Luku 6 Uusiutuva energia. ELEC-C6001Sähköenergiatekniikka ja Prof. Jorma Kyyrä

Transkriptio

1 Luku 6 Uusiutuva energia ELEC-C6001Sähköenergiatekniikka ja Prof. Jorma Kyyrä

2 Sisältö Aurinkoenergia Tuulivoima 6.2.1, 6.2.2, , muu luvut oheislukemista Hydrokineettiset järjestelmät Eri ratkaisujen periaatteet, mutta mekaniikan yhtälöt yms. ovat oheislukemista Geoterminen energia Biomassa Polttokennot Luvussa 6.6 olevat kemian liittyvät asiat ovat oheislukemista. Epäsäännöllinen energian tuotto Energiavarastot

3 Aurinkoenergia Auringon säteily avaruudessa on jopa 1,366 kw/m2 Maan pinnalla säteily on vaimeampaa useasta syystä johtuen, ilmakehä absorboi säteilyä ja säteily myös heijastuu partikkeleista Avaruuden säteilystä maan pinnalle päätyy 5-70 % Riippuu vuoden ja vuorokauden ajasta Paikasta maapallolla Suomessa auringon vuosittainen säteilyn määrä on n kwh/m² Tunnin aikana maapallon pinnalle tulee auringon säteilyenergiaa enemmän kuin koko ihmiskunta kuluttaa energiaa vuodessa

4 Clear sky insolation incident, horizontal surface (kwh/m 2 /day) Figure 6.3 NASA.) Average annual solar energy worldwide. (Courtesy of the National Aeronautic and Space Administration 006x003.eps

5 100% Density ratio 80% 60% 40% 2σ 20% 0% Time 24 Figure 6.4 A typical solar distribution function (solar power density in 24 h period). 006x004.eps

6 Figure 6.5 Passive thermosiphon hot water solar system. 006x005.tif

7 New supply of cold water Warm Warm water Lens T Sunrays Collector Figure 6.6 Thermosiphon hot water system. 006x006.eps

8 Receiver Collector mirror (a) Pipe Cold fluid Trough Sunrays Pipe Hot fluid (b) Trough Figure 6.7 Solar systems: (a) integrated solar combined cycle system and (b) concentrated trough. (Images are courtesy of the US Department of Energy, Washington, DC.) 006x007.eps

9 Empty space for extra electron Nucleus Electrons Figure 6.8 Silicon: atom and its crystal structures. 006x008.eps

10 Electron without bonding Si Si Si Extra space for electron Si Si Si Si Si Si P Si B Si Si Si Si Si Si n type p type Figure 6.9 Silicon (Si) doped with phosphorus (P) and boron (B). 006x009.eps

11 Lens I n-type p-type + Load Base Figure 6.10 Concentrating PV cell. 006x010.eps

12 Glass cover or lens Antireflective coating Contacts grid n-type material p-type Base Figure 6.11 Main parts of PV cell. 006x011.eps

13 Cathode (K) Cathode (K) n p V d I d Anode (A) Anode (A) Figure 6.12 Representation of a p n junction diode. 006x012.eps

14 V d I d + I d V l V s R Forwardbiased region I o Reverse-biased region V d Figure 6.13 Characteristic of p n junction diode. 006x013.eps

15 Solar cell I s Id V=V d I Load Figure 6.15 Modeling of ideal cell with current source. 006x015.eps

16 I d I s I o Vd V d I=I s I d Q II Q I V d Q III Q IV Figure 6.16 Current volt characteristics of the PV cell. 006x016.eps

17 I I sc I mp P max P V mp V oc V d Figure 6.17 Current voltage and power voltage characteristics of PV cell. 006x017.eps

18 I R 1 R 1 < R 2 < R 3 1 Load lines 2 R 2 3 R 3 V oc V Figure 6.20 Operating points of the solar cell connected to a resistive load. 006x020.eps

