可再生能源:海上能源储存

可再生能源:海上能源储存

无论是在陆地还是大型海上系统,可再生资源日益引起大家的重视。然而,目前有一个相当大的问题抑制了这一市场的增长:所有正在生产的能源,无论是海洋利用, 太阳还是风能,都必须实时加以利用。此外,在自然条件可能突然改变的情况下,可再生能源往往不稳定,直接影响输出功率。解决这个问题的办法很明显:想办法储存能量以备日后使用。

双室技术:独立的能源存储

马耳他大学工程学院的工程师们通过 FLASC, 项目找到了一种方法。他们为海上系统开发了一套程序,可以有效地储存多余的能源。压缩空气用于储能。已经在使用的类似解决方案依赖于静水压, 静水压又依赖于水深。相比之下,FLASC双室技术允许一个独立的压力范围,不在依赖于水深。这样,剩余的能量就可以安全地存储并在指定的时间间隔释放,而且可以单独设置。这也确保了功率的输出不在受自然环境的影响。

 STS ATM/N/T 传感器的精确测量

整个技术依赖于稳定的气压,而气压必须在任何时候都得到保证。出于此FLASC 采用高质的 STS ATM/N/T 传感器. 敏感的传感器在系统的三个不同点测量气压和温度。这种传感器的壳体材料由耐蚀钛材料制成,可以耐盐水腐蚀。得益于集成的温度传感元件PT100 ,它们能够涵盖从5到80°C的温度测量范围。所有收集到的数据都被传输到SCADA系统,在那里可以进行实时监控。

液位传感器助力地下水净化

液位传感器助力地下水净化

无论是旧的垃圾掩埋场、煤炭开采、前军事基地还是炼油厂,都会对的土地造成污染,这对人类和环境都会造成危害。在复原这些场合中,需要能够抵抗腐蚀性介质的液位传感器。

受污染的场地不仅仅造成健康状况或土壤环境的变化。在缺乏安全措施的情况下(如旧的垃圾填埋场),根据土壤条件,有害物质会被雨水冲刷到地下水中。根据使用的类型,可以找到许多不同的有害物质,包括:

  • 重金属混合物:铜,铅,铬,镍,锌和砷(非金属)
  • 有机物质:酚,矿物油,苯,氯化烃类(CHC),芳香烃(PAH)
  • 盐类:氯化物、硫酸盐、碳酸盐

地下水的净化

在修复受污染的土地上,不仅仅是净化土壤,还需要对地下水进行控制和净化。这就需要可靠的液位传感器来抵抗恶劣的环境。

净化过程通常如下:被污染的地下水被泵抽到地表,然后进行处理。作为过滤后的冲洗水,它将再次返回到污染源。为了防止这种冲洗水从污染源流到边缘,采用主动的液压方法保护渗透。水通过去污过程后注入到地下。这里的压力条件在一定程度上形成了一道屏障墙使冲洗水流向污染源。这里就需要液位传感器来控制和监控这一过程。

Figure 1: 净化过程

液位传感器当然也在修复工作后使用。在完成这项工作后,受影响的地点将被监测,以检查水位或水流方向的显著变化。

当一些流速应用可能对环境造成损害时,也会用到有液位传感器。新的垃圾填埋场现在就像一个不能渗透的水池。在垃圾填埋场下面的地下水位降低了,这样一旦发生泄漏,没有水可以流入附近的区域。在这里,相应的水位也会由液位传感器监测。

污水中的液位传感器:要求最高

在选择合适的液位传感器时,净化污染区域的操作人员应该非常小心。由于大量的可溶解在水中的物质,没有一个可靠的解决方案适合所有案例。需要考虑到几个方面,下面我们简要介绍一下。

材质

壳体

在大多数应用中,如STS所采用的高端不锈钢,足以保护测量芯体免受有害物质侵蚀。如果与盐水接触,那么就会选择钛合金壳体,但如果更符合要求的话,应该选择aPVDF 液位传感器

Figure 2: ATM/NC耐化学品腐蚀压力传感器-PVDF 壳体

探头电缆

在我们的经验中,选择合适的电缆比选择合适的壳体要重要得多。由于渐进的扩散过程,破坏的进程并不是立刻显现出来的。通常情况下,即使已经损坏了在外部也不会观察到。在探头电缆的中间是一个小型的空气管,它用于均衡相对压力。如果电缆材料不具有100%的耐腐蚀,那么原材料可能通过电缆外皮扩散并穿过空气管进入传感器芯片。

