Samenvatting over vermogen en energie

Samenvatting Ho 3 en 2 Energie 3 KGL
Energie uit brandstoffen
Brandstoffen gebruiken
De fossiele brandstoffen zijn aardolie, aardgas en steenkool. En dat is het grootste aandeel in
energievoorziening.
De drie belangrijke toepassingen zijn:
1. Verwarming van gebouwen (winkel, huizen en kantoren worden verwarmt door cvketels waarin aardgas wordt verbrand)
2. Wegvoer en vliegverkeer brandstoffen leveren energie voor het vervoer(auto’s en
vrachtwagens)
3. Opwekking van elektriciteit (brandstoffen worden gebruikt om elektriciteit op te
wekken (de meeste werken op aardgas)
Elektriciteit uit brandstof
Chemische energie word omgezet in warmte en warmte zet je om in elektrische energie. En
zo gaat dat:
1. In grote branders wordt aardgas verbrand. Met de warmte wordt water verhit. Er
ontstaat stoom met een hoge temperatuur.
2. De hete stoom spuit met grote snelheid tegen de schoepen van een stoomturbine. De
schoepen gaan daardoor ronddraaien. Aan de turbine is een generator gekoppeld.
3. Als de as van de turbine draait. Draait de as van de generator mee.
4. Aan in de generator word dan elektrische energie opgewekt, op dezelfde manier als in
een dynamo.
5. In de condensor word de gebruikte stoom afgekoeld, zodat de stoom condenseert tot
water. Het water word daarna opnieuw gebruikt.
6. De elektrische energie word via het elektriciteitsnet geleverd aan woningen en
berdrijven.
Afvalwarmte
Het is niet mogelijk om alle chemische energie in aardgas om te zetten in elektrische energie.
Wat over blijft noem je afval warmte.
Ze mogen het afval water niet lozen in een rivier die te warm is. Ze moeten het dan eerst laten
afkoelen in een koeltoren.
De eenheid van energie van energie
Energie word meestal gemeten in joule (J). je kunt alle soorten energie meten in joule.
Nu is 1 joule maar een heel klein beetje energie. Om water voor een kop thee aan de kook te
brengen, heb je bv. Meer dan 30 000 joele warmte nodig. In alledaagse situaties werk je
daarom meestal met kilojoules of megajoules:
-1 kilojoule = 1000 J
-1 megajoule = 1MJ = 1 000 000 J
Energie uit brandstoffen.
Aardolie, aardgas en steenkool worden fossiele brandstoffen genoemd. In Nederland zijn
fossiele brandstoffen de belangrijkste bron van energie. Andere energiebronnen , zoals
windenergie en kernenergie hebben een veel kleiner aandeel in de energie voorziening.
Brandstoffen worden voor verschillende doeleinden gebruikt zoals :



Verwarming van gebouwen ( huizen , winkels en kantoren worden verwarmt door cvketels waarin aardgas word verbrandt , zodat het s ’winters warm is .)
Wegvervoer en vliegverkeer ( auto’s en vrachtwagen worden aangedreven door
verbrandingsmotoren die werken op benzine of diesel olie. )
Opwekking van elektriciteit ( de meeste Nederlandse elektriciteitscentrale werken op
aardgas . Er zijn ook centrale die steenkool gebruiken.)
Bij verbranden van een brandstof word chemische energie omgezet in warmte. Die warmte
kun je weer omzetten in elektriciteit. Het is niet mogelijk om alle chemische energie. In een
elektriciteit. centralen in aardgas om te zetten in elektrische energie. Er blijft altijd veel
warmte over deze warmte noem je afvalwarmte. De avalwarmte moet worden afgekoeld uit
de centrale. Als het tempratuur genoeg gedaald is dan mag het worden geloosd.
Energie word meestal gemeten in joule (J). dit is een officiële eenheid van energie. Met joule
kun je alle soorten energie rekenen.
