ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot. 11. luento: Sovelluksia: sähkövoima

Transkriptio

1 ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 11. luento: Sovelluksia: sähkövoima

2 HS

3 luento päivämäärä aihe Johdanto. Sähkön ja magnetismin varhaishistoria Lasi- ja lakkasähkö Staattisen sähkön aikakausi Sähkökemian synty, sähköparisto Sähkön magneettivaikutus Sähköinen virtapiiri Magneetin sähkövaikutus Sähkömagneettiset kentät ja aallot Sovelluksia: tietoliikenne Sovelluksia: sähkövalo Sovelluksia: sähkövoima Sovelluksia: langaton tiedonsiirto

4 Vielä valosta Kirkasvalolamppu Haetaan luksin valaistusta Kaamosmasennushoito Auringonpaiste luksia

5 Vielä valosta Voimavalolyhty Öljylamppu: valopetroli kaasuuntuu, palaa hehkusukassa (yttrium, torium) Petromax Kirkas valo (vastaa W:n hehkulamppua) petroguru Allan Haarakangas

6 sitten vasta alkaa 11. luento: Sovellutuksia: sähkövoima

7 Mekaaninen ihmistyö, eläintyö vivut, väkipyörät, ruuvit, hammasratasvälitykset, ketjuvedot talja

8 Noria kauhaelevaattori veden nosto akveduktiin; kolme mekanismia: aasit, muulit, härät tuuli vesivoima nostokorkeusraja < norian korkeus Hama-noria Syyriassa toiminnassa

9

10 Vesiratas, vesimylly Kiinassa (Han-dynastia 202 ekr. 220 jkr.) Intiassa (300-luku ekr. (?), cakkavattaka) Rooman valtakunnassa tunnettu Barbegal (Etelä-Ranska) toisella vuosisadalla jkr. 28 tonnia jauhoja/ päivä viljan jauhaminen, pienteollisuus alamylly (hyötysuhde noin 20 %) ylämylly (hyötysuhde jopa 66 %)

11

12 Lusikkamylly turbiini / turpiini Benoit Fourneyron 1826 James B. Francis 1849 Lester Pelton 1879 Viktor Kaplan 1913 matala putous/ kosket keskisuuret putoukset pieni virtaama, suuret putoukset

13 huovutus parkitseminen takominen (Wikipedia)

14 Tuulimyllyt (voimaa myös talvella) Eurooppaan keskiajalla - purjemylly - mökkimylly (harakkamylly) - hollanninmylly

15 Halladay-mylly (tuulipyörä) Daniel Halladay 1854

16 Tuulisähkövoima Charles Brush ( ) ensimmäinen tuulisähkölaitos 12 kw, latasi akkuja (Cleveland 1888) Poul la Cour ( ) Askovin tuulivoimalaitos 1897, toimi 30 vuotta

17 ennuste (vuodelta 2008) menee hiukan yli (vuoden 2016 lopussa 487,7 GW)

18 asennettu kapasiteetti = eri asia kuin tuotettu teho 198 GW täyttä vauhtia antaisi 8766 tunnin aikana 1736 TWh 430/ 1736 = 24,8 % v aikana maailmassa tuulivoimasähköä 430 TWh (noin 2,5% sähkön kulutuksesta)

19

20 3068/ (1,533* 8766) = 22,8 % Vuosi 2015: Suomessa 1005 MW tuulivoimakapasiteettia (lähde: tuulivoimayhdistys) (vuoden 2015 lopussa 387 tuulivoimalaa, tuotanto 2,3 TWh 2,8 % Suomen sähkön kulutuksesta) (vuoden 2016 lopussa 552 tuulivoimalaa, tuotanto 3,1 TWh 3,6 % Suomen sähkön kulutuksesta)

21 irti luonnonvoimista: höyry hiilikaivosten tarpeet, veden poisto kaivoskuilusta Denis Papin ( ) Thomas Savery ( ) Thomas Newcomen ( ) atmosfäärikone (sylinteri jäähdytetään) käytössä kaivoksissa 50 v.

