Jaké výzvy a příležitosti přináší distribuovaná obnovitelná energie pro udržitelnou budoucnost?

Současný svět prochází globální energetickou transformací, která je nevyhnutelně spojená s přechodem od fosilních paliv k obnovitelným zdrojům energie. Fosilní paliva přinesla výrazné zlepšení životní úrovně od průmyslové revoluce, ale zároveň způsobila vyčerpání těchto omezených zdrojů a nastartovala vážnou hrozbu pro přežití lidstva na Zemi – změnu klimatu. Emise vznikající při spalování fosilních paliv jsou hlavním faktorem této globální hrozby. V současnosti je kladeno důraz na nahrazení fosilních paliv obnovitelnými zdroji energie, což je klíčová cesta k dosažení globální udržitelnosti. Mezi perspektivními možnostmi se v poslední době vysoce zdůrazňuje distribuovaná obnovitelná energie, jež se považuje za jednu z klíčových alternativ pro tento přechod.

Tento přístup k výrobě a distribuci energie si však žádá nové výzvy v oblasti technologie, politiky a infrastrukturního rozvoje. I když distribuovaná energie přináší nepochybné výhody, není bez problémů. Například, distribuce energie vyžaduje vysoce spolehlivou a bezpečnou síťovou infrastrukturu, která by umožnila efektivní integraci těchto decentralizovaných zdrojů. Zároveň je nutné zajistit stabilitu energetické soustavy, protože obnovitelné zdroje energie, jako je vítr a slunce, jsou v mnoha případech náchylné k výkyvům, což může ovlivnit spolehlivost dodávek energie. V této souvislosti je zásadní rozvoj inteligentních sítí, které umožní flexibilně reagovat na změny v nabídce a poptávce po energii.

Rovněž je důležitým faktorem otázka financování a podpory inovací v oblasti obnovitelné energie. Rozvoj a implementace distribuovaných energetických systémů vyžaduje značné investice, které by měly být podporovány jak veřejným, tak soukromým sektorem. Zároveň je nutné, aby státní politika a regulace podporovaly tento přechod na obnovitelné zdroje energie prostřednictvím daňových úlev, grantů nebo jiných stimulů pro podniky a jednotlivce, kteří se rozhodnou investovat do obnovitelných energetických technologií.

Zároveň se musí zvýšit informovanost o možnostech a výhodách obnovitelné energie mezi širokou veřejností. Je třeba zdůraznit, že transformace k čisté energetice není pouze technologickým, ale i kulturním a politickým procesem. Je to změna v přístupu k energetickým potřebám, kde se klade důraz na dlouhodobou udržitelnost a na to, jak mohou jednotlivci, komunity a státy využít obnovitelné zdroje energie k zajištění lepšího a ekologičtějšího životního prostředí pro budoucí generace.

Jako příklad z praxe lze uvést organizování mezinárodní konference o udržitelné energii a environmentálních výzvách, která se konala v roce 2022 v Indii. Tento typ odborných setkání je důležitý nejen pro výměnu znalostí mezi vědci a inženýry, ale také pro ukázání konkrétních příkladů aplikovaných technologií, které mohou přispět k dosažení globálních cílů v oblasti udržitelnosti. Na konferenci se diskutovalo o řadě aktuálních problémů v oblasti obnovitelných zdrojů, jako jsou alternativní paliva, nové technologie v oblasti spalování, kontrola emisí a zajištění čisté energie pro udržitelný rozvoj.

Pro čtenáře, který se chce do této problematiky ponořit, je důležité nejen porozumět technickým aspektům, ale také pochopit širší kontext: Jaké jsou dopady na životní prostředí a lidské zdraví? Jak může každý z nás přispět k dosažení globálních cílů v oblasti energetiky a udržitelnosti? Jaké možnosti nabízí vzdělávání a výzkum v této oblasti a jakou roli v tom hraje politika a mezinárodní spolupráce? V oblasti obnovitelné energie totiž nejde jen o jednotlivé technologie, ale o komplexní systém, který propojuje vědu, inženýrství, politiku a sociální odpovědnost.

Jak aktivní filtry mohou zlepšit kvalitu elektrické energie v systémech s nelineárními zátěžemi?