Windenergie
Bewegings energie
Dingen die bewegen hebben bewegings energie. Hoe sneller ze bewegen hoe meer bewegings
energie er is. Een voorbeeld is een boxer slaat een andere boxer heel hard of je slaat hard een
spijker. De massa speelt ook een hele grote rol in de richting en snelheid van de bewegings
energie bijv. een zware hamer heeft meer massa dan een kleinere hamer, met de zware hamer
kun je dus veel meer bewegings energie uitoefenen. Wind beweegt dus dat heeft ook een
bewegings energie, denk maar aan een windmolen die maken gebruik van de
bewegingsenergie van de wind, die kunnen dus door de bewegingsenergie elektriciteit
opwekken.
Elektriciteit uit wind
Windenergie is een van de meest effectieve manier van Nederland om energie op te wekken.
De wind vanuit de lucht blaast heel hard tegen de windmolen, daardoor gaat het rotorblad
wind opvangen. Daardoor komt het neus deksel in beweging. Doordat de windmolen draait
komt er bewegings energie in de tandwielkast. De energie gaat vanuit de tandwielkast naar de
generator, hier word de energie in opgeslagen. De transformator begeleid de energie door de
dikke kabel door de mast naar de energie fabriek. De mast moet erg dik zijn want er moet
ook een trap in zitten voor de monteur, als bijvoorbeeld de tandwiel kast kapot gaat. Dan moet
de monteur via de tandwielkast het repareren. De opgewekte spanning en frequentie variëren
sterk door verschil in rotatie daarom wordt de opgewekte wisselspanning omgezet in een
gelijkspanning. Van deze gelijkspanning wordt door een elektronische omvormer een stabiele
400 Volt wisselspanning gemaakt wordt met een stabiele frequentie van 50 hz. Deze 400 V
wordt getransporteerd naar een transformator welke opgesteld staat beneden in de voet van de
windmolen. De transformator zet de 400 V wisselspanning om naar 10 kV wisselspanning.Er
staan heel veel wind molens in Nederland, ze staan meestal op zee of op de dijk omdat daar
het meeste wind staat en dat dan kunnen opvangen. Zonder wind wordt er geen energie
opgewekt want dan is er geen bewegings energie, als er wel veel wind staat willen ze veel
wind turbulentie krijgen omdat ze maximale windvermogen willen hebben.
Het vermogen van een windturbine
Een belangrijke eigenschap van een windturbine is het maximaal elektrisch vermogen. Dit is
het grootste vermogen dat een windturbine kan leveren als er genoeg wind is. De eenheid van
het vermogen is de watt (W). per definitie geldt dat 1 watt gelijk is aan 1 joule per seconde.
Een wind turbine van 3 MW (3 miljoen watt) levert dus onder gunstige omstandigheden 3
miljoen joule (3 MJ) elektrische energie per seconde. Het regel mechanismen zorgt er voor
dat de turbine niet op hol slaat.
Energie bronnen vergelijken
Elke manier om elektrische energie op te wekken heeft voor en nadelen. Als je energie
bronnen met elkaar vergelijkt, let je op de volgende vier punten.
1. Hoeveel kost de opgewekte elektrisch energie ?;
Elektriciteit uit wind is op dit moment duurder dan elektriciteit uit fossiele
brandstoffen. Het kan veranderen als de olie en gas prijzen stijgen
2. Kan de energie bron op den duur uitgeput raken?;
Voorraden fossiele brandstof kunnen opgaan met wind energie is het anders.
De wind waait elke dag opnieuw de ene keer harder dan de andere keer
3. Is de energie bron altijd of alleen af en toe beschikbaar ?;
Een centrale die op aardgas loopt kan dag en nacht door gaan. Een wind turbine kan
geen elektrische energie produceren als het niet waait.
4. Wat zijn de gevolgen voor het milieu?
De afval stoffen zijn schadelijk voor het milieu.
