fizika energijskih virov

Fizika energijskih virov 2005/06 B. Golob

Fizika energijskih virov

II Shranjevanje energije

UvodVečina naprav, ki porabljajo energijo (npr. električnenaprave), le-to ne porabljajo časovno konstantno dnevne, tedenske, sezonske spremembe

tipična dnevna poraba energijev večjem mestu

primer tedenske porabe energije

osnovna

vmesna

vršna

poraba

del osnovne proizvodnjeza shranjevanje

del proizvodnjeiz shranjevanja

delež celotne proizvodnje%

vir:S.W. Angrist,Direct EnergyConversion




Uvod

osnovne potrebe:osnovne energetske proizvodne zmogljivosti:zadoščanje najbolj stalnih energijskih potrebnajvišji izkoristki, najcenejši primarni viritipično termoelektrarne, hidroelektrarne, jedrske elektrarne

vmesne potrebe:različne energetske zmogljivosti, tipično v uporabi le preko dnevafosilna goriva, nižji izkoristki, plinske turbine

vršne potrebe:tipično najstarejši tipi proizvodnih zmogljivosti, najnižji izkoristki

shranjevanjeenerg.




Uvod

zbiralniki energije

mehanični (kinetična in potencialna energija), toplotni (latentna in specifična toplota), kemični,elektrokemični (baterije in akumulatorji), elektromagnetni jedrski

najpomembnejši in najstarejši način “shranjevanja”:manjšanje oscilacij v porabi;od nekdaj elektroenergetski sistemi prodajajo energijo, proizvedeno v periodah manjše porabe, po nižji ceni;




mehanični zbiralniki

črpalne elektrarne:črpanje vode na večjo višino ob presežku produkcije;hidrolektrarna ob pomanjkanju;črpalka/turbinaWelek → Wpot → Welek’

izkoristek:- izgube zaradi izparevanja- mehanske izgube

Welek’Welek

~ 0.7-0.85(ekonomski izk. boljši)

pomembne pri izračunustroškov proizvodnihzmogljivosti, ki ne zagotavljajo energijekonstantnoČrpalna HE Avče, http://www.seng.si/che_avce/





črpalne elektrarne:Welek → Wpot → Welek’

Maksimalni bruto padec: Hb = 521,00 mKoristni volumen vode: Vk = 2.170.000 m³Instalirani pretok (turbinski režim): Qi = 40 m³/sInstalirani pretok (črpalni režim): Qč = 34 m³/sInstalirana moč turbine: Pi = 185 MWInstalirana moč črpanja: Pč = 180 MWLetna proizvodnja električne energije: El = 426 GWhLetna poraba energije za črpanje: Eč = 553 GWh

Črpalna HE Avče, http://www.seng.si/che_avce/ Welek’Welek ~ 0.77





kakšna je efektivna gostota shranjene energije – primerjava z drugimi načini shranjevanja?

v taki gostoti upoštevamo specifično energijo (dW/dm ali dW/dV) kot tudi izkoristek pretvorbe v uporabno obliko energije;

primer črpalne elektr.:za vodo shranjeno v rezervoarju 100 m nad turbino, tipičenizkoristek turbine in generatorja je ~0,8:dW’/dV = dW/dV = gh dV/dV = gh ~ 0,8 MJ/m3

ali dW’/dm = 0,8 kJ/kg





vztrajniki

kompozitni materiali (Kevlar)magnetni ležaji za zmanjšanjetrenjaWelek’Welek ~ 0.9

specifična uporaba: UPS, avtomobili, vlak

elektromotor/generatorWelek → Wkin → Welek’

rotor:obroč Wkin/m = /2natezna trdnost: gostotaza druge oblike rotorjevnekoliko drugače, še vedno /2

material gostota[kg/m3]

F/S[MPa]

spec. energ.[MJ/kg]

strošek[US$/MJ]

bukev 700 125 15,1 145

Kevlar 1320 1800 180 120

jeklo 7830 2540 44 60

vir:S.W. Angrist,Direct EnergyConversion





zrak s povečanim tlakom

motor-generator

izgorevanje

kompresor

dodatnohlajenje

sklopka

turbina

gorivo

elek. energ. elek. energ.

podzemni zračnirezervoar

povzeto po:S.W. Angrist,Direct EnergyConversion

s pomočjo energije, ki je navoljo, stisnemo zrak in ga spovečanim tlakom shranimo v (podzemni) rezervoar

ob potrebi ta zrak zmešamo z gorivom ter vžgemo, da poganja turbino in generator

dovedena energija

oddana energija

adiabatsko stiskanje zraka:T2=(p1/p2)(1-)/ T1

T1=293K, p1=105 Pa, p2=100x105 Pa=1,4 T2=1094K=820oCdodatno hlajenje,omejitve za rezervoarje!




termični zbiralniki

energija, ki je na voljo, se z izmenjavo toplotepretvori v notranjo energijo snovi

specifična toplota (zvišanje T)latentna toplota (fazni prehod)

dnevni zbiralnikisezonski zbiralniki

nizko-T zbiralniki (izmenjava toplote pri T<~120oC)visoko-T zbiralniki (izmenjava toplote pri T>~120oC)





tipično termični zbiralniki namenjeni shranjevanju energije,potrebne za ogrevanje

sobna T: vodaT=30oC dW/dV = cpT = 126MJ/m3

zaenkrat ni uporabnih materialov za shranjevanje s pomočjolatentne toplote pri sobni T;

magnetit (Fe3O4)dW/dV = 115 MJ/m3 (cp=7,5x102 J/kg, =5,1x103kg/m3)

visoke T:železov klorid, Ttal=304oC, =2,9x103 kg/m3, qtal=2,6x105J/kgdW/dV = qtal = 763 MJ/m3

povzeto po:S.W. Angrist,Direct EnergyConversion





vir:http://www.dlsc.ca/how.htm

primer naselja v Kanadi

sončni kolektorji

kratko-trajnitermični zbiralnik

dolgo-trajnitermični zbiralnik






primer naselja v Kanadiskupna površina2,3x103 m2

generirajo 1,3 MWsredi sončnega dneva

“tipična” dnevna poraba energije v gospodinjstvu~200 MJ (55 kWh);od tega ~120 MJ za ogrevanje ~4 MJ za ogrevanje vode

v naselju 52 hiš, potrebuje0,64x1010 J/dan

produkcija 1,3MW x 6 ur x 0,6 () ~ 1,7x1010 J

preostanek ~1,0x1010 J za shranjevanje






primer naselja v Kanadi

kratkotrajni (dnevni)zbiralnik

prejema energijo od kolektorjevin jo razporeja med hišami in dolgotrajnim zbiralnikom

segreta glikolnaraztopina iz sončnihkolektorjev preko toplotnega izmenjevalcaogreje vodo na 75oC;120m3, T=(75-46) KW=VcpT = 1,5x1010J






primer naselja v Kanadi dolgotrajni (sezonski) zbiralnik

segrejeokoliškozemljo na80oC

kamenje, cp~850 J/kgK~2,7x103 kg/m3

T=30 K

W~1,9x1012 Jpri ocenjeni dnevniporabi zadošča za~100 dni

S~900 m2

V~27x103 m3

fizika energijskih virov

Documents