Biomasa i energia słoneczna

Słoma i kotły na słomę

Przykładowe instalacje kotłów na słomę

Schemat technologiczny kotłowni opalanej słomą w Lubaniu

Cztery kotły o mocy 2x3,5 MW + 1 MW. Kostki słomy ładowane są na stół podawczy, skąd trafiają do rozdrabniarki. Po rozdrobnieniu słoma dozowana jest podajnikiem ślimakowym, do śluzy ogniowej, a następnie trafia do kotła. W komorze spalania, odbywa się zgazowanie części lotnych. Otrzymany gaz mieszany zostaje z powietrzem wtórnym i ulega spaleniu w komorze spalania. Odgazowana słoma zostaje dopalona na ruszcie schodkowym przy udziale powietrza pierwotnego. Spaliny trafiają do odpylacza, a następnie zostają odprowadzone do komina. Koszt energii cieplnej wyprodukowanej w takiej kotłowni jest o 40% niższy, niż wyprodukowanej w tradycyjnej kotłowni opalanej węglem

Zgazowanie biomasy • Niekompletne spalanie – wytwarzanie palnych gazów CO, H2, dodatek

CH4.

• Zachodzi w temperaturze ok. 1000 C .

• Zachodzi w reaktorach zwanych zgazowarkami czy gazogeneratorami

• Zachodzi w wyniku reakcji pary wodnej czy CO2 z powstałym węglem (drzewnym)

• Zasadniczym warunkiem pracy zgazowarki jest występowanie odpowiednich warunków

a) redukcja biomasy do węgla drzewnego,

b) konwersja węgla drzewnego w odpowiedniej temperaturze do CO i H2.

Budowa układu do zgazowania biomasy

Różne możliwe sposoby zgazowanie biomasy

• Zgazowanie autotermiczne Część paliwa ulega spaleniu dostarczając ciepło, brak precyzyjnej kontroli

temperatury, zanieczyszczenia procesami spalania

Technologia dobrze opanowania, opłacalność ekonomiczna

• Zgazowanie allotermiczne Ciepło pochodzi z zewnętrznego źródła, możliwa precyzyjna kontrola

temperatury, czystszy gaz

W fazie badań czy testów, wyższe koszty

Zastosowanie rurek ciepła

(komora spalania zgazowarka)

Rurka ciepła – transfer

ciepła za pomocą procesów

wrzenia i skraplania cieczy

Zgazowanie plazmowe

• Paliwo wprowadzane jest do naczynia,

gdzie elektrycznie wytwarzana jest plazma.

• Ogrzewanie do bardzo wysokiej

temperatury (>2,000C°), powoduje rozkład

materii organicznej do gazów

• w tej temperaturze następuje także

rozkład różnego typu odpadów

• Wypływ gazów z reaktora

• Zbieranie się substancji, które nie

podlegają zgazowaniu (popioły) są w

postaci płynnej i zbierają się w części

dolnej zbiornika

Prototyp plazmowego

gazogeneratora:

• kaskadowe połączenie członu

generującego termiczną plazmę

łukową (człon I) z

• członem generującym tzw.

plazmę objętościową w członie

indukcyjnym (człon II).

• zastosowanie pary wodnej z

argonem jako czynnika

plazmotwórczego.

Projekt generatora realizowany przez zespół pod kierunkiem:

dr inż. Tadeusz Mączka

Kierownik Zespołu Technologii Małoseryjnej Instytut Elektrotechniki

Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego ul. M.

