Wstęp do współczesnej inżynierii Elektrotechnika wyk.2 dla SZ 2009

Ładunek elektryczny(1) To cecha cząstek elementarnych powodująca, że podlegają one działaniom elektromagnetycznym WŁAŚCIWOŚCI: Ładunki cząstek i ich układów stanowią krotność ładunku elementarnego:

Ładunek elektryczny (2) 1C (kulomb) jednostka ładunku to ładunek elektryczny jaki jest przenoszony w ciągu jednej sekundy przez dany przekrój przewodu stałym prądem 1 ampera Masa elekronu

Ładunek elektryczny (3) Ładunek elektryczny cząstek nie zmienia swej wartości podczas ruchu (nie zależy od prędkości) Jako ładunek rozumiemy określoną liczbę ładunków elementarnych Prawo zachowania ładunku Wypadkowy ładunek układu odosobnionego jest niezmienny lub Suma algebraiczna ładunków w układzie odosobnionym jest stała

Współczesna teoria pola elektromagnetycznego opiera się na mikrocząsteczkowej budowie materii Klasyczne, makroskopowe podejście do teorii zjawisk elektromagnetycznych prowadzi do uproszczonego ale często wystarczająco dokładnego opisu zjawisk Zakładamy ciągły rozkład ładunku -ładunek jest nieskończenie podzielny co umożliwia wprowadzenie definicji gęstości ładunku

Gęstość ładunku Jeżeli ładunek jest rozłożony równomiernie w pewnym obszarze przestrzeni to można zdefiniować gęstość objętościową ładunku ładunek „ro” objętość

Prawo Coulomba wektor jednostkowy (wersor) Odległość ładunków r

Przenikalność dielektryczna Prawo Coulomba Ładunki punktowe Przenikalność dielektryczna środowiska (bezwzględna) Siła oddziaływania

Prawo Coulomba (ładunki jednoimienne)

Prawo Coulomba (ładunki różnoimienne)

Natężenie pola elektrycznego (1) Siła oddziaływania na dany ładunek, bez względu na to ile jeszcze innych ładunków występuje i bez względu na to ja się one poruszają, zależy jedynie od położenia danego ładunku, jego prędkości i jego wielkości.

Wzór Lorentza (1) Odziaływanie pola elektrycznego na ładunek Odziaływanie pola magnetycznego na ładunek w ruchu

Wzór Lorentza (2) Ładunek punktowy Siła oddziaływania na ładunek Natężenie pola elektrycznego Natężenie pola magnetycznego

Wzór Lorentza (3)

Natężenie pola elektrycznego (def) Natężeniem pola elektrycznego w dowolnym punkcie, w którym pole istnieje, nazywamy wielkość wektorową, której wartość mierzymy ilorazem siły działającej na umieszczony w tym punkcie ładunek próbny do wartości tego ładunku

Natężenie pola elektrycznego (wzór)

Pole elektryczne ładunku punktowego P(x,y,z) Ładunek próbny

Linie sił pola elektrycznego Jednym ze sposobów graficznego przedstawienia pola elektrycznego jest wyrysowanie linii pola. Są to krzywe, do których styczne w każdym punkcie pokrywają się z kierunkiem natężenia pola. (Po nich poruszałby się nie zakłócający pola dodatni ładunek próbny.)

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (+)

Linie sił pola elektrycznego ładunku punktowego (-)

Linie sił pola od dwóch równych ładunków różnoimiennych

Linie sił pola od dwóch równych ładunków dodatnich

Polaryzacja Cząsteczka jako całość jest obojętna  ładunki elektronów i jąder równoważą się Nie wyklucza to posiadania właściwości elektrycznych: zastąpmy ładunki jąder wypadkowym ładunkiem +q i umieśćmy go w środku ciężkości ładunków składowych; podobnie ujemne ładunki zastąpmy ładunkiem -q Otrzymamy model cząsteczki zwany dipolem o momencie pe + -

