可再生能源速覽

可再生能源 - 簡介

可再生能源是指從自然環境中獲得，並能夠自然補充的能源形式。這些包括太陽能、風能、地熱能、水力和生物質能。

可再生能源這個術語不應與替代能源混淆，替代能源指的是汽油等常規能源之外的能源，這些能源被認為更環保或危害較小。

可再生能源的優勢

使用可再生能源的優勢在於：

維護成本低，因為大多數能源幾乎沒有或沒有活動部件，因此機械損壞較少。
它們經濟實惠，可以降低化石燃料的支出。
它們幾乎不產生或不產生環境汙染。
可再生能源不會枯竭。因此，它們對未來具有更好的前景。

太陽能來源

本教程解釋了五種主要的可再生能源。雖然後續章節將詳細討論每種能源，但此處將對其進行簡要回顧。

太陽能- 來自太陽的能量被稱為太陽能。太陽能可作為主動式太陽能或被動式太陽能使用。主動式太陽能直接用於晾曬衣物和加熱空氣等活動。技術為利用這種豐富的資源提供了多種方法。
地熱能- 指的是數百萬年來透過地球形成儲存在地下的熱能。它利用了地殼下豐富的未利用熱能。
水力發電- 這是當今世界用於發電的主要可再生能源。
風能- 古代，風能用於通過沖擊帆來推動船隻。
生物質能- 在能源生產中，它指的是用於透過燃燒產生能量的廢棄植物。

太陽能 - 簡介

太陽能是透過捕捉太陽的熱量和光線獲得的能量。來自太陽的能量被稱為太陽能。技術為利用這種豐富的資源提供了多種方法。它被認為是一種綠色技術，因為它不會排放溫室氣體。太陽能資源豐富，長期以來一直被用作電力和熱源。

太陽能技術大致可分為：

主動式太陽能- 主動式太陽能技術包括使用光伏系統、集中式太陽能和太陽能熱水器來利用能量。主動式太陽能直接用於晾曬衣物和加熱空氣等活動。
被動式太陽能- 被動式太陽能技術包括將建築物朝向太陽，選擇具有良好熱質量或光散射特性的材料，以及設計自然迴圈空氣的空間。

太陽能轉換

太陽能是透過捕捉太陽的熱量和光線獲得的能量。從陽光中獲得電力的方法稱為光伏法。這是使用半導體材料實現的。

另一種獲得太陽能的方法是透過熱技術，它提供了兩種能量採集方法。

第一種是太陽能集中，它集中太陽能來驅動熱力渦輪機。
第二種方法是分別用於太陽能熱水器和空調的加熱和冷卻系統。

將太陽能轉換成電能以便在日常活動中利用其能量的過程如下：

吸收太陽光線中攜帶能量的粒子，稱為光子。
光伏轉換，在太陽能電池內部。
組合來自多個電池的電流。此步驟是必要的，因為單個電池的電壓小於0.5V。
將得到的直流電轉換為交流電。

在下一章中，我們將學習將太陽能轉換為電能的光伏方法。

太陽能 - 光伏效應

在我們學習光伏效應的概念之前，掌握PN接面的一些基本知識是必要的。

PN接面

PN接面是由美國貝爾實驗室的羅素髮明的。它指的是兩種半導體，即P型和N型之間的連線。羅素髮現這兩種半導體在連線處具有有趣的行為，只會導致單向導電。

P型半導體以空穴（電子缺失）作為多數載流子。N型半導體以電子作為多數載流子。

在上圖中，在連線處：

多餘的電荷擴散到相反的連線處，使得p側的正電荷獲得負電荷並使其中和。
同樣，N側的負電荷獲得正電荷並使其中和。
這在兩側形成一個邊緣 (m)，其中多餘的電荷被耗盡以使該區域中性並處於平衡狀態。該區域被稱為耗盡層，並且任一側的電荷都不會穿過。
耗盡層提供了一個勢壘，因此需要外加電壓來克服它。這個過程稱為偏置。
為了導電，在正向偏置中，外加電壓應將電子（負）從n結泵送到結的p側。電流的持續流動保證了電子不斷流動以填充空穴，因此在耗盡層中導電。
反轉外加電壓，在一個稱為反向偏置的過程中，會導致空穴和電子漂移開來，增加耗盡層。
外部負載連線到太陽能電池，正極連線到N側晶片，負極連線到P側晶片。光伏效應會產生電勢差。

光子位移電子獲得的電流不足以產生明顯的電勢差。因此，電流被限制以引起進一步的碰撞並釋放更多電子。

光伏效應

太陽能電池利用p-n結的概念來捕獲太陽能。下圖顯示了半導體的費米能級。

為了使半導體導電，電子必須越過能隙從價帶到導帶。這些電子需要一些能量才能脫離並越過價帶隙。在太陽能電池中，太陽發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會被吸收、反射或透射。如果它被反射或透射，它將無助於使電子脫離，因此會被浪費。因此，必須吸收光子才能提供使電子脫離並越過價帶隙所需的能量。

