Światłowody

Kanał światłowodowy stanowi na dzień dzisiejszy najdoskonalsze medium do przenoszenia informacji. Ludzka technika nie jest w stanie zaproponować niczego o choćby porównywalnych parametrach transmisji sygnału. Światłowody mają kilka istotnych zalet, które przesądziły o ich szerokim zastosowaniu we współczesnym świecie. W różnorakich strukturach przemysłowych, na porządku dziennym stoi problem pola elektromagnetycznego które w bardzo łatwy sposób zakłóca transmisję w zwykłych kablach. Światło samo będąc falą elektromagnetyczną jest niewrażliwe na te zakłócenia. Dlatego też światłowody stosuje się powszechnie w systemach telekomunikacyjnych używanych w elektrowniach. Można nawet dołączyć światłowód do jednego z kabli, które przewodzą prąd alby wykonać kabel energetyczny zawierający w swym wnętrzu kabel światłowodowy. Również szerokie pasmo ma wielki wpływ na tak powszechne wykorzystanie światłowodu. Możemy bowiem jednocześnie nadawać całe multum kanałów czy to danych komputerowych, czy też sygnałów telewizji cyfrowej, nie przejmując się problemem ograniczonego pasma. Światłowód jest medium optycznym, gdzie do transmisji sygnału wykorzystuje się wiązkę światła zmodulowaną wcześniej. Przepływność jaką oferuje kanał światłowodowy kształtuje się na poziomie nawet 3 Tb/s. Znakomitą właściwością jest również znikome tłumienie sygnału, przy przesyłaniu nawet na setki czy tysiące kilometrów.

W pierwszym systemie światłowodowym kable światłowodowe zostały użyte do połączenia trzech central telefonicznych w USA, a dokładniej w Chicago. Centrale te były oddalone o 1km i o 2,4 km od siebie. Każdy kabel składał się z 24 włókien optycznych, a każde z tych włókien, podczas pracy w standardzie T3 miało możliwość przenoszenia 672 kanałów telefonicznych. Po tym sukcesie zaczęto realizować długie międzymiastowe linie światłowodowe, zbudowano działające łącze światłowodowe o długości 100 km, pracujące bez wzmacniaczy. Na dzień dzisiejszy istnieje możliwość zbudowania podmorskich linii światłowodowych ułożonych na dnach oceanów. Obliczono że budowa łącza światłowodowego pomiędzy Londynem a Nowym Jorkiem wymagałaby zastosowania jedynie 200 wzmacniaczy równo rozstawionych na odcinku 6500km.

Analizując budowę światłowodu, zauważamy następujące części:

• Rdzeń (czasami składający się z kilku włókien)
• Płaszcz
• Warstwa ochronna

Podstawowy budulec światłowodu stanowi szkło kwarcowe, które oznacza się odpowiednim współczynnikiem załamania światła. Istotę działania światłowodu stanowi użycie pary substancji o różnych współczynnikach załamania światła. Płaszcz posiada niższy współczynnik załamania niż rdzeń, dzięki czemu światło porusza się w rdzeniu. Dzieje się tak za sprawą całkowitego odbicia promienia świetlnego od płaszczyzny płaszcza. Dodatkowo stosowana izolacja ochronna oplata płaszcz.

Najczęściej źródłem wiązki światła jest dioda LED lub laser. Wiązka światła jest transmitowana po światłowodzie aż padnie na fotodiodę, fototranzystor lub inny światłoczuły element. W celu zapobiegania przekłamaniom w transmisji, odpowiednio moduluje się wiązkę światła.

Światłowody możemy podzielić na dwie podstawowe grupy:

• Światłowody jednomodowe
• Światłowody wielomodowe

Te ostatnie można podzielić jeszcze dodatkowo na następujące kategorie:

• Światłowody o współczynniku skokowym (skokowa zmiana współczynnika załamania)
• Światłowody o współczynniku gradientowym (ciągła zmiana współczynnika załamania)

Światłowód jednomodowy.

