TERMODYNAMIKA- zajmuje się przemianami jednych form energii w drugie oraz badaniem praw i zależności rządzących tymi przemianami.

UKŁAD- celowo wybrana część przyrody tzn ciało lub zespół kilku ciał, która poddawana jest obserwacji, a od otoczenia oddzielona jest wyraźnie ukształtowaną powierzchnią.

UKŁAD OTWARTY- ukł mogący swobodnie wymieniać z otoczeniem masę i energię

UKŁAD PÓŁOTWARTY- wymienia energię, nie wymienia masy

UKŁAD ZAMKNIĘTY- nie wymienia ani masy ani energii

PARAMETRY UKŁADU: temp, ciśnienie, objętość, skład

FUNKCJE TERMODYNAMICZNE- charakteryzują się tym, że wartości każdej z nich zależą tylko od stanu początkowego i końcowego układu, a nie zależą od drogi po której układ doszedł do tego stanu.

FUNKCJE TERMODYNAMICZNE- energia wewnętrzna (U), entalpia (H), energia swobodna (F), potencjał termodynamiczny (G), entropia (S). Wymiar entropii jest J/K pozostałe to J.

WIELKOŚCI INTENSYWNE- można je zmierzyć w każdym miejscu ukł i ich wartości zależą od wewnętrznego składu układu a nie od jego globalnej masy

WIELKOŚCI EKSTENSYWNE- proporcjonalna wartość jest zależna do masy układu

PRACA I CIEPŁO są sobie równoważne. Praca jest przekazywaniem uporządkowanego ruchu między obiektami makroskopowymi. Może być praca kinematyczna, potencjalna, elektryczna, wewnętrzna.

PRZEMIANA ADIABATYCZNA- bez wymiany ciepła z otoczeniem, zmiana energii wew (dU) ilościowo równa jest pracy wykonanej w tej przemianie. Jeżeli na ukł została wykonana praca elementarna Wel to oznacza, że układowi została dostarczona energia w ilości Wel na sposób pracy

dU-Wel=0

PRZEMIANA NIEADIABATYCZNA- dU- Wel ≠0

Różnica między wielkością przyrostu energii wew a ilością energii przekazanej na sposób pracy- jest to CIEPŁO

dU-Wel=Qel

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI (prawo zachowania energii)

dU= Wel+ Qel

W układach półotwartych i otwartych energia wew ukł może ulec zmianie w wyniku wymiany ciepła Qel i pracy Wel z otoczeniem.

Aby podkreślić:

DU=pdV+Qel+Wel

po przekształceniu d(U+pV)=Vdp+Qel+Wel

U+pV=H (entalpia)

EFEKT CIEPLNY przemiany izochorycznej (V=const) przebiegającej od stanu 1 do stanu2 równa się różnicy energii wew w obu stanach U1-U2=Qv

Efekt cieplnu przemiany izobarycznej (p=const) H1-H2=Qp

PRAWO HESSA

Substraty-----------półprodukt----------produkty końcowe

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Podstawą jest nieodwracalność procesów zachodzących w sposób samorzutny w przyrodzie. Towarzyszy temu wytworzenie energii.

ENTROPIA jest nieuporządkowana. W przemianie odwracalnej entropia przyrody nie zmienia się, ile entropii traci układ tyle zyskuje otoczenie. W przemianie nieodwracalnej układ traci mniej entropii niż zyskuje otoczenie.

ENERGIA SWOBODNA układu (F) mierzona jest w J. Jest ona składową energii wew wraz z energią związana ukł (TS)

Warunkiem samorzutności procesów izotermiczno-izochorycznych jest ubytek energii swobodnej. Wynika z tego, że reakcje chem, w których nie ma pracy nieobjętościowej zachodzą tylko wówczas, gdy następuje ubytek energii swobodnej. Wielkość tego ubytku może być miarą samorzutności reakcji.

WARUNKI SAMORZUTNOŚCI PROCESÓW

dU<0, gdy S,V=const

dH<0, gdy S,p=const

dF<0, gdy T,V=const

dG<0, gdy T,p=const

ZWIĄZKI MIĘDZY FUNKCJAMI

G=F+pV

F=U-TS

H=U+pV

G=H-TS

TRZECIA ZASADA TERMODYNAMIKI

Entropia każdego ciała doskonale jednolitego o skończonej gęstości maleje do zera, gdy do zera maleje temperatura.

WĘGLE KOPALNE

Ma dużą energię wiązania C-C (348 kJ/mol)- mozliwość tworzenia łańcuchów, tworzenie wiązań wielokrotnych.

Węgiel występuje w 3 odmianach alotropowych (DIAMENT, GRAFIT, FULLERENY)

DIAMENT

Jest bezbarwny, przezroczysty, twardy, łamiące światło kryształy, nie przewodzi prądu elektrycznego, w obecności zanieczyszczeń robi się żółty, brunatny, niebieski, fioletowy. Oszlifowany diament to brylant. Gęstość d=3,5g/cm3

Jest bierny chemicznie, spala się w temp >800C, ulega działaniu jedynie stopionej saletry i sody.

GRAFIT

Ciało czarno-szare o słabym połysku metalicznym, miękki, „tłusty” w dotyku, przewodzi prąd elektryczny i ciepło. Gęstość d=2,2g/cm3.

