Kapitel 1 Formål: Du skal forklare de forskellige processer, der sker på et gasfyret kraftvarmeværk.

Transkript

1 1-1-kraftvarme Energiforsyningen i Danmark 1.1 Kraftvarmeværket Formål: Du skal forklare de forskellige processer, der sker på et gasfyret kraftvarmeværk Luft 1 Naturgas 7 Havvand Pumpe 6 Skriv en forklaring til, hvad der sker de enkelte steder på kraftvarmeværket. Se de enkelte numre på tegningen Nr. Hvad sker der naturens univers 9. klasse alinea 9

2 1 Naturgas Energiforsyningen i Danmark Luft 1.2 Forsøg med varmeveksler 7 Havvand 6 Formål: Du skal undersøge, Pumpe hvordan en varmeveksler fungerer Lav den viste opstilling. Bemærk: Pas på der arbejdes med kogende vand og skoldhed damp! Når opvarmningen afsluttes, afmonteres slangen fra kolben. Der vil ellers ske tilbagesugning pga. kraftigt undertryk i kolben. 8 Du skal bruge: Bunsenbrænder Trefod med keramisk trådnet Stativstang med A-fod Dobbeltmuffe Kolbeholder Konisk kolbe Bægerglas Prop med 1 hul Vinkelglasrør 2 gummislanger 2 termometre Varmeveksler (nr. 37., a/s Frederiksen) Sikkerhedsbriller 1-1-kraftvarmeværk.pdf 1. Fyld vand i varmeveksleren og mål temperaturen med termometer 1 og veksler.jpg 2. Tilslut gummislangen mellem glaskolben og varmeveksleren 3. Fyld vand i den koniske kolbe og opvarm dette, så det koger. Side 1 4. Varmen fra dampen vil nu opvarme vandet i beholderen med varmeveksleren.. Temperaturen måles hvert minut og noteres i skemaet. 6. Lav et kurvediagram over temperaturen i varmeveksleren. Tid min. 1 min. 2 min. 3 min. 4 min. min. 6 min. 7 min. 8 min. 9 min. min. Temp. 1 Temp. 2 Hvad viser forsøget naturens univers 9. klasse alinea

3 Energiforsyningen i Danmark 1.3 Forsøg med isolering Formål: Du skal undersøge, hvordan isolering holder på varmen. Du skal bruge: 3 vinflasker på,7 liter Plasttragt Termometer Flamingotransportkasse til vin Viskestykke eller andet stof De tre vinflasker fyldes med varmt vand på fx 7 grader. Sørg for, at vandet har samme temperatur i de tre flasker ved forsøgets start. Én af flaskerne pakkes ind i et viskestykke. En anden flaske sættes i flamingokassen. Den tredje flaske er uisoleret. Flaskerne stilles et koldt sted udenfor eller i køleskabet. Temperaturen måles hver halve time. 1-3-flasker.jpg Temperaturmålinger: Tid min. ½ min. 1 min. 1½ min. 2 min. 2½ min. stof flamingo uisoleret Hvad viser forsøget 1-4-SPOLER.psd naturens univers 9. klasse alinea 11

4 Energiforsyningen i Danmark 1.4 Induktion Formål: Når man laver induktionsforsøg, afhænger spændingen af flere faktorer. Du skal finde ud af hvordan. Galvanometret kan evt. erstattes af amperemeter (viserinstrument) på følsomt område. Du skal bruge: 2 stangmagneter Spole, 2 vindinger Spole, 2 vindinger Spole, 2 vindinger Galvanometer Ledninger 1-3-flasker.jpg 1) Vindingstallets betydning Magneten bevæges med samme hastighed ned i hver af de tre spoler. Udslaget noteres. 1-4-SPOLER.psd Vindingstal Udslag 2) Hastighedens betydning Magneten bevæges først langsomt derefter hurtigt ned i 16-vindingers spolen. Hastighed langsom hurtig Udslag 3) Magnetens styrke Der anvendes først én derefter 2 magneter som bevæges med jævn fart ned i 16-vindingers spolen. Med to magneter holdes de tæt sammen med nordpol samme vej. Magnetstyrke 1 magnet 2 magneter Udslag 1--opstilling-magnet.jpg Side 2 Konklusion: Hvordan kan man få størst mulige induktionsspænding naturens univers 9. klasse alinea 12