Kvalita elektrické energie je v dnešní době často ohrožena přítomností nelineárních zátěží, které jsou hlavní příčinou problémů s kvalitou výkonu. Tyto zátěže vedou k problémům jako jsou harmonické, zkreslení napětí a šum v napájecí síti. Ideální elektrická energie by měla mít stabilní frekvenci 50 Hz, sinusoidní vlnu napětí a hodnotu napětí 230 V pro jednofázový systém a 415 V pro třífázový systém. Cílem je minimalizovat zkreslení harmonických, zlepšit faktor výkonu v systému a zajistit kvalitní napájení z elektrické sítě.

Shunt aktivní filtry (SAPF) se běžně používají k redukci harmonických v síti. Tyto filtry využívají různé metody řízení, jako jsou metody v časové doméně, frekvenční doméně a metody měkkého výpočtu. Představitelé, jako S. Kumaresan et al., navrhli metodu pro výpočet napětí na DC-linku a hodnoty kondenzátorů pro řízení SAPF. V případě dostatečně velké indukčnosti lze z SAPF získat odpovídající kompenzační proud. Řídicí systémy, které využívají p-q teorii v časové doméně, jsou běžně používány pro řízení SAPF.

Důležitým problémem, který je třeba vyřešit, je špatný faktor výkonu (PF). Vztah mezi faktorem výkonu a celkovým harmonickým zkreslením (THD) vysvětlili L. Cividino v roce 1992 a W. M. Grady v roce 1993. Na tento problém se zaměřuje i regulace napětí na DC-linku a problém špičkového přetížení, jak je uvedeno v různých výzkumech. Významným pokrokem je i využití algoritmů pro řízení SAPF s DSP (digitálními signálovými procesory), jak popisuje studie z roku 2013. Bylo však zjištěno, že dosažení simultánního zlepšení regulace napětí a opravy faktoru výkonu může být obtížné.

Metoda řízení pomocí slidovacího režimu, kterou navrhl I. Ullah et al., využívá p-q teorii k řízení SAPF. Reaktivní řízení výkonu je dalším důležitým tématem, jak popisují různé studie z posledních let. Tradiční p-q metoda je však složitá a má omezení, jelikož řeší vždy pouze jeden problém najednou. Snažíme se tedy o simultánní mitigaci harmonických a korekci faktoru výkonu, přičemž zachováváme dobré řízení napětí na DC-linku a optimální podmínky pro vyvážené i nevyvážené zátěže.

Indukční generátory, zejména SEIG (Self-Excited Induction Generator), se široce používají k výrobě elektřiny, protože jsou levnější než jiné motory. Jsou robustní, bezkartáčové, mají vlastní ochranu proti zkratu a nízké náklady na údržbu. SEIG je typicky indukční stroj s připojeným kondenzátorem pro vzbuzení. Tento typ generátoru je běžně používán v odlehlých oblastech a samostatných systémech, kde není k dispozici síť pro dodávku reaktivního výkonu. S. Chakraborty et al. navrhli schéma pro převod třífázového napájení na jednofázové v systému SEIG, což usnadňuje připojení tohoto generátoru do místních sítí.

Hlavním cílem této kapitoly je navrhnout a simulovat model Shunt aktivního filtru (SAPF) pro hydroelektrárny a jeho řídicí systém, který by měl vyřešit více problémů s kvalitou elektrické energie současně. Model SAPF bude navržen pro malou vodní elektrárnu (do 100 kW) a simulován v MATLAB/Simulink. Tento přístup také podporuje propagaci hydroelektráren využívajících SEIG, které mají oproti synchronním generátorům řadu výhod.

Základní princip SAPF spočívá v zavedení kompenzačního proudu do elektrické sítě, který má zmírnit harmonické a zároveň upravit faktor výkonu. Kompenzační proud je indukován ve formě proudu, který má opačnou fázi než harmonické generované zátěží. Systém SAPF se skládá z napěťového zdroje, DC-link kondenzátoru a spojovací indukčnosti. Velikost indukčnosti je klíčová pro správnou funkci kompenzace, protože hodnota kompenzačního proudu závisí na této indukčnosti.

Různé metody řízení generování referenčního proudu pro SAPF jsou rozděleny do tří hlavních kategorií: metoda v časové doméně, metoda ve frekvenční doméně a metoda měkkého výpočtu. Časová doména je jednodušší a závisí na analýze obvodu a algebraických transformacích, zatímco metody ve frekvenční doméně a měkké výpočty jsou složitější a vyžadují větší paměť. V rámci časové domény se běžně využívají teorie p-q a d-q teorie.

