Hoe Active Power Filters de Kwaliteit van Elektrische Energie Kunnen Verbeteren in Waterkrachtcentrales

Non-lineaire belastingen zijn tegenwoordig de belangrijkste oorzaak van vermogenskwaliteitsproblemen en zijn volledig verantwoordelijk voor slechte stroomkwaliteit. Door deze belastingen ontstaan er vermogenskwaliteitsproblemen zoals harmonischen, spanningsvervorming en ruis in het elektriciteitsnet. Goede stroom moet een frequentie van 50 Hz, een sinusvormige spanning en een spanningsgrootte van 230 V voor een enkelfasig systeem en 415 V voor een driefasig systeem leveren. Het hoofddoel is om de harmonische vervorming te verminderen, de vermogensfactor in het systeem te verbeteren en een goede stroomkwaliteit te leveren.

Een slechte vermogensfactor is een ander probleem dat door stroomingenieurs moet worden opgelost. De correlatie tussen vermogensfactor en THD werd in 1992 door L. Cividino en in 1993 door W. M. Grady uitgelegd. Het probleem van de regeling van de DC-linkspanning en de piekovershoot wordt besproken in de literatuur. Een verbeterd besturingsalgoritme voor het besturen van SAPF met behulp van een DSP wordt ook besproken. Het werd echter waargenomen dat spanningsregeling en correctie van de vermogensfactor niet gelijktijdig konden worden bereikt. De sliding mode control methode werd door I. Ullah et al. voorgesteld voor het besturen van SAPF met behulp van de p-q theorie. Er wordt ook besproken hoe reactief vermogen kan worden beheerd.

Het doel van dit hoofdstuk is om een SAPF-model te ontwikkelen voor een waterkrachtcentrale en een bijbehorend controlesysteem te ontwerpen om verschillende vermogenskwaliteitsproblemen tegelijkertijd aan te pakken. Het SAPF moet worden opgebouwd voor een mini-waterkrachtcentrale (tot 100 kW) en het model moet gesimuleerd worden in MATLAB/Simulink. Dit hoofdstuk zal ook helpen de voordelen van SEIG-gebaseerde waterkrachtcentrales te promoten, aangezien ze verschillende voordelen bieden ten opzichte van synchrone generators. Volgens de IEEE 519 en IEC 1000–3 normen zou de THD onder de 5% moeten blijven. Voor een goede stroomkwaliteit moet de vermogensfactor groter zijn dan 0,95. Daarom worden verschillende combinaties van niet-lineaire belastingen (d.w.z. gebalanceerde en niet-gebalanceerde belastingen) verbonden met het systeem en de resultaten worden getest op het MATLAB/Simulink-platform.

In het ontwerp van SAPF speelt de waarde van de koppelingsinductie een cruciale rol. De compensatiestromen die nodig zijn voor de harmonische reductie hangen volledig af van de stroombeperkende reactor. De berekeningen voor inductie en DC-capacitor worden uitgevoerd volgens de specifieke formules die in het hoofdstuk worden gepresenteerd. Bij een schakelfrequentie van 10 kHz en een modulatie-index van 0,7 wordt de waarde van de DC-capacitor ingesteld op 650 V, wat resulteert in een DC-capacitorwaarde van 100 µF en een koppelingsinductie van 20 mH.

Het genereren van referentiestromen voor SAPF wordt onderverdeeld in drie categorieën: tijdsdomein, frequentiedomein en zachte rekenmethoden. De tijdsdomein methode is eenvoudig en afhankelijk van circuitanalyse en algebraïsche transformatie, terwijl de frequentiedomein en zachte rekenmethoden complexer zijn en veel geheugen vereisen. De tijdsdomein methode wordt verder onderverdeeld in actieve en reactieve vermogens-theorie, die gebaseerd zijn op de zogenaamde p-q theorie (directe theorie van actief en reactief vermogen) en de d-q theorie (synchronisatie referentiekader).

De vermogensfactor wordt gedefinieerd als de cosinus van de hoek tussen de spanning en de stroom in een AC-circuit. Het wordt ook gedefinieerd als de verhouding van het werkelijke elektrische vermogen tot het product van de RMS-waarden van spanning en stroom. De vermogensfactor moet idealiter tussen 0,95 en 1 liggen. Er zijn twee soorten vermogensfactoren: de vooruitgaande en de achterblijvende, afhankelijk van de eigenschappen van de belasting. Wanneer de belasting inductief is, is de vermogensfactor achterblijvend, en wanneer de belasting capacitatief is, is deze voorwaarts.