根据物质的不同,STS用户可以使用PE、PUR或FEP电缆。后者可以应用在高达110℃的高温情况下。

安装

电缆布局选择

旧的垃圾填埋场和工业场所环境都很恶劣,不仅只是有害物质会损害所使用的压力传感器的功能。必须注意的是,机械负荷(如碎片)不会损坏电缆外皮。也应该避免摩擦和线路缠绕。因此在放置电缆时,建议使用STS提供的特殊保护管。

泄气孔

不同制造商生产的液位传感器的压缩率也是不同的。在STS,液位传感器的标准承压可以达到250米。然而,在不容易的安装条件下,操作员应该考虑使用泄气孔。

安装

如果传感器应用在活水或带有搅拌器的容器中,可以提供在电缆出口(管道安装)处的1/2’接头或压力接头(15mm)。

防爆

在有许多危险物质的应用中,也要注意到防爆。我们的产品是符合国际标准的ATEX认证的。

校正气压波动的水位数据

校正气压波动的水位数据

奥塔维喀斯特含水层的压力测量——气压效率计算数据分析

我们以前介绍了在承压和非承压含水层中识别和消除大气压效应的主要概念。虽然大家都知道气压变化会影响水位读数,但很少有文章提供正确管理测压数据。

了解气压效率可以减少在抽水试验中计算压力表面和压力计的压降时的误差。Stallman(1967)进一步提出,空气通过非饱和带的运动和伴随的压力滞后,有助于更好地描述含水层性质。

Rasmussen和Crawford(1997)描述了某些含水层的气压效率如何随时间变化,以及如何计算相应的气压响应函数(BRF)。他们还指出,最后一个参数与含水层的封闭程度有关。最后,我们介绍了该程序在纳米比亚北部(Otavi山地)无承压喀斯特含水层中的应用,其中一组4个绝压传感器记录了10个月期间1小时内的水位变化和潮汐时间间隔。

综述

正在调查的地区是一个6000平方公里的东南部分。平均海拔1300-1500 m,丘陵海拔2000 m(见下图)。

岩层由厚白云岩灰岩层和叠层石(500 b.p.)构成。地层被褶皱成若干个向斜和背斜,一般呈东西走向。研究区南部以一条长断裂为界,断裂中赋存多种矿物(铜、钒、铅、锌)。

由于高能压裂,植被覆盖率低,土壤匮乏,地表径流量几乎为零。两个天然盆地,塌陷线,大100-200米,位于更远的北部和项目区之外。年平均雨量为540毫米(1926 – 1992年),在夏季12月至3月期间达到峰值。从70年代中期到2000年,该地区遭受了降水的减少,加上采矿活动(Kombat, Tsumeb, Abenab)导致一些地方的地下水位下降了20-30米。

从2005年开始,由于矿井活动的减少和新的气象制度,这一趋势已逐渐好转。

水文地质框架

该地区以喀斯特地貌闻名,地下有一些宽广的湖泊,位于地表以下70 – 120米。

该地区也被列为该国最重要的含水层之一(水事务部,MAWRD, E-F地区)。为了收集对这一特殊环境的更有价值的见解,并确定水孔的替代位置,我们制作了两张压力图(2007-2010年),并在Harasib农场距离2-4公里的一些水点安装了4个液位传感器 (fig. 13)。

Fig. 13 水压图(2007年2月)及三个液位记录仪的位置

2007年的测压面显示了一个补给区,与地形高点一致,由雨水入渗补给。从这一点,地下流向西南和东南。在这一阶段,我们的研究重点是定义:

  • 含水层类型
  • Harasib和Dragon湖之间的蓄水层
  • 补给

2007年对表层和深水进行了化学分析,并在2010年9月至2011年6月的10个月期间进行了连续的气压和水位记录。当累积雨量超过400-500毫米时,蓄水层开始补给。不饱和部分的厚度范围为40 ~ 100 m。考虑到这个值接近年平均降雨量,而且含水层是岩溶和高度破碎的,我们应该注意到,一年或两年的降水稀少足以大大减少可开发的产量。

气压效率 (BE) 和气压响应影响 (BRF)

Fig. 16 干燥期值(九月 – 一月)