Jak sama nazwa wskazuje, w kanale światłowodowym transmitowany jest jeden mod. W związku z tym powierzchnia płaszcza odbija promienie pod stałym kątem. Nie zachodzi więc zjawisko dyspersji. Najczęściej źródło światła w tym wypadku stanowi laser. Światłowody tego typu zapewniają najlepsze właściwości ( 3Tb/s przepływności, praktycznie bezstratna transmisja na odległości powyżej 100 km. Grubość rdzenia typowego kabla jednomodowego wynosi około 5-10 mikrometrów. Porównując to z długością fali przenoszonego światła równą około 1,3 mikrometra, można dojść do wniosku, że jest możliwa transmisja tylko jednego modu. Jednomodowość jest tak szeroko stosowana głównie z powodu znakomitych właściwości częstotliwościowych, które umożliwiają transmisje z prędkościami opisanymi wyżej. Największą przeszkodą w powszechnym stosowaniu tego typu światłowodów jest wysoka cena elementów przyłączeniowych, które muszą być możliwie mało stratne i bardzo dokładne, właśnie z powodu bardzo małej średnicy rdzenia.

Światłowód wielomodowy (współczynnik skokowy)

W przeciwieństwie do światłowodu jednomodowego, w kanale światłowodowym transmitowane jest wiele modów. Zachodzi więc zjawisko dyspersji (krawędzie transmitowanego sygnału ulegają rozmyciu), na skutek odbijania wiązek światła pod różnymi kątami od powierzchni płaszcza. W wyniku tej wady przebieg impulsowy wysłany kanałem światłowodowym, na wyjściu odbierany jest z pewnym zniekształceniem. W celu minimalizacji zjawiska dyspersji światłowody tego typu stosuje się na mniejsze odległości i wykorzystuje się mniejsze prędkości transmisji. Dioda LED stanowi najczęściej stosowane źródło światła w tego typu światłowodach.

Światłowód wielomodowy (współczynnik gradientowy)

Kabel światłowodowy z współczynnikiem gradientowym, stanowi medium pośrednie pomiędzy drogim i najlepszej jakości światłowodem jednomodowy, a tanim i kiepskiej jakości światłowodem wielomodowym ze skokową zmianą współczynnika odbicia. Analizując wartość współczynnika załamania w rdzeniu, można zauważyć że zmniejsza się on w sposób ciągły od środka do zewnątrz. Jeżeli promień świetlny próbuje zmienić swoją drogę jest on stopniowo odchylany aż do momentu w którym zacznie biegnąć środkiem kabla. Wielodomowość tego typu światłowodu jest spowodowana dosyć duża grubością kabla, a co za tym idzie możliwością przenoszenia większej ilości modów. Średnica kabla wielomodowego wynosi 50 mikrometrów, co przy długości fali światła rzędu 1,3 mikrometra powoduje możliwość przenoszenia wielu modów - składowych wiązki świetlnej.

Czynniki ograniczające długość światłowodu:

• Dyspersja - na skutek tego zjawiska poszczególne mody światła przebiegają przez światłowód w różnych chwilach czasu. W wyniku tej wady wiązka światła podana na wejście ulega rozmyciu na wyjściu światłowodu. Ogranicza to w dużym stopniu częstotliwość transmitowanych impulsów świetlnych, a co za tym idzie, prędkość transmisji również zostaje zmniejszona. Wrażliwość na zmniejszenie pasma przenoszenia uwydatnia się w przypadku światłowodów wielomodowych, gdzie poszczególne mody charakteryzują się odmiennymi czasami transmisji. Można również zaobserwować dyspersję naturalną szkła kwarcowego, niezależnie od użytego rodzaju światłowodu. Dyspersja ta jest tym większa im większe są zanieczyszczenia szkła kwarcowego, zależy również od długości fali świetlnej.

• Tłumienie - jest to nieodzowna cecha jakiejkolwiek transmisji. Jak zostało wcześniej napisane transmisja kanałem światłowodowym charakteryzuje się praktycznie znikomym tłumieniem nawet na bardzo duże odległości. Kiedy w 1970 roku powstały pierwsze włókna światłowodowe, ich tłumienie wynosiło 20dB/km. Wraz z upływem lat wyłożono duże nakłady pieniędzy na zoptymalizowane transmisji światłowodowej, co zaowocowało powstaniem pierwszych światłowodów do powszechnego użytku. Pracowały one przy długości fali 0.85 mikrometra. W kablach drugiej generacji zastosowano przy transmisji wiązki świetlne o długości 1,3 mikrometra, a to za sprawą najmniejszej dyspersji jaka przy takiej długości fali występuje. Obecna trzecia już generacja kabli światłowodowych pracuje w głębokiej podczerwieni, to jest około 1,55 mikrometra długości fali świetlnej. Takie parametry zostały wprowadzone z powodu badań, które wykazały najmniejszą podatność na tłumienie właśnie przy tej długości fali. Wynosi ono zaledwie 0,16 dB/km.