19 I ρ 3 ρ 1 < ρ 2 < ρ 3 ρ Load line ρ 1 1 V Figure 6.21 Effect of irradiance on the operating point. 006x021.eps

20 P ρ 1 < ρ 2 < ρ 3 ρ 1 ρ 2 ρ 3 V Figure 6.22 Effect of irradiance on PV output power. 006x022.eps

21 Module or panel Array System Figure 6.25 PV module, PV array, and PV system. (Images courtesy of the US Department of Energy, Washington, DC.) 006x025.eps

22 I s1 I d1 V d1 Load I d2 V d2 I s2 Figure 6.26 Solar cells in series. 006x026.eps

23 I s1 I d1 V d1 V Load I s2 I d2 V d2 Figure 6.28 Solar cells in parallel. 006x028.eps

24 Solar cell R s I I s I d V d R p I p V Load I Figure 6.32 Model of real PV cell. 006x032.eps

25 Figure 6.33 Various photovoltaic systems. (Image courtesy of the US Department of Energy, Washington, DC.) 006x033.eps

26 Solar array House dc current Charger/ discharger Converter ac current Battery Local load Figure 6.34 Storage PV system. 006x034.eps

27 Solar array House dc current Converter ac current Meter To utility Local load Figure 6.35 Direct PV system. 006x035.eps

28 $6.0 $5.0 $5.0 $4.0 $/kwh $3.0 $2.0 $1.0 $1.5 $0.6 $0.4 $0.3 $ Year Figure 6.36 Price of kwh from PV systems. 006x036.eps

29 Figure 6.37 High power PV systems. (Images are courtesy of the US Department of Energy, Washington, DC.) 006x037.eps

30 6.2 Tuulienergia Käytetty jo tuhansia vuosia mm. purjehduksessa, noin 5000 sitten Egyptissä Ensimmäiset tuulimyllyt noin 3000 BC Kiinassa ja sen jälkeen Babyloniassa Ensimmäinen tuuliturbiinin rakensi Charles F. Brush 1888 Suurimmat tuulivoimalat ovat nykyään jopa 8 MW, 6.2.1, 6.2.2, , muu oheislukemista

31 World Wind Energy Association

32

33 Suomen tuulivoimatilasto, VTT

34 Tuulivoimalat Suomessa Nykyisten voimaloiden sijaintipaikat Uudet suunnitelmat kartalla

35 Suomen tuuliatlas index.html

36 Määritelmiä (1/2) Tuotanto roottorin pyyhkäisypinta-alaa kohti (kwh/m2): Tuotanto roottorin pyyhkäisypinta-alaa kohden kertoo, kuinka paljon energiaa on tuotettu roottorin pinta-alaan nähden. Nyrkkisääntönä on, että voimala on tuottanut hyvin, mikäli vuosituotannosta laskettu luku on yli 1000k Wh/m2. Huipunkäyttöaika th (h): Tuulivoimaloiden energiantuotanto vaihtelee välillä 0 % % nimellistehosta. Th kuvaa sen ajan pituutta, joka kuluisi vuodessa tuotetun energian tuottamiseen, mikäli tuulivoimala toimisi koko ajan nimellistehollaan Esimerkiksi 2500 tunnin huipunkäyttöaika sitä että laitos on tuottanut vuoden aikana energiamäärän, jonka laitos tuottaisi toimiessaan nimellistehollaan 2500 tuntia Mikäli tuulivoimalan vuotuinen huipunkäyttöaika on yli 2400 tuntia, on laitos tuottanut hyvin. Kapasiteettikerroin CF: Kapasiteettikerroin CF kertoo huipunkäyttöajan suhteessa vuoden tunteihin ja se kuvaa siten oleellisesti samaa asiaa kuin huipunkäyttöaika Kapasiteettikerroin on käytössä erityisesti englanninkielisessä kirjallisuudessa