水位读数已用桑迪亚国家实验室软件BETCO进行分析,以消除气压变化的影响。测量值和修正值如图16所示,指的是干燥期(9月- 1月),而图17显示的是气压对水位的变化,用于计算气压效率。

Fig. 17 干燥期的气压和水位差(九月.-十二月 2010)

在所有示例中,我们注意到:

  • 即使振幅较低,测量值和校正值之间也有很好的相关性。
  • 在修正后的数值中仍有一个变化在减少;除去集肤效应现象,这种现象可归因于其他非气压效应(潮汐、双重孔隙率)。
  • 初始气压效率值非常相似(0.55-0.61)。

图18描绘了气压响应影响(BRF),描述了 水位随时间对气压阶跃变化的响应;本质上BRF是自施加荷载以来时间的函数。

Fig. 18 三个引水点的气压响应函数。曲线相似(尤其是Dragon’s Breath湖和Harasib湖),表明无承压含水层可能具有双重孔隙成分

对所有三个引水点都观察到很一致的结果。例如,在Dragon’s Breath湖,由于空气通过裂缝的缓慢速度,会迅速上升到0.5,并长期衰减到较低的值(20小时后的0.2 – 0.3)。外压与含水层之间的平衡值达到0.1。

这三条曲线的形状表明无承压含水层具有良好的水力连接,特别是Dragon’s Breath湖和Harasib湖之间,最后一条距离Harasib 2公里。

2007年所做的同位素和化学分析也证实了这种相关性(里雅斯特大学地质系Franco Cucchi教授)。

一般来说,收集到的数据证实了含水层的无约束特性,覆盖着一层厚厚的、刚性的非饱和层,具有良好的裂缝性和水力连接。初始气压效率比最终气压效率高。

潮汐和传感器读数

Fig. 19 地下湖的水位也一样。上面的放大图显示出固土潮引起的小的旋回差异。

关于最后一个主题,收集到的数据仍然有限,但我们认为可以阐明一些有趣的想法。当详细检查时,曲线显示出一个独特的z字形模式,每10-12小时出现一个峰值(图19)。这种行为支持固土潮的影响,在裂缝和孔隙的体积产生微小的变化,从而在地下水潜力。傅里叶分析(Shumway, 1988)给出了图20中三个水点的谐波结构和图21中的潮汐分量。

Fig. 20 三个水电的谐波结构

Fig. 21 主要谐波分量的潮汐震级(单位为ft)

靠近Harasib湖的区域有较高的M2组分值,这可以认为是一个较高的透射率区域(Merritt, 2004)。这一事实在一定程度上被ne – wsw断裂的存在所证实,该断裂非常靠近Harasib湖。

结论

含水层的水位波动不仅仅是由于补给的变化。气压和潮汐是主要问题。了解特定地点的气压变化,有助于验证压力图或抽水测试。现代的压力传感器是非常有用的,当安装到钻孔。不同类型的含水层的记录不同,这些图可以诊断监测水平的限制程度。

描述这种行为的有用参数是气压效率(BE)和气压响应影响(BRF)。后者的特征是,当初始值高且长期响应近似为0时,深层无承压含水层;相反,当长期响应值保持恒定或近似为1时,含水层为承压/半精细含水层。

消除气压效应有时是必要的,以正确地解释抽水测试或绘制一个压力地图。最后,对水位资料进行特别分析,可以计算潮汐的调和分量,从而计算出一些水文地质特征。

这一理论方法已应用于纳米比亚北部一个无承压喀斯特含水层项目研究所收集的数据。在10个月的时间里,通过四个传感器每小时的读数来监测水位。这些数据证实了在以前的调查中获得的一般假设,并强调了使用这些工具评估含水层的重要性,特别是显示:

  1. Harasib湖区降雨补给和高透过率的作用
  2. 含水层具有良好的水力连接和导流能力
  3. 缺乏承压层(这是一个深而坚硬的无承压含水层)
  4. 当降雨超过400/500毫米时,地下水位以上的不饱和部分开始排水
  5. 其他的压力效应,如潮汐,可以用液位传感器突出显示

致谢

Namgrows代表纳米比亚地下水系统,这个项目是由作者和他的同事Gérald Favre建立的,有来自4个不同国家(意大利、瑞士、纳米比亚、南非)的地质学家和勘探者参与。该项目在纳米比亚得到了工程公司的支持。Sarel La Cante和他的妻子Leoni Pretorius (Harasib农场)。