Geluidoverlast van windturbines:
Een draaiende windturbine produceert geluid dat voor mensen en dieren hinderlijk kan
zijn. Hoe meer wind er is des te meer bewegings energie er is en daardoor gaat de
windmolen harder draaien en produceert hij meer energie en geeft hij ook meer geluid
overlast. De windmolen maakt dan te veel geluidsoverlast dan gaan veel mensen zich
veel irriteren en daarom staan de windmolens ook op minimaal 250 meter afstand van
de bewoonde gebieden af.
Zonne-Energie.
De energie in zonlicht
Het licht van de zon is onmisbaar voor het leven op aarde. Zonlicht verwarmt het
aardeoppervlak en zorgt zo voor een leefbare temperatuur. Zonlicht levert ook de energie die
je lichaam nodig heeft via voedsel dat je eet. De energie in zonlicht word stralingsenergie
genoemd. Als zonlicht op het aardeoppervlak valt, wordt het licht gedeeltelijk geabsorbeerd.
De stralingsenergie wordt daarbij omgezet in warmt. Op die manier word het aardoppervlak
en de atmosfeer daarboven verwarmd. Planten gebruiken zonlicht om glucose te maken van
koolstofdioxide en water. De stralingsenergie in het zonlicht word daarbij omgezet in
chemische energie van glucose. Dit heet fotosynthese. Planten kunnen zo grote hoeveelheden
energie vastleggen. Het voedsel dat je bord ligt, geeft de energie aan jou door.
Fotosynthese ;
Planten nemen het water op uit de bodem met hun wortels. De koolstofdioxide en de zuurstof
worden via huidmondjes in het blad met de lucht uitgewisseld. Deze verbindingen dienen als
voedsel voor mens en dier of als brandstof voor de mens. Planten vangen de voor
fotosynthese benodigde lichtenergie op met chlorofyl. Deze stof zit in de plant in zogenoemde
chloroplasten. Chlorofyl geeft bladeren hun groene kleur. De meeste energie word opgewekt
in het blad.
Zonnecollectoren
Zonne-energie wordt ook gebruikt in de techniek , om bijvoorbeeld water warm te maken. In
de afbeelding onderaan de pagina kun je zien hoe dit werkt.
1. Op het dak van een huis is een zonnecollector aangebracht ; een zonnecollector is een
zwarte metalen plaat met daaronder de buizen waar het water doorheen stroomt.
2. De zwarte plaat neemt het zonlicht in zich op. Ook wordt er stralingsenergie omgezet
in warmte. De warmte wordt doorgegeven aan de water in de buizen.
3. Boven de zwarte plaat is dubbel glas aangebracht. De onderkant van de zwarte plaat
heeft een extra laag isolatiemateriaal. Zo lekt er zo weinig mogelijk warmte weg. En
verspil je dus ook niks.
4. Het opgewarmde water word daarna door een warmtewisselaar gepompt , de
warmtewisselaar is een spiraal vormige buis die door een vat met leidingwater loop.
5. Als er in de keuken of de badkamer warm water nodig is , word dat uit het opslagvat
gehaald. Een kleine verwarmingsketel zorgt voor wat extra verwarming als het
leidingwater nog niet heet genoeg is.
Zonnepanelen
Zonlicht wordt ook gebruikt om elektriciteit op te wekken. Dat gebeurt met
zonnecellen. Een zonnecel zet de stralingsenergie in het zonlicht direct om in
elektrische energie. Op een zonnepaneel zitten een aantal zonnecellen gemonteerd.
Een doorsnee zonnepaneel van 1m² heeft een maximaal elektrisch vermogen van 125
W . Het paneel levert dan per seconde 125 J elektrische energie . Dit vermogen wordt
alleen gehaald als de omstandigheden daarvan optimaal zijn. Het paneel is dan precies
goed opgesteld , het is midden op de dag , midden in de zomer en de zon schijnt dat
het felst. Meestal zij de omstandigheden hiervan niet zo goed en is het elektrische
vermogen lager dan 125 W . zonnepanelen worden voor allerlei doeleinden toegepast.
