ALTERNATIVNI IZVORI ENERGIJE

Prirodni izvori energije koji se mogu obnavljati (energija vjetra, vode, biomase, Sunca, mora (plime i oseke, talasa), geotermalna energija)Fosilna goriva – do polovine 20. vijeka

ograničene količine i onečišćenje okoliša

4 pitanja vezano za praktičnu primjenu OIE: izvor energije primjena energije uticaj na okoliš cijena energije održivi razvoj

ENERGIJA I ODRŽIVI RAZVOJ

održivi razvoj - život, proizvodnja i konzumiranje na način da se zadovolje potrebe današnjice bez da se ugrožavaju buduće generacije i njihove potrebe

''razvoj'' - poboljšanje kvalitete života te posebno životnog standarda u manje razvijenim zemljama

cilj održivog razvoja - poboljšanje kvaliteta života ali uz održavanje ekoloških procesa

koncept održivog razvoja - opće prihvaćen nakon Izvještaja Svjetske komisije za okoliš i razvoj (1987.)

svjetska potrošnja energije porasla je za više od 10 puta u toku 20. vijeka

21. Vijek - može se očekivati povećanje svjetske potrošnje energije (zbog porasta industrijalizacije i potražnje u ranije manje razvijenim zemljama)

cijena energije – izazov za održivi ekonomski razvoj osigurati učinkovitu proizvodnju i visok stepen iskoristivosti fosilna goriva - zalihe su ograničene, štetne emisije i ekološka

održivost pojačani efekti staklene bašte i značajne klimatske promjene negativan uticaj na proizvodnju hrane, opskrbu vodom i na čovjeka najopasniji izvori energije trenutno su fosilna goriva, dok

potencijalnu opasnost predstavlja i iskorišteno radioaktivno gorivo iz nuklearnih elektrana

Svi nacionalni energetski planovi uključuju 4 važna faktora za poboljšanje ili održavanje društvene koristi od energije:

1. povećano iskorištavanje obnovljivih izvora energije2. povećana efikasnost opskrbe i krajnje upotrebe3. smanjenje onečišćenja4. razmatranje načina života

Potrebe za izvorima energije – model R=EN

R- ukupne potrebe za energijom na godišnjem nivou za populaciju od N ljudiE - prosječna potrošnja energije po glavi stanovnika

Bruto nacionalni proizvod po glavi stanovnika S (mjera životnog standarda) S=fEf - složeni i nelinearni koeficijent koji sam po sebi zavisi od više parametara, može se smatrati kao efikasnost transformacije energije u korisno dobro, te prema tradicionalnim ekonomijama očekuje se da ima što veću vrijednost. Ipak, S ne raste ravnomjerno sa E. Vrijednost S može čak i padati za veliko E.

Porast ukupne opskrbe energijom je 4-8% po godini.

Definicije Obnovljiva energija

energija dobivena iz prirodnih i postojanih energetskih tokova koji se javljaju u neposrednom okruženju

ovaj vid energije protiče ili struji okolišem nezavisno od toga da li se zahvata ili iskorištava

naziva se Zelena energija ili održiva energija Neobnovljiva energija

energija dobivena iz statičnih energetskih zaliha koje se nalaze pod zemljom

nuklearna goriva, fosilna goriva od uglja, nafte ili prirodnog gasa

energija u početnom stanju je izolirani energetski potencijal, a spoljašnje aktivnosti su neophodne za pokretanje snabdijevanja energijom

energija konačne (ograničene) zalihe ili Smeđa energija

Izvori energijePostoji 5 primarnih izvora korisne energije:

Sunce kretanje i gravitacioni potencijal Sunca, Mjeseca i Zemlje geotermalna energija koja potiče od hlađenja, hemijskih reakcija i

radioaktivnih raspada u zemlji ljudskom aktivnošću izazvane nuklearne reakcije hemijske reakcije koje potiču od mineralnih izvora

PLANIRANJE ENERGIJEKompletni energetski sistemi se moraju analizirati i snabdijevanje energijom se ne može razmatrati odvojeno od krajnje upotrebe

precizne potrebe za energijom se često zaboravljaju i zalihe nisu usklađene sa krajnjom upotrebom

rezultat toga su energetski gubici i neekonomični postupciProračuni efikasnosti sistema najbolje mogu ukazati na nepotrebne gubitke

efikasnost - omjer korisne izlazne energije naspram ukupne ulazne energije u toku procesa

Upravljanje energijom - bitno s ciljem poboljšanja ukupne efikasnosti i smanjenja ekonomskih gubitaka

nijedna opskrba energijom nije besplatna obnovljivi izvori su često mnogo skuplji u praksi nego što bi se

očekivalo faktori koji utiču na efikasnost su:

zagađenje (kod ograničenih izvora) i kapitalna ulaganja (kod obnavljivih izvora)

NAUČNI PRINCIPI OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE

Energetski tokovi

neophodno je osigurati da su dovoljne količine energije iz obnovljivih izvora prisutne u lokalnom okruženju

lokalno okruženje se mora posmatrati i analizirati tokom dužeg vremenskog perioda kako bi se uočilo koji tokovi energije su prisutni odnosno iskoristivi

Dinamičke karakteristike krajnje potrebe za energijom se mijenjaju tokom vremena kada su u pitanju sistemi sa obnovljivim izvorima energije nije

prisutna samo varijacija nekontrolisane krajnje upotrebe energije već i prirodnog izvora u okolišu

potrebno usaglašavanje dinamičkih karakteristika pri proizvodnji i potrošnji energije

Kvalitet snabdijevanja kvalitet se definiše kao udio energetskog izvora koji se može

pretvoriti u mehanički rad električna energija je visoke kvalitete jer kada se upotrebljava u

električnim motorima preko 95% ulazne energije se može pretvoriti u mehanički rad

kvalitet nuklearnog, fosilnog ili goriva biomase u jednostepenim TE je umjereno nizak; samo oko 33% kalorijske vrijednosti goriva se može pojaviti u obliku mehaničkog rada, a oko 67% se gubi u okolini vidu toplote

Podjela sistema za snabdijevanje sa OIE: Mehaničko snabdijevanje Snabdijevanje toplotom Fotonski procesi

Mehaničko snabdijevanje voda, vjetar, talas, plima i oseka mehanički izvori energije se često transfomišu u električnu

energiju sa visokom efikasnošćuSnabdijevanje toplotom

sagorijevanje biomase ili sunčani kolektori ovi izvori obezbjeđuju toplotu sa velikom efikasnošću

Fotonski procesi fotosinteza, fotohemijski procesi i fotonaponska konverzija solarni fotoni iste frekvencije se mogu transformisati u

mehanički rad sa visokom efikasnošću upotrebom pripadajućih ćelija

Rasuta (distribuirana) naspram centralizovane energije izrazita razlika između obnovljivih i ograničenih izvora energije jeste

gustina energetskog fluksa na početnoj transformacijiZavisnost od lokacije i okruženja (Zavisnost od situacije)

nijedan obnovljivi izvor energije nije univerzalno primjenjiv

različite mogućnosti lokalnog okruženja za snabdijevanje energijom ali i prikladnost društva da prihvati energiju

potrebno je 'istražiti' okruženje po pitanju obnovljivih izvora energije provesti energetska mjerenja po pitanju domaćih, poljoprivrednih ili

industrijskih potreba u lokalnoj zajednici uskladiti posebne potrebe krajnjih korisnika i snabdijevanje

energijom, u skladu sa ekonomskim i ekološkim ograničenjima planiranje obnovljivih izvora energije se može vršiti u rasponu do

nekih 250 km, ali sigurno ne na 2500 km

TEHNIČKE IMPLIKACIJE (POSLJEDICE) Istraživanje okoliša (prospekcija) Zahtjevi krajnjeg korištenja i efikasnost Usaglašavanje ponude i potražnje Mogućnosti upravljanja (kontrole)

Istraživanje okoliša (prospekcija) monitoring određenog područja je neophodno provoditi nekoliko

godina stalne analize trebaju osigurati da se dobivaju korisni podaci

posebno vezani za dinamičke karakteristike planiranog energetskog sistema

povezivanje sa meteorološkim parametrima, poljoprivrednim podacima i istraživanjima morskih područja može doprinijeti dobivanju mnogo više osnovnih informacija