Harmonischen worden gedefinieerd als de veelvouden van de fundamentale frequentie van de spanning en stroomgolfvorm. Wanneer harmonischen aanwezig zijn, kan de golfvorm al dan niet sinusvormig zijn, maar het blijft doorgaans continu. De totale harmonische vervorming (THD) is de totale hoeveelheid vervorming in de spanning of stroomgolfvorm veroorzaakt door de aanwezigheid van harmonischen. De harmonische vervorming in het netwerk is omgekeerd evenredig met de vermogensfactor.

Hoe Fotosynthetische Microalgen Bijdragen Aan Duurzame Energieproductie en CO2-Vastlegging

Microalgen, zoals Chlorella, Spirulina en verschillende cyanobacteriën, kunnen worden gekweekt in gecontroleerde omgevingen zoals fotobioreactoren of open vijvers. In deze omgevingen worden ze blootgesteld aan licht en CO2, wat hen in staat stelt om via fotosynthese organische stoffen te produceren. Het proces is bijzonder effectief vanwege de hoge fotosynthetische efficiëntie van microalgen en hun vermogen om snel te groeien onder gunstige omstandigheden. De biomassa die wordt gegenereerd, kan vervolgens worden gebruikt voor de productie van biodiesel, bio-ethanol of zelfs biogas, wat een duurzame bron van energie biedt.

Een van de belangrijkste voordelen van microalgen is hun vermogen om CO2 op te nemen, wat hen een belangrijke rol toekent in de strijd tegen klimaatverandering. Algen kunnen CO2 efficiënt opnemen, wat de atmosferische concentraties van dit broeikasgas vermindert. Bovendien is het mogelijk om deze algen in combinatie met biogasinstallaties te gebruiken, waarbij CO2 die anders in de atmosfeer zou belanden, door de algen wordt vastgelegd en omgezet in biomassa. Deze integratie van CO2-vastlegging met energieproductie biedt een potentieel koolstofnegatief proces dat kan bijdragen aan de vermindering van de koolstofvoetafdruk van de industrie.

In tegenstelling tot landgebaseerde gewassen hebben microalgen verschillende voordelen. Ze hebben geen landbouwgrond nodig, wat betekent dat ze geen concurrentie vormen met voedselproductie. Bovendien kunnen ze groeien in diverse omgevingen, zoals brakke of zoute wateren, wat de druk op zoetwatervoorraden verlaagt. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor grootschalige teelt in gebieden waar andere gewassen moeilijk kunnen gedijen. Het potentieel om algen te gebruiken voor biogasopwaardering, waarbij methaan wordt geüpgraded tot een hoger energieniveau, voegt nog een dimensie toe aan hun waarde.

De voordelen van microalgen zijn niet beperkt tot energieproductie. Ze kunnen ook worden gebruikt voor het reinigen van afvalwater. In dit proces nemen de algen voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor op, die anders het milieu zouden vervuilen. Door deze elementen uit het water te verwijderen, kunnen microalgen bijdragen aan het herstel van ecosystemen en het bevorderen van de waterkwaliteit. De biomassa die tijdens dit proces wordt gegenereerd, kan verder worden benut voor de productie van duurzame producten zoals diervoeder of cosmetica.

Toch zijn er verschillende uitdagingen die moeten worden overwonnen om de commerciële schaal van microalgenproductie te vergroten. De kosten van het kweken van algen blijven een van de grootste obstakels. Dit omvat zowel de initiële investering in fotobioreactoren als de operationele kosten, zoals energieverbruik en voedingsstoffen. Verder zijn er technische uitdagingen, zoals het optimaliseren van de opbrengst per eenheid van gekweekte algen en het verbeteren van de efficiëntie van de CO2-opname.

Het is belangrijk te begrijpen dat de toepassing van microalgen in de industrie meer is dan alleen een technologische kwestie. Het vereist een diepgaande kennis van de ecologie van algen en hun interacties met het milieu. Het succes van algenproductie is afhankelijk van het creëren van een balans tussen licht, temperatuur, CO2-niveaus en andere omgevingsfactoren. Innovaties in genetische manipulatie van algen kunnen deze processen mogelijk verder verbeteren, maar de ecologische en ethische implicaties van dergelijke technieken moeten zorgvuldig worden overwogen.