Je ziet ze vaak op plaatsten waar net niet goed mogelijk is. Er zijn ook veel mensen en
veel bedrijven die zonnepanelen plaatsen , omdat ze wel rekening willen houden met
het milieu.
Het rendement van zonnecellen.
Zonnecellen zijn niet erg efficiënte , een doorsnee zonnecel zet minder dan 10 procent
van de opvallende stralingsenergie om in elektrische energie. In de natuurkunde en de
techniek zeg je dan : het rendement van gewone zonnecellen ligt onder de 10 procent
. Er word daarom veel onderzoek gedaan om het rendement van zonnecellen te
verbeteren.
Je kunt een rendement berekenen met een formule.
Waterkracht
Veel landen hebben energie die uit water gehaald word. Nederland is een land met veel meren
dus een water land. Toch kan je het water niet als energiebron gebruiken. Hoe komt dat?
Elektriciteit uit een stuwmeer:
In bergachtige gebieden worden vaak stuwdammen aangelegd. In een dal met een rivier
doorheen loopt, wordt een hoge dam gebouwd. Als de stuwdam af is, houd hij het water van
de rivier tegen. Het dal achter de dam loopt dan langzaam vol. Na verloop van tijd ontstaat en
diep stuwmeer.
Meestal wordt er in de stuwdam een waterkrachtcentrale ingebouwd. Als het water in het
meer hoog genoeg staat, komt de centrale in bedrijf. Er worden kleppen opgezet, zodat er
water uit het meer kan stromen. Zo wordt het waterpeil in het meer constant gehouden. Het
wegstromende water wordt gebruikt om in de centrale elektriciteit op te wekken.
Via pijpleidingen stroomt het water van de stuwmeer omlaag naar de centrale. Het stromende
water brengt de schoepen van een waterturbine in beweging. De waterturbine drijft de
generator aan waarmee elektrische energie word opgewekt. De elektrische energie wordt via
het elektriciteitsnet geleverd aan woningen en bedrijven.
Zwaarte-energie:
Een waterkrachtcentrale zet de zwaarte-energie van water in het stuwmeer om in elektrische
energie. Je kunt de hoeveel zwaarte-energie die de centrale opneemt.
De letter m staat voor de massa van het water dat wegstroomt via de centrale. Hoe meer water
de centrale passeert, des te groter is de massa en dus ook de hoeveelheid opgenomen zwaarteenergie.de letter h staat voor het hoogteverschil tussen het wateroppervlak in het meer en de
onderkant van de stuwdam. Hoe groter dit hoogteverschil is, des te groter is de hoeveelheid
opgenomen zwaarte-energie. De letter g geeft aan hoe sterk de zwaartekracht is. Op aarde
heeft g een constante waarde: 10 N/kg. Op een voorwerp van 1 kg werkt een zwaartekracht
van 10 N, waar je je ook op aarde bevindt.
Voorbeeld:
Op het waterrad valt per minuut 1500 kg water. Het hoogteverschil tussen het water voor en
na het rad is 3,8 m.
A Bereken hoeveel zwaarte-energie er in 1 minuut wordt opgenomen.
B Berken het opgenomen vermogen van het waterrad
Het rendement bepalen
Je kunt het rendement van een energie-omzetting bepalen door proeven te doen. Je moet dan
wel weten hoe je E tot ( de totaal opgenomen energie ) en E nut ( de nuttig gebruikte energie)
kunt berekenen: om welke soorten energie gaat het en formule hoort bij elk soort energie .
Op een tafel is een model van een waterkrachtcentrale gebouwd. Tijdens de proef wordt
zwaarte – energie (van het water in het emmertje ) opgenomen en omgezet in elektrische
energie .
Je kent de formules voor zwaarte energie (E2 = m.g.h) en elektrische energie ( E el = U.I.t).
Je kunt zo nagaan welke grootheden je moet meten , namelijk :
-
De massa M en de hoogte H voor de zwaarte – energie Ez.
De spanning U , de stroomsterkte I en de tijd t voor de elektrische energie E el
Met deze gegevens kun je het rendement van de energie-omzetting berekenen .
