Temat: PODSTAWY PRZETWARZANIA ENERGII W ODNAWIALNYCH ŹRÓDŁA ENERGII 1. 2. 3. Przetwarzanie (wytwarzanie) energii elektrycznej Podział źródeł energii Podstawowe pojęcia z dziedziny elektryczności 1 „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 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 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 PODZIAŁ ŹRÓDEŁ ENERGII Źródła energii pierwotnej: Nieodnawialne (zasoby, surowce enegetyczne) 1. 2. 3. 4. 5. złoża węgla kamiennego złoża węgla brunatnego złoża ropy naftowej złoża gazu ziemnego złoża uranu i toru Odnawialne 1. 2. 3. 4. 5. promieniowanie słońca wiatr woda (spadek, pływy, prądy…) źródła geotermiczne biomasy (drewno, słoma, odchody zwierząt) 6. biogaz 5 STRUKTURA ENERGII ODNAWIALNEJ NA ŚWIECIE W 2005 2,17% 1,21% Duże hydroelektrownie 0,16% Małe hydroelektrownie 6,83% Elektrownie wiatrowe Energia elektr. z biomasy Elektrownie geotermiczne 17,08% Elektrownie fotowoltaiczne 0,05% inne źródła energii elektr. 58,24% 0,42% Ciepło ze spalania biomasy Ciepło z ogniw słonecznych (fotoelektrycznych) 0,72% Ciepło geotermiczne 3,42% Paliwo bioolej 4,58% 5,12% Paliwo bioetanol 6 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE 1. 2. 3. 4. Energia elektryczna, praca i moc Ładunek elektryczny, potencjał, napięcie, prąd elektryczny Prąd stały i prąd zmienny Przesyłanie energii elektrycznej ŁADUNEK ELEKTRYCZNY (q) Jako ładunek elektryczny q należy rozumieć określoną liczbę ładunków elementarnych e dodatnich lub ujemnych. gdzie e =1,602⋅10−19C (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. VA Napięcie elektryczne u to inaczej różnica potencjałów dwóch A punktów A i B pola elektrycznego między tymi punktami, u AB = V A − VB VA>VB uAB VB B 7 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 V= W q Uwaga! Potencjał ziemi przyjmujemy równy zero Vz=0 (potencjał odniesienia) Ponieważ napięcie elektryczne jest wielkością skalarną opatrzoną znakiem, nazywamy je skalarem zwrotnym. Jednostką napięcia elektrycznego jest wolt (1V). u AB = V A − VB = −(V A − VB ) = − u BA 1V 1J V ⋅ A ⋅ s = 1V = 1C A⋅ s np.: VA=100V a VB=60V to uAB=100-60=40V Jednostki pochodne będące wielokrotnością wolta to: 1pV=10−12 (piko) 1nV=10−9 (nano) 1μV=10−6 (mikro) 1mV=10−3 (mili) [V ] = 1kV=103 (kilo) 1MV=106 (mega) 1GV=109 (giga) 1TV=1012 (tera) 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. VA A VA>VB uAB VB B Rys. Strzałkowanie napięcia 8 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE VA A 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 i VA>VB uAB VB B Rys. Strzałkowanie napięcia i prądu 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. Δ q dq = Δt → 0 Δ t dt i = lim Jednostką prądu elektrycznego jest amper (1A), [i] = 1A = 1C/1s. 9 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE i[A] q[C] 5 4 3 2 5 4 3 2 1 2 1 0 3 1 2 3 4 5 6 2 1 0 t[s] 1 1 2 3 4 5 6 t[s] 3 -1 -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 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=VA-VB) jest równa dW = (V A − VB ) ⋅ dq = u ⋅ dq = u ⋅ i ⋅ dt t2 W = ∫ u ⋅ i ⋅ dt Praca wykonana w czasie t=t2−t1 będzie równa t1 Jeżeli napięcie i prąd są stałe w danym przedziale czasu to pracę określamy Jednostką pracy jest 1J (dżul) tzw. watosekunda. Najczęściej używaną jednostką pracy jest W = U ⋅ I ⋅t 1J = V ⋅ A ⋅ s = W ⋅ s 1kWh = 1000W ⋅ 3600s = 3,6 ⋅ 106 [ 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 SYGNAŁY 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 Fm. Wartość średnia jest to średnia arytmetyczna tego sygnału obliczona dla jednego okresu T 1T Fśr = F0 = f (t ) = ∫ f (t ) dt T 0 Wartość skuteczna jest to pierwiastek kwadratowy z wartości średniej kwadratu sygnału obliczonej za jeden okres T Fsk = F = 1T 2 f (t ) dt ∫ T 0 12 SYGNAŁY ELEKTRYCZNE Szczególnym przypadkiem sygnału zmiennego jest sygnał sinusoidalnie zmienny (przemienny) nazywany sygnałem harmonicznym u (t ) = U m sin (ω t +Ψ u ) u (t) Napięcie w sieci jednofazowej u(0) Um Ψu t ωt 0 U m = 230 ⋅ 2 = 325V U = 230V f = 50 Hz T = 20ms T u(t) - wartość chwilowa napięcia; Um -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 ENERGIA ELEKTRYCZNA - POJĘCIA PODSTAWOWE Sygnał sinusoidalny: faza chwilowa faza początkowa u (t ) = U m sin(ωt + Ψu ) = 2 U sin(ωt + Ψu ) wartość chwilowa wartość skuteczna amplituda (wartość max.) Związek pomiędzy wskazem wirującym na płaszczyźnie zmiennej zespolonej a rozpatrywanym sygnałem sinusoidalnym przedstawia rys. Im u(t) ω u(0) Um u(0) 0 t Re Ψu Um Ψu ωt 0 T 14 ENERGIA ELEKTRYCZNA prądu stałego czy zmiennego Porównanie wad i zalet prądu stałego i zmiennego: Rodzaj Zalety prądu stały zmienny 1. Możliwość gromadzenia energii elektrycznej (np.: ogniwa chemiczne, ogniwa paliwowe) Wady 1. Duże straty energii przy przesyłaniu na duże odległości ( ) 1. Łatwy do transformacji z niskiego 1. Możliwość przepływu prądu biernego napięcia na wysokie i odwrotnie a między odbiornikiem (indukcyjnym) a przez to występują małe straty przy źródłem przesyłaniu na duże odległości P = I ⋅ U Pstr = I 2 ⋅ R 2. Możliwość stosowania tanich i prostych w budowie oraz eksploatacji generatorów i silników prądu zmiennego 15 16