37 Määritelmiä (2/2) Tuotantoindeksi IL (%) Tuotantoindeksi on sääasemilla mitattujen tuulennopeushavaintojen perusteella laskettu tuotanto suhteessa pitkän aikavälin havainnoista laskettuun keskimääräiseen tuotantoon Suomen tuulivoimatilastoissa keskimääräinen tuotanto on tällä hetkellä laskettu vuosien tuulennopeushavainnoista. Tuulennopeushavainnot muutetaan keskitehoksi käyttäen 1500 kw tuulivoimalaitoksen tehokäyrää ja huomioiden ilman tiheyden vaikutus tehontuotantoon Tuotantoindeksiä tarvitaan kun halutaan selvittää, kuinka tuulinen jokin tietty ajanjakso oli suhteessa pitkän aikavälin keskimääräiseen tuulisuuteen. Asia on erityisen tärkeä tuulivoimainvestointien yhteydessä, jolloin on selvitettävä mikä on tuotantoennuste voimalahankkeen eliniän ylitse.

38 Rotating blades Low-speed shaft High-speed shaft Housing Hub (Nacelle) generator Gear box Yaw Tower (a) Figure 6.39 (b) Basic components of a wind-generating system: (a) horizontal design and (b) main parts. 006x039.eps

39 (a) Figure 6.40 (a) Housing and (b) blade of a 1.8 MW wind generating system. (b) 006x040.eps

40 Center of gravity Mean camber line Cord line Figure 6.42 Mean camber line, center of gravity of airfoil, and cord line. 006x042.eps

41 w 1 w Airfoil w 2 Figure 6.43 Flow of air around airfoil. 006x043.eps

42 Pr 1 Airfoil Pr 2 Figure 6.44 Bernoulli s principle. 006x044.eps

43 Aerodynamic force Wind direction Airfoil Figure 6.45 Aerodynamic force. 006x045.eps

44 F w F L α F L F D F α F L F F D (a) (b) (c) w α F F D α F D F L F (d) (e) Figure 6.46 Aerodynamic forces and angle-of-attack: (a) horizontal position all aerodynamic force is lift; (b) positive angle-of attack aerodynamic force has lift and drag; (c) increasing positive angle-of attack, less lift, and more drag; (d) increasing positive angle-of attack until aerodynamic force is all drag; and (e) negative angle-of attack lift is reversed. 006x046.eps

45 Lift Maximum lift Stall Angle for zero lift α 0 α max α Figure 6.47 Lift force as a function of angle-of-attack. 006x047.eps

46 w α β Vertical motion of the center of gravity Cord line Figure 6.48 Relative wind speed, angle of attack and pitch angle. 006x048.eps

47 Captured power from wind P blade Input to gearbox P gear Input to generator P g Output power P out Losses in rotating blades and rotor mechanism Losses in gearbox Losses in generator Figure 6.49 Power flow of a wind turbine. 006x049.eps

48 P out P rated B C D A w min w B w max w Figure 6.50 Output power of wind turbine. 006x050.eps

49 v tip Blade ω r Figure 6.51 Tip velocity. 006x051.eps

50 C p C p max TSR ideal TSR Figure 6.52 Coefficient of performance as a function of TSR. 006x052.eps

51 C p C p max TSR ideal Stronger wind Weaker wind TSR Figure 6.53 Tracking maximum C p by adjusting the speed of the blade. 006x053.eps

52 Figure 6.57 Horizontal axis wind turbines. 006x057.tif

53 Figure 6.58 Lifting of gearbox and brakes of HAWT. (Courtesy of Paul Anderson through Wikipedia.) 006x058.tif

54 Figure 6.59 Vertical axis wind turbine. (Courtesy of US National Renewable Energy Lab.) 006x059.tif

55 Farm collection point Grid connection point HV-GSU point Trunk line G Gear box Grid GSU xfm Figure 6.60 Type 1 wind turbine system. 006x060.eps