5 Energiforsyningen i Danmark 1. Vekselstrømsgeneratoren Formål: Du skal undersøge, hvordan man kan fremstille vekselstrøm, og hvilke faktorer, der påvirker vekselspændingens størrelse. Du skal bruge: 1-3-flasker.jpg Strømforsyning Rund magnet med drejeleje El-motor ( 12 V=) med remskive Gummibånd U-kerne Stativ til opspænding af motor og magnet Spole, 2 vindinger Spole, 4 vindinger Spole, 16 vindinger Ledninger 1-4-SPOLER.psd Datalog-udstyr eller voltmeter 1--opstilling-magnet.jpg Den lille el-motor skal trække den runde magnet foran spolen, hvorved der induceres en spænding i denne. I praktisk el-produktion trækkes magneten af en vindmølle, en dampturbine eller en vandturbine. Side 2 Beskriv, hvad der sker, når du starter motoren. Design dit eget forsøg! Ud fra forsøget med induktionsspændingen i arbejdsark 1.4 skal du vurdere hvilke faktorer, der kan ændres i forsøget. Lav en forsøgsrække og udfør en række målinger med forsøgsopstillingen. Konklusion: Hvad afhænger den inducerede vekselspænding af naturens univers 9. klasse alinea 13

6 Energiforsyningen i Danmark 1.6 Vekselspændingskurven Formål: Du skal træne de faglige begreber, man benytter til vekselstrøm. I forsøget med vekselstrømsgeneratoren har du set, at der fremkommer en kurve på skærmen, som er et grafisk billede af den inducerede spænding. Besvar spørgsmålene nedenfor ud fra denne tegning af vekselspændingskurven. Spænding (V) 1 A,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 Tid (S) Spænding (V) 1. Indtegn Spænding en (V) periode på kurven. 2. Hvad er den maksimale spænding, U max V 3. Beregn 1 den effektive spænding, U eff (NB: U eff =,7 U ) V max 1 4. B Find tiden T for én periode sek. A. C Beregn vekselspændingens frekvens f (NB: f = 1/T) Hz,1,1,2,2,3,3,4,4,,,6,6,7,7,8,8,9,9,,,11,11,12,12 Tid Tid (S) (S) Lav en tegning af en vekselspændingskurve som ovenfor, men hvor den maximale spænding er halvt så stor. Spænding (V) 1-6-diagram.ai B C 1 Spænding (V) 1,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 Tid (S) A,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 Tid (S) 1-6-diagram.ai Lav en tegning af en vekselspændingskurve som ovenfor, men hvor frekvensen er dobbelt så stor. 1-7-transformator-opstilling.jpg Spænding (V) B C 1,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 Tid (S) 1-7-transformator-opstilling.jpg 1-6-diagram.ai naturens univers 9. klasse alinea aogb-forsyning.jpg

7 B C 1 Energiforsyningen i Danmark,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 Tid (S) 1.7 Transformatorens spænding Formål: Du skal undersøge, hvordan transformatoren kan ændre vekselspændingen. Du skal bruge: Strømforsyning 1-6-diagram.ai U-kerne med anker 2 spoler, 2 vindinger 2 spoler, 4 vindinger 2 spoler, 16 vindinger Voltmeter Ledninger Spolen, hvor spændingen sendes ind, kaldes primærspolen (P). Spolen på den anden side af U-kernen kaldes sekundærspolen (S). Spændingen på primærsiden benævnes U p, spændingen på sekundærsiden benævnes U s I de følgende forsøg måles spændingen på sekundærsiden, U p, med voltmetret. Forsøg 1: Hvad kan transformeres jævnspænding eller vekselspænding P Up S Us 16 4 V= V~ transformator-opstilling.jpg Forsøg 2: Vindingstallets betydning P Up S Us 2 4 V~ V~ V~ V~ V~ V~ V~ V~ V~ aogb-forsyning.jpg Se på forholdet mellem spolernes vindingstal og forholdet mellem primær- og sekundærspænding. Beskriv denne sammenhæng. Side 3 naturens univers 9. klasse alinea 1

