Rekonstrukcja zderzenia pojazdu z wykorzystaniem programu PC
advertisement
Prof. nadzw. dr hab. inż. Jarosław Bartoszewicz [email protected] Nadal większy udział w wytwarzaniu energii mają metody konwencjonalne, tj. z ropy, węgla i gazu ziemnego, łącznie pokrywają 86% zapotrzebowania w energię. Ogromnym problemem jest zużywanie się tych surowców. Bardzo trudne jest jednoznaczne i rzetelne określenie, kiedy złoża wyczerpią się, ponieważ państwa dysponujące znacznymi zasobami ropy i gazu strzegą informacji o zasobności złóż, a metody badawcze wciąż są niedoskonałe. Surowiec Zasoby Struktura Zużycie Struktura Wystarczalność [mln ton] Zasobów [%] Zasobów [mln ton] Zużycia [%] Zasobów (R/P) [lata] Węgiel 469 298 59,6 2 957,0 31,7 158 Ropa naftowa 159 644 20,3 3 861,3 41,4 41 Gaz ziemny 158 815 20,1 2 512,2 26,9 63 Razem 787 757 100,0 9 330,5 100,0 84 Największymi konsumentami energii na świecie są Amerykanie, zużywają oni 4,5 razy więcej energii niż wynosi średnia światowa. Pomimo, iż w Polsce zużywamy znacznie mniej energii w przeliczeniu na osobę w porównaniu do Amerykan, Rosjan, Francuzów czy Niemców, to i tak jest to o ok. 30% więcej niż wynosi średnia światowa. Odnawialne źródła energii są to naturalne zasoby energii, które pomimo stałej eksploatacji powstają na nowo. W Polsce odnawialne źródła energii zaspokajają około 11,3% zapotrzebowania na energię. Do roku 2020 liczba ta wzrosnąć ma do 20%. Odnawialne źródła energii dzielimy na: • Energetyka słoneczna, • Energia wód powierzchniowych • Energia wiatru, • Energia Geotermalna. W Polsce znajduje się 6 stref oddziaływania wiatru. Przez większą część roku, bo około 300 dni w ciągu roku występują wiatry o prędkości od 3 do 10 m/s, pozwala to na wprawienie w ruch turbiny wiatrowej i tym samym produkcję prądu. Ocenia się, iż potencjalnie na terenie naszego kraju można wyprodukować 140020000 TWh energii elektrycznej. Polska według danych URE, w połowie 2014 roku posiadała około 2300 turbin wiatrowych o łącznej mocy około 3700 MW. Wśród nich wyróżnić można 17 farm wiatrowych o dużej mocy oraz mniejsze turbiny występujące pojedynczo. Rozwój energetyki w najbliższych latach w Polsce z pewnością w dużej mierze zależeć będzie od: • Modernizacji obecnych elektrowni wiatrowych celem poprawy ich sprawności, • Stawianie farm wiatrowych na morzu, • Wzrost mocy pojedynczych turbin. Ze względu na konstrukcję silniki wiatrowe dzielimy na: Silniki z poziomą osią obrotu, które dzielą się na: a) jednopłatowe, dwupłatowe, trzypłatowe oraz wielopłatowe, b) wyposażone w dyfuzor, c) wykorzystujące efekt Magnusa. Silniki o pionowej osi obrotu, do których należą: d) turbina Savoniusa (pojedyncza i podwójna) e) turbina świderkowa, f) turbina Derrieusa (bez wspomagania i ze wspomaganiem), g) turbina H-rotor. Podstawowym elementem ich budowy jest wirnik przemieniający energię wiatrową w użyteczną pracę mechaniczną, a dokładniej w energię elektryczną. Do elementów budowy elektrowni wiatrowej należą również gondola i wieża, czyli konstrukcja nośna. Najczęściej spotykane są elektrownie z wirnikami trójłopatowymi. Piasta wirnika zaopatrzona jest w serwomechanizm, który pozwala na zmianę kąta nachylenia łopat. Wirnik umiejscowiony jest na wolnoobrotowym wale, a jego obroty są przekazywane do szybkoobrotowego wału, który sprzężony jest z generatorem elektrycznym poprzez przekładnię. Średnie obroty turbiny to 15-30 obr/min, lecz dzięki zastosowaniu przekładni wzrastają one do 1500 obr/min. Przełożenie zależne jest od zastosowanego generatora. W celu poprawy efektywności