Polaryzacja + -

Podatność bezwzględna Polaryzacja (cd) Def. Zmiana natężenia pola elektrycznego w dielektryku w stosunku do natężenia w próżni jest efektem polaryzacji. Przy braku pola elektrycznego dielektryk jest obojętny elektrycznie; w zewnętrznym polu dipole wytwarzające własne pole elektryczne ustawiają się tak, że ich wypadkowe pole przeciwdziała zewnętrznemu osłabiając je. Stopień polaryzacji określa wektor polaryzacji proporcjonalny do wektora natężenia pola elektrycznego: Podatność bezwzględna

Wektor indukcji Wprowadźmy nową wielkość wektorową

Wektor indukcji (cd)

Wektor indukcji (interpretacja) W dielektryku istnieją tzw. ładunki związane (efekt polaryzacji) Pierwotnym źródłem pola są ładunki swobodne W dielektryku na pole ładunków swobodnych nakłada się pole od ładunków związanych Wektor natężenia E odpowiada polu wypadkowemu Wektor indukcji D charakteryzuje zatem pole od ładunków swobodnych (ale przy takim ich rozmieszczeniu jak w obecności dielektryka)

Strumień indukcji Pole powierzchni przez którą przenika wektor indukcji Wartość wektora indukcji (prostopadła do powierzchni S i stała na całej powierzchni) S

Strumień indukcji w przypadku ogólnym normalna S

Strumień indukcji w przypadku ogólnym Całka powierzchniowa

Prawo Gaussa Strumień indukcji przez dowolną powierzchnię zamkniętą równa się sumie algebraicznej ładunków elektrycznych obejmowanych przez tę powierzchnię

Pole magnetostatyczne POLE MAGNETYCZNE  wytworzone przez poruszające się ładunki elektryczne. Charakteryzuje się tym, że na poruszające się w nim ciała naładowane działa siła POLE MAGNETOSTATYCZNE stałe w czasie pole wytworzone przez magnesy trwałe i przez prądy stałe. Wiele otrzymanych dla pól statycznych wyników jest również słuszna dla pól magnetycznych wolnozmiennych. Poruszające się ciała  to także przewodniki z prądem.

obraz pola magnetycznego

Siły w polu magnetycznym Odziaływanie pola magnetycznego na ładunek w ruchu Jednostka indukcji magnetycznej B wektor indukcji pola manetycznego.

Strumień magnetyczny normalna S

Bezźródłowość pola magnetycznego: Linie pola magnetycznego są krzywymi zamkniętymi wobec czego strumień magnetyczny przez dowolną powierzchnię zamkniętą jest równy zeru.

Napięcie magnetyczne A B

Napięcie magnetyczne na odcinku o stałym natężeniu A B

Prawo przepływu: Napięcie magnetyczne wzdłuż dowolnej zamkniętej krzywej l równa się całkowitemu przepływowi przez powierzchnię ograniczoną krzywą l.

Ilustracja prawa przepływu Znak zgodnie z regułą śruby prawoskrętnej

Natężenie i indukcja magnetyczna przenikalność magnetyczna Wielkość fizyczna charakteryzująca środowisko ze względu na jego magnetyczne właściwości przenikalność magnetyczna próżni względna

Istota magnetyzmu N S Ładunek magnetyczny

mikroprądy

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej Ruch magnesu trwałego Powstawanie napięcia w uzwojeniu (przewodzie) pod wpływem jakiejkolwiek zmiany strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem. Ruch obwodu z Prądem stałym Załączanie napięcia w obwodzie

Strumień skojarzony z danym uzwojeniem Prawo Faradaya Strumień skojarzony z danym uzwojeniem Indukuje się siła elektromotoryczna e o takim zwrocie, że pole towarzyszące przepływowi prądu zmniejsza strumień skojarzony z ramką