8 1 Energiforsyningen i Danmark Spænding (V) 1.8 Effekttab Spænding i (V) ledninger 1 Formål: Du skal forstå, hvorfor man er nødt til at anvende højspænding ved transport af el-energi. BA Ekektrisk effekt C Elektrisk effekt P beregnes som produktet af spænding U og strøm I. A 1,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 Tid (S),1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 P = U I Spænding (V) Ohms lov fortæller om sammenhængen mellem spænding U, strøm I og modstand R. Dermed kan effekt også beregnes efter formlen: P = R I I eller P = R I 2 1 B Energitab i el-forsyningsnettet,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 C Når der sendes strøm gennem en elektrisk ledning, dannes varme. Det kan du mærke på ledningen til fx en brødrister eller en el-kedel. Denne varme er egentlig et tab af energi.,1,2,3,4,,6,7,8,9,,11,12 U = R I På effektligningen ovenfor kan man se, at jo stærkere strømmen er, jo større bliver varmetabet. Hvis der dermed skal sendes en stor effekt ud til forbrugerne, vil det være fornuftigt at sætte spændingen op i stedet for. Dette forklares nu med et noget forenklet eksempel, hvor vi sætter modstanden i de lange forsyningsledninger til ohm i hver, i alt ohm. Tid (S) Tid (S) Tid (S) 1-6-diagram.ai 1-6-diagram.ai 1-7-transformator-opstilling.jpg Uden transformation: A Ω Lav beregningerne: ELværk Ω Forbruger Effekt fra kraftværket: 23 V A = W Effekttabet i ledningerne Ω ( A) 2 = W Forbrugeren får: W Energitab i procent: % Med transformation: 23V Ω ELværk Forbruger Lav beregningerne: Effekt fra kraftværket: 23 V A = W P S 1A Ω 23V 23V 23V 23V Effekttabet i ledningerne Ω (1 A) 2 = W 1-7-transformator-opstilling.jpg 1-8-aogb-forsyning.jpg Side aogb-forsyning.jpg Side 3 Forbrugeren får: W Energitab i procent: % Forklar ud fra disse udregninger, hvorfor man anvender højspænding ved transport af el-energi over større afstande. naturens univers 9. klasse alinea 16

9 Energiforsyningen i Danmark 1.9 Transformation side 1 Formål: Du skal besvare nogle opgaver, hvor du bruger din viden om transformation. 1) Hvad er sekundærspændingen V ~ 2 V ~ A ) Hvad er primærspændingen V ~ 2 V ~ 2 V ~ 4 V ~ 23 V ~ A A 4 V ~ 2 V ~ 23 V ~ 23 A V ~ ) Hvor mange vindinger er der på primærspolen V ~ 23 V ~ 7, V ~ 23 V ~,1 A 1,2 A ) Hvor mange vindinger er der på sekundærspolen 4 V ~ 23 V ~ 3 7, V ~ V V ~ ~ 7, V ~ 23 V ~ 1, 6 V A ~ V 23 V,1 A 1,2 A,1 A 1,2 A naturens univers 9. klasse alinea otte-opstillinge

10 2 V ~ 2 V ~ V ~ 4 V ~ 23 V ~ 4 V ~ Energiforsyningen i Danmark A 1.9 Transformation side ) Hvad er sekundærspændingen V ~ 23 V ~ 4 V ~ 23 V ~ Hvad er sekundærstrømmen 23 V ~ 7, V ~ 23 V ~ A,1 A 1,2 A A ) Beregn sekundærspændingen. 3 Beregn sekundæreffekten. Hvis vi ser bort fra transformatortabet, 4 V ~ 23 V ~ 7, V ~ V V ~ 7, 6 V 23 V ~ V ~ hvor V stor er primæreffekten 23 V Beregn primærstrømmen.,1 A 1,2 A,1 A 1,2 A 1-9-otte-opstillinger.p 7) Beregn primæreffekten. 3 Beregn sekundæreffekten. Hvorfor er der forskel 7, 6 V V ~ V ~ V 6 ~ 23 V V Beregn tabet i procent.,1 A 1,2 A 23 V Side 1-9-otte-opstillinger.pdf 1-9-otte-opstillinger.p 6 V ~ V 23 V Side 4 8) Indsæt de manglende tal i tegningen af transformatoren. Side 1-9-otte-opstillinger.pdf Side 4 naturens univers 9. klasse alinea 18

11 Energiforsyningen i Danmark 1. Transformation Formål: Du skal opfriske og træne din viden fra 8. klasse om energiformer og energiomsætning. Vi anvender elektrisk energi til en lang række formål i hverdagen. Brug skemaet herunder til at vise omsætningen af el-energi til andre energiformer. Giv eksempler på anvendelse af elektrisk energi. Energi-form Eksempel på anvendelse 1--lampe.jpg 1-11-hårtørrer.jpg El-energi Side naturens univers 9. klasse alinea 19

