sissejuhatus energiatehnikasse - ene.ttu.ee · induktor – generaatori osa, kus tekitatakse...

Sissejuhatus energiatehnikasse 2.10.2014

Aimeli Laasik 23.10.2008 1

Sissejuhatus energiatehnikasse

AAV0120

Loeng 3

Aimeli Laasik 23.oktoober 2008

SISSEJUHATUS ENERGIATEHNIKASSE

2.10.2014 Aimeli Laasik 2

Tuumareaktorid Ahelreaktsioon tuumareaktoris: uraaniaatomi tuumaga põrkub aeglustatud neotron (kiirus 2 km/s) aatom lõheneb kaheks kergemaks aatomiks (ksenoon, strontsium) ja vabaneb 2,5 uut neutronit (kiirus 2*104 km/s) aeglusti (N. vesi) abil aeglustatakse osa neutronitest sobiva kiiruseni üks aeglustatud neutron lõhestab uue uraanituuma (kiirus 2 km/s) ülejäänud neutronid neelduvad andes ära energia, mis muundub

soojuseks

1 g uraani sisaldab 2,6 x 1021 aatomit, saame 830 GJ/g

n

235U

~2 km/s

n

~2·104 km/s

1…2 n

~2 km/s

235U

143Xe

90Sr

n

~2·104 km/s

1...2 n

200 MeV

( 1,610–13

J )

Aeglusti 200 MeV

( 1,610–13

J )



Survevesireaktori ehituspõhimõte

1 – kütusevardad

2 – juhtvardad (pidurdus)

3 – kest

4 - toitepump

5 – rõhuregulaator

kütusevarda kimbud kuni 17x17 varrast

kimpe 150 - 250 tk

sisaldavad 80 -100 t uraani

soojuslik võimsus 4000 – 6000 MW

elektriline võimsus 900 - 1600 MW

vee rõhk reaktoris 16 MPa

väljuva vee temp. 315 C

1

3

4

5

2





Keevvesireaktori ehituspõhimõte

1 – kütusevardad

2 – juhtvardad

3 – kest

4 – toitepump

5 – auruväljund

kütusevarda kimbud kuni 100 vardast

kimpe kuni 800 tk

sisaldavad kuni 140 t uraani

elektriline võimsus 1000 - 1300 MW

vee rõhk reaktoris 7,5 MPa

keemistäpp 285 C

1

3

4

2

5



Paljundusreaktori ehituspõhimõte

1 – kütusevardad 2 – paljundusvardad 3 – juhtvardad 4 – kest 5 – naatriumpump reaktor põhineb kiiretel neutronitel paljundusvardad sisaldavad looduslikku või vaesustatud uraani soojuskandjana ei saa kasutada vett, toimiks neutronitele aeglustavalt soojuskandjaks on vedel naatrium, väljumistemperatuur 500-600 0C tuumkütust tekib enam kui seda reaktoris ära kulutatakse tekkivast tuumkütusest ja reaktoris kasutatud tuumkütusest saadava

energia suhet nimetatakse paljundusteguriks (väärtus 1,2...1,4 ka 1,8) 2013 – Jaapan, Kasahstan, Hiina

1

3

4

5

2


1 MWd elektrienergia tootmine

4 g uraani 235U ehk

0,6 kg looduslikku uraani

8 t kivisütt

16 t head põlevkivi





Uraanist tekkinud ohtlikud ained plutoonium 239Pu, mille kõik ühendid on

mürgised (poolestumisaeg 2,46104 a)

tseesium 137Cs, mis osaleb kõigi keharakkude

ainevahetuses (poolestumisaeg 33 a)

strontsium 90Sr, mis salvestub luudes, jäädes

sinna elu lõpuni (poolestumisaeg 28 a)

jood 131I, mis koguneb kilpnäärmesse ja võib

põhjustada selle vähki (8,04 d)




Hüdroturbiinid

muundab vee kineetilise energia

mehaaniliseks pöörlemisenergiaks

eelkäijaks on vesiratas (alt- ja ülaltvoolu) (230 eKs)