pracy siłowni wiatrowych z poziomą osią obrotu stosuje się modyfikacje budowy wiatraków. Przykładem takiego rozwiązania jest turbina Maxi Fortec, która wyposażona jest w dyfuzor. Ten rodzaj turbiny wykorzystuje zjawisko, w którym gaz przepływający w tunelu zmienia swoją prędkość wraz ze zmianą średnicy kanału zgodnie z prawem Bernoullego. W związku z tym turbina, która jest umieszczona w przewężeniu kanału, obraca się szybciej w porównaniu ze strumieniem powietrza płynącego poza kanałem, tym samym ilość energii uzyskana jest większa niż w standardowym wykonaniu. Istnieje również inny rodzaj turbiny z poziomą osią obrotu, gdzie zamiast łopatek o klasycznej budowie zastosowano walce obracające się wokół własnej osi. Wytwarzają one siłę nośną na podstawie efektu Magnusa. Zjawisko to polega na tym, iż na zanurzonym w strumieniu płynu obracającym się walcu powstaje siła boczna. Ma to miejsce, gdy dochodzi do względnego przemieszczenia się obracającego ciała względem strumienia płynu. Ten rodzaj turbin w porównaniu z tymi z poziomą osią obrotu stanowi niewielki procent. Istniejące wiatraki tego rodzaju są urządzeniami o małej mocy. Technologicznie najprostszym rozwiązaniem siłowni z pionową osią obrotu jest turbina Savoniusa. Działanie jej zbliżone jest do pracy silnika wodnego. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość wykorzystania wiatru o prędkości od 1,5 m/s oraz odporność na silne wiatry. Przy wietrze wiejącym z prędkością do 4 m/s turbina może osiągnąć moc większą o 40% od standardowego wiatraka posiadającego tą samą powierzchnię zatoczenia łopat. Wadą tego rozwiązania jest moment startowy bliski zeru, co skutkuje tym, iż do rozruchu niezbędne jest wstępne napędzenie. W tym celu wykorzystywane są silniki elektryczne, ale spotkać można również siłownie tego typu dodatkowo wyposażone w turbiny Savoniusa. Istnieje również odmiana turbiny Darrieusa z wirnikiem w kształcie litery „H”, nazywany turbiną H-Darrieus lub zamiennie H-Rotor. Systemy pasywne pozyskują energię z promieniowania słonecznego dzięki naturalnym zjawiskom wymiany ciepła oraz masy. W tym przypadku konstrukcja budynku pełni rolę kolektora i jednocześnie magazynu. Dodatkowo systemy pasywne rozbudowuje się o układy poprawiające ich wydajność, np. ekrany odbijające promieniowanie, ściany akumulujące, nocne nagrzewanie powietrzem już nagrzanym i zakumulowanym w ciągu dnia. W ścianie takiej promieniowanie słoneczne przechodzi przez pokrycia szklane i jest absorbowane przez ciemną powierzchnię ściany akumulującej, powodując wzrost jej temperatury. Po otwarciu kanałów łączących ogrzewane pomieszczenie ze szczeliną między szybą a ścianą, może nastąpić przepływ powietrza przez szczelinę. Przepływ powietrza nastąpi, gdy siła wyporu, która jest efektem rożnych gęstości powietrza w szczelinie i pomieszczeniu będzie dostatecznie duża, aby pokonać opory przepływu. Systemy aktywne umożliwiają wykorzystanie energii promieniowania słonecznego przy użyciu paneli słonecznych oraz paneli fotowoltaicznych. Ze względu na rodzaj budowy podział paneli słonecznych jest następujący: płaskie, próżniowe, magazynujące, elastyczne. Ze względu na rodzaj czynnika roboczego: cieczowe, powietrzne. W celu podgrzewania różnego rodzaju cieszy najczęściej stosuje się kolektory płaskie. Budowane są w kształcie prostokątów o długości 1,2-2 m i szerokości 0,6-1,4 m. Budowa takiego kolektora składa się z systemu kanałów transportujących nośnik ciepła, którym najczęściej jest ciecz, absorbera promieniowania słonecznego, izolacji termicznej, oddzielającej