如果E_ph是光子的能量，EG是越過能隙的閾值能量，那麼當光子撞擊半導體表面時，可能的結果是：

E_ph < E_G- 在這種情況下，光子達不到閾值，只會穿過。
E_ph = E_G- 光子具有使電子脫離併產生電子空穴對的精確閾值。
E_ph > E_G- 光子能量超過閾值。這會產生電子空穴對，儘管這是浪費，因為電子會向下移動回到能隙。

太陽輻射的吸收

在大多數情況下，半導體的吸收係數用於確定從太陽吸收能量的效率。係數低意味著吸收差。因此，光子傳播多遠是吸收係數 (α) 和輻射波長 (λ) 的一個因素。

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

其中，k是消光係數。

太陽能 - 研製太陽能電池板

要製造太陽能電池板，需要使用前面討論過的摻雜矽製成的多個太陽能電池。這些電池串聯連線以增加產生的電流。這產生了稱為元件的成簇電池條。單個元件可以構成太陽能電池板，或者在需要大型電池板的情況下與其他元件組合。

太陽能電池板由幾層夾層光伏電池組成。這些層用於保護易碎的電池。

下面是各層的示意圖：

各層由以下部分組成：

蓋玻璃- 這是頂蓋，是透明的，允許光線進入。它防止電池受到機械損壞。它由硬玻璃製成，以防止刮傷。
非反射層- 矽可以反射大部分陽光。因此，使用此層來抵消這種情況並確保最大程度地吸收光子。換句話說，它有助於最大限度地提高吸收率。
接觸柵格- 在這一層中，連線電池頂部到底部的所有觸點都連線在一起。觸點延伸到電池板的外部部件，如充電控制器、組合箱和電池儲存或電網系統。
P型和N型矽板- 此層實際上是兩層的組合：N型摻雜矽層和P型摻雜矽層。此層賦予太陽能電池板其顏色。
背板- 這是用於支撐晶體光伏電池板的硬層。有時，薄膜型電池板可以使用柔性合成纖維。

鋁框用於框架電池板並使其防風雨。好處是：

框架提供了一種將電池板安裝在屋頂等表面上的方法。
框架足夠緊密，可以保護電池板免受風暴等極端天氣條件的影響。

太陽能電池板也應始終處於維護狀態，以防止灰塵顆粒落在其上。在安裝過程中，應將電池板固定在一個角度以接收最大光線。在沒有直接使用的情況下，應安裝一個比例電池，以避免浪費。

太陽能 - 電池效率

效率是指輸入功率與輸出功率的比率。在光伏的情況下，效率是電路中電力輸出功率與入射到電池上的太陽能的比率。

現在，輸出功率，p_m = 電壓 (v) * 電流 (I) 在電路中（最大值）。

並且，輸入功率 P_i = 入射能量 G (Wm^-2) * 電池表面積，A (m²)。

因此，效率計算如下：

$$ \eta = \frac{P_m}{G \times A_c} $$

其中，P_m 必須是電路的最大功率。它是透過使用開路電壓 (V_oc) 和短路電流 (I_sc) 和填充因子 (FF) 獲得的。

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

這些測量必須在標準條件下進行測量，即 25°C，空氣質量為 1.5gm^-3，入射能量 G 為 1000Wm^-2。

影響光伏電池輸出的因素包括：

入射光的波長
電子和空穴的複合
電阻
溫度
填充因子
材料的反射率

因此，為了最大限度地提高功率，電池的結構應具有更大的填充率，即利用更大的表面積。太陽能電池的位置也決定了它的輸出，原因有兩個。首先，角度決定了電池的反射程度；其次，位置決定了從上午9點到下午3點捕獲的陽光量。為了獲得最大效率，避免電池任何陰影非常重要。

太陽能——光伏型別

光伏技術利用兩種技術：晶體形式和非晶矽。非晶矽仍處於探索階段，可能需要更長時間才能達到最佳效能。

晶體電池

晶體矽技術產生兩種型別的光伏電池：

單晶電池——單晶太陽能電池由單晶圓柱體切片製成，用於生產陣列中的所有晶片。晶片呈圓形，有時為了晶體利用的目的，它們也可能被切割成其他形狀。其特徵是均勻的藍色。其他特性包括：
- 在當今所有光伏技術中，效率相對較高。
- 由於它完全由相同的晶體制成，因此是最昂貴的電池。
- 電池堅硬，必須很好地定位並安裝在堅硬的背板上。
多晶電池——這些也被稱為多晶電池，是透過將矽澆鑄到方形模具中製成的。所得鑄件然後被切割成多個方形晶片。方形塊由多個晶體組成，由藍色變化的陣列組成。這是當今市場上一些太陽能電池板閃閃發光、寶石般表面的技術原理。多晶電池具有獨特的特性，包括：
- 與單晶電池相比，效率略低。
- 比單晶電池便宜。
- 材料（純化矽）浪費較少。
- 對於相同規格的太陽能電池板，多晶電池板略寬於單晶電池板。