Hüdroturbiinide liigid

radiaal-aksiaalsed ehk Francise turbiin (1849)

1 – spiraalkamber 3 – tööratas (9 - 19 laba)

2 – juhtaparaat (16 - 32 laba) 4 – võll 5 - imitoru

kasutatakse kiire langusega jõgedel

vee rõhukõrgus 30…650 m

võimsus 1 - 800 MW

1

4

3

2

5





pöördlabaline ehk Kaplani turbiin (1912)

1 – spiraalkamber 4 - võll 2 – juhtaparaat 5 - imitoru 3 – tööratas (4 - 6 laba) kasutatakse lausmaajõgedel (sh Eestis) vee rõhukõrgus 2…45 m võimsus 10 – 150 MW

4

1

2

3

5



Kopp- ehk Peltoni turbiin (1878) 1 – vee juurdeviigutoru 2 – veehulga reguleerimisseadis 3 – veejuga 4 – tööratas 5 – võll kasutatakse mägijõgedel vee rõhukõrgus 100…1800 m võimsus kuni 450 MW

1

2

3

4 5



Tuuleturbiinid muundab tuule kineetilise energia mehaaniliseks

pöörlemisenergiaks

Propellerturbiin: kasutatavus 99% võimsusega 0,1…6 MW pöörlemissagedus 20-40 r/min 1 – tiivik 2 – gondel 3 – mast A – tiiviku pöörlemispindala v1 – tuule kiirus tiiviku ees v2 – tuule kiirus tiiviku taga





Propeller-tuuleturbiinide mõõtmed

Turbiini nimivõimsus MW

Tiiviku läbimõõt m

Tiiviku naba kõrgus m

0,5…0,6

40 40…65

1,5…2

70 65…115

4,5…6

112…126 120…130


Tuuleturbiini võimsuse sõltuvus

tuule kiirusest


60

80

40

20

0

P / Pn

v

100 %

0 5 10 15 20 25 m/s



Püstvõlliga Darrieus` turbiin, 1931

1 – võll

2 – tiib

3 – elektrigeneraator

4 – tugilaager

võimsus kuni 4 MW

pigaldatud ca 20 tk

1

2

3

4





Hallady tuuleturbiini tiiviku põhimõte

1854 Daniel Hallady

paljulabaline

aeglasekäiguline

tehnilised näitajad tagasihoidlikud (0,5…6 kW)



Püstvõlliga turbiini puudused tiivikule toimiva tuule väiksem kiirus (tiivik maapinna lähedal) väiksem võimsussuhe väiksem kiirekäigulisus kiiruse mittereguleeritavus keerukam teostus suurem materjalimahukus väike kasutatavus

Eelis: masti äralangemist (tormikindlus) generaatori paiknemine maapinna lähedal


Tuuliku (6 MW) võrdlus Oleviste kirikuga






Fotoelektrilised muundurid

üldtingmärk,

ventiilfotodioodi tingmärk

fotoelektrilised muundurid:

ventiilfotoelemendid (kasutatakse päikesekiirguse

muundamisel elektrienergiaks)

vaakum- ja gaasitäitega (lampdiood-) fotoelemendid

fototransistorid ja –türistorid

elektrokeemilised vedelikelemendid

+

–



Veniilfotoelement Boori, räni ja fosfori aatomite ehitus:

1 – tuum 2 – sisemised elektronkihid 3 – välimine elektronkiht räni kristallvõresse viia fosforiaatomeid, tekivad pooljuhikihis (n- pooljuhis) vabad elektronid räni doteerimisel booraatomitega saame p- pooljuhi (vabad augud, fotoelemendi baas) p- ja n-pooljuhikihi vahel moodustub p-n-siire (ruumilaengutsoon)

B Si P

1

2

3



Ränifotoelemendi ehituspõhimõte:

