Hoorcollege bij het SBI energie-innnovatieproject Inleiding

Hoorcollege bij het SBI energie-innnovatieproject
Inleiding Opslag
Een selectie van methoden energieopslag in het boek van Andrews en Jelley worden behandeld.
Mechanische energie
Vliegwiel
rot
De kinetische energie Ukin
, die in een vliegwiel is opgeslagen, is evenredig met het traagheidsmoment I = kM R en het kwadraat van de hoekfrequentie ω = 2πf ,
1
rot
(1)
Ukin
= Iω 2 = 2π 2 kM R2 f 2 ,
2
waarbij k = 1 als de massa M verdeeld is over een dunne ring met straal R, en k = 1/2
als de massa uniform verdeeld is over een schijf met straal R.
Waterkracht
Potentiële energie Upot van een volume water V op een hoogteverschil h komt bij verval
per tijdseenheid vrij als vermogen,
dUpot
dV
(2)
P =−
= −ghρ
= ρghQ,
dt
dt
waarbij g de versnelling van de zwaartekacht, ρ de dichtheid van water en Q de massastroomsnelheid zijn.
Samengeperste lucht
Z
(3)
V
Upot = −
Z
V
p dV = −
V0
V0
V0
nRT
dV = pV ln
V
V
Elektrische en magnetische energie
Condensator
Een condensator met capaciteit C en een lading Q = CV bevat elektrische energie,
Z Q
1 Q2
1
el
Upot =
V dq =
(4)
= CV 2 ,
2C
2
q=0
1
waarbij V de elektrische spanning over de condensator is. De energiedichtheid van het
veld is
(5)
1 2
uel
pot = E ,
2
met de diëlektriciteitsconstante en elektrische veldstekte E. Een hoge capaciteit C =
A/d wordt verkregen in een elektrolitische condensator (ELCO) door een groot oppervlak
A van een dunne condensator op te rollen. De effectieve afstand d is door de elektroliet
veel kleiner dan de afstand tussen de geleidende lagen. Met een elektrische dubbellaag
condensator (EDLC) wordt de effective afstand nog kleiner, in de grootteorde van nanometers.
Oplaadbare batterij
Brandstofcel
Supergeleidende magneet
Chemische energie
Chemische energie is de totale energie-inhoud van een stof. Deze energie is opgeslagen
in de bindingen tussen de atomen en de elektronen in de atomen van een molecuul. De
potentiële energie van de elektronen in het elektrisch veld in het atoom wordt bepaald
door de afstand van de elektronen tot de kern. Hoe groter deze afstand hoe groter de
opgeslagen energie. Een voorbeeld is een batterij; hierin reageren verschillende chemische
bindingen (waarin chemische energie is opgeslagen) zodat er elektronen vrijkomen. De
energie van die elektronen komt voor een deel beschikbaar als elektrische energie. De
chemische energie van een hoeveelheid materiaal, gegeven door de massa m, is
(6)
ch
Upot
= rv m,
waarbij rv de verbrandingswarmte van dat materiaal is.
Tjeerd Ketel, 31 juni 2011
2