Naast de economische en technologische voordelen zijn de maatschappelijke en beleidsmatige implicaties van microalgenproductie niet te verwaarlozen. Beleidsmakers moeten ondersteunende regelgeving ontwikkelen die niet alleen de groei van deze industrie bevordert, maar ook zorgt voor de bescherming van het milieu en de biodiversiteit. Samenwerking tussen de wetenschappelijke gemeenschap, de industrie en overheden zal essentieel zijn om de bredere acceptatie en implementatie van algen-gebaseerde technologieën te ondersteunen.

Hoe kan PVT-technologie de toekomst van hernieuwbare energie beïnvloeden?

China heeft met 86% van de wereldwijde energiemarkt een dominante positie en bezit 64% van de totale geïnstalleerde capaciteit. Ook toont China een grote interesse in PVT-technologie, vooral in systemen die gekoppeld zijn aan geothermische pompen. Het heeft het potentieel om de belangrijkste zonne-energie technologie te worden die geïntegreerd wordt in nieuwe projecten. In een prijsanalyse uitgevoerd onder Task 35 werd onthuld dat niet-geglazuurde modules met een thermische wateragent een gemiddelde kostprijs van 300 euro/m² hadden, wat aanzienlijk hoger is dan de 120 euro/m² voor fotovoltaïsche (PV) panelen en 220 euro/m² voor traditionele thermische collectors. Deze gemiddelde prijzen tonen aan dat, zelfs in de huidige commerciële fase, het installeren van een PVT-systeem een kosteneffectieve optie blijkt te zijn in vergelijking met het gebruik van twee afzonderlijke PV- en zonne-thermische panelen. De studie werd uitgevoerd met commercieel beschikbare componenten van vergelijkbare specificaties. In theorie zouden identieke specificaties van een zonne- en thermische component in beide gevallen van vergelijking leiden tot een betere PV-efficiëntie door de koeling van de cellen en een lagere thermische efficiëntie door minder zonne-energie die beschikbaar is voor conversie.

Naast de kosten van de modules, is een ander cruciaal economisch aspect de impact van subsidieregelingen. Het Feed-in Tariff (FiT) systeem, veel gebruikt in Europa, is een subsidieprogramma dat een vaste tarief biedt voor de levering van overtollige elektriciteit aan het net. Het figuur toont de aanzienlijke impact van het tarief op de netto contante waarde (NPV) na 20 jaar, en de terugverdientijd van een PVT-project. Dit bewijst de centrale rol die subsidieregelingen spelen in de economische haalbaarheid van dergelijke systemen.

De meest voorkomende types PVT-collectoren zijn onbedekte vloeistofgebaseerde PVT-collectoren, met 55% van de totale geïnstalleerde thermische capaciteit, gevolgd door luchtgebaseerde PVT-collectoren met 43%, bedekte vloeistofgebaseerde collectoren met slechts 2%, en een zeer kleine geïnstalleerde capaciteit van geconcentreerde PVT en vacuümbuizen PVT. De belangrijkste toepassingen voor PVT-collectoren zijn de productie van warm tapwater (klein of groot), verwarming van zwembaden, zonne-luchtverwarming, zonne-districtverwarming en gecombineerde systemen.

Ondanks de groei van PVT-systemen, blijft de geïnstalleerde capaciteit relatief klein in vergelijking met aparte zonne-thermische en PV-collectoren, wat een direct gevolg is van hun noviteit en beperkte demonstratie. Desondanks winnen ze terrein in de EU en vormen ze een belangrijk onderzoeksgebied.

De belangrijkste financiële aspecten die van invloed zijn op de commerciële ontwikkeling van PVT-systemen zijn: het verlagen van de kosten van de modules en opslagsystemen (inclusief transport, installatie en onderhoud), en het implementeren van subsidieprogramma’s zoals Feed-in Tariffs met een optimaal tarief voor de aankoop van elektriciteit. Economische analyses tonen aan dat investeren in PVT-collectoren op kleine schaal financieel niet voordelig is vanwege de relatief hoge kosten in vergelijking met standaard PV- en ST-collectoren. Echter, bij grotere geïnstalleerde capaciteiten en met een geschikte subsidieregeling, wordt de co-generatie-oplossing winstgevend, wordt de investering in een korte periode terugverdiend, en is de netto contante waarde (NPV) over de levensduur van de apparatuur aanzienlijk. Gezien de huidige marktomstandigheden kunnen PVT-collectoren alleen winstgevend zijn op grotere schaal en specifiek wanneer ze worden ondersteund door subsidieregelingen.

