Elektriska Energisystem

(1)

Elektriska Energisystem

V ä r l d e n s s t ö r s t a s y s t e m !

2011-10-20 13.15-16.00 Magnus Hedlund,

Institutionen för teknikvetenskaper Avdelningen för Elektricitetslära http://www.el.angstrom.uu.se/

torsdag 6 oktober 11

(2)

Överföra energi med el

In: 1e17 W

Förbrukning: 1e13 W torsdag 6 oktober 11

(3)

Stånggång vs Elnät

Förluster stånggång 20% / 1 km

Elnät

3% / 1000 km

(4)

Omvandlingsförluster

Typical coal power plant

Two conversions 33% efficiency Three Gorges Dam: One conversion, 90% 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

Koppar PTFE

(teflon)

Koppar + Wolfram

Försilvrat koppar

Primärt kontaktsystem

Ljusbågskontakter

(14)

Brytförlopp

Brytare Frånskiljare

Induktiv last

(15)

Varför högspänning?

Varför växelström?

(16)

Varför högspänning?

Varför växelström?

(17)

Varför högspänning?

Varför växelström?

U **Överförd effekt P = U * I** R

Förlorad effekt **ΔP = R * I^2** I

(18)

Varför högspänning?

Varför växelström?

(19)

Varför högspänning?

Varför växelström?

U **Överförd effekt P = U * I** R

Förlorad effekt **ΔP = R * I^2** I

(20)

Varför högspänning?

Varför växelström?

2U, 1I 1U, 2I

Transformator

Maxwells tredje ekv.

U **Överförd effekt P = U * I** R

Förlorad effekt **ΔP = R * I^2** I

(21)

Varför högspänning?

Varför växelström?

2U, 1I 1U, 2I

Transformator

Maxwells tredje ekv.

AC generator U

**Överförd effekt P = U * I** R

Förlorad effekt **ΔP = R * I^2** I

(22)

Vilken frekvens?

(23)

Vilken frekvens? 2

(24)

3 Fas Växelström

(25)

Produktion == Konsumtion

(26)

Produktion == Konsumtion

(27)

Frekvensreglering

(28)

El

12 mån Tom Aug 2001:

Vattenkraft: 78.5 TWh Kärnkraft:

62.4 TWh

Öv Värmekraft: 8 TWh

Tot: 151 TWh

Förbrukat 148.5 TWh MW

Cykling - 100 W

- 10 timmar / dag - 1 kWh

(29)

El 2

Sammanhängande elnät

Elanvändning, Okt 2009 Kraftnätet i Norden

(30)

Effekt ≠ Energi

Hydro power – 2000 MW Karun-3 dam, Iran

Nuclear power – 1800 MW Dukovany, Czech Republic

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

Modellering

Experiment

Egenskaper

• Multidirektionell turbin

• Generator på marken

• Enkel konstruktion

• Ingen växellåda

12 kW VAWT, byggt och testat av Avdelningen för elektricitetslära Aerodynamisk modell

Generator modell

(37)

Marin strömkraft

Egenskaper

• Långsam energiomvandling

• Oceanströmmar, floder, tidvatten

• Golfströmmen

P/A=krv3 [kW/m2]

Marin strömkraft – försöks generator

(38)

Vågkraft

(39)

Vågkraft

20 kW linjärgenerator torsdag 6 oktober 11

(40)

Vågkraft

Montage och installation av vågkraftgeneratorer utanför Lysekil.

Gustavsson et al Sub to Ocean Engineering

(41)

Vågkraft

Utspänning Bojar

Flora och fauna torsdag 6 oktober 11

(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 http://www.efcf.com/reports/

(43)

Pumpkraftverk

Egenskaper

• Vatten pumpas från ett lägre vattenmagasin till ett högre

• Verkningsgrad < 0.8

• 370 MW, Bad Säckingen

(44)

CAES

McIntosh Unit 1

• Alabama, USA

• Togs i bruk 1991

• 110 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)

Vaccumm chamber Composite rotor

Magnetic bearings Electric

machine

Svänghjul - Schematisk bild

(47)

Svänghjul - Drivlina

Primary mover

FLYWHEEL Wheel motor

Power electronics

(48)

Svänghjul - För elnätet

Rim speed ≈ 2 * ljudhastigheten

(49)

Svänghjul - Farliga?

(50)

Svänghjul - Forskningsområden

Power Electronics

Elektriska Maskiner

Magnetiska Lager

Systemnivå Material

(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

AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC

f

₁

f

₂

(52)

Svänghjul - Forskningsområden

Material

Utveckla nya material som tillåter högre rotationshastigheter.

Material Ultimate Tensile Strength MPa

Stål 800

Kolfiber 5000 Diamant 2800 Kolnanorör 50000 Grafen 130000

Mer info? Googla: ”flywheel bolund et al”

(53)

Elektriska Energisystem