非晶電池

薄膜光伏電池——使用非晶矽製造光伏電池是一種新技術，專家們仍在研究如何克服晶體形式的挑戰。這項技術的特點包括：

它們比兩種晶體形式都便宜得多。
它們很靈活。因此，它們應該有一個可移動的安裝方式以最好地利用這一特性。但是，為了安全起見，表面的形狀應該適應電池板。
由於電池脫落而導致的功率損失較少。此外，它們在光線昏暗的環境中更有力。
耐用性較差。它們的發電量會逐漸下降，尤其是在第一個月獲得穩定性之前。
發電效率最低，因此佔地面積較大。
這項新技術使得電池板可以安裝在窗玻璃和曲面上。

光伏電路特性

光伏電池的等效電路如下所示：

獲得的電流，I_ph = 電池面積 * 光強度，H * 響應係數，ξ。

已知，導體電阻引起的損耗 = R_p

非理想導體引起的損耗 = R_s

如果電池在電壓 V 下產生電流 I，則單個電池的 I 和 U 之間的關係表示為：

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

其中熱電壓由 $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$ 給出

溫度以開爾文為單位，K = 1.38^-23（玻爾茲曼常數），e = 1.602e^-19。

獲得最大 I 和 U，我們可以獲得最大功率。

當 V = 0（即短路）時獲得 I_max，當 I = 0（即開路）時獲得 V_max。

注意——並聯電池增加電流，串聯電池增加電壓。

地熱能 - 簡介

地熱能是指數百萬年來透過地球形成儲存在地下的熱能。它利用了地殼下存在的大量未利用的熱能。

地熱能具有地點特異性，但特別是在用於直接供熱時，成本非常低廉。由於地熱能在地下極高的溫度下產生，因此很難估計其發電量。

地殼儲存了數百萬年來積累的巨大熱（熱）能。地殼和地表之間存在巨大的溫差。溫差被稱為地熱梯度。這種能量足以熔化岩石。熔化的岩石，稱為岩漿，有時會透過地表裂縫以火山的形式噴發。地熱能被轉化為電力。

以熱地熱流體的形式存在地熱沉積物是良好場地的標誌。場地應具有淺層含水層，以允許注水。固有的地熱產物應約為 300o F。

地熱能的優點

主要優點包括：

由於熱量來自豐富的地下儲層，因此不需要燃燒燃料。這種可再生能源可以解決化石燃料枯竭的風險。
它沒有排放，產生的二氧化碳為 10%，與植物消耗的量相比非常少。
與其他可再生能源（太陽能、風能和水能）不同，它不受天氣影響，全年都可用。
地熱能相對便宜，尤其是在直接使用時，例如作為溫室的熱源。

地熱能的唯一缺點是釋放硫化氫，其特徵是具有臭雞蛋的氣味。

增強型地熱系統 (EGS)

在一些地熱資源中，水被注入含有地熱礦床的井中。在這些礦床內，水被過熱，因此變成蒸汽。水在非常高的壓力下被泵入地下以擴大岩石裂縫。

一些較低溫度的地熱能直接用作熱能。溫室可以使用這種能量作為溫度調節器。這種技術也用於漁業和礦物回收。

地熱能——能量提取

其原理是利用熱能將水加熱成蒸汽。地熱能利用地殼以下的高溫。熱蒸汽或熱水加熱流體，流體進而膨脹，從而轉動渦輪機發電。

共有三種形式被利用，如下所示：

幹蒸汽電站

基本上，幹蒸汽電站利用從地熱礦床流出的蒸汽來加熱二次流體，該流體轉動渦輪機發電。蒸汽以高達 150 度的溫度出現，足夠熱以膨脹地熱廠中的流體。這是最古老的地熱發電技術之一。二次流體的膨脹產生轉動渦輪機發電所需的機械能。

閃蒸電站

井下高壓水被抽到低壓區域。這種壓力變化使水汽化，以高溫釋放蒸汽。這種蒸汽與水分離，並用於加熱轉動發電機中渦輪機的流體。在此壓力下，氣體溫度非常高。

二元迴圈電站

利用沸點差異（由密度決定）是最近使用的方法。系統中使用了一種沸點遠低於水的流體。這種方法使用溫度為 58 度的水來加熱沸點較低的二次流體。水加熱流體並使其汽化，由於沸點較低，從而轉動渦輪機發電。

地熱能 - 地球物理學

地球物理學是研究地球及其環境特性的科學領域。它研究磁場和引力場、地球內部特性、水迴圈、礦床形成以及太陽-地球關係。

地球物理學專門尋找地殼下的資源並確定潛在的威脅，例如地震。它還包括定性分析，以確定採礦、石油鑽探和地熱礦床的最佳地點。

地球物理學分支

地球物理學的各個分支包括：

固體地球研究——固體地球特性範圍從構造研究到地震分析以研究地震。該分支研究石油和礦床。對土壤樣本進行分析以查詢任何異常沉積物或紋理。
水文研究——這是對地下水以及地表水的研究。水文地質學家分析水迴圈和地下水位來進行水文研究。海洋學，對海洋和海底的研究，也屬於此類。
空氣研究——空氣是地球的主要組成部分。對空氣的研究有助於預測天氣狀況並防止颶風等極端情況。
生命與地球物理學——生物體與地球的相互作用是一個重要因素。需要注意的是，石油沉積物主要來自腐爛物質。研究地下情況以評估它們對生物體存在的影響。