In gevallen waar beschikbare ruimte beperkt is, kan de investering in PVT-collectoren toch gerechtvaardigd zijn ten opzichte van standaard PV en ST om de zonne-energieconversie te maximaliseren. Het is belangrijk te begrijpen dat PVT-systemen een veelbelovende oplossing bieden voor de toekomst van zonne-energie, vooral wanneer ze als een geïntegreerd systeem worden gebruikt. Echter, de opkomst van PVT-systemen hangt sterk af van subsidies en marktontwikkelingen die nog in volle gang zijn.

Hoe Energie-audits en Benchmarking Bijdragen aan Slimme Gebouwenbeheer

Een energie-audit is een gedetailleerde evaluatie van het energieverbruik van een gebouw, inclusief de werking van systemen zoals verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC), verlichting, isolatie en andere energieverbruikers. De audit bestaat uit verschillende stadia: eerst wordt er gedetailleerde informatie verzameld over het energieverbruik, de specifieke kenmerken van het gebouw, de gewoonten van de bewoners en de technische specificaties van machines. Vervolgens wordt het gebouw fysiek geïnspecteerd, waarbij speciale aandacht wordt besteed aan de isolatie, ramen, verlichting en andere aspecten die het energieverbruik kunnen beïnvloeden. De gegevens die tijdens dit proces worden verzameld, worden geanalyseerd om inefficiënties te identificeren en om te beoordelen hoe effectief de gebruikte technologieën zijn. Na de evaluatie worden aanbevelingen gedaan voor verbeteringen, gevolgd door een kosten-batenanalyse die de potentiële energiebesparingen en de economische haalbaarheid van de voorgestelde aanpassingen inzichtelijk maakt.

Afhankelijk van de diepgang van de audit kunnen er verschillende niveaus van analyse worden uitgevoerd, variërend van een basale inspectie tot diepgaande onderzoeken die meer gedetailleerde gegevens verstrekken over het energiegebruik en de mogelijke verbeteringen.

Beide processen, energie-audits en benchmarking, bieden waardevolle inzichten die eigenaren en beheerders van slimme gebouwen kunnen helpen bij het optimaliseren van hun energieverbruik. Dit kan niet alleen de operationele kosten verlagen, maar ook de duurzaamheid van het gebouw verbeteren.

Slimme gebouwen maken gebruik van geavanceerde technologieën en sensoren om energieverbruik in real-time te monitoren en aan te passen. Slimme verlichting, bijvoorbeeld, kan de helderheid automatisch aanpassen op basis van de hoeveelheid natuurlijk licht en de aanwezigheid van bewoners. HVAC-systemen passen zich dynamisch aan de veranderende omstandigheden aan om zowel energie te besparen als het comfort van de bewoners te waarborgen. Het gebruik van energiezuinige materialen, zoals isolatie van hoge kwaliteit, efficiënte ramen en slimme ventilatiesystemen, draagt verder bij aan het verlagen van het energieverbruik.

Daarnaast wordt er gebruik gemaakt van energieopslagsystemen die overtollige energie, bijvoorbeeld opgewekt door zonnepanelen, kunnen opslaan. Dit biedt meer onafhankelijkheid van het elektriciteitsnet en verbetert de stabiliteit van het net. Slimme gebouwen kunnen zelfs bijdragen aan het elektriciteitsnet door energie terug te leveren, wat de stabiliteit van het net verder versterkt.

Slimme gebouwen kunnen ook deelnemen aan vraagresponsprogramma's, waarbij energieverbruik wordt aangepast aan de vraag tijdens piekuren of op basis van signalen van het elektriciteitsnet. Dit verlaagt niet alleen de kosten, maar helpt ook het energieverbruik op het net te spreiden, waardoor de druk op het elektriciteitsnet afneemt.

Verder is de energie-efficiëntie van het gebouw niet alleen afhankelijk van de technologieën die worden gebruikt, maar ook van het ontwerp van het gebouw. Het gebruik van geavanceerde bouwmaterialen en technieken kan de warmte-inname of warmteverlies minimaliseren, waardoor de vraag naar extra verwarming of koeling wordt verminderd. Dit heeft een direct effect op de energie-efficiëntie en de operationele kosten van het gebouw.

Energiebeheer in slimme gebouwen is een dynamisch en doorlopend proces dat afhankelijk is van zowel technologische als menselijke factoren. Het optimaal benutten van de technologieën die beschikbaar zijn, kan de prestaties van het gebouw aanzienlijk verbeteren, wat leidt tot lagere kosten, een beter milieu en een hogere kwaliteit van leven voor de bewoners.