1 – peegeldusvastane kiht 2 – ribaline elektrood 3 – n-pooljuht 4 – p-n-siire 5 – p-pooljuht 6 – metallelektrood 7 – footon ja selle toimel tekkivate laengukandjate paar footonid põhjustavad erimärgiliste laengute eraldumist ja

laengukandjate (elektronide, aukude) liikumist vastaselektroodidele – tekib pinge (0,6 V)

osa footoneid neeldub fotoelemendis ilma laengukandja paare tekitamata (muundub soojuseks)

1 2

3

4

5

6

7

+

–




Fotoelement

liikuvate osade puudumine

keskkonnasõbralikkus

lihtne hooldada

kõrge töökindlus

eluiga 20 – 40 aastat

maksumus 0,6 - 3 €/W

kasutegur räni puhul kuni 18%

paigaldatud koguvõimsus 101 GW (2012)



Fotoelementide kasutegurid

Fotoelemendi ehitus ja materjal Kasutegur

%

Kolmesiirdeline kiirguskontsentraatoriga

tandemfotoelement

35 … 43

Kahesiirdeline kiirguskontsentraatoriga

tandemfotoelement

30 … 32

Galliumarseniidfotoelement 24 … 26

Monokristall-ränifotoelement 20 … 24

Polükristall-ränifotoelement 18 … 23

Vask-indium-seleniid-kilefotoelement 18 … 20

Kaadmiumtelluriid-kilefotoelement 14 … 17

Amorfne ränifotoelement 8 … 10

Orgaaniline fotoelement 4 … 8



Fotoelement-päikesepaneelide

tootmismaht

maailmas


1980 1990 2000 2010 2020 0,001

10

100 GW

1

0,1

0,01

330 GW





Elektrimasingeneraatorid

muundab mehaanilise (kineetilise) energia

elektrienergiaks

energeetikas on kasutusel pöörlevad

elektromagnetilised generaatorid

induktor – generaatori osa, kus tekitatakse

magnetväli

ankur – generaatori osa, milles indutseerub

pinge

95% elektrienergiast toodetakse vahelduvvoolu-

sünkroongeneraatorite abil



Kahepooluseline sünkroongeneraator 1 – staator (ankur)

2 – rootor (induktor)

3 – võll

4 – kere

U-X, V-Y, W-Z kolm faasi on

üksteisest nihutatud 1/3

poolusejaotuse võrra ja milles

indutseeruvad üksteisest 120

võrra nihutatud pinged

rootori pöörlemisel tekib

pöörlev magnetväli, mis indutseerub

staatori mähises vahelduvpinge

vahelduvpinge sagedus vastab rootori pöörlemissagedusele

N

S

U

V

W

X

Y

Z

2

1

3

4



Magnetelektriline generaator

(Faraday, 1831)

1 – magnet

2 – pöörlev vaskketas

3 – harjad

e – elektromotoorjõud

(alalispinge)

N

e

3

2

1




Michael Faraday

(1791–1867)

sündis vaeses pere ja 13. a.

töötas raamatuköitjana, mis

oli hea võimalus enda

harimiseks

1778–1829 õppis kõrgkoolis

keemiat

1981 alustas elektrialaste

uuringutega

avastas elektromagnetilise

induktsiooninähtuse,

magnetelektrilise generaatori ja

mootori põhimõtte jm el. nähtusi




Elektrimootorid muundab elektrienergia mehaanilise liikumise

energiaks

Asünkroonmootori ehitus

1 - staator

2 – rootor

3 – võll

4 – kere

staatori pöörlev magnetväli indutseerib rootorimähises voolu, mille

koostoime staatori magnetväljaga paneb rootori pöörlema

rootori pöörlemiskiirus on väiksem

staatori omast, nimetame libistuseks

2

1

3

4



Sünkroonmootorid

ei sobi sagedaseks käivitamiseks

kasutatakse enamasti konstantse koormuse

ja pöörlemiskiiruse korral

Alalisvoolumootorid

sobib kiiruse sujuvaks reguleerimiseks

kasutamine vähenenud (keerukas ehitus,

kõrge hind, lisakaod)