Pro získání optimálního výkonu je kladeno důraz na zlepšení faktoru výkonu a minimalizaci harmonických. Výpočet THD a faktoru výkonu v podmínkách zátěže s nelineárními vlastnostmi je složitý, protože přítomnost harmonických výrazně ovlivňuje sinusoidální průběh napětí a proudu. Nicméně správná analýza a regulace pomocí SAPF umožňuje dosáhnout snížení THD a zlepšení efektivity systému.

Jak optimalizovat provoz indukčních generátorů pro malé vodní elektrárny: Řízení a simulace v MATLABu

Indukční generátory (IG) mají specifickou vlastnost, že mohou fungovat jak generátory, tak motory, avšak vždy spotřebovávají reaktivní energii. V případě systému SEIG (Self-Excited Induction Generator), kde je potřeba externího napájení pro vzrušení statoru, lze tuto energii získat buď z elektrické sítě, nebo pomocí banky kondenzátorů, pokud generátor pracuje v izolovaném režimu. Tento typ generátoru se ukazuje jako ideální pro malé vodní elektrárny, kde externí kondenzátorová banka zajišťuje dodávku reaktivní energie pro stabilní provoz.

Pro určení potřebné kapacity kondenzátorů, které jsou součástí systému, mohou být použity různé výpočtové metody. K tomu slouží rovnice (16.30–16.36), kde je například zapotřebí znát zjevný výkon (S), napětí na vedení (V) a proud (I). Dalšími důležitými parametry jsou aktivní výkon generátoru (P) a účiník (cos φ), které ovlivňují velikost reaktivní energie (Q), kterou musí SEIG absorbovat. Na základě těchto parametrů lze vybrat optimální hodnotu kondenzátorů. Teoreticky se minimální hodnota kapacity kondenzátorů vypočítá na 10,62 μF, přičemž v simulaci je pro dosažení konkrétního výstupu zvolena hodnota 12,5 μF.

Pro modelování SEIG v prostředí MATLAB byl použit indukční motor ABB o výkonu 2,2 kW (typ 3GBA 102 520-ADDIN), přičemž pro simulace bylo potřeba získat parametry obvodového modelu. K tomu slouží testy jako blokový rotor a test bez zátěže, jejichž výsledky jsou uvedeny v tabulce 16.2. Tyto hodnoty se následně využívají k výpočtu odporu statoru a rotoru, indukčnosti statoru a rotoru a magnetické indukčnosti. Výsledky těchto výpočtů jsou uvedeny v tabulce 16.3.

V simulaci byly testovány dva typy zátěží: vyvážená nelineární zátěž (150 Ω a 40 mH) a nevyvážená nelineární zátěž (250 Ω, 150 Ω a 40 mH). Pro snížení harmonických a zlepšení účiníku byla použita aktivní kompenzační síť SAPF, která byla realizována pomocí IGBT invertoru s napěťovým zdrojem (VSI). K simulaci byl připojen izolátor, který se aktivoval v čase 0,5 s. Byly provedeny samostatné simulace pro SEIG a SAPF. Při těchto simulacích byly měřeny parametry jako je proud zdroje (IS), kompenzační proud (IC), proud zatížení (IL) a napětí na DC kondenzátoru (VDC).

U nevyvážené nelineární zátěže došlo k dalšímu zlepšení, kdy THD klesl z 16,47 % na 3,27 %, což potvrzuje efektivitu SAPF i v náročnějších podmínkách. Účinník byl v tomto případě zlepšen na hodnotu blížící se jednotkové hodnotě. Výsledky ukázaly, že v případě zátěží, které jsou nevyvážené nebo nelineární, je možné dosáhnout vysoké úrovně stabilizace a optimalizace výkonu díky použití vhodného řízení a kompenzace.

Pro dosažení stabilního napětí a výkonu je u systému SEIG kladeno důraz na optimalizaci hodnot kondenzátorů a na precizní řízení reaktivní energie. Výsledek simulace ukázal, že napětí generátoru narostlo na hodnotu 415 V a frekvence na 50 Hz, což je ideální pro provoz malé vodní elektrárny. Během této fáze generátor odebíral reaktivní energii z kondenzátorové banky a rotorová rychlost se nejprve snížila a následně dosáhla provozní hodnoty. Tento proces je klíčový pro stabilizaci napětí a zajištění konstantní frekvence.

Pro návrh a optimalizaci malých vodních elektráren je tedy nezbytné věnovat pozornost jak výběru správných komponentů (kondenzátorů), tak i simulacím v prostředí MATLAB pro ověření návrhu a výsledného chování systému pod různými zátěžovými podmínkami. Výsledky simulací ukazují, že správně navržený a řízený systém SAPF může výrazně zlepšit kvalitu elektrické energie v systému, zejména v podmínkách, kdy jsou přítomny harmonické nebo nevyvážené zátěže.