Voorbeeld
De emmer zakt in 9,0 naar beneden. De stoommeter geeft tijdens het dalen van de emmer 0,4
A aan en de spanningsmeter 4,2 V .
Samenvatting over vermogen en energie
Op elk elektrisch apparaat staat aangegeven hoeveel elektrische energie het per seconde
verbruikt. Dit wordt het vermogen van het apparaat genoemd.
-
Apparaten met een klein vermogen verbruiken per seconde weinig elektrische energie.
- Apparaten met een groot vermogen verbruiken per seconde veel elektrische energie.
Het vermogen van een apparaat berekenen
Het vermogen van een apparaat hangt af van :
1. De spanning waarop het apparaat werkt.
2. De stroom sterkte die door het apparaat loopt.
Je kunt het vermogen berekenen met de formule:
Vermogen = spanning x stroomsterkte
Of in letters:
P=U*I
Als je de spanning invult in volt en de stroom in ampère. Vind je het vermogen in watt (W)
Elektrische energie meten:
Hoeveel elektrische energie je thuis verbruikt, wordt gemeten in kilowattuur (kWh)
Energieverbruik = vermogen x tijd
Of in letter:
E=P*t
Als je de prijs van 1 kWh kent, kun je berekenen hoeveel je voor je de verbruikte elektrische
energie moet betalen.
Als er verschillende apparaten gedurende de zelfde tijd aanstaan, mag je de vermogens van de
apparaten bij elkaar optellen. Daarna kun je in één keer berekenen hoeveel elektrische
energie ze samen hebben verbruikt.
Voorbeeld:
Op een avond brandde van 19:00 uur tot 22:00 uur vier lampen van 100 Watt.
Bovendien staat er een tv van 250 Watt aan. De verbruikte elektrische energie die je moet
betalen is:
P = 400 Watt + 250 W = 650 W = 0.65 KW
T=3H
E = P* T = 0,65 x 3 = 1.95 KWh
1.95 x 0,20 cent = 0,39 cent.
De power Monitor
Veel apparaten hebben een vermogen dat kan veranderen. Denk bijvoorbeeld aan een
wasmachine. Tijdens het wassen worden de waterpomp, de verwarmingselementen en de
elektromotor om de beurt aan- en uitgezet. Het vermogen van de wasmachine verandert
daardoor steeds: de ene keer wordt het groter, de andere keer kleiner.
Op het typeplaatje van een wasmachine staat alleen het maximale vermogen vermeld (het
grootste vermogen dat kan voorkomen). Als he het grootste vermogen, is de uitkomst veel te
hoog. Gelukkig is er een handige energiemeter in de handel die het energieverbruik
automatisch berekent. Deze power monitor steek je in een stopcontact. Daarna sluit je de
wasmachine erop aan. Op het display verschijnen dan de spanning, de stroomsterkte, het
vermogen, het totale elektrische energieverbruik, de kosten en de tijd waarover deze gegevens
berekend zijn.
Fossielen brandstoffen zijn brandstoffen uit fossielenresten.
3 fossielen brandstoffen zijn: aardolie, gas en turf.
Om elektrisch energie te berekenen in Joule, zet je het vermogen in de eenheid Watt en de tijd
in de eenheid snelheid.
Om elektrische energie te berekenen in KWh zet je het vermogen in de eenheid Watt of KWh.
En de tijd in hour (uur).
2 manieren om energie te besparen zijn:
Spaarlampen, lagere temperatuur wassen, standby uitschakelen, oplaadadapters uit muren.
Voor chemische hoog rendement ketel, isolatie (dubbelglas, isover, rockwool).
4 energie omzettingen:
Chemische energie - Elektrische energie batterij
Chemische energie - Warmte gasbarander
Elektrische energie - warmte koffiezetapparaat
Elektrische energie - warmte en licht lamp.
Elektriciteit en veiligheid
Gevaren van elektriciteit
Kortsluiting en overbelasting kunnen tot gevaarlijke situatie leiden. Als draden te veel stroom
moeten verwerken, worden ze erg heet.