Osobnym problemem techniki światłowodowej, który należałoby dokładniej omówić jest łączenie dwóch światłowodów ze sobą. Jest to szczególnie kłopotliwe przy światłowodach jednomodowych. Cienkie rdzenie o grubości tylko 5 mikrometrów należy możliwie najbardziej idealnie połączyć ze sobą. W przeciwnym wypadku, na skutek odbić Fresnela na zestykach, zachodzi wysokie tłumienie, które w najlepszym wypadku wynosi około 4%. Przekłada się to na tłumienie najczęściej w granicach 0,2 - 2dB, zależnie od rodzaju złącza i dokładności wykonania.

Z powodu małej grubości rdzenia, do światłowodów jednomodowych można wprowadzać jedynie jedną wiązkę światła. Sygnał otrzymany na wyjściu jest niemal dokładną kopią sygnału wejściowego. W światłowodzie wielomodowym możemy przesyłać wiele modów - wiązek świetlnych, jednak na skutek zjawiska dyspersji, otrzymany sygnał wyjściowy jest rozmyty względem tego wysyłanego. Wraz ze zwiększaniem długości takiego światłowodu i prędkości przesyłania danych rozmycie staje się coraz większe. Właśnie dzięki zastosowaniu światłowodów z ciągłym współczynnikiem załamania jesteśmy w stanie przesyłać na dosyć duże dystanse wiele wiązek świetlnych.

Kable spotykane najczęściej ze względu na swoje zastosowanie możemy podzielić na dwie grupy:

• Kabel zewnętrzny - w którym poszczególne włókna światłowodowe znajdują się w luźnych tubach wypełnionych żelem. Włókna te oplatają położony centralnie izolator, który pełni funkcję wzmacniającą. Kabel taki jest bardzo odporny na niekorzystne warunki zewnętrzne. Dzieje się tak ponieważ rdzeń jest otoczony odpowiednim oplotem oraz posiada niewrażliwą na wilgoć i promieniowanie słoneczne specjalną zewnętrzną koszulkę, wykonaną z polietylenu.

• Kabel wewnętrzny - jest specjalnie przystosowany do stosowania wewnątrz budynków. Posiada cienką warstwę ochronną, przy czym nie jest tak odporny jak kable zewnętrzne, na pracę w niekorzystnych warunkach.

Gdyby można było nadawać jedynie jeden sygnał kanałem światłowodowym, cała technologia nie byłaby zbytnio użyteczna. Można nadawać wiele sygnałów o podobnych, ale odpowiednio zmodyfikowanych długościach fali świetlnej. Taki proces nosi nazwę multipleksowania długości fali, w skrócie WDM (Wavelength Division Multiplexing). Nie ma żadnego ograniczenia w czasie transmisji poszczególnych pakietów danych na odpowiednich długościach fali. Dzieje się tak dlatego iż wiązki świetlne nie są ze sobą w żaden sposób skorelowane. Istnieje również drugi sposób przesyłania wielu wiązek danych kanałem, polega on na multipleksowaniu czasu transmisji poszczególnych danych. Angielski skrót od tego typu zwielokrotniania to Time Division Multiplexing (TDM).

Rozważając transmisję danych kablem światłowodowym do wielu użytkowników, napotykamy problem przekierowania wiązki światła tak, aby trafiła ona do właściwego odbiorcy. Przekierowania realizują urządzenia zwane przełącznikami. Przykładowym przełącznikiem jest produkt firmy Lecent Technologies: Wavestar Lambda Router. Na urządzenie składa się wiele miniaturowych luster, każde o średnicy 5 mm. Wszystkie lustra są ruchome, dzięki osadzeniu ich na wiązadłach półprzewodnikowych, których elastyczność i kształt przywodzi na myśl porównanie do sprężynek. Pole magnetyczne steruje zespół zwierciadeł, odpowiednio kontrolując położenie każdego z nich, a więc wpływa na promień światła, który odbijając się od lusterka pada w odpowiednie miejsce. Z powodu mechanicznej konstrukcji przełącznika nie da się uniknąć pewnych opóźnień w sterowaniu lustrami. Aby zapobiec przekłamaniom, czy utratom informacji, należy odpowiednie bufory, które będą magazynowały dane odebrane przez urządzenie już w czasie przełączania.