Zahtjevi krajnjeg korištenja i efikasnost proizvodnja energije uvijek mora slijediti nakon kvantitativne i

cjelovite procjene energetskih potreba budući da nijedan izvor energije nije jeftin ili da se javlja bez

poremećaja u okolišu takođe je važno efikasno koristiti energiju uz dobre metode skladištenja i uštede energije

Usaglašavanje ponude i potražnje poslije kvantifikacije i analize posebnih dinamičkih karakteristika

krajnih potreba i mogućnosti snabdijevanja iz okoliša, ukupna potražnja i izvori se moraju usaglasiti

1. maksimalna količina energije okoliša mora se koristiti unutar kapaciteta uređaja i sistema za obnovljive izvore energije

2. negativna povratna sprega između potražnje i snabdijevanja nije povoljna pošto je rezultat gubitak ili rasipanje iskoristive energije

3. prirodni periodi i dinamičke osobine krajnje upotrebe najviše odstupaju od karakteristika obnovljivih izvora

jedini način da se usaglase izvori napajanja i potražnja sa različitim dinamičkim karakteristikama, a da se uz to troši iskoristiva energija je ugradnja određenih skladišta (akumulatora)

zadovoljavajući načini skladištenja energije su skupi pogotovo ako nisu objedinjeni u početnoj (najranijoj) fazi planiranja sistema

4. teškoće koje se javljaju pri usaglašavanju obnovljivih izvora energije i krajnjih potreba za energijom u samostalnim sistemima su toliko izražene da je uobičajen pristup odvojiti izvor od lokalnih potreba tako da se izvor poveže na energetsku mrežu

obnovljivi izvor je ugrađen u energetsku mrežu koja ima ulaz od ograničenih izvora (feedback control - povratna sprega)

dodatak znatnog prostora za pohranu energije u sistemu može povećati efikasnost i omogućiti povećanje udjela obnovljivih izvora

5. najefikasniji način korištenja obnovljivih izvora energije podrazumijeva dostupnost cijelog niza krajnjih upotreba i moguće je uključivanje ili prilagođavanje tako da ukupno opterećenje odgovara izvoru napajanja

neki od blokova primjene se mogu sami prilagođavati ovakvi sistemi zahtijevaju tzv. feedforward control

Mogućnosti upravljanja (kontrole) dobro usaglašavanje proizvodnje energije iz obnovljivih izvora i

krajnjih potreba se postiže kontrolom mehanizama, uređaja i sistema

postoje tri moguće kategorije kontrole:1. rasipanje viška energije - rasipanje viška energije se lako kontrolira i predstavlja najjeftiniju opciju2. ugrađeni akumulatori (skladištenje) - skladištenje energije prije transformacije omogućava da se zahvati maksimalna energija iz okoliša i na kraju iskoristi3. upravljanje opterećenjem - mogu se uključiti i kontrolirati

paralelno razmješteni krajnji korisnici kako bi se ostvarilo optimalno opterećenje izvora

DRUŠTVENE IMPLIKACIJE Razgranatost Zagađenje i uticaj na okoliš Budućnost

Zagađenje i uticaj na okoliš OIE se dobivaju iz tokova energije koji su prisutni u samom okolišu

energija se vraća okolini, tako da se ne javlja toplotno zagađenje, osim u maloj mjeri

hemijsko zagađenje vazduha, vode i otpada je zanemarivo izuzetak je zagađenje vazduha koje nastaje zbog

nekompletnog sagorijevanja biomase ili otpada Budućnost

uticaj moderne nauke i tehnologije osigurava značajna poboljšanja starijih tehnologija što dovodi do napredovanja životnog standarda, posebno u ruralnim i prethodno manje razvijenim područjima

OSNOVE DINAMIKE FLUIDA fluidi - gasovi i tečnosti

razlika između tečnosti i gasova se ogleda u tome da se gasovi lako sabijaju, dok se zapremina tečnosti mijenja samo neznatno sa promjenama temperature i pritiska

pV=nRT

Očuvanje energije: Bernoullijeva jednačina neprekidno strujanje nestišljivog fluida

ako se zanemari trenje fluida

Očuvanje impulsa II Newtonov zakon se može formulisati za fluide, u obliku:

“Pri neprekidnom toku u svakom trenutku rezultantna sila koja djeluje na pokretni fluid kroz konstantnu zapreminu prostora je jednaka proteklom impulsu iz zatvorene površine koja ograničava datu zapreminu u jedinici vremena”.

Viskoznost pretpostavimo da se između paralelnih ploča nalazi fluid te da se

gornja ploča pomjera brzinom u1 u odnosu na donju ploču eksperimentalno je utvrđeno, na makroskopskom nivou, da fluid ne

klizi po čvrstoj podlozi može se smatrati da dio fluida odmah uz površine ploča ima istu

brzinu i smjer kretanja kao i pločaTurbulentno strujanje

turbulentno strujanje se javlja, u opštem slučaju, zbog nestabilnosti pri brzom kretanju fluida

Rejnoldsov broj:

Služi za utvrđivanje karaktera strujanja fluidau - srednja brzina strujanjaX -karakteristična dužina posmatranog sistema (prečnik cijevi)v - kinematička viskoznost fluida

Trenje pri strujanju kroz cijev ako je prisutno trenje pri strujanju fluida kroz cijev dolazi do

'gubitka' ili 'rasipanja' korisne energije ili pritiska to može dovesti do značajne neefikasnosti pri proizvodnji

hidroenergije, pri konverziji termalne energije okeana (OTEC) ili pri svim slučajevima gdje se toplota prenosi putem toka mase

Sile uzgona i vučne sile: fluid i pogoni turbine sile uzgona i vučne sile su osnova za kretanje turbine u osnovi svake turbine jeste kružno kretanje oko ose koje potiče od

protoka vode ili vazduha

SUNCE Sunčevo svjetlo uticalo je na građenje od samog početka historije

građenja. Energija Sunca osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa

na Zemlji. Sunce je nama najbliza zvijezda te, neposredno ill posredno, izvor

gotovo sve raspolozive energije na Zemlji. Sunčeva energija potiče od nuklearnih reakcija u njegovom

sredistu. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodonikovih atoma nastaje helijum, uz oslobađanje velike količine energije.

Svake sekunde na ovaj način u helijum prelazi oko 600 miliona tona vodonika, pri čemu se masa od nekih 4 miliona tona vodonika pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i toplote širi u Svemir pa tako jedan mali dio dolazi i do Zemlje. Spektar Sunčevog zračenja približno odgovara spektru crnog tijela na temperaturi od 5760 K. Pomoću nje je primjenom Plankovog zakona, moguće proračunati energetski spektar Sunčevog zračenja.

Spektar elektromagnetnog Sunčevog zračenja sastoji se od ultraljubicastog ,vidljivog i infracrvenog dijela. Ultraljubičasti dio nosi oko 9%, vidljivi oko 41,5% i infracrveni oko 49,5% ukupne energije Sunčevog zračenja.

Prolaskom kroz Zemljinu atmosferu 30 % Sunčeve energije se apsorbuje a 70 % padne po 1 m2 Zemljine površine.

Količina energije koja dospije je oko 0,83 kW po m2 na svakih osam sati sunčanog dana.

Intenzite Sunčevog zračenja mijenja se tokom godine zbog promjena udaljenosti Zemlje od Sunca.

Smanjenje zračenja pri prolasku kroz atmosferu ovisno je o atmosferskim prilikama (vedro, oblačno, poluoblačno), o zagađenosti atmosfere i o nadmorskoj visini.

Energija Sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko svoje osi i oko Sunca.

Snaga Sunčeva zračenja na ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 13701 W/m2. Do površine Zemlje stiže otprilike pola.

Ukupno Sunčevo zračenje koje dođe na Zemlju vrati se natrag u svemir.

Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi o prilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenu prosječne snage Sunčeva zračenja na površini zemlje tokom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2.

Količina energije koju Sunce u svakom satu emitira prema Zemlji dovoljna je za pokrivanje sveukupnih energetskih potreba čovječanstva u cijeloj kalendarskoj godini!

Direktno zračenje - direktno zračenje Sunca. Ono je malih talasnih dužina te se stoga zove i kratkotalasno zračenje Sunca. Zračenje koje nije bilo raspršeno ili apsorbovano. Dolazi iz smjera izvora.

Raspršeno (difuzno) zračenje - Sunčevo zračenje koje se u atmosferi raspršilo na atmosferskim sastojcima, te stoga dolazi iz svih smjerova. Uvijek postoji danju i tokom sumraka. Kada ga ne bi bilo, u sjeni predmeta bio bi potpuni mrak.

