Elektriska Energisystem

Transkript

1 Elektriska Energisystem Magnus Hedlund, Institutionen för teknikvetenskaper Avdelningen för Elektricitetslära V ä r l d e n s s t ö r s t a s y s t e m!

2 Överföra energi med el In: 1e17 W Förbrukning: 1e13 W

3 Stånggång vs Elnät Förluster stånggång 20% / 1 km Elnät 3% / 1000 km

4 Omvandlingsförluster Three Gorges Dam: One conversion, 90% efficiency Typical coal power plant Two conversions 33% efficiency

5 Ett elkraftsystem Overview Generation Transmission Distribution

6 Ett elkraftsystem 2 El från vattenkraft till hushåll.

7 Ett elkraftsystem 3 Harsprånget, 1856.

8 Högspänningsbrytare Brytkammare Stödisolator Manöverdon

9 Delar

10 Delar Primärt kontaktsystem

11 Delar Primärt kontaktsystem Ljusbågskontakter

12 Delar Primärt kontaktsystem Ljusbågskontakter

13 Delar Primärt kontaktsystem Koppar PTFE (teflon) Ljusbågskontakter Koppar + Wolfram Försilvrat koppar

14 Brytförlopp Frånskiljare Brytare Induktiv last

15 Varför högspänning? Varför växelström?

16 Varför högspänning? Varför växelström?

17 Varför högspänning? Varför växelström? Överförd effekt P = U * I Förlorad effekt ΔP = R * I^2 R I U

18 Varför högspänning? Varför växelström?

19 Varför högspänning? Varför växelström? Överförd effekt P = U * I Förlorad effekt ΔP = R * I^2 R I U

20 Varför högspänning? Varför växelström? Överförd effekt P = U * I Förlorad effekt ΔP = R * I^2 R I Transformator Maxwells tredje ekv. U 2U, 1I 1U, 2I

21 Varför högspänning? Varför växelström? Överförd effekt P = U * I Förlorad effekt ΔP = R * I^2 R I Transformator Maxwells tredje ekv. U AC generator 2U, 1I 1U, 2I

22 Vilken frekvens?

23 Vilken frekvens? 2

24 3 Fas Växelström

25 Produktion == Konsumtion

26 Produktion == Konsumtion

27 Frekvensreglering

28 El Cykling W - 10 timmar / dag - 1 kwh 12 mån Tom Aug 2001: Vattenkraft: 78.5 TWh Kärnkraft: 62.4 TWh Öv Värmekraft: 8 TWh Tot: 151 TWh Förbrukat TWh MW

29 El 2 Sammanhängande elnät Elanvändning, Okt 2009 Kraftnätet i Norden

30 Effekt Energi Nuclear power 1800 MW Dukovany, Czech Republic Hydro power 2000 MW Karun-3 dam, Iran Wind power 690 MW Tehachapi, California, USA

31 Utnyttjandegrad

32 HVDC

33 Powerformer -tekniken Högspänningskabel i elektriska maskiner Powerformer: Högspäningsgenerator Dryformer: Torr transformator Windformer: Vindkraftverk Motorformer: Högspänningsmotor Powerformer 155 kv, 75 MW Porsi, Sweden. Installed 1999

34 Vattenkraftverk A Damm B Kraftstation C Turbin D Generator E Intagsgrind F Tillopstub G Transformator H Avlopp

35 Vattenkraftverk 2 Itaipu, Brasilien - Paraguay 12.6 GW 94.7 TWh / år

36 Vertikalaxlad vindkraft Egenskaper Multidirektionell turbin Generator på marken Enkel konstruktion Ingen växellåda Experiment Modellering Generator modell Aerodynamisk modell 12 kw VAWT, byggt och testat av Avdelningen för elektricitetslära

37 Marin strömkraft Egenskaper Långsam energiomvandling Oceanströmmar, floder, tidvatten Golfströmmen Marin strömkraft försöks generator P/A=krv3 [kw/m2]

38 Vågkraft

39 Vågkraft 20 kw linjärgenerator

40 Vågkraft Montage och installation av vågkraftgeneratorer utanför Lysekil. Gustavsson et al Sub to Ocean Engineering

41 Vågkraft Bojar Utspänning Flora och fauna

42 Energilagring kontra el-lagring Det är svårt att lagra el! Reglerbar generering: vattenkraft, diselgen., gasturbin Från-elektricitet-till-elektricitet med hög verkningsgrad Mecanical Pumped hydropower CAES Compressed Air Energy Storage Flywheel Magnetic SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage Chemical Supercapacitors Utility Battery Storage Fuel cell technology Se

43 Pumpkraftverk Egenskaper Vatten pumpas från ett lägre vattenmagasin till ett högre Verkningsgrad < MW, Bad Säckingen

44 CAES McIntosh Unit 1 Alabama, USA Togs i bruk MW Kombinerad med naturgas Verkningsgrad 0.5

45 Svänghjul Introduktion Rotating kinetic energy storage Reciprocating to rotary motion Industrial revolution Big slow metal wheels to small fast composite ones

46 Svänghjul - Schematisk bild Vaccumm chamber Composite rotor Electric machine Magnetic bearings

47 Svänghjul - Drivlina Primary mover Wheel motor Power electronics FLYWHEEL

48 Svänghjul - För elnätet Rim speed 2 * ljudhastigheten

49 Svänghjul - Farliga?

50 Svänghjul - Forskningsområden Power Electronics Material Elektriska Maskiner Magnetiska Lager Systemnivå

51 Svänghjul - Forskningsområden Power Electronics Halvledarelektronik som kan ändra frekvens, spänning och ström-förhållande, men hålla effekten konstant. P 0 P 0 I 1 I 2 U 1 U 2 f 1 f 2 AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC

52 Svänghjul - Forskningsområden Material Utveckla nya material som tillåter högre rotationshastigheter. Material Stål 800 Kolfiber 5000 Diamant 2800 Kolnanorör Grafen Ultimate Tensile Strength MPa Mer info? Googla: flywheel bolund et al

53 Svänghjul - Forskningsområden Elektriska Maskiner Konstruktion av motor/generator som klarar av höga rotationshastigheter, med låga förluster. Self-bearing Machines Hollow Cylinder Machines

54 Svänghjul - Forskningsområden Magnetiska Lager Minimera lagerfriktion, genom att lyfta svänghjulet med magnetiska krafter.

55 Svänghjul - Forskningsområden Systemnivå Fördelar Lång Livstid Hög effekt Inga kemikalier Nackdelar Dyr? Låg energidensitet Ej massproducerad

56 Svänghjul - Forskningsområden

57 Svänghjul - Forskningsområden

58 Svänghjul

59 Svänghjul

60 Svänghjul