Profielwerkstuk Natuurkunde Energie

Transcriptie

1 Profielwerkstuk Natuurkunde Energie Profielwerkstuk door een scholier 2410 woorden 21 december ,7 79 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Windmolen Hoe werken windmolens. Een windmolen bestaat uit de volgende onderdelen: de rotor, de gondel met de hoofdas, de tandwielkast de generator en het kruissysteem, het controlesysteem en de toren. De rotor De windmolen van nu bestaat uit een rotor met twee of drie wieken. Deze wieken worden gemaakt van polyester en versterkt met glasvezel, koolstofvezels of een hout-epoxy samenvoeging. Er zijn bladen verkrijgbaar van 1m voor kleine windmolens tot 30 m voor grote windmolens. De gondel De gondel is eigenlijk de machinekamer van de turbine. De gondel is draaibaar gemonteerd op een stalen toren. Het draaien is voor het in de goede windrichting plaatsen van de rotor. Dit gebeurt volledig automatisch. In de machinekamer zitten alle belangrijke onderdelen van de turbine zoals de hoofdas, de tandwielkast, de generator, de remmen en het kruisysteem. De hoofdas De rotornerf is bevestigd aan de hoofdas, die door de lagers alle krachten die inwerken op de rotor overbrengt op de vorm. Deze hoofdas brengt het koppel over naar de tandwielkast. Bij turbines die een kleiner vermogen dan 400 kw leveren, maakt de hoofdas soms deel uit van de tandwielkast. De tandwielkast De tandwielkast zorgt er voor dat het toerental van de rotor op het gewenste toerental wordt gebracht. Een windmolen van 1000 kw met een rotordiameter van 52 m draait ongeveer 20 omwentelingen/min, de generator vraagt 1500 omwentelingen/min, het toerental moet dus 1500/20=75 keer omhoog. Nu zijn er ook fabrikanten die een lage toeren generator gebruiken, die windmolens hebben dus geen tandwielkast nodig. De generator Een windmolen levert stroom aan het openbare net, hiervoor wordt gebruik gemaakt van een asynchrone generator. Als er gesproken wordt over een windmolen van 600 kw, dan is dit het normale Pagina 1 van 7

2 brandspanning. Het normale brandspanning komt overeen met een bepaalde windsnelheid die meestal tussen de 13 en 14 m/s ligt. Er zijn ook turbines met een dubbel toerental generator. Deze turbines maken minder geluid en hebben een hoger opbrengst bij lage windsnelheden. De rem Windmolens zijn altijd uitgevoerd met een rem. Deze rem kan in noodsituaties gebruikt worden, of wanneer de turbine toe is aan een onderhoudsbeurt. Het kruisysteem Het kruien van de windmolen gebeurt volledig automatisch door middel van een hydraulische of elektrische motor met een klein tandwiel met een grote tandkrans om de gondel in de goede windrichting te plaatsen. Het controlesysteem Een windmolen wordt volledig automatisch bestuurd door een intern computersysteem. De beheerder van de windmolen kan via een modemverbinding informatie opvragen. Voor- en nadelen Voordelen van windenergie: De fossiele brandstoffen raken op en bij de verbranding hiervan komen schadelijke stoffen, zoals CO2 vrij. Windenergie is een schone energiebron. Wind is een van de weinige eigen energiebronnen en is onuitputbaar. Na de oliecrisis heeft windenergie in Europa en de Verenigde Staten een enorme ontwikkeling gekregen. Het toekomstige aanpak zal er ook op gericht zijn te zorgen voor veel verschillende energiebronnen. Windenergie kan heel snel opgewekt worden. Een windpark kan al in een paar maanden tot een half jaar in bedrijf worden gesteld. Windenergie kan op veel verschillende plaatsen worden opgewekt. Hierdoor kunnen transformatieverliezen en transportverliezen klein worden. Nadelen van windenergie zijn dat de windmolens vaak niet in het landschap passen, en soms voor geluidsoverlast zorgen. Het probleem van de geluidsoverlast wordt toch minder omdat windmolens steeds stiller worden. Biomassa Wat is biomassa? Biomassa is de verzamelnaam voor organisch afvalmateriaal zoals snoeihout, GFT en mest. Onder invloed van zonlicht wordt CO2 uit de atmosfeer vastgelegd in plantaardig materiaal (fotosynthese). De CO2 wordt in de vorm van allerlei koolstofverbindingen vastgelegd (C). Bij dit proces komt zuurstof vrij (O2). Het plantaardig materiaal kan direct als energiebron dienen. Snelgroeiende gewassen zoals de populier, de wilg en olifantsgras kunnen speciaal voor dit doel worden geteeld (energieteelt). Pagina 2 van 7

