните секции са резултат от условието за равновесие на наляганията над горния изход, където вътрешният p4(ℓ) и външната р4* ≡ роu(ℓ) стойностите трябва да са равни.

По този начин масовият дебит през комина зависи основно от относителното нагряване на въздуха, изразено чрез плътности, и се получава, когато разликата в налягането между вътрешността и външната страна на изхода на кулата се възстановява чрез динамично спиране на въздуха.

Принципът на слънчева електроцентрала, базиран на колектор от огледален тип, е изобразен на фигурата по-долу. Той представлява прилагането на принципа на термичния ускорител WINNDER в екологично и устойчиво средство за ускоряване на въздуха без никакво движещо се устройство и следователно с много ниско ниво на шум и турбуленция, идеално за аероакустични приложения. Наоколо са инсталирани множество редове от контролируеми наземни огледала. По този начин се получава високоефективно използване на слънчевата енергия, поради известния висок коефициент на освобождаване на огледалните повърхности. Средствата за следване на Слънцето по видимата му траектория са често срещани и достъпни на ниска цена. Проблемите по поддръжката на системата могат да бъдат решени чрез правилно технологично и икономическо управление на съоръжението.

Друг проект за сравнение е слънчевата термална електрогенераторна станция Solar Two, разположена в пустинята Мохаве в Калифорния, която се състои от 1900 моторизирани огледала, заобикалящи генераторна станция с мощност 10 мегавата, функционираща от началото на 1996 г. 

Разтопената сол (екосъобразна комбинация от натриев нитрат и калиев нитрат) позволява летен фактор на капацитет до 60%, в сравнение с 25% без съхранение. Заводът се състои от 1926 моторизирани огледала, фокусирани върху 100 метра висока централна приемна генераторна станция с мощност 10 MW. Разтопената сол от „студения“ резервоар за сол (при 300ºC) се нагрява до 560ºC и се съхранява в „горещия“ резервоар за сол. По-късно горещата сол се прекарва през парогенератор, за да се получи пара за конвенционална парна турбина.

Разходите за оборудването на WINNDER са по-високи, отколкото за парниковите електроцентрали, но все пак общите разходи за експлоатация и поддръжка са конкурентни и предложената комбинация от огледален масив и теглеща кула е буквално ефективна. 

Повече информация за проектите може да се намери в книгата „Application of Solar Energy“, edited by Professor R. D. Rugescu (2013).

Гравитационното въздушно течение, дължащо се на ефекта на Архимед, не допринася по никакъв начин за баланса на енергията. Той просто остава двигател на въздуха в стека, а слънчевата енергия, въведена в системата, е единственият източник на въздушно ускорение и по-нататъшно производство на електрическа енергия в турбогенератора. Следователно той не изглежда особено привлекателен за производство на енергия, въпреки че осигурява най-чистата енергия някога и включва най-ниските нива на загуби. 

Друг впечатляващ проект, използващ концентрирана соларна енергия, е SPV на китайската компания Shouhang.

Неговото преимущество пред останалите слънчеви електроцентрали е възможността да работи дори и през нощта. Работната мощност на централата е 100 мегавата, която работи денонощно без загуба на мощност. Проектът първоначално е замислен като национален демонстрационен проект, който да разгледа развитието на слънчевата енергия с различен подход. Днес инсталирането на фотоволтаични панели, с помощта на които слънчевите лъчи се преобразуват в електричество, е много популярна практика по цял свят. Но тъй като по този начин се губи голяма част от енергията, международни учени и инженери стигат до друго по-традиционно решение – 260-метрова кула, която действа като слънчева пещ, концентрираща слънчевите лъчи върху себе си, като позволява температурата да се повиши до 3500 °С само за няколко секунди, като вътре в кулата има разтопена сол, която при нагряване отива в специален резервоар, а след това преминава през парен генератор, след което в турбинен генератор, който превръща парата в електричество.

Предимството на разтопената сол е, че се охлажда за дълго време, което позволява на водата да се превръща на пара дори и през нощта. Тази слънчева електроцентрала може да поддържа желаната степен на топлина до 11 часа. Използвайки интелигентна система за насочване на панелните огледала, се оптимизира поддържането на високата ефективност на нагряване на кулата през целия ден. Електроцентралата е изградена на площ от 8 млн. кв. м, от които 1,4 млн. кв. м заемат огледалата. В сравнение с обикновените АЕЦ и ТЕЦ, този вид слънчеви електроцентрали са по-безопасни и екологични. Важно преимущество на тази електроцентрала е, че изграждането ѝ отнема само около година и половина. Друго преимущество е, че това е мощен и сравнително евтин източник на електроенергия и едно от най-важните предимства е, че позволява пестенето на изкопаеми горива.