Prawo Faradaya (obwód otwarty) Przewód o długości l przemieszcza się w czasie t na odległość x, zmiana strumienia w tym czasie da się wyrazić wzorem:

skąd: Reguła wyznaczania zwrotu napięcia e (strumień i zwrot WNIOSEK: Wzór Faradaya jest uniwersalny i opisuje również zjawisko indukowania się napięcia w przewodzie poruszającym się w stałym polu magnetycznym (obwód otwarty) Reguła wyznaczania zwrotu napięcia e (strumień i zwrot napięcia zgodne z rysunkiem)

Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza): + Pod wpływem siły Lorentza: ładunki przemieszczą się (zgrupują); wytworzy się w przewodzie pole elektryczne E równoważące działanie pola B

Napięcie indukowane w obwodzie otwartym (zastosowanie wzoru Lorentza) (cd) - +

Cewka w polu magnetycznym 1 2 3 z Przy zmianie strumieni poszczególnych zwojów indukują się w nich siły elektromotoryczne (napięcia indukowane):

Indukcja wzajemna cewek Cewka 1 Cewka 2

Cewka 1 Cewka 2

Siły elektrodynamiczne Siły oddziaływania na siebie przewodów wiodących prąd. Rozpatrzmy dwa równoległe przewody prostoliniowe 1 i 2 z prądami i1 oraz i2 w środowisku jednorodnym (są one dostatecznie długie) Przypomnienie: pole o indukcji B działa na elementarny odcinek przewodnika z prądem z siłą:

Siły elektrodynamiczne

Siły elektrodynamiczne (cd)

GOSPODARKA ENERGETYCZNA ZESPÓŁ URZĄDZEŃ SŁUŻĄCYCH DO WYTWARZANIA, PRZESYŁANIA, PRZETWARZANIA, ROZDZIAŁU I UŻYTKOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ NAZYWAMY UKŁADEM LUB SYSTEMEM ELEKTROENERGETYCZNYM UKŁAD ELEKTROENERGETYCZNY JEST JEDNĄ Z CZĘŚCI UKŁADU ENERGETYCZNEGO, KTÓREGO ZADANIEM JEST ZASPOKAJANIE POTRZEB GOSPODARKI NARODOWEJ I ODBIORCÓW INDYWIDUALNYCH.

GOSPODARKA ENERGETYCZNA (2) Wytwarzanie energii : generatory synchroniczne (w elektrowniach) Przetwarzanie energii = zamiana parametrów napięcia i prądu: transformatory, przetwornice, prostowniki, falowniki Przesyłanie energii i jej dystrybucja: linie przesyłowe i rozdzielcze, rozdzielnie , podstacje, zabezpieczenia GOSPODARKA ENERGETYCZNA (2)

źródła energii elektrycznej Na skalę przemysłową: elektrownie konwencjonalne cieplne elektrownie jądrowe elektrownie wodne Paliwa pierwotne stałe, ciekłe, gazowe paliwa jądrowe energia słoneczna energia wód energia wiatru energia geotermiczna

Krajowe i światowe zasoby energii pierwotnej

Udział procentowy w światowej produkcji energii odnawialnych: Wodna Biomasy Geotermalna Wiatru Słoneczna 92,5 5,5 1,5 0,5 0,05

Podział źródeł energii

OGNIWO PALIWOWE Energia chemiczna wyzwolona w procesach utleniających jest oddawana bezpośrednio jako prąd elektryczny wytwarzanie prądu stałego niskiego napięcia

Rodzaje ogniw paliwowych PEM (Proton Exchange Membrane lub Polimer Electrolyte Membrane). DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). AFC (Alkaline Fuel Cell). Phosphoric Acid (PAFC). MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). Solid Oxide (SOFCs). Solid Oxide (SOFCs).

Ogniwo Solid Oxide (SOFCs). posiadają membranę wykonaną z ceramiki tlenkowej. Pracują w wysokich temperaturach od 650 do 1000 stopni Celsjusza . wysoka sprawność w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła - 85%. długi czas osiągnięcia pełnej sprawności stosowane w stacjonarnych systemach CHP (cogeneration heat and power). wysoka tolerancja na zanieczyszczenia paliwa (tlenki węgla i siarki), co pozwala na stosowanie szerokiego wachlarza paliw.

