Renewable Energy Lecture: Hydroelectricity and Wind Energy, Slides of Energy and Environment

Download Renewable Energy Lecture: Hydroelectricity and Wind Energy and more Slides Energy and Environment in PDF only on Docsity! Hydro and Wind Spring 2013 Lecture 14 1 Renewable Energy I  Hydroelectricity  Wind Energy  Renewable Resources  • Renewable means anything that won’t be  depleted by using it  – sunlight (the sun will rise again tomorrow)  – biomass (grows again)  – hydrological cycle (will rain again)  – wind (sunlight on earth makes more)  – ocean currents (driven by sun)  – tidal motion (moon keeps on producing it)  – geothermal (heat sources inside earth not used up  fast)  Renewable Energy Consumption  Energy Source QBtu / % (1994) QBtu / % (2003) QBtu / % (2011) Hydroelectric 3.037 / 3.43 2.779 / 2.83 3.171 / 3.26 Geothermal 0.357 / 0.40 0.314 / 0.32 0.226 / 0.23 Biomass 2.852 / 3.22 2.884 / 2.94 4.511 / 4.64 Solar Energy 0.069 / 0.077 0.063 / 0.06 0.158 / 0.16 Wind 0.036 / 0.040 0.108 / 0.11 1.168 / 1.20 Total 6.351 /7.18 6.15 / 6.3 9.135 / 9.39 much room for improvement/growth, but went backwards from 1994 to 2003! Slide copied from Lecture 11 Another look at available energy flow  • The flow of radiation (solar and thermal) was  covered in Lecture 11  – earth is in an energy balance: energy in = energy out  – 30% reflected, 70% thermally re‐radiated  • Some of the incident energy is absorbed, but  what exactly does this do?  – much goes into heating the air/land  – much goes into driving weather (rain, wind)  – some goes into ocean currents  – some goes into photosynthesis  Docsity.com Hydro and Wind Spring 2013 Lecture 14 2 The Renewable Budget  Outstanding Points from Fig. 5.1  • Incident radiation is 1741015 W  – this is 1370 W/m2 times area facing sun (R2)  • 30% directly reflected back to space  – off clouds, air, land  • 47% goes into heating air, land, water  • 23% goes into evaporating water,  precipitation, etc. (part of weather)  • Adds to 100%, so we’re done  – but wait! there’s more…  Energy Flow, continued  • 0.21% goes into wind, waves, convection,  currents  – note this is 100 times less than driving the water cycle  – but this is the “other” aspect of weather  • 0.023% is stored as chemical energy in plants via  photosynthesis  – total is 401012 W; half in ocean (plankton)  – humans are 7 billion times 100 W = 0.71012 W  – this is 1.7% of bio‐energy; 0.0004% of incident power  • All of this (bio‐activity, wind, weather, etc.) ends  up creating heat and re‐radiating to space  – except some small amount of storage in fossil fuels  Q2 The Hydrologic Cycle  Lots of energy associated with evaporation: both mgh (4% for 10 km lift) and latent heat (96%) of water Docsity.com Hydro and Wind Spring 2013 Lecture 14 5 Wind Energy  The Power of Wind  • We’ve talked about the kinetic energy in wind  before:  – a wind traveling at speed v covers v meters every  second (if v is expressed in m/s)  – the kinetic energy hitting a square meter is then  the kinetic energy the mass of air defined by a  rectangular tube  – tube is one square meter by v meters, or v m3  – density of air is  = 1.3 kg/m3 at sea level (and  0°C)  – mass is v kg  – K.E. = ½(v)·v2 = ½v3 (per square meter)  Wind Energy proportional to cube  of velocity  • The book (p. 134) says power per square  meter is 0.61v3, which is a more‐or‐less  identical result  – accounts for above sea level and more typical  temps.  • If the wind speed doubles, the power  available in the wind increases by 23 = 222 =  8 times  • A wind of 10 m/s (22 mph) has a power  density of 610 W/m2  Q Can’t get it all  • A windmill can’t extract all of the kinetic  energy available in the wind, because this  would mean stopping the wind entirely  • Stopped wind would divert oncoming wind  around it, and the windmill would stop  spinning  • On the other hand, if you don’t slow the wind  down much at all, you won’t get much energy  • Theoretical maximum performance is 59% of  energy extracted  Docsity.com Hydro and Wind Spring 2013 Lecture 14 6 Practical Efficiencies  • Modern windmills attain maybe 50–70% of  the theoretical maximum  – 0.5–0.7 times 0.59 is 0.30–0.41, or about 30–40%  – this figure is the mechanical energy extracted  from the wind  • Conversion from mechanical to electrical is  90% efficient  – 0.9 times 0.30–0.41 is 27–37%  Achievable efficiencies  Typical Windmills  • A typical windmill might be 15 m in diameter  – 176 m2  • At 10 m/s wind, 40% efficiency, this delivers about 40 kW of  power  – this would be 320 kW at 20 m/s  – typical windmills are rated at 50 to 600 kW  • How much energy per year?  – 10 m/s  610 W/m2  40%  240 W/m2  8760 hours per year   2,000 kWh per year per square meter  – but wind is intermittent: real range from 100–500 kWh/m2  – corresponds to 11–57 W/m2 average available power density  • Note the really high tip speeds: bird killers  – but nowhere near as threatening as cars and domestic cats!  Average available wind power  recall that average solar insolation is about 150–250 W/m2 Docsity.com Hydro and Wind Spring 2013 Lecture 14 7 Comparable to solar?  • These numbers are similar to solar, if not a little bigger!  – Let’s go to wind!  • BUT: the “per square meter” is not land area—it’s rotor  area  • Doesn’t pay to space windmills too closely—one robs the  other  • Typical arrangements have rotors 10 diameters apart in  direction of prevailing wind, 5 diameters apart in the  cross‐wind direction  – works out to 1.6% “fill factor”  Q 5 diameters 10 diameters rotor diameter wind Current implementations  • Rapidly developing resource  – 1.4 GW in 1989; 6.4 GW in 2003; 60 GW by end of 2012  – fast‐growing (about 25% per year)  – cost (at 5–7¢ per kWh) is competitive  – expect to triple over next ten years  • Current capacity: ~60 GW  – but should only count as 15 GW of continuous  Texas overtook California in 2007; Iowa coming up fast ht tp :// w w w. w in dp ow er in ga m er ic a. go v/ w in d_ in st al le d_ ca pa ci ty .a sp Flies in the Ointment  • Find that only 25% of rated capacity is achieved  – design for high wind, but seldom get it  • 3% of electrical supply in U.S. is now wind  – total electrical capacity in U.S. is 1051 GW; average supply 451 GW  – limited tolerance on grid for intermittent sources  • lore says 20%, but could be substantially higher in nationwide grid  • If fully developed, we could generate an average power  almost equal to our current electrical capacity (764 GW)  – but estimates vary widely  – some compute < 2000 GW practically available worldwide  – and struggle to deal with intermittency hits at some point  Q Docsity.com