Introduction to Renewable Energy (Energy and the Environment series)

Front Cover......Page 1
Title Page......Page 5
Copyright......Page 6
Contents
......Page 7
Series Editor’s Preface
......Page 17
Preface
......Page 21
Acknowledgments
......Page 23
1.1 ENERGY AND SOCIETY......Page 27
1.2 TYPES OF ENERGY......Page 28
1.3 RENEWABLE ENERGY......Page 29
1.5 ECONOMICS......Page 30
1.6 GLOBAL WARMING......Page 31
1.7 ORDER OF MAGNITUDE ESTIMATES......Page 32
1.8 GROWTH (EXPONENTIAL)......Page 33
1.9 SOLUTIONS......Page 35
General References......Page 36
PROBLEMS......Page 37
2.2 DEFINITION OF ENERGY AND POWER......Page 39
2.4 THERMODYNAMICS......Page 41
2.5.2 Efficiency......Page 42
2.6 USE OF FOSSIL FUELS......Page 45
2.6.1 Oil......Page 48
2.6.3 Coal......Page 50
2.7 NUCLEAR......Page 51
2.8 FINITE RESOURCE......Page 53
2.9 SUMMARY......Page 54
RECOMMENDED RESOURCES......Page 56
PROBLEMS......Page 57
3.1 SOLAR POWER......Page 61
3.2 ELECTROMAGNETIC SPECTRUM......Page 62
3.2.1 Visible......Page 63
3.3 ENERGY BALANCE OF THE EARTH......Page 64
3.4 EARTH-SUN MOTION......Page 66
3.4.1 Earth Motion......Page 67
3.4.2 Sun Position......Page 69
3.6 SOLAR RESOURCE......Page 71
3.7 GREENHOUSE EFFECT......Page 73
RECOMMENDED RESOURCES......Page 76
PROBLEMS......Page 77
4.2 CONDUCTION......Page 79
4.3 CONVECTION......Page 84
4.4 RADIATION......Page 85
4.5.1 Thermal Mass Patterns......Page 86
4.5.2 Specific Heat......Page 87
4.6 SEASONAL HEATING OR COOLING......Page 88
4.7 THERMAL COMFORT......Page 89
REFERENCES......Page 90
Links......Page 91
PROBLEMS......Page 92
5.1.2 Air and Vapor Barriers......Page 95
5.2 PASSIVE......Page 96
5.3 WINDOWS AND GLAZING......Page 97
5.3.2 Solar Heating......Page 99
5.3.3 Shading......Page 102
5.4.1 Direct Gain......Page 103
5.4.2 Indirect Gain......Page 104
5.5 ACTIVE HEATING......Page 106
5.5.1 Flat-Plate Collllectors......Page 109
5.5.3 Swimming Pools......Page 111
5.9 DRYING AGRICULTURAL PRODUCTS, LUMBER......Page 113
5.10 SOLAR COOKERS......Page 116
5.11 WATER PURIFICATION......Page 118
REFERENCES......Page 120
Projects, Technical Information, and Photos......Page 121
PROBLEMS......Page 122
Advantages Disadvantages......Page 125
6.3 ENERGY BANDS......Page 127
6.4 PHOTOVOLTAIC BASICS......Page 128
6.5 PERFORMANCE......Page 130
6.6 DESIGN CONSIDERATIONS......Page 133
6.6.1 Sizing......Page 134
6.6.2 Tracking......Page 135
6.6.3 Estimation of Energy Production......Page 136
6.7 INSTALLED CAPACITY AND PRODUCTION......Page 138
6.8.1 Grid Connected......Page 141
6.8.2 Village and Hybrid Power......Page 142
6.8.3 Stand-Alone......Page 144
REFERENCES......Page 148
PROBLEMS......Page 149
7.1 INTRODUCTION......Page 151
7.2 POWER TOWER......Page 152
7.3 LINE OR LINEAR......Page 155
7.4 DISH/ENGINE......Page 159
7.6 SOLAR POND......Page 161
Links......Page 164
PROBLEMS......Page 165
8.1 INTRODUCTION......Page 167
8.2.1 Location, Orientation, Shape......Page 168
8.2.4 Direct Gain......Page 169
8.2.5 Thermal Mass......Page 170
8.2.8 Passive Cooling......Page 171
8.2.9 Other......Page 172
8.3 HYBRID SYSTEMS......Page 174
8.3.1 Building......Page 176
8.3.2 Passive Heating and Cooling......Page 177
8.3.4 Solar Hot Water......Page 178
8.3.5 Daylighting......Page 179
8.3.6 Electrical Generation......Page 180
8.3.7 Performance......Page 182
8.4 ACTIVE SYSTEMS......Page 184
8.5 UNDERGROUND HOMES......Page 185