12 Energiforsyningen i Danmark 1.11 Elektrisk energi Formål: Du skal lære, hvordan man beregner elektrisk energi. 1--lampe.jpg I de følgende beregninger sættes prisen på en kilowatttime (kwh) til 1) Ida vasker sit hår tre gange om ugen. Hver gang tørrer hun håret med en el-hårtørrer i minutter. Hårtørreren har en effekt på watt. Hvad koster det i el-udgift om året at tørre Idas hår kr hårtørrer.jpg 2) Peter har på værelset 3 lamper mærket hhv. 1 w, 9 w og 7 w. Lamperne er i gennemsnit tændt 4 timer dagligt året rundt. Beregn den årlige udgift. 3) Jannie bager brød til en fest, familien skal holde. Ovnen er mærket 1 watt, og den er tændt i 3 timer. Hvad er el-prisen for brødbagningen Side 4) Oles familie har et sommerhus. En dag i det tidlige forår varmes huset op med el-radiatorer, hver på 12 watt. Det tager timer at varme huset ordentligt op. Hvad koster det i el ) Helenes TV bruger hun flittigt. Det er tændt i gennemsnit 3 timer dagligt. TV'et, det er mærket 14 watt. Hvad er den årlige udgift naturens univers 9. klasse alinea 2

13 Energiforsyningen i Danmark 1.12 El-pærer lys og energiforbrug Formål: Du skal undersøge sammenhængen mellem lys og energiforbrug for forskellige typer af pærer. Forsøget laves bedst i næsten mørkelagt lokale. Mål først lysstyrken i lokalet med lux-meteret og træk denne værdi fra de målte lysstyrker fra pærerne. Ved A-pærerne skal du vente med måling af lysstyrken, indtil den ikke stiger mere dette tager typisk 1 2 minutter. Du skal bruge: Lampefatning med 23 V-stik Stativfod Lux-meter Stativ til lux-meter Målebånd El-energimåler Forskellige typer el-pærer: Glødepærer Halogen-pærer A-pærer LED-pærer Måleresultater: Pæretype/navn Påstemplet effekt (watt) Målt effekt (watt) Lysstyrke (lux) Nytte (lux/watt) 1-12-LUX-MEASURE.jpg 1-13-ENERGIMEASURE.jpg Lav et søjlediagram over pærernes nytte, dvs., hvor meget lys (lux) de giver pr. watt. (Måles i lux/watt). Forklar, hvorfor der er stor forskel på de forskellige pæretyper. Hvad kan du bruge denne viden til Side 6 naturens univers 9. klasse alinea 21

14 Energiforsyningen i Danmark 1.13 Opvarmning af vand - nyttevirkning Formål: Du skal undersøge forskellige varmekilders nyttevirkning ved opvarmning af vand LUX-MEASURE.jpg Du skal bruge: El-energimåler Stop-ur Termometer Måleglas 6 ml Apparater som: El-kedel Kogeplade Dyppekoger Kaffemaskine Mikroovn Du skal afmåle ml. koldt vand (2 C) til hvert forsøg. Opvarm vandet til en bestemt temperatur ENERGIMEASURE.jpg Dette kan fx være 8 grader. Husk at omrøre vandet under opvarmningen, hvis det er muligt. Mål el-apparatets effekt (watt) og tiden for opvarmningen (s). Udregn den tilførte el-energi og vandets modtagne varme-energi. Beregn nyttevirkningen, dvs. hvor stor procentdel af el-energien bliver til varme-energi. Energi-beregninger: Energien måles i forsøget i Joule (J). El-apparatets el-energi: E el = P t (Effekten P måles i watt, tiden t måles i sek.) Vandets varmeenergi: E varme = m (T 2 T 1 ) 4,2 Resultater: Apparat (massen af vandet måles i gram, ml = g) (Start-temperaturen T 1 og slut-temperaturen T 2 måles i grader) (Vandets specifikke varmekapacitet er 4,2 J/g o C) Effekt (w) Tid (s) Tilført el-energi (J) Modtaget varmeenergi (J) Side 6 Nyttevirkning i procent Lav et søjlediagram af resultaterne og giv en forklaring på forsøgsresultaterne. naturens univers 9. klasse alinea 22

15 Energiforsyningen i Danmark 1.14 Mål dit el-forbrug Formål: Du skal undersøge forskellige apparaters effektforbrug og derudfra lave beregninger af energiforbrug. Du skal bruge: Mange forskellige el-apparater fra dagligdagen El-energimåler Lommeregner I denne opgave måles energiforbruget i kilowatttimer (kwh), da tallene ellers vil blive meget store, 1-14-ELAPPARATER.jpg hvis der måles i Joule (J). Omregningen mellem kwh og J er: 1 kwh = 3.6. J Elektrisk energi: E el = P t (P måles i watt (w), tid måles i timer (h)) Et apparats effekt kan måles med energimåleren (indstillet til effektmåling (w)), eller det aflæses på den afmærkning, der sidder på alle el-apparater. For at udregne energiforbruget på et apparat skal du vurdere, hvor mange timer, det bruges om ugen. Pris for el-forbruget: 1 kwh koster kr. (incl. afgifter og moms). Tallet oplyses af din lærer. Resultater: Apparat Effekt (w) Anvendt tid pr. uge (h) Energiforbrug (kwh) E el = P t/ Pris 1-1-elever energipatruljen.jpg Side 7 Hvad viser beregningerne Hvilke apparater har det største energi-forbrug Hvilke faktorer medvirker til dette store forbrug naturens univers 9. klasse alinea 23