22

23 James Watt ( ) Watt paransi höyrykonetta (tuhlausta jäähdyttää sylinteri jatkuvasti) erillinen lauhdutin kampimekanismi: pyörivä liike kaksitehoinen toiminta (männän paluuliike työliikkeeksi) parempi tiivistys tehokkuus 3-kertainen: Newcomen kulutti tn/v hiiltä, Watt 6100 tn/ v

24

25 Watt 1784

26 upload.wikimedia.org/ wikipedia/commons/ thumb/ f/ f0/ Steam_engine_in_action.gif/ 500px-Steam_engine_in_action.gif

27 1802 Richard Trevithick: 10 ilmakehän paineeseen perustuva pienikokoinen höyrykone ensimmäinen veturi 1804, nopeus 8 km/ h rautatie 1830-luvulla Saksassa, Ranskassa (Suomeen 1862) Robert Fulton: siipirataslaiva Great Western (72 m); Atlantin ylitys 15 vrk 1884 Charles Parsons: höyryturpiini rpm (höyrykone liian hidas induktiogeneraattorin pyörittäjä)

28 Höyrylaivat Clermont (1804) Robert Fulton Great Western (1837) pituus72 m Great Eastern (1857) 211 m (M/ S Silja Symphony: 203 m)

29 Sähkögeneraattori ennen v hankausgeneraattori 1800 Voltan paristo 1831 Faradayn induktiogeneraattori

30 Volta-sähköinen induktio Faradayn homopolaarinen generaattori levygeneraattori Pieni sisäinen vastus - epäkäytännöllinen

31

32 kommutaattorilla tasasuuntaus

33 Hippolyte Pixii ( ) vaihtovirtageneraattori Edward Clarke: kelat pyörivät magneettien edessä (kevyempi pyörittää) (Faraday: suhteellinen liike olennaista)

34 Hippolyte Pixii ( ) 1832

35 Alliance-generaattori 1860 höyrykoneella toimiva, käytössä valaistuksessa majakoissa Esim: 2,5 tonnia: 20 kestomagneettia, 16 kelaa 3,2 hv höyrykone 400 r/min, -> 1 kw (1 hevosessa 3 hv...)

36 Hevosvoimasta 1 hv: 75 kg:n nostaminen metrin sekunnissa noin 736 W Hevosen maksimiteho yli 10 hv, keskimääräinen alle hevosvoiman. Tekniikan maailman artikkelissa (13/ 2000) maksimitehoksi ilmoitetaan jopa yli 20 hv Volmari-niminen hevonen tuotti: - 18 kw (24 hv) 0,1 sekunnin ajan - 10 kw (14 hv) 1 sekunnin ajan - 8 kw (10 hv) 10 sekunnin ajan - 5 kw (7 hv) 100 sekunnin ajan ostin autoon akun: 62 Ah (energiaa siis hevosvoimatunti!) tehoa hevosvoima? (akuilla vajaa sata wattia kiloa kohti ) vaikka onkin CCA (cold cranking amps) isompi, eli satoja ampeereja hetkellisesti 5 kw, 7hv

37

38

39 Auton akku: esim. 80 Ah noin 1kWh energiaa vrt. bensa: 42,4 MJ/kg noin 12

40 Alliance-generaattori ja valonheitin Montmartrella 1870 Pariisin piirityksen aikana

41

42 Jatkokehitystä Alliance-koneen hyötysuhdetta voidaan parantaa kun magneettivuo ohjataan paremmin roottorin kelojen läpi luodaan voimakkaampi magneettikenttä sähkömagneettien avulla kasvatetaan roottorin pyörimisnopeutta pyörrevirrat kuumentavat roottoria voidaan tehdä eristetyistä rautalangoista

43 Ernst Werner von Siemens Preussin tykistöupseeri lennätin generaattori dynamo Siemens & Halske aateloitiin 1888 S = A/V

44 1856 Werner Siemens: rautasydäminen roottori (H-ankkuri) muotoiltujen magneettinapojen välissä suuri pyörimisnopeus pieni ilmarako estää vain vähän magneettivuota

45 Kestomagneetin tilalle sähkömagneetti tuhlausta? indusoitunut virta suurempi kuin sähkömagneetin pariston virta vahvistus? 1863 Henry Wilde: generaattorin sähkömagneettien virta otetaan pienestä apugeneraattorista dynamoperiaate: apugeneraattoria ei tarvita, kun magnetointivirta otetaan generaattorin antamasta virrasta energia tulee pyörimisliikkeestä magneettinapojen rautaan jäänyt magnetointi antaa käynnistyksen magnetointivirran magnetosähköinen generaattori vs. dynamosähköinen generaattori

46 Henry Wilde ( ) magneetto 1864

47 Dynamo Sören Hjorth (1855) Ányos Istvan Jedlik (1861) Werner Siemens (1866) Cromwell F. Varley (1866) vai veljensä S. Alfred Varley? William Siemens, Charles Wheatstone, Henry Wilde ilmaraot pieniksi, kenttien suunnan ohjailu