powierzchnię kolektora od warstw zewnętrznych oraz z obudowy zewnętrznej. Kolektory próżniowe Kolejnym rodzajem kolektorów słonecznych są kolektory próżniowe. W nich wewnątrz szklanej rurki o niewielkiej średnicy umieszczony jest pojedynczy absorber. Wytworzony w niej próżnia jest doskonałym izolatorem ograniczającym straty ciepła z kolektora do otoczenia. Ten rodzaj kolektorów składa się z kilku lub kilkunastu rur, gdzie każda z nich jest pojedynczym absorberem. Kolektory próżniowe z stosunku do płaskich cechują się sprawnością wyższą nawet o 30%. Istnieją dwie odmiany kolektorów próżniowych: • przepływowe, • z tzw. „rurą cieplną”. Podstawowym elementem budowy przepływowego kolektora próżniowego jest kanał, w którym przepływa czynnik roboczy. Jest on zespolony z właściwym absorberem i są one zamknięte w tej samej szklanej rurze, w której panuje próżnia. Kolektory próżniowe typu „rura cieplna” wykorzystują czynnik roboczy o niskiej temp. wrzenia, który służy do transportu ciepła uzyskanego z pochłaniania przez absorber promieniowania słonecznego. Ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw półprzewodnika, każda o innym typie przewodnictwa elektrycznego. Pierwsza to przeźroczysta warstwa półprzewodnika typu n, druga jest warstwą półprzewodnika typu p. Uwalnianie elektronów z wiązań międzyatomowych jest spowodowane absorpcją światła w półprzewodniku. Uwolniony elektron pozostawia w miejscu, w którym się znajdował tzw. dziurę, która ma ładunek dodatki i może się poruszać. Jeśli złączne p-n zostanie oświetlone, to po obu jego stronach powstaną pary elektron-dziura. Wskutek istnienia warstwy zaporowej tzn. styku półprzewodników, następuje gromadzenie elektronów w obszarze półprzewodnika n i dziur w obszarze półprzewodnika p., gdy połączy się oba półprzewodniki elektrycznym obwodem zewnętrznym, popłynie w nim prąd, który jest proporcjonalny do promieniowania padającego na ogniwo Najpopularniejsze moduły fotowoltaiczne zbudowane są z kilkunastu, kilkudziesięciu, niekiedy kilkuset ogniw. Moc wyjściowa wynosi od 20 do kilkuset W. Większość produkowanych modułów kształtem przypomina płaską skrzynkę, we wnętrzu, której umieszczone są ogniwa fotowoltaiczne. Skrzynia, z co najmniej jednej strony posiada szybę, przez którą docierają promienie słoneczne. Moduły są hermetycznie zamknięte, aby uchronić fotoogniwa przed działaniem atmosfery. Ogniwa są połączone ze sobą w układzie szeregoworównoległym. Moduły charakteryzują się odpornością na uszkodzenia mechaniczne, wpływ środowiska oraz wahania klimatyczne ze względu na kruchość ogniw. 1-ogniwo fotowoltaiczne, 2-szyba ochronna, 3-obudowa metalowa, 4-uszczelnienie, 5-spoiwo Potencjał energetyczny biomasy, który możliwy jest do technicznego wykorzystania określany jest na poziomie od 37% do około 50% potencjału wszystkich dostępnych odnawialnych źródeł energii. Najprostszym sposobem wykorzystywania biomasy w celach energetycznych jest jej spalanie. Prowadzone jest samodzielnie w odpowiednich do tego celu kotłach, bądź też może być realizowane, jako współspalanie z innymi rodzajami paliw. Energia z biomasy może być wytwarzana poprzez: spalanie biomasy roślinnej (drewno, odpady drzewne pochodzące z tartaków, słoma) produkcje oleju opałowego dzięki roślinom oleistym (rzepak), uprawianych w celach energetycznych, fermentację alkoholową trzciny cukrowej, ziemniaków oraz dowolnych materiałów organicznych poddających się takiej fermentacji, beztlenową fermentację metanową odpadowej masy organicznej. Instalacja przedstawiona na rysunku