PEM (Proton Exchange Membrane lub Polimer Electrolyte Membrane). ogniwa paliwowe PEM zasilane są czystym wodorem lub reformatem. Membrana  materiał polimerowy np. nafion. duża sprawność w produkcji energii elektrycznej - do 65% mała ilość wydzielanego ciepła dobra nadążność ogniwa w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom oraz krótki czas rozruchu. głównie do napędzania pojazdów oraz do budowy stacjonarnych i przenośnych generatorów energii.

Zastosowanie ogniw paliwowych Urządzenia przenośne, baterie małej mocy. Systemy stacjonarne - generatory energii elektrycznej i ciepła CHP, elektrownie małej mocy. Środki transportu, komunikacja. FCV (Fuel Cell Vehicle) Robotyka

Generator MGD (MHD) Gaz o temp.1700-2700 oC prędkość v=1000m/s indukcja B=3-6 T

Definicja MHD generator magnetohydrodynamiczny, generator MHD, generator magnetogazodynamiczny urządzenie przetwarzające energię wewn. zjonizowanego gazu (plazmy) w energię elektr.; wykorzystuje zjawisko indukowania prądu elektr. w przepływającym z dużą prędkością strumieniu plazmy, znajdującym się w polu magnetycznym.

Metody konwersji promieniowania słonecznego Konwersja fotowoltaiczna Ogniwa polimerowe Konwersja fototermiczna pasywna Konwersja fototermiczna aktywna Konwersja fotochemiczna

Ogniwo fotowoltaiczne (fotoogniwo, solar lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, wykorzystuje półprzewodnikowe złącze typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

ZŁĄCZE pn POD WPŁYWEM DZIAŁANIA ŚWIATŁA PRACUJĄCE W TRYBIE FOTOOGNIWA + -

Ogniwo słoneczne

Konwersja fototermiczna aktywna to zamiana energii promieniowania słonecznego na inną formę energii

Konwersja fotochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną na szeroką skalę zachodzi jedynie w organizmach żywych, ma bardzo niską sprawność (ok. 1%) i nosi nazwę fotosyntezy istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego oraz metody wykorzystujące fotony do dezynfekcji i detoksykacji.

Bezpośrednio w ogniwie

Technologia CRS CRS (Central Receiver System) polega na odbiciu promieni słonecznych z dużego obszaru i skierowaniu ich w jeden centralnie umieszczony punkt, gdzie można osiągnąć bardzo wysoką temperaturę. (Na tej samej zasadzie działają piece słoneczne)

Elektrownie słoneczne

CRS

Ogniwa słoneczne

Technologia DSS DSS (Distributed Solar System)  promienie są kierowane (najczęściej za pomocą kolektorów parabolicznym) na rurę, w której płynie czynnik (najczęściej olej o małej lepkości i dużej pojemności cieplnej). Czynnik przepływając przez wiele kolektorów osiąga dość wysoką, choć dużo niższą (poniżej 400 °C) niż w systemach CRS, temperaturę,

Komin słoneczny komin słoneczny to bardzo wysoki komin (1000 m) otoczony przezroczystym pokryciem, pod którym powietrze ogrzewa się (zmniejszając równocześnie swoją gęstość) i pod wpływem siły wyporu dąży do wydostania się przez komin, w którym instaluje się turbinę wiatrową połączoną z generatorem.

Komin słoneczny

Technologie przyszłości Parabola Stirlinga Receptor słoneczny wychwytuje energię słoneczną i ogrzewa znajdujący się w nim gaz (wodór). Ogrzany gaz napędza silnik Stirlinga i produkuje elektryczność. Parabola jest w fazie eksperymentu, w mniejszym wymiarze mogłaby być wykorzystana do produkcji elektryczności w pojedynczych domach.