16 Energiforsyningen i Danmark 1.1 Energispareråd på skolen Formål: Du skal sammen med dine klassekammerater lave forslag til, hvordan skolens energiforbrug kan sænkes ELAPPARATER.jpg 1-1-elever energipatruljen.jpg Undersøg undervisnings- og fælleslokaler på skolen med fokus på energiforbruget, og giv nogle realistiske forslag til, hvordan energiforbruget kan gøres mindre. Tænk på områder som Belysning Varme Ventilation Køleskabe Side 7 Lav en planche eller en PowerPoint med jeres undersøgelser og forslag, og præsentér dem for skolelederen og andre elever, fx nogle yngre klasser. naturens univers 9. klasse alinea 24

17 Energiforsyningen i Danmark 1.16 Ensretning Formål: Du skal undersøge, hvordan vekselstrøm kan Kapitel ensrettes 1 til jævnstrøm. Lav denne opstilling. 6 V = 6 V = 6 V = 6 V ~ 6 V ~ 6 V ~ Du skal bruge: Strømforsyning El-pære, 6 V,A El-motor, 12 V Ensretterdiode Ledninger Datalog-udstyr 6 V = eller oscilloskop V Indstil strømkilden til 6 V=. Indsæt først el-pæren, derefter motoren. Indstil strømkilden til 6 V~. Indsæt først el-pæren, derefter motoren. Hvordan lyser pæren med jævn-/vekselstrøm Hvordan kører motoren med jævn-/vekselstrøm Indstil strømkilden til 6 V~. Indsæt en ensretterdiode i kredsløbet. Indsæt nu el-pæren, derefter motoren. Hvordan lyser pæren Hvordan kører motoren V 1) jævnstrøm 2) Vekselstrøm t V Du har nu ensrettet vekselstrømmen med ensretterdioden. Brug spændingssensoren til dataloggeren og mål spændingen over pæren uden og med ensretterdiode. Tegn billederne af de to spændingskurver. t V t 1-16-diagrammer.pdf V t 1-16-diagrammer.pdf t V V Naturens univers 9 OPGAVER version Naturens 2 19 univers august OPGAVER version 2 19 august 213 Illustrationer: / Hans Illustrationer: Møller / Hans Møller t V Side 8 Illustrationer: Side / 8 Hans Møller t Vekselspændingen er ikke blevet til en jævnspænding som en ret linje diagrammer.pdf Hvorfor er det nødvendigt at kunne ensrette vekselstrømmen Nævn nogle el-apparater, der kun fungerer med jævnstrøm. Din lærer kan evt. vise dig, hvordan man med fire ensretterdioder og en kondensator kan lave en næsten jævn og glat spændingskurve. Naturens univers 9 OPGAVER version 2 19 august 213 naturens univers 9. klasse alinea Side 82

18 Energiforsyningen i Danmark 1.17 Tip 1 Spørgsmål 1 x 2 I kraftværkets kedel omdannes kemisk energi fra kul eller gas til Elektrisk energi Varme-energi Kinetisk energi 2 I kraftværkets turbine omdannes dampens energi til Elektrisk energi Varme-energi Kinetisk energi 3 I kraftværkets generator omdannes turbinens bevægelse til Elektrisk energi Varme-energi Kinetisk energi 4 El-energien sendes ud fra elværket med højspænding for at Komme hurtigt af sted Varme ledningerne op Gøre energitabet lille Den største nyttevirkning fra kraftværket fås ved Ren elproduktion Kombineret el- og varmeproduktion Ren varmeproduktion 6 Induktion betyder at Skabe strøm med magnetisme Skabe magnetisme med strøm Sætte spændingen op. 7 Denne fysiker opdagede induktionen i 1831 H.C. Ørsted Allesandro Volta Michael Faraday 8 En transformator kan ændre Kredsløbets modstand Spændingen Effekten 9 Elektrisk effekt P måles i Ampere Volt Watt Elektrisk energi E beregnes sådan U = R I E = P t E = U I naturens univers 9. klasse alinea 26