Samm-mootorid

käivitatakse pingeimpulssidega (iga impulssi korral

pöördub rootor kindla nurga võrra)

kasutatakse aeglasekäisulistes ja täpsust vajavates

mehhanismides

Lineaarmootorid:

liikuv osa on kulgur (liigub enamasti

sirgjooneliselt)

kasutatakse juhul, kui pöörleva mootori liikumise

muundamine translatoorseks mehaaniliseks

ülekandeks ei ole otstarbekas või pole võimalik



Elektromagnetiline mootor

(Faraday, 1821)

1 – pöörlev metallvarras

2 – varrasmagnet

3 – klaasanum

4 – elavhõbe

i

1

2

3

4

i 5



Ajalugu

esimese elektrostaatilise elektrimootori valmistas

aastal 1748 Benjamin Franklin

esimese elektomagnetilise mootori valmistas aastal

1821 Michael Faraday

esimese mootori, mida saaks ühendada

eraldiasetseva töömasinaga, valmistas aastal 1831

Joseph Henry

esimese pöörleva elektrimootori valmistas

8.04.1834 Moritz Hermann Jakobi




Moritz Hermann Jakobi (1801–1874)

sündis jõukas peres, hea koduharidus

1828 sai arhitekti diplom

vabal ajal huvitus elektrotehnikast

1834 valmistas esimese pöörleva elektrimootori

1835 valiti Tartu Ülikooli professoriks

1837 viidi üle Peterburi Teaduste Akadeemiasse

1838 katsetas Neeval (merepaadi-) elektriajamit

1842 sai akadeemikuks

tegeles telegraafi täiustamisega, metroloogiaga

ja teiste teadus- ja tehnikaprobleemidega




Muud elektrimuundurid

vajadus muundada teatavate parameetritega

(voolu, pinge, sagedus) elektrienergiat

teistsuguste parameetritega elektrienergiaks

Näited:

transformaatorid ehk trafod (pingemuundurid)

alaldid (vahelduvvoolu muundamine alalisvooluks)

vaheldid ehk invertorid (alalisvoolu muundamine

vahelduvvooluks)

sagedusmuundurid

impulssmuundurid (voolu- või pingeimpulsside

tekkeks)



Ühefaasiline kahemähiseline trafo

ehituspõhimõte

1 – primaarmähis

2 – sekundaarmähis

3 – terassüdamik

U1 – primaarpinge

U2 – sekundaarpinge

I1 – primaarvool

I2 – sekundaarvool

- magnetvoog

U1 U2

I1 I2

1 2

3





Kahemähiselise trafo tingmärk

a – elektriahelate (mitmejoone-) skeem

b – elektrivõrkude (ühejoone-) skeem

a b



Autotrafo (ühemähiselise trafo) skeem

a – pinget madaldav

b – pinget kõrgendav

U1 U2 U1 U2

a b


Trafode iseloomustus nimiprimaar- ja nimisekundaarpinge

nimiprimaar- ja nimisekundaarvool

nimisekundaarnäivvõimsus ehk

nimivõimsus: 0,1 mVA kuni 1000 MVA

võimsuskaod üldjuhul väikesed ja

kasutegur 99%

suurte trafode jahutamiseks kasutatakse

õlipaake

suurte pingete ja voolude mõõtmisel

kasutatakse mõõtemuunduritena

mõõtetrafosid






Voolutrafo tingmärk

a – mitmejooneskeemis

(elektriahelate skeemis)

b – ühejooneskeemis

(elektrivõrkude skeemis)

a b



Michael Faraday impulsstrafo põhimõte

(esimene trafo, 1831)

i1 – primaarvool

i2 – sekundaarvool

t – aeg

i 1 i 2

i 1

t

i 2

t



Ventiilide ja alaldi tingmärgid

a – mittetüüritav ventiil

b – tüüritav ventiil (türistor)