Jak polymerní kompozity mění efektivitu skladování tepelné energie

V oblasti skladování tepelné energie (TES) se stále více zaměřujeme na vylepšení vlastností materiálů pro fázovou změnu (PCM), které mají klíčovou roli ve zvyšování účinnosti a stability těchto systémů. Mnoho metod bylo vyvinuto s cílem překonat omezení tradičních PCM, mezi které patří i jejich nízká stabilita a ztráty během cyklů tepelného namáhání. V poslední době se velká pozornost věnuje využívání polymerů k vytvoření kompozitů na bázi PCM, které nabízí řadu výhod, jako jsou nízké náklady na materiál a výrobu, lehkost, nenáchylnost k korozi, dobrá odolnost a možnosti ladění vlastností.

Fázově měnící materiály v polymerních kompozitech (PPC) jsou mnohofázové materiály, ve kterých jsou PCM zakomponovány do polymerní matrice, která má schopnost uchovávat a uvolňovat velké množství latentního tepla při pevně stanovené teplotě během fázového přechodu. Tato struktura významně zlepšuje cyklickou stabilitu a termální stabilitu PCM. Z tohoto důvodu se PPC stávají stále populárnějšími pro aplikace v oblasti skladování tepelné energie.

Jednou z hlavních výzev při použití PCM v TES systémech je jejich tendence k úniku nebo ztrátě materiálu, což negativně ovlivňuje jejich účinnost. Tato rizika lze minimalizovat zakomponováním PCM do polymerní matrice, která zajišťuje jejich zadržení, čímž udržuje jejich stabilitu a výkon. Dále polymerní kompozity výrazně zlepšují trvanlivost PCM, které by bez tohoto obalu byly náchylné k degradaci vlivem tepla nebo chemických faktorů. Polymery působí jako bariéra, která chrání PCM před těmito negativními vlivy.

Významným přínosem polymerních kompozitů je také zlepšení cyklické stability a kapacity pro ukládání tepla. PCM mají vysokou kapacitu pro ukládání latentního tepla, což znamená, že jejich účinnost při skladování tepelné energie neoslabuje ani po několika tisících cyklech. Přestože během cyklických přechodů může dojít k určitému úbytku materiálu, správným výběrem polymerní matrice je možné tyto ztráty minimalizovat a zajistit dlouhodobou stabilitu a efektivitu systému.

Polymery hrají v těchto systémech klíčovou roli, protože nejen že stabilizují PCM, ale také mohou sloužit jako tepelná izolace, což snižuje tepelné ztráty a zvyšuje celkovou energetickou účinnost. Díky vysoké možnosti přizpůsobení vlastností polymerů je možné upravit jejich tepelnou kapacitu nebo jiné specifické vlastnosti, čímž se zlepšuje výkon celého systému. Thermosetové polymery jsou nejběžněji využívané pro encapsulaci PCM, protože umožňují jejich uzavření při pokojové teplotě a zamezují úniku při zvýšených teplotách.

Vytváření polymerních kompozitů na bázi PCM je možné několika metodami, například mikro- nebo nanoencapsulací, porézními polymerními rámy nebo stabilizovanými tvary. Tyto metody umožňují vylepšit požadované vlastnosti, jako je tepelná vodivost, kapacita pro ukládání tepla, přenos tepla a celková udržitelnost. Mikro- a nanoencapsulace jsou zaměřeny na obalení PCM v polymerních slupkách, čímž vznikají kapsle, které chrání materiál před znečištěním a umožňují efektivní přenos tepla.

Fyzikální metody, jako je sušení sprejem nebo odpařování rozpouštědla, se běžně používají k výrobě těchto kompozitů. Při sušení sprejem se připraví emulze obsahující materiál pro obal a PCM, která se následně rozprašuje do komory, kde se odpařuje rozpouštědlo a formují se pevné částice. Tento proces je efektivní pro výrobu homogenních a stabilních mikrokompozitů, které mohou být použity v různých aplikacích. Chemické metody, jako je in-situ polymerizace nebo emulzní polymerizace, se také široce používají pro získání požadovaných vlastností kompozitů.