56 Farm collection point G Gear box Rotor converter Figure 6.61 Type 2 wind turbine system. 006x061.eps

57 Farm collection point G Gear box ac/dc dc/ac dc link ac/dc dc/ac Link converter Rotor converter Figure 6.62 Type 3 wind turbine system. 006x062.eps

58 Farm collection point AC/AC G Full converter Figure 6.63 Type 4 wind turbine system. 006x063.eps

59 Figure 6.65 DC.) Wind farm located in California. (Images are courtesy of the U.S. Department of Energy, Washington, 006x065.eps

60 Figure 6.66 Two megawatt offshore wind turbine farm in Denmark. (Image courtesy of LM Glasfiber Group.) 006x066.tif

61 6.3 Hydrokineettiset järjestelmät Pienet vesivoimalat Vuorovesivoimalat Aaltoenergia Eri ratkaisujen periaateet, mutta mekaaniikan yhtälöt yms ovat oheislukemista.

62 Reservoir Penstock Generator Head Turbine Discharge Figure 6.69 Small hydroelectric system with reservoir. 006x069.eps

63 Power at the entrance of penstock P p-in Power at the end of penstock P p-out Blade power P blade Input power to generator P m Output electric power P g Penstock losses Hydro losses Turbine losses Generator losses Figure 6.70 Power flow in small hydroelectric system. 006x070.eps

64 Sea side Barrage Shore Lagoon side Turbine Lagoon side Sea side Water flow Water flow H high H low (a) Figure 6.71 Barrage tidal energy system: (a) high tide and (b) low tide. (b) 006x071.eps

65 Generator Turbine Water flow Figure 6.73 Diversion-type small hydroelectric system. 006x073.eps

66 (a) (b) Figure 6.74 WS energy system: (a) turbine and (b) conceptual design of a farm. (Images courtesy of Marine Current Turbines Limited.) 006x074.eps

67 Crest Trough Amplitude (α) Height (h) Seawater level Wavelength (λ) Figure 6.75 Wave parameters. 006x075.eps

68 Float Wave Coil (mounted on enclose) V Magnets (anchored) Enclosure (mounted on float) Linear generator Anchor line Figure 6.76 Buoyant moored system. 006x076.eps

69 Figure 6.77 Buoyant actuator during the installation. (Courtesy of Carnegie Wave Energy through Wikipedia.) 006x077.tif

70 Float Wave Line Linear generator Figure 6.78 Buoyant moored system anchored on ocean floor. 006x078.eps

71 Float Hydroelectric power plant Seawater piston High pressure flow line Figure 6.79 Oyster system. 006x079.eps

72 Generator Wave G M Hydraulic motor Pistons Hinges G M Piston Hydraulic motor Figure 6.80 Main components of hinged contour system. 006x080.eps

73 Figure 6.81 HC system. (Courtesy of Pelamis Wave Energy through Wikipedia.) 006x081.tif

74 Figure 6.82 The front pontoon. (Courtesy of Pelamis Wave Energy through Wikipedia.) 006x082.tif

75 Linear generator Chamber Wave Figure 6.83 Oscillating column system. 006x083.eps

76 6.4 Geoenergia Lämpöpumput Sähkön tuotanto maalämmöllä Maalampövoimalat

77 2900 km Mantle Earth s crust 6370 km Outer core Inner core Center of earth Figure 6.84 Cross section of Earth. 006x084.eps

78 Temperature 40 km Depth Mantle km Figure 6.85 Geothermal gradient of Earth. 006x085.eps

79 Warm air to house Hot water tank Pump and heat exchangers Return cool air Ground Geo-exchanger Figure 6.87 Heat pump system. 006x087.eps

80 Figure 6.88 Steam generated from rain even in cold environment. 006x088.tif

81 Steam Rain water Rain water Steam reservoir Melton rock Figure 6.89 Geothermal reservoir. 006x089.eps

82 Hot water extraction Cold water injection Stimulated fractures Low-temperature sediment Hot rocks (Granite) 3 15 km Figure 6.90 Hot dry rock site. 006x090.eps

