Temat: PODSTAWY PRZETWARZANIA ENERGII W ODNAWIALNYCH ŹRÓDŁA ENERGII

Transkrypt

1 Temat: PODSTAWY PRZETWARZANIA ENERGII W ODNAWIALNYCH ŹRÓDŁA ENERGII 1. Przetwarzanie (wytwarzanie) energii elektrycznej 2. Podział źródeł energii 3. Podstawowe pojęcia z dziedziny elektryczności 1

2 WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ Wytwarzaniem energii elektrycznej (umownie) nazywamy proces w którym energia pierwotna, zawarta w surowcach energetycznych (paliwa konwencjonalne i jądrowe, biomasa, odpady itp ) lub pochodzące bezpośrednio z sił natury (wiatr, słońce, ciepło geotermiczne, energia wód, pływy, prądy i falowanie mórz ) jest przetwarzana na postać finalną energię elektryczną, której nośnikiem jest prąd elektryczny. Ściśle rzecz ujmując w elektrowniach następuje przetwarzanie energii (konwersja) z postaci pierwotnej na energię elektryczną. Przemiany energetyczne (przetwarzanie energii) polegają na: 1. Transformacji energii zmiana parametrów tego samego nośnika energii np.: w wymienniku ciepła zmiana temperatury wody, w transformatorze zmiana napięcia 2. Konwersji energii zmiana rodzaju nośnika energii np.: w generatorze zmiana energii mechanicznej na elektryczną 2

3 PRZYKŁAD PRZEMIANY ENERGETYCZNEJ Rys. Łańcuch przemian enegetycznych w elektrowni cieplnej a) energia chemiczna paliwa; b) ciepło pary wodnej c) energia mechaniczna na wale turbiny d) energia elektryczna na zaciskach prądnicy e) energia elektryczna oddawana do sieci s- straty energii 3

4 OGÓLNY SCHEMAT PRZEMIAN ENERGETYCZNYCH Rys. Schemat przetwarzania energii pierwotnej i wtórnej w energię bezpośrednią i użyteczną Energia pierwotna to energia pod dowolną postacią, która nie podlegała jeszcze żadnej przemianie ani w wyniku konwersji ani transformacji. Energia wtórna to energia otrzymana w różnych postaciach z energii pierwotnej lub innej energii wtórnej. Energia bezpośrednia (końcowa) to energia pierwotna lub wtórna dostarczona do odbiorcy w postaci dostosowanej do odbiorników. Zużycie tej energii jest mierzone przez liczniki energii elektrycznej, gazomierze, liczniki ciepła itp. Energia użyteczna to energia otrzymana na wyjściu odbiorników po jej przetworzeniu. 4

5 Źródła energii pierwotnej: PODZIAŁ ŹRÓDEŁ ENERGII Nieodnawialne (zasoby, surowce enegetyczne) Odnawialne 1. złoża węgla kamiennego 2. złoża węgla brunatnego 3. złoża ropy naftowej 4. złoża gazu ziemnego 5. złoża uranu i toru 1. promieniowanie słońca 2. wiatr 3. woda (spadek, pływy, prądy ) 4. źródła geotermiczne 5. biomasy (drewno, słoma, odchody zwierząt) 6. biogaz 5

6 STRUKTURA ENERGII ODNAWIALNEJ NA ŚWIECIE W ,83% 2,17% 1,21% 0,16% Duże hydroelektrownie Małe hydroelektrownie Elektrownie wiatrowe Energia elektr. z biomasy 17,08% Elektrownie geotermiczne Elektrownie fotowoltaiczne 0,05% 0,42% 58,24% inne źródła energii elektr. Ciepło ze spalania biomasy 0,72% 3,42% Ciepło z ogniw słonecznych (fotoelektrycznych) Ciepło geotermiczne 4,58% 5,12% Paliwo bioolej Paliwo bioetanol 6