8.6 COMPUTER SOFTWARE......Page 186
8.7.4 Double-Envelope House......Page 189
REFERENCES......Page 190
Links......Page 191
PROBLEMS......Page 192
9.1 INTRODUCTION......Page 195
9.2.1 Wind Shear......Page 196
9.2.2 Wind Maps......Page 197
9.3 WIND TURBINES......Page 200
9.4 WIND FARMS......Page 204
9.5 SMALL WIND TURBINES......Page 208
9.7 WIND DIESEL......Page 210
9.8 OTHER......Page 211
9.9 PERFORMANCE......Page 214
9.10 COMMENTS......Page 216
REFERENCES......Page 217
PROBLEMS......Page 218
10.1 INTRODUCTION......Page 219
10.2 CONVERSION......Page 221
10.3 HEAT AND POWER......Page 225
10.3.2 Landfillll Gas......Page 227
10.3.3 Biogas......Page 228
10.4 BIOFUELS......Page 229
10.4.1 Ethanol......Page 232
10.4.2 Biodiesel......Page 234
10.4.3 Biogas......Page 235
10.4.4 Microalglgae......Page 236
10.5 COMMENTS......Page 239
Links......Page 240
PROBLEMS......Page 241
11.1 INTRODUCTION......Page 243
11.2 RESOURCE......Page 244
11.3 TYPES OF GEOTHERMAL RESOURCES......Page 246
11.4 DIRECT USE......Page 252
11.4.2 District Heating......Page 253
11.5 GEOTHERMAL HEAT PUMPS......Page 254
11.6 ELECTRICITY......Page 258
11.6.1 Dry Steam......Page 259
11.6.2 Flash......Page 260
11.6.4 Combined Heat and Power......Page 262
REFERENCES......Page 263
Links......Page 264
PROBLEMS......Page 266
12.1 INTRODUCTION......Page 269
12.2 WORLD RESOURCE......Page 271
12.3.1 Large (≥30 MW)......Page 272
12.3.2 Small Hydro (100 kW to 30 MW, 10 MW in Europe)......Page 276
12.3.3 Microhydro (≤100 kW)......Page 277
12.4 TURBINES......Page 279
12.4.2 Reaction Turbines......Page 280
12.5 WATER FLOW......Page 282
12.6 TIDES......Page 285
12.7 OCEAN......Page 287
12.7.2 Waves......Page 288
12.7.3 Ocean Thermal Energy Conversion......Page 294
12.8 OTHER......Page 296
REFERENCES......Page 297
PROBLEMS......Page 298
13.1 INTRODUCTION......Page 301
13.2 PUMPED HYDRO......Page 305
13.3 COMPRESSED AIR......Page 307
13.4 FLYWHEELS......Page 308
13.5.1 Lead Acid......Page 309
13.5.3 Sodium Sulfur......Page 311
13.5.4 Flow Batteries......Page 312
13.6 OTHER STORAGE SYSTEMS......Page 313
REFERENCES......Page 315
PROBLEMS......Page 316
14.2 UNITED STATES......Page 319
14.2.1 Avoided Cost......Page 320
14.3.2 Utility Concerns......Page 321
14.4 ENVIRONMENTAL ISSUES......Page 323
14.6 INCENTIVES......Page 326
14.6.1 United States......Page 327
14.6.2 Other Countries......Page 331
14.7 EXTERNALITIES (SOCIAL COSTS/BENEFITS)......Page 334
14.8 TRANSMISSION......Page 336
REFERENCES......Page 337
Net Metering, Green Power, Air Emissions, Transmission......Page 338
PROBLEMS......Page 339
15.1 INTRODUCTION......Page 341
15.2 FACTORS AFFECTING ECONOMICS......Page 342
15.3.1 Simplple Payback......Page 344
15.3.2 Cost of Energy......Page 345
15.4 LIFE-CYCLE COSTS......Page 347
15.5 PRESENT WORTH AND LEVELIZED COSTS......Page 349
15.7 PROJECT DEVELOPMENT......Page 350
15.7.1 Landowner Considerations......Page 354
15.8 COST (VALUE) OF ENERGY, DIFFERENT SOURCES......Page 355
15.8.1 Passive Solar......Page 356
15.8.3 Photovoltaics......Page 357
15.8.5 Wind......Page 358
15.8.7 Geothermal Systems......Page 360
15.8.9 Village Power......Page 361
15.9 SUMMARY......Page 363
REFERENCES......Page 366
U.S. Federal Budget......Page 367
PROBLEMS......Page 368
A1 MATHEMATICS......Page 371
A2 CONVERSION......Page 374
A3 RESISTANCE TO FLOW OF HEAT......Page 375