Linie światłowodowe współpracują ze zwykłymi systemami łączności. Zachodzi więc potrzeba odpowiedniej konwersji sygnału pod postacią optyczną na elektryczną i na odwrót. Urządzenia realizujące te funkcje nazywamy switchami optoelektrycznymi. W przypadku każdej konwersji mamy zazwyczaj do czynienia z pewnymi opóźnieniami czasowymi. Nie inaczej jest w przypadku światłowodów. Każda konwersja odbija się na zmniejszeniu przepływności całej sieci.W przypadku łączenia światłowodów z kartami sieciowymi używa się złącz typu fiber connection.

Podsumowując boom na rynku telekomunikacyjnym spowodował właśnie rozwój i doskonalenie techniki światłowodowej. Już teraz nie sposób sobie wyobrazić funkcjonowania wielkich sieci o terabajtowych przepływnościach bez użycia kabli światłowodowych. Światłowody zapewniają niemal idealną transmisję na ogromne odległości. Na dzień dzisiejszy stosuje się je zarówno w ogromnych sieciach metropolitarnych i dużej wielkości sieciach lokalnych. Zwłaszcza w przypadku konieczności połączenia dwóch daleko oddalonych od siebie miejsc, w przypadku konieczności transmisji którą zakłócają fale elektromagnetyczne oraz oczywiście w przypadku zapewniania bardzo dużej prędkości transmisji. Ze względu na dosyć duże koszty związaniem ze złączami, nie są one póki co stosowane w małych sieciach lokalnych.

Światłowody znajdują obecnie zastosowanie w wielu dziedzinach życia, na przykład w:

• Łączach telefonicznych
• Telekomunikacyjnych sieciach kolejowych
• Łączności terenowej
• Sieciach telekomunikacyjnych w elektrowniach
• Usługach abonenckich
• Liniach telekomunikacyjnych prowadzonych razem z liniami energetycznymi
• Telewizji, głównie przy transmisji obrazu z wielu kamer
• Telewizji kablowej
• Systemach zdalnej kontroli i ostrzegania
• Komputerach
• Lokalnych sieciach komputerowych
• Okablowaniach samolotów i statków (małe ryzyko pożaru)

 

Kolej Magnetyczna

Coraz więcej państw przekonuje się do szybkich kolei, jednak powstające na całym świecie linie są z reguły budowane z myślą o tradycyjnych pociągach. Kolej magnetyczna, mimo swoich zalet, ze względu na koszty pozostaje w skali świata ciekawostką. Warto jednak poznać technologię, która za nią stoi. Jak działa Maglev?

Odległe początki

Kolej magnetyczna wbrew pozorom nie jest współczesnym wynalazkiem. Jej historia sięga początku XX wieku. W 1905 roku niemiecki wynalazca Alfred Zehden uzyskał patent na silnik liniowy i zastosowanie go do napędzania pociągów.

Droga od opracowania odpowiedniego napędu do powstania działających prototypów była jednak bardzo długa. W latach 30. powstały wprawdzie w Niemczech plany budowy kolei magnetycznej, jednak dopracowanie technologii wymagało czasu, a wybuch wojny przekreślił dalsze eksperymenty z nowym rodzajem napędu.

Ślepe zaułki

Działający i dający się zastosować w praktyce silnik liniowy zbudował za to w 1940 roku profesor Eric Laithwaite z londyńskiego Imperial College. W kolejnych latach udoskonalał swój pomysł. W latach 60. opracował projekt o nazwie Tracked Hovercraft.

Była to dość osobliwa hybryda, łącząca technologie znane z kolei magnetycznej z poduszkowcem, a jej istotną zaletą miała być tania w budowie infrastruktura. Pociąg miał się poruszać wzdłuż lekkiego toru, który można było budować znacznie szybciej i taniej niż w przypadku klasycznej linii kolejowej.

Na podobną technologię postawili również Francuzi, eksperymentując z systemem transportowym o nazwie Aérotrain. W obu przypadkach – choć od strony technicznej rozwiązano to inaczej – chodziło dokładnie o to samo: pojazdy miały poruszać się bez fizycznego kontaktu z torem, dzięki czemu podczas jazdy musiałyby pokonywać jedynie opór powietrza.