含水層

一些岩石，稱為含水層，為水自然流動提供了良好的環境。這些岩石是多孔的，並過濾流經的水。含水層是鑽井以提供恆定水流的最佳地點。構成良好含水層的岩石包括沙子、花崗岩、礫岩、砂岩和裂隙石灰岩。

含水層位於地下水位之下，因此降水會立即補充從井中抽出的水。含水層對於維持地球水迴圈非常重要。井鑽入被非多孔岩石包圍的含水層中。這些岩石產生有助於抽水的壓力。這些型別的井被稱為自流井。

水文地質測試

水文地質學在含水層中使用幾種測試來捕捉其特徵。這些測試在稱為控制井的可控環境中進行。

三大測試包括：

抽水試驗——以恆定間隔提取水並將其泵回井中。記錄鄰近井由於變化而產生的行為。該測試有助於確定井周圍含水層的滲透性。
瞬變抽水試驗——瞬變是指水位的迅速變化。在這個測試中，測量對鄰近井的影響以及恢復其原始水平所需的時間。這可以透過從湖中抽水或將水泵入井中來大幅改變水位來實現。
恆定水頭試驗——這是使用稱為控制井的實驗井進行的。在控制井中，可以將熱抽降保持在一定水平。記錄鄰近井的影響。定期從井中取水可能會降低地下水位。這可能會導致凹陷並導致異常流動。

水力發電 - 簡介

水力發電（HEP）是當今世界廣泛使用的主要可再生能源，用於發電。它利用基本的物理定律。高壓下的落水具有高動能。在水電站中，落水推動渦輪機旋轉。透過電磁感應，發電機將渦輪機的機械能轉化為電能。

水力發電站

水力發電站的技術是利用水壩中從高處落下的水來驅動發電機的渦輪機。機械能被轉換成電能，並輸送到國家電網系統。下圖顯示了水力發電站的示意圖。

水力發電站的位置必須由專家進行分析，以確定最大效率的有效水頭。液壓系統也用於在較慢和緩慢流動的水流中利用這一概念。

水電的一個優點是發電後水還可以用於其他用途。水流速度和水頭較高的河流是更好的水電資源。

流量是指每秒透過河流特定點的水的速度。水頭是指從斜坡頂部到電站的垂直距離。

建造一個落差大的水壩是為了提高水的勢能。進水口設在底部，那裡壓力最高。然後，水透過壓力管道依靠重力流動。在這個水平面上，動能足以驅動渦輪機旋轉。

功率估算

水壩的功率可以透過兩個因素來估算——水的流量和水頭。

流量是指在給定時間內透過河流給定截面的體積。流量單位為m³/s。
水頭是指水垂直落下的距離。

理論上，功率與上述因素成正比，即：

P = Q*H*c

其中：

P − 預期功率
Q − 流量，單位為m³/s
H − 水頭，單位為m
c − 常數（密度*重力）

因此，取水的密度為1000gm^-3，重力為1.9 −

P = 1000*1.9*Q*H

需要能量來驅動發電機的渦輪機，從而產生電磁感應。

抽水蓄能是一種在水透過渦輪機後迴圈利用水的方法。特別是，抽水蓄能提高了水壩的整體效率。

水力發電站有三個主要組成部分。它們是−

首先是水壩，它創造了水頭。水從水壩底部以高速落下，並提供動能來驅動渦輪機旋轉。
第二個組成部分是水庫。水庫是水壩後面儲存水的地方。水庫中的水位於高於水壩其餘結構的位置。水庫中水的深度決定了水擁有的勢能多少。水位越高，勢能越大。
第三個組成部分是發電廠，在那裡發電並連線到電網。

小型裝置的資源評估

在安裝小型水電站之前，重要的是要確定附近可以利用的資源。具有相當恆定流量（m³/s）的良好溪流是值得開發的資源。

水流充足的河流可以利用水的速度來驅動水輪。山坡或山丘最適合水力發電。如前所述，有必要同時考慮河流的水頭和流量來確定近似的輸出功率。

已知引數後，近似功率的確定方法如下：

英尺單位的水頭 * 每米加侖單位的流量 / 10 = 瓦特單位的功率

對於均勻的河流，水頭也可以用壓力作為單位。

軟管法

這種技術用於確定低流量水流中沉沒式渦輪機的有效水頭。

軟管法所需材料包括柔性管道（首選花園軟管）、漏斗和測量工具。溪流應該足夠淺，以便人們可以涉水透過（在開始之前檢查河流深度）。以下是軟管法安裝步驟的說明。

首先，將軟管從溪流開始傾斜的地方拉伸。其次，提起軟管末端直到水停止流動。測量垂直距離，對其他部分重複相同的操作，直到到達首選位置。下圖說明了各部分的不同水頭。

水頭測定

流量測定

家用小型水力發電的正常溪流流量可以透過以下兩種方法確定：

浮標法 − 在這種技術中，將一個已知重量的浮標釋放到溪流的平緩部分，記錄其覆蓋已知距離所需的時間。將米單位的距離除以秒單位的時間即可得到速度。值得注意的是，浮標不應接觸地面。如果浮標太重而接觸到河床，可以選擇較小的浮標。
桶法 − 透過在溪流中築壩並將水引到桶中來實現。然後記錄其注滿所需的時間。這以每秒加侖為單位進行測量。使用具有標準刻度的桶可以提高精度。