48 ankkuri (roottori, pieni pyörimismomentti) Siemensin ankkuri: tasasuunnattu vaihtovirta Antonio Pacinotti 1860: monta käämiä rengasmaisella ankkurilla - > tasaisempi virta Z. T. Gramme 1870: rengasankkuridynamo ensimmäinen käytännöllinen generaattori

49 (Bordeau: Volts to Hertz)

50 1872 (Siemens & Halske): Friedrich von Hefner-Alteneck Jonas Wenström käämitys ankkurin sisään keskipakoisvoima ja ilmaväli pieniksi rumpuankkurissa suurempi silmukan pinta-ala ja pyörimisnopeus kuin rengasankkurissa käämien esivalmistus mahdollinen

51 Ankkuri? ankkuri ankare, armature (tasavirtakone): työvirta kulkee ankkurikäämityksessä (vs. magneettikäämitys, joka staattorilla) tosin tahtikoneessa voi olla toisinpäin

52 Sähkön käyttö; tasavirtamoottori Faradayn rotaattori (1821), Barlow n pyörä (1823), Henryn keinu (1831) Moritz Jacobin moottori (1834) sähkömagneetit staattorissa ja roottorissa. 7,5 km moottorivenematka 3,6 km/ h Nevalla 1838 useita konstruktioita , ei hyötykäyttöä mekaaninen työ sähkö työ onko järkeä? (mutta kuka haluaa höyrykoneen kotiinsa?)

53 1842 Daniel Davis: generaattorit voivat toimia moottorina-- tehokkaampia kuin aikaisemmin suunnitellut moottorit 1866 dynamosähkö teki sähkömoottorit käytännöllisiksi 1879 Siemensin sähköjuna Berliinin messuilla 1880 Edisonin koerata Menlo Parkissa 1881 ensimmäinen 2 km:n sähköraitiolinja Berliinissä metro: (Lontoo 1890, Budapest 1897, Pariisi 1900, New York 1904) höyrysähköveturi 1893, dieselsähköveturi 1917

54 Sähköauto lyijyakku 1880 kulta-aika vuonna 1899 USA:ssa autoista 40% sähköautoja, 30% höyryautoja, loput polttomoottoriautoja tulevaisuus?

55

56 Induktiomoottori 1824 Arago: kuparilevy pyörittää magneettineulaa 1825 Babbage ja Herschel: pyörivä magneetti pyörittää kuparilevyä 1831 Faradayn selitys: indusoituneet sähkövirrat 1879 Walter Baily: kuparilevy pyörii kahden sähkömagneetin ja paristojen avulla 1883 Marcel Deprez: kuparilevy pyörii pyörivän magneettikentän avulla

57 Induktiomoottori ei kommutaattoria, ei kipinöintiä 1885 Galileo Ferraris ( ): induktiomoottori, kuparisylinteri pyörivässä magneettikentässä vain 50% hyötysuhde mahdollinen, ei käytännöllinen 1888 Nikola Tesla: kaksivaiheisen induktiomoottorin patentti (idea 1882, toimiva moottori 1884). staattoriin pyörivä magneettikenttä käytännöllinen, roottorissa oikosuljettu käämi epätahtikone voi toimia myös generaattorina: roottori pyörii jättämän verran nopeammin kuin magneettikenttä

58 Nikola Tesla ( ) syntyi serbinä Kroatiassa (Itävalta- Unkari), kuoli USA:ssa töissä Edisonin yhtiöissä (Budapest, Pariisi, New Jersey), ei innostunut Edisonin tasavirrasta patentteja vaihtovirtajärjestelmään: generaattori, muuntaja, siirtolinja, moottori, valaistus. George Westinghouse osti patentit ja palkkasi Teslan 1890-luvulla suurtaajuus- ja suurjännitekokeita: 1893 Chicagon maailmannäyttelyn suunnittelu, Niagaran sähköistys, 1897 radiopatentti, 1899 Colorado Springsin laboratorio, 1902 Wardenclyffen langaton asema (hylättiin 1906) salaperäisiä keksintöjä, kuoli T = 1 Vs/m 2