STS – Italia分公司为我们提供了液位传感器及其技术支持。

我也要感谢托德·拉斯穆森教授(佐治亚大学,雅典分校)对这些数据提供了有价值的见解,特别是关于气压效率和地球潮汐的数据。

 Source: Dr. Alessio Fileccia / Consulting Geologist

液位记录仪监测着威尼斯的水位

液位记录仪监测着威尼斯的水位

意大利的威尼斯圣马可广场永远都不会被淹没,因为有来自STS的液位记录仪正持续不断的监测圣马可广场的地下水水位。这类传感器极其稳定,并且也适用于各类复杂多变对情况。

2003年,S.P.G. 公司在威尼斯的圣马可广场安装了整套地下水数据记录设备 。这些数据记录设备针对特殊场景和需求,有非常精细的定制化设计和制造工艺,能够满足并承受盐水水域中的长期浸泡的情况。因为在涨潮期间,圣马可广场常常被海水给淹。当地的运营与水管理机构努力保护威尼斯城区和泻湖免受洪水之灾。

由财团任命的威尼斯协会,在圣马可广场对面指定的码头位置,采用了这项创新的技术。为了实现这项创新技术,我们不得不面料更多的挑战,挑战包括监测地下水的流动,这一定程度上将指定的区域移位到建筑物背后的位置。根据客户的需求,安装成功后的STS的液位记录仪不断测量地下水的水平波动数据。

我们的地下水数据记录器允许地下水位统测,温度和电导率的范围在0…50 cmWS 至 0…250 mWC, -5 至 50 °C ,0.020…20 mS/cm。我们可以根据客户需求,在任何时间和阶段去改进每一个数据传输器。记录仪功能简单、操作友好。数据传输器可以扩展至150万条存储只读信息,同时探针直径的规格为24mm和10mm。

我们插件式的单位部件,同时也支持电缆扩展的额外需求。另外,软件系统可以自动更新至最新版本,给客户带来更多新的功能,免去由于软件问题或者新功能需求所带来的各类不便。锂电池可以在应用现场随时更换。数据传输格式主要是ASCII 和 XML,让客户在后期可以使用Excel等直接做数据处理。另外,根据压力或时间所变化的数据存储间隔,也可以支持广泛的测量。

我们的解决方案中,通过使用各种材料,包括不锈钢,钛,PUR,PE或铁氟龙电缆,和极其优质的误差率,让我们的传感设备可以应用与广泛与多样的使用场景,如垃圾填埋场,污染的场所,泵试验,高水位警报和记录由于雨水溢出所导致河水流域的排放/溢出。

Original publication: Konstruktion magazine

旱季用水

旱季用水

卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的水力专家在印尼爪哇岛的溶洞里建造了与水力发电厂结合的一个地下溢洪道。该电厂位于地面以下100米,在旱季时溶洞可供应充足的水。两个数据记录仪测量坝壁前后的水位,高水位最高可达15-20米,而当水流再次退出涡轮机时的低水位,最高可达2米。

爪哇岛南部海岸的岩溶区被称为Gunung Kidul,是印度尼西亚最贫穷的地区之一,土壤非常贫瘠,在旱季时河流都干枯了,不利于耕种和丰收。尽管雨季时水很快流失,但可汇聚到地下的洞穴系统里,这种天然水盆已被水电站所利用。事实上在旱季,每秒有千余升的水流过Bribin溶洞,是建造溢洪道的理想地方。代替复杂的涡轮机,给水泵的机械能的产生通过反向操作的回路泵来实现。五个平行的给水泵模块很便宜,在运行和维护成本方面要求不高。在一个名为Kaligoro-Reservoir的山间盆地,给水泵可推水至220米高处。随着第一次水收集试验的成功,该项目的关键问题已经得到了解决:溶洞可贮存水,贮存水的高度可达到15米。

该发电厂已在2010年3月被交付给印尼当局,现在80.000人民每人可使用多达70升的水。而在此之前,旱季时该地区的居民每天只能使用5 – 10升的水,用于牲口、洗涮、清洁和个人卫生。相比之下,每个德国公民使用大约120升水。