水力發電 - 渦輪機型別

渦輪機主要分為兩大類：衝擊式渦輪機和反擊式渦輪機。渦輪機的選擇取決於水頭和流量。其他需要考慮的因素包括深度、成本和所需的效率。

衝擊式渦輪機

在衝擊式渦輪機中，水的速度衝擊渦輪葉輪的葉片，產生機械能。水在轉動葉輪後從渦輪底部流出。

衝擊式渦輪機的型別

衝擊式渦輪機有兩種型別：

佩爾頓水輪機 − 此型別的水輪機具有將水導向充氣空間的噴嘴。水落在轉輪的葉片上併產生旋轉力矩。這種水輪機不需要尾水管。一種改進型被稱為Turgo輪，其外觀類似於邊緣封閉的風扇葉片。水只需穿過風扇即可引起旋轉。它設計用於高水頭和低流量。
貫流式 − 水輪機具有桶狀結構，具有細長的噴嘴，形狀為矩形。導向葉片將水引導至轉輪。水在進出時會兩次穿過葉片。

反擊式渦輪機

在反擊式渦輪機中，由於轉輪位於水流中心，因此功率是由水的壓力和衝擊共同產生的。這些水輪機主要適用於較高流量和較低水頭的情況。水會衝擊所有葉片，而不是一次衝擊單個葉片。

反擊式渦輪機有三種類型：

螺旋槳式渦輪機具有三到六個葉片的轉輪。水不斷地以恆定壓力衝擊所有葉片以平衡轉輪。螺旋槳式渦輪機有幾種變型，即燈泡式、卡普蘭式、管式和直流式。
弗朗西斯式渦輪機使用具有九個或更多固定葉片的轉輪。允許水在渦輪機上方流動以產生恆定的旋轉運動。
自由落體式渦輪機利用水中的動能，而不是大多數渦輪機使用的勢能。這就是為什麼它們通常被稱為動能渦輪機。它們在溪流和河流的自然環境下執行。它們也可以利用海洋潮汐執行。

水力發電 - 水力系統

當水流恆定時，水力發電可用於家庭消費。在大多數情況下，流量和落差不足以驅動傳統的渦輪機。為了解決這個問題，目前市場上已經出現了一種稱為微水電系統的小型系統。這些系統由安裝在河流或溪流中的小型發電機組成，並由衝擊式渦輪機驅動。事實上，大多數都使用佩爾頓水輪機。

水力發電廠的組成部分

以下是微型水力發電廠的主要組成部分：

進水口 − 發電機的位置必須靠近進水口。這可以透過築壩蓄水來建立必要的水頭和壓力。
壓力管道 − 這是從進水口開始的重力落差區域。對於微水電專案，管道用於將進水口連線到渦輪機的轉輪。
渦輪機 − 要使用的渦輪機型別取決於溪流的大小和所需的輸出功率。對於大多數小型水電站，佩爾頓水輪機效率很高。在低水頭的情況下，可以使用潛水式反擊式渦輪機，在這種情況下，水壓會驅動葉片旋轉。
控制系統 − 控制系統可以防止電池過充。它們透過將多餘的電力轉移到洩荷來進行調節。
洩荷 − 這只是一個備用的高阻抗去向，用於電池充滿電時。它們可能包括熱水器甚至空調系統。
電池 − 微水電系統不像傳統的交流系統那樣產生大量的電力。為了滿足多種電力需求，需要積累能量。電池提供了一種將電力儲存到所需數量的方法。它們還在系統供電中斷期間提供能量。
計量裝置 − 這對於監測電力使用量與電力供應之間的關係非常重要。這可能有助於瞭解重要的系統特性以及識別故障。
斷路器 − 在任何電氣佈線系統中，都應該有防止電力供應過量的保護措施。應在電源線上安裝斷路器裝置，以防止連線到水力電源的任何裝置損壞。

水力發電 - 水壓衝壓泵

水壓衝壓泵根據基本的物理定律工作，可以克服重力將水提升到高於水源的高度。這種泵不需要任何外部能量供應，例如燃料燃燒。唯一的能量是被泵送水的動能。水頭越大，泵送的距離越高。

工作原理？

要了解衝壓泵的工作原理，必須瞭解水錘原理。

水錘 − 當流體（在這種情況下為水）被強行停止或其方向突然改變時，就會發生水錘效應。會產生壓力衝擊，並且波會傳回流體的源頭。這可能是一種危險的現象，會導致輪胎和管道爆裂或坍塌。

水透過進水口（5）流入泵內，具有一定的動能來自水頭，並關閉閥門（6）。
當6關閉且3最初關閉時，水會產生水錘，從而在管道中積聚壓力並開啟閥門（3），將一些水送入出口（1）。
由於水流向上，水流緩慢，很快就會回落，從而關閉3。
水錘積聚並透過管道反向傳播，產生吸力，開啟洩水閥6。