3 Via de voedselketen kan het plantaardig materiaal ook omgezet worden in dierlijk organisch materiaal. Mest van koeien, varkens of kippen is daarom ook te zien als een vorm van bio-energie. Ook als water gekookt wordt boven een kampvuur, wordt er gebruik gemaakt van een vorm van bio-energie. Omzetting in energie Biomassa en afval kunnen op veel verschillende manieren worden omgezet in bruikbare energievormen zoals elektriciteit, warmte en gasvormige of vloeibare brandstoffen (biofuels). Voor het zo efficiënt mogelijk omzetten van biomassa en afval in energie wordt meestal gebruik gemaakt van een warmtekrachtkoppeling. Verbranding Uit de warmte die vrijkomt bij de verbranding van biomassa en afval kan met behulp van een stoomturbine elektriciteit worden opgewekt. De restwarmte kan voor verwarmingsdoeleinden worden gebruikt. Het bijstoken van hout in kolencentrales en afvalverbrandinginstallaties wordt reeds toegepast. Epon Weurt (Nijmegen). Meestoken van afvalhout in elektrische centrale. Overzicht afvalhoutverwerking en centrale. Vergassing Vaste biomassa wordt door verhitting zonder zuurstof omgezet in een gasvormige brandstof. Door verbranding kan de gasvormige brandstof worden omgezet in elektriciteit en warmte. Zonne-energie De zon als elektriciteitsbron Nog niet zo lang geleden werd elektriciteit uit zonlicht alleen maar in de ruimtevaart toegepast. Zonlicht wordt daar al jaren gebruikt om satellieten met behulp van zonnecellen van stroom te voorzien. Tegenwoordig worden zonnecellen ook op aarde toegepast: op woonhuizen en kantoorgebouwen, maar ook in rekenmachines, praatpalen, lichtboeien, waterpompen, zomerhuisjes en caravans. De zon is een onuitputtelijke bron van energie en is schoon. Zonlicht is er in overvloed. Ook in Nederland is er genoeg zonlicht om met zonnecellen alle elektriciteit op te wekken die nodig is. Zonnecellen De ontwikkeling waarmee een zonnecel werkt heet fotovoltaïsche omzetting: de verandering van licht naar elektriciteit. Veelgebruikt is de afkorting \"PV\", dat komt van het Engelse photovoltaic. De meest gebruikte zonnecel is gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen, de zogenaamde N-laag en P-laag. Het verschil in de twee lagen ontstaat door kleine chemische toevoegingen. Hierdoor ontstaat een spanningsverschil over het scheidingsvlak vergelijkbaar met de plus en de min van een batterij. Onder invloed van licht worden er extra elektronen in de zonnecel losgemaakt. Door een verbinding tussen beide lagen te maken, gaat er een elektrische stroom lopen. Voor het op gang komen van het fotovoltaïsche proces is niet alleen felle zon nodig. Ook op een bewolkte dag kan een zonnecel Pagina 3 van 7