59 Wardenclyffen asema Teslan idea: resonanssiin perustuva langaton energian ja tiedon siirto J.P. Morganin rahoittama Wardenclyffen asema: torni 62 m, rautaputket 100 m:n syvyydessä maadoituksena Marconin langaton yhteys Atlantin yli 1901 lopetti rahoittajan mielenkiinnon projekti lopetettiin 1905, torni romutettiin 1917

60 Thomas Alva Edison George Westinghouse

61 1882 Thomas Alva Edison: DC-jakeluverkkojen rakentaminen alkoi ei kilpailijoita 110 V vaati paksut johdot ja paikallisia sähkölaitoksia, toimintasäde vain 400 m Edison teetti turvalliset ja kalliit kaapeloinnit 1886 George Westinghouse aloitti ACjakeluverkkojen rakentamisen, aluksi maaseudulle 2kV:lle riitti ohuet ilmajohdot, paikallisia muuntoasemia, sähkölaitokset harvassa 1887 kuparin maailmanmarkkinahinta nousi 2- kertaiseksi. vaihtovirran ongelmat: ei kunnollista moottoria eikä energian kulutusmittaria laskutus lamppujen lukumäärän perusteella

62 1882 New York; sähkölaitos 110 V; Pearl Street Station 1887: USA:ssa 121 Edisonin tasavirtavoimalaa; hyvät kaupungeissa, tiheissä keskustoissa Westinghousen vaihtovirta, korkea jännite sähkösota: kuinka vaarallista on vaihtovirta? 1892: Edison-yhtiöt + Thomson Houston General Electric Edison & Tesla: Nobelin palkinto? 1915 olivat ehdokkaina

63 Maailmannäyttelyt International Exhibition, Exposition Universelle, Weltausstellung, World s Fair, Expo, Lontoo 1855 Pariisi 1862 Lontoo 1867 Pariisi 1873 Wien 1876 Philadelphia 1878 Pariisi 1879 Sydney 1880 Melbourne 1884 New Orleans 1888 Barcelona 1889 Crystal Palace paloi Pariisi 1893 Chicago 1897 Brysseli 1900 Pariisi 2000 Hannover 2005 Aichi, Japani 2008 Zaragoza 2010 Shanghai 2012 Yeosu, Etelä-Korea 2015 Milano 2017 Astana

64 Vaihtovirta tarvitaan vakiotaajuus -> Teslan kompromissi 60 Hz Englannissa vielä eri taajuutta käytössä! 1893 Chicagon maailmannäyttelyn (Columbian Exposition) sähköistys Edison & Morgan: tasavirtasähköistys 1,8 milj $ -> $; Tesla & Westinghouse: $ 1895 Tesla & Westinghouse: Niagaran sähkölaitos

65 Kolmivaihesähkö vaihtovirtageneraattori (alternaattori) helppo konstruoida, ei kommutaattoria 1889 Michael von Dolivo-Dobrowolski (AEG): 3-vaihejärjestelmä yksinkertaisempi kuin 2- vaihejärjestelmä tasaisempi kenttä generaattorissa ja moottorissa 1891: 3-vaihevoimansiirto 175 km Lauffen Frankfurt

66 Suomen sähkövoimasta Daniel Wadén: sähköliike Helsinkiin Tampere 1882: Finlaysonin valaistus 1884 Esplanadin varrelle sähkölaitos 1909 Helsingin kaupungin sähkölaitos Heikinkadulle sähkövalot (kaasuvalot jo 1860) Gottfrid Strömberg ( ) tasavirtageneraattorit ! 1889 oma yritys ( ASEA, ABB) Imatran kosken voimalaitos 1929

67 Tasavirran paluu? sähköenergian siirto tasavirralla tehoelektroniikka kehittynyt, vaihtovirran eristehäviöt pois HVDC (high-voltage direct current) teho esim MW, jännite satoja kv

68 Aurinkosähkö Aurinkovakio (säteilytiheys Maan pinnalla keskimäärin 1,37 kw neliömetriä kohti) TW = yli 5000 kertaa ihmiskunnan kulutus

69 Maailman ja Suomen energiasta Energiaa maailma kuluttaa 20 TW eli 6.4* 10^20 joulea (noin tsettajoule) vuodessa noin sqrt(10^15) sekuntia, 31,623 miljoonaa vs. oikea 31,557 miljoonaa (yliarvio 2 promillea) Suomi kuluttaa noin 40 GW, vuodessa 371 TWh se on 1335 PJ, eli noin 2 promillea maailmasta sähköä tästä on 10 GW (neljäsosa energiasta), eli vuodessa 84 TWh