Początkowo efekty prac były bardzo obiecujące, a we Francji wybudowano nawet 18-kilometrowy odcinek trasy Aérotrain, na której testowany pociąg rozpędził się do imponujących 417 kilometrów na godzinę. Oba projekty po kilkunastu latach rozwoju uznano jednak za nieperspektywiczne i anulowano. Dlaczego?

Odpychanie i przyciąganie

 

Problemy, które w przypadku obu projektów usiłowano rozwiązać za pomocą poduszek powietrznych, okazały się łatwiejsze do pokonania dzięki magnesom, a konkretnie technologiom o nazwie EDS i EMS (kolejna, o nazwie Inductrack, jest rozwijana z myślą o rozpędzaniu przyszłościowych statków kosmicznych). Choć w każdym z przypadków mamy do czynienia z koleją magnetyczną, a w mediach wszystkie tego typu pociągi są zazwyczaj określane jako Maglev, to technologie różnią się od siebie.

EDS (Maglev) to japoński wynalazek, a pociąg unosi się dzięki magnesom odpychającym go od toru. Odległość pomiędzy pojazdem i torem jest w tym przypadku stosunkowo duża, ale podczas rozpędzania i hamowania pociąg musi opierać się na dodatkowych kołach.

W przypadku rozwijanej w Niemczech technologii EMS (Transrapid) podwozie pociągu jest ukształtowane w taki sposób, by sięgać pod tor, i jest do niego przyciągane, co unosi cały pociąg. Co istotne, odległość między pojazdem a torem jest bardzo mała i wymaga stałej kontroli podczas jazdy. W systemie Transrapid w pociągu nie trzeba instalować dodatkowych kół.

W obu przypadkach z boku torów znajdują się magnesy utrzymujące pociąg we właściwej pozycji, a w pociągu nie ma silnika - przemieszcza go pole magnetyczne.

Nieliczne wdrożenia

Prace nad rozwojem pociągów korzystających z obu tych technologii prowadzono intensywnie od lat 70., jednak przypadki komercyjnego wdrożenia kolei magnetycznej są bardzo nieliczne. Pierwszą linię uruchomiono na początku lat 80. w Wielkiej Brytanii, ale nie była to szybka kolej, tylko wagoniki obsługujące 600-metrową trasę na lotnisku w Birmingham.

Kolejną trasę zbudowano w Niemczech, gdzie linia łącząca Dörpen i Lathen liczyła aż 31 kilometrów. Formalnie był to odcinek służący testom technologii Transrapid, jednak z prędkością 420 kilometrów na godzinę kursowały po nim również pociągi wożące pasażerów. W 2006 roku doszło tam jednak – z winy człowieka – do wypadku, w którym zginęły 23 osoby. Gdy w 2011 skończyła się licencja na użytkowanie tej trasy, zamknięto ją i przeznaczono do rozbiórki.

Podobny los spotkał berlińską automatyczną kolej miejską M-Bahn, która kursowała w latach 1989–1991 na trasie o długości 1,6 kilometra i obsługiwała trzy przystanki. Tylko 85 proc. masy wagonu było wspierane przez lewitację magnetyczną, a 15 proc. spoczywało na tradycyjnych kołach. W tym przypadku trasę zlikwidowano ze względu na upadek muru berlińskiego i konieczność reorganizacji transportu w mieście.

Obecnie w komercyjnej eksploatacji znajdują się tylko trzy linie kolei magnetycznej. Pierwsza z nich – Linimo – korzysta z technologii Maglev i obsługuje w Japonii 9-kilometrową trasę, po której pociąg porusza się z prędkością około 100 km/h.

Druga trasa to zbudowana przez niemieckie firmy Shanghai Maglev Train, opierająca się na technologii Transrapid i obsługująca 30-kilometrową trasę w Szanghaju. Trzecia, rzadko wspominana trasa znajduje się w Daejon, w Korei Południowej i ma zaledwie kilometr długości. W najbliższej przyszłości ma zostać uruchomiony 6-kilometrowy odcinek łączący miasto z lotniskiem, po którym pociąg będzie się poruszał z prędkością 110 km/h.