Krystalizuje w płaskocentrowanej sieci heksagonalnej dla której typowa jest hybrydyzacja typu sp2.

FULLERENY

Jest każda cząsteczka składająca się tylko z atomów węgla o zamkniętej budowie klatkowej wewnątrz pustej. Mogą istnieć fullereny o liczbie atomów od 20 do 960.

Najbardziej stabilne są C60. Cząsteczka taka zawiera 20 pierścieni 6-członowych, 12 pierścieni 5-członowych oraz 30 wiązań podwójnych.

Możemy je nazywać związkami super aromatycznymi. Cząsteczki te podobnie jak pierścień benzenowy wyróżniają się wielką potencjalna różnorodnością w tworzeniu zw chem. Z obcym atomem zamkniętym wew klatki fulleru spełnia rolę kontenera molekularnego.

Mogą być izolatorami, półprzewodnikami, przewodnikami o bardzo zróżnicowanej przewodności. Zastosowanie fullerenu jako kontenera molekularnego dla wodoru daje mozliwośc budowy ekologicznie czystego pojazdu zasilanego energią elektryczną za pomocą ogniw paliwowych lub silnikiem spalającym wodór. Są aktywne biologicznie, oddziałują na wirusy, bakterie, enzymy i zywe komórki

NANORURKI

Obiekty włókniste powstające podczas syntezy fullerenów. Powstają przez zwinięcie warstw grafenowych zbudowanych z regularnych sześciokątów w powierzchnię cylindryczną bez szwu. Końcówki rurek są zamykane przez „beret” składający się z 6 pięciokątów. Przewodnictwo cieplne nanorurek jest porównywalne do najlepszych włókien węglowych. Rozszerzalność cieplna jest znikomo mała.

WĘGIEL BEZPOSTACIOWY-SADZA

Miałki, czarny proszek stanowiący mikrokrystaliczny grafit, Odznacza się dużą aktywnością chemiczną i zdolnością do adsorpcji. Sadzę otrzymuje się przez niecałkowite spalanie substancji org lub rozkład termiczny węglowodorów.

PODZIAŁ ŹRÓDEŁ ENERGII

KONWENCJONALNE

PIERWOTNE- węgiel kamienny, brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny

WTÓRNE- para wodna, woda gorąca, koks, brykiety, olej opałowy, olej napędowy, Etyliny, benzyny

NIEKONWENCJONALNE

ODNAWIALNE- energia słoneczna, wiatru, hydroenergetyka, energia fal, biomasa, pływy morskie

NIEODNAWIALNE- energia jądrowa, geotermia, pompy ciepła

WĘGIEL DRZEWNY- w wyniku destylacji rozkładowej drewna. Jest porowatą, kruchą, czarną subst, której skład zależy od koncowej temp procesu podczas destylacji (im wyższa temp tym więcej węgla)

WĘGIEL KOSTNY- produkt zwęglania kości zwierzęcych w temp 400-700C. Jest to czarny proszek o budowie porowatej. Odznacza się właściwościami adsorpcyjnymi.

WĘGIEL AKTYWNY- czarna, porowata subst stała o silnie rozwinietej powierzchni wykazująca doskonałe właściwości sorpcyjne. Otrzymuje się metodami bezpośrednimi lub metodami chemicznymi.

Metoda bezpośrednia polega na zwęgleniu surowców w temp 1000C (drewno, pestki) lub w temp 450-500C a nastepnie aktywowaniu otrzymanego produktu w temp 800-1000C przez utlenianie (głównie parą wodną).

Metoda chemiczna- poddaje się surowce nasycone chlorkami metalu lub kwasami a otrzymane produkty ogrzewa się w temp niższej niż w metodzie bezpośredniej.

TORF

Jest masą org-mineralną powstałą z roślinności bagiennej w wyniku zachodzących w niej biochemicznych procesów w warunkach nadmiernej wilgotności przy słabym dostępie powietrza. Proces powstawania jest powolny, stopniowy proces rozkładu powodujący wzbogacanie się roślinnej materii org w węgiel, azot i części niepalne.

Masa bagienna ulega z czasem coraz silniejszemu procesowi rozkładu, który zachodzi przy aktywnym udziale mikroorg, przy czym intensywność rozkładu zależy nie tylko od rodzaju roślin torfotwórczych, ale także od warunków środowiskowych (temp, zawartości tlenu, składu chem wody)

Wzrost stopnia rozkładu powoduje zwiekszenie się zawartosci w torfie humusu, którego ilość decyduje o wartości opałowej, chłonności, przepuszczalności, popielności i innych cechach torfu.

Zawartość wody w złożu torfowym wynosi 84-96%. Torfy wysokie są bardzo kwaśne (pH 3-4), niskie są zwykle słabo kwaśne lub obojętne. Na opał używa się suchego torfu o zawartości popiołu poniżej 20%. Wartość opałowa torfu jest ok. dwukrotnie wyższa od wartości opałowej węgla.

W wyniku przeróbki termicznej z torfu wysokiego otrzymuje się produkt stosowany do produkcji farb, węgla aktywnego. Przez ekstrakcję benzenami lub alkoholem otrzymuje się produkt składający się z wosku i żywic.