該過程重複進行，每次壓力都會累積。

標籤2是一個裝有空氣的壓力控制器。它在6號部件靠近並且水被推過3號部件時緩衝衝擊。它有助於保護管道免受可能導致爆裂的衝擊，並有助於抽水效果。活塞的效率為60%到80%。但這並不直接反映抽水的比例，因為它依賴於抽水的垂直高度。換句話說，這是抽水效果對水錘效應能量的效率。

例題1

計算一臺額定效率為85%的渦輪機的估計功率。河流流量為每秒80立方米，水流入口位於發電機組147米處。

解 −

功率由W = 效率 * 水頭 * 流量 * 密度 * 重力給出

將水的比重換算成SI單位，得到1000kgm^-3

將數值代入公式 −

P = 0.85 * 1000 * 80 * 9.81 * 147

P = 97兆瓦

例題2

假設某天實際接收到的功率為1,440,000千瓦時；計算發電機的效率。假設重力為9.81 ms^-2。水的比重為1 gcm^-3。

解 −

已知：一天的供電量 = 288000千瓦時

功率 = 1440000/24

= 60兆瓦

效率 = 供電功率/預期功率 * 100

= 60/97 * 100

系統的效率為66.67%。

風能 - 簡介

古代，人們利用風力推動船帆航行。本章我們將瞭解如何利用風能發電。

渦輪機將風的動能轉化為有用的機械能。這種能量可以以機械形式使用，也可以驅動發電機組並提供電力。就像水力發電系統一樣，風能是透過將風動能轉化為機械能來利用的。

風力渦輪機主要分為兩種型別：水平軸風力渦輪機和垂直軸風力渦輪機。如今，安裝了大量風力渦輪機的風力發電場越來越多。

風力特性

風力有一些普遍的特性，另一些則更具體地取決於地點。一些特定地點的特性包括：

平均風速 − 這可以估計每年的風能產量，但不能給出分佈情況。
風速分佈 − 包括年度、晝夜和季節性特徵三個方面。在選擇地點時，瞭解風速變化和分佈範圍是必要的。
湍流 − 這是風以不可預測的模式發生的混亂運動。湍流是由風運動特性的不斷變化造成的，它會影響能量產生和葉片的疲勞。
長期波動 − 不規則的風會導致不可預測的能源供應。在安裝風力渦輪機之前，應研究該地區的風通量是否恆定。
風向分佈 − 這對於葉片的定位，特別是對於水平軸型別更為重要。
風切變 − 切變是指風向、風速或最大速度發生高度的變化。

風速模式

風力模式很重要，通常使用風譜進行分析。風譜的高值表示在給定的時間間隔內風速發生了很大的變化。如果在圖表上表示，峰值則描繪了隨時間發生的湍流。

風速分佈

有三種分佈：

晝夜 − 由白天和夜間溫度差異引起。
低壓 − 在沿海地區每隔四天出現一次。
年度 − 分佈取決於緯度。

風能 - 基本理論

為了瞭解風能，我們遵循質量守恆定律和能量守恆定律。下面所示的管道被假定為表示流入和流出渦輪機葉片的風。

假設速度V_a是V₁和V₂的平均值。管口處的動能由下式給出：

KE = 1/2 mV²

動能變化 = 1/2 mV₁² - 1/2 mV₂²

1/2 m(V₁² - V₂²)

由於m = p.A.V_a，則動能變化，Pk = 1/2 p.A.V_a (V₁² - V₂²)

進一步簡化後，估計的風能為：

KE，pk = 0.5925 * 1/2pAV₁³

葉元理論

葉元理論假設風力渦輪機葉片某一部分的流動不影響相鄰部分。葉片上的這種細分稱為環帶。計算每個環帶的動量。然後將所有結果值相加以表示葉片，進而表示整個螺旋槳。

在每個環帶上，假設都感應到均勻分佈的速度。

動態匹配

結合動態進流模型，透過葉元動量理論改進估計值。基本的動態進流理論概念有助於估計葉片湍流的影響。將掠過面積設定為動態狀態，以幫助推匯出估計平均速度。

BEM理論僅給出穩定風下的估計值，但顯然會發生湍流。但是，這由基本的動態進流模型來解釋，以提供更現實的估計值。

特別是水平軸型別的風能產生量，已知是葉尖速度、使用的葉片總數以及具有翼型的側面的升阻比的乘積。動態進流法 (DIM)很好地解釋了對新的穩態平衡的重新調整。

動態進流法

DIM也稱為動態尾流理論，基於感應流，通常不是穩定的。它計算垂直於轉子的進流，並考慮其對動態流的影響。

這只是考慮了尾流效應，或者簡單地說，是由葉片旋轉引起的與轉子垂直排列的空氣的速度。然而，它假設切向速度是穩定的。這被稱為尾流效應，它的阻力降低了風力渦輪機的效率。