Energia Słoneczna Z A L E T Y W A D Y brak emisji zanieczyszczeń atmosferycznych i gazów cieplarnianych łatwe utrzymanie i konserwacja urządzeń możliwość wykorzystania w gospodarstwach oddalonych od innych źródeł energii W A D Y ogniwa fotowoltaiczne budowane są z użyciem szkodliwych substancji ustawione ogniwa zajmują dużą powierzchnię

Energia wiatru

Elektrownia wiatrowa Światowy potentat w produkcji energii wiatrowej Niemcy (ok. 40% produkcji w skali całego globu). Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 50 metrów. duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet 1GW (gigawata), tj. 1000 MW, to jej zastąpienie wymaga użycia do 1000 generatorów wiatrowych. farmy wiatrowe: Na polskim wybrzeżu Bałtyku oddano do użytku w 2006 roku taką farmę w miejscowości Tymień (25 wiatraków o mocy 2 MW każdy = 50 MW).

Typy turbin Wertykalne Horiztonalne Turbina Darreiusa (Giromill, cykloturbina) Savoniusa (Finlandia 1922). Horiztonalne

Typy turbin

Budowa turbiny wiatrowej

Transport i instalacja wiatraków Płat wirnika ma długość około 40 metrów; do transportu potrzebne lawety o skręcanych tylnych osiach.

Budowa farmy „Zagórze” Stworzenie infrastruktury Budowa podziemnych linii kablowych Wykonanie fundamentów 5260 metrów drutu zbrojeniowego 6750 m3 betonu. Instalacja masztu (80m),gondoli i śmigła

Elektrownie wiatrowe w Polsce ogólna moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce to 280MW (stan na 4 paź 2007r.). 142 turbiny wiatrowe 33% terytorium Polski ma korzystne lub bardzo korzystne warunki do produkcji energii wiatrowej.

Energia wiatru WADY Wysokie koszty budowy i utrzymania. ZALETY Ingerencja w krajobraz, instalacja wiatraków zajmuje rozległe obszary stracone dla rolnictwa.. Hałas turbin. Zależność od wiatru. Zakłócają odbiór fal radiowych i telewizyjnych. Ofiary wśród świata zwierzęcego (ptaki!!!!) ZALETY Czyste źródło odnawialnej energii.

Porównanie emisji hałasu generowanego przez różne urządzenia w dB Co z hałasem? W odległości 350m od pracującej turbiny odbieramy dźwięk o natężeniu ok. 40dB.   Porównanie emisji hałasu generowanego przez różne urządzenia w dB  Ruch uliczny w miastach 80 Klimatyzacja 60 Hałaśliwa restauracja 70 Płaczące dziecko 115 Odkurzacz Pralka 78

Jak to z tymi ptakami obecnie?

Ptaki a wiatraki cd

Ptaki a wiatraki cd

O przyszłości technologii „wiatrowych” BADANIA I ROZWÓJ Szybkie turbiny wielopłaszczyznowe Turbiny wolnoobrotowe Zmniejszenie tarcia i wymogów konserwacyjnych dla Farmy „morskie”

Farmy wiatraków  w pasie przybrzeżnym The UK is leading the way in off shore wind turbine development. http://www.ecoworld.org/articles/images/UKWind_Wind%20Turbines%20in%20Water%20(Sandia%20US%20Gov).jpg

Energia wody Woda pokrywa aż trzy czwarte naszej planety, stanowi również jeden z największych potencjałów energetycznych.

Elektrownie wodne http://www.energyquest.ca.gov/story/chapter12.html

Wodospad Niagara, 1914 http://www.americaslibrary.gov/assets/jb/reform/jb_reform_niagra_2_e.jpg Źródło: "Niagara Falls, General View from Hennepin Point, Winter." Copyright 1914. Taking the Long View: Panoramic Photographs, 1851-1991, Library of Congress.

Pierwsza elektrownia wodna Appelton, Wisconsin. 1882. Fox River Hydroelectric Plant. http://www.crmeyer.com/17A-FoxRiverPaperHydro.jpg

Pierwsza Zapora w USA: Bonneville Dam http://memory.loc.gov/pnp/fsa/8c22000/8c22800/8c22871r.jpg

Elektrownia wodna zakład przemysłowy zamieniający energię spadku wody na elektryczną. Spadająca woda napędza turbiny które przetwarzają energię mechaniczną na elektryczną.