WĘGIEL BRUNATNY

Gatunek węgla kopalnego zawierający 65-78% pierwiastka węgla. Może mieć barwę od jasnobrunatnej do czarnej. Wyróżnia się kilka odmian węgla brunatnego: krylitowy (wyraźnie zachowana struktura drewna), miękki (węgle o niejednorodnym przełomie, po wysuszeniu łatwo rozsypują się na drobne kawałki), twardy (duża zwięzłość, węgle matowe o przełomie muszlowym, węgle błyszczące które zbliżone są do kamiennych).

Jako surowiec energetyczny stosowany jest w elektrowniach a także jako opał w gosp domowych. Spalaniu poddaje się węgiel brunatny suchy lub sprasowany w postaci brykietów. Pozostały po spaleniu popiół jest uzywany jako kruszywo i środek wiążący w budownictwie.

Jedną z podstawowych metod przeróbki chem jest jego wytlewanie. W procesie tym obok gazu i wody wytlewnej otrzymuje się półkoks stosowany do produkcji gazów przemysłowych w metalurgii, jako reduktor tlenków metali oraz smołę wytlewną (słuzy do produkcji benzyny, parafiny, olejów smarowych)

WĘGIEL KAMIENNY

Zawiera 78-92% pierwiastka węgla. Antracyt zawiera ok. 96% węgla. Ma barwę czarną, jest twardy, paląc się daje długi błyszczący płomień. Większość węgla kamiennego należy do węgli humusowych, powstałych na obszarach torfowisk ze szczątków flory lądowej. Ma niejednorodną budowę. Można odróznić kilka odmian petrograficznych (witryt, duryt, kloryt, furyt).

Utlenianie węgla kamiennego może być całkowite lub niecałkowite. Proces odgazowania polega na termicznym jego rozkładzie bez dostepu powietrza, może być prowadzony w niskiej temp (500-600C) tzw wytlewanie lub wysokiej (900-1100C).

Produkty wytlewania: smoła wytlewna, benzyna, woda wytlewna, gazy

Najważniejszą metodą przeróbki węgla kamiennego jest odgazowanie wysokotemperaturowe.

KOKSOWANIE WĘGLA KAMIENNEGO

Nagrzewanie węgla w temp ok. 1000C bez dostępu powietrza. W rezultacie zachodzących reakcji otrzymujemy produkt stały- koks oraz produkty lekkie (woda pogazowa, smoła węglowa, benzol, gaz koksowniczy)

Węgiel poddawany koksowaniu musi mieć odpowiednią jakość. Sposób przygotowania i składu mieszanki wsadowej decyduje o zawartości siarki, popiołów, wyprodukowanym koksie oraz o granulacji porowatości i wytrzymałości mechanicznej. Proces przygotowania węgla do koksowania polega na odważeniu składników mieszanki wsadowej oraz ich rozdrobnieniu i wymieszaniu.

Koksowanie prowadzi się w tzw komorach koksowniczych mających zwykle 14m dł i 5m wys i tylko 0,5m szer. Mała szer pozwala na szybkie ogrzanie wsadu, który ma nieduże przewodnictwo cieplne. Ściany komór wykonane są z cegieł ceramicznych ogniotwórczych.

Zespół kilkudziesięciu komór ustawionych obok siebie równolegle do swojej dłuższej osi tworzy BATERIĘ KOKSOWNICZĄ. Sąsiednie komory oddzielone są od siebie kanałami grzejnymi.

PRODUKTY KOKSOWANIA: 96-97% węgla reszta to azot, siarka, wodór i ozon.

Koks 73-77%, smoła węglowa 3-4%, benzol ok. 1%, amoniak ok. 0,3%, oczyszczony gaz koksowniczy 15-18%

Z WĘGLA KAMIENNEGO MOŻNA POZYSKAĆ

Olej lekki (benzol, ksylen), olej karbolowy (fenole), olej naftalenowy (70% naftalenu), olej antracenowy (antrocen, chryzen), pak (pozostałości).

ELEKTROWNIE KONWENCJONALNE

Składają się z kotła, pompy, turbiny, generatora i skraplacza.

ETAPY WYTWARZANIA ENERGII W ELEKTROWNIACH OPAŁOWYCH

-wytwarzanie ciepła w wyniku spalania paliw kopalnych w kotle parowym, które jest wykorzystywane w produkcji wysokotemp pary przy wysokim ciś

-przemiana entalpii pary w energię kinetyczną motora turbiny

-przemiana energii kinetycznej w energię elektryczną

WPŁYW NA ŚRODOWISKO

W czasie eksploatacji elektrowni na paliwa kopalne emituje do atmosfery zanieczyszczenia: pył, tlenki siarki, tlenki azotu, tlenki węgla, węglowodory.

ROPA NAFTOWA

Powstała przez przeobrażenia subst org przy udziale mikroorg. To emulsja solanki- woda rozproszona w cieczy hydrofobowej.

Ze względu na skład węglowodorów ropę naftową dzielimy na 7 klas oraz na 12 grup w zalezności od zawartości siarki i żywic. Oczyszczona ropa naftowa bez solanki wymaga jeszcze poddaniu innym procesom.

Stopień zagrożenia środowiska przyrodniczego wynikający z zanieczyszczeń gleb i gruntów zależy od rodzaju gruntu, rodzaju subst zanieczyszczającej. W przypadku gdy grunt jest nieprzepuszczalny początkowo zanieczyszczeniu ulega wierzchnia warstwa. Natomiast w gruntach przepuszczalnych rozlane na powierzchni węglowodory wsiakają w głąb przechodząc przez strefę aeracji do warstwy wodonośnej. Ulegają po części adsorpcji na materiale skalnym po części zaś infiltruje az do osiągnięcia wody gruntowej.