Insolacija - količina energije što je prima Zemlja sa sunčevim zrakama. To zračenje sadrži najviše od emitovane energije u obliku kratkotalasnog zračenja i svjetla.

Samo jedan dio kratkotalasnog zračenja dospijeva do zemljine površine, a preostali dio energije se reflektuje, rasipa ili ju upije atmosfera.

PRENOS TOPLOTE

Ovdje je prikazan jednostavan pristup za opisivanje procesa “prenosa toplote”.

Solarni bojler na slici prima toplinu sunčevog zračenja na oko 1 kWm-2 maksimalnog intenziteta, proizvodeći na površini oko 50ºC temperaturu višu od temperature okoliša.

Toplota se gubi s tih površina dugim talasnim dužinama zračenja, kondukcijom i konvekcijom.

Korisna toplota se uklanja prenosom mase. Preporuka je postavit kružni prenos toplote (Slika c) te izračunati

svaki proces prenosa do tačnosti od oko 50%.

ANALIZA POSTUPKA PRENOSA TOPLOTE

Svaki proces se može opisati pomoću jednadžbe oblika

gdje je Pij -je protok toplote između površina na temperaturama Ti (toplije) i TJ (hladnije), a Rij zove se termalni otpor.

U općem Rij nije konstantna s obzirom na osobine temperature, a može se i brzo mijenjati nelinearno s promjenom površinske temperature i temperaturnim razlikama.

Međutim, za naše potrebe toplota protoka Pij ovisit će najjače od razlike Ti-Tj, i treba napomenuti da varijacija Rij s temperaturom je uvijek slabija.

Ako je smjer toplinskog toka očigledan onda se formula može napisati kao:

U poređenju s Omovim zakonom imamo:

Primjenimo na datu sliku:

KONDUKCIJAKondukcija je prenos toplote vibracijom molekula i gasova bez prenosa zapremine, koja takodje može biti prisutna kod gasova i tečnosti. Posmatrajući protok toplote kroz pločasti materijal površine A, debljine ∆x, promjena temperature na površini se može opisati jednačinom:

gdje je k termalna provodljivost.

KONVEKCIJA

je prenos toplote kroz fluid (tečnost ili gas) prirodna i prinudna konvekcija Prinudna daje protok toplote bez uticaja spoljačnjih faktora (vjetra)

kao što je kod prinudne konvekcije

PRENOS TOPLOTE ZRAČENJEM

J-na predstavlja zavisnost spektralne distribucije od upadnog zračenja

Slobodna i prouzrokovana konvekcija je prenos toplote putem mase fluida.

Analiza se zasniva na interakciji između površine i tečnosti. Međutim, postoje česte praktične aplikacije gdje se energija prenosi

putem pokretne tečnosti ili čvrstog tijela bez obzira na prenos toplote preko površine - na primjer, kada se topla voda pumpa kroz cijev iz solarnog kolektora u tank za spremanje.

Na taj način otpor se može izračunati na sljedeci nacin:

Na ovaj način je pokazano da je protok toplote okarakterisan

spoljašnjim faktorima kontrolišući protok mase, a ne temperaturnom razlikom.

Teoretsko razmatranje brzine isparavanja je veoma teško zbog uticaja mnogih faktora kao što su: gustina, viskoznost, specifična toplota i termalna provodljivost, latentna toplota, diferencijal pritiska i temperature.

Termalni otpor je definisan sa relacijom:

UREĐAJ ZA RAZMJENU TOPLOTE Postoje uređaji za razmjenu toplote sa jedne tečnosti na drugu bez

mješanja istih. Posmatrajmo fluid A koji u unutrašnjoj cijevi dobija toplotu i fluid B

koji gubi toplotu.Uzimajući u obzir gustinu, toplotni kapacitet i zapreminski protok efikasnost se može izračunati na osnovu jednačine:

Kada su iste vrijednosti gustine i toplotnog kapaciteta, a

temperature manje od 50ºC, mozemo pisati :

Ako je spoljašnji vazduh na temperaturi T0, a unutrašnji na temperaturi T1,

i ako je T2≈T

PRAKTIČNI PRIMJERI SOLARNE ENERGIJE

Toplinska primjena Sunčeve energije Toplinske primjene Sunčeve energije mogu se podijeliti na nekoliko

osnovnih načina: - prema načinu korištenja na:

aktivne pasivne

- prema području radnih temperatura na: visokotemperaturne niskotemperaturne - prema skali na kojoj se koriste na:

male (za obiteljske kuće i manje stambene zgrade), srednje velike (za hotelske, proizvodne i uslužne objekte), veće stambene zgrade.

PASIVNA ARHITEKTURA Najstariji oblik korištenja energije Sunčeva zračenja je u pasivnoj

arhitekturi. Pasivna gradnja ponajprije znači da se stambene cjeline i objekti

grade tako da se im više zagrijavaju kada je tokom godine hladno i da se što manje zagrijavaju kada je toplije godišnje doba.

P Korišćenje staklene verande kao sastavnog dijela stambenog

objekta poznato je od davnina. Staklena veranda kao nezaobilazan dio solarne arhitekture postavlja se na južnu stranu zgrade. Pomoću staklene verande se vrši zahvat direktnog i difuznog sunčevog zračenja. Obično se iza staklene verande nalazi masivan, tamno obojen zid koji apsorbuje prispjelo sunčevo zračenje.

Može se koristiti i transparentni vodeni zid poznat pod nazivom transvol.

U toku dana voda cijelom zapreminom apsorbuje sunčevo zračenje, dok je u toku noći predaje unutrasnjosti kuće.

U solarnoj arhitekturi prozori zauzimaju 60-90% južne fasade objekta za stanovanje. Veličina prozora zavisi od vrste i namjene

objekta, odnosno prostorija na kojima se nalaze, veličine nadstrešnice, mase zidova, toplotnih zastora itd.

Toplotni zastori su pokretni i mogu da se nalaze sa unutrasnje ili spoljašnje strane prozora. Toplotni zastori za spriječavanje pregrijavanja svjetlije su boje i efikasniji su ukoliko se nalaze sa spoljašnje strane prozora.

Na zahvat sunčevog zračenja utiče i boja zidova. Zidovi tamnijih boja više apsorbuju sunčevo zračenje od zidova

svjetlijih boja.

Osnovni elementi pasivne solarne arhitekture su: nadstrešnica, prozori, toplotni zastori, boja zidova i namještaja, Trombov zid, vodeni zid, staklena veranda, podno skladiste toplote itd.

Trombov zid je obično izrađen od cigli ili betona debljine 20-40 cm.

Na rastojanju 2-10 cm ispred zida nalazi se staklo. Nakon prolaska kroz staklo sunčevo zračenje pada na Trombov sid i zagrijava ga.

Termin pasivne tehnike označava da nije potrebno ulaganje električne energije, a procesi se zasnivaju na spontanim prirodnim procesima.

Ova tehnologija je 100 % ekološka, usavršavana je od prvih ljudskih naselja do danas.

TOPLI KOLEKTORI

Najjednostavnija nisko temperaturna rješenja se koriste za grijanje bazena ili industrijskih objekata. Izvode se sa cijevima bez pokrova ili sa fasadama koje imaju zračne prolaze.Najbolji su za temperature do 10oC iznad temperature okoline

Nešto složeniji srednje temperaturni kolektori imaju pokrov od stakla te posebne premaze koji pospješuju apsorpciju uz minimalnu emisiju. Koriste se za grijanje objekata i tople vode. Najbolji stepen djelovanja imaju za temperature sredine do 50 oC iznad temperature okoline.

Visoko temperaturni kolektori su najsloženiji jer zahtijevaju vakumirane staklene cijevi i dobru izolaciju. Prednost im je što omogućavaju postizanje temperatura iznad 50 oC, a u posebnim izvedbama i preko 100 oC.

Postoje dvije vrste kolektora: Ravni kolektori maksimalno apsorbuju dozračneu energiju

pomoću apsorbera, dok koncentrirajući kolektori pomoću ogledala i leća fokusiraju Sunčevo zračenje i tako povećavaju ozračenost fokusirajuće površine.

Efikasnost sakupljanja i koncentracija solarne energije varira od 2-70%.Ravni kolektori sakupljaju energiju i u oblačnim uslovima i u uslovima difuznog svjetla. Kada se koriste u domaćinstvima obično se postavljaju okrenuti prema jugu i postavljaju se na krovovima kuća.