zasilana jest przez niskotemperaturowy odpadowy nośnik ciepła, który doprowadzany jest z układu zewnętrznego do kotła o mocy Qk. Strumień ciepła odpadowego QpII jest doprowadzany do wymiennika P-II. W układzie tego typu elektrowni hybrydowej wyróżnić można trzy główne bloki funkcjonalne: - Jednoobiegową siłownię z czynnikiem organicznym, - Układ wodno-parowy zawierający kocioł parowy produkujący nasyconą parę suchą, która jest kierowana do wymiennika typu skraplacz-parowacz, jest on połączony cieplnie z obiegiem siłowni organicznej, - Przeciwprądowy wymiennik ciepła, zasilany przez strumień niskotemperaturowego nośnika energii cieplnej. W praktyce bardzo często wykorzystuje się biomasę w celu zasilania elektrociepłowni. Przedstawiony poniżej schemat pokazuje sprzężone trzy obiegi cieplne: Obieg olejowy, w nim olej termalny jest nośnikiem ciepła uzyskanego podczas spalania biomasy, Obieg czynnika roboczego w siłowni, stosuje się różnego rodzaju oleje, np. silikonowe, Obieg wody sieciowej, która jest nośnikiem ciepła w sieci, krążącej pomiędzy skraplaczem siłowni, a odbiornikami ciepła na cele c.w.u. i c.o., ale również na cele technologiczne. W skład siłowni ORC zaliczają się: kocioł, turbina parowa oraz generator. Wyposażone są również w agregaty ORC o mocy od 200 kW do 1500 kW. Zastosowane w nich wolnoobrotowe turbiny charakteryzują się względnie dużymi sprawnościami. Mogą pracować przy zmiennym obciążeniu od 10% do 100% mocy znamionowej. 1-regenerator, 2-skraplacz, 3-turbina, 4-generator elektryczny, 5-pompa obiegowa, 6-podgrzewacz, 7-parowacz, 8-odpływ i dopływ gorącej wody, 10,11-dopływ i odpływ oleju termalnego Istnieją siłownie ORC, w których zamiast klasycznej turbiny zastosowany jest silnik ślimakowy. Jego elementami są wirnik śrubowy, napędza on odbiorniki mocy, czyli np. generator mocy. Jest on umocowany na wale osadzonym w korpusie. Czynnikiem roboczym jest sprężony gaz lub para, są one doprowadzane do przestrzeni roboczej przez otwór wlotowy znajdujący się w górnej pokrywie. Jego zaletami są zwarta budowa, stosunkowo niskie koszty eksploatacji, dobra żywotność, niewrażliwość na stan pary Drugim typem są silniki śrubowe. Składa się z dwóch wirników. Pierwszy z nich, górny napędza odbiorniki mocy, a drugi dolny jest wirnikiem biernym. Wirniki umieszczone są na odrębnych wałach, a każdy z nich znajduje się w tej samej obudowie. Obroty silnika wywołane są zwiększaniem się objętości czynnika roboczego. Zastosowanie znajduje w siłowniach o mocy w przedziale od 20 kW do 1500 kW. Zakres ciśnień, w jakich może pracować to 1-3 MPa, co z pewnością można uznać za ich wadę. Temperatura wewnątrz Ziemi rośnie wraz z głębokością. Na 100 km panuje temperatura 900˚C. W jądrze Ziemi około 6000˚C. Gradient temperatury pomiędzy gorącym wnętrzem, a chłodną powierzchnią Ziemi wywołuje przepływ strumienia ciepła o gęstości bliskiej 63 kW/km^2. W Polsce przyjęty podział wód geotermalnych ze względu na temperaturę wygląda następująco: - Wody ciepłe 20-35˚C, - Wody gorące 35-80 ˚C, - Wody bardzo gorące 80-100 ˚C, - Wody przegrzane >1100 ˚C Dwuotworowy system eksploatacyjny stosowany jest w przypadku wód zmineralizowanych. Składa się z otworu produkcyjnego (wydobywczego) oraz otworu chłonnego (zatłaczającego). Rozwiązanie to jest najczęściej stosowane w eksploatacji wód geotermalnych. Jego zaletą jest możliwość uzyskania dużej wydajności eksploatacyjnej w przypadku dobrych warunków złożowych. Woda geotermalna wydobywana jest poprzez otwór produkcyjny. Ciepło oddaje ona w wymienniku ciepła lub w