4 elektriciteit leveren. Van zonnecellen en -panelen naar PV-systemen Zonnecellen worden meestal aan elkaar gekoppeld en ondergebracht in een zonnepaneel. Panelen met zonnecellen leveren gelijkspanning van 12 of 24 Volt. In zo n paneel zijn de cellen tegen weer en wind bestand. Meer zonnepanelen maken doorgaans deel uit van een compleet systeem, een zogenaamd PVsysteem. Andere componenten van een PV-systeem zijn hulpmiddelen zoals kabels, regelapparatuur en een draagconstructie. De PV-systemen kunnen gebruikt worden voor autonome en (elektriciteits- )netgekoppelde toepassing. Soorten PV-systemen Autonome PV-systemen Autonome PV-systemen zijn systemen los van het elektriciteitsnet waarbij gebruik gemaakt wordt van accu s om de elektriciteit op te slaan. Deze systemen worden daar gebruikt waar het elektriciteitsnet ontbreekt of waar een aansluiting te duur is. De overdag geproduceerde elektriciteit wordt opgeslagen, zodat ook s avonds en s nachts de elektriciteit gebruikt kan worden. De accu s moeten natuurlijk wel voldoende capaciteit hebben om een paar donkere dagen te overbruggen, met name in de wintermaanden. De autonome PV-systemen worden niet gebruikt als algemeen elektriciteitsproductiemiddel waarbij gestreefd wordt naar een maximale jaaropbrengst. Centraal bij dit systeem staat een optimale leveringszekerheid over het jaar. Netgekoppelde PV-systemen Netgekoppelde PV-systemen zijn gekoppeld aan het elektriciteitsnet. De gelijkspanning wordt door middel van een inverter (omvormer) omgezet naar de juiste spanning (230 Volt wisselspanning). De overproductie van elektriciteit uit het PV-systeem wordt afgegeven aan het elektriciteitsnet. Wanneer er meer elektriciteit verbruikt wordt dan het PV-systeem produceert, dan wordt het tekort aangevuld vanuit het elektriciteitsnet. Mocht het elektriciteitsnet door wat voor een oorzaak dan ook uitvallen, dan schakelt het PV-systeem zichzelf om veiligheidsredenen uit. Voor netgekoppelde PV-systemen wordt, in tegen stelling tot autonome systemen, in nagenoeg alle gevallen wel gestreefd naar opbrengstmaximalisatie. Waarom zon-pv Beschikbaarheid van elektriciteit vinden we vanzelfsprekend. We staan er vaak niet bij stil dat productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool blijvende schade toebrengt aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energie voorziening zwak. Gebruik van fotovoltaïsche zonneenergie brengt geen van schadelijke gassen met zich mee. Zon-PV is schoon, stil en duurzaam. Pagina 4 van 7

5 Voor- en nadelen van Zonne-energie Voordelen Productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool brengt blijvende schade toe aan ons milieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij door groeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar. Toepassing van fotovoltaïsche zonne-energie brengt geen uitstoot van schadelijke gassen met zich mee en doet geen aanslag op schaarse hulpbronnen. Nadelen Een nadeel van zonne-energie is dat de zonnepanelen heel duur zijn, en niet iedereen vindt ze mooi op de daken staan. Waterkracht Wat is waterkracht? Waterkracht ontstaat uit de waterkringloop. Het water in de zee wordt door de zon opgewarmd en verdampt. Boven land stijgt de vochtige lucht op en worden er wolken gevormd. Met name in heuvels en bergen komt dit als neerslag weer naar beneden. Langs rivieren stroomt het water door het hoogteverschil weer terug naar zee. Het gebruiken van waterkracht kent een lange geschiedenis. Waterkracht is in het verleden regelmatig ingezet voor het mechanisch bewerken van allerlei grondstoffen, zoals graan en hout. Traditioneel werd de energie van water omgezet met waterwielen. Deze waterwielen werden al gebruikt in de tweede of derde eeuw voor Christus. Bij deze waterwielen wordt het verval van een waterstroom meteen omgezet in een draaiende beweging van het wiel. Later ontstond daaruit het waterwiel van Poncelot die de valhoogte van het water (potentiële energie) eerst omzette in snelheid van het water (kinetische energie). Dit vond plaats in een aanstroom kanaal of buizenstelsel. Het water spuit vervolgens met grote snelheid tegen een waterwiel aan. Het Poncelot -wiel kan worden beschouwd als de voorloper van de moderne impulswaterturbine. Zo n waterturbine wordt gebruikt in een moderne waterkrachtcentrale waarbij een groot verval wordt omgezet in hoge watersnelheden. Hoe werkt een waterkrachtcentrale? De kracht van stromend en vallend water kan door een waterturbine in een draaiende beweging worden omgezet. Door de as van de turbine te samenvoegen aan een generator wordt elektriciteit opgewekt. De werking van deze generator is te vergelijken met een fietsdynamo. Grootschalige waterkracht In bergachtig gebied valt water absoluut snel naar beneden door het grote verval. Waterkrachtcentrales die gebruik maken van de grote valsnelheid van het water werken met impulsturbines. Om verzekerd te Pagina 5 van 7