Skłodowskiej-Curie 55/61

50-369 Wrocław

www.iel.wroc.pl

http://fluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~plazmafluid/

Przykład układu dla biomasy ciekłej (1) pompa

(2) wymiennik ciepła

(3) reaktor zgazowywujący

(4) wymiennik ciepła chłodzony powietrzem

(5) Regulator ciśnienia

(6) separator gaz/ciecz

(7) zbiornik zimnej stopionej soli

(8) pompa stopionej soli

(9) Koncentrator paraboliczny

(10) Zbiornik gorącej stopionej soli

Zgazowanie przy zastosowaniu stopionych soli

Zgazowanie słoneczne

The most efficient way to convert the sun's energy into liquid fuel

Zastosowanie technologii zgazowania biomasy do produkcji paliw

Synergia z energetyką jądrową – produkcja paliw syntetycznych, wykorzystanie odpadów oraz zastosowanie metod produkcji paliw syntetycznych

Wybrane technologie wykorzystania promieniowania

słonecznego

• Gospodarowanie światłem dziennym: doświetlanie pomieszczeń

• Systemy aktywne (hybrydowe) doświetlania pomieszczeń

Systemy pasywne oświetlania

Świetliki rurowe

Działanie świetlika rurowego polega na wykorzystaniu zjawiska odbicia światła od

gładkich, lustrzanych powierzchni. Przez kopułę na dachu światło wpada z różnych

stron do lśniącej rury światłonośnej. Następnie dzięki wykorzystaniu zjawiska

odbicia promienie świetlne wędrują do powierzchni rozpraszacza umieszczonego

w powierzchni sufitowej oświetlanego pomieszczenia. Wpadające do

pomieszczenia światło jest łagodne i przyjazne dla ludzkiego oka, nie powoduje

efektu olśnienia i refleksów

Model demonstracyjny rury światłonośnej

Kopuła świetlika

Rura światłonośna

Rozpraszacz

Przykład zastosowania

Przykład – słoneczna rura

Centrala biura

prawniczego Morgan

Lewis (Nowy Jork).

Układ luster

Płócienne przegrody

Świecąca rura

Systemy aktywne

Koncentrator na Wydziale Energetyki i Paliw

SMART WINDOWS

• obecnie smart windows produkowane są w oparciu o trzy technologie: electrochromic,

suspended particle device (SPD),

liquid crystal.

• smart windows żeby mogły spełniać swoją rolę, potrzebują źródła prądu elektrycznego

Inteligentne okna

ON OFF

Sposoby i zastosowanie skoncentrowanego

promieniowania słonecznego

• Soczewka Fresnela

• Zwierciadła

Soczewki Fresnela

Konstrukcja soczewki Fresnela Porównanie działania zwykłej soczewki i soczewki Fresnela.

(1) zwykła soczewka płasko-wypukła,

(2) przecięcie soczewki na koncentryczne pierścienie, tak aby miały jednakową wysokość,

(3) ułożenie pierścieni;

System skupiania dwustopniowego

Przykładowy, dwustopniowy modułowy koncentrator oparty na

soczewce Fresnela jako pierwszym stopniu i kwarcowej wklęsło –

wypukłej soczewce jako drugim stopniu

Reflektory Fresnela

Koncepcję użytą do budowy soczewki

Fresnela można też zastosować do

reflektorów czy zwierciadeł

• Stosowane są panele liniowych pasów

luster, koncentrujących promieniowanie na

stałym odbiorniku umieszczonym na wieży.

• Najprościej można je wyobrazić sobie jako

płaskie powierzchnie, które po odbiciu

koncentrują promieniowanie słoneczne.

• To, co jest możliwe jedynie dla układów

posiadających krzywiznę (np. zwierciadła

paraboliczne) dokonuje tu powierzchnia płaska.

• Płaskie powierzchnie mogą być większe,

są tańsze, trwalsze i łatwiejsze do utrzymania w

czystości.

• Bezsprzeczną zaletą jest też to, że nie

muszą się przemieszczać wraz ze zmianą

położenia Słońca.