ZANIECZYSZCZENIA NAGROMADZONE w strefie aeracji mogą podlegać procesom biodegradacji, odparowaniu do powietrza glebowego, rozpuszczeniu w wodzie, sorpcji.

ROZPUSZCZALNOŚĆ WĘGLOWODORÓW

Praktycznie nie rozpuszczają się w wodzie (alifatyczne), bardzo duża rozpuszczalność w wodzie (aromatyczne), duża prężność pary nasyconej ich rozpuszczaniu w wodzie jest większa od rozpuszczalności alifatycznych (naftenowe), rozpuszczalność WWA w wodzie jest niewielka

BIODEGRADACJA- uleganie rozkładowi biologicznemu

STOPIEŃ BIODEGRADACJI ZALEZY OD:

-obecności mikroorganizmów degradujących i współzawodniczących

-koncentracji i dostępności zanieczyszczeń

-obecności tlenu lub innych związków utleniających

-stopnia wilgotności gruntu

-pH

-temperatury

-reakcji redox

ZANIECZYSZCZENIA WÓD PRODUKTAMI ROPOPOCHODNYMI

Zawartość węglowodorów w wodach nieznacznie zanieczyszczonych kształtuje się na poziomie 0,01-1 g/m3, natomiast w wodach silnie zanieczyszczonych osiąga wartość kilku, kilkunastu g/m3. Zawartość węglowodorów w wodzie powoduje zmiany jej cech organoleptycznych już przy niskich stężeniach 0,01 g/m3

GAZ ZIEMNY

Wszystkie gazy wystepujące w litosferze. Są to mieszaniny gazowe, które powstały w wyniku rozmaitych termicznych procesów zachodzących z udziałem bakterii, rozkładu org i nieorg składników skorupy Ziemi.

LNG- gaz w postaci ciekłej skroplony w temp -163C. Skroplenie gazu ziemnego powoduje 630 razy zmniejszenie jego objętości. Wartość paliwa określamy poprzez poadanie liczby oktanowej.

WALORY GAZU to łatwość i wygoda transportu (rurociagami), łatwość strącania i automatyzacji procesu spalania a przede wszystkim możliwość osiągania wyższych wskaźników sprawności energetycznej w porównaniu z urządzeniami zasilanymi innymi paliwami. Gaz dzięki wysokiej kaloryczności wykorzystywany jest jako cenne źródło energii. Jest najbardziej „komfortowym” paliwem dla wszelkich stacjonarnych urządzeń energetycznych tj kotły, suszarnie, przemysłowe piece grzewcze, kuchnie domowe.

PODZIAŁ GAZU ZIEMNEGO: niekonwencjonalny, konwencjonalny

SNG- może być wytworzony z węgla (z jego zgazowania) lub zgazowania pozostałości naftowej lub w wyniku metanizacji z czego powstaje gaz syntetyczny.

PROCESY OCZYSZCZANIA GAZU ZIEMNEGO

Dobór procesu oczyszczania zależy od składu i parametrów gazu oraz objętości natężenia jego dopływu z odwiertów.

Gazy ziemne i zaazotowane, kondensatowe, zasiarczone, zawierające tlen- odgazowanie- odgazowanie i odrtęciowienie- adsorpcyjne osuszanie glikolem, adsorpcyjo-utleniające usuwanie H2S.

PRZERÓBKA GAZU ZIEMNEGO

Może być prowadzona metodami:

ZACHOWAWCZĄ- polegają na rozkładzie mieszaniny węglowodorów na podstawie własności fizycznych o charakterze produktu celowego pod względem technicznym i handlowym. Metodą zachowawczą można przerobić tylko „gaz mokry” rozdzielając go na 3 grupy o charakterze produktów celowych: węglowodory gazowe (metan, etan), węglowodory, które w temp pokojowej można łatwo skroplić przez zastosowanie odpowiedniego cisnienia (propan, butan), węglowodory benzynowe (od pentanu w górę).

PRZETWÓRCZĄ- zmieniającą strukturę chemiczną węglowodorów w celu otrzymania nowych produktów.

ISTNIEJĄ 3 METODY ODGAZOLINOWANIA:

-adsorpcja- prowadzi się w urządzeniach zwanych adsorbentami, w których węgiel aktywny układa się na sitach metalowych. Polega na pochłanianiu ciężkich składników „gazu mokrego”. Odbywa się w cieczach zwanych wodami absorpcyjnymi. Od góry splywa olej i pochłania węglowodory do fazy gazowej przepływającej z dołu do góry. Olej nasycony zaabsorbowanymi węglowodorami spływa na spód wieży a gaz uwolniony opuszcza wieżę od góry ako gaz suchy odgazolinowany.

-metoda kompresyjna- stosowana tylko gdy przeróbce podlega gaz bardzo bogaty w węglowodory paliwowe- prowadzona pod zwiększonym ciśnieniem.