Als je iets aanraakt waar spanning opstaat , krijg je een schok. Er loopt dan stroom door je
lichaam waardoor je spieren samen trekken. Je lichaam zelf geleidt de stroom vrij goed: je
lichaamsweerstand is niet zo groot. De stroom ondervindt de meeste weerstand op de plaatsen
waar hij het lichaam in en uitgaat. Dit noem je contactweerstand. Als je huid droog is, is de
contactweerstand behoorlijk groot maar als de huid vochtig is, is de contactweerstand veel
kleiner. In de vochtige ruimtes moet je dus extra voorzichtig zijn met elektriciteit.
Enkele en dubbele isolatie
Draden waar stroom door heen loopt, worden goed geïsoleerd. Dat voorkomt dat je een schok
krijgt als je een van de draden aanraakt. De isolatie is ook nodig om isolatie te voorkomen. Bij
sommige apparaten worden er ook dubbele isolatie laag aangebracht, die dubbele isolatie
geeft extra veiligheid. Elektrische apparaten moeten stevig in elkaar zitten en goed geïsoleerd
zijn. Dit word gekeurd door de KEMA. (de NV tot keuring van elektrotechnische matriale).
Zekering
Elektriciteitsleidingen zijn in huis beveiligd met een zekering.
Elke groep heeft een eigen zekering. Als de stroom te groot is schakelt de zekering de stroom
uit! Zo is de kans kleiner dat er brand ontstaat.
Een Elektronische zekering heeft een hefboom dat ‘omklapt’ als de stroom word
uitgeschakeld. Zo kan je gelijk zien waar er een stoomstoring is.
Een Smeltveiligheid is een oude soort zekering. ( komt voor in oude huizen) Als de draad
door brand moet je hem vervangen! Als de stroom hoger word dan 10 Ampère.
De Aardlekschakerlaar
In de aardlekschakerlaar wordt de stoom in de fasedraad vergeleken met de stroom in de
nuldraad! Als beide stroomsterktes even groot zijn, laat de aardlekschakelaar de stroom door.
Stel het verschil is groter dan 30 mA schakelt de aardlekschakelaar de spanning uit
Randaarde
Meestal hebben apparaten een metalen buitenkant. Als de isolatie van een snoer kapot is
gegaan , maakt het koperdraad contact met het metaal. Als je dan het apparaat aanraakt kun je
een stevige schok krijgen. Als je dit soort ongelukken wilt voorkomen , moet zo een apparaat
geaard worden. Dat gebeurt met een aarddraad die aangesloten zit aaneen metaal omhulsel.
De aarddraad is een groene/gele isolatie. De aarddraad loopt via het snoer aan de rand van het
stopcontact(Daarom is de naam ook randaarde). Door de rand van het stopcontact loopt de
aarddraad verder naar de meterkast, waar de aardrail. Er zit een metalen pin die diep in de
grond is geslagen, de aardrail is daarmee verbonden. Als de metalen pin onder spanning staat ,
loopt er via de aarddraden een lekstroom naar de aarde. De aardlekschakelaar of de
groepszekering schakelt meestal de spanning uit.
Aarding van een elektra installatie is de verbinding van de aansluiting van installaties en
apparaten met de aarde (grond) zodat stroom in de aarde kan wegvloeien die anders op de
installatie kan komen te staan. Hierdoor voorkom je gevaarlijke spanning op je huisinstallatie
en de apparaten die je hierop aan wil sluiten.
Aarding loopt via een draad (tegenwoordig groen/gele) in elektrische apparaten. In
stopcontacten is een zogeheten randaarde aanwezig die verbinding maakt met de geaarde
stekkers van de apparaten. In nieuwe woningen worden vanaf 1997 alleen maar geaarde
stopcontacten toegepast. In oudere woningen kan het zijn dat bijvoorbeeld alleen de badkamer
en de keuken geaarde stopcontacten hebben.