7 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE 1. Energia elektryczna, praca i moc 2. Ładunek elektryczny, potencjał, napięcie, prąd elektryczny 3. Prąd stały i prąd zmienny 4. Przesyłanie energii elektrycznej ŁADUNEK ELEKTRYCZNY (q) Jako ładunek elektryczny q należy rozumieć określoną liczbę ładunków elementarnych e dodatnich lub ujemnych. gdzie e =1, C (kulombów), przy czym 1C = 1A 1s. NAPIĘCIE ELEKTRYCZNE (u) Napięcie elektryczne jest wielkością charakteryzującą potencjalne pole elektryczne i wyraża się stosunkiem pracy potrzebnej do przeniesienia ładunku z punktu A do B, do wartości tego ładunku. V Napięcie elektryczne u to inaczej różnica potencjałów dwóch A A punktów A i B pola elektrycznego między tymi punktami, u AB = V A V B V A >V B V B B u AB 7

8 u ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE Potencjał elektryczny V ciała naelektryzowanego mierzy się stosunkiem pracy W wykonanej przy przenoszeniu jednostkowego ładunku dodatniego q z ziemi na dane ciało do wartości tego ładunku Ponieważ napięcie elektryczne jest wielkością skalarną opatrzoną znakiem, nazywamy je skalarem zwrotnym. Jednostką napięcia elektrycznego jest wolt (1V). AB = V A V B Jednostki pochodne będące wielokrotnością wolta to: 1pV=10 12 (piko) 1nV=10 9 (nano) 1μV=10 6 (mikro) 1mV=10 3 (mili) = ( VA VB ) = uba 1V 1kV=10 3 (kilo) 1MV=10 6 (mega) 1GV=10 9 (giga) 1TV=10 12 (tera) V A >V B V = Uwaga! Potencjał ziemi przyjmujemy równy zero V z =0 (potencjał odniesienia) V A W q 1J V A s [ V ] = = = 1V 1C A s np.: V A =100V a V B =60V to u AB =100-60=40V A u AB UWAGA:Przyjmuje się, że strzałka napięcia związana z dwoma punktami środowiska, ma grot skierowany do punktu o wyższym potencjale (rys.). Jeżeli punkt, do którego skierowany jest grot strzałki napięcia ma potencjał niższy to oznacza, że wartość tego napięcia jest ujemna. V B B Rys. Strzałkowanie napięcia 8

9 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE PRĄD ELEKTRYCZNY (i) Jeżeli dwa punkty pola elektrycznego A i B połączymy przewodem elektrycznym to nastąpi przemieszczenie ładunku elektrycznego takie, że potencjały obydwu punktów się wyrównają i ruch ładunku (prąd elektryczny) ustanie Natężeniem prądu elektrycznego i nazywamy granicę stosunku ilości ładunku elektrycznego Δq przenoszonego przez cząstki naładowane w ciągu pewnego czasu Δt przez dany przekrój poprzeczny środowiska, do rozpatrywanego czasu, gdy czas ten dąży do zera, tzn. i = lim Δ t 0 Δ Δ q = t dq dt V A >V B V A i V B A B u AB Rys. Strzałkowanie napięcia i prądu Jednostką prądu elektrycznego jest amper (1A), [i] = 1A = 1C/1s. 9

10 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE q[c] t[s] i[a] t[s] -2 Przedstawionym na rys. przebiegom zmian ładunku w czasie odpowiadają odpowiednio: 1-prąd i=0 (bo dq/dt=0); 2- i=i=const. (bo dq/dt =const) 3- prąd zmienny i=i(t) (bo dq/dt =var.). 10