SOLARNI KOLEKTORI ZA PRIPREMU TOPLE VODE Koncentrirajući kolektori : cilindrični i parabolični Koriste samo direktno Sunčevo zračenje i upotrebljavaju se

pri pretvaranju toplote u mehanički rad, jer su za to pretvaranje potrebne visoke temperature.

Najjednostavnija primjena koncentrirajućih kuhala je kod tzv. Sunčevih kuhala, čija primjena zavisi od Sunčanih dana.

Efikasnost kolektora predstavlja omjer dobivene topline i dozračene energije Sunca.

Često se efikasnost kolektora prikazuje u funkciji omjera razlike temperature medija I okolnog zraka prema iznosu ozračenosti.

Poznavanje zavisnosti efikasnosti o radnim parametrima omogućava izračunavanje korisne toplote predane fluidu pri bilo kojim radnim i vremenskim uslovima:

Solarni sistemi stede energiju i time doprinose očuvanju okoline. Materijali koji imaju osobine crnog tijela (potpuno apsorbuju sunčevu energiju) pogodni su za izgradnju kolektora.

Oni se mogu postavljati na krov (kao krovni pokrivač), fasadu ili noseću konstrukciju.

Stepen korisnog dejstva pri pretvaranju solarne energije u toplotnu je od 60 do 70%.

Aktivni sastav za zagrijavanje prostora sastoji se od kolektora koji apsorbuju i prikupljaju sunčevu toplotu, a sadrže električne ventilatore ill pumpe koji služe za prenos toplote.

Takvi sastavi imaju i poseban sistem za skladistenje toplote da bi u stanu bilo dovoljno toplo tokom noći i kada je oblačno vrijeme.

Ovi uređaji se dijele na dvije grupe, u zavisnosti da li za prenos toplote koriste tecnost ili gas.

Sistemi za grijanje vode mogu biti otvoreni, u kojima voda koju treba zagrijati prolazi direktno kroz kolektor na krovu, ili zatvoreni, u

kojima su kolektori napunjeni nekom drugom tečnoscu (npr. antifriz).

Postoje i kolektori koji direktno griju vazduh koji cirkuliše kroz njih. Taj se vazduh zatim vraća u prostorije i na taj način se održava temperatura.

Kombinacijom grijanja vazduha i vode može se postići vrlo velika usteda.

FOTONAPONSKE ĆELIJE

Kada se solarna (sunčana) ćelija osvijetli, odnosno kada apsorbira sunčevo zračenje, fotonaponskim se efektom na njezinim krajevima pojavljuje elektromotorna sila (napon) i tako solarna ćelija postaje izvorom električne energije.

Svaki foton nosi određenu količinu energije. Cjelokupni raspon zračenja koje nastaje u svemiru nazivamo elektromagnetskim spektrom.

Elektromagnetska zračenja uzajamno se razlikuju jedino po frekvenciji. Svjetlost nastaje kada se električni naboji kreću u elektromagnetskom polju.

Atom odašilje svjetlost kada je neki od njegovih elektrona potaknut dodatnom energijom izvana.

Zračenje pobuđenih elektrona predočavamo talasom. Svjetlost manje energije ima manju frekvenciju ili učestalost, no

veću talasnu dužinu, a ona s više energije ima veću frekvenciju ali manju talasnu dužinu.

U silicijevoj su solarnoj ćeliji na površini pločice P-tipa silicija difundirane primjese, npr. fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane područje N-tipa poluvodiča. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčava zračenja, na prednjoj površini ćelije nalazi se metalna rešetka koja ne pokriva više od 5 % površine, tako da gotovo ne utječe na apsorpciju sunčeva zračenja.

Stražnja strana ćelije prekrivena je metalnim kontaktom.. Da bi se povećala djelotvornost ćelije, prednja površina ćelije može

biti prekrivena prozirnim proturefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svjetlosti.

Kada se solarna ćelija osvijetli, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila, tj. napon.

Tako solarna ćelija postaje poluvodička dioda, tj. PN-spoj, i ponaša se kao ispravljački uređaj koji propušta struju samo u jednom smjeru.

Kada se solarna ćelija, odnosno PN-spoj osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron-šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Međutim, nastane li apsorpcija unutar, ili blizu PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu. Elektron se kreće prema N-strani, a šupljina prema P-starni.

Zbog skupljanja elektrona i šupljina na odgovarajućim suprotnim stranama PN-spoja dolazi do pojave elektromotorne sile na krajevima solarne ćelije,

Kada se solarna ćelija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan.

Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, kao što je prikazano na slici 2.6., proteći će električna struja, a solarna ćelija postaje izvorom električne energije.

NASTANAK PAROVA ELEKTRON-ŠUPLJINA

Solarne ćelije tankog filma pripadaju trećoj generaciji solarnih ćelija, a postoji nekoliko eksperimantalnih poluprovodničkih materijala poput bakar-indij-galij-selenida (CIGSS), bakar-indij-diselenida

(CIS) ili kadmijeva telurida (CdTe) te organskih materijala, no u masovnu su proizvodnju ušle solarne ćelije izrađene od tankog filma silicija (TFSi).

Izvode se postavljanjem tankih slojeva (filmova) poluprovodničkih materijala na podlogu (tzv. supstrat). Međutim, njihova je dosadašnja učinkovitost 7 do 10 %, što je znatno manje od klasičnih silicijevih solarnih ćelija.

Danas se na tržištu mogu naći različite silicijeve solarne ćelije, različitih boja i dimenzija.

Studija je također pokazala da tehnologija tankog filma kadmijeva telurida ima najmanju emisiju štetnih plinova u životnom ciklusu, većinom zbog toga što je utrošak energije za proizvodnju takvog modula najmanji od svih fotonaponskih modula.

Na slici prikazan je u važnijim fazama postupak proizvodnje solarnih ćelija.

Fotonaponsko korištenje Sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor.

Ovako veliki rast predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr. silicija i indija).

Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-filma, uz solidan stepen djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će se potrebe za osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati.

Fotoefekt kojim se može proizvoditi električna energija nastaje kada foton dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluprovodničkom spoju.

Poluprovodnici p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna elektrona) dopira 3- valentnim elementom, npr. borom, a n-tip ima slobodne šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom, npr. fosforom.

Na spoju ova dva tipa poluprovodnika, rekombinacijom elektrona i šupljina, nastaje neutralno područje sa električnim poljem.

Da bi foton u sudaru prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju.

To praktino znači da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju izbacivanje samo jednog elektrona.

Različiti materijali imaju određeni iznos energije praga ili zabranjenog pojasa.

Od teorijskog maksimuma za silicij od 28% na 0oC u laboratoriju je ostvareno 25%.

Vrlo tanke pločice kristala silicijuma sa primjesom arsena izloženi zračenju Sunca ponašaju se kao puluprovodnički spoj.

Čestice svjetlosti, fotoni, atomima silicijuma izbijaju elektrone i kao rezultat imamo da se na jednoj strani poluprovodničkog spoja stvara visak negativnog, a na drugoj visak pozitivnog naelektrisanja usljed čega imamo protok struje.

Električnim spajanjem ćelija tokom proizvodnje nastaju fotonaponski moduli standardnih karakteristika od kojih se lako grade i prema potrebi nadograduju mali, pouzdani i posve nezavisni energetski sastavi.

Veliki im je nedostatak mali stepen iskorišćenja (oko 5%). Koriste se kod nekih izolovanih uređaja, kao sto su kosmički brodovi,

geostacionarni sateliti, udaljene meteoroloske stanice, svjetlece bove na vodenim površinama, plovni objekti, vikendice karavan kućice kao i razni telekomunikacioni uređaji na planinskim vrhovima ili signalni uređaji duž puteva.

U Svajcarskoj se njima oblažu zidovi uz autoputeve, pa zimi tako dobijenom strujom otapaju led i snijeg.