83 Steam Turbine G Cooling tower Mist eliminator Reservoir Heat Magma Figure 6.91 Reservoir type geothermal power plant. 006x091.eps

84 Thermal turbine Generator G Cooling tower Heat exchanger Stimulated fractures Low-temperature sediment Hot rocks (Granite) 3 15 km Figure 6.92 Hot dry rock geothermal power plant. 006x092.eps

85 Figure 6.93 The Geyser s in northern California the first geothermal power plant in the United States. 006x093.tif

86 Turbine G Condenser Steam Stack Water pipes Furnace Filter Storage Light ash to landfills Heavy ash to landfills Figure 6.95 Biomass incineration power plant. 006x095.eps

87 6.6 Polttokennot Ensimmäiset polttokennot on kehitetty jo 1839 Francis Bacon 1939 ja sen jälkeen käytetty NASAn avaruuslennoilla Useimmat polttokennot käyttävät vetyä ja happea sähkön tuottamiseen. Sivutuotteena syntyy vettä. Osa polttokennoista voi käyttää polttoaineen suoraan metanolia eikä silloin tarvita erillistä reformointiprosessia vedyn tuottamiseen Luvussa 6.6 olevat kemian liittyvät asiat ovat oheislukemista.

88 Polttokennotyypit

89 H 2 O CO 2 CH 2 H 2 Water (H 2 O) O 2 Reformer CO 2 CO CO conversion H 2 Fuel cell Figure 6.96 Generation of hydrogen. 006x096.eps

90 Shell Electron Proton H H 2 Figure 6.97 Hydrogen atom and hydrogen gas. 006x097.eps

91 Load I Hydrogen (2H 2 ) + Hydrogen ions (4H + ) Oxygen (O 2 ) Anode Electrolyte Cathode Water (2H 2 O) Figure 6.98 PEM FC. 006x098.eps

92 Figure 6.99 PEM fuel cell. 006x099.tif

93 Renewable energy system Electricity Hydrogen generation Hydrogen Distribution infrastructure Co-Gen industrial use air conditioning, etc. Steam Oxygen Hydrogen Oxygen Steam Co-Gen industrial use air conditioning, etc. FC system FC system Water for drinking, agriculture, etc. Water Electricity Electricity Electricity Electric load Electric load Water Water for drinking, agriculture, etc. Utility grid Figure Hydrogen-based energy system. 006x105.eps

94 Gibbs free energy G Electric load Anode Cathode Enthalpy energy H Hydrogen Fuel cell Enthropy energy Q H 2 O Figure Gibbs free energy. 006x106.eps

95 1.6 Voltage (V) and power (W) Voltage Power Current (A) Figure Polarization and power curves of FC in Example x108.eps

96 6.8 Energiavarastot Uusiutuvan energian tuotanto on hyvin vaihtelevaa ja usein myös vaikea ennustaa etukäteen Tuotannon vaihdellessa tarvitaan Reservituotantoa Varastoja, joihin aiemmin yli tuotannon varastoitu energia varastoidaan Kulutuksen säännöstelyä Alessandro Volta kehitti akuston jo 1800, mutta energian laajamittainen ja taloudellinen varastointi on edelleen yksi tärkeimmistä avoimista kysymyksistä

97 Generated energy Consumed energy Figure Balance of electric energy. 006x109.eps

98 Figure PHS system. (Courtesy of the United States Army Corps of Engineers.) 006x110.tif

99 Energy from grid Exhaust Fuel Energy to grid Recuperator M Compressor Turbine G Motor Generator Cavern Figure Main components of compressed air energy storage system. 006x111.eps

100 Magnetic bearing Stator winding High-inertia rotor Stator winding Magnetic bearing Figure Main components of flywheel. 006x112.eps