ZAGROŻENIA DLA ZDROWIA LUDZKIEGO:

-infekcja dróg oddechowych- tlenki siarki, azotu, pył, PAN

-zapalenie płuc, gruźlica- tlenek węgla

-choroby serca- tlenek węgla, tlenki siarki

-astma- SO42-, NO3

-wylew krwi do mózgu- tlenek węgla

-rak krwi- działanie aldehydów

-nowotwory żołądka i płuc- pyły i węglowodory

-duszności, bóle głowy- ozon

NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII

PRAWO ENERGETYCZNE- mówi, że pod pojęciem niekonwencjonalne źródła energii należy rozumieć takie, które w procesie spalania nie wykorzystują organicznych paliw kopalnych. Można tu zaliczyć: energie wodną, wiatrową, słoneczną, geotermalną oraz pochodzą ze spalania i przetwarzania różnego rodzaju odpadów z biomasy. Zaletą tych źródeł jest fakt, że nie powodują zwiększania zawartości dwutlenku węgla.

ENERGIA WEWNĘTRZNA ZIEMI (GEOTERMICZNA)

Można zaliczyć do obu rodzajów energii. Gejzery są źródłem nieodnawialnym, energia gorących skał jest energią odnawialną. Przeszkodą w upowszechnianiu niekonwencjonalnych źródeł energii są bariery prawne, finansowe i techniczne. Rozwój tej energii to sposób na uniezależnienie się od dostawców.

ENERGIA JĄDROWA

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

Naturalną promieniotwórczość wykazują tor i uran, wykazują one te właściwości niezależnie od rodzaju związku w jakim występują. Promieniotwórczość wykazuje także polon i rad. 83-92 w takim przedziale liczby atomowej pierwiastki wykazują promieniotwórczość.

Rodzaje promieniotwórczości: gamma, alfa, emisja beta minus (gdy jest dużo neutronów, które rozpadają się do protonu i emisji beta minus).

Z subst radioaktywnej promienie ulegają w polu magnetycznym lub rozszczepieniu na 3 oddzielne wiązki:

-promienie alfa- odchyla się w strone bieguna ujemnego, ma zasięg 3-7cm, jest mało przenikliwe, potrafi je zatrzymać kartka papieru

-promieniowanie beta- zasięg do 2m, zatrzymuje je płyta kilkumilimetrowej grubości np. aluminiowa

-promieniowanie gamma- zatrzymywane przez warstwę ołowiu grubości kilkunastu cm

JEDNOSTKĄ DAWKI pochłoniętej energii promieniowania jonizujacego w układzie SI jest GREJ (Gy)- ilość promieniowania, które materia o masie 1kg przekazuje energię 1 J. Dawka pochłoniętej energii zależy od ilości preparatu promieniotwórczego, czasu eksplozji.

PALIWO- materiał stosowany jako źródło ciepła (lub posrednio energii mech i elektr) do celów przemysłowych, technologicznych, transportowych i bytowych. Paliwo stosowane do spalania zew nosi nazwę paliwa opałowego a do spalania wew- paliwa napędowego. Zależnie od stanu skupienia rozróżnia się paliwa ciekłe, stałe i gazowe a zaleznie od pochodzenia- naturalne, sztuczne i opadowe.

PALIWO JĄDROWE- subst zawierająca materiał rozszczepialny w stężeniu umożliwiającym przebieg łancuchowego rozszczepienia jąder atomowych i stosowana jako źródło energii w reaktorze jądrowym

REAKCJE TERMOJĄDROWE

Wydzielanie się energii w reakcjach syntezy termojądrowej wynika z faktu, że energia wiązania nukleonów w jądrze helu jest znacznie większa od energii wiązania nukleonów w jądrach izotopów wodoru.

KRYTERIUM LAWSONA głosi, że iloczyn gęstości jąder w plazmie i czasu zatrzymania plazmy w temp zapłonu plazmy powinien przewyższać wartość progową 10²⁰-10²¹ s/m3.

ENERGIA SŁOŃCA

Energia promieniowania słonecznego stanowi najwieksze źródło energii, którym dysponuje człowiek.

Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii wysyłany równomiernie przez słońce we wszystkich kierunkach z tego do zewnętrznej atmosfery dociera promieniowanie o mocy 1,39 kW/m2. Wartość ta została nazwana STAŁĄ SŁONECZNĄ.

Promieniowanie to zostaje jednak osłabione w wyniku rozproszenia, odbicia i adsorpcji na cząstkach pyłów i gazów. Dla Polski suma promieniowania bezpośredniego i pośredniego wynosi max 1 kW/m2.

Względy techniczne oraz ograniczenia w zakresie przestrzennego zagospodarowania kraju nie pozwalają jak dotąd wykorzystać w pełni tej energii.

Wystepują ponadto w każdym rejonie systematyczne, okresowe zmiany nasłonecznienia: dobowe, sezonowe oraz wywoływane zjawiskami klimatycznymi, działalnością przemysłową prowadzącą do zanieczyszczenia powietrza i innymi przyczynami.

PODSTAWOWE SPOSOBY KONWERSJI ENERGII SŁONECZNEJ

-najbardziej wydajną i dostępną jest KONWERSJA FOTOTERMICZNA w wyniku, której promieniowanie słoneczne przy użyciu kolektora zamieniane jest na ciepło.