I-U KARAKTERISTIKA I MAKSIMALNI NAPON Unutrašnji otpori FN ćelije određuju I-U karakteristiku sa tačkom

maksimalne snage

Za maksimalnu snagu Pm karakteristična je struja Im i napon Um Faktor punjenja F je odnos maksimalne snage i proizvoda Iks sa

naponom U0

SOLARNA ENERGIJA IZ SVEMIRA

Naučnici Peter G. i Artur L. su predložili svemirsku verziju solarne energije.Predložili solarni receptor površine 40 m2, 33.450 km udaljen u

svemiru. Ćeliju bi uvijek obasjavalo Sunce i sa kablom dugim oko 3 km, bila bi

povezana sa mikrotalasnim pretvaračem koji bi pretvarao energiju u mikrotalase. Prijemna stanica bi pretvarala mikrotalasnu energiju u komercijalnu električnu struju, a energija bi se koristila 24 h dnevno tokom cijele godine. Ovdje se ne uzima u obzir da li je dan ili noć, oblačno ili koliki je ugao Sunca iz zenita, što su faktori koji utiču na primjenu klasičnih kolektora, solarnih ćelija.

Svemirska solarna ćelija bi primala kontinuirano pun fluks Sunčeve energije u svemiru tj. 1,4 kW po m2 u toku 24 sata.

Usljed velike razdaljine svemirske letjelice od prijemnika na Zemlji moglo bi doći do pogrešnog usmjerenja pravca snopa zračenja što bi uzrokovalo da snop promaši prijemnu stanicu.

Sunčeva energija iz Svemira je puno učinkovitija, budući da naša atmosfera apsorbuje dio zračenja sa Sunca, umanjujući fluks zračenja koji pada na Zemlju.

Ova pojava istodobno i štiti život na Zemlji, filtrirajući štetne i za život opasne talasne dužine Sunčevog zračenja.

Tehnologija skupljanja Sunčevog zračenja iz svemira mogla bi biti ključan izvor energije budućnosti u budućim desetljećima koja slijede.

Sam sistem skupljanja zračenja sastoji se od širokih visokoučinkovitih solarnih ploča koje skupljaju Sunčevo zračenje, koje pak se ogledalima usmjerava na fotovoltaičnu površinu koja generiše iskoristivu energiju te sistema prenosa sakupljene energije iz svemira na Zemlju.

Džon Mankins, bivši naučnik NASA-e, se smatra pionirom teorije o solarnoj energiji iz svemira.

Naučnici tvrde da ćemo, sa tehnologijom koju smo do sada razvili, moći da pošaljemo u svemir ogromne satelite koji bi sakupljali solarnu energiju i slali nazad na zemlju.

Po njima, cio svijet bi mogao da se napaja ovom energijom do 2041.godine.

Plan je da se oko ekvatora pošalju nekoliko kilometara veliki sateliti koji bi 24 sata dnevno sakupljali energiju.

Nju bi pretvarali u struju i slali na zemlju putem velikih antena ili lasera pravo u postojeću mrežu.

FOKUSIRANJE SUNČEVE ENERGIJE Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih

generatora. Fokusiranje se postiže pomoću mnoštva sočiva ili česće pomoću

ogledala. Takva postrojenja mogu imati sredisnji toranj okružen ogledalima

koja reflektuju Sunčevo zračenje i usmjeravaju ga ka tornju. U "Power tower" koristi se kompjuterski kontrolisano polje ogledala

za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj, koji onda pokreće glavni generator.

Sistem može biti i sa koritastim ogledalima, unutar kojih se nalaze cijevi s fluidom.

SOLARNE PEĆNICE Solarne pećnice sa ogledalima sastoje se od kutije sa dvostrukim

zidom i pokretnih ogledala koja usmjeravaju sunčevo zračenje na posudu za spremanje jela. Spoljasnja kutija solarne pećnice je od drveta, a unutrašnja od crno obojenog gvožđa. zmeđu kutija se nalazi termoizolacija.

Posuda sa hranom za kuhanje se stavlja u unutrasnjost kutije a zatim se kutija pokriva dvostrukim staklom.

UPOTREBA SOLARNE ENERGIJESolarna energija prikupljena od sunčeva svjetla može biti primijenjena na mnogo načina, uključujući sljedeće:

Proizvodnja električne energije upotrebom fotovoltnih solarnih ćelija,

Proizvodnja vodika upotrebom fotoelektrohemijskih ćelija, Proizvodnja električne energije upotrebom koncentrirane solarne

energije, Proizvodnja električne energije zagrijavanjem struje zraka koji

okreće turbine unutar solarnog tornja, Zagrijavanje zgrada, direktno kroz konstrukciju pasivne solarne

zgrade, Zagrijavanje prehrambenih proizvoda uz pomoću solarnih pećnica, Zagrijavanje vode ili zraka za kućanstva u svrhu dobave tople vode i

topline prostora pomoću solarno toplinskih panela,

Zagrijavanje i hlađenje zraka kroz upotrebu solarnih kamina, Proizvodnja električne energije u geosinkronoj orbiti pomoću

solarnih satelita i Solarne klimatizacijske jedinice.

HIDROENERGIJA

energija vode (hidroenergija) - najznačajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji je ekonomski konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji

termin hidroenergija - većinom ograničen na proizvodnju energije pomoću vode koja se kreće (ili pada)• koristi se najčešće za proizvodnju električne energije

nekada uključuje i sve mogućnosti za dobivanje energije iz strujanja vode u prirodi• kopneni vodotokovi (rijeke, potoci, kanali) • morske mijene (plima i oseka)• morski talasi

energija položaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunčevoj energiji koja neprestano održava hidrološki ciklus

hidroenergetska postrojenja su dugotrajna uz određena održavanja • turbina oko 50 godina i više uz manje rekonstrukcije • brane i vodeni tokovi možda stotinjak godina

hidroelektrana većinom proizvodi električnu energiju sa malim troškovima • <4 Eurocenta/kWh - što je ekonomski vrlo prihvatljivo • hidro turbine imaju brzu reakciju na proizvodnju energije tako

da se energija može koristiti za napajanje i osnovnih opterećenja i vršnih opterećenja u mreži snabdijevanja

efikasnost proizvodnje energije može biti i do 90% glavni nedostaci upotrebe hidroenergije

mogući negativni efekti na okoliš, na ribe, povećanje nanosa i mulja, korozija turbina pri određenim stanjima vode

društveni uticaj - premještanje stanovništva dalje od područja akumulacija

gubitak potencijalno produktivne zemlje velika kapitalna ulaganja u poređenju sa troškovima za

elektrane sa fosilnim gorivima

TEORIJSKE OSNOVE svrha HE sistema je pretvaranje potencijalne energije vodene mase

(koja teče ili ima neki pad) u električnu energiju brzina promjene potencijalne energije fluida – izlazna snaga:

Q - protok - zapremina vode koja protekne u jedinici vremenar - gustina fluida

H - vertikalna komponenta putanje vodegeodetska visina, raspoloživi vodeni pad

snaga postrojenja i proizvedena energija zavise od: H i Q• lokalitet mora imati dovoljno velike vrijednosti ovih

parametara troškovi po jedinici snage za turbine se povećavaju sa Q

• za istu izlaznu snagu sistem sa višim H će biti jeftiniji ukoliko ne budu prekomjerni troškovi brana

- tehnologija gradnje HE se nije mijenjala kroz 20. vijek hidroelektrane u principu funkcioniraju vrlo jednostavno - voda iz

akumulacijskog jezera prolazi kroz branu, pokreće turbinu koja onda pokreće generator električne energije.