發電

風力渦輪機將風中的動能轉化為電力。它們使用風車中使用的古老概念，但也具有固有的技術，例如感測器，以檢測風向。一些風力渦輪機具有制動系統，可以在強風情況下停止執行，以保護轉子和葉片免受損壞。

轉子軸上連線有齒輪，用於將葉片的轉速提高到適合發電機的速度。在發電機內部，發生電磁感應（從機械能到電能轉換的基本方法）。軸旋轉圓柱形磁鐵與電線線圈相對。

風力發電站所有渦輪機的電力都彙集到電網系統中，並轉換為高壓電。這實際上是電網系統中輸電的常規技術。

需要大型表面傾斜葉片，但這應取決於寬葉片產生的噪音。一個風力發電場可能有多達100臺發電機，這將導致更大的噪音。

風能 - 風力渦輪機型別

風力渦輪機主要分為兩大類：

水平軸風力渦輪機 (HAWT)
垂直軸風力渦輪機 (VAWT)

讓我們詳細討論這兩種型別的風力渦輪機。

水平軸風力渦輪機

這些是類似風車的渦輪機，軸的頂部指向風向。由於它們必須指向風向，較小的渦輪機由安裝在結構上的風向標控制。較大的渦輪機具有帶有伺服裝置的風感測器來旋轉渦輪機。

它們還配備了齒輪箱，以加快緩慢的旋轉速度，使其足以驅動發電機渦輪機。葉片足夠堅固，可以避免因風的轉矩而斷裂或彎曲。

這種型別安裝在塔上；因此它們會遇到高速風。它們略微彎曲以減少掠過面積。較低的掠過面積可降低阻力，這可能會導致疲勞和失效。

垂直軸風力渦輪機

主根安裝在垂直軸上。這消除了與水平風力渦輪機相關的困難。子型別包括：

達裡烏斯風力渦輪機

這也被稱為打蛋器渦輪機，類似於一個巨大的打蛋器。它效率很高，但可能停機時間更多，因此可靠性較低。為了提高堅固性（葉片面積與轉子面積之比），應使用三個或更多葉片。

薩伏尼烏斯風力渦輪機

這種型別的可靠性高於達裡烏斯渦輪機。問題是它們不能安裝在塔頂。因此，它們暴露於湍流和不規則的風力模式。由於它們是阻力型渦輪機，因此與HAWT相比效率較低。優點是它們能夠承受極端湍流。

大多數VAWT無法自行啟動，需要外部能量才能啟動。為了獲得最佳效能，VAWT應安裝在屋頂上。屋頂將風引導到葉片中。

生物能源 - 簡介

生物質是指活的有機體和最近死亡的有機體。它不包括已經轉化為化石燃料的有機體。在能源生產中，它指的是用於透過燃燒產生能量的廢棄植物。

轉化為生物燃料的方法很多，主要分為化學的、熱力的和生物化學的。這是最古老也是最廣泛的再生能源。它有多種轉換方法。

傳統上，直接燃燒使用木柴作為燃料。先進的工藝，如熱解（制炭過程）、發酵和厭氧消化，將這些資源轉化為密度更高、易於運輸的形式，如油和乙醇。煤炭是熱解過程的產物，它透過在無氧條件下燃燒來增強物質。

生物燃料是指源自生物質的燃料。如前所述，生物質是指任何有機物，包括活的和死的，範圍從植物到有機廢物。在大多數情況下，富含油或糖的生物質是理想的能源生產原料。

術語生物能源是指從生物體（活的或死的）獲得的能量。這不包括化石燃料。我們可以根據其來源或產出方式對生物燃料進行分類。

按來源分類的生物燃料

木柴 − 源自樹木、灌木或灌木。木柴的例子包括木炭和木材。
農業燃料 − 從農產品生物質（如死亡作物）或其他植物部分（如穀物）中獲得。農業燃料主要來自糖類和油料作物。
市政副產品 - 源自主要城鎮收集的廢物。市政廢物分為兩類。固體廢物生物燃料來源於工業或商業機構固體廢物的直接燃燒。液體/氣體廢物生物燃料來源於收集廢物的發酵。

按代別分類的生物燃料

第一代 - 由糖類、植物油和動物脂肪加工而成，壓榨成油用於發動機燃燒，或發酵加工成乙醇用於相同目的。最終產品包括油類、生物柴油、酒精、合成氣、固體生物燃料和沼氣。
第二代 - 源自纖維素和廢物（非食用）。這些廢物來源於農作物秸稈和木材，包括生物氫、生物醇、二甲基甲醯胺（DMF）、木柴油、混合醇和生物二甲醚（DME）。
第三代 - 發現於藻類中，被認為能夠以低成本生產高產能的能源。藻類能源被稱為藻油。

生物能源 - 生物質生產

有機物被轉化為可用的形式，稱為生物能源。用於能源生產過程的材料被稱為原料。

為了更好地理解生物質，我們將首先探討各種來源。

生物質生產是指有機物數量的增加。它指特定區域或種群中增加的有機物。生物質被認為是可再生能源，因為它隨著動植物的生長而得到補充。

生產有兩種形式：

初級生產 指的是植物透過光合作用產生能量。產生的多餘能量被儲存起來，並增加到生態系統中的生物質總量。初級生產可以根據某一年森林覆蓋總面積來估算。
次級生產 是指有機物被生物體吸收為機體組織的過程。它包括動物的攝食，即無論是以其他動物為食還是以植物為食。它還包括微生物對有機物的分解。次級生產可以估算為每年生產的肉類總量。