-w wyniku KONWERSJI FOTOELEKTRYCZNEJ w ogniwach fotowoltanicznych. Promieniowanie słoneczne zamieniane jest na prąd stały, który może być zamieniony na prąd zmienny

-KONWERSJA FOTOCHEMICZNA polega na zmianie energii słonecznej w energię procesów chemicznych

METODA HELIOTERMICZNA- sposób wykorzystania energii słonecznej. Polega na przemianie prom słonecznego w ciepło doprowadzane nastepnie do turbiny napędzającej generator. Elementami stosowanymi w tej metodzie są HELIOSTATY czyli zwierciadła ogrzewane energią słońce i kierujące odbite promieniowanie na umieszczony centralnie na wysokiej wieży absorbent składający się z rurek ogniskujących na sobie odbite od heliostatów promienie słoneczne. Wewnątrz rurek jest czynnik roboczy (sód, lit), którego pary napędzają turbinę. Mieszanina ta musi charakteryzować się dobrymi warunkami i magazynowaniem ciepła oraz wysoką sprawnością termiczną. Usytuowanie heliostatów i wieży centralnej może być różne. Wieża może znajdować się w środku owalnego lub okrągłego pola albo na skraju heliostatów. Heliostaty wyposażone sa w urządzenia sterujące.

SYSTEMY ZDECENTRALIZOWANE- wykorzystuja pole kolektorów. Mogą być stosowane kolektory płaskie lub paraboliczne.

KOLEKTORY SŁONECZNE muszą się składać z kilku warstw:

-przezroczysta pokrywa (ze szkła o niskiej zawartości tlenków żelaza)

-absorber (wykonany z metalu dobrze przewodzącego ciepło, najlepiej miedź lub aluminium. Do płyty absorbenta przylutowane sa rurki, którymi przepływa ciecz robocza. Ciecz robocza to mieszanka alkoholowa podobna do samochodowych płynów chłodniczych umożliwiająca pracę kolektora nawet w okresie zimowym)

-izolacja (wełna mineralna lub poliuretan)

-obudowa aluminiowa

Ważne aby kolektor miał wysoki współ absorpcji krótkofalowego promieniowania słonecznego (alfa).

W praktyce ilość energii cieplnej uzyskanej za pomocą kolektora zależy głównie od rodzaju i budowy kolektora, różnicy temp między kolektorem a otoczeniem, systemu regulacji magazynowania i izolacji, intensywności docierającego promieniowania.

Do najbardziej typowych elementów słonecznej instalacji grzewczej należą: zbiornik na wodę, wymiennik ciepła przez który przepływa ciecz robocza ogrzewając przy tym wodę w zbiorniku, pompka która pompuje ciecz roboczą przez kolektory i wymiennik ciepła, regulator.

PASYWNE WYKORZYSTYWANIE ENERGII SŁONECZNEJ- polegają na takim projektowaniu budynku bądź jego nieznacznej przebudowie aby nie tylko zminimalizować straty ciepła ale również je pozyskać. Polega na wpuszczeniu max ilości światła bądź ciepła w takiej formie jak są. Dzięki temu zbędne sa skomplikowane urządzenia i instalacje.

METODA HELIOELEKTRYCZNA- uzyskanie prądu elektrycznego bezpośrednio z promieniowania słonecznego za pomocą ogniw fotoelektrycznych.

W ogniwach fotoelektrycznych ma zastosowanie jedno z praw mechaniki kwantowej. Światło słoneczne padając na powierzchnię niektórych metali powoduje powstawanie niewielkiego prądu elektrycznego.

PÓŁPRZEWODNIKI- srebro, miedź, żelazo. Mają dużo wolnych elektronów. W przewodnikach jeden lub więcej elektronów może oderwać się od atomu i poruszać się swobodnie i uczestniczyć w przewodzeniu prądu. Materiały takie jak drewno, guma, szkło nie przewodzą prądu elektrycznego ponieważ nie maja swobodnych elektronów.

Półprzewodniki to ciało stałe posiadające mniej swobodnych elektronów niż metal lecz więcej niż izolator.

POZIOM FERMIEGO lub ENERGIA FERMIEGO- to ta wartość energii, przy której poziomy sa w połowie obsadzone przez elektrony. Energia ta jest najwyższym obsadzonym przez elektrony poziomem gdy metal zanjduje się w temp zera bezwględnego.

PODSTAWOWE CECHY INSTALACJI FOTOWOLTANIANYCH

-żadne paliwo nie jest potrzebne,a zatem wszelkie problemy związane z transportem i magazynowaniem paliwa są wyeliminowane

-nie wymagają one intensywnego chłodzenia zatem mogą być lokalizowane z daleka od rzek

-ogniwa przekształcają także rozproszoną część promieniowania słonecznego padającego na ziemię dlatego stanowią asekuracyjną metodę wytwarzania energii elektrycznej w krajach o przeważającej pogodzie pochmurnej

-w przeciwieństwie do innych źródeł ich wydajność nie zmniejsza się wraz z upływem czasu. Ich żywotność wynosi 20-30 lat. Na skutek braku części ruchomych nie ulegają zuzyciu, nie wymagają części zamiennych ani konserwacji

KONCENTRATORAMI nazywamy optyczne systemy ogniskowania i wzmacniania światła słonecznego kierowanego na ogniwa fotoelektryczne. Najczęściej są to konstrukcje zwierciadlane, rynny paraboliczne lub soczewki Fresnela. Głównym problemem przy stosowaniu koncentratorów jest to, że wysokie natężenie promieniowania słonecznego mogłoby nagrzać ogniwo zbyt silnie, zmniejszając jego sprawność lub doprowadzić do jego zniszczenia. Stosowanie koncentratorów ma na celu zmniejszenie powierzchni ogniw.

