energia pierwotna - Zakład Obwodów i Sygnałów Elektrycznych

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