Koleje dalekiej przyszłości

Kolej magnetyczna jest technologiczną ciekawostką, ale nie spowodowała rewolucji w transporcie. O jej znaczeniu dobitnie świadczy fakt, że obecnie poza budową odcinków testowych i krótkich odcinków kolejek miejskich (m.in. w Pekinie) w najbliższej przyszłości nie przewiduje się powstania długich linii obsługiwanych przez lewitujące pociągi.

Częściowo odpowiadają za to wysokie koszty. Analizy wskazują, że dochody uzyskiwane ze sprzedaży biletów po akceptowalnych cenach nie są w stanie zwrócić kosztów inwestycji nawet przez cały cykl życia pojazdów, sięgający 40 lat. Jedyną dochodową linią jest Linimo, co wynika z faktu, że pociąg kursuje z niewielką prędkością po krótkiej trasie z kompletem pasażerów.

Jest jednak druga strona medalu. Wbrew oczekiwaniom sprzed kilkudziesięciu lat koleje magnetyczne nie mają miażdżącej przewagi nad tradycyjnymi. Są od nich tylko minimalnie szybsze, a zarazem znacznie droższe w budowie i eksploatacji, ale też nieco cichsze i mniej uciążliwe dla otoczenia. Mimo wszystko z marzeniami o dalekich podróżach Maglevem trzeba zatem wstrzymać się do czasu, aż stosowana w nim technologia będzie znacznie tańsza.

 

Odnawialne źródła energii

Energia wiatru – energia kinetyczna przemieszczających się mas powietrza, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych, jak również wykorzystywana jako energia mechaniczna w wiatrakach i pompach wiatrowych, oraz jako źródło napędu w jachtach żaglowych. W 2015 roku energia wiatru dostarczyła ludzkości 841 TWh, czyli 3,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Największy udział w krajowej produkcji energii elektrycznej miała w Danii (49,7%), Irlandii (22,9%), Portugalii (22,3%) i Hiszpanii (17,7%).

 

 

W Polsce w 2017 roku energia wiatru dostarczyła 14,9 TWh, czyli 8,7% zapotrzebowania na energię elektryczną.

 

  Energia geotermalna (energia geotermiczna, geotermia) − energia cieplna skał, wody i gruntu pod powierzchnią Ziemi, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Proces odnawiania źródeł geotermalnych jest jednak powolny, stąd przy małym strumieniu ciepła geotermalnego pobieranie dużej ilości ciepła może doprowadzić do wychłodzenia skał lub spadku ciśnienia w zbiorniku. Energia geotermalna jest udostępniana za pomocą wierceń zbliżonych technologią wykonania do odwiertów naftowych, jednak odbiegających od nich w szczegółach wykonania i umiejscowienia. Energia geotermalna może być pobierana za pomocą gruntowych pomp ciepła lub głębszych odwiertów, które z reguły służą eksploatacji głęboko położonych warstw wodonośnych z gorącą wodą. Alternatywnie, możliwe jest wykorzystanie energii cieplnej skał nieprzepuszczalnych lub słabo zawodnionych, do których wtłaczana jest chłodna woda i po nagrzaniu odbierana gorąca. Jednym z przejawów obecności energii geotermalnej są źródła termalne.

 

 

Energię geotermalną wykorzystuje się w 64 krajach, a łączna moc działających elektrowni geotermalnych wynosi 11,4 GW (2012 rok). Jest ona najistotniejszym źródłem energii na Islandii i Filipinach. W Unii Europejskiej z energii geotermalnej pochodzi 0,84% produkowanej energii pierwotnej. W Polsce instalacje geotermalne dostarczające ciepło do systemu ciepłowniczego działają w sześciu miejscach, m.in. na obszarze Podhala i odpowiadają za 0,03% produkowanej energii pierwotnej.

Biomasa – oznacza ulegającą biodegradacji frakcję produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej (w tym substancje pochodzenia roślinnego i zwierzęcego), leśnej i powiązanych gałęzi przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także biogazy i ulegającą biodegradacji frakcję odpadów przemysłowych i komunalnych.

 

Wyróżnia się czasem fitomasę (biomasę roślin) oraz zoomasę (biomasę zwierząt), a także biomasę mikroorganizmów (np. plankton). Inny podział wyróżnia w ekosystemach biomasę producentów i biomasę konsumentów, które składają się na całkowitą biomasę biocenozy (oszacowania dotyczące biosfery). Biomasa producentów tworzona jest w procesie fotosyntezy. Konsumenci i reducenci (destruenci) tworzą swoją biomasę kosztem biomasy producentów.