Důležitým faktorem pro optimalizaci výkonu PPC je výběr správného polymeru a způsobu jeho aplikace, což přímo ovlivňuje výsledné vlastnosti jako jsou tepelná vodivost, cyklická stabilita a účinnost skladování tepelné energie. Pokročilé kompozitní materiály na bázi PCM tedy představují slibnou cestu pro budoucí vývoj energetických systémů s vysokou efektivitou a dlouhou životností.

Jak efektivně využívat energii vln pro produkci obnovitelné energie v Indii

Princip OWC spočívá v tom, že jedno ústí potrubí směřuje do vody, zatímco druhé je otevřeno do atmosféry. Když vlna vstoupí do potrubí, vzduch je vytlačen ven, a když vlna ustoupí, vzduch je nasáván zpět. Tento cyklický proces generuje oscilační pneumatickou energii, která je následně přeměněna na mechanickou energii pomocí turbíny. Tradiční turbíny však mají problémy s efektivním využitím této energie, protože směr vzduchu se mění podle pohybu vln. Pro tento typ technologie je ideální použití dvoucestné turbíny, která může pracovat v obou směrech bez potřeby dalších mechanismů.

Turbíny s bi-direkčním designem mají však nižší účinnost než konvenční turbíny, což může ovlivnit celkovou výkonnost zařízení. Pro zvýšení efektivity je možné použít dvojici konvenčních turbín, přičemž jedna z nich funguje jako generátor energie a druhá jako blokátor proudění vzduchu. Tento systém se mění podle směru vln, což znamená, že turbína pro blokování proudění nebude nikdy schopna zcela zastavit vzduchový tok. To může vést k nižší výkonnosti výrobní turbíny, a proto se často navrhují mechanické ventily pro lepší kontrolu toku vzduchu. Avšak tato řešení mohou být v prostředí oceánů nespolehlivá kvůli dynamické povaze mořských podmínek.

Využití vlnové energie má obrovský potenciál pro výrobu obnovitelné energie v Indii a v dalších pobřežních regionech. Vlny, které jsou výsledkem výměny energie mezi větrem a povrchem oceánu, mají potenciál poskytovat stabilní a spolehlivý zdroj energie, který není ovlivněn sezónními výkyvy a má minimální negativní dopad na životní prostředí. I přesto, že technologie pro extrakci této energie nejsou bez problémů, jejich vývoj je klíčový pro budoucnost energetiky.

V současné době existuje více než tisíc různých návrhů na zařízení pro získávání vlnové energie. Tato zařízení mohou být klasifikována podle různých kritérií, včetně místa instalace, typu technologie a funkce. Mezi nejčastěji navrhované typy zařízení patří zařízení umístěná na pobřeží, v blízkosti pobřeží a na otevřeném moři. Každé z těchto zařízení má své výhody i nevýhody, přičemž zařízení umístěná na otevřeném moři mají větší potenciál pro získávání energie, ale zároveň čelí vyšším nákladům na instalaci a údržbu.

V rámci různých typů zařízení pro získávání vlnové energie je možné narazit na několik základních konstrukčních řešení. Patří sem například zařízení typu "attenuator", což je plovoucí vícesegmentová struktura, která se pohybuje podél vlny, nebo "terminator", která je orientována kolmo na směr vlny a slouží k jejímu "ukončení". Existují také zařízení typu "point absorber", které shromažďují energii v celé oblasti bez ohledu na orientaci vln. Každý z těchto typů zařízení má své specifické výhody a nevýhody, které musí být zohledněny při výběru vhodného řešení.

Osclilující vodní sloupec (OWC) je jedním z nejoblíbenějších typů zařízení, díky své jednoduché konstrukci a vysoké účinnosti v přeměně oscilační energie na mechanickou energii. Tento typ zařízení je efektivní, ale jeho schopnost fungovat bez poruchy závisí na správném designu a použité technologii pro řízení směru vzduchu a generování energie. Fluidní diody, stejně jako další pokročilé technologické řešení, mohou významně zlepšit výkonnost těchto zařízení a přispět tak k efektivnímu využívání energie z oceánu.

Významným faktorem pro úspěšný vývoj těchto technologií je také podpora výzkumu a vývoje nových metod, které budou schopny zajistit dlouhodobou stabilitu a spolehlivost těchto zařízení. Tento vývoj by měl zahrnovat inovativní přístupy k materiálům, konstrukčním metodám i energetickým procesům. Vzhledem k dynamickému prostředí oceánů a náročným podmínkám pro instalaci a údržbu zařízení je kladeno velké důraz na robustnost a dlouhou životnost těchto technologií.