Mała Elektrownia Wodna http://danny.oz.au/travel/walks/20021227/schlink-pass.html

Podział elektrowni wodnych małe elektrownie wodne (określane skrótem MEW) poniżej 5 MW. Podział umowny w Skandynawii i Szwajcarii granicą są 2 MW, w USA 15 MW, MEW są zaliczane do niekonwencjonalnych, odnawialnych i ekologicznych źródeł energii duże elektrownie wodne są tak na świecie rozpowszechnione (20% światowej produkcji energii elektrycznej), że traktowane są często jako konwencjonalne źródło energii, a duży stopień ingerencji w środowisko naturalne powstrzymuje wielu badaczy od nazywania dużych elektrowni wodnych ekologicznymi.

Energia ciepłej wody oceanicznej zdjęcie: próbny projekt " Sagar Shakti " we współpracy indyjsko-japońskiej, 2000, źródło: www.ifremer.fr

Skraplacz wody odsolonej Energia ciepłej wody oceanicznej Skraplacz wody odsolonej Turbina niskoprężna

Siła fal  elektrownia falowa Energia fal morskich przekształcana jest w energię elektryczną. W zależności od systemu działania można wyróżnić elektrownie hydrauliczne, mechaniczne, pneumatyczne i indukcyjne.

elektrownia falowa - schemat Komora sprężania

Przypływy i odpływy

Energia prądów morskich Umieszczone pod woda turbiny napędzane są energią prądów morskich. źródło: www.ifremer.fr, MCT Ltd

Elektrownia szczytowo -pompowa

Elektrownia Wodna Żarnowiec -największa w Polsce elektrownia szczytowo-pompowa. Położona w miejscowości Czymanowo nad jeziorem Żarnowieckim w województwie pomorskim. Budowana w latach 1976- 1982 dla pracy turbinowej 4 x 179 MW = 716 MW Dla pracy pompowej4 4 x 200 MW = 800 MW

Elektrownia Łebień (1933) Powierzchnia zlewni580 km2 Średni przepływ5,74 m3/s Moc instalowana 45 kW Przełyk instalowany3 m3/s Spad2,3 m

Elektrownie wodne klasyczne WADY Zależność od opadów deszczu. Konieczność zalania dużych obszarów i przesiedlenia ludzi, co niszczy naturalne siedliska lądowych dla roślin i zwierząt. Lokalne zmiany klimatyczne. ZALETY Czyste odnawialne źródło energii. Możliwość szybkiego zatrzymywania i uruchamiania elektrowni. Małe problemy przy utrzymywaniu i eksploatacji elektrowni. Sztuczne zbiorniki wodne gromadzą wodę, zmniejszając ryzyko powodzi.

Biomasa Biomasa to materia pochodzenia organicznego. Jej energię możemy wykorzystywać spalając ją, rozkładając lub przekształcając chemicznie.

Biomasa - spalanie Spalając materię organiczną uzyskujemy energię cieplną, która może posłużyć do produkcji energii elektrycznej. Używa się do tego najczęściej odpadów drewna, słomy, niektórych odpadów domowych, rolniczych i przemysłowych. Ilość emitowanego CO2 w wyniku spalania jest równa jego asymilacji przez okres wzrostu rośliny.

Biomasa – przemiany chemiczne Niektóre uprawy takie jak np. rzepak, wierzba, trzcina cukrowa, kukurydza, czy niektóre zboża mogą być przekształcone w biopaliwa.

zdjęcie: beztlenowa fermentacja komorowa, Biomasa – fermentacja W wyniku fermentacji materii organicznej (np. odchodów zwierzęcych, odpadów komunalnych) otrzymujemy m.in. metanol, etanol i biogaz, wykorzystywane jako paliwo lub do produkcji energii. zdjęcie: beztlenowa fermentacja komorowa, źródło:www.cieplej.pl