pompie ciepła wody obiegowej, następnie jest schładzana i wtłaczana przez otwór chłonny do złoża. System ten zapewnia odnawialność złoża oraz pozwala utrzymywać jego parametry eksploatacyjne. Instalacje geotermalne można podzielić na trzy podstawowe układy: Układ monowalentny, to taki, w którym ciepło jest pobierane z instalacji, a moc źródła dostosowana jest do maksymalnego zapotrzebowania na moc cieplną. Układ taki można stosować, w przypadku, gdy temperatura wody geotermalnej jest wyższa niż 100 ˚C. Układ biwalentny. W tym przypadku źródło geotermalne jest wspomagane przez kotły konwencjonalne. W przypadki brakującej ilości ciepła grzejnego, energia ta dostarczana jest z kotłowni. Poza sezonem grzewczym ciepło ze źródła geotermalnego ogrzewa jedynie c.w.u. Układ kombinowany, tutaj zapotrzebowanie na ciepło w części zaspokajane jest przez instalację geotermalną, a resztę energii dostarcza kotłownia konwencjonalna. Na schemacie omówiony jest kolejny schemat instalacji geotermalnej, która współpracuje ze sprężarkową pompą ciepła. Uzysk energii odbywa się przy użyciu wymiennika ciepła, który przekazuje ciepło wody geotermalnej, wodzie sieciowej, przy jednoczesnym wykorzystaniu pompy ciepła. W instalacji rolę dolnego źródła ciepła spełnia część sieciowej wody powrotnej. Obniża ona swoją temperaturę w zależności od typu użytej pompy grzejnej. Powracająca woda wraz z częścią wody sieciowej kieruje się bezpośrednio ku geotermalnemu wymiennikowi ciepła, gdzie jest podgrzewana przez wodę geotermalną. Dopełnieniem tej instalacji jest kocioł szczytowy, który gwarantuje uzyskanie przez zasilającą wodę sieciową wymaganej temperatury. Istnieją dwa systemy pozyskiwania energii elektrycznej z wody geotermalnej. Pierwszy z nich to system bezpośredni. Cechuje się tym, iż woda geotermalna jest również czynnikiem roboczym w obiegu elektrowni. Instalacja bezpośrednim wykorzystaniem nasyconej pary wodnej suchej: Instalacja elektrowni geotermalnej z jednostopniowym rozprężaniem wody geotermalnej: Instalacja z dwustopniowym rozprężaniem Systemy pośrednie znajdują zastosowanie w przypadku, gdy parametry wody geotermalnej nie są wystarczające i niemożliwe jest wybudowanie elektrowni takiej jak opisana powyżej. W takich sytuacjach elektronie, jako czynnik zamiast wody stosuje się płyn o niskiej temperaturze wrzenia przy ciśnieniu otoczenia. Czynnik ten pracuje wtedy zgodnie z obiegiem porównawczym ClausiusaRankine’a. W sytuacji, gdy fizyko-chemiczne właściwości wody nie pozwalają, aby wykorzystywać ją, jako nośnika ciepła, należy zastosować dodatkowy wymiennik geotermalny. W nim energia geopłynu przekazywana jest wodzie sieciowej, która pełni rolę czynnika pośredniczącego. Patrząc globalnie, hydroenergetyka jest najistotniejszym elementem technologii Odnawialnych Źródeł Energii. Możliwy do wykorzystania światowy, techniczny potencjał energii wodnej to ponad 14 tys. TWh/rok. Uruchomienie go wiązałoby się z całkowitym pokryciem zapotrzebowania na energię elektryczną. Natomiast zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na około 23 TWh/rok, aczkolwiek technicznie na blisko 12 TWh/rok i jest to ok 10% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną naszego kraju. Ocena wielkości zasobów energii wodnej uwzględnia jedynie energię potencjalną, pomijając na przykład energię kinetyczną. Ocena wielkości zasobów energii wodnej uwzględnia jedynie energię potencjalną, pomijając na przykład energię kinetyczną. E=𝜌VgH Gdzie: 𝜌 - gęstość wody, V – objętość wody, g – przyspieszenie ziemskie, H – wzniesienie