Планини като батерии за съхранение на енергия

Интересен и вече приложим метод за възобновяема енергия е използването на планини като батерии за съхраняване на енергия.

Можем ли да използваме планините като гигантски батерии за дългосрочно съхранение на енергия? Такава е предпоставката на ново изследване, публикувано в списание Energy.

Екип от Австрийски международен институт за приложни системни анализи (IIASA) разработва метод за съхранение на енергия на места, които имат по-малко потребление на енергия и променливи метеорологични условия, които влияят на възобновяемите енергийни източници. Това са места като малки острови и отдалечени области, които ще се нуждаят от по-малко от 20 мегавата капацитет за съхранение на енергия и решението е използването на планини за възобновяем източник на енергия.

Разработената система се нарича Mountain Gravity Energy Storage (или MGES). MGES използва кранове, разположени на ръба на стръмна планина, за да преместват пясък (или чакъл) от място за съхранение в долната част до място за съхранение в горната част. Подобно на ски-влек, мотор/генератор ще транспортира съдовете за съхранение, съхранявайки потенциална енергия. Електричеството се генерира, когато пясъкът се спуска обратно от горната площадка.

Системата се възползва от гравитацията, като изходната енергия е пропорционална на масата на пясъка, гравитацията и височината на планината. Част от енергията се губи поради процеса на товарене и разтоварване.

Хидроенергията може да се използва и от всякакъв вид планински водоизточник, като речни потоци. Когато е налична, водата ще се използва за пълнене на контейнери за съхранение вместо пясък или чакъл, генерирайки електричество по този начин. Използвайки планината, хидроенергията може да бъде извикана от всяка височина на системата, което я прави по-гъвкава от обичайната хидроенергия, обяснява прессъобщението на IIASA.

Въпреки това има специфични предимства при използването на пясък: пясъкът е евтин и за разлика от водата не се изпарява – така че никога не се губи потенциална енергия и може да се използва повторно безброй пъти, което го прави особено интересен за сухите региони.

Ветрогенератори за чиста енергия

Ветрогенераторът използва вятърна енергия за производството на електричество. Работи по следния принцип: въртенето на лопатките, които са монтирани на генераторния вал, се дължи на вятърния поток – това произвежда променлив ток. Ветрогенераторът е в основата на изграждането на вятърни електроцентрали и ветропаркове, разполагащи с много на брой електрически генератори и произвеждащи за потребителите значително количество електрическа енергия. Изключителните предимства са в това, че са екологично чисти и използват възобновяема енергия.

Схема на устройство на ветрогенератор

Ветрогенератори с компактни размери могат да се използват като възобновяем източник на енергия и за бита. Натрупаното електричеството се съхранява в батерии, като се консумира от домакински уреди при нужда.

В случай, че няколко устройства се използват за производство на електроенергия (вятърна турбина плюс слънчеви панели или горивен генератор), ще е необходимо веригата да се допълни с превключвател (ABP). Тя ще се изисква, така че когато изключите едно от устройствата, другото, резервното копие, ще се включи.

Примерна схема на хибридна вятърна слънчева инсталация

Всички вятърни генератори са разделени на две групи:

– с ротор, поставен вертикално;

– с хоризонтален ротор.

Първият тип се счита за по-малко ефективен за производство на електроенергия: неговата ефективност е почти три пъти по-малка от тази на хоризонталната.

Предимствата на вертикалните ветрогенератори са лекотата на сглобяване и надеждността. Ниското им ниво на шум дава възможност да се инсталират на покрива на къщата или на нивото на земята. Започват да работят от сила на вятъра 1-2 m/s.

Хоризонталните ветрогенератори се нуждаят от сила на вятъра от поне 3,5 m/s, обаче, тези устройства са най-често срещаните. Нивото на ефективност е 50%, но шумът и вибрациите са високи. За инсталация на такова устройство са необходими свободно пространство до 100 метра и висока мачта.

За енергийното снабдяване на къща, в която живее едно семейство, ще са необходими средно 300 kWh на месец. Ако регионът има нисък потенциал на вятъра, тогава е необходим генератор с мощност 2-3 kW. Какъвто и да е регионът, силата на вятъра не може да бъде постоянна стойност: тя се променя както по посока, така и по величина. През деня консумацията на електроенергия е различна и не може да бъде постоянна. Тези фактори определят сложността на дизайна на вятърния генератор и неговата нужда от батерии и инвертор. Устройството произвежда енергия на малки партиди, а батерията я акумулира, така че потребителите да могат да я използват, когато имат нужда. 

Настоящите тенденции предполагат, че вятърният генератор е обещаващ по отношение на пълна или частична подмяна на енергийното снабдяване на частен дом. Такива системи могат да бъдат алтернатива на производството на енергия.

Цялата статия, както и много други, можете да прочетете в новия Брой 170 на списанието.

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!