雖然生物質可以測量為特定環境中活的有機體和死有機體的總質量，但產量卻難以估算。它只能估算為體積的增加，儘管部分新增生物質可能是透過自然過程替代的。

直接燃燒供熱

直接燃燒供熱是生物質轉化為能量的最古老方法，自早期文明以來就一直存在。熱化學轉化（燃燒）可以透過多種方式使用不同的原料來實現。

獨立燃燒

基於生物質的發電機使用源自植物油的柴油來驅動柴油發電機。發電機燃燒有機柴油產生能量來發電。

已知熱電聯產電廠可以同時發電和產生有用的熱能。陶瓷工業利用熱量來乾燥粘土瓦等產品。
一些電廠使用生物質來加熱水併產生蒸汽發電。燃燒生物質產生足夠的熱量來燒開水。
市政固體垃圾廠焚燒固體垃圾發電。這種型別容易受到批評，因為固體垃圾主要含有來自塑膠和合成纖維的有毒氣體。

生物質共燃

除了獨立燃燒外，生物質還可以與其他化石燃料混合燃燒以產生能量。這稱為共燃。

生物質可以直接作為煤燃燒。這被稱為直接共燃。
在其他情況下，生物質首先被加工成氣體，然後轉化為合成氣。
第三種情況是化石燃料在不同的爐子裡燃燒，然後產生的能量用於預熱蒸汽電廠裡的水。

燃燒型別

各種燃燒型別包括：

固定床燃燒 - 這是一種方法，其中固體生物質首先被切割成小塊，然後在平坦的固定表面上燃燒。
移動床燃燒 - 在這種方法中，爐排被設定為持續均勻地移動，留下灰燼。燃料在燃燒層中燃燒。
流化床燃燒 - 燃料在高壓下與沙子混合沸騰。沙子用於均勻地分配熱量。
燃燒器燃燒 - 在這種方法中，木粉和細粉被放置在類似於液體燃料的燃燒器中。
旋轉爐燃燒 - 使用窯爐燃燒水分含量高的有機物。例如食物殘渣或其他潮溼的農業廢物就是這樣燃燒的。

熱解

熱解是另一種透過在非常高的溫度下無氧燃燒來加工生物燃料的方法，這可能導致完全燃燒。這會導致不可逆的物理和化學變化。由於沒有氧化或鹵化過程，因此會產生非常緻密的生物燃料，可用於燃燒、共燃或轉化為氣體。

慢速熱解 在大約 400℃下進行。這是製造固體木炭的過程。
快速熱解 在 450℃ 到 600℃ 之間進行，產生有機氣體、熱解蒸汽和木炭。蒸汽透過冷凝處理成液體形式的生物油。這必須在 1 秒內完成以防止進一步反應。所得液體是比木材生物質密度更高的深棕色液體，能量含量相同。

生物油有很多優點。它更容易運輸、燃燒和儲存。許多種類的原料都可以透過熱解加工成生物油。

下圖解釋了透過熱解將生物燃料中的能量轉化為可用形式的過程。

酒精發酵

酒精發酵是將糖轉化為纖維素的過程。該過程產生乙醇和二氧化碳作為副產品。由於該過程在無氧條件下進行，因此被認為是厭氧的。除了烘焙麵包和製造酒精飲料外，此過程還會產生酒精燃料。酒精發酵的化學式如下：

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

甘蔗是此過程的主要原料，尤其是在乾旱地區。在溫帶地區使用玉米或糖渣。

產品應用

這些產品具有以下應用：

丙酮用於生產食品新增劑、溶解膠水、稀釋油漆、脫脂劑和化妝品。
氫氣用作電力行業的冷卻劑。它也用於氫燃料電池發電。
丁醇比乙醇提供更好的燃料。它也用作油漆、化妝品、樹脂、染料、聚合物提取和合成纖維製造中的成分。
乙醇用作燃料、油漆成分和防腐劑新增劑。它也用於酒精飲料。

沼氣的厭氧消化

厭氧消化 是有機物在無氧條件下分解產生沼氣的生物過程。產酸菌和產乙酸菌等微生物將可生物降解物質轉化為沼氣。除了作為能源外，它也是一種廢物處理方法和環境保護技術。

產生二氧化碳和甲烷的這種轉化的主要方程式如下：

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

分步過程解釋如下：

步驟 1 - 將有機物分解成適於轉化的較小分子。此過程稱為水解。
步驟 2 - 產酸菌作用於分解後的物質，將其轉化為揮發性脂肪酸 (VFA)，以及氨、CO2 和硫化氫。此過程稱為產酸。
步驟 3 - VFA 進一步分解成乙酸、二氧化碳和氫氣。
步驟 4 - 最後階段是將上述排放物結合起來產生甲醇、二氧化碳和水。

列印

列印頁面