c – alaldi

a b

c





Ühest ventiilist koosnev alaldi skeem

ja väljundvoolu kuju

i – voolu hetkväärtus t – aeg vahelduvvoolu poolperioode (üksteisest eraldatud

vooluimpulsse) nimetatakse poolperioodalaldiks

Sildalaldi skeem ja väljundvoolu kuju i – voolu hetkväärtus t – aeg täisperioodalaldid

i

t

i

i

t i



Vaheldi

kasutatakse tüüritavaid pooljuhtdioode (transistore või türistore)

a – sildvaheldi skeem b – väljundvoolu kuju (nelinurkvool), vaheldiga jadamisi lülitatud filtri kasutamisel saadakse siinusvool c – arvprogrammjuhtimisega saab nelinurkvoolu asemel eri laiusega impulssidest koosneva impulsipaki, millest filtri abil saab siinusvoolu i – voolu hetkeväärtus t – aeg

i

t i

i

t

c b a



Vaheldi tingmärk

Sagedusmuunduri skeem

sagedusmuundur võib koosneda

alaldi ja vaheldi kombinatsioonist




Teised elektrimuundurid

elektrilised kuumutusseadmed

elektrilised valgusallikad

elektrolüüsi- ja galvaanikaseadmed




Soojusvahetid ja - muundurid

soojusvaheteid kasutatakse soojuse

ülekandmiseks ühest keskkonnast teise

(kuumemast külmemasse)

soojustransformaatoreid (-muundureid)

kasutatakse soojuse ülekandmiseks

külmemast keskkonnast soojemasse



Soojusülekanne (kesk)küttekehalt

ruumi ja põhimõtteskeem

1 – küttekeha

2 – sisenev kuum vesi

3 – väljuv jahtunud vesi

4 – külm ruumiõhk

5 – soojenenud ruumiõhk

6 – soojuskiirgus

2

3

4

6

1

5

5

4

2

3

a b





Soojusvaheti skeem

1 – soojuse ülekanne

väljapuhutavalt õhult

2 - soojuse ülekanne

sissepuhutavale värskele õhule

ruumi ventileerimine sissepuhutava värske õhu

eelsoojendamisel väljapuhutava soojenenud õhuga

annab energiasäästu

2

1



Aurukompressorkülmuti skeem

1 - jahutatav ruum

2 - soojusisolatsioon

3 - kompressor

4 - komprimeeritud kuum aur

5 – soojusvaheti

6 – jahutusõhk või –vesi

7 – vedel soojuskandja

8 – drosselventiil

9 – paisunud, jahtunud ja

osaliselt aurustunud vedelik

10- jahuti (aurusti)

11- aurustunud soojuskandja

soojuskandjana kasutatakse näiteks propaani, ammoniaaki jt

M 8

7

6 5

4

3

2

1

11 10

9



Õhksoojuspumba põhimõtteskeem soojuspump on seade soojuse ülekandmiseks külmemast

keskkonnast köetavasse ruumi 1 - köetav ruum 2 - välisõhk (nt +6 C) 3 – õhupuhur 4 – aurusti 5 – jahtunud välisõhk (nt +2 C) 6 – vedel soojuskandja (nt 0 C) 7 – aurustunud soojuskandja (nt 0 C) 8 – kompressor 9 – komprimeeritud kuum aur (nt +60 C) 10 – kondensaator 11- soojuskandja mahuti 12- vedel jahtunud soojuskandja (nt +40 C) 13- drosselventiil 14- keskkütte ringluspump 15- jahtunud vesi (nt +35 C) 16- kondensaatoris kuumenenud vesi (nt +50 C) 17- vesiküttekeha 18- köetavas ruumis ringlev õhk W1- kompressori tarbitav energia W2- köetavasse ruumi antav soojus pööratavad soojuspumpasid saab kasutada suvel ruumide jahutamiseks

(kliimaseade)

M 8

7

6

4

5

3

2

1

11

10

9 16

17

W1

18

15

14

13 12

W2




Tänan tähelepanu eest!

Küsimused?

Töö nr 3


sissejuhatus energiatehnikasse - ene.ttu.ee · induktor – generaatori osa, kus tekitatakse...

Documents