ELEKTROWNIE Z GENERATOREM MHD

MAGNETOHYDRODYNAMICZNA (MHD) metoda bezpośredniego przetwarzania energii cieplnej w energię elektryczną polega na wzajemnym oddziaływaniu strumienia zjonizowanego gazu i stacjonarnego pola magnetycznego. Odbywa się to w temp ok. 2700C przy prędkości strumienia gazu ok. 1000 m/s i przy indukcji pola magnetycznego ok.
2-6T. Jonizację gazu ułatwia tzw posiew czyli niewielka ilość metali alkalicznych posiadających niskie wartości potencjałów jonizacji. Ze względu na koszty, metale wyłapywane są ze spalin i ponownie wprowadzane do obiegu. Sprawność elektrowni z generatorami MHD wynosi 50-60%; o ok. 15-25% więcej niż elektrowni konwencjonalnej. Ze względu na wysoką temp spali tworzą się znaczne ilości tlenków azotu (bada się sposób wytwarzania z nich nawozów azotowych).

Po przejściu przez generator MHD strumień gorących spalin może oddawać swe ciepło w kotle parowym, który zasila turbinę tworząc drugie ogniwo elektrowni (konwencjonalne). Generator MHD odgrywa rolę instalacji czołowej w stosunki do elektrowni konwencjonalnej.

Produkty spalania gazu ziemnego w postaci plazmy pod ciś 0,85MPa, temp 2650, przewodności elektrycznej 10s/m i prędkości 1300 m/s wprowadzane są do kanału generatora MHD, w którym poddane zostają działaniu pola magnetycznego o indukcji 5,8T, w wyniku czego powstaje prąd stały przetwarzany nastepnie w falowniku na prąd przemienny o częstotliwości 50Hz. Kanał generatora MHD ma dł 30 m i jest chłodzony wodą.

OGNIWA PALIWOWE- zasilane gazem ziemnym. Cały proces zaczyna się od wydzielenia czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem. Powstający przy tym CO2 jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku metanolu. Następnie wodór trafia do właściwego ogniwa wywołując kolejne reakcje chemiczne

REAKCJE REFORMOWANIA CH4+O2=2H2+CO2

Platynowy katalizator na anodzie wyrywa z gazu elektrony a dodatnio naładowane jony (protony) wodorowe „rozpuszczają się” w elektrolicie.

REAKCJA ANODOWA 2H2=4H+4e^-

Obojętny elektrycznie tlen doprowadzany do katody przechwytuje swobodne elektrony powodując powstawanie prądu stałego. Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie i wytwarzają wodę

REAKCJA KATODOWA O2+4H⁺+4e^-=2H2O

ENERGETYKA WODNA

Rozwój elektrowni wodnych- czystych dla otoczenia, niezależnych od wydobycia i transportu paliw- ograniczony jedynie wymogami odpowiednich warunków zew (terenowych i geologicznych) oraz zależy od wielkości kapitału posiadanego przez inwestora.

POTENCJAŁ ENERGETYKI WODNEJ może być liczony jako suma potencjałów wszystkich cieków, przy uwzględnieniu wysokości spadku, wielkości przepływu oraz teoretycznej sprawności przetwarzania energii wody w energie elektryczną lub jako potencjał techniczny, który w stosunku do potencjału brutto pomniejszony jest o współsprawności turbiny i generatora oraz uwzględnia stopień wykorzystania spadku i przepływu wody.

ZALETY ENERGETYKI WODNEJ

Główna korzyść polega na zaoszczędzeniu określonej ilości paliwa kopalnego wraz ze wszystkimi pozytywnymi skutkami tego faktu a więc uniknięciem kosztownego i niebezpiecznego wydobycia kopalin oraz ich transportu a także zużycia energii na te cele. Są czyste ekologicznie i technicznie łatwiejszy. Mniejsze koszty obsługi. Większa niezawodność. Niższe koszty eksploatacji.

WADY ENERGETYKI WODNEJ

Zmiany klimatyczne (spadek temp, zwiększone opady i zachmurzenie oraz prędkość wiatru)

PODSTAWOWĄ ROLĘ w przemianie energii wody śródlądowej w energię elektryczną odgrywa energia potencjalna. W turbinach wodnych nastepuje zmiana energii potencjalnej na kinetyczną, a następnie w prądnicach elektrycznych (hydrogeneratorach) jest zamieniana na energię elektryczną. Moc elektrowni wodnej wyraża się wzorem:

P=8Q*H P-moc [kW], Q-przepływ wody [m3/s], H-wys spadku użytecznego [m]

SZTUCZNE SPADY stwarza się poprzez:

-spietrzenie górnego poziomu wody

-obniżenie dolnego poziomu lub budowę elektrowni podziemnej

-budowę kanału spietrzającego dzięki czemu zmniejszają się straty przepływowe

NAJWAŻNIEJSZYMI URZĄDZENIAMI MEW (mała elektrownia wodna) są: turbina, prądnica, układ regulacyjny, sterowanie turbozespołu, przekładnia.

MEW można podzielić ze względu na lokalizację na zbudowane na jazie lub zaporze w miejscach do których woda doprowadzona jest kanałem lub rurociągiem od budowli pietrzacej na rzece.