Osnovne komponente klasične hidroelektrane:• brana - predstavlja građevinu kojoj je zadaća osiguravati

akumulaciju vode• ulazni presjek - otvor na brani - voda cjevovodom (najčešće

uslijed gravitacije) dolazi do turbine određenim protokom • turbina - transformacija kinetičke energije vode u mehaničku

energiju rotirajućih dijelova turbine • generator - transformacija mehaničke energije u električnu • transformator - na izlazu iz elektrane povećava napon

izmjenične struje (smanjujući jačinu struje) da bi se smanjili gubici prenosa energije

• dalekovodi • izlazni presjek - iskorištena voda se cjevovodima vraća u donji

tok rijeke

Procjena resursa za mala postrojenja pretpostavka - na raspolaganju je protok koji bi se mogao iskoristiti

za dobivanje hidroenergije inicijalna procjena energetskog potencijala - potrebni su samo

približni podaci sa tačnošću oko ±50% ako se ovakvo istraživanje pokaže povoljnim tada slijedi detaljno

ispitivanje koje će uključiti različite podatke - padavine tokom nekoliko godina, protok Q i raspoloživi vodeni pad H

Mjerenje vodenog pada H za približno vertikalne padove se koristi trigonometrijski metodi (čak

i metoda dužine sjene) kod stepenastih padova se koriste libela i daska ulazna snaga na turbini ne zavisi od geometrijskog (ukupnog) pada

H već od raspoloživog pada Ha

Hf - gubitak usljed trenja u cijevi i kanalima od izvora pa do

turbineodgovarajućim izborom cjevovoda moguće je održati

Mjerenje protoka Q mjerenje Q je dosta teže nego mjerenje H potrebno je znati minimum (suha sezona) protoka potrebno je znati i maksimalni protok i nivoe poplava da bi se

spriječila oštećenja instalacija izbor metode za mjerenje će zavisiti od veličine toka i brzine toka

koji se razmatra

voda slobodno pada preko brane ili preliva - tada je visina toka na rubu povezana sa brzinom protoka

Metod za mjerenje brzine protoka• osnovni metod• prerađeni metod I i II• sofisticirani metod• upotrebom vodnih preliva

1. Osnovni metod cijeli tok se ili zaustavlja branom ili preusmjerava u određenu

zapreminu moguće je mjeriti protok Q na osnovu zahvaćene zapremine metod ne stvara nikakve pretpostavke o protoku, precizan je i

idealan za manje protoke kao što su vrlo mali slapovi (vodopadi)2. Prerađeni metod I

srednja brzina će biti neznatno manja u odnosu na brzinu us na gornjoj površini• pošto je brzina jednaka nuli na dnu toka (zbog viskoznog

trenja) za pravougli poprečni presjek je utvrđeno:

us se može mjeriti jednostavnim postavljanjem plovka, npr. listića, na površinu i mjerenjem vremena potrebnog da pređe određeno rastojanje duž toka rijeke

za najbolje rezultate mjerenje se treba provesti na mjestu gdje je tok pravolinijski i uniforman na poprečnom presjeku

površina poprečnog presjeka A se može procijeniti mjerenjem dubine na nekoliko tačaka preko toka i integriranjem po toku:

3. Prerađeni metod II koristan kod brzih tokova plovak se pušta sa određene dubine ispod površine mjerenje pređenog horizontalnog rastojanja do isplivavanja plovka

omogućava da se odredi brzina mjeri se srednja brzina (iako usrednjena po dubini, a ne po

poprečnom presjeku, ali je razlika neznatna)4. Sofisticirani metod

najtačniji metod za velike tokove i koriste ga profesionalni hidrolozi u osnovi se brzina u mjeri sa malim mjeračem protoka na tačkama

dvodimenzionalne mreže koja se proteže preko toka5. Upotrebom vodnih preliva

ako se Q treba mjeriti za isti tok tokom cijele godine to se može provesti izgradnjom brane sa posebno oblikovanim usjekom (urezom) - ustava (preliv)

visina toka na usjeku daje stopu protoka sistem se kalibriše prema lab. modelu koji ima isti oblik usjeka kalibracioni podaci su dostupni u standardnim priručnicima

HIDROTURBINE (vodene turbine) služe za pretvaranje kinetičke energije strujanja vodenih tokova u

mehaničku energiju rotirajućih dijelova turbine vodene turbine se prema načinu prenosa energije vodotoka na njih

dijele na:• impulsne• reakcijske

Impulsne turbine pretvaraju potencijalnu energiju vode u kinetičku energiju u mlazovima koji izlaze iz mlaznice i izbacuju se na lopatice rotora.Reakcijske turbine – rotor je potpuno prekriven mlazom vode i pokreće se usljed pada pritiska kroz uređaj.

Impulsna turbina u upotrebi su tri osnovna tipa:

Peltonova, Turgo, turbina s krstatim protokom (Banki turbina)Izlazna snaga

potencijalna energija vode u rezervoaru se pretvara u kinetičku energiju jednog ili više mlazova

svaki mlaz zatim udara u nizove lopatica koje se nalaze na obodu vertikalnog točka

tangencijalna sila primijenjena na točak uzrokuje rotiranje točkaUslov za maksimalnu snagu:

Izlazna snaga je jednaka ulaznoj snazi i ovakva idealna turbina ima efikasnost od 100%

Brzina vode koja napušta lopaticu nema komponente u pravcu mlaznice, tj. u2=0zbog toga voda iz horizontalnih mlaznica pada vertikalno iz lopatice

U praksi vrijednosti za efikasnost variraju od 50% za male blokove do 90% za precizno urađene velike komercijalne sisteme

Ugaona brzina i veličina turbine veličina mlaznice ima tačno određene veličine lopatica, ali ne i

cjelokupnu veličinu točka veličina točka je određena geometrijskim ograničenjima ali i

potrebnom (traženom) brzinom rotacije za proizvodnju električne energije izlazne varijable, npr. napon,

frekvencija i efikasnost, zavise od ugaone brzine generatora većina električnih generatora ima najveću efikasnost pri velikim

frekvencijama rotacije, obično ~1500 rpmEfikasnost hm u svakom trenutku je funkcija:

(i) fiksne geometrije određenog Peltonovog točka (ii) S - koji karakteriše radne uslove u tom trenutku

Reakcijske turbine propelerna, Francisova i Kaplanova turbina

da bi se ostvarila ista snaga i na nižem padu H potrebno je održavati veći protok Q kroz turbinu

veći protok kroz turbine - značajne promjene u samom dizajnu cijela periferija točka se pravi u obliku velikog 'otvora' kroz koji mlaz

protiče ovakva turbine se nazivaju reakcijske jer fluid djeluje neprekidno na

lopatice• razlika u odnosu na impulsnu turbinu (Peltonovu) gdje lopatice

primaju niz udara kod reakcijskih turbina točak tj. propeler se mora prilagoditi tako da

fluid ulazi radijalno okomito na osu turbine, ali izlazi paralelno sa osom

dizajn koji to ispunjava jeste Francisova reakcijska turbina veći protok vode se može postići tako da dolazni mlaz vode bude

veličine kao i poprečni presjek samog točka ovakav pristup vodi do turbine oblika propelera sa protokom

uglavnom duž ose rotacije

performanse reakcijske turbine generalno, a posebno propelerske turbine, su veoma osjetljive na promjene brzina protoka

efikasnost turbine opada brzo ako se tok smanji jer sporiji tok ne udara u krilca (lopatice) pod pravilnim uglom.

Hidroelektrični sistem mnogi savremeni hidroenergetski sistemi se koriste za pokretanje

električnih generatora kompletan HE sistem mora uključivati izvor vode, cijev , turbinu,

električni generator, kontrolu generatora i električne instalacije. brana - osigurava stabilno snabdijevanje sistema vodom bez

fluktuacija i omogućava skladištenje energije u rezervoarPri izgradnji HE sistema najveći troškovi su za cjevovod koji služi za dovod vode

troškovi se mogu sniziti ako je cjevovod tanjih stijenki, kraći ili manjeg prečnika D (rijetko je moguće zadovoljiti te kriterije)

materijal za izradu cijevi treba biti gladak (da se smanji gubici zbog trenja) i čvrst (da izdrži statički pritisak i prilično jake pritiske udara vode koji

nastaju pri iznenadnim uključivanjima ili isključivanjima toka vode)Zaštitna rešetka

potrebna na vrhu dovodne cijevi tako da spriječava prolazak otpada i smeća (npr. listova), da ne bi došlo do začepljenja cijevi

rešetka se mora redovno pregledati i čistiti Generator - transformacija mehaničke energije u električnu energiju

sinhroni generator može funkcionirati izolirano (odvojen od elektroenergetske mreže)

asinhroni generator za normalno funkcioniranje mora biti u vezi s ostalim generatorima (odnosno priključen na elektroenergetski sistem)

sinhroni generatori se koriste kao primarni izvori proizvodnje energije u EES, ali također i u manjim izoliranim mrežama kao i za samostalne primjene malih hidroelektrana (ostrvski rad)

asinhroni generatori često su najjednostavnije i najjeftinije rješenje za male HE koje proizvode električnu energiju za isporuku u postojeću veliku elektroenergetsku mrežu