数据记录仪功能

 数据记录仪可测量坝壁前后的水位。通常水位可达15米,但在雨季可上升至20米。另一个探头可测量水下的水位,即水流出涡轮机时的水位,此种情况下最高水位可达2米。优势显现在由STS生产的数据记录仪上,由于其对三次测量范围的累计值的过量负载,最小特性偏差为0.1%,其测量的长期稳定性每年在总刻度的0.1%和0.5%之间。

液位记录仪提供从0 – 100毫巴到0 – 600毫巴之间的压力测量范围,因此允许测量从0 – 100 cmWS直至0 – 6000 mWS的水位。测量间隔可以设置为0.5秒到24小时之间。可存储多达150万读数的数据存储器和小探头,使这个设备更加出色。此外,有标准锂电池可轻松地用于现场替换。

可变的记录间隔,取决于压力或时间,允许进行灵活的测量。通过采用不同的材料,如不锈钢、钛、聚氨酯、聚乙烯或聚四氟乙烯电缆,并对各种不同的应用进行监控,可达到高度的兼容性。除了能记录地下水、泉水、井水、湖泊和河流的水位,记录器还适用于水管、天然气、管道施工、管道网络的渗漏测试,以及天然气、水和区域供热管网的压力测试。该记录器也可应用于天然气压力调控站,以决定持续供气的压力。

来源: 卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)–水与水供应开发学院(IWG)

海水的力量:来自大自然的可再生能源

海水的力量:来自大自然的可再生能源

利用海洋能源发电已经不是一个新想法了。主要的挑战是以低成本以及几乎不影响环境的前提下,开发高效率的能源转换系统。在意大利,有一个在海洋能源领域非常有前途的项目,它就是REWEC3。

共振波能转换器(REWEC3)是一种通过海上的波浪能产生电力的先进技术。这种类型技术的第一个实例已在奇维塔韦基亚港成功构建。其作用原理是基于振荡水柱(OWC)系统。

 OWCs作为对环境低影响的可再生能源其潜力巨大。当OWC内水位和周围的水位一起上升时,空气的位置通过水的流动在收集腔内部被替换,然后通过PTO系统来回驱动,把这个空气运动转换成能量。这些通换空气运动转化为电能的机型中,PTO系统需要一个双向涡轮机。这确保无论气流的方向在哪里,涡轮机总是往同一方向转动,从而提供了连续的能量。

 奇维塔韦基亚的REWEC3系统是来自位于雷焦卡拉布里亚,地中海大学的一个研究项目,并且现在由企业 Wavenergy.it 所经营。部署安装的核心部分是一个混凝土制成的钢筋沉箱。这个沉箱的向海浪面有一个竖井(1),通过一个开口连接(2)海水,在一侧,同样有一个更深地下沉式开口(4),连接另一侧的内室(3)。该内室有处于下方位置的海水(3a)和上层位置的气囊(3b)。空气风道(5)通过自整流涡轮连接气囊和外部环境空气(6)。波浪的作用力在入口处制造了压力变化并受力与垂直的竖井(2)。因此轴内的水会跟着内部结构上升和下降。通过这种方式,轴上端位置的空气袋会压缩或膨胀。风道内的气流(5)然后驱动自整流涡轮工作(6)。

安装REWEC3的原则是利用在海上的波浪运动来发电。空气室中的空气被交替压缩(通过波峰)和减压(通过波谷),以便在导管内部形成交流气流并驱动自整涡轮。随后通过同轴发生器产生电能。

谈谈发电设备安装REWEC3的优势:

  • 它们不会影响自然景观的欣赏,因为从外面几乎看不到设备的存在。
  • 它们吸收海浪的作用力,并缓和风暴对海岸线的影响。
  • 由于提高了涡轮机的位置,所以不会危及到海洋动物。
  • 每安装一公里的长度,每年可生产8000兆瓦时的电量。

像REWEC3这样的系统显然需要可靠和敏捷的监控,去监测撞击所产生的波浪压力差。经过大量的测试后,地中海大学的研究人员最终选择了STS的高精度ATM.1ST/N液位传感器。影响这个决定至关重要的原因是,ATM.1ST/N 压力变送器的响应时间非常短,平均<1毫秒/10 …90%FS,以及可以非常好的长期稳定在很宽泛的温度范围之内。此外,还需要感谢STS测量仪器的模块化结构,可以很容易地适应不同的需求。甚至,安装 ATM.1ST/N 液位传感器后可以很容易地配合使用来自国家仪器的数据记录仪。

Image Source: Wavenergy.it