wody nad poziom odniesienia. Moc zainstalowana w elektrowniach wodnych w 2009 roku w Polsce wynosiła około 2300 MW. Elektrownie szczytowo-pompowe dostarczają 1406 MW, a elektrownie zbiornikowe i przepływowe 944 MW. Elektrownie szczytowopompowe nie są zaliczane do OZE, są one jednak ważne dla systemu energetycznego, bo dostarczają moc szczytową i regulacyjno-interwencyjną. Produkcja energii elektrycznej pozostałych elektrowni wodnych zaliczanych do OZE w 2009 roku wyniosła 2154 GWh, co stanowiło około 1,35% całkowitej produkcji energii elektrycznej w Polsce wynoszącej około 160000 GWh. Największą mocą dysponuje elektrownia szczytowo-pompowa w Żarnowcu (716 MW) . Natomiast najliczniejszą grupą są elektrownie przepływowe w ilości 124. Największą jest EW Włocławek (160 MW). Ślimak hydroenergetyczny. 1-generator elektryczny, 2-przekładnia, 3-sprzęgło, 4,5łożyskowanie ślimacznicy, 6-ślimacznica Wyróżnić można dwa typy turbin: Turbina wodna akcyjna (natryskowa), Turbina wodna reakcyjna (naporowa). Turbina akcyjna charakteryzuje się tym, iż ciśnienie cieczy po stronie wlotowej i wylotowej wirnika jest równe, a energia potencjalna wody ulega zamianie na energię kinetyczną zgodnie z równaniem Bernulliego. Do wirnika doprowadzana jest woda z zadaną prędkością, gdzie dochodzi do przemiany energii kinetycznej strugi wody na energię kinetyczną wirnika turbiny. W procesie tym zmniejsza się prędkość wylotowa wody. Turbina reakcyjna, zamienia część energii naporowej wody w energię kinetyczną. Dochodzi do tego dzięki zastosowaniu nieruchomych kierownic przed wlotem do wirnika. Reszta energii pozostaje w wirniku. Ze względu na budowę wirnika oraz związany z tym sposób transformacji energii rozróżnić można następujące rodzaje turbin wodnych: Peltona, Francisa Kaplana Deriaza Banki-Michella Turbiny Peltona zastosowanie znajdują w przypadku, gdy mamy do czynienia z wysokimi spadami wody, z tego powodu w Polce tego typu turbiny praktycznie nie znajdują zastosowania. Promieniowo-osiowe turbiny Francisa stosuje się w przypadku małych elektrowni wodnych. W przypadku spadów poniżej 35 m stosowane są turbiny Kaplana. Wyposażone są one w regulowaną kierownicę promieniową oraz regulowany wirnik w przepływem osiowy. Zastosowanie znalazły między innymi w EW Włocławek, EW Rożnów. Turbina Deriaza, wyposażona jest w wirnik o stożkowym kierunku przepływu. Posiada podwójną regulację, dzięki czemu można ją stosować w elektrowniach o dużych wahaniach spadu. Z powodu różnorodnych warunków lokalnych konieczne jest, aby każdą elektrownię dostosowywać do indywidualnych wymagań. Elektrownie wodne podzielić można na kilka rodzajów w zależności od wysokości spadu: O spadzie poniżej 15 m, nisko-spadowe, O spadzie od 15 do 50 m, średnio-spadowe, O spadzie powyżej 50 m, wysokospadowe. Kolejny podział wynika ze sposobu współpracy elektrowni z systemem elektromagnetycznym: Podstawowe (pracują w podstawie obciążenia energetycznego), Podszczytowe (dostosowują moc z zależności od zapotrzebowania), Szczytowe (pracują tylko w okresie obciążenia szczytowego). Istnieje również podział wynikający ze sposobu gospodarowania przepływem wody: Przepływowe zbudowane przy piętrzeniach bez retencji, Ze zbiornikiem retencyjnym, który umożliwia wyrównywanie przepływu poniżej stopnia wodnego, Elektrownia zbiornikowa z członem pompowym, gdzie jest on napełniany częściowo po przez dopływy naturalne, a częściowo wodą ze zbiornika dolnego, Szczytowo-pompowe, w nich zbiornik górny napełniany jest dzięki użyciu pomp, tłoczących wodę ze zbiornika dolnego.