Društveni i ekološki aspekti hidroenergija je razvijena tehnologija, široko primijenjena u mnogim

zemljama svijeta proizvodi oko 20% svjetske električne energije u najmanje 20 zemalja hidroenergija čini preko 90% ukupnog

snabdijevanja energijom HE sistemi su dugotrajni sa relativno niskim zahtjevima za

održavanje mnogi sistemi, i mali i veliki, se kontinuirano koriste preko 50 godina

dok nekoliko ranijih instalacija rade i nakon 100 godina

komplikacije HE sistema većinom nastaju zbog brana i akumulacija, naročito na projektima velikih razmjera

velike brane imaju višenamjensku primjenu• cilj je proizvodnja električne energije• zalihe vode se koriste snabdijevanje pitkom vodom i

navodnjavanje, kontroliranje toka rijeke i ublažavanje poplava, cestovne prijelaze, zabavne aktivnosti i ribolov

uzimajući u obzir koristi od velikih hidroelektrana izdvajaju se i štetni učinci:• primjeri su teret otplate (brane su često najveći pojedinačni

projekat u državi), prekoračenje budžeta, premještanje i osiromašenje naroda, razaranje ekosistema i ribolovnih resursa i nejednaka podjela troškova i koristi

pri izgradnji brane Tri klanca u Kini - raseljeno preko jednog miliona ljudi, potopljeno 118 gradova

klimatske promjene – smanjivanje emisije CO2 male hidroelektrane, u slučaju da su izbor lokacije i tehnološkog

rješenja primjereni, nemaju gotovo nikakvih štetnih uticaja na okoliš

ENERGIJA VJETRA

Vjetar bogat, obnovljiv, lako dostupan i čist izvor energije nastaje kao posljedica veće količine prispjelog Sunčevog zračenja u

ekvatorijalna područja Zemlje u odnosu na polarne regije, čime se stvaraju velika strujanja u atmosferi

kao globalni resurs veoma veliki, ali i naširoko raspoređen ekstrakcija energije iz vjetra upotrebom modernih turbina i sistema

za konverziju energije je dobro uhodana industrijaEnergija vjetra

oko 1% dolaznog zračenja Sunca se konvertuje u energiju vjetra kinetička energija sadržana u vjetru je oko 0,7×1021 J 1% dnevnog unosa energije vjetra je skoro ekvivalentno svjetskoj

dnevnoj potrošnji energije pretvara se u korisni oblik energije, električnu energiju, pomoću

vjetroelektranaSistem pretvaranja energije vjetra - vjetroturbina, vjetroagregat

sistem za iskorištavanje energije vjetra, čiju energiju pretvara u mehaničku, koja se može iskoristiti ili za pokretanje određenih uređaja poput mlinova i pumpi ili za pokretanje generatora električne energije i proizvodnju električne struje

vjetroelektrana - niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih istom vjetru i priključenih posredstvom zajedničkog rasklopnog uređaja na električnu mrežu

vjetroturbine trebaju trajati najmanje 20-25 godina i koštati oko 700-1000 eura po kW nominalne snage

Vjetroelektrane u nekim zemljama energija vjetra je već konkurentna fosilnoj i

nuklearnoj energiji, čak i ne uzimajući u obzir ekološke prednosti iskorištavanja energije vjetra

struja proizvedena iz vjetra košta oko 5 do 8 eurocenti/kWh i predviđa se da će pasti ispod 4 eurocenta/kWh u bliskoj budućnosti.

Iskorištena snaga vjetra od strane turbine:

CP - faktor efikasnosti - ''koeficijent snage''u0 - brzina vjetrar - gustina vjetraA - površina poprečnog presjeka turbine

PT - proporcionalno sa A i trećem stepenu brzine vjetra u0 CP - zavisi od brzine vjetra optimalna veličina izvedbe rotora i generatora zavisi od zahtijevane

energije (snage) srednja godišnja snaga od vjetroturbina

Tipovi turbinavjetroturbine mogu raditi na dva načina iskorištavanje energije

vjetra - osnovna podjela vjetroturbine koje rade na principu otpornog djelovanja (drag

devices) vjetroturbine koje rade na principu potiska (lift devices) vjetroturbine koje rade na kombiniranju oba principa

Postoji još niz podjela vjetroturbina: prema položaju osi turbinskog kola:

• vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi prema omjeru brzine najudaljenije tačke rotora i brzine vjetra:

• brzohodne i sporohodne prema broju lopatica:

• višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom prema veličini zakretnog momenta:

• visokomomentne i niskomomentne prema načinu pokretanja:

• samokretne i nesamokretne prema efikasnosti pretvaranja energije vjetra u zakretni moment:

• nisko i visoko efikasne prema načinu okretanja rotora prema brzini vjetra:

• promjenjive i nepromjenjive

Vjetroagregati na principu otpora

najjednostavniji način iskorištavanja energije vjetra princip rada se zasniva na djelovanju sila otpora (FD) na lopatice

rotora pri čemu se ostvaruje njihovo kretanje vjetroagregati koji rade na principu otpora su niske efikasnosti i

danas se vrlo rijetko koriste kod većih izvedbi zbog jednostavnije konstrukcije ova vrsta vjetroagregata se često

koristi za male vjetroagregate kućne izrade

Vjetroagregati na principu potiska (uzgona) potisak (FL) - komponenta okomita na smjer udara vjetra u lopatice ako je oblik lopatica takav da uspješno iskorištava silu

aerodinamičkog potiska može se postići znatno veća efikasnost, u odnosu na vjetroturbine na principu otpora

aerodinamički potisak je sila koja nastaje usljed kretanja tijela kroz vazduh zbog razlike pritisaka na površini tijela uzrokovane oblikom tijela

svi moderni vjetroagregati dizajnirani su da rade na principu sile potiska

vjetroagregati s horizontalnom osi vrtnje s rotorom u obliku propelera najbolje iskorištavaju ovaj princip

Turbina sa horizontalnom osi vrtnje os rotacije horizontalno postavljena dominantna pogonska sila je potisak rotor je zajedno s generatorom i ostalom opremom postavljen na

vrhu tornja te mora biti usmjeren prema vjetru kako bi djelovao efikasno

izgled rotora se zasniva na dizajnu propelera broj lopatica kod horizontalnih izvedbi vjetroturbina uveliko utiče na

njihove karakteristike najefikasnija je izvedba s tri lopatice te se ona najčešće i koristi

Prednosti i nedostaci vjetroturbina s horizontalnom osi vrtnje prednosti

• najveća prednost je visoka efikasnost u proizvodnji električne energije i to naročito izvedbe s trolopatičnim rotorom

• imaju mogućnost iskorištavanja većih brzina vjetra pošto su postavljene na stupovima velike visine

• u slučaju olujnog vjetra imaju mogućnost fiksacije lopatica kako bi se spriječila odnosno umanjila potencijalna šteta

nedostaci

• visoka cijena je glavni nedostatak• problematične su za postavljanje zbog potrebe vrlo visokih i

skupih dizalica• potrebni sistem za zakretanje rotora još dodatno poskupljuje

izvedbu• generator s ostalom opremom smješten je na vrhu tornja čime

je otežan pristup i održavanjeTurbine sa vertikalnom osom vrtnje

vertikalno postavljena os vrtnje okretanjem oko vertikalne ose turbina može zahvatiti (primiti) vjetar

iz svih smjerova bez podešavanja nemaju potrebe za visokim tornjem te se postavljaju bliže tlu zbog

čega im je jednostavnije održavanje generator i ostala oprema mogu biti smješteni u podnožju čime je

toranj manje opterećen anemometar sa lopaticama

rotira pod dejstvom sile otpora oblik lopatica stvara skoro linearnu vezu između brzine

rotacije i brzine vjetra, tako da mjerenje broja rotacija u određenom vremenskom intervalu odgovara srednjom brzini vjetra u tom intervalu

standardni anemometar za prikupljanje meteoroloških podataka

Savoniusova turbina postoji mnogo različitih izvedbi ove vrste turbine, a u

najjednostavnijoj se izvedbi sastoji od dvije polovice bubnja ili čašica učvršćenih u suprotnim smjerovima na središnju osovinu

gledajući presjek odozgo, turbina ima oblik slova „S“ radi na principu otpornog djelovanja koji kombinira sa

potiskom konstrukcija je jednostavna i jeftina

Darrieusova turbina najčešće korištena izvedba vjetroagregata s vertikalnom osi

vrtnje ovaj rotor ima dvije ili tri tanke zakrivljene lopatice sa

aerodinamičkim profilom profil rotorskih lopatica oblikom odgovara radu na principu

potiska iskoristivost ovih rotora je puno veća od iskoristivosti

Savonius-ovih rotora glavni nedostatak je u tome što ne može sam započeti rotaciju

te zbog toga uvijek zahtjeva pomoćni uređaj za pokretanje Musgrove rotor

lopatice su vertikalne za normalnu proizvodnju energije, ali se zakreću oko horizontalne tačke pri kontroli ili pri isključivanju