11 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE MOC (P) I ENERGIA ELEKTRYCZNA (W) Praca wykonana przy przeniesieniu ładunku elektrycznego q między punktami znajdującymi się pod napięciem u tzn. między którymi występuje różnica potencjałów (u=v A -V B ) jest równa dw = ( V V ) dq A B = u dq = u i dt Praca wykonana w czasie t=t 2 t 1 będzie równa W u i dt Jeżeli napięcie i prąd są stałe w danym przedziale czasu to pracę określamy Jednostką pracy jest 1J (dżul) tzw. watosekunda. 1J = V t = 2 t1 W = A s U = W I s t Najczęściej używaną jednostką pracy jest 1kWh = 1000W 3600s = 3, [ J ] Pochodną (ilości) energii elektrycznej (pracy) względem czasu będącą miarą prędkości z jaką energia jest przetwarzana nazywamy mocą. Jeżeli napięcie i prąd są stałe w danym przedziale czasu to moc P = U I 11

12 SYGNAŁY Y ELEKTRYCZNE PRZEBIEGI CZASOWE napięcia u(t) lub prądu i(t) elektrycznego nazywamy SYGNAŁAMI ELEKTRYCZNYMI Sygnały elektryczne mogą być dowolnymi funkcjami rzeczywistymi czasu, a więc zmiennej rzeczywistej t. Można je podzielić na: 1. sygnały stałe - f(t) = const. oznaczane np: U, I 2. sygnały zmienne - f(t) const. oznaczane np: u(t) lub u, i(t) lub i, o sygnały nieokresowe o sygnały okresowe PARAMETRY SYGNAŁÓW OKRESOWYCH Wartość chwilowa - wartość, jaką sygnał przyjmuje w danej chwili t. Wartość maksymalna największa wartość chwilowa jaką sygnał osiąga oznaczamy ją jako F m. Wartość średnia jest to średnia arytmetyczna tego sygnału obliczona dla jednego okresu T F śr = F 0 = f T 1 () t = f ()dt t T 0 Wartość skuteczna jest to pierwiastek kwadratowy z wartości średniej kwadratu sygnału obliczonej za jeden okres T F sk = F = 1 T T 0 f 2 () t dt 12

13 SYGNAŁY Y ELEKTRYCZNE Szczególnym przypadkiem sygnału zmiennego jest sygnał sinusoidalnie zmienny (przemienny) nazywany sygnałem harmonicznym u( t) u ( t) = U m sin( ω t + Ψ ) u Ψ u u(0) 0 U m t ωt Napięcie w sieci jednofazowej U m = = 325V U = 230V f = 50Hz T T = 20ms u(t) - wartość chwilowa napięcia; U m -wartość maksymalna napięcia (nazywana amplitudą); Ψ u -początkowy kąt fazowy, faza początkowa napięcia w chwili t = 0; ω t + Ψ u - kąt fazowy, faza napięcia w chwili t; ω =2π f -pulsacja (częstotliwość kątowa) mierzona w rad/s; f =1/T - częstotliwość mierzona w Hz, będąca odwrotnością okresu. 13

14 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE Sygnał sinusoidalny: u () t = U sin( ωt + Ψ ) = 2 U sin( ωt + Ψ ) m faza chwilowa u faza początkowa u wartość chwilowa amplituda (wartość max.) wartość skuteczna Związek pomiędzy wskazem wirującym na płaszczyźnie zmiennej zespolonej a rozpatrywanym sygnałem sinusoidalnym przedstawia rys. Im ω ut () u(0) u(0) 0 Ψ u Um Re Ψ u 0 U m t ωt T 14

15 ENERGIA ELEKTRYCZNA prądu stałego czy zmiennego Porównanie wad i zalet prądu stałego i zmiennego: Rodzaj prądu stały Zalety 1. Możliwość gromadzenia energii elektrycznej (np.: ogniwa chemiczne, ogniwa paliwowe) Wady 1. Duże straty energii przy przesyłaniu na duże odległości ( ) zmienny 1. Łatwy do transformacji z niskiego napięcia na wysokie i odwrotnie a przez to występują małe straty przy przesyłaniu na duże odległości P = I U P str = I 2 R 2. Możliwość stosowania tanich i prostych w budowie oraz eksploatacji generatorów i silników prądu zmiennego 1. Możliwość przepływu prądu biernego między odbiornikiem (indukcyjnym) a źródłem 15

16 16