W małej hydroenergetyce stosowany jest także następujący podział:

-mikro energetyka wodna do której zalicza się obiekty o mocy do 50-70 kW

-mini energetyka wodna obejmująca obiekty o mocy do 100kW w niektórych krajach do 1MW

-mała energetyka wodna z mocą zainstalowana od 0,5-1MW do 5-15MW (kraje uprzemysłowione)

W ZALEŻNOŚCI od wysokości spadu MEW dzieli się na 3 kategorie:

-niskospadowe 2-20m

-średniospadowe 20-150m

-wysokospadowe >150m

MEW mogą wykorzystywać potencjał niewielkich rzek rolniczych, zbiorników retencyjnych, systemów nawadniających, wodociągowych, kanalizacyjnych, kanałów przerzutowych.

ZASADA DZIAŁANIA MEW

Woda przy ujęciu zostaje pozbawiona zanieczyszczeń mechanicznych takich jak patyki, liście, papiery. Następnie w zbiorniku umieszczonym pod ziemią woda oczyszcza się z piachu i mniejszych śmieci. Zbiornik ten oczyszcza się automatycznie co pewien czas z nagromadzonego materiału rzecznego. Zbiornik ten ponadto magazynuje wodę.

Po oczyszczeniu woda przepływa kanałem (od dł od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów) umieszczonym pod ziemią do budynku elektrowni. Turbina wraz z generatorami zwykle znajdują się pod powierzchnią ziemi. Woda uderzając w łopatki turbiny napędza ją, ta z kolei napędza generator wytwarzający energie elektryczną. Po tym procesie woda trafia np. do strumienia z którego została pobrana.

ZALETY MEW

-nie zanieczyszcza środowiska

-mogą być zaprojektowane i wybodowane w ciągu 1-2 lat, wyposażenie jest dostępne, a technologia dobrze opanowana

-wymagają nielicznego personelu i mogą być zdalnie sterowane

-rozproszone w terenie skracają odległości przesyłu energii i zmniejszają związane z tym koszty

WADY MEW

Trudności techniczne związane z realizacją MEW spowodowane są zazwyczaj złym stanem technicznym obiektów hydrotechnicznych, zwłaszcza zamuleniem, zarośnięciem zbiorników i kanałów dopływowych i odpływowych, uszkodzeniem zapór, urządzeń piętrzących, upustowych, dewastacja budynków. Problemy MEW mogą być także spowodowane brakiem mozliwości nabycia na rynku krajowym odpowiedniego wyposażenia np. turbin, układów regulacyjnych i niektórych typów prądnic a także wyspecjalizowanych przedsiębiorstw.

ENERGIA POZYSKIWANA Z MÓRZ I OCEANÓW

WYKORZYSTANIE ENERGII PŁYWÓW MORSKICH

W korzystnych warunkach topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów (przypływów i odpływów) mórz. Ujście rzeki wpływającej do morza i wysokie jej brzegi umozliwiają budowę zapory pozwalającej na wypłynięcie wód morskich w doliny rzek podczas przepływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne podczas odpływu.

WYKORZYSTANIE ENERGII FAL MORSKICH

Istnieją 2 sposoby wykorzystujące energię fal morskich napędzających albo wielką turbinę (MOSC) i OWC (zbiornik zbudowany na platformie na brzegu rzeki)

Innymi sposobami wykorzystywania fal morskich są „tratwy” i „kaczki”. Każda tratwa składa się z 3 części połączonych ze sobą zawiasami i poruszających się na falach. Ruch fal porusza tłoki pomp znajdujących się na środkowej części tratwy. Pompowana woda napędza turbinę sprężoną z generatorem.

ENERGIA GEOTERMALNA

Energia skumulowana w gruntach, skałach i płynach (para, woda) wypełniających pory i szczeliny skalne. Energia ta jest praktycznie niewyczerpalna ponieważ na drodze konwekcji przenoszona jest z głębi Ziemi. Ciepło wydzielane we wnętrzu Ziemi pochodzi z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Energetyka geotermalna bazuje na gorących wodach cyrkulujących w przepuszczalnej warstwie skalnej skorupy ziemskiej poniże 1000m. Wody geotermalne zawierają rozp składniki mineralne NaCl, KCl, CaCl2, SiO2.

WYKORZYSTANIE ENERGII GEOTERMALNEJ rozwinęło się w dwóch kierunkach. Pierwszy polega na zastosowaniu płynu geotermalnego o wysokiej entalpii (najczęściej para wodna) do wytwarzanie energii elektrycznej. Drugi sposób wykorzystania polega na zastosowaniu płynu geotermalnego bezpośrednio do ogrzewania.

Coraz częściej stosowane są pompy cieplne umożliwiające korzystanie z energii geotermalnej niskotemperaturowej wystepującej na głębokości od 1 do 1,5m w skałach i wodach je wypełniających. Pompy cieplne uruchamiane energią elektryczną lub gazową pozwalają na zmianę niskich temp uzyskiwanych z Ziemi (10-30C) do temp przydatnej w ciepłownictwie (45-80C).

ABY MÓC EKSPLOATOWAĆ CIEPŁO GEOTERMALNE potrzebne są 3 składniki:

-medium,

-porowata formacja skalna posiadająca odpowiednią przewodność hydrauliczną

-źródło ciepła do ogrzewania formacji skalnej

---