Evansovi rotori vertikalne lopatice mijenjaju nagib oko vertikalne ose pri

kontroli i sigurnosnom isključivanju

Prednosti i nedostatci vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje prednosti

• glavna prednost turbina sa vertikalnom osom vrtnje je eliminacija gravitaciono izazvanog naprezanja tako da lopatice sa vertikalnom osom mogu biti većih dimenzija

• mogućnost iskorištavanja vjetra iz svakog smjera bez potrebe zakretanja

• pogodne i za postavljanje na urbane lokacije kao što je krov građevine

• jednostavnije su za održavanje jer je velika većina dijelova smještena blizu tla

nedostaci• upola manja efikasnost od vjetroturbina s horizontalnom osi

vrtnje• moraju biti postavljene na relativno ravno tlo, tako da su im

strmije lokacije na koje se obično postavljaju vjetroagregati s horizontalnom s osi vrtnje većinom nedostupne

Dijelovi vjetroturbine: • kućište (engl. nacelle)• anemometar• pokazivač smjera vjetra (engl. wind vane)• brzo-okretne osovina (engl. high-speed shaft)• upravljač (engl. controller)• generator• prijenosnik (engl. gear box)• sporo-okretne osovina (engl. low-speed shaft)• kočnica (engl. break)• lopatice (engl. blades)• zupčanik (engl. yaw drive)• motora zupčanika (engl. yaw motor – služi za zakretanje kućišta)• toranj (engl. tower)• sistem upravljanja uglom zakretanja elise (engl. pitch)

Osnovna teorija pretvaranje kinetičke energije vjetra u energiju vrtnje vjetroturbine teorija rotirajućeg diska

• rotor vjetroturbine se tretira kao puni disk koji predstavlja prepreku strujanju vazduha i preuzima dio kinetičke energije iz njega

teorija segmenata lopatice • polazi od analize aerodinamičkih sila koje se javljaju na

infinitezimalnim segmentima lopatice čijim se integracijama po cijeloj dužini lopatice izvode izrazi za sile i momente čitavog rotora

Karakteristike vjetra vjetroturbine mogu biti postavljene u bilo kojem, dovoljno velikom,

otvorenom prostoru

poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost za ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe

potrebni podaci o karakteristikama vjetra za procjenu lokacije mogu se dobiti iz više izvora:• arhivirani meteorološki podaci• podaci sa lica mjesta• podaci dobiveni numeričkim modelovanjem

brzine vjetra se mjere samo na standardnoj visini od 10 m i to na određenim lokacijama (meteorološke stanice)

mjerenje brzine i smjera vjetra se mora provesti u okviru prostora na kome se predviđa vjetropark

neke studije pokazuju da je potrebno imati podatke za najmanje 8 mjeseci da bi se obezbijedila adekvatna procjena godišnjih resursa vjetra

veoma je važno znati da su prikupljeni podaci reprezentativni bitno je poznavati i smjerove iz kojih puše vjetar (ruža vjetrova)

Proizvodnja električne energije električna energija je izvrstan način prenosa zahvaćene mehaničke

energije od vjetroturbine proizvodnja el.energije je većinom 95% efikasna, a gubici pri

prenosu bi trebali bi biti manji od 10% vjetroturbine/vjetroparkovi su povezani i sa drugim vidovima

proizvodnje el. energije, npr. termoelektranama (zbog prisutnih varijacija snage vjetra)

vjetroelektrane mogu smanjiti potrošnju goriva u termoelektranama, ali ne mogu smanjiti njihovu izgradnju jer ne mogu garantovati proizvodnju električne energije u kritičnim razdobljima

potrebno je usaglasiti karakteristike turbine sa lokalnim režimom vjetra

duži vremenski periodi bez vjetra ili slabog vjetra će ograničiti primjene energije vjetra

područja sa brzinom vjetra manjom od 5 m/s često imaju neprihvatljive duge periode bez proizvodnje, ali se mogu koristiti za pumpanje vode

ako godišnji prosjek brzine vjetra na visini od 10 m iznosi 5 m/s i više moguće je razmišljati o proizvodnji el.energije

Klasifikcija sistema klasa A

dominantan kapacitet vjetroturbine PT>5PG većinom su to autonomni samostalni uređaji bez veze sa mrežom

klasa BPT»PG karakteristika udaljenih područja, malih energetskih sistema

klasa C PT<0,2PG

umreženi sistem – vjetroturbine su ugrađene u veliki sistem Društveni i okolišni aspekti

vjetroelektrane imaju nekoliko bitnih ekoloških prednosti u odnosu na konvencionalne elektrane • ne koriste gorivo, ne emituju polutante, gasove staklene

bašte, odnosno toksični otpad i rade bez vode ili drugih ograničenih resursa

prednost vjetroelektrana • mogu se smjestiti na neobradivim površinama, morskoj pučini

ili poljoprivrednom zemljištu, a prostor između stupova generatora može se i dalje koristiti

vjetroelektrane skreću pažnju zajednice u ekološkom pogledu:• stvaraju buku• vizuelni uticaj • uticaj na staništa divljih životinja, ptice, šišmiše• uticaj na staništa i floru tokom izgradnje• elektromagnetske smetnje

FOTOSINTEZA važan biohemijski proces u kojem biljke, alge i neke bakterije koriste

energiju sunčevog zračenja kao izvor energije za sintezu organske tvari

pri ovom procesu se CO2 i voda prevode u glukozu i kisik u osnovi procesa fotosinteze je endotermna reakcija

2nCO2+2nH2O+fotoni → 2(CH2O)n+2nO2 proces se odvija zahvaljujući hlorofilu - zelenom pigmentu biljaka

sposobnom da apsorbuje svjetlost

Fizikalne osnove fotosinteze kada molekul hlorofila apsorbuje svjetlosni kvant (foton) prelazi iz

osnovnog u pobuđeno stanje u pobuđenom stanju može da bude veoma kratko vrijeme pa dolazi

do deekscitacije viška energije molekul se može osloboditi:

• deekscitacijom u osnovno stanje• tako što će neko jedinjenje koje se nalazi blizu u tom trenutku

primiti ovaj elektron (proces fotosinteze) kada su molekule izolirane

• energija se većinom reemituje u vidu fluorescentnog zračenja i toplote

ako su molekule pigmenta vezane u strukturama hloroplasta • najveći dio energije se prenosi na reakcione centre, sa viškom

energije u vidu toplote, te nešto malo fluorescencije

moderna istraživanja procesa fotosinteze usmjerena su• na razumijevanje procesa pretvaranja energije koji se provode

u biljkama • na dizajniranje vještačkih sistema koji bi imitirali prirodnu

fotosintezu vještačka fotosinteza

• istražuje se kao novi izvor energije

• energija Sunca bi se prevodila u elektrohemijsku energiju• obnovljivi izvor energije

cilj je izgradnja sistema koji bi uz pomoć energije Sunca efikasno vezali ugljični dioksid iz vazduha i pretvarali ga u ugljikovodike, a ne ugljikohidrate kao kod biljaka

predviđa se da bi vještačka fotosinteza mogla omogućiti ekološki prihvatljivu proizvodnju hemikalija koje danas obično nastaju kao derivati nafte

tehnologija vještačke fotosinteze obećava energetsku sigurnost, okolišnu održivost i ekonomsku stabilnost

pretpostavlja se da bi ukupna efikasnost potpuno integrisanog sistema za pretvaranje energije iz sunčeve svjetlosti u energiju goriva mogla biti više od deset puta veća od energetski najefikasnijih bioloških sistema

investicijski troškovi još su previsoki za komercijalnu primjenu za stvaranje takvog sistema ključna je upotreba pristupačnih i

pogodnih materijala koji mogu izvoditi bitne funkcije, apsorpciju svjetla i olakšavanje hemijskih reakcija u kojima se stvara gorivo• zamjena za klorofil u prirodnoj fotosintezi

fotosinteza – obnovljivi izvor energije dobivanje električne energije iz biljaka

• tehnologija je još uvijek nova i nema praktične koristi• proizvodnja znatnih količina vodika iz hemijskih reakcija koje

su aktivirane Sunčevim zračenjem • potencijalno vrlo važno komercijalno i garantira nastavak

istraživanja