6 zijn van voldoende aanvoer van water, ook in tijden van weinig neerslag of weinig smeltwater, legt men stuwmeren aan. Bij de bijbehorende stuwdam ontstaat dan een groot verval. Via het aanvoerkanaal en de valbuis komt het water dan bij de turbine. Kleinschalige waterkracht In Nederland kan waterkrachtenergie niet uit een hoogteverschil of snelheid van het water gehaald worden, maar moet gehaald worden uit de enorme hoeveelheden water die in korte tijd passeert. In Nederland maken de toegepaste turbines gebruik van het drukverschil voor en achter de turbine, dit zijn reactieturbines. De bladen lijken op die van een grote scheepsschroef. Het toerental is niet zo hoog als bij een impulsturbine. Om dit toerental te versnellen wordt een tandwielkast voor de generator geplaatst. Omdat de aanvoer van het water benedenstrooms (dicht bij zee) veel regelmatiger is dan bovenstrooms is de aanleg van stuwmeren niet nodig. Getijde energie Weer een andere vorm van waterkracht ontstaat door gebruik te maken van de stroming in het water door eb en vloed. Watermolens De werking van de watermolens kan vergeleken worden met windmolens, door de stroming (wrijving) van het water gaan de schoepen{bord van een waterrad}draaien en kan zo elektriciteit opgewekt worden. Worms waterwiel Het Worms -waterwiel is een wiel met aan de einden van de spaken enkele draaiende flappen. Het waterwiel werkt geheel onder water. Wanneer de flappen tegen de stroomrichting in bewegen flapperen ze vrij. Bewegen ze met de stroomrichting mee dan worden ze door de stroming met de kracht tegen de spaken aangedrukt en gaat het wiel draaien. Deze draaiende beweging wordt dan omgezet in elektriciteit. Voor- en nadelen van waterkrachtcentrale Voordeel We staan er niet vaak bij stil dat productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool blijvende schade veroorzaakt aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende afvalstoffen die in de lucht komen zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden na tientallen jaren opraken. Afhankelijkheid van deze informatie maakt de energievoorziening gevaarlijk. Bij elektriciteitsopwekking van waterkracht komen geen schadelijke gassen vrij. Het is schoon en water zal altijd blijven stromen; het is dus onuitputtelijk en duurzaam. Nadeel Een waterkrachtcentrale heeft naast de vele voordelen ook een nadeel: niet alle vissen overleven een tocht Pagina 6 van 7

7 door de waterkrachtcentrale. Om dit probleem te ondervangen kunnen visgeleidings systemen worden toegepast die de vissen via een watertrap langs de waterkrachtcentrale leiden. De moeilijkheid hiervan is dat niet alle vissen reageren op dezelfde signalen. Waar de ene vis van schrikt, daar wordt de ander juist door aangetrokken. Bijvoorbeeld reageert de zalm op geluid en de paling juist op licht. Aardwarmte Iedereen kent de energie die via de vulkanen en geisers van diep uit de aarde aan het oppervlak komt. Daarbij geldt: hoe verder richting het middelpunt van de aarde, hoe hoger de temperatuur van de aardkorst. De kern van de aarde ligt op kilometer van het aardoppervlak. Schattingen van de temperatuur in het centrum lopen uiteen van tot C. Aardwarmte is energie die wordt onttrokken aan de aardkorst. Die energie ontstaat door radioactiviteit in de kern van de aarde. Door geleiding (convectie) wordt deze energie naar de aardkorst getransporteerd. Normaliter is dat een geleidelijk proces. Maar soms komt het via vulkanische uitbarstingen plotseling met veel geweld naar de oppervlakte. De hoeveelheid aardwarmte is enorm. De buitenste zes kilometer van de aardkorst bevat thermische energie die overeenkomt met vijftigduizend keer de energie van alle olie- en gasvoorraden in de wereld. Alhoewel de aarde zeer langzaam afkoelt, is de voorraad als onuitputtelijk te beschouwen. Aardwarmte is daarom een vorm van duurzame energie. Een andere veel gebruikte naam voor aardwarmte is geothermische energie. `Geo` betekent letterlijk `aarde` en `thermisch` staat voor `warmte`. De aardwarmte wordt al sinds eeuwen gebruikt. De Romeinen gebruikten warmwaterbronnen en geisers al in Pompeï voor warme voeten via vloerverwarming. In IJsland wordt al vanaf het begin van deze eeuw warm water gebruikt voor huishoudelijke toepassingen. Pagina 7 van 7