Poprzez fotosyntezę energia słoneczna jest akumulowana w biomasie, początkowo organizmów roślinnych, później w łańcuchu pokarmowym także zwierzęcych. Energię zawartą w biomasie można wykorzystać dla celów człowieka. Polega to na przetwarzaniu na inne formy energii poprzez spalanie biomasy lub spalanie produktów jej rozkładu. W wyniku spalania uzyskuje się ciepło, które może być przetworzone na inne rodzaje energii, np. energię elektryczną.

Biomasa wyrażana jest w postaci świeżej masy (organizmów żywych lub naturalna masa organizmów żywych) oraz suchej masy (masa organizmów żywych po wysuszeniu lub odparowaniu wody). Biomasa wyrażana jest w jednostkach wagowych (np. gram lub kilogram), a także w przeliczeniu na węgiel organiczny lub w jednostkach energii (kaloria, dżul).

 

Pomiar biomasy pozwala obliczyć produkcję biologiczną (zob. produktywność) poszczególnych jednostek organizacji biologicznej: osobnika, populacji, biocenozy, ekosystemu, biomu czy całej biosfery.

Energia wodna (energia rzek) – wykorzystywana gospodarczo, energia mechaniczna płynącej wody. Współcześnie energię wodną zazwyczaj przetwarza się na energię elektryczną (hydroenergetyka, często oparta na spiętrzeniach uzyskanych dzięki zaporom wodnym). Można ją także wykorzystywać bezpośrednio do napędu maszyn – istnieje wiele rozwiązań, w których płynąca woda napędza turbinę lub koło wodne.

Przed wynalezieniem maszyn elektrycznych i upowszechnieniem elektroenergetyki energię wodną powszechnie wykorzystywano do napędu młynów, foluszów, kuźni, tartaków i innych zakładów przemysłowych. W latach 30. XIX wieku, w szczytowym okresie rozwoju transportu rzecznego, napęd wodny stosowano przy przemieszczaniu barek po pochylniach pomiędzy odcinkami kanałów na różnych poziomach (pochylnie takie zachowały się do dziś na Kanale Elbląskim).

 

Energia wodna może być znacznie tańsza od spalania paliw kopalnych lub energii jądrowej. Obszary bogate w energię wodną przyciągają przemysł niskimi cenami elektryczności. W niektórych krajach o wykorzystaniu energii wodnej zaczynają decydować względy ochrony środowiska, przeważając nad kalkulacją cen.

Źródło energii wodnej ocenia się według dostępnej mocy, to znaczy energii uzyskiwanej w jednostce czasu. Przy wykorzystaniu wody spadającej z pewnej wysokości dostępna moc wiąże się ze spadkiem hydraulicznym (wysokością, z jakiej spływa woda), przepływem (ilością wody spływającej w jednostce czasu) i zazwyczaj również z prędkością przepływu. W przypadku gdy woda spływa ze zbiornika (jezioro, spiętrzenie), spadkiem hydraulicznym jest różnica poziomów pomiędzy lustrem wody w zbiorniku górnym i wylotem turbiny, ponieważ ciśnienie hydrostatyczne u podstawy wynika wprost z wysokości słupa wody.

Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie. Globalne inwestycje w energię słoneczną w 2014 wyniosły 149,6 mld dolarów. W 2016 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 301 GW (wzrost o 75 GW w stosunku do 2015 roku) i zaspokajały one 1,3% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Konwersja fotowoltaiczna

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

 

Obecnie znanych jest wiele typów materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są ogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego, ale produkuje się też ogniwa oparte na krzemie polikrystalicznym, krzemie amorficznym, polimerach, tellurku kadmu (CdTe), CIGS i wielu innych. Intensywny rozwój przemysłu fotowoltaicznego w ostatnich latach pociąga za sobą duże zainteresowanie badaniami nad wydajniejszymi i tańszymi ogniwami.

Konwersja fototermiczna

Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe’a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody oraz przy suszeniu płodów rolnych.

 

Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2–6 m² kolektorów słonecznych), jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m²) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.

 

Konwersja fotochemiczna

Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego.

 

Termoliza wody

W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi efuzja możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie wirówek. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń, ich szybkie zużywanie się i małą sprawność.