Koncentracja za pomocą zwierciadeł

• Pojedyncze zwierciadła (talerze) – koncentracja punktowa

• Koncentratory liniowe

• Inne koncentratory (np. tubowe, hiperboloidowe, …

Układy wykorzystujące promieniowanie słoneczne – nowe

technologie

• Lodówka zasilana energią słoneczną

• Laser pompowany słonecznie i magnezowy cykl energetyczny

• Kuchenki słoneczne

• Zgazowanie słoneczne

• Fotobioreaktory

Zjawisko termoakustyczne, polega na „pompowaniu” ciepła pod wpływem

drgań akustycznych. Drgania akustyczne z kolei wytwarzane są przez

odpowiedni generator wykorzystujący różnicę temperatur. Okazuje się, że

dobrym sposobem wytworzenia wymaganej różnicy temperatur jest użycie

skoncentrowanej wiązki promieniowania słonecznego.

Dzięki użytej soczewce Fresnela możliwe jest skupianie wiązki światła i kierowanie

jej na gorącą końcówkę stosu głównego napędu (generatora drgań akustycznych),

nagrzewanej w ten sposób do 475ºC. Dzięki takiemu rozwiązaniu eliminowany jest

gorący wymiennik ciepła, stanowiący kłopotliwy element głównego napędu.

Lodówka „słoneczna”

(sprawność lasera przeciętnie

wynosi 10-20%). Jednakże istnieje

możliwość wykorzystania do tego

celu bezpośrednio promieniowania

słonecznego. W rozwiązaniach

prototypowych zastosowana

została soczewka Fresnela

skupiająca naturalne światło

słoneczne. Przedstawia to rysunek

16, gdzie też jest widoczne

porównanie lasera pompowago

słonecznie i klasycznie.

Wykorzystanie jako ośrodka

czynnego neodymu

domieszkowanego chromem oraz

granatu itrowo – glinowego

(oznaczenie NdCrYAG) pozwoliło

na osiągnięcie mocy wiązki ok.

dwudziestu kilku watów przy

zasilaniu soczewką Fresnela o

powierzchni 1,3m2.

Wykazano, że taki słoneczny system laserowy mógłby być użyty

jako element elektrowni pracującej w tzw. magnezowym cyklu

energetycznym (ang. Magnesium Injection Cycle), w którym

wytwarzanie wodoru odbywa się przy wykorzystaniu reakcji

proszku magnezu i wody w temperaturze pokojowej. W procesie

chemicznym powstają pary tlenku magnezu o wysokiej energii

oraz wodór, spalany w celu podwyższenia całkowitej sprawności

generacji. Rola lasera słonecznego polega tu na dostarczaniu

energii (przekonwertowanej z energii promieniowania

słonecznego) do procesu wydzielania magnezu z tlenku, w celu

jego ponownego wykorzystania jako paliwo. Inne aplikacje takich

laserów to koncepcja tzw. satelity energetycznego -

przesyłającego na ziemię energię w postaci wiązki lasera

pompowanego słonecznie

Laser pompowany

słonecznie

Schemat przemiany energii słonecznej w paliwo, które można

łatwo magazynować oraz tanio transportować

(cynk i wodór)

Magnezowy cykl energetyczny

• Nagrzewanie laserem

MgO do 4000 K – rozkład

• Argon – użyty do

transportu pary magnezu

• Płyta miedziana – miejsce

kondensacji.

Wytwarzanie

wodoru

Użycie lasera pompowanego bezpośrednio

promieniowaniem słonecznym -

doprowadzanym do ośrodka laserowego

(np. YAG), wymagana kilkusetkrotna

koncentracja promieniowania słonecznego

Zaleta: wyższa sprawność konwersji,

eksperymentalnie 37%

Laserowe „satelity energetyczne”

System składa się z:

• koncentratory promieniowania

(soczewki Fresnela)

• ośrodek laserowy

• system chłodzenia cieczowego

• radiatory

• filtry bezużytecznej części widma

Kuchenki słoneczne

Gotowanie 40,000-50,000 posiłków dziennie. Shirdi Saibaba temple in Shirdi,

Maharashtra, India